直升機載空空導彈作戰使用仿真試驗方法*

王　琳，王小強，付雅芳，陳　雷，鄧江華（　陸軍航空兵研究所，北京　0；　9379部隊，河北廊坊　065000）

直升機載空空導彈作戰使用仿真試驗方法*

王琳1，王小強1，付雅芳2，陳雷1，鄧江華1
（1陸軍航空兵研究所，北京101121；293792部隊，河北廊坊065000）

針對直升機載空空導彈作戰使用的仿真試驗方法進行研究。分析了影響直升機載紅外空空導彈作戰使用的主要因素，建立了空空導彈半實物仿真系統，重點圍繞載機發射條件、目標特性、戰場環境等因素對導彈使用的影響展開試驗設計。提出的試驗內容與方法能夠滿足導彈作戰使用研究的需求，可以為同領域導彈的作戰使用研究提供參考。

空空導彈；作戰使用；仿真試驗

0　引言

直升機載空空導彈作戰使用是一個戰術與技術緊密結合的問題，涉及載機平臺使用、導彈使用、傳感器配合、目標特性、戰場環境、飛行員操縱、空戰戰術等因素。

仿真試驗是研究空空導彈作戰使用問題的有效手段。一方面，仿真試驗具有可控性好，試驗條件和參數可以靈活改變等優點，適用于由于外場條件限制而不能進行的復雜試驗；另一方面，仿真試驗具有良好的實時數據分析能力，可以獲得置信度較高的試驗結果；此外，仿真試驗還具有良好的安全性、保密性、經濟性等優點。但仿真系統的完備性和仿真模型的準確性是仿真試驗必須解決的問題。

國外在空空導彈仿真試驗和仿真系統開發方面的研究較早，最具代表性的是美國亞拉巴馬州紅石兵工廠的陸軍高級仿真中心，具有射頻、紅外、光電三種目標和環境效應的仿真裝置。文獻［1］利用數字仿真技術對空空導彈在臨界飛行條件下的氣流變化情況進行了研究；文獻［2］構建了空空導彈的發射模型，并基于貝葉斯規則的后向傳播訓練算法仿真計算了空空導彈攻擊區的最大發射距離。國內在導彈仿真試驗方面也取得了諸多成果，文獻［3］研究了導彈仿真系統的結構，給出了導彈與機載設備的綜合試驗程序；文獻［4］針對紅外制導導彈的半實物仿真系統進行研究，為導引頭性能測試提供了一種方便可行的試驗手段。這些研究在導彈型號研制和試驗鑒定中發揮了重要作用，但對于空空導彈作戰使用領域的研究較少，還沒有形成系統、完整的研究方法。針對直升機載空空導彈作戰使用研究的不足，文中利用仿真試驗技術展開研究。

1　直升機載空空導彈作戰使用影響因素

直升機載空空導彈的主要攻擊對象是敵低空、超低空的各類飛行器。由于直升機平臺的特殊性和低空環境的復雜性，空空導彈容易受到載機發射條件、目標特性、戰場環境等影響。

1.1載機發射條件

直升機載空空導彈必須在滿足一定約束條件下才能使用，如果超出了導彈使用條件，則會極大的削弱其威力［5］。這些使用條件包括：目標距離，作戰高度，載機發射速度與過載，氣象條件，攻擊方位（迎頭、側向、尾后），發射方式（定軸發射、離軸發射）等。

1.2目標特性

目標紅外輻射特性和目標機動特性會影響直升機載空空導彈的作戰效能。其中，目標紅外輻射特性會影響導彈導引頭的目標截獲距離，目標機動特性會影響導彈的命中率。

以典型直升機目標為例，其紅外輻射源主要來自于發動機、尾焰、蒙皮自身輻射、蒙皮對周圍環境輻射的反射。目標紅外輻射強度越大，導彈對目標的探測和截獲距離就越遠；反之，導彈對目標探測和截獲距離越近。對于大多數的直升機目標而言，受發動機噴管的安裝位置影響，目標在側向的紅外輻射強度最大，導彈導引頭對目標的探測距離在側向最遠；而導引頭對目標的探測距離在迎頭和尾后方向相對較近。

