對光電精確制導武器的區域電子防空干擾目標分配方法

歐陽志宏,薛 磊,丁 鋒

(國防科技大學電子對抗學院,安徽 合肥 230037)

0 引 言

電子防空與火力防空的聯合防空作戰是未來聯合防御作戰的主要樣式,而區域防護是電子防空作戰行動的關鍵環節。從近幾次局部戰爭可以發現,源于不同發射平臺、運用光電制導手段的精確制導武器使用比率逐漸增大,已經是區域電子防空的核心作戰對象。然而,面對型號種類多樣、工作方式多元、來襲數量多批的目標環境,以及自身有限的干擾力量配置,干擾目標分配的質量與效率成為了干擾效能整體發揮程度和重點目標防護任務能否完成的決定因素。

電子裝備的干擾目標分配與武器目標分配(weapon target allocation,WTA)同屬于作戰決策的重要課題。國內外對WTA問題的研究已較為成熟,自文獻[1]證明了WTA問題是多項式非確定性完全問題以來,模型非線性、約束條件多、求解復雜等特點使得研究側重于智能優化算法[2-13],但存在分配條件簡單、靜態模型偏多、過于專注解算速度優化等問題。國內針對武器目標分配的研究較多[14-19],專門針對干擾目標分配的研究成果不多,且僅限于敵我態勢明晰的靜態整體分配,未涉及不確定目標威脅評估和動態分配調整[20-23]。鑒于區域電子防空防光電制導武器打擊的作戰背景和可能的對抗態勢,干擾目標分配必然是復雜、動態、多指標、多階段的模糊決策問題,現有WTA解決方案已不能充分適應。因此,本文首先對研究的干擾目標分配問題展開分析,再提出不確定條件下基于知識推理的目標威脅評估方法,最后以評估結果為依據建立以干擾效能指數最大化為目標的干擾分配數學模型,提高分配的針對性、時效性和動態適應性。

1 干擾目標分配問題分析

電子裝備干擾目標分配問題研究是針對多個不同威脅目標,充分利用干擾資源,尋求滿意的干擾分配方案,并能一定程度上適應戰場態勢變化,實現較優的分配方案調整,從而最大限度地發揮裝備系統整體干擾效能。

區域電子防空光電制導武器目標分配存在獨有特征且面臨諸多復雜情況,主要體現在以下3個方面:

(1) 裝備系統中各干擾設備在作戰對象、有效距離、運用時機上存在較大差異,如大功率激光干擾設備作用距離遠,主要用于機載光學觀瞄設備和電視制導武器致盲致炫;高重頻激光干擾作用距離小于大功率激光干擾,能夠對機載激光測距機起到欺騙作用,也能擾亂激光制導武器導引頭;而激光角度欺騙干擾設備作用距離較近,只用于激光制導武器誘偏。

(2) 裝備系統存在偵察情報要素不全、目標識別難度大的問題,電視偵察、紅外偵察、激光告警等光電偵察手段作用距離有限,且受氣象環境影響大,尤其對于高速導彈目標,難以及時發現、準確識別和穩定跟蹤,如果失去情報支援,必然引起目標判別和威脅評估的差錯率上升,從而造成干擾目標分配的準確性和時效性降低。

(3) 交戰過程中敵方進攻態勢不透明且動態變化,態勢突變難以預料。每個個體目標信息的不完整使得敵方整體進攻態勢難以準確把握,靜態分配難度增大。同時,戰場態勢存在動態特性,以敵戰機發射導彈所引發的態勢突變為例,其必然打亂已有的分配策略,迫使干擾資源調整到集中對抗具有毀傷性威脅的導彈目標。

綜上所述,區域電子防空光電制導武器干擾目標分配問題面臨著約束條件嚴格、干擾資源有限、目標偵辨模糊、態勢動態變化、分配調整突然等諸多難點和要求。基于以上分析,干擾目標分配應在全面關注當前態勢和動態變化的前提下,加強不確定性條件下的目標預測和威脅評估準確性,基于現有裝備系統能力合理分配并能有效調整。

2 干擾目標分配基本原理

以光電精確制導武器和機載光學觀瞄設備為對象,基于己方武器系統能力和敵方空襲模式,尋求可介入的干擾節點,建立由遠至近、層層設防、多種手段、綜合運用的多層防御干擾目標分配基本思路。

2.1 分配思路

多層防御干擾目標分配的具體思路如下:

