反舰导弹突防概率的计算和研究.docx
《反舰导弹突防概率的计算和研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《反舰导弹突防概率的计算和研究.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
反舰导弹突防概率的计算和研究
本科毕业设计论文
题目反舰导弹突防概率的计算和研究
专业自动化
学生姓名
指导教师
毕业时间
设计
论文
毕业任务书
1、题目
反舰导弹突防概率的计算和研究
2、指导思想和目的要求
1.培养和检验学生基础知识、研究能力、自学能力以及综合分析能力；
2.进一步巩固和加强学生基本知识和基本技能的训练，也是对学生的多学科理论、知识与技能综合运用能力的训练，更是加强学生创新意识、创新能力和获取新知识能力的培养过程。
3、主要技术指标
1.建立反舰导弹突防分析模型，推导突防概率计算公式；
2.依照概率计算公式进行仿真分析。
四、进度和要求
第01周----第02周：
英文翻译；
第03周----第04周：
了解反舰导弹的发展现状；
第05周----第06周：
建立导弹运动学模型；
第07周----第08周：
分析反舰导弹面对的不利因素；
第09周----第10周：
建立导弹突防分析模型；
第11周----第12周：
推导反舰导弹概率计算公式；
第13周----第14周：
进行仿真，对仿真结果进行分析；
第15周----第16周：
撰写毕业设计论文，论文答辩。
五、主要参考书及参考资料
[1]董尤心.效能评估方法研究[M].北京:
国防工业出版社,2009.
[2]张川,解付强.预警探测体系作战效能评估框架[J].火力与指挥控制,2008（12）:
84-87.
[3]李登峰,许腾.海军作战运筹分析及应用[M].北京:
国防工业出版社,
2007.
[4]林峰，电子对抗[M].北京:
科学出版社，1987:
1-11.
[5]熊吉光，马政伟.反舰导弹突防研究[J].海军航空工程学院学报，2001,16
（1）:
123-125.
学生指导教师系主任
摘要
随着舰艇、编队防空反导能力的手段增多、反导能力的不断增强,反舰导弹在这整个突防过程中将面临着舰载武器系统多层次、多批次的拦截。
为了适应未来海战的特点和要求,如何提高反舰导弹的突防能力,已经成为各国研究的一项重点。
反舰导弹突防能力计算结果，将对作战时指挥员的决策带来很大的影响，甚至直接影响到作战效果，提供一种考虑全面、贴近实战的突防能力计算模型，有助于提高指挥员决策的科学性、正确性。
本文通过分析战场环境下导弹突防可能面临的不利因素，研究了目标舰艇采用各种手段对抗来袭导弹前提下的反舰导弹的突防问题，建立了全系统对抗条件下的反舰导弹突防能力计算模型，推导出突防概率的计算公式。
计算并分析了反舰导弹成功突防的概率，仿真验证了所建立模型的正确性，得出的结论对水面舰艇攻击战术有一定的参考价值。
关键词：
反舰导弹，突防概率，计算模型，对抗
ABSTRACT
Withtheincreaseofthemeansofantimissileabilityofnavalvesselsandformationaerialdefenses,andtheenhancementoftheantimissileability,anti-shipmissilewillbefacedwithmultiple-levelsandtimeaftertimeheadoffduringthewholebreakthrough.Inordertoadapttocharacteristicandrequirementofthefuturenavalbattles,howtoimprovebreakthroughabilityoftheanti-shipmissilehasbecomeanimportantresearchofeverycountry.
Thecalculationresultsofanti-shipmissilepenetrationcapabilitywillinfluencethedecisionofcommandersincombatandeveneffectthecombatresults.Therefore,itisnecessarytoprovideapenetrationcapabilitycomputingmodelunderfull-scaleconsiderationandofactualcombatapproximationinordertoimprovethecorrectnessandeffectivenessofcommander’sdecision.
Thepaperanalyzesthedisadvantagefactorsoftheanti-warshipmissileusinginbattlefieldenvironment,herethepenetrationproblemofanti-shipmissilehasbeenresearchedundertheconditionofthetargetshiptakingvariouswaysagainsthomingmissile,establishingaanalysismodelofmissiledefense,andthen,thecalculationformulaofthepenetrationprobabilityofanti-shipmissilehavebeenobtained.Calculatedandanalyzedtheprobabilityofsuccessfulpenetrationofanti-shipmissiles.Simulationanalysishastestifiedthevalidityofthecalculationmodel.Theconclusionsthatweobtainedhavereferencesignificationforthesurface-ship'stactics.
