基于仿真的空战效能评估分析研究.pdf

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1、基于仿真的空战效能评估分析研究金镭1，张曙光2，孙金标3(1 中国航空综合技术研究所 适航性与安全性技术研究室，北京 100028;2 北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191;3 空军指挥学院 战役战术系，北京 100097)摘要:分析了作战飞机在执行空战任务过程中的使用特点，结合现代空战的特点、考虑四代机的特征及作战飞机各系统间的耦合情况，应用概率理论建立了作战飞机空战效能的计算评估体系，同时给出了发现目标概率、占位开火成功概率、导弹杀伤目标概率 3 个用于评估空战效能的阶段性指标。根据空战各阶段的特点，应用效能计算评估体系辅以模拟仿真的方法完成了空战效能的评估。结果表明，

2、空战效能评估结果与空战能力评估结果吻合情况很好。关键词:空战效能;计算体系;仿真;空战能力中图分类号:E926.3文献标识码:A文章编号:1002-0853(2012)01-0087-05引言收稿日期:2011-03-28;修订日期:2011-11-01作者简介:金镭(1981-)，男，黑龙江牡丹江人，工程师，硕士研究生，研究方向为适航性技术/作战效能评估。空战能力用于描述作战飞机的“本领”或潜力，是飞机的固有属性;空战效能是作战飞机在特定条件下，执行预定作战任务时，其能力发挥的效果1。空战能力是空战效能发挥的基础，空战效能不仅与空战能力有关，还与作战飞机在作战过程中使用、战术运用、决策选择等

3、方面有很大关系。空战能力评估呈现概略性、相对性、时效性和局限性的特点2，常用的评估方法有 WSEIAC 作战模型、模糊综合评估法、多属性功效函数法、层次分析法3 等，这些方法都能体现评估的概略性、相对性、局限性，但体系的时效性均有缺陷。另外，国内有学者在考虑现代空战特点的同时，应用层次分析法，结合模糊隶属度函数，建立了飞机空战能力评估的体系模型4，使评估体系的时延大幅降低。由于飞机数据参数详尽，国外空战效能评估主要采用模拟仿真法，如美国“红旗”战术靶场空战模拟。我国空战效能评估现阶段以建模分析为主，方法主要有概率评估法2、Markov 过程法5 等，主要研究模型的建立和优化，但有些情况如双方效

4、能接近时导弹互射阶段、对抗时战术决策的使用，理论模型无法进行有效评估。本文在分析现代空战特点及四代机特征的基础上，将空战过程分为搜索目标、占位开火、导弹攻击三个阶段，应用概率理论研究建立空战效能计算评估体系，辅以模拟仿真，完成空战效能的评估工作。将空战效能评估结果与空战能力评估结果进行多轮次对比分析，以验证效能计算评估体系和模拟仿真的正确性。1空战效能评估指标特点空战效能评估的目的是研究飞机完成空战任务的程度。空战过程具有任务多样性、同一任务在同样条件下过程的多样性和同一飞机多次执行同一任务结果的多样性三个特点6。根据效能评估的特点，将评估指标分为综合指标和局部指标。综合指标是从总体给出衡量空

5、战效能的指标;局部指标是飞机在完成阶段性任务时，针对该段任务而提出的指标。局部指标应与综合指标相吻合，指标的选择应符合系统分析原理，指标还应与飞机所执行的任务相一致;由飞机及其组成部分的技、战术性能决定。2空战效能评估计算选择作战飞机完成拦截任务的成功率 Pin作为评判飞机空战效能的指标，即:Pin=PdePemPle(1)式中，Pde为发现目标概率，反映机载探测能力和外部信息支援能力;Pem为占位开火概率，反映机动性、敏捷性及机载设备的综合效能;Ple为杀伤目标概率，反映机载武器弹药的整体效能。2.1发现目标概率空战过程中探测目标的设备主要为机载雷达、红外跟踪探测设备及飞行员的目视能力:第

6、30 卷第 1 期飞行力学Vol 30No 12012 年 2 月FLIGHT DYNAMICSFeb 2012Pde=1 (1 PRd)(1 PIRd)(1 PEd)(2)式中，PRd为雷达发现目标概率;PIRd为红外探测设备发现目标概率2;PEd为飞行员目视发现目标概率。2 1 1雷达发现目标概率目标雷达散射截面积(RCS)一定的情况下，PRd与目标信噪比(S/N)成正比关系7:PRd(S/N)=CsLR4F4(3)式中，Cs为雷达系统特征常数，与机载雷达体制有关;为目标迎头方向的 RCS，与目标尺寸设计及材料有关;L为大气损耗因子，与雷达传播路径有关;R 为被探测目标的距离;F 为方向传

