新型紅外空空導彈抗干擾能力評估分析

王 泉，董維浩，劉新愛，何永鵬，程 洋

(中國人民解放軍95972部隊,甘肅 酒泉 735018)

0 引言

隨著紅外干擾技術的迅速發展和廣泛應用，新型紅外空空導彈面臨著日益復雜的作戰環境，導彈的抗干擾能力成為其能否達成作戰意圖的關鍵性因素。紅外空空導彈抗干擾問題在20世紀90年代就開始引起各界廣泛關注，但由于國內相關研究起步較晚、實際空戰數據較少等原因，始終缺乏一套全面系統、深入實際的紅外空空導彈抗干擾能力評估方法。本文在分析紅外空空導彈對抗環境要素的基礎上，從紅外對抗環境、抗干擾能力評估試驗現狀、試驗條件設計與結果評估、今后發展的方向等方面進行了研究探討。

1 紅外對抗環境

當今信息化戰爭中，紅外空空導彈的作戰目標除了原有的飛行器外，還包括隱身飛機，復雜天空云層背景下弱小目標，超低空飛行(距地面高度在100 m以下)的巡航導彈、無人機等。這樣一來，其作戰樣式由傳統單一的空對空打擊轉為空空/空地雙重打擊，作戰環境也由較為簡單的天空背景轉為復雜的天空/地面背景。這就對空空導彈的紅外導引頭在復雜戰場環境下的自動目標識別能力提出了更高的要求。

與此同時，紅外對抗技術如紅外誘餌彈、紅外偽裝、隱身、紅外定向干擾、紅外成像誘餌等也在不斷地發展和應用之中。以最常用的紅外誘餌彈為例，正在發展中的新技術包括：改變干擾釋放策略，以不同壓制比的多誘餌彈向多方向投放；采用伴飛誘餌或拖曳式誘餌，模擬飛機的運動軌跡；改變誘餌彈材料和燃燒方式，使其光譜特性更接近目標；面源紅外誘餌彈，形成干擾云團等等。可見，紅外誘餌彈發展的方向是使干擾與目標在更多的特征上具有相似性。此外，目前激光定向干擾已較為成熟，在航空裝備中得到普遍推廣。飛機在探測到來襲導彈的方向時通過機載激光定向干擾系統向來襲導彈發出高能量激光，使紅外成像導引頭致盲或致眩，從而破壞導彈對目標的穩定跟蹤造成導彈脫靶。這些新型紅外對抗技術[1]的發展很大程度上降低了現有紅外空空導彈成功打擊目標的概率。

紅外對抗環境的構建是開展紅外空空導彈抗干擾試驗的基礎，逼真地反映導彈武器系統面臨的真實戰場對抗環境，營造貼近實戰的作戰態勢，以檢驗武器裝備的適應能力，是抗干擾能力評估的基本原則。試驗評估中對抗環境的構建要以導彈抗干擾指標為依托，根據典型戰場環境，立足現有試驗資源，全面覆蓋各種因素。

2 抗干擾能力評估試驗現狀

目前紅外空空導彈抗干擾試驗主要有：仿真試驗(數字仿真、半實物仿真)、掛飛試驗和空中發射試驗[2]等。導彈抗干擾能力的評估往往是采取上述幾類試驗相結合的方式開展，根據幾類試驗的結果，綜合評定其抗干擾能力。

目前抗干擾試驗的特點及存在的問題有：

1)仿真試驗

仿真試驗是在內場環境下，運用仿真軟件或目標/干擾模擬設備，對導彈目標跟蹤能力、目標/干擾識別能力進行驗證評估的試驗。主要包括數字仿真和半實物仿真，具有試驗成本相對較低、可重復性好等特點，可以實現大樣本量試驗。但目前仿真試驗的目標/干擾及環境特征與真實導彈自主飛行過程存在一定差異，評估結果的置信度還有待進一步提高。

2)掛飛試驗

掛飛試驗是在導彈掛機狀態下，對導彈目標跟蹤能力、目標/干擾識別能力進行驗證評估的試驗。該類試驗中，目標機能夠模擬真實的目標/干擾特性，但由于導彈處于掛機狀態，難以模擬彈目接近的真實過程，同時出于試驗安全考慮，載機和目標機必須保持規定的安全距離，因此難以對導彈末端抗干擾能力進行評估考核，而導彈的末端抗干擾能力才是決定其抗干擾成敗的關鍵環節。

3)空中發射試驗

空中發射試驗是在導彈自主飛行狀態下，對導彈目標截獲跟蹤、抗干擾能力、飛行控制能力、引戰配合等進行綜合評估的試驗。該類試驗能夠在最為接近真實環境的狀態下，模擬導彈攻擊目標的過程，且攻擊目標的目標/干擾特征最接近真實目標的狀態，可信度最高，能夠全面驗證導彈的抗干擾等各項能力。但由于空中發射試驗存在花費高、樣本少的特點，很難滿足對導彈抗干擾能力的考核需求。

