一种对海协同作战飞机生存力权衡设计方法

标题：一种对海协同作战飞机生存力权衡设计方法

摘要：本发明提供一种对海协同作战飞机生存力权衡设计方法，包括：构建作战场景；构建战场态势图；计算每个敌方作战单元拦截每个我方作战单元的拦截导弹的可发射波次及拦截距离；计算我方作战单元的生存力；计算我方武器单元对敌方作战单元的杀伤概率；选择需要权衡的影响飞机生存力和作战能力的飞机性能参数，并给出不同的飞机性能参数，计算在同样作战场景下，飞机生存力和作战效能的变化，权衡得到最佳方案。优点为：本发明可以根据整个作战流程，考虑协同作战的情况下，计算不同性能配置下，相应的作战效能和作战飞机编队总生存力，从而指导设计者对不同的设计方案进行权衡，得到在确保完成任务的条件下生存力最高的最优方案。

申请号：CN201810297592.6

申请日：2018/4/4

申请人：西北工业大学; 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所; 中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所

首项权利要求：1.一种对海协同作战飞机生存力权衡设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，构建作战场景，确定双方作战单元基本参数，包括：我方作战单元的数量、类型及性能参数；敌方作战单元的数量、类型及性能参数；敌我双方的位置分布、火力情况和作战流程；
步骤2，根据双方作战单元基本参数，确定敌方作战单元对我方作战单元的直视距离R1、敌方作战单元所搭载雷达对我方作战单元的最大探测距离R2，从而得到敌方作战单元所搭载雷达对我方作战单元的最远发现距离Rmax，由此确定每个敌方作战单元对于每个我方作战单元的防御圈范围，进而根据敌方作战单元位置分布和我方作战单元航路规划情况，构建战场态势图，具体包括：
步骤2.1，计算敌方作战单元对我方作战单元的直视距离R1：
其中：hant为我方作战单元飞行高度，hac为敌方作战单元所搭载雷达的高度，单位为米；
步骤2.2，计算敌方作战单元所搭载雷达对我方作战单元的最大探测距离R2：
其中：Pt、Gt、λ、Bn和(SN)min分别为敌方作战单元所搭载雷达的发射功率、天线增益、工作波长、噪声带宽和最小检测信噪比；σt为我方作战单元的雷达散射面积；ks＝1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数，T0为标准室温，Fn为传播因子，Ls为损耗因子；
步骤2.3，计算敌方作战单元所搭载雷达对我方作战单元的最远发现距离Rmax：
Rmax＝min{R1, R2}步骤3，根据所画出的战场态势图，可得到所有我方作战单元在每个敌方作战单元防御圈内穿行的距离，计算每个敌方作战单元拦截每个我方作战单元的拦截导弹的可发射波次及拦截距离，包括：
步骤3.1，令j初始值为1；
当我方作战单元途经该敌方作战单元时，第j波次拦截导弹的发射距离Dj为：
其中：Rmax为该敌方作战单元所搭载雷达对我方作战单元的最远发现距离，L为我方作战单元在敌方作战单元防御圈中飞行所经过的路程，tf为敌方作战单元的反应时间，td为敌方作战单元的火力通道分配时间，tp为敌方作战单元的毁伤评估时间，vf为我方作战单元飞行速度，vm为敌方拦截导弹飞行速度；
我方作战单元在敌方作战单元防御圈中飞行所经过的路程L受协同航路规划能力ζg的影响，将ζg分为优、中、差三等，协同航路规划能力为差的情况下，我方作战单元在敌方作战单元防御圈内飞行所经过的路程最长，此时L＝2Rmax，2Rmax为防御圈直径；协同航路规划能力为优的情况下，我方作战单元在敌方作战单元防御圈内飞行所经过的路程最短，为防御圈与相邻防御圈重叠部分长度Lmin；当防御圈与相邻防御圈无重叠时，Lmin＝0；因此，Lmin＜L＜2Rmax；协同航路规划能力为中的情况下，令步骤3.2，当我方作战单元打击该敌方作战单元时，第j波次拦截导弹的发射距离Dj为：
其中：tf为敌方作战单元的反应时间，td为敌方作战单元的火力通道分配时间，tp为敌方作战单元的毁伤评估时间，vf为我方作战单元飞行速度，vm为敌方拦截导弹飞行速度，当j＝1时，Dj-1的值即为D0＝Rmax；
步骤3.4，判断是否满足以下关系式：
其中：当我方作战单元为载机类武器平台单元时，Dm0为我方作战单元的武器有效射程；
