基于战法推演的反舰导弹建模方法

张 宇

(中国人民解放军91404部队,河北秦皇岛 066000)

反舰导弹是以水面舰艇为主要攻击目标的作战武器,随着科技水平日新月异,反舰导弹的攻击性能也有了很大提高。反舰导弹航路规划、机动能力的不断提高,极大地增强了对水面舰艇的突防能力和威胁[1]。随着武器装备的不断发展,现代战争的信息化、智能化程度越来越高,军用仿真技术作为战法研究的重要手段之一,在作战模拟方面应用越来越广泛,为战法运用和作战理论研究提供了有力支撑[2-4]。

1 反舰导弹模型需求设计

当对反舰导弹建模方法进行研究时,根据应用需求不同,建模粒度也有所不同。当研究反舰导弹突防和舰艇防空作战决策能力时,主要关注反舰导弹不同时刻在飞行航路上的位置、高度、航向和航速等信息,此时只需要对反舰导弹的位置信息和运动参数进行建模即可。但当对反舰导弹技战术性能或作战效能评估进行研究时,就需要了解每一时刻反舰导弹的空间位置及其姿态变化,通过应用牛顿运动定律和飞行动力学原理,在反舰导弹重力、发动机推力、空气升/阻力和飞行控制力的协同作用下,建立反舰导弹六自由度空气动力学模型。大多数情况下,要想获得气动参数,必须求解多个高阶微分方程,在战场环境仿真中,由于模型运算量和数据存储量太大,实现起来相当困难[5-6]。

反舰导弹通过制导系统捕获、筛选、识别、跟踪目标并进行打击,制导系统是反舰导弹实现作战任务的核心[7]。按照现有主流反舰导弹末制导方式不同,设计3种制导模式的导引头,包括雷达主动导引头、红外导引头和反辐射导引头。同时考虑复合寻的制导模式,以雷达/红外复合导引头为例进行设计。

2 反舰导弹模型设计

2.1 模型功能设计

模块化是“系统还原论”自顶向下分解的建模方法,是指解决一个复杂问题时,自顶向下逐层把系统划分成若干模块的过程[8]。本文基于模块化建模方法,兼顾反舰导弹功能特点,将其划分为反舰导弹平台模块、导引头模块、信息融合模块、毁伤判定模块4个部分,反舰导弹模型功能模块组成如图1所示。其中,反舰导弹平台模块是反舰导弹模型的核心模块,主要用于模拟导弹姿态和运动状态;导引头模块包括雷达主动导引头模块、红外导引头模块和反辐射导引头模块。针对战法研究需求不同,可以灵活切换导引头工作模式,也可以通过制导方式设置,采用复合寻的制导模式;信息融合模块主要用于复合寻的制导模式下的目标信息融合;毁伤判定模块主要用于对攻击效果的计算和反馈。鉴于推演系统主要针对战术级合同战法进行检验,导弹模型进行功能级建模。

图1 反舰导弹模型功能模块组成图

2.1.1 反舰导弹平台模块

模块主要功能如下:

1)导弹运动模拟功能。能够模拟导弹从发射到命中目标或自毁的全弹道;能够模拟导弹的垂直发射运动和倾斜发射运动;能够模拟导弹的爬升、降高、平飞、转弯、末端跃升等运动,具有平滑的转弯路径;能够模拟导弹的末端飞行加速过程;能够模拟导弹的偏航、滚转、纵摇等姿态变化;

2)航路规划功能。能够模拟反舰导弹航路规划功能,针对不同制导模式、不同发射平台,选择不同的飞行弹道;

3)毁伤判定功能。能够调用“毁伤判定模块”,完成对攻击目标的毁伤判定结果计算和输出;

4)反舰导弹自毁模拟功能。反舰导弹在末制导雷达开机后,未发现目标或发现后又丢失目标,即“迷航飞行”状态。则始终处在末端飞行高度平飞,若一直未获取目标,指定时间后自动俯冲落水自毁;

5)导弹特性模拟功能。能够按照想定设计,装订不同导弹的初始特性参数,主要包括雷达散射截面积、辐射强度、制导方式、过载角速度、导引头工作方式、导引头开机距离等基本特性。

2.1.2 雷达主动导引头模块

模块主要功能如下:

1)雷达目标探测捕获功能。能够模拟在有干扰或无干扰情况下,雷达导引头对目标的探测捕获情况;

2)目标信息引导功能。导引头能够将目标的位置信息实时发给导弹平台,引导导弹向目标飞行。

2.1.3 红外导引头模块

红外导引头模块主要模拟红外点源导引头的工作流程。模块主要功能如下:

1)目标探测捕获功能。模拟导引头在无干扰和有干扰时对目标的探测、捕获情况;

2)目标选择跟踪功能。能够根据设定的目标选择原则模拟导引头对目标的选择功能;能够模拟对特定目标的跟踪功能;

