仿真試驗(yàn)在美國(guó)海軍艦艇自防御系統(tǒng)論證中的應(yīng)用

石劍琛，趙海江

(海軍裝備部，北京100071)

0 引 言

傳統(tǒng)的艦艇自防御系統(tǒng)試驗(yàn)與評(píng)估包括實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、陸基試驗(yàn)、自防御試驗(yàn)艦試驗(yàn)、實(shí)船試驗(yàn)等多個(gè)階段，要?jiǎng)佑脤?shí)船和大量的武器彈藥和靶標(biāo)等，并需要開展多種武器、不同組合方式、各種邊界條件的自防御武器射擊試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長(zhǎng)、資源耗費(fèi)大、效費(fèi)比低，并且不能開展復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的自防御試驗(yàn)與評(píng)估。為此，美國(guó)海軍利用在研制艦艇自防御系統(tǒng)的過程中，搭建高仿真度的模擬環(huán)境，開展一系列自防御系統(tǒng)試驗(yàn)與驗(yàn)證。這種基于仿真的艦艇自防御測(cè)試，很好地解決了利用傳統(tǒng)的陸上和海上實(shí)船試驗(yàn)復(fù)雜度高、難度大和成本高等問題。本文將對(duì)美國(guó)海軍艦艇自防御系統(tǒng)論證階段試驗(yàn)評(píng)估過程及評(píng)估內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 基于仿真試驗(yàn)的艦艇自防御系統(tǒng)效能評(píng)估方法

在艦艇自防御系統(tǒng)論證選型階段，美國(guó)海軍對(duì)艦艇自防御系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能進(jìn)行分析評(píng)估，以提供作戰(zhàn)使用需求。

艦艇自防御系統(tǒng)效能評(píng)估分析主要分為6 個(gè)步驟:定義待分析系統(tǒng)、預(yù)期威脅和作戰(zhàn)環(huán)境;設(shè)計(jì)并開發(fā)綜合決策模型;確定所使用的效能評(píng)估;設(shè)計(jì)并開發(fā)傳感器和武器模型;開展仿真試驗(yàn)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù);分析給出評(píng)估結(jié)果。

1.1 定義基本輸入

需要定義的基本輸入包括待分析系統(tǒng)、預(yù)期威脅和作戰(zhàn)環(huán)境。

待分析系統(tǒng)由海軍和工作組人員共同確定。系統(tǒng)可能是目前正在開發(fā)的系統(tǒng)、未來(lái)計(jì)劃開發(fā)的系統(tǒng)或經(jīng)過升級(jí)的老裝備?；谶@些系統(tǒng)，分析多種武器、傳感器和控制系統(tǒng)配置。

預(yù)期威脅由美國(guó)海軍情報(bào)局負(fù)責(zé)定義，包括近期和遠(yuǎn)期可能威脅。美國(guó)海軍情報(bào)局基于項(xiàng)目需求、分析人員給出的威脅特點(diǎn)，確定合適的預(yù)期威脅。另外，要根據(jù)預(yù)期任務(wù)確定攻擊密度、環(huán)境條件進(jìn)行威脅射擊。這些條件能夠避免僅圍繞單一座站臺(tái)時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

作戰(zhàn)環(huán)境包括與作戰(zhàn)區(qū)域環(huán)境、美國(guó)海軍情報(bào)局定義威脅適配的環(huán)境條件、導(dǎo)致威脅攻擊的政治演變、場(chǎng)景事件等。

利用上述條件定義，即可進(jìn)行對(duì)比分析。該分析過程使用高仿真模型模擬來(lái)襲武器和威脅，并且可根據(jù)需要對(duì)這些數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行對(duì)比分析。另外，也可只進(jìn)行局部仿真。圖1 給出了分析過程。

1.2 綜合決策模型設(shè)計(jì)開發(fā)

圖1 需求和分析工作組分析過程Fig.1 Analysis of the process

分析過程的第2 步是確保交戰(zhàn)模型能夠按期望的擬真度從各方面表示問題。目前，有2 種模型可用于為美國(guó)海軍艦艇自防御分析，水面防空戰(zhàn)多艦仿真(SAMS)模型和艦隊(duì)防空戰(zhàn)模型(FACTS)。其中，SAMS 模型是一個(gè)水面防空戰(zhàn)防御系統(tǒng)的隨機(jī)、離散事件模型，可以仿真單艘或多艘艦艇、雷達(dá)和武器系統(tǒng)，可以確定單個(gè)或多個(gè)攻擊單元的效能。FACTS 模型用于戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)比較。2 個(gè)模型已經(jīng)過互相校準(zhǔn)，具有互操作性，可保證工作組分析結(jié)果的一致性。