1.3戰場環境

戰場環境也是影響直升機載紅外空空導彈作戰使用的重要因素。戰場環境中主要存在兩類干擾源：一是自然背景干擾，二是人工產生干擾。直升機作戰高度較低，其背景干擾與固定翼飛機相比更為復雜，這些干擾有地面各種紅外熱源、空中能輻射紅外線的自然輻射源，如太陽、大氣和云團等。人工干擾主要有紅外干擾機、紅外煙幕、紅外誘餌彈等，這些干擾都會對空空導彈的制導探測系統產生影響，形成虛警。

2　空空導彈仿真試驗系統

2.1仿真試驗系統的硬件組成

空空導彈仿真系統采用半實物仿真，并結合數字仿真進行。半實物仿真試驗系統由仿真計算機、飛行姿態模擬轉臺、目標和環境模擬裝置、仿真總控制臺、實時網絡、導上頭組件等組成［6］。

1）仿真計算機

仿真計算機是仿真試驗系統的核心，它用來實時解算導彈六自由度運動方程、目標空間運動方程、導彈-目標相對運動方程、設備驅動方程、極坐標轉換方程等，仿真計算機系統實時采集舵偏角并將有關計算結果實時輸出給有關的仿真設備，控制仿真試驗的運行。

2）飛行姿態模擬轉臺

飛行姿態模擬轉臺主要用于模擬導彈在空中飛行時3個方向的姿態角變化，包括俯仰、偏航、滾轉通道的姿態角、角速度、角加速度的變化。外環模擬俯仰角，中環模擬偏航角，內環模擬滾動角。

3）目標和環境模擬裝置

目標與環境模擬器用來仿真制導系統中目標、自然背景（如天空云霧、地形、地物等）、紅外誘餌干擾以及大氣傳輸特性等。

4）仿真總控制臺

負責監控各仿真設備的運行，采集并儲存仿真設備的輸入與輸出信息并顯示試驗結果。總控制臺還具有提供仿真系統中所需要的信號中繼能力。

5）實時網絡

實時網絡主要用于仿真系統內部計算機之間的實時通信、傳送各仿真設備的控制信息以及仿真結果等數據。

圖1　紅外空空導彈仿真試驗系統

2.2仿真試驗系統的軟件模型

空空導彈仿真試驗系統的軟件模型主要有：目標模型、載機模型、導彈模型、相對運動模型和外部環境模型。

1）目標模型

目標模型用于設定目標的運動規律、目標與載機的動態聯系，以及目標在飛行員視場中顯示軌跡的數學描述方程，包括目標運動學模型、目標紅外輻射模型［5］。

2）導彈模型

導彈模型包括導彈質心運動學模型、導彈質量模型、導彈推力系統模型、導彈空氣動力模型、導彈導引律模型、導彈過載控制模型［5］。

3）目標-導彈相對運動模型

導彈與目標相對運動模型主要是確定相對距離、相對速度和目標視線角速度等［5］。

4）外部環境模型

外部環境模型包括氣象條件模型、紅外誘餌彈干擾模型。氣象條件模型是模擬導彈使用過程中典型天氣條件對導彈使用的影響，如降雨、霧、霾等；紅外誘餌干擾模型是模擬干擾彈的紅外輻射強度、數量、投放參數等。

3　紅外空空導彈作戰使用仿真試驗

3.1發射條件仿真試驗

發射條件仿真試驗采用數字仿真和蒙特卡洛等方法進行，試驗中以導彈攻擊區為評價指標，試驗變量包括：載機飛行高度、載機飛行速度、載機過載、導彈發射離軸角、目標飛行高度、目標飛行速度、目標過載等。下面選取發射高度、發射速度、發射離軸角進行說明。

1）發射高度試驗

發射高度是指載機發射導彈時的飛行高度。高度試驗主要研究作戰高度和相對作戰高度對導彈使用的影響，重點分析導彈攻擊區遠邊界和近邊界隨發射高度的變化情況，以此得到空空導彈作戰使用的邊界條件。

試驗方法：在保證其它試驗參數不變的情況下，以發射高度為變量進行仿真計算。高度試驗分為兩組，第一組試驗中載機與目標處于相同海拔高度（不考慮相對高度）；第二組試驗中載機與目標處于不同的海拔高度。