7、播因子。2 1 2红外探测设备发现目标概率PIRd=e(0.1625R/R0)(4)式中，R0为标准发现距离。目标其他方位被红外设备探测的概率，只需对 R0进行修正即可。2 1 3飞行员目视发现目标概率PEd与两机距离及飞机尺寸系数有关。在能见度良好的条件下，飞机的尺寸系数与目视发现距离的关系如表 1 所示2。表 1典型飞机尺寸系数与目视平均距离的关系参 数A-4F-16F-18F-15F-14尺寸系数/m2505274103110发现距离/km9.510.012.013.514.0对应尺寸系数为 60 m2的目标，在不同距离(1，2，3，4，5，6，7，8)km 被发现的概率 PEd分别为(

8、0.93，0.85，0.79，0.74，0.70，0.65，0.60，0.50)2。评估规定 PEd计算的标准距离为 10 km。搜索阶段发现目标的概率达到规定值 0.85 时，搜索目标阶段完成，进入占位开火阶段。2.2占位开火成功概率由于各空战阶段使用的武器不同，下面对影响超视距、视距内空战阶段 Pem的因素进行分析。2 2 1视距内空战中占位开火成功概率(PWVRem)视距内空战阶段交战双方距离较近，攻击未开加力时目标的 PWVR(0)em可粗略地认为只与导弹可攻击区范围及与目标之间的距离有关。近似为:PWVR(0)em=0(20 R)13d360(6 R 20)d/360(R 6)(5)

9、式中，d 为导弹攻击区范围;R 为载机与目标的距离。攻击开加力时目标的 PWVR(1)em可近似为:PWVR(1)em=0(50 R)1 R()60d()360(10 R 50)d/360(R 10)(6)2 2 2超视距空战中占位开火成功概率(PBVRem)PBVRem近似认为只与导弹可攻击区有关2:PBVRem=d/360(7)超视距空战时，理论上哪一方火控系统更先进，哪一方雷达锁定目标到发射导弹时间将越短，即在占位阶段中取得优势。综上，将式(7)修正如下:PBVRem=(d/360)e(t)(t0.85 t )d/360(t )(8)式中，t 为飞机占位开火阶段所经历的时间;t0.85为

10、搜索阶段开始至发现目标概率到 0.85 所用的时间;为时间常数，与参数 t0及 tf有关:=max t0，tf(9)式中，t0为雷达锁定目标后到导弹发射成功，火控系统所需的时间，与发射装置、机载设备等因素有关;tf为载机完成对目标照射锁定后，导弹所需的飞行时间。飞机完成第一枚导弹发射，占位开火阶段结束，进入导弹攻击阶段。2.3杀伤目标概率飞机配备不同的导弹，杀伤目标概率分别为Pk1，Pk2，数量分别为 n1，n2，则:Ple=1 (1 Pk1)n1(1 Pk2)n2(10)2 3 1中距弹杀伤目标概率(PMRAAMle)常规中距弹为半主动和主动寻的导弹，能否命中目标与导弹命中目标或飞到有效杀伤

11、范围时载机是否生存有关。考虑载机生存力，则:PMRAAMle=P(B1|A1)=P(B1A1)P(A1)=P(B1|珔B2)=P(B1珔B2)P(珔B2)(载机 1 生存)P(B2|A2)=P(B2A2)P(A2)=P(B2|珔B1)=P(B2珔B1)P(珔B1)(载机 2 生存)(11)式中，事件 A1为载机1 生存;事件 B1为杀伤2;事件A2为载机 2 生存;事件 B2为杀伤 1。2 3 2近距弹杀伤目标概率此阶段导弹攻击目标的成功与否取决于占位过程所抢占的位置。本节是在完成占位的情况下计算近距弹对目标的杀伤概率，即近距弹杀伤目标的概率可由式(10)直接计算。88飞行力学第 30 卷3算