(1) 在遠距離防御階段,敵發射光電制導武器之前,分配大功率激光干擾壓制敵機載紅外前視系統,并分配高重頻激光干擾敵激光測距,使敵無法正常發射光電制導武器。

(2) 在中距離防御階段,來襲武器進入末制導之前,保持遠距離干擾模式,并分配高重頻激光干擾敵激光制導武器導引頭,通過擾亂使其無法進入末端精確制導而丟失攻擊目標。

(3) 在近距離防御階段,來襲光電制導武器進入末制導之后,綜合采用大功率激光、無源煙幕、紅外誘餌、角度欺騙等多種干擾手段,重點對來襲光電制導武器實施迷茫引偏。

干擾目標分配的基本流程主要由目標分析與威脅評估、干擾目標分配與調整兩部分組成,如圖1所示。

圖1 干擾目標分配流程圖Fig.1 Flow chart of jamming target assignment

2.2 分配規則

干擾目標分配通常不存在絕對意義上的最優解,一般是獲取滿意解,即目標分配基本規則下的最優解。區域電子防空光電干擾目標分配以目標威脅評估和綜合干擾效能分析為依據,同時考慮分配方案的調整代價,設定的分配一般規則包括:

(1) 上級指定的重點目標優先分配;

(2) 威脅度高的目標優先分配;

(3) 先到達的目標優先分配;

(4) 相同威脅度的目標,光電制導武器優先分配;

(5) 在干擾資源充足的情況下,對同一目標分配多種干擾資源實施復合干擾,多批次目標時不分配多個同類干擾資源給某一目標;

(6) 戰場態勢突變時,按上述規則形成調整方案并評估調整代價,選擇最小代價調整方案重新分配。

3 目標威脅評估模型

目標威脅評估是干擾目標分配的基礎,而目標識別結果很大程度上影響著威脅判定。區域電子防空光電目標識別,不僅要識別出目標類型(平臺屬性),還要分析飛機目標的工作狀態和光電制導武器目標的制導方式。目標特征信息的可靠來源為上級支援情報,考慮到戰時可能出現的信息傳輸鏈路受擾和指揮協同中斷,只能基于歷史知識或目標其他信息進行知識推理獲取。表1是經專家確認的通過目標輻射的激光類型預測目標平臺屬性,以及已知平臺屬性條件下結合輻射激光情況,對目標具體類型和行動的推斷結果。

表1 目標類型與行動推理結果Table 1 Reasoning results of target type and action

以往的目標威脅評估方法往往沒有考慮目標威脅程度確定后,己方行動對目標威脅度的影響[24-26]。目標受電子干擾后作戰效能降低,威脅程度下降,影響程度由干擾輔助分析確定。因此,目標威脅評估要素在考慮照度變化、輻射激光情況、角跟蹤偏差、目標類型、目標距離、飛行速度、飛行高度的基礎上,將受干擾程度作為威脅度全局影響因素。

建立威脅要素模糊隸屬函數。根據光電對抗原理,對于照度變化要素,飛機和導彈目標作為紅外輻射源,經理論推導和約簡近似,其紅外輻射特性本文場景下的目標照度變化ΔRI為

(1)

式中,V為目標逼近速度;R為目標距離;K為常數。可見,照度增加,變化劇烈,表明目標高速逼近,目標威脅增大;反之,照度減少,表明目標遠離飛行,目標威脅減小。因此,要素①的隸屬函數為

(2)

式中,l、a為常數,經驗取值為l=2×10-5,a=200。

對于輻射激光情況要素,考慮輻射制導激光、輻射測距激光和不輻射激光3種可能性,其隸屬函數為

(3)

對于角跟蹤偏差要素,主要反映目標航向偏離我重點保護對象的程度。顯然,目標指向保護目標,威脅最大;偏離保護對象越多,威脅越小。設目標航向相對保護對象的方位角偏差和俯仰角偏差對保護對象戰場生存的影響相同,定義角跟蹤偏差ΔΨ及其隸屬函數為

(4)

(5)

式中,Δα和Δβ分別為方位角偏差和俯仰角偏差;θ為常數。

對于目標類型要素,按威脅大小排序分別為激光制導武器、電視/紅外制導武器和作戰飛機。其隸屬函數為

(6)

對于要素目標距離、飛行速度、飛行高度要素,按以往文獻建立的隸屬函數分別為

(7)

(8)

(9)

式中,k、d、δ為常數,經驗取值為k=5×103,d=0,δ=-0.005;h為高度閾值,可設為1 000。

對于目標威脅度全局影響因素,目標受到干擾導致威脅降低的程度以百分比形式表示,由干擾效能計算結合專家決策確定取值。該要素是在由前述要素計算得出的威脅程度基礎上對目標威脅的修正,僅考慮干擾手段各自獨立作用于目標的前提下,目標威脅程度表示為

(10)