当我方作战单元为载荷类被投放单元时，Dm0为敌方作战单元拦截导弹发射区近界；tp为拦截导弹的毁伤评估时间；
如果不满足，则会发射Dj+1波拦截导弹，令j＝j+1，返回步骤3.1，进行下一波次拦截导弹的发射和拦截；如果满足，则本轮拦截导弹发射结束后，不会再发射Dj+1波拦截导弹；此时的j值即为拦截导弹的可发射波次ml；
根据本步骤，得到对于我方作战单元在每个敌方防御圈内的拦截导弹可发射波次ml以及每个波次拦截导弹的发射距离Dj；
步骤4，计算每个我方作战单元的生存力，包括：
步骤4.1，对于每一个防御圈内的第i波次拦截导弹，其中，i＝1, 2, …, ml，拦截导弹对我方作战单元的探测概率Pdi为：
其中：Pfa＝10-6为敌方作战单元搭载雷达的检测虚警概率，SN为敌方作战单元搭载雷达对距离为Rt＝Dj的我方作战单元的检测信噪比；
其中：Pt、Gt、λ和Bn分别为敌方作战单元所搭载雷达的发射功率、天线增益、工作波长和噪声带宽；σt为我方作战单元的雷达散射面积；ks＝1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数，T0为标准室温，Fn为传播因子，Ls为损耗因子；Rt＝Dj为敌方作战单元所搭载雷达与探测目标之间的距离；
步骤4.2，计算直接命中模式下第i波次拦截导弹中，拦截导弹对我方作战单元的杀伤概率Pkhi，包括：
步骤4.2.1，拦截导弹的脱靶距离用CEP表示，其表达式为其中：SN为敌方作战单元搭载雷达对距离为Rt＝Di的我方作战单元的检测信噪比；拦截导弹射程R＝Di，为第i波次拦截导弹的发射距离；
步骤4.2.2，采用下式计算拦截导弹的脱靶距离的均方差σ：
步骤4.2.3，设我方作战单元为点目标，弹道为圆散布，散布中心与目标质心重合时，第i波次拦截导弹对我方作战单元的命中概率Phi为：
其中：Ap为我方作战单元的暴露面积；
步骤4.2.4，直接命中模式时，我方作战单元的杀伤概率为1，因此，直接命中模式下，第i波次拦截导弹对我方作战单元的杀伤概率Pkhi＝Phi；
步骤4.3，计算破片杀伤模式下第i波次拦截导弹中，拦截导弹对我方作战单元的毁伤概率Pki，包括：
步骤4.3.1，拦截导弹的破片到达我方作战单元时的速度vd为：
其中：v0为破片初速，CD为破片阻力系数，S为破片迎风面积，ρa为当地空气密度，Rs为破片飞行距离，即拦截导弹脱靶距离，ms为破片质量；
步骤4.3.2，单枚破片撞击作战飞机的比动能eb为：
其中：hd为装甲等效厚度；
步骤4.3.3，单枚破片的杀伤概率P0为：
步骤4.3.4，我方作战单元受到破片的打击数目ns为：
其中：Ak为我方作战单元致命部件易损面积，M为第i波次拦截导弹总破片数，Rs为拦截导弹脱靶距离， 为导弹破片的前缘飞散角， 为导弹破片的后缘飞散角；
步骤4.3.5，每一枚第i波次拦截导弹对我方作战单元的毁伤概率Pkpi为：
步骤4.3.6，第i波次拦截导弹对我方作战单元的毁伤概率Pki为：
其中：Ni为第i波次拦截导弹的数量；
其中：ni为经过上一波次拦截后剩余我方作战单元的数量；Pkv为第v波次拦截导弹对我方作战单元的毁伤概率；n为初始的我方作战单元的总数量；
步骤4.4，我方作战单元对ml波次拦截导弹的总生存概率Psf为：
步骤4.5，我方作战单元编队的总生存力指标PS为：
其中：Psfx为第x架我方作战单元的总生存概率，wx为第x架我方作战单元的重要度权值，n为初始的我方作战单元的总数量；
当我方作战单元分别为作战飞机、反舰导弹，敌方作战单元为航空母舰时，敌方作战单元的防御圈分别为航空母舰对作战飞机的防御圈、航空母舰对反舰导弹的防御圈；当我方作战单元分别为作战飞机、反舰导弹，敌方作战单元为护卫舰时，敌方作战单元的防御圈分别为护卫舰对作战飞机的防御圈、护卫舰对反舰导弹的防御圈；防御圈半径因我方作战单元雷达反射面积、飞行高度和敌方作战单元搭载雷达的探测能力不同而随之改变；
通过步骤2～步骤4.5，在我方作战单元投放武器之前，我方作战单元为作战飞机，Psf＝Psfh为作战飞机飞到武器投放点之前，对于所有进入过其防御圈的敌方作战单元所发射的共mlfh波次拦截导弹的总生存概率；在我方作战单元投放武器之后，我方作战单元为反舰导弹，Psf＝Psfu为反舰导弹命中目标时，对于所有进入过其防御圈的敌方作战单元所发射的共mlfu波次拦截导弹的总生存概率；
步骤5，计算我方武器单元对敌方作战单元的作战效能，包括：
步骤5.1，计算作战飞机发射反舰导弹时对第k艘舰船的探测概率，包括：
