地空導彈兵混編群作戰(zhàn)仿真研究

陽 林，劉付顯，王 磊

（空軍工程大學導彈學院，陜西 三原 713800）

空襲體系的快速發(fā)展使防空作戰(zhàn)方面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。對防空一方來說，使用單一性能的武器裝備不僅很難構(gòu)成有效的地面防空火力配系，也不能適應信息對抗的需求，更不能完成防空作戰(zhàn)任務。只有充分利用多型地空導彈武器裝備資源，混合部署、優(yōu)化集成、取長補短、集群運用火力，形成對抗體系，才能提高整體抗擊效率、抗干擾能力和生存能力，才能奪取信息化戰(zhàn)爭的勝利。地空導彈兵混編作戰(zhàn)已成為現(xiàn)代防空作戰(zhàn)的主要形式之一。因此，積極研究這一新的防空作戰(zhàn)樣式具有非常重大的意義。

由于實彈打靶風險高、投入大，因此采用仿真方法對地空導彈兵混編群的作戰(zhàn)過程進行分析評估是最有效的手段之一。

1 地空導彈兵混編群作戰(zhàn)過程的系統(tǒng)模型

地空導彈兵混編群（以下簡稱混編群）是指根據(jù)作戰(zhàn)任務需要將多種型號地空導彈武器系統(tǒng)在同一地域進行臨時編組、混合配置形成的一體化防空作戰(zhàn)單元。其基本組成如圖1所示。

混編群作戰(zhàn)過程可簡要描述為：混編群指揮控制中心通過上級、友鄰部隊和混編群預警探測系統(tǒng)獲得空中目標來襲情況，迅速對空中情況進行分析判斷（包括對目標進行敵我識別、類型判斷、諸元計算、威脅評估等），當目標進入分配區(qū)時對進入分配區(qū)的目標進行優(yōu)化分配，適時將分配方案下達給下屬各火力單元，并對下屬各火力單元實施作戰(zhàn)指揮，最后進行戰(zhàn)果效果評估。

下屬各火力單元接到混編群指控中心下達的射擊任務后，迅速組織目標指示雷達搜索目標，發(fā)現(xiàn)目標后，組織制導雷達對目標進行跟蹤，穩(wěn)定跟蹤后，迅速定下射擊決心對空中目標實施射擊，并將射擊結(jié)果上報，然后轉(zhuǎn)移火力射擊后續(xù)目標。

圖1 地空導彈兵混編群作戰(zhàn)單元組成

從上述對混編群作戰(zhàn)過程的描述不難發(fā)現(xiàn)，混編群作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)是一個連續(xù)/離散事件復合系統(tǒng)。其中既有連續(xù)系統(tǒng)問題，如空襲目標運動的動力學方程；又涉及離散事件問題，如雷達發(fā)現(xiàn)目標、發(fā)射導彈等。對于連續(xù)系統(tǒng)問題，可采取“固定周期采樣法”將其轉(zhuǎn)化為離散事件問題。

采用實體流圖法，以空襲目標在系統(tǒng)中活動為主線可建立混編群作戰(zhàn)過程實體流圖模型如圖2所示。

圖2 混編群作戰(zhàn)過程的實體流程圖

從圖2中可以看出，混編群作戰(zhàn)過程實質(zhì)是由一系列事件組成的，包括探測搜索、跟蹤、諸元計算、目標類型判斷、威脅評估、攔截適宜性檢查、目標分配、火力分配、射擊效果評估等事件。其中，諸元計算模型可參考文獻[2]，威脅評估模型可參考文獻[3]，目標優(yōu)化分配模型可參考文獻[4]。限于篇幅，本文不對每一個模型一一進行介紹。

2 基于Arena的混編群作戰(zhàn)過程仿真模型

本模型采用美國 System Modeling公司研發(fā)的Arena軟件建模。它是基于面向?qū)ο笏枷牒徒Y(jié)構(gòu)化建模概念的可視化交互集成仿真環(huán)境，主要用于離散事件系統(tǒng)的仿真。通過上一節(jié)建立的系統(tǒng)模型，可相應地建立各模塊的仿真模型。

