機載傳感器性能對空面打擊效能的影響分析

張 弋

(中國電子科技集團公司第十研究所,四川 成都 610000)

OODA環路是美國基于現代化戰爭行動過程提出的著名理論,對作戰思想產生了深遠的影響。OODA代表觀察(Observation)、定位(Orientation)、決策(Decision)和行動(Action),環路過程中四個環節相輔相成,可以適用于現代化戰爭的任意過程。機載平臺對地打擊過程可由圖1表示,在打擊過程中探測傳感器、導航傳感器提供的目標定位信息將直接影響對目標的作戰效能,環路中四個環節均衡發揮效力對提升平臺效能有著十分重要的意義。

圖1 察打一體化流程圖

殺傷力是平臺作戰效能的重要組成部分,傳統的殺傷力評估通常以已知目標真實位置為前提,重點對武器制導及突防等方面進行分析[1-2],或者通常假設武器能夠準確打擊目標,進而直接分析傳感器各指標對目標定位精度的影響[3],未能體現傳感器與武器系統之間相互影響、相互制約關系。本文從察打一體化的角度,充分考慮探測、定位、制導以及毀傷等環節對打擊效能的影響,重點對傳感器性能優劣在打擊過程中對命中概率的影響進行了定量分析。

1 殺傷力效能分析

典型空面打擊過程,主要由四個步驟完成:1)傳感器利用一種或多種探測/偵察裝備對所指定的區域或目標實施偵察探測;2)完成目標識別跟蹤后,提取目標實時或準實時的坐標,為火力打擊提供必要的裝訂參數;3)戰術指揮官決策后,發射并制導;4)最終由武器系統,實現對目標的殺傷。殺傷力采用殺傷概率表示,總的殺傷概率與全流程眾多因素相關。為抓住問題的主要矛盾,重點探討傳感器對殺傷力的影響,可以假設可靠使用、系統安全、引信有效工作、突防成功等概率為均為1,從而得到:

(1)

式中，ps為總的殺傷概率；ptg為探測到目標的概率；f(x,y,z)為目標定位的概率密度分布；ω(x,y,z)為制導的概率密度分布；ρ(x,y,z)為有效毀傷的概率密度分布。

1.1 目標探測

假定打擊目標位于傳感器最大探測距離之內,傳感器對覆蓋范圍進行周期掃描,根據諾思公式,在一次掃描過程中傳感器瞬時發現概率為[4]:

(2)

1.2 目標定位

機載傳感器完成的目標定位實質是坐標系轉換為統一大地坐標系的問題。首先根據探測目標點在傳感器探測坐標系Ob中的位置,提取目標點在傳感器探測坐標系中的坐標,然后根據傳感器探測坐標系與載機機體坐標系間的關系,計算它們之間的轉換矩陣,求解目標點在載機機體坐標系Oa中的坐標,再根據載機機體坐標系與載機地理坐標系間的轉換關系,求解出目標點在載機地理坐標系Os中的坐標,最后再根據載機地理坐標系與載機位置,經過旋轉與平移,求解出目標在大地坐標系Od中的坐標[5],完成對目標的定位。定位流程圖如圖2所示。

圖2 目標定位流程圖

設目標T在載機探測傳感器第n次的測量值距離、方位、俯仰為r(n)、θ(n)、ε(n),則傳感器坐標系下的目標Tb(r(n),θ(n),ε(n)),在載機機體坐標系下的三維位置T0(x0,y0,z0)為:

x0=r(n)cosε(n)cosθ(n)
y0=r(n)cosε(n)sinθ(n)
z0=r(n)sinε(n)

(3)

結合導航傳感器給出的載機偏航角為α,俯仰角為β,橫滾角為γ,則目標在載機地理坐標系下的三維位置坐標Ts(xs,ys,zs)為

(4)

結合導航傳感器給出的載機經度LA、緯度MA和高度HA,則目標在大地坐標系下的三維位置坐標Td(xd,yd,zd)為[6-7]:

(5)

(6)

ΔTd(xd,yd,zd)=f(Δr(n),Δθ(n),Δε(n) ,Δα(n),Δβ(n),Δγ(n),ΔLA,ΔMA,ΔHA)。

將傳感器平臺自身的位置信息、姿態信息,以及探測傳感器的探測數據等信息直接代入方程中,可獲得目標的定位信息,由不同測量值誤差可以估計ΔTd的數值大小。

1.3 導彈制導

空面導彈常采用圓概率偏差(CEP)來描述導彈實際落點相對理想中心點的偏差,針對模型導彈以作戰飛機對地海點目標的打擊為分析對象,以空面導彈對目標的毀傷效果為評估依據建立殺傷力效能評估模型,Td(xd,yd,zd)為瞄準點坐標,設導彈落彈點坐標Td(x,y,z)服從正態分布且落點與目標T處于同一高層,則其落點概率密度分布為

(7)

1.4 目標毀傷

對導彈的毀傷能力通常分為直接命中毀傷與沖擊波毀傷等,主要的毀傷概率模型為[8]

(8)

2 仿真結果

目標已被探測條件下,取某型導彈制導精度CEP為10 m,對特定目標殺傷半徑為常數;取由探測傳感器以及導航傳感器引入的偏差導致的定位誤差為變量;圍繞導彈瞄準點坐標 產生均方差為α的二維正態分布隨機數,模擬空面導彈的落彈點,并以落彈點對真實目標的殺傷為評估條件,可以分析不同傳感器定位精度的瞄準點情況下,導彈對目標的殺傷效能。

取傳感器定位誤差為10 m時,綜合定位誤差與制導誤差生成數據,進行蒙特卡洛統計實驗,導彈落點如圖3所示,命中概率為92.8%。

圖3 導彈散落點圖(傳感器定位誤差為10 m時)

圖4 命中概率圖(定位精度10 m)

圖5 命中概率圖(毀傷半徑8 m)

圖6 命中概率圖(毀傷半徑15 m)

以傳感器定位誤差為變量,在每個誤差值點上生成10 000組模擬落彈點數據,進行蒙特卡洛統計實驗,分別得到不同制導精度及毀傷半徑下,毀傷半徑對命中概率的影響曲線如圖4所示,傳感器定位誤差對命中概率的影響曲線如圖5、6所示,由圖可以得出:1)在其他條件不變的情況下,毀傷半徑對命中概率造成極大影響,命中概率隨毀傷半徑增大而非線性上升;2)在相同毀傷半徑條件下,命中概率同時取決于傳感器定位誤差與武器制導精度,傳感器定位誤差變化時,命中概率隨定位誤差增大而減小,且隨制導精度的降低而降低,在毀傷半徑為15 m、制導精度CEP為10 m條件下,傳感器定位誤差在1 m～10 m范圍內變化時命中率影響較輕微,命中概率始終保持在92%以上,傳感器定位精度由10 m開始惡化后對命中概率產生嚴重影響,命中率急劇降低,在定位20 m精度時已命中率降至66%?？梢缘贸霎斘淦鳉霃酱笥谥茖Ь葧r,控制傳感器定位誤差低于武器制導精度可以保障較高的武器命中概率,繼而保障平臺殺傷效能。

3 結束語

本文以機載平臺對面目標打擊的效果為期望,基于OODA環路全流程過程分析了不同傳感器定位誤差對作戰飛機命中目標的影響過程,建立了傳感器、武器系統性能與殺傷力的直接聯系,分析了傳感器影響殺傷效能的主要因素并實現定量數據分析,同時以作戰效能為牽引,實現武器裝備自上而下的頂層任務能力論證,為合理下達傳感器研制總要求奠定基礎,有助于作戰平臺作戰效能的工程實現。