12、例研究3.1作战飞机的选取及其初始条件的设定以四代机 A、三代机 B 和 C 为例，采用本文效能计算评估体系对 B 与 A，C 的空战效能进行评估。初始条件如表 2 所示。初始航向及初始位置的规定如图 1 所示。表 2参与效能评估战斗机的初始条件参 数ACB接敌 Ma1.50.860.86航向/()27027090高度/km555x 轴坐标/km000y 轴坐标/km00250中距弹数量/枚 6 AIM-120C3 AIM-7M2 AIM-120C2 R-27R2 R-27ER2 R-27T近距弹数量/枚 2 AIM-9M4 AIM-9L4 R-73A航炮载弹量/圈515515150图 1飞机

13、初始位置、初始航向的规定3.2空战能力的计算根据空战能力评估模型4 可得算例中飞机空战能力的评估结果，如表 3 所示。表 3战斗机空战能力评估结果空战能力ACB视距内空战能力(除导弹外)0.197 00.175 20.176 4超视距空战能力(除导弹外)0.537 00.458 30.374 7中距弹的作战能力0.090 00.070 40.071 3近距弹的作战能力0.010 70.021 40.032 4战斗机空战能力0.834 70.725 30.654 8由表 3 可以看出，A 除视距内武器弹药效能低于 B 外，其它方面均高于 B。这是由于 A 为提高隐身性能和超声速巡航能力，采用内置

14、弹舱，使迎头RCS 更小，超声速阻力更小。A 共 3 个内置弹舱，空战时两个侧武器舱各挂一枚近距弹，主武器舱携带6 枚中距弹;B 有 10 个武器挂点，空战挂半主动雷达制导的中距弹 4 枚，红外制导的中距弹 2 枚及近距红外弹 4 枚。挂点数和载弹性能的差别由空战能力评估结果给出定量的反映。3.3空战效能计算3 3 1搜索接敌阶段根据三种机载雷达的性能参数及三种飞机的RCS，通过式(2)的计算，得到 B 与 A，C 发现对方的概率随时间的变化曲线，如图 2 所示。图 2B 与 A，C 发现对方的概率随时间的变化曲线C 与 B 的机载雷达性能相仿，由于轻型战机 C的迎头 RCS 比重型战机 B

15、要小得多，所以 C 锁定 B要比 B 锁定 C 远 40 km，做到了“先视”。由于雷达性能、隐身能力的不足，装备脉冲多普勒雷达的 B 在搜索阶段是在装备有源相控阵雷达 A的监视下完成的，信息上处于劣势，在无外部信息力量的支援下，要想改变这种劣势很难。超声速巡航能力在超视距空战阶段的重要性在于快打快跑，大幅提高飞机生存力。参与评估的三种飞机只有 A 具有超声速巡航能力，使 A 与 B 在对抗过程中占据有利的态势。图 2 表明，B 锁定 A 的时间早于其锁定 C 的时间，这是由于 A 的接敌速度要比 C 快得多。从仿真结果可看出，超声速接敌在增大导弹攻击包线的同时也使载机更快地落入敌机的攻击范围

16、，超声速巡航为载机的生存力带来保障的同时也带来了安全隐患。3 3 2占位开火阶段根据表 2 中的数据，通过式(5)、式(6)及式(8)的计算，可得到 B 与 A，C 之间占位开火成功概率随时间的变化曲线，如图 3 和图 4 所示。图3 中由于导弹射程限制使 A 在占位阶段消耗220 s 时间，占位时间 tf占据了空战时间的 80%;由于 B 机载雷达性能差及 A 优异的隐身性能，导致 B对 A 的占位过程发生在 A 导弹的杀伤范围内，且占位时间是火控系统必需的 t0。98第 1 期金镭，等 基于仿真的空战效能评估分析研究图 4 中 C 对 B 的占位由 277 377 s 共 100 s;B对

17、 C 的占位由 365 377 s 共 12 s，C 的占位准备时间多于 B，但两者在对目标攻击的时间一致，区别是在 377 s 完成占位进入导弹攻击阶段时 C 锁定 B 的概率为 1，而 B 锁定对方的概率为 0.94，交战双方同时进入导弹攻击阶段。B 与 C 导弹互射阶段需要通过模拟仿真进行计算评估。图 3B 与 A 之间占位开火成功概率随时间的变化曲线图 4B 与 C 之间占位开火成功概率随时间的变化曲线3 3 3导弹攻击阶段未进入攻击阶段无法对目标进行攻击，计算飞机拦截任务的前提是占位成功并且发射导弹。3.4效能评估结果分析3 4 1A 与 B 的评估结果及分析表 4 为 A 与 B