2.1 想定設置模塊

該模塊主要為用戶提供一個進行想定設置的界面，包括要地信息設置、混編群所包含的火力單元信息設置及空情設置三個部分。如圖3所示。

圖3 想定輸入界面

2.2 空情生成模塊

該模塊的功能主要有兩個：一是根據(jù)用戶在想定設置模塊中設置的想定，產(chǎn)生出相應的空襲目標流；二是對產(chǎn)生的空襲目標的運動狀態(tài)定時進行更新。通過圖4所示的Arena流程圖來實現(xiàn)。其中，圖4的上半部分用來實現(xiàn)第一個功能，下半部分用來實現(xiàn)第二個功能。在上半部分中，名為Target Arrive的Create塊用來產(chǎn)生空襲目標實體，名為Assign Attribution的Assign塊用來設置空襲目標的屬性；VBA塊是Arena提供給用戶的編程接口，當有實體經(jīng)過 VBA塊時，Arena會調(diào)用相應的函數(shù)。因此，用戶可以在該函數(shù)中編寫代碼來實現(xiàn)特定的功能。這里的VBA1主要實現(xiàn)兩個功能：一是用來對目標的屬性賦值從而產(chǎn)生出符合用戶要求的空襲目標流；二是當?shù)谝粋€目標實體經(jīng)過時產(chǎn)生兩個控制實體，并將其中一個控制實體發(fā)送到 Station1中以觸發(fā)下面的目標運動狀態(tài)更新模塊，另一個控制實體發(fā)送到Station3中以觸發(fā)探測搜索模塊。名為Arrived Targets的Hold塊主要是提供一個隊列Queue1，將產(chǎn)生的目標暫存在該隊列中。在下半部分中，Station1用來接收VBA1塊中送來的控制實體，并將其送入名為Delay Fixed Time的Delay塊中，延遲一段固定的時間，比如1s。VBA2主要實現(xiàn)了以下四個功能：一是對空襲目標的運動狀態(tài)進行更新；二是判斷目標是否突防（當目標到達其完成任務線還沒有被擊落時，則認為目標突防）；三是統(tǒng)計突防目標數(shù)；四是終止仿真運行，當目標突防數(shù)加上殺傷目標數(shù)等于進入系統(tǒng)的目標總數(shù)時，終止仿真運行。

圖4 空情生成的Arena流程圖

2.3 探測搜索模塊

該模塊用來對目標的探測搜索過程進行仿真.其Arena流程圖如圖5所示。控制實體經(jīng)Station3進入名為Delay Scout Time的Delay塊，延遲混編群搜索周期時間，進入VBA4，在該VBA塊中，主要實現(xiàn)了兩個功能：一是判斷混編群是否發(fā)現(xiàn)目標；二是將發(fā)現(xiàn)的目標從隊列Queue1中取出，送入Station2中。判斷各雷達是否發(fā)現(xiàn)目標的邏輯是這樣的：先根據(jù)目標的雷達散射截面積和目標的飛行高度及戰(zhàn)場電磁環(huán)境等信息，計算各種條件下雷達對目標的探測距離，取這些值中的最小值為雷達作用距離。雷達是否發(fā)現(xiàn)目標可通過產(chǎn)生[0，1]區(qū)間上均勻分布的隨機數(shù)u來模擬。當up≤（p為雷達對目標的發(fā)現(xiàn)概率）且目標斜距小于R時，雷達發(fā)現(xiàn)目標；否則，雷達未發(fā)現(xiàn)目標。只要混編群目標指示雷達或者任意下屬火力單元的目標指示雷達發(fā)現(xiàn)了目標就認為混編群指控中心發(fā)現(xiàn)了目標。

圖5 探測搜索過程的Arena流程圖

被發(fā)現(xiàn)的目標經(jīng) Station2、VBA3進入名為Detected Targets的Hold塊中。該Hold塊主要是提供一個隊列Queue2用于保存被發(fā)現(xiàn)的目標。VBA3所實現(xiàn)的功能是：當?shù)谝粋€實體經(jīng)過該 VBA塊時產(chǎn)生一個控制實體，并將該控制實體發(fā)送到Station4中，觸發(fā)跟蹤模塊。

2.4 跟蹤模塊

該模塊主要用來模擬混編群指揮控制中心對目標的跟蹤過程。其Arena流程圖如圖6所示。其中，VBA5塊主要實現(xiàn)了三個功能：一是獲取目標的運動狀態(tài)信息，對目標屬性、類型進行判斷，對目標威脅度進行評估；二是計算目標進入分配區(qū)的時間，并判斷當前時刻目標是否進入分配區(qū)；三是將進入分配區(qū)的目標從隊列Queue2中取出，送入Station5中。