3)红外诱饵和烟幕干扰处理功能。能够响应红外诱饵干扰,将红外诱饵作为目标处理,满足能量合成条件时,需要进行能量合成;能够处理烟幕干扰对红外辐射透过率的影响;

4)目标信息引导功能。导引头能够将目标的位置信息实时发给导弹平台,引导导弹向目标飞行。

2.1.4 反辐射导引头模块

反辐射导引头用于导弹飞行过程中对雷达辐射源的捕获和跟踪,从而实现导弹飞行方向的控制。当反辐射导弹距离辐射源目标较远时,多个辐射源目标都将处于导引头的分辨角内,此时导弹将跟踪合成辐射源;当反辐射导弹距离目标较近时,距离合成辐射源较远的辐射源与导引头接受方向法线的夹角将越来越大,当达到某个阈值时,反辐射导引头会分辨出多个目标辐射源,此时导引头将稳定跟踪在其接收机分辨角内的雷达或诱饵,最终导弹将以最大过载修正飞行误差,从而修正导弹飞行方向,引导导弹飞向目标完成打击任务。

模块主要功能如下:

1)信号截获功能。能够截获雷达辐射源信号,并能够体现导引头截获概率等装备性能;

2)目标选择和跟踪模拟功能。能够根据设定的辐射源目标选择原则模拟导引头对目标的选择功能;并能够模拟对目标的跟踪功能;

3)目标信息引导功能。能够模拟导引头将目标辐射源的位置信息实时发给导弹平台,引导导弹向目标飞行。

2.1.5 信息融合模块

多模复合导引头工作时并不是简单的单模导引头功能相加,而是充分发挥各自模式的优势来弥补对方的劣势,将有效信息进行合理融合,从而提高目标探测、跟踪精度,提高武器的作战效能。雷达作为一种主动传感器探测手段,由于可以提供较为完整的目标位置信息或多普勒参数,在目标探测和跟踪方面发挥着重要作用。较高精度的测角能力和较强的目标识别能力是红外传感器的突出优点。从而为了提高跟踪探测系统的抗干扰能力和可靠性,将雷达和红外传感器组合成复合导引头是个不错的选择;利用雷达和红外传感器高精度的距离测量和角度测量能力,通过数据融合进行信息互补,可以得到较高精度的目标位置信息[9]。信息融合模块主要用于反舰导弹复合寻的制导情况下的目标信息融合,这里以雷达/红外双模制导信息融合进行设计。

模块主要功能如下:

1)目标信息融合功能。能够将雷达、红外设备对同一目标的运动状态估计参数进行融合处理,得到精度更高的目标位置及运动信息;

2)目标信息引导功能。融合模块能够将目标的最终位置及运动信息实时发给导弹平台,引导导弹向目标飞行。

2.1.6 毁伤判定模块

反舰导弹毁伤判定模块主要用于计算舰舰导弹和空舰导弹对舰艇的毁伤情况。

模块主要功能为:反舰导弹对目标的毁伤判定功能。当目标进入反舰导弹爆炸半径后,调用毁伤判定模块,根据导弹爆炸的毁伤当量,通过概率计算方式得出对舰艇的毁伤当量,并发送反舰导弹攻击结果消息给被攻击目标。

2.2 模型接口设计

根据上文模块划分和模型功能设计内容,设计模型接口交互如图2所示。反舰导弹模型逻辑结构图能够清楚地描述模型内部各部分之间的交互关系,并能得到模型与外部的交互接口,主要包括反舰导弹平台、雷达主动导引头、红外导引头、反辐射导引头、信息融合和毁伤判定6个模型部件。各个部件内部具有独立的算法处理功能,并通过交互接口完成信息收发。

图2 反舰导弹模型逻辑结构图

3 典型飞行弹道设计

水面舰艇是反舰导弹进攻的主要作战目标,从导弹飞行技术发展来看,反舰导弹在攻击目标过程中大都采用自控飞行和自导飞行控制方式。由于红外制导和反辐射制导反舰导弹工作方式、飞行弹道相近,雷达主动制导有自己特有的工作方式和弹道,下面就两类制导模式设计两种典型弹道,用于战术推演系统反舰导弹战术运用研究。

3.1 典型被动制导弹道设计

反辐射和红外制导反舰导弹弹道一般分为方案弹道和导引弹道两个阶段,即自控飞行和自导飞行阶段。当机载或舰载反舰导弹发射后,导弹进入方案弹道飞行阶段,方案弹道主要有发射段、助推段、变高段、转弯段[10],而后进入导引段。

发射段:当导弹收到发射命令后,导弹离开平台,控制系统开始工作,稳定导弹飞行姿态,消除发射干扰;

助推段:当导弹稳定飞行后,助推器开始点火;