18、各阶段的效能评估结果。表 4A 与 B 各阶段效能评估结果空战阶段阶段量化指标AB搜索接敌阶段Pde=0.85 耗时/s60353占位开火阶段占位耗时/s发现目标概率tf=2201.00t0=30.89导弹攻击阶段发射 4 枚导弹杀伤概率单发杀伤概率0.990.85拦截成功概率拦截总耗时/s0.99290表 4 中 A 对 B 进行搜索、占位用时 280 s，发射一对导弹用时 5 s，共发射 4 枚中距弹，A 拦截 B 的成功率达到 0.99，约 290 s，此时 B 处于对 A 的搜索阶段，发现 A 的概率仅为 0.05。对抗过程中，出现这种情况主要有三个原因:一是 A 机载雷达 AN/AP

19、G-77A 对 RCS 为 5 m2的目标最大发现距离为200 km，B 机载雷达 NP001 对 RCS 为3 m2的目标最大发现距离为 100 km，雷达性能差异导致搜索阶段 B 的劣势;二是 A 采用隐身设计，迎头 RCS 仅为0.1 m2;而 B 迎头 RCS 达到了 12.5 m2，设计差异加剧了搜索阶段 B 的劣势;三是 A 的超声速巡航能力接敌时间大幅缩减，使对手完成搜索、占位成功率更低、反应时间更短，从而在对抗中取得有利态势。3 4 2C 与 B 的评估结果及分析表5 为 C 与 B 各阶段的效能评估结果。表5 中的效能评估结果是假设两机均成功发射 4 枚导弹后完成空战任务成功

20、率。图 4 表明，交战双方同时完成占位，进入导弹攻击阶段。为准确进行导弹互射效能评估，采用模拟仿真的方法模拟双方导弹攻击阶段。初始条件设置如表 6 所示。表 5C 与 B 各阶段效能评估结果空战阶段阶段量化指标CB搜索接敌阶段Pde=0.85 耗时/s277365占位开火阶段占位耗时/s发现目标概率tf=1001.00t0=120.94导弹攻击阶段发射 4 枚导弹杀伤概率单发杀伤概率0.990.850.990.85拦截成功概率拦截总耗时/s0.993970.99397表 6C 与 B 导弹攻击阶段仿真初始条件设置参数CB速度/kmh1800800航向/()27090高度/km55x 轴坐标/k

21、m00y 轴坐标/km045中距弹数量/枚44近距弹数量/枚22航炮载弹量/圈515150载油量/%8080最大过载9.09.0飞机 C 装备 4 枚 AIM-120C 中距弹、2 枚 AIM-9L 近距弹;B 装备 4 枚 R-27ER 中距弹、2 枚 R-73A近距弹。在保证空战连续完整的情况下，将两机初始位置设定在超视距空战中占位阶段的后半段，模拟交战双方对抗的全过程，航迹图如图 5 所示。分析整个单机空战模拟仿真对抗过程:交战的双方并没有进入到传统空战中缠斗的视距内空战阶09飞行力学第 30 卷段，仅在超视距空战阶段，装备 4 枚中距弹、2 枚近距弹的 C 将同样装备有4 枚中距弹、2

22、 枚近距弹的 B击落。图 5典型飞机 C 与 B 空战过程航迹图交战过程分析如下:(1)搜索接敌阶段:C 的机载雷达 APG-68 从照射到锁定目标历时约 13 s，锁定目标后于 15.5 s 时发射导弹;B 机载雷达从照射到锁定目标历时约10 s，完成锁定目标后于 20.5 s 发射导弹，B 的占位开火所需时间比 C 多了近 5 s;(2)导弹攻击阶段:B 同样完成了向 C 发射两枚半主动中距弹，发射时间比 C 发射中距弹的时间晚5 s，即在两机均不躲避的情况下 C 发射的导弹将先击中 B，为了保证载机的安全，B 采取规避机动动作，导致已发射的半主动弹将因无法得到载机的持续照射而失效，因此

23、B 完全丧失主动，一直处于被动态势，最终结果是 B 被 C 发射的第三、第四枚中距弹所击落。说明:模拟仿真过程加入了常规的战术动作，如急拉抢位、导弹来袭时俯冲规避等战术。但算例中B 在 C 先发射中距弹的情况下继续迎头飞行了近5 s，待中距弹发射后反而立刻摆脱，使得刚刚发射的中距弹失去照射而失效，这说明 B 选择的战术动作在此处不合适。4结论(1)本文在对空战效能概率评估法细化的基础上，结合现代空战特点及四代机的特征，研究建立了空战效能计算评估体系，配合模拟仿真方法完成了导弹互射阶段的仿真计算。由效能评估结果与空战能力评估结果的比较可知，吻合情况很好。(2)由空战过程分析研究得出，在交战双方同