SAMS 模型偏重于武器控制和使用，特別是武器分配和時(shí)間安排以及在作戰(zhàn)單位和軍隊(duì)層面上的協(xié)同作戰(zhàn)。而且，傳感器和武器性能模型的建模數(shù)據(jù)均來(lái)自實(shí)際工程模型的仿真，真實(shí)性高。SAMS模型采用面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)，仍在不斷發(fā)展升級(jí)且使用方便，在許多情況下，用戶無(wú)需改變當(dāng)前模型體系結(jié)構(gòu)就可以按照新概念調(diào)整模型或通過模型輸入提高仿真度。

1.3 確定效能評(píng)估指標(biāo)

效能評(píng)估是指對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值評(píng)價(jià)。自防御武器系統(tǒng)的傳統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)是毀傷效能 (PRA)。此外，也可以使用其他效能評(píng)估。例如，當(dāng)分析幾種武器協(xié)同方法時(shí)，疊加交戰(zhàn)(被首個(gè)武器系統(tǒng)打擊后又遭到其他武器系統(tǒng)打擊)數(shù)量通常用作效能評(píng)估指標(biāo)。

1.4 傳感器和武器模型設(shè)計(jì)開發(fā)

SAMS 模型恰當(dāng)?shù)乇硎敬治鰡栴}的各方面后，還要建立相應(yīng)的支撐數(shù)據(jù)庫(kù)，從而為防空系統(tǒng)單元提供作戰(zhàn)系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)從系統(tǒng)需求、測(cè)試數(shù)據(jù)或者通過各組成部分(如雷達(dá)或?qū)椣到y(tǒng))高仿真模型得到。

SAMS 模型的輸入包括來(lái)襲目標(biāo)和敵方武器系統(tǒng)。其中，來(lái)襲目標(biāo)用目標(biāo)的發(fā)射時(shí)間、導(dǎo)引頭開機(jī)時(shí)間、瞄準(zhǔn)、速度、飛行和射程的關(guān)系以及飛行高度和射程的關(guān)系表示;敵方武器系統(tǒng)以探測(cè)、控制和交戰(zhàn)信息進(jìn)行表示。

在SAMS 模型中，傳感器的探測(cè)信息由穩(wěn)定跟蹤分布概率表示。SAMS 模型使用該概率判斷何時(shí)將跟蹤信息傳遞給武器系統(tǒng);武器控制系統(tǒng)是通過一系列時(shí)延和隊(duì)列表示的，包括從穩(wěn)定跟蹤到指配武器的時(shí)間、從指配武器到導(dǎo)彈或誘餌發(fā)射時(shí)間、發(fā)射間隔時(shí)間、主動(dòng)尋的時(shí)間，以及毀傷評(píng)估時(shí)間;在硬武器方面，攔截導(dǎo)彈的模型參數(shù)包括飛出時(shí)間、毀傷效能函數(shù)、最小和最大攔截距離、導(dǎo)引頭尋的時(shí)間、照射雷達(dá)旋轉(zhuǎn)和截獲時(shí)間、照射持續(xù)時(shí)間、訓(xùn)練用火箭的旋轉(zhuǎn)和重新加載時(shí)間。在軟武器方面，可以通過使用誘餌或電子技術(shù)欺騙來(lái)襲導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模型確定了電子戰(zhàn)武器效能。這些模型按照來(lái)襲目標(biāo)、艦艇類型和進(jìn)近角度為每個(gè)電子戰(zhàn)系統(tǒng)提供效能與部署距離關(guān)系的分布概率。SAMS 模型使用該概率分布確定來(lái)襲目標(biāo)攻擊失敗的概率。

1.5 開展仿真試驗(yàn)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)

恰當(dāng)表示各組成部分并收集到所有必要數(shù)據(jù)后，即可運(yùn)行SAMS 模型以確定系統(tǒng)效能。此時(shí)，用戶需要提供合適的輸入，并作出與戰(zhàn)術(shù)、條令和武器部署有關(guān)的決策。用戶必須提前分析形勢(shì)，并通過輸入指定使用何種戰(zhàn)術(shù)和合適的來(lái)襲目標(biāo)以及武器性能數(shù)據(jù)。這種方法將模型作為一種研究工具，將探測(cè)距離、毀傷效能或條令作為參數(shù)進(jìn)行研究。SAMS 模型可以生成交戰(zhàn)的各方面的詳細(xì)信息和概要信息，可用于驗(yàn)證可疑結(jié)果的有效性或者計(jì)算其他效能評(píng)估指標(biāo)。