2）發射速度試驗

發射速度是指載機發射導彈時的飛行速度。發射速度試驗是研究發射速度對導彈使用的影響，重點分析導彈攻擊區遠邊界和近邊界隨發射速度的變化情況，進而得到空空導彈作戰使用的邊界條件。

試驗方法：在保證其它參數不變的情況下，以發射速度為變量進行仿真計算。發射速度試驗分為3組，第一組試驗設置載機和目標的飛行速度相同（不考慮相對速度）；第二組試驗設置載機速度＞目標速度（存在正速度差）；第三組試驗設置載機速度＜目標速度（存在負速度差）。

3）發射離軸角試驗

離軸角是指發射導彈時載機速度方向與目標線的夾角。離軸角試驗是研究離軸角對導彈使用性能的影響，重點分析導彈攻擊區遠邊界和近邊界隨導彈離軸角的變化情況，進而得到空空導彈作戰使用的邊界條件［7］。

試驗方法：在保證其它參數不變的情況下，以離軸角為變量進行仿真計算。離軸角仿真試驗分為兩組：第一組試驗研究前置離軸發射情形；第二組試驗研究后置離軸發射情形。離軸角范圍由空空導彈的使用條件確定。

4）數字仿真試驗步驟

數字仿真試驗是在給定的攻擊條件下發射導彈能否命中目標，然后改變發射條件，利用正交試驗等方法進行數字仿真，尋求確定各個邊界，得到空空導彈在不同發射和攻擊條件的試驗結果。數字仿真試驗步驟如下：

步驟1設置載機、目標、導彈初始攻擊條件。包括載機高度、速度、過載，目標高度、速度、距離，載機進入角、發射離軸角等。

步驟2將仿真參數代入數字仿真系統進行計算，分析判斷導彈命中目標的條件。

步驟3按照正交試驗的方法，改變發射高度、速度、載機進入角、目標距離、發射離軸角、載機過載、目標過載等參數，利用蒙特卡洛方法進行迭代試驗，判斷各種條件下目標是否位于導彈的攻擊區范圍內。

步驟4如果判斷目標不在可攻擊范圍內，改變攻擊條件；如果目標在可攻擊范圍內，則輸出導彈攻擊區的邊界值。

通過大量的數字仿真試驗，可以歸納總結出高度、速度、進入角、離軸角、過載、距離等發射條件對空空導彈作戰使用的影響。

3.2目標特性仿真試驗

目標特性仿真試驗主要研究目標紅外輻射特性、目標機動特性等對空空導彈作戰能力的影響，通常以導彈攻擊區、脫靶量為衡量指標。

1）目標運動特性試驗

目標運動特性試驗主要研究目標速度、加速度變化對導彈使用性能的影響，重點分析導彈攻擊區遠邊界和近邊界隨目標速度、加速度的變化情況，進而得到空空導彈作戰使用的邊界條件。目標運動特性試驗還可根據目標的運動特性，仿真計算導彈的不可逃逸區。

試驗方法：在保證其它參數不變的情況下，以目標速度為變量進行仿真計算。發射速度試驗分為兩組，第一組試驗研究目標作加速運動的情況；第二組試驗研究目標作減速運動的情況。目標運動特性采用數字仿真試驗方法進行，試驗流程與發射條件試驗方法相同。

2）目標紅外特性試驗

目標紅外特性試驗主要研究紅外輻射特性對導彈作戰使用的影響。通常目標的紅外輻射特征呈現不對稱分布，不同目標的紅外輻射與其熱量分布以及是否采用紅外隱身技術等有關。

在目標紅外特性試驗中，需要構建典型直升機目標的紅外輻射模型［8］，并計算導彈導引頭對目標的探測范圍。目標紅外輻射特性試驗一般與載機進入角試驗結合進行，通過仿真試驗計算載機最理想的攻擊方向和進入角。試驗中也可考慮氣象因素對目標紅外輻射的吸收和衰減。