24、时进入空战第三阶段即导弹攻击阶段时，空战将变得异常复杂，单纯依靠计算的方法得到准确的导弹杀伤目标的概率是非常困难的，只有根据模拟器统计多次模拟仿真得出的结果，才能近似给出考虑导弹互射时杀伤目标的概率。(3)模拟仿真过程应考虑战术和装备匹配问题。若战术和装备匹配较好，则可直接进行模拟仿真;否则，应在效能评估过程中剔除与装备不匹配的战术，避免战术决策等因素影响飞机空战效能的最终评估结果。(4)本文只给出了效能评估的方向思路，在研究中假定了很多前提条件。要想准确地完成空战效能评估，还是应当采用计算机模拟仿真。关于模拟仿真对抗过程中的各子系统仿真的逼真度、计算机控制飞机对抗时的决策系统都是需要进一步解

25、决的问题。参考文献:1 傅攀峰，罗鹏程，周经伦，等 空战武器体系超视距空战能力指标研究J 系统工程与电子技术，2004，26(8):1072-1075 2 朱宝鎏，朱荣昌，熊笑非 作战飞机效能评估M 北京:航空工业出版社，1993 3 邹俊，韩景倜，闫永刚，等 飞机空-空作战效能加权模糊综合评估 J 火力与指挥控制，2004，29(3):30-36 4 金镭，张曙光，孙金标 现代战斗机空战能力评估及敏感性分析J 北京航空航天大学学报，2009，35(1):82-86 5 赵红云，赵福祥，马玉祥，等 通信网专家系统效能评估技术的研究J 计算机应用与软件，2004，21(1):50-52 6徐浩军

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28、ed on unexpected events C/2009 International Con-ference on Intelligent Human-Machine Systems and Cyber-neticsPiscataway:IEEEComputerSociety，2009:423-426Multi-UAVs cooperative path planning based onA*fixed length search algorithmXIAO Zi-bing，YUAN Dong-li，QU Yao-hong(College of Automation，NWPU，Xi an

29、710129，China)Abstract:An improved A*algorithm for fixed length path searching was proposed based on the path planningproblems of multiple unmanned aerial vehicles(UAVs)operating simultaneously A path with fixed length was ob-tained by choosing nodes with costs closest to given value as best nodes in

30、 the algorithm Then，the path wassmoothed by limiting the range of the best nodes choosing from in the algorithm Simulation results show that lengtherror of the fixed length path obtained from the algorithm can be controlled within 1.4%，and length error of collab-orative paths is less than 0.8%It bas

31、ically meets the requirements of multi-UAVs arriving at the same timeKey words:unmanned aerial vehicle(UAV);A*algorithm;cooperative path planning;path costs(编辑:姚妙慧櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟櫟)(上接第 91 页)Analysis and evaluation of air-combat effectivenessbased on simulationJIN Lei1，Z

32、HANG Shu-guang2，SUN Jin-biao3(1 Airworthiness and Safety Technique Department，China Aviation PolytechnologyEstablishment，Beijing 100081，China;2 School of Transportation Science and Engineering，Beijing University of Aeronauticsand Astronautics，Beijing 100191，China;3 Department of Operations and Tacti

33、cs，Air Force Command College，Beijing 100097，China)Abstract:The characteristics of fighting aircraft in modern air-combat missions are analyzed，considering thecharacteristics of the 4thgeneration fighter and the coupling conditions of each system in fighting aircraft，a calculat-ing system to evaluate

34、 the air-combat effectiveness of fighting aircraft is built at probability methodology Mean-while，the detecting object rate，success rate of lock-in and firing and missile target destruction rate are used asphase indexes in evaluating air-combat effectiveness of fighting aircraft According to earmark

35、s of each air-combatphase，the calculating system of effective evaluation assisting simulation results is implemented to accomplish the ef-fectiveness evaluation of fighting aircraft The evaluation results of air-combat effectiveness and air-combat abilitycoincide wellKey words:air-combat effectiveness;calculating system;simulation;air-combat ability(编辑:姚妙慧)69飞行力学第 30 卷