由于上述試驗都存在各種限制因素，因此目前導彈抗干擾能力采用綜合評估的方式開展：利用空中發射試驗和掛飛試驗數據對仿真試驗的模型進行校驗；在仿真試驗模型滿足置信度需求后，進行全空域、多條件的仿真試驗；綜合三類試驗結果，給出抗干擾能力評估結論。

3 試驗條件設計與結果評估

3.1 試驗條件設計

針對目前紅外對抗環境[3]進行分析，其構成要素主要有目標、干擾和態勢，進一步細化梳理如圖1所示。目標因素主要取決于目標類型和機動方式；干擾因素又可分為自然干擾和人工干擾，其中自然干擾主要包括天空背景干擾和地物背景干擾，人工干擾主要取決于干擾類型、干擾數量、投放時機和密集程度；態勢因素主要取決于發射時刻彈目距離和相對方向。

圖1 紅外對抗環境要素

由于抗環境要素的復雜多變性，紅外空空導彈抗干擾試驗中通常是多因子、多水平的問題。在這種情況下試驗設計非常復雜，需要實現變量與水平之間合理的隨機搭配，既要保證良好的試驗效果，又要盡可能地減少試驗次數，因此需要選取一部分有代表性的水平組合來實施試驗。

目前常用的試驗條件設計方法主要有正交設計法和均勻設計法[4]。正交設計法是利用正交性來挑選部分的水平組合，希望每個因素的水平之間分配均衡，任兩個因素的全部水平組合也分配均衡，而均勻設計法是利用均勻性來挑選部分的水平組合。

1)目標因素選擇。對紅外對抗環境要素進行分析，通過研究國外各種戰機及戰機被導彈攻擊后所采取的各種規避戰術，結合國內現有機型和靶標的特點，從而凝練出典型的飛機特性、逃逸機動方式，主要考慮目標紅外輻射特性、機動方式、過載大小、機動時間等因素。

2)干擾因素選擇。通過研究國外各種戰機裝備的紅外干擾投放系統和紅外干擾彈，分析干擾系統的組成、功能、作戰使用方式，結合國內試驗條件和現役裝備紅外干擾投放模式，凝練出典型的人工干擾模式，主要考慮干擾投放時間、投放方向、投放組數、組間隔、每組彈數、彈間隔等因素。通過梳理不同級別、不同類型的天空背景和地物背景特點，提煉自然干擾場景，主要考慮光線強度、光線角度、云量、地物類型等因素。

3)態勢因素選擇。結合試驗條件下紅外空空導彈發射條件概率統計分析，針對典型紅外空空導彈發射條件提煉關鍵影響因素，主要考慮目標高度、目標速度、載機高度、載機速度、進入角、離軸角、發射距離等因素。

針對仿真試驗，在導彈使用包線內，可采用正交試驗設計、均勻試驗設計等方法進行條件設計；對于飛行試驗而言，由于試驗資源限制，一般在仿真試驗條件中挑選具有代表性的典型條件開展相關試驗。

3.2 試驗結果評估

目前抗干擾試驗方法主要有：仿真試驗、掛飛試驗和空中發射試驗等幾類。綜合考慮各類試驗的特點，從提高試驗結果的置信度出發，并考慮到試驗組織實施的可行性、經濟性，紅外空空導彈抗干擾能力評估應以仿真試驗為主，同時結合少量的掛飛試驗和空中發射試驗，通過對仿真和外場試驗結果的綜合比對分析，最終給出抗干擾能力的可靠評估。

在導彈抗干擾評估過程中，由于其過程牽涉的要素眾多，因此特別需要一種能夠全面綜合評估導彈抗干擾性能的方法，為導彈的抗干擾評估提供理論依據。目前，導彈的抗干擾性能評估的常用方法主要有概率統計法、加權評估法、Bayes方法和層次分析法。

1)概率統計法

概率統計法[5]即試驗中抗干擾彈道總數為N，其中有n(n≤N)條彈道抗干擾成功，則該導彈的抗干擾成功概率為：

p=n/N

(1)

概率統計法簡單易懂，是評估導彈的抗干擾性能時常用的方法之一。

2)加權平均法

加權平均法是根據試驗類型對試驗中的N個抗干擾彈道進行劃分，然后根據不同類型的重要性對其取不同的加權系數。如：試驗采用數字仿真、半實物仿真、掛飛試驗和空中發射試驗相結合的方式開展，將N個條件分成4種類型，在每種類型條件下的抗干擾成功概率分別為p1、p2、p3、p4，取其加權系數分別為n1、n2、n3、n4，則導彈的抗干擾成功概率為：

p=(n1p1+n2p2+n3p3+n4p4)/(n1+n2+n3+n4)

(2)