1.6 分析并提供結(jié)果

將效能評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分析并提供海軍，有助于其作出正確判斷。綜合考慮系統(tǒng)配置和仿真輸入，可對(duì)SAMS 模型仿真結(jié)果有深入理解。不僅可對(duì)系統(tǒng)的單一能力進(jìn)行評(píng)估，還可對(duì)系統(tǒng)的敏感度、可用性等指標(biāo)進(jìn)行深入分析。如果條件允許，每種系統(tǒng)配置的效能評(píng)估都要針對(duì)一項(xiàng)“凱普斯通要求”進(jìn)行衡量，或者繪制成對(duì)比圖以確定系統(tǒng)擊敗來(lái)襲目標(biāo)的能力。

敏感度分析:經(jīng)常被用來(lái)表示艦艇或武器系統(tǒng)的能力。例如，通過增加的來(lái)襲目標(biāo)密度，可以評(píng)估武器系統(tǒng)的魯棒性。通過關(guān)閉一個(gè)武器系統(tǒng)，可以評(píng)估它對(duì)整體效能的貢獻(xiàn)程度，這種方法有助于海軍更好地理解某些武器系統(tǒng)的重要程度。

武器系統(tǒng)可用性分析:系統(tǒng)失效會(huì)顯著降低艦艇的作戰(zhàn)能力。了解對(duì)艦艇生存具有關(guān)鍵作用的武器系統(tǒng)及其可靠性，有助于判斷艦艇是否能進(jìn)入具有高度爆發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)可能的區(qū)域。

建立要素級(jí)參數(shù)和作戰(zhàn)系統(tǒng)結(jié)果的數(shù)據(jù)庫(kù):如果保留研究數(shù)據(jù)，后期在面臨提出的問題時(shí)就能得到快速答復(fù)。例如，如果所需數(shù)據(jù)就緒，那么添加一個(gè)武器系統(tǒng)或改變來(lái)襲目標(biāo)密度的效果就可以通過重新運(yùn)行SAMS 模型迅速確定。

2 案例分析

為了研究高能激光武器在配合當(dāng)前的導(dǎo)彈系統(tǒng)保護(hù)艦艇免受反艦巡航導(dǎo)彈攻擊方面的軍事應(yīng)用，按前述分析法進(jìn)行研究。

2.1 定義基本輸入

預(yù)期威脅:以某型反艦巡航導(dǎo)彈為主，并將威脅集合擴(kuò)展到其他反艦巡航導(dǎo)彈以及沒有制導(dǎo)系統(tǒng)的火炮。

待分析系統(tǒng):該分析使用了LPD 17 兩棲船塢運(yùn)輸艦自防御導(dǎo)彈系統(tǒng)參數(shù)等數(shù)據(jù)(由海軍以往的試驗(yàn)獲得)。由于高能激光武器系統(tǒng)屬于新型系統(tǒng)，因此開發(fā)了一系列概念，用于描述高能激光武器如何與LPD 17 兩棲船塢運(yùn)輸艦現(xiàn)有自防御系統(tǒng)協(xié)同以及其交戰(zhàn)過程。

2.2 綜合決策模型開發(fā)

在SAMS 模型中，所有的武器使用自防御武器協(xié)同條令打擊目標(biāo)。該條令指定了艦載武器選擇打擊方式的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)包括目標(biāo)到達(dá)本艦的時(shí)間、打擊該目標(biāo)的其他武器數(shù)量和效能。本分析中SAMS 模型主要協(xié)同條令有兩項(xiàng)，一個(gè)是“自由開火”，即所有武器都可以打擊目標(biāo);另一個(gè)是“先到先打”，即只有第一個(gè)可用武器系統(tǒng)打擊目標(biāo)。

經(jīng)過對(duì)武器組合的初步分析，發(fā)現(xiàn)“先到先打”條令是最好的。為了在本研究中進(jìn)一步探索高能激光武器與近程導(dǎo)彈系統(tǒng)的協(xié)同工作方式，開發(fā)了兩項(xiàng)附加自防御條令，即“先到先打+”和“先到先打+ +”。這些條令擴(kuò)展了“先到先打”條令，允許疊加交戰(zhàn)達(dá)到用戶定義的累積毀傷效能，該概率基于武器單發(fā)毀傷效能估計(jì)(Pk)。