多手段復合干擾效果評估是電子干擾效能評估研究的難點問題,干擾手段的疊加可能會引起干擾效果的涌現性,即1+1>2的情況。目前,復合干擾效果評估難以給出解析表達式,定量評價多源自于針對性實驗數據的統計分析或專家知識。枚舉有限干擾手段組合運用的所有情況,結合干擾目標類型,分別給出復合干擾效果降效比pJΣ,目標威脅程度可改寫為

U=U17·pJΣ

(11)

4 干擾目標分配模型

區域電子防空光電干擾目標分配根據分配一般規則,以目標威脅評估結果為依據,首先選取適當的目標函數,明確約束條件,建立目標分配數學模型;再運用實用性強、處理效率高的模型求解算法,計算得到分配結果[27-30]。

目標函數的選擇是模型建立的關鍵,它是問題描述的核心,是求解的對象。本文選擇綜合干擾效能指數最大化的目標函數。設我方光電對抗系統N類干擾設備,每類設備有Nk(k=1,2,…,N)臺,偵察到敵方M個飛行目標(編號j=1,2,…,M),威脅度為Uj。是否分配第k類干擾設備中的第i臺干擾第j個目標記為

(12)

式中,1≤i≤Nk。

形成的第k類干擾設備分配矩陣Xk為

(13)

(14)

假定每臺第k類干擾設備最多可以同時對ak個目標實施干擾,針對干擾目標分配一般特點,ak通常取1。

那么,設單設備干擾效能指數為pij,形成的第k類干擾設備干擾效能指數矩陣Pk為

(15)

在考慮多手段復合干擾對干擾效果影響的相關性時,認為各手段對目標的干擾成功率具有獨立性。因為在光電對抗較短的時間過程中和激烈對抗的戰場環境下,難以評判目標具體受到哪種干擾影響,但確定的是對同一目標的干擾手段疊加能夠提高干擾成功率。比如高重頻激光干擾和角度欺騙干擾共同作用于激光制導導彈時,既能產生擾亂效果,又能產生欺騙效果。但在不確知高重頻激光干擾和角度欺騙干擾哪一種干擾有效或兩種干擾都成功時,則近似認為復合干擾效果是復合干擾成功率的反映,即兩種干擾手段獨立作用于目標時的效能之和。因此,建立的滿足綜合干擾效能指數最大的目標函數Jmax約束條件可表示為

(16)

式中,Uj為目標j的威脅程度。

約束條件為

(17)

上述模型要具備實戰運用條件,還必須考慮在出現目標威脅程度變化、戰場態勢突變等情況時,為了滿足干擾分配方案調整的實時性要求,確保干擾的持續性和穩定性,干擾分配方案應在一定約束內有限度調整。用分配矩陣的改變程度衡量調整代價,記為

(18)

式中,(Xk)t1和(Xk)t2分別為t1和t2時刻的第k類干擾設備分配矩陣。

將當前干擾分配的各種調整方案歸入候選方案集,分別計算各候選方案的綜合干擾效能指數和調整代價。顯然,對于既滿足綜合干擾效能指數最大且調整代價最低的候選方案應是下一時刻的最優干擾方案。但綜合干擾效能指數最大的方案調整代價可能較大,而調整代價最小甚至不做調整的方案其干擾效果又難以保證。此時,需要指揮員綜合考慮當前對抗態勢和干擾裝備能力,在干擾效果和調整代價之間做出權衡,人工決策干擾分配方案。經專家研討和經驗總結,當目標距離較遠,干擾資源相對目標數量較為充裕,裝備能力支持實時調整時,優先考慮最優干擾效果;而當目標距離較近,目標數量較多,對抗態勢激烈時,盡量不改變當前分配。

5 實例分析

以末端區域電子防空為基本作戰場景,敵方多批次戰機攜彈進入我作戰范圍,我方綜合外部支援情報和紅外、激光偵察情報對目標持續跟蹤,待敵機進入有效干擾范圍立即實施干擾。敵機在逼近過程中,發射光電制導武器,我方實時調整干擾策略,按多層防御模式對目標進行持續干擾。

仿真設置敵機6架,編號0801～0806,0801～0803為編組1,0804～0806為編組2,飛機型號、速度、來襲方向相同,編組1距離我保護目標更近。編組1逼近后,飛機0801發射激光制導導彈2枚09011和09012,0802和0803各發射激光制導導彈1枚,分別為09021和09031。在電子防空與火力防空聯合作用下,導彈09011和09012被成功攔截。之后,編組2飛機0804和0805再次實施火力打擊,分別發射紅外制導導彈09041和激光制導導彈09051。典型時刻敵方目標態勢描述如表2所示。

