舰载近防武器对无人机蜂群的拦截分析

黄 勇，李元锋，张 枣，刘彦龙

（解放军31002 部队，北京 100089）

0 引言

随着信息化、智能化、无人化军事技术的迅猛发展和支撑，世界各国在陆、海、空、天等各领域大力加强无人化作战能力建设，新型无人作战平台和无人作战样式不断涌现，无人作战力量体系逐步形成。特别是近年来，美军提出的蜂群战法引起世界广泛关注，并以5 架～10 架无人机从不同方向对1艘“宙斯盾”导弹驱逐舰攻击为例，实验验证了该战法的优势［1］。目前，美军正大力研究和发展适用于该战法的小型无人机，如“小精灵”、“山鹑”、“丛林狼”等，以期加快推动该战法的实战化运用［2］。

蜂群战法的首要目标为大型水面舰船，一是因为该类目标体积大、价值高、机动性差，是合适的“靶目标”；二是因为舰载防空系统主要是针对各类反舰导弹和飞机，难以应对“低慢小”的无人机。美军实验表明，大型水面舰艇舰上具备无人机蜂群拦截能力的仅有“密集阵”系统、重机枪等近防武器，各类防空导弹、干扰弹和舰炮则无法拦截。因此，本文在建立拦截无人机蜂群作战流程和关键模型的基础上，重点分析舰载近防武器对无人机蜂群的拦截能力和效果，以便探索出更为行之有效的拦截手段。

1 蜂群战法基本情况

蜂群战法是指具备一定自主能力的小型无人机，依据作战任务自行编组，形成作战集群，协同对敌发动攻击的一种作战方法。该战法是一种看似随机，实则有序的协同作战方法，其核心是以小取胜、以量取胜、快速协同取胜。基于蜂群战法可能的无人机作战样式包括［3］：通过搭载不同类型传感器，强化战场态势感知，实现大范围的区域探测跟踪和侦察监视；通过搭载电子干扰设备，压制敌地面防空系统，实现对敌雷达或指控通信设备的分布式干扰；通过释放大量假目标，迷惑敌预警侦察体系，诱骗敌雷达或侦察设备开机，实现对敌关键目标的定位及摧毁；通过饱和集群式出动，掩护我核心作战单元，消耗敌高价值防空资源，为我作战单元的后续介入开辟走廊。

2 舰载作战体系及近防武器系统

舰载作战体系一般包括侦察预警系统、指挥控制系统和武器发射系统3 部分。本文以“宙斯盾”导弹驱逐舰为研究对象，考虑后续加装激光武器系统作为改进，其作战体系如图1 所示［4］。鉴于实施蜂群作战的小型无人机雷达反射截面积小、飞行高度低，结合舰载各武器系统使用限制，预警系统发现目标时已无法使用各型防空导弹和舰炮实施拦截，仅可使用“密集阵”武器系统、激光武器系统和电子战系统对目标进行软硬杀伤。“密集阵”武器系统由搜索跟踪雷达、火控系统和转管炮组成，射速4 500 发/min，有效攻击距离0.1 km～1.7 km，最佳攻击距离1.5 km，转入攻击下一目标反应时间30 s。激光武器系统沿用“密集阵”武器系统的搜索跟踪雷达、火控系统，转管炮由固体激光器取代，功率100 kW，有效攻击距离0.1 km～10 km，转入攻击下一目标反应时间2 s。电子战系统可对1.8 km～9 km 范围内的目标，通过干扰机载GPS 接收机的方式诱偏目标。

3 拦截无人机蜂群作战流程

图1 改进型“宙斯盾”导弹驱逐舰作战体系

图2 “宙斯盾”导弹驱逐舰防空作战流程

“宙斯盾”导弹驱逐舰防空作战流程如图2 所示，该图描述了各系统与作战活动的关系及系统间的信息流向。对空探测系统负责空中目标搜索、跟踪、类型识别和敌我识别，并将目标识别信息传递给指挥决策系统和拒止系统，将目标跟踪数据传递给指挥决策系统和武器控制系统。指挥决策系统负责确定敌目标数量、优先级，定下交战决心，创建驱逐舰周围环境作战态势，并将作战态势传递给显示系统。作战人员与显示系统进行交互，并将指令通过显示系统传递给指挥决策系统，若指挥决策系统收到的指令中包含交战命令，则将交战命令、目标优先级传递给武器控制系统。武器控制系统根据收到的交战命令、目标优先级进行计划交战和评估交战，并将计划交战形成的目标分配和瞬时交战时机两类信息连同跟踪数据传递给交战系统，交战系统传回交战意图后负责对目标进行打击。拒止系统负责将目标击中驱逐舰或在驱逐舰周围爆炸的概率降至最低。

4 关键仿真模型

4.1 密集阵武器系统模型

4.1.1 雷达搜索模型

建立如下密集阵武器系统雷达搜索模型［5］：

式中：Am为搜索雷达给出的目标位置；Ar为目标真实位置；Dam为目标与搜索雷达的距离；ε 为雷达搜索精度；η 为［-1，1］之间服从正态分布的随机数。

4.1.2 雷达跟踪模型

4.1.3 命中概率模型

“密集阵”武器系统采用射击过程中不断修正的闭环火力控制模式，其弹丸在二维空间遵循正态分布，弹丸分布中心距目标中心的偏移δ 为［6］：

式中，ε、ζ、γ 分别为“密集阵”武器系统的跟踪精度、火力系统精度、火控系统精度，各参数取值参见文献［6］。则“密集阵”武器系统在火力远界LY处的线量系统误差RY、在火力近界LJ处的线量系统误差RJ和平均线量系统误差R 分别为：