2.3 確定評(píng)估指標(biāo)

選擇“毀傷效能”作為這項(xiàng)研究的效能評(píng)估指標(biāo)。進(jìn)行項(xiàng)研究時(shí)，美國(guó)海軍官方對(duì)高能激光武器尚無(wú)正式的要求。本研究旨在從在所選的武器組合中尋找毀傷效能的最大值。

2.4 傳感器和武器模型設(shè)計(jì)開發(fā)

高能激光武器系統(tǒng)是一種定向能武器系統(tǒng)，通過在目標(biāo)上積累足夠的能量對(duì)目標(biāo)造成毀傷。海軍提供了高能激光武器系統(tǒng)性能參數(shù)。在該項(xiàng)研究中，想定的激光毀傷機(jī)理是在目標(biāo)的整流罩上燒出空洞，從而令導(dǎo)彈等目標(biāo)飛行失穩(wěn)。為了將高能激光武器系統(tǒng)模型納入到SAMS 模型，工作組修正了SAMS模型，并利用相關(guān)數(shù)據(jù)驗(yàn)證修正的合理性。

2.5 開展仿真試驗(yàn)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 一個(gè)高能激光武器系統(tǒng)毀傷效能仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of damage effectiveness of high energy laser system

針對(duì)4 項(xiàng)武器協(xié)同條令，分別對(duì)6 種武器組合對(duì)亞音速和超音速目標(biāo)的毀傷效能進(jìn)行評(píng)估。武器組合包括2 類近程艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)，它們可以是單獨(dú)作戰(zhàn)，也可配合高能激光武器系統(tǒng)作戰(zhàn)。經(jīng)過研究，通過SAMS 模型確定了各種情況下的毀傷效能。圖2 給出了一個(gè)結(jié)果樣本。該分析是為了評(píng)估高能激光武器對(duì)艦艇自防御系統(tǒng)的相對(duì)貢獻(xiàn)度。

圖中顯示的假設(shè)結(jié)果表示兩類艦空導(dǎo)彈配合或不配合高能激光武器系統(tǒng)對(duì)抗1 枚典型反艦巡航導(dǎo)彈的效能:1)使用類型1 導(dǎo)彈時(shí);2)使用類型2導(dǎo)彈時(shí);3)使用類型1 和類型2 導(dǎo)彈時(shí)。有關(guān)傳感器和武器模型協(xié)同條令的敘述如圖中文字所示。圖中的毀傷密度指一次打擊中打擊所有未到達(dá)警戒距離的來(lái)襲目標(biāo)的概率。

2.6 分析并提供結(jié)果

評(píng)估結(jié)果顯示，高能激光武器系統(tǒng)能夠顯著補(bǔ)充防御能力。高能激光武器系統(tǒng)和任意一種自防御導(dǎo)彈能一起有效防御近程和中程反艦巡航導(dǎo)彈。當(dāng)導(dǎo)彈系統(tǒng)因威脅目標(biāo)密度更高而變得飽和時(shí)，高能激光武器系統(tǒng)的效用更大。因此，基于毀傷密度情況，采用高能激光武器進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)是最有效方法。

3 結(jié) 語(yǔ)

美國(guó)海軍在評(píng)估艦艇自防御毀傷效能時(shí)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，主要包括評(píng)估環(huán)境、耗費(fèi)成本、技術(shù)條件限制等諸多問題，造成了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)船實(shí)彈試驗(yàn)資源無(wú)法完成大型復(fù)雜系統(tǒng)集成軟硬毀傷武器的實(shí)戰(zhàn)試驗(yàn)與評(píng)估。為此，搭建用于毀傷效能評(píng)估高擬真度仿真試驗(yàn)環(huán)境，評(píng)估系統(tǒng)整體毀傷效能，完成傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的評(píng)估，縮短周期，降低費(fèi)用，充分驗(yàn)證，在海軍艦艇自防御系統(tǒng)在論證中發(fā)揮著越來(lái)越重要的支撐作用。

［1］Self Defense Test Ship for Operational Testing to Support Acquisition Programs［R］．DOT＆E memorandum to ASN(RDA)，8 December 1999．

［2］FARRIS R S，STUCKEY C B．A ship defense analysis process［J］．Johns Hopkins Apl Technical Digest，2000，21(3)．