雖然加權平均法的計算量比概率統計法大一些，但是加權平均法體現了不同試驗類型的彈道在評估中的權重的不同。

3)Bayes方法

Bayes方法是在小樣本或無樣本信息的前提下能得到較好參數估計的一種方法，它是基于一個主觀概率的框架，常用概率對信任程度建模，處理復雜系統中普遍存在的不確定因素的情況，可以在保證決策風險盡可能小的情況下，綜合利用多種信息類型，既包括現場試驗數據，又包括各個歷史階段的信息，既可以是統計數據，也可以是專家經驗。Bayes方法起源于Bayes公式[6]：

i=1,2,…,n

(3)

式中，P(Ai)是試驗之前事件(Ai)成立的概率，稱為驗前信息；P(Ai/B)是試驗之后Ai成立的概率，稱為驗后信息。對于試驗結果評定中常用的假設檢驗，如：

H0:P=P0;H1:P=P1

(4)

A1可代表H0；而A2代表H1。Bayes方法的特點在于利用了驗前信息，從而可以做出更合理的統計推斷。

4)層次分析法

層次分析法[5]是一種定性和定量相結合的、系統化、層次化的分析方法，它把復雜的問題分解為各組成因素，將這些因素按分配關系分組以形成有序的遞階層次結構，通過構造兩兩比較判斷矩陣的方式確定每層次中因素的相對重要性，然后在遞階層次內進行合成，以得到決策因素相對于目標的權重系數。層次分析法的優點在于通過兩兩比較，降低個別判斷失誤造成的影響，評估結果可靠性高。

導彈的抗干擾能力評估層次如圖2所示，其抗干擾概率一般來源于數字仿真、半實物仿真、掛飛試驗和空中發射試驗。

根據圖2中B層各個因素之間的相對重要性來構造A-B判斷矩陣，判斷矩陣如表1所示。

圖2 導彈的抗干擾性能評估層次示意圖

表1 A-B判斷矩陣

其中，在判斷矩陣中主對角線元素為1，aij和aji互為倒數，即判斷矩陣為正反矩陣，然后按照式(5)計算權重系數。其中尺度aij的含義如表2所示。

(5)

表2 1～9尺度aij的含義

在獲取當前層次的權重系數后，必須對判斷矩陣進行一致性校驗，以排除里面的人為邏輯判斷錯誤。一致性校驗的步驟如下：

1)計算一致性指標CI

CI=λmax-n/(n-1)

(6)

式中，λmax為判斷矩陣最大特征值；n為判斷矩陣的階次。

2)查找相應的平均一致性指標RI

3)計算一致性比例CR

CR=CI/RI

(7)

當CR<0.1時，認為判斷矩陣的一致性可以接受；當CR≥0.1時，要對判斷矩陣進行適當修改。按照上述方法，獲取下一級各因素項的權重因子w1，w2，…，wn再通過一致性校驗，最后可以求取評估的各因素的權重因子w，計算公式如下：

(8)

式中，k為當前層數。故對于性能指標A：

pA=w(k)Tp

(9)

式中，p為各因素下的性能指標。

根據構造的抗干擾性能評估層次示意圖，得到二階的兩兩判斷矩陣，由上述計算方法可知導彈的抗干擾概率為：

p=w1p1+w2p2+w3p3+w4p4

(10)

4 今后發展的方向

4.1 貼近實戰，構建典型紅外戰場環境

以紅外空空導彈未來的作戰使命任務為依托，根據未來空戰特點，構建典型紅外戰場環境，想定武器系統作戰態勢，以戰場上可能出現的目標特性、干擾方式入手，分析提煉典型戰場環境的構成要素。

4.2 分級量化，明確紅外對抗環境層級

從紅外空空導彈面對的復雜對抗環境的物理特征出發，在信息特征層面對復雜對抗環境進行科學表征。在信息特征測度的基礎上對復雜對抗環境進行分級量化，從評估的角度建立等級化的復雜對抗環境與導彈抗干擾能力之間的關系。

4.3 迭代修正，提升仿真系統的置信度

在不斷開展飛行試驗的同時，利用已經獲取的試驗數據，不斷修正完善武器仿真系統，形成更為逼真的目標、干擾、自然環境等因素的仿真數據庫，提升仿真試驗置信度，保證天地一致性。

4.4 綜合評估，有效融合各類試驗數據

根據不同試驗階段、不同種類試驗的結果，按照其樣本量和置信度的不同，尋求一種科學有效的綜合評估方法，既能有效利用不同研制階段、不同試驗條件的試驗信息，又要避免大量仿真數據信息造成飛行試驗等小子樣試驗信息的數據湮沒。

5 結束語

目前新型紅外空空導彈抗干擾試驗能力評估主要是基于數字仿真試驗、半實物仿真試驗、掛飛試驗和空中發射試驗相結合的方式。針對評估試驗中存在的各種限制因素，預測了今后抗干擾能力評估的4個主要發展方向，即戰場環境貼近實戰、對抗層次量化分級、仿真系統迭代修正、試驗數據綜合評估，這將更為全面真實地對導彈抗干擾能力進行評估，以促進戰斗力的快速生成和不斷提升。