如图3 所示，将小型无人机外形近似等效于两个相交的长方体，长为L，宽和高均为2d。采用“矩形目标、圆形散布”的模式进行命中概率解算，如图4 所示，目标中心位于坐标原点，系统误差在x 轴、y轴上的分量为Rx、Ry，r 为密集阵武器系统弹丸散布半径，其值为：

式中，D 为密集阵武器系统与目标的距离；η 为“密集阵”武器系统的散布精度，取值1 mil。

图3 小型无人机外形等效图

图4 命中概率解算模式图

对小型无人机目标射击的单发命中概率P（x，y）为：

式中，φ（x，y）为弹着散布误差分布密度；φ（x）、φ（y）为x 轴、y 轴上的弹着散布误差分布密度；为拉普拉斯函数，其值可通过查阅文献［7］中的附录A得到。

4.2 激光武器系统模型

激光武器系统模型涉及探测跟踪模型、大气传输模型、目标毁伤模型等，这里主要介绍激光对目标的毁伤模型。

若舰载激光武器发射处与目标相距S，衍射导致的与光束传输面垂直的激光光束扩散半径为［8］：

设光束传输面与目标表面的夹角为α，其值随辐照时间t 变化，可将光束与目标表面的辐照交汇面近似为一个短半轴为a、长半轴为b 的椭圆，且有：

从而可得光束辐照目标表面的交汇面积为：

考虑激光在大气传输过程中能量的衰减，光束透过大气辐照到目标表面的功率P 为：

式中，P0为激光发射功率；为大气透过率；γ 为大气衰减系数，取值范围为0.196 km-1～0.078 km-1。

则激光辐照到目标表面单位面积的能量密度E 为：

能量密度E 超过目标的破坏阈值Em，则目标被毁伤。

4.3 电子战系统模型

本文考虑舰载电子战系统对无人机GPS 导航系统的转发式欺骗干扰，其基本思路如图5 所示。O点为舰载GPS 干扰机位置，M 点为无人机预定轨迹点，GPS 干扰机通过延时转发接收到的卫星信号，使位于干扰功率范围内的无人机接收到错误的定位和授时信息，进而将其诱偏至N 点。

图5 转发式欺骗干扰示意图

设O 点坐标为（xO，yO，zO），转发4 颗卫星对应的伪距为（r1，r2，r3，r4），授时误差为O；N 点坐标为（xN，yN，zN），对应的伪距为（v1，v2，v3，v4），授时误差为N，则O 点和N 点定位方程分别为：

式中，c 为电波传播速度。由此可得转发信号延迟为：

根据信号延迟即可得到预定的欺骗位置。

5 仿真实验分析

图6 实验想定实体框架

假设30 架无人机从不同方向按设定的航路点（坐标-高程-速度）向“宙斯盾”舰发起自杀式攻击，“宙斯盾”舰利用近防武器系统对其进行拦截，想定实体框架如图6 所示。不考虑无人机的发射与回收，即仿真初始阶段无人机便在空中飞行。将所建立的仿真模型集成于某联合防空仿真系统平台，采用蒙特卡洛方法仿真500 次。下页图7 所示为某一时刻仿真运行态势，虚线大圆和小圆分别为激光武器和密集阵理论最大攻击距离，虚线扇形为GPS干扰机某时刻干扰阵面。图8 所示为500 次仿真中对应不同无人机被拦截数出现的结果次数，可见500 次仿真中有45 次仿真结果出现无人机被拦截17 架，出现概率最高。图9 所示为500 次仿真中“宙斯盾”舰拦截无人机的平均数及各近防武器系统拦截的平均数，可见GPS 干扰机拦截（实际为诱偏）数最高。

图7 仿真运行态势

图8 不同无人机拦截数对应的仿真结果次数

图9 平均拦截无人机数

图10 平均拦截数与无人机蜂群平均飞行速度的关系

在无人机蜂群飞行高度一定的条件下，对“宙斯盾”舰平均拦截数与无人机蜂群平均飞行速度的关系进行仿真，图10 反映了无人机蜂群平均飞行速度对拦截数的影响。可见无人机蜂群飞行高度一定的条件下，“宙斯盾”舰平均拦截数随无人机蜂群平均飞行速度的增加而减小，且平均速度越大，平均拦截数降低的越快［9-11］。

6 结论

本文分析了“宙斯盾”舰载近防武器对无人机蜂群的拦截能力。根据舰载近防武器系统组成和拦截作战流程，分别建立了密集阵武器系统、激光武器系统和电子战系统仿真模型，并通过仿真实验对比分析了不同近防武器系统对无人机蜂群的拦截能力。实验结果表明：1）利用舰载电子战系统对无人机蜂群实施软杀伤效果优于对其实施硬杀伤；2）激光武器可作为拦截无人机蜂群的一种有效手段，效果优于传统的“密集阵”系统；3）舰载近防武器系统拦截能力随无人机蜂群平均速度的增大而降低，且无人机蜂群平均速度越大，舰载近防武器系统拦截能力降低越明显。