圖6 跟蹤過程的Arena流程圖

2.5 目標分配模塊

目標分配過程是一個動態(tài)的循環(huán)往復的過程，在目標沒有下達給下屬火力單元之前，隔一定的周期就對分配區(qū)內(nèi)的目標進行一次分配。對該過程的模擬是通過如圖7所示的Arena流程圖模塊來實現(xiàn)的。進入分配區(qū)的目標經(jīng)Station5、VBA6進入名為Distribution Targets的 Hold塊中，該 Hold塊提供了一個隊列Queue3用于保存進入分配區(qū)的目標。其中VBA6塊所實現(xiàn)的功能是：當?shù)谝粋€實體經(jīng)過該 VBA塊時，產(chǎn)生一個控制實體，并將該控制實體發(fā)送到Station6中，觸發(fā)目標的優(yōu)化分配程序。VBA7塊主要實現(xiàn)了三個功能：一是對分配區(qū)內(nèi)（即 Queue3中）的目標進行優(yōu)化分配；二是判斷目標是否進入了分配方案下達時間線；三是將進入分配方案下達時間線的目標從隊列Queue3中取出，送入Station7中。

圖7 目標分配的Arena流程圖

2.6 攔截打擊及殺傷效果評估模塊

圖8 攔截打擊及殺傷效果評估的Arena流程圖

該模塊用來模擬火力單元對目標的攔截及殺傷效果評估過程，該過程可用如圖8所示的Arena流程圖來模擬。進入分配方案下達時間線的目標經(jīng)Station7、VBA8進入名為Shooted Targets的Hold塊中，該Hold塊提供一個隊列Queue4用于保存待攔截的目標。VBA8塊復制每一個經(jīng)過的目標，并將復制的目標送入Station8中，經(jīng)名為Delay Preparative Time的Delay塊，延遲火力單元的反應時間，進入VBA9塊。該 VBA塊主要實現(xiàn)兩個功能：一是判斷當前時刻目標是否仍處于該火力單元的發(fā)射區(qū)內(nèi)；二是對仍處于火力單元發(fā)射區(qū)內(nèi)的目標計算目標與導彈的遭遇時間，若目標已逃離該火力單元的發(fā)射區(qū)，則將目標送入Station5中，參與下一周期的目標分配。隨后，目標進入名為Delay Encounter Time的Delay塊中，延遲遭遇時間，進入VBA10中。該VBA塊主要實現(xiàn)了三個功能：一是判斷目標是否被殺傷；二是將沒有殺傷的目標送入Station5中，參與下一周期的目標分配；三是統(tǒng)計殺傷的目標數(shù)。

2.7 數(shù)據(jù)庫模塊

該模塊主要用來保存下列數(shù)據(jù)：1）、火力單元數(shù)據(jù)，包括各火力單元的類型、通道數(shù)、彈藥基數(shù)、反應時間以及殺傷區(qū)數(shù)據(jù)等；2）、空襲目標數(shù)據(jù)，包括目標類型、目標RCS及目標性能參數(shù)等；3）、想定數(shù)據(jù)，包括各要地位置、各火力單元的類型、部署位置等；4）、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，包括各火力單元的剩余彈藥數(shù)、殺傷目標數(shù)及目標突防概率等。

3 實例

3.1 仿真想定

混編群采取 A、B、C三種型號地空導彈武器系統(tǒng)混編的形式對要地構(gòu)成扇形部署，如圖9所示。要地半徑10km，其中A型火力單元一個，B型火力單元兩個，C型火力單元三個。A、B、C三種型號的地空導彈武器系統(tǒng)的相關參數(shù)如表1所示。各火力單元的部署位置如表2所示。