步骤5.1.1，单架作战飞机探测到第k艘舰船的概率Pdfi为：
其中：P’ ＝10-6fa 为飞机雷达检测虚警概率，SN’ 为飞机雷达对距离为Rt’ ＝D0的第k艘舰船的检测信噪比：
其中：Pt′为飞机雷达的发射功率，Gt′为飞机雷达的天线增益，λ’ 为飞机雷达的工作波长，σ’ t为目标的飞机雷达散射面积，ks＝1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数，T0为标准室温，Bn′为飞机雷达的噪声带宽，Fn为传播因子，Ls为损耗因子，Rt′＝D0为飞机雷达与探测目标之间的距离；
步骤5.1.2，存活下来的作战飞机协同探测到第k艘舰船的概率Pdfk为：
其中：ζd为作战飞机协同探测能力系数，取值范围为1≤ζd≤n之间；当ζd＝1时表示作战飞机之间没有协同探测能力；当ζd＝n时表示只要有一架作战飞机探测到目标则所有作战飞机都能发现该目标；
步骤5.2，计算反舰导弹协同探测下对第k艘舰船的探测概率Pdk，包括：
步骤5.2.1，一架反舰导弹发现目标的概率Pdm为：
其中：P”fa为反舰导弹雷达检测虚警概率，S”N为反舰导弹雷达对距离为R”t的第k艘舰船的检测信噪比；
其中：Pt”为反舰导弹雷达的峰值发射功率，G”t为反舰导弹雷达的天线增益，λ”为反舰导弹雷达的工作波长，σ”为目标的雷达散射面积，k ＝1.38×10-23t s J/K为玻尔兹曼常数，T0＝290K为标准室温，B”n为雷达的带宽，Fn为传播因子，Ls为损耗因子，R”t为反舰导弹雷达距目标的距离；
步骤5.2.2，存活到反舰导弹雷达开机时的反舰导弹协同探测下对舰船的探测概率Pduk为：
其中：Psfh为作战飞机对mlfh波次拦截导弹的总生存概率，Psfu为反舰导弹对mlfu波次拦截导弹的总生存概率，nz为探测第k艘舰船的反舰导弹的数量；
步骤5.3，对第k艘舰船，计算平均单枚反舰导弹对其所装备的1座近防炮武器系统的突防概率Psm为：
其中：
w为近防炮武器系统击毁一枚反舰导弹必须平均命中数，P0为单枚近防炮弹丸的平均命中概率；
Nmax为：对于来袭的反舰导弹，近防炮武器系统可发射的最大弹丸数；
其中：v为近防炮武器系统的射速；tL为拦截时间；
其中：Dmmax为近防炮拦截区远界，Dmmin为近防炮拦截区近界。n0k为反舰导弹发射时分配给攻击这艘舰船的反舰导弹数目，Psfh为作战飞机对mlfh波次拦截导弹的总生存概率，即反舰导弹的射前生存力，Psfu为反舰导弹对mlfu波次拦截导弹的总生存概率；vf为反舰导弹的速度；
步骤5.4，计算反舰导弹命中第k艘舰船的概率Phk，包括：
步骤5.4.1，反舰导弹的脱靶距离用CEP’ 表示，其表达式为其中：Ru为反舰导弹雷达开机时距离第k艘舰船的距离；S”N为反舰导弹距第k艘舰船Ru时的雷达信噪比。
步骤5.4.2，根据 得到σ’ 值；σ’ 为反舰导弹的脱靶距离的均方差；
步骤5.4.3，设舰船为点目标，弹道为圆散布，散布中心与目标质心重合时，反舰导弹命中第k艘舰船的概率Phk为：
其中：A’ p为第k艘舰船的暴露面积；
步骤5.5，根据下式计算反舰导弹毁伤第k艘舰船的概率Pkk：
其中：
Pkk为反舰导弹杀伤第k艘舰船的毁伤概率；A’ P为第k艘舰船的易损面积；
R ‘ 为反舰导弹毁伤半径，单位为米，R ‘ 与战斗部装药量和目标材料特性有关，其中：Kd为目标易损性的系数；WTNT为等效TNT装药质量；
步骤5.6，单枚反舰导弹杀伤第k艘舰船的概率Pmk为：
Pmk＝PdkPhkPkk其中：Pdk为反舰导弹发现第k艘舰船的概率，Pdk＝PdfkPduk，Phk为反舰导弹命中第k艘舰船的概率，Pkk为反舰导弹杀伤第k艘舰船的毁伤概率；
步骤5.7，第k艘舰船被毁伤概率Pk为：
其中：Psm为平均单枚反舰导弹对其所装备的1座近防炮武器系统的突防概率，Pmk为单枚反舰导弹杀伤第k艘舰船的概率，Psfh为作战飞机对mlfh波次拦截导弹的总生存概率，Psfu为反舰导弹对mlfu波次拦截导弹的总生存概率，n0k为反舰导弹发射时分配给攻击这艘舰船的反舰导弹数目；
步骤5.7，作战飞机编队的作战效能E为：
其中：wk为第k艘舰船的重要度权值，Pk为第k艘舰船的被毁伤概率；mz为舰船的总数量；
步骤6，选择需要权衡的影响飞机生存力和作战能力的飞机性能参数，并给出不同的飞机性能参数，计算在同样作战场景下，飞机生存力和作战效能的变化，权衡得到最佳方案。

专利类型：发明申请