表2 典型時刻目標態勢Table 2 Target situation of typical moment

仿真設置大功率激光干擾設備1臺,編號4010;高重頻激光干擾設備2臺,編號4020、4021;無源煙幕干擾設備3臺,編號4030、4031、4032;激光角度欺騙干擾設備3臺,編號4040、4041、4042。仿真場景中涉及的干擾目標為飛機和導彈,直接對象共4類,分別是機載光學觀瞄設備、機載測距設備、激光半主動制導導彈導引頭、紅外成像制導導彈導引頭。仿真中同類干擾裝備的性能相同,部署位置相近,干擾目標也較為集中,近似認為同一干擾設備對同類目標、同類設備對同一目標的干擾效能相同,則第k類干擾設備的干擾效能指數矩陣Pk的每一行都相同。設置的干擾效能指數值如表3所示。

表3 干擾效能指數值Table 3 Jamming effectiveness index values

目標威脅等級1級最高,威脅度U為

(19)

具體分析說明各時刻干擾分配情況。

(1)t1、t2時刻的干擾分配結果如表4所示。t1時刻,6架飛機目標處在我中遠防區,編組1距離較近且輻射測距激光,編組2相對較遠且未輻射激光,編組1威脅度更高。因此,分配大功率激光干擾設備和高重頻激光干擾設備分別干擾敵機載光學觀瞄和激光測距。t2時刻,6架飛機目標逼近中、近層防區,威脅度升高。編組1的敵機發射激光制導導彈,分配無源煙幕干擾設備和激光角度欺騙干擾設備干擾導彈目標,并按分配規則4將原干擾飛機目標的高重頻激光干擾設備實時調整至導彈目標。

表4 t1和t2時刻干擾目標分配結果Table 4 Jamming target assignment results at t1 and t2

(2)t3時刻,飛機目標進一步逼近,威脅度升高,但飛機0801不再輻射制導激光,綜合度量其威脅度不變;同時,導彈目標09011和09012消失。因此,該時刻能夠產生較多的干擾資源調整方案。表5列舉了候選方案集部分調整方案,通過計算綜合干擾效能指數和調整代價決策該時刻最終干擾分配方案。

表5 t3時刻干擾目標分配結果Table 5 Jamming target assignment results at t3

該時刻的大功率激光干擾、高重頻激光干擾、無源煙幕干擾和激光角度欺騙干擾的效能指數矩陣P1～P4為

(20)

對于調整方案1,干擾分配矩陣X1～X4為

(21)

計算得到的綜合干擾效能指數J為4.82,調整代價為13。同樣,計算調整方案2、3的綜合干擾效能指數和調整代價,分別為4.74、13和4.26、11。顯然,方案1雖然調整代價大于方案3,但綜合干擾效能指數最大,且集中干擾資源對抗導彈目標,符合2.2節分配規則4。因此,方案1更優。

(3)t4時刻,編組2敵機進一步逼近,威脅度升高,且編組2敵機實施火力打擊,新增目標紅外制導導彈09041和激光制導導彈09051,戰場態勢更加復雜。基于t3時刻的方案1形成的部分候選調整方案如表6所示。

表6 t4時刻干擾目標分配結果Table 6 Jamming target assignment result at t4

該時刻的大功率激光干擾、高重頻激光干擾、無源煙幕干擾和激光角度欺騙干擾的效能指數矩陣P1～P4為

(22)

對于調整方案1,干擾分配矩陣X1～X4為

(23)

計算得到的綜合干擾效能指數J為5.9,調整代價為5。同樣,計算調整方案2、3的綜合干擾效能指數和調整代價,分別為5.7、3和5.6、1。方案1的綜合干擾效能指數最大,但調整代價最高;而方案3的綜合干擾效能指數稍低,但干擾調整最少。鑒于敵方目標已十分接近我保護區域,不宜過多調整干擾,可考慮選擇方案3犧牲一定干擾效能以確保干擾持續性。

綜上所述,本文方法對目標威脅評估準確,結合預設分配規則對候選方案集進行篩選,生成的干擾分配結果在實時性和準確性上滿足實戰要求;同時,分配方案調整合理,代價較小,在干擾資源有限時,能夠兼顧干擾合理性、有效性和持續性。

6 結 論

本文以區域電子防空防光電制導武器打擊為背景,深入剖析其干擾目標分配問題與傳統武器分配問題的異同,提出了基于多層防御的目標分配方法基本思路,建立了基于知識推理的目標威脅評估模型和基于干擾效能指數的干擾目標分配模型,仿真實例驗證了方法的準確性和合理性。電子防空與火力防空協同是應對強度日益加劇的現代防空作戰的有效手段和必然趨勢,干擾目標分配與火力目標分配相結合以實現資源優勢互補和作戰效能最大,是下一步的研究重點。