表2 各火力單元及要地的部署位置

圖9 混編群部署示意圖

設定四種空情進行仿真：

空情 1：敵主要空襲方向為正北方向，共出動十個批次，每批3架飛機，目標高度3000m，批次間隔10s，對我要地實施空襲；

空情 2：敵主要空襲方向為正北方向，共出動十個批次，每批3架飛機，目標高度3000m，批次間隔20s，對我要地實施空襲；

空情 3：敵主要空襲方向為正北方向，共出動十個批次，每批3架飛機，目標高度3000m，批次間隔30s，對我要地實施空襲；

空情 4：敵主要空襲方向為正北方向，共出動十個批次，每批 3架飛機，目標高度 300m，批次間隔30s，對我要地實施空襲。

3.2 仿真運行及結(jié)果分析

設定仿真運行次數(shù)為 30次，運行仿真，得到各種空情下的仿真結(jié)果繪制成圖10和圖11。圖10中，實線為空情1的仿真結(jié)果，點線為空情2的仿真結(jié)果，虛線為空情 3的仿真結(jié)果。圖 11中，實線為空情 4的仿真結(jié)果，虛線為空情3的仿真結(jié)果。圖中各水平直線分別為各種空情下突防概率的平均值。

圖10 不同空襲密度下的空襲目標突防概率

圖11 低空突防下的目標突防概率

表1 混編群內(nèi)各型地空導彈武器系統(tǒng)的相關參數(shù)

由于受到各種隨機因素的影響，使得仿真的輸出為一隨機變量，這樣，如何對兩種空情下的仿真結(jié)果進行比較成了一個需要認真考慮的問題。本文采取如下方法對仿真結(jié)果進行比較。設Ai為方案一的第i趟仿真結(jié)果，Bi為方案二的第 i趟仿真結(jié)果，構(gòu)造Ci=Ai-Bi。計算 Ci的均值及 95%置信度的置信區(qū)間，若該區(qū)間包含 0，則認為兩方案的仿真結(jié)果在統(tǒng)計意義上沒有顯著差別。若該區(qū)間不包含 0，則當區(qū)間值都大于0時，認為方案一的仿真結(jié)果在統(tǒng)計意義上比方案二的仿真結(jié)果大；反之，當區(qū)間值都小于0時，認為方案一的仿真結(jié)果在統(tǒng)計意義上比方案二的仿真結(jié)果小?；谏鲜龇治?，將四種空情兩兩比較，計算結(jié)果如表3所示。

表3 各種空情下的仿真結(jié)果比較

從表3及圖10可以看出，增加空襲目標流密度（即批次間隔從30s減少到10s）對目標的突防概率沒有顯著的影響。這是因為混編群內(nèi)的A型、C型地空導彈火力單元都為多目標通道火力單元，都能同時對進入其攔截區(qū)的多個目標進行射擊，因此，增加空襲目標流密度對目標的突防概率沒有太大的影響。

而從表3及圖11可以看出，當目標采取低空突防時，目標的突防概率顯著增加。這主要是因為受地球曲率及地形遮蔽的影響，雷達發(fā)現(xiàn)低空目標的距離顯著降低，因而極大地縮減了防空火力單元殺傷目標的有效距離。也就增大了目標的突防概率。

4 結(jié)束語

本文對地空導彈兵混編群作戰(zhàn)建模仿真進行了深入討論，建立了混編群作戰(zhàn)過程中的系統(tǒng)模型，在此基礎上，以可視化建模仿真環(huán)境Arena為工具，建立了基于Arena的混編群作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設計思想，具有人機界面友好、結(jié)構(gòu)清晰、便于維護、便于擴充等特點，但其智能化水平還比較低，如何在模型中體現(xiàn)人的行為，即采取人工智能的方法將人的行為模型化是下一步的改進方向。

[1]Jerry Banks,John S.Carson II,Barry L.Nelson.DISCRETE-EVENT SYSTEM SIMULATION, (Fourth Edition)[M].China Machine Press,2005.

[2]劉軼,曹澤陽,馬拴柱.地空導彈射擊理論[M].西安：空軍工程大學導彈學院,2001.

[3]曾和武.防空導彈武器系統(tǒng)混編作戰(zhàn)單位目標分配模型與算法研究[D].空軍工程大學導彈學院碩士學位論文,2003.

[4]劉付顯,王穎龍,邢清華.地面防空目標優(yōu)化分配問題研究[J].火力與指揮控制,2003,28(4): 45-48.

[5]Averill M Law,W David Kelton.Simulation Modeling and Analysis [M].Third Edition McGraw-Hill Companies.Ins,2000.

[6]W.David Kelton.Randall P.Sadowski.David T.Sturrock.Simulation with Arena [M].Third Edition China Machine Press,2007.