变高段:当助推器脱落后,导弹在纵向平面内,按照给定的过载开始爬升或下降,到达某一高度后开始平飞,侧向平面按照导弹的导引头输出信号进行控制。导弹飞行至某一时刻,弹上引信解除保险状态,此后引信一直处于待爆状态,当导弹接触到目标时,引信传感器组接通,开始动作并且引爆战斗部;

转弯段:当导弹飞行方向与目标视线的夹角达到预定门限值时,向导弹飞行控制组件发送转弯指令信息,使导弹进入转弯飞行阶段。

导引段:导弹为实现导引动作,首先要通过判断导弹与目标的视线夹角是否达到设定阈值,当达到阈值门限时,通过控制器发出控制信号,使导弹进入导引弹道。此时应该注意导弹在高空突防和低空突防两种飞行弹道情况下,所设的夹角阈值是不同的。导弹进入导引弹道后按照一定的导引规律,如平行接近法、比例导引法接近目标。当导弹与目标的相对位置满足一定条件时,引信传感器发出信号,引爆战斗部,完成杀伤。典型被动制导反舰导弹飞行垂直剖面示意如图3所示。

图3 典型被动制导反舰导弹飞行垂直剖面图

3.2 典型主动制导弹道设计

雷达主动和雷达/红外复合制导反舰导弹飞行过程可以分为自控飞行和自导飞行两个阶段。为了提高反舰导弹突防能力,在自导段导弹通常会采取低空突防、“蛇行机动”、“跃升-俯冲机动”、“螺旋机动”等突防方式[11]。鉴于本文反舰导弹模型仅用于战术运用研究,不考虑后三种机动方式,仅对典型主动制导反舰导弹低空突防弹道进行设计[3],垂直剖面示意如图4所示。

图4 典型主动制导反舰导弹飞行垂直剖面图

自控飞行阶段:反舰导弹从发射到末制导雷达开机为自控飞行阶段,导弹按照发射时的弹目距离分别计算出的一次降高、一次平飞、二次降高、二次平飞至末制导雷达开机的时间。此阶段中,如果是舰载垂直发射,导弹发射时的加速度为垂直发射最大加速度,到达垂直升高段最大高度后进行一次降高;如果是舰载倾斜发射,导弹倾斜角度不能小于最小倾斜发射角度,到达倾斜发射弹道最高点后进行一次降高,此时导弹的飞行速度为巡航速度;如果是载机发射,导弹发射状态稳定后,进行平飞和降高飞行。

自导飞行阶段:对雷达主动制导模式而言,当末制导雷达开机后,导弹进入自导飞行阶段。雷达实时获取目标位置信息,并根据目标位置进行三次降高,而后进入末端飞行阶段,并以最大加速度加速到最大飞行速度,到达最大俯冲距离后开始俯冲攻击。当反舰导弹对目标的毁伤判定模型判定目标进入导弹杀伤半径之后,导弹爆炸,输出导弹攻击结果信息。

对雷达/红外复合制导模式而言,由于雷达设备的作用距离远于红外设备,在远距离时,雷达设备首先进行搜索跟踪,当达到红外设备探测距离时,并且满足雷达、红外交接班条件时,雷达实现雷达到红外设备的交班。交班后,为避免红外设备收到干扰出现目标丢失的情况,雷达要持续保持对目标的跟踪状态,当目标丢失后自动转到雷达设备探测目标信息,并重新引导红外传感通道截获目标。当两个类型传感器同时工作时,调用信息融合模块对各单模导引头输出的决策信息进行数据配准和数据关联,形成融合目标特征信息。

4 仿真模型开发与测试

基于数字武器开发平台(DWK, Digital Weapon Kit),通过生成模型代码框架,并利用C++语言,对模型进行开发实现。

仿真模型测试过程分为两个阶段,第一阶段为单机测试阶段,通过测试代码工程编写测试代码,对模型各个输入输出接口及算法功能进行单机测试。第二阶段为系统联调测试阶段,通过制定作战想定,进行方案部署,对模型间的信息流进行全面测试。通过两个阶段的测试,本文设计开发的反舰导弹模型,可以成功应用于战法推演过程中,具有很好的可重用性和可扩展性,对战法研究具有重要意义。

5 结束语

在数字武器开发平台DWK研究的基础上,为满足战法研究的实际需求,本文基于模块化分析方法,并结合组件化设计思想,完成了反舰导弹模型的需求分析、功能设计、接口设计、算法设计和开发测试工作。通过应用验证,该模型可以根据实际需求,通过改变性能参数、导引头类型实现不同型号、不同制导模式反舰导弹的模拟,具有很好的可重用性和可扩展性。目前,该模型已经在某战法推演系统中得到很好的应用,模型功能完善、运行稳定,对检验作战预案的合理性,提高战法的运用能力具有重要意义。下一步,将对反舰导弹突防和反导战法作战效能进行研究,这就要求建模的粒度更高,弹道模拟更加精细、更加多样,还需要考虑动力学因素,最终实现对实装模拟更加逼真,真实反映反舰导弹作战过程的目的。