3.3戰場環境仿真試驗

戰場環境試驗采用半實物仿真和地面試驗相結合的方法進行，主要研究紅外誘餌彈、自然背景、太陽光等對空空導彈使用的影響，通常以脫靶量和抗干擾概率作為衡量指標。

1）抗紅外干擾彈試驗

紅外誘餌彈主要采用質心干擾機理，其干擾過程見圖2所示。

圖2　紅外誘餌彈干擾過程

抗紅外干擾彈試驗流程見圖3所示，干擾彈試驗參數包括投放速度、投放角度、投放干擾源數量、投放間隔、投放時間、投放距離等。如果空空導彈為紅外成像制導，還需要在紅外成像模擬器中進行導彈抗干擾的仿真試驗。

圖3　抗紅外誘餌彈半實物仿真試驗流程

2）自然背景干擾試驗

自然背景干擾試驗主要研究低空復雜背景、地面建筑物、天空背景、氣象條件、太陽光等對導彈使用的影響?？垢蓴_試驗可采取地面抗干擾和空中抗干擾兩種方法進行［9］。其中，地面抗干擾在不同地面背景下進行，試驗中使導彈導引頭對準地物和天空背景，測試導彈導引頭對目標截獲輸出情況，以此判斷導彈對不同背景的虛警，并在不同季節、不同時間段重復測試。

對于復雜氣象條件的試驗，也可結合數字仿真試驗進行，試驗中通過設置不同的大氣衰減系數，近似模擬雨、霧、雪、沙塵等復雜氣象環境對目標紅外輻射能量的吸收和衰減。

4　結束語

仿真試驗技術具有經濟、可靠、安全、靈活、可多次重復使用等優點，是研究直升機載空空導彈作戰使用問題的重要手段。文中系統性的研究了直升機載空空導彈作戰使用仿真試驗的內容和方法，重點圍繞載機發射條件、目標特性、戰場環境等因素開展了試驗設計，所提出的試驗方法能夠滿足導彈作戰使用分析的需求，可以為同領域導彈的作戰使用研究問題提供技術參考。

［1］BALASUBRAMANIAN R，VAIBHAV Shah，KONARK Arora，et al.Numerical investigations of lateral characteristics of an air-to-air missile［J］.Journal of Aircraft，2013，50：88-95.

［2］BRIAN Michael Birkmire.Air-to-air missile maximum launch range modeling using a multilayer perceptron［C］∥ AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference，2012：1-10.

［3］王海青，程梅.紅外導彈仿真試驗研究［J］.飛機設計，2009，29（2）：57-63.

［4］馬麗華，喬衛東，趙尚弘，等.紅外制導半實物仿真及目標模擬器研究［J］.計算機仿真，2007，24（6）：42 -44.

［5］方洋旺，伍友利，方斌.機載導彈武器系統作戰效能評估［M］.北京：國防工業出版社，2010：36-37.

［6］ 徐宏林.直升機載武器試驗鑒定［M］.北京：國防工業出版社，2012：288-290.

［7］JOHN C Gallagher.Air-to-air missile maximum launch range modeling using a multilayer perceptron［C］∥AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference，2012：1-8.

［8］黃志理，崔顥，張平.武裝直升機紅外成像仿真［J］.航空計算技術，2012，42（5）：106-109.

［9］ 樊會濤.空空導彈方案設計原理［M］.北京：航空工業出版社，2013：319-322.

The Simulation Experiment Method of Helicopter-borne Air-to-air Missile Combat Application

WANG Lin1，WANG Xiaoqiang1，FU Yafang2，CHEN Lei1，DENG Jianghua1
（1Army Aviation Research Institute，Beijing 101121，China；2No.93792 Unit，Hebei Langfang 065000，China）

Simulation experiment method for helicopter-borne air-to-air missile combat application was researched.The main influencing factors of air-to-air missile combat application were systemically analyzed.The semi-practical simulation system of air-to-air missile was established.The experiment design was carried out based on launch condition，target character and battle environment.These experiment context and method could not only meet the requirement of missile combat application，but also provide reference for missile combat application research in the same domain.

air-to-air missile；combat application；simulation experiment

TN29；V275.1

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.004

2015-03-18

國家自然科學基金（61475441）資助

王琳（1983-），男，陜西城固人，工程師，博士，研究方向：航空武器系統總體、仿真與控制。