KEYWORDS:
anti-shipmissile,penetrationprobability,computingmodel,countermeasure
目录
摘要III
ABSTRACTIV
第一章绪论7
1.1课题的背景7
1.2反舰导弹的发展现状8
1.3本文研究的内容与工作10
1.3.1论文选题意义10
1.3.2论文主要内容10
1.4论文结构安排11
第二章反舰导弹弹体运动方程的建立12
2.1常用坐标系及坐标系之间的关系12
2.1.1常用坐标系12
2.1.2坐标系之间的关系13
2.2导弹动力学建模14
2.2.1作用在导弹上的力与力矩14
2.2.2导弹动力学方程17
2.2.3导弹运动学方程17
2.2.4导弹的质量方程18
2.2.5导弹运动学模型18
第三章反舰导弹面对的干扰因素21
3.1反舰导弹可能遭受的不利因素21
3.1.1舰载反导防空武器拦截21
3.1.2电子干扰21
3.2电子干扰技术分析22
3.2.1舷外有源干扰22
3.2.2水面舰艇隐身技术24
第四章导弹突防分析模型的建立30
4.1单发导弹突破敌防空导弹概率的确定30
4.2单发导弹突破敌防空高炮概率的确定31
4.3单发导弹突破敌积极干扰概率的确定32
4.3.1反舰导弹不被敌瞄准式干扰机干扰成功的概率的计算32
4.3.2反舰导弹不被敌阻塞式干扰机干扰成功的概率的计算32
4.4单发导弹突破敌消极干扰概率的确定33
4.4.1反舰导弹不被敌冲淡式干扰成功的概率的计算33
4.4.2反舰导弹不被敌转移式干扰成功的概率的计算34
4.4.3反舰导弹不被敌质心式干扰成功的概率的计算35
4.5计算流程35
第五章反舰导弹突防概率计算分析37
5.1发射数n对突防概率的影响37
5.2导弹速度对突防概率的影响40
5.3提高反舰导弹突防概率的措施40
全文总结42
参考文献43
致谢45
毕业设计小结46
第一章绪论
1.1课题的背景
反舰导弹是以水面舰艇为主要攻击目标的作战武器。
目前，世界上已有70多个国家装备了海上和陆地发射的先进反舰导弹，20多个国家拥有空射先进反舰导弹[1]。
但是，随着反舰导弹在世界各国的普及，尤其是英阿“马岛战争”中，飞鱼导弹击沉“谢菲尔德号”驱逐舰之后，世界各国对抗击反舰导弹的技术重视到了前所未有的地步，各种新式装备不断涌现，现代战斗舰艇抗击、干扰反舰导弹的能力日益增强，以求在未来较高技术的海战当中，能最大限度地拦截敌方导弹，降低己方损失。
目前,舰艇对导弹的防御能力是多重防御措施有机结合的一种综合防御体系,它主要包括两大类型:
一类是快速反应的舰对空导弹和火炮等它们直接击毁来袭的导弹,人们称其为“硬杀伤”性反导武器[2]。
另一类是用电子方法、假目标等使弹上导引头看不到目标或跟踪假目标,人们称其为“软杀伤”性武器系统。
其中威力最大的是具有拦截掠海飞行反舰导弹的舰对空导弹。
在舰艇的综合防御体系中,舰上的密集火炮拦截系统是在近程对付反舰导弹的有效手段。
例如美国的“密集阵”系统采用格林6管火炮,每分钟发射3000发炮弹形成l个扇面,可以从多个方向拦截来袭反舰导弹。
据报导,在美国军方组织的一次实验中,“密集阵”Block1B系统成功地完成了一次拦截“鱼叉”导弹试验。
类似的系统还有意大利的“巨数”、俄罗斯的“帕尔马”、西班牙的“梅罗卡”以及德国的“迈达斯”等[3],在这样密集的火力拦截下,原有的反舰导弹的生存能力、作战效能急剧下降,即使是采用超低空掠海飞行方式也很难突破舰艇的防御系统。
可以预见,随着高新技术在军事领域更为广泛的应用,未来海上战争的特点会更加突出;海战空间多维化、电磁化,海战方式多样化、海战指挥网络化,海战后勤保障一体化等等。
随着舰艇、编队防空反导手段增多、反导能力不断增强,反舰导弹在这整个突防过程中将面临着舰载武器系统多层次、多批次的拦截,因
此,如何适应未来海战的特点和要求,提高反舰导弹的突防能力,己经成为各国研究的重点[4]。
1.2反舰导弹的发展现状
反舰导弹作为精确制导武器的一种,可以从水面舰艇、潜艇、作战飞机上发射,以对水面舰艇构成严重威胁。
根据发射平台和运载工具的不同,分为空对舰导弹、舰对舰导弹、潜对舰导弹和岸对舰导弹;按射程可分为近程、中程和远程;按导弹飞行剖面又可分为大攻角俯冲导弹和掠海飞行导弹。
以上世纪中叶苏制“冥河”导弹的诞生为标志,反舰导弹的研制和发展己走过了半个世纪的历程,迄今己发展到了第四代。
世界上最早研制反舰导弹的国家是苏联,世界上第一枚反舰导弹是1959年装备使用的有苏制SS-N-1和AS-l反舰导弹,世界上第一个用反舰导弹击沉水面舰艇的战例是1967年埃及用苏制“冥河”SS-N-2导弹击沉以色列的“艾拉特”号驱逐舰[5]。
50年代至60年代,为了从岸上、空中和海洋沉重打击美国海军的航空母舰、
战列舰和巡洋舰等大中型水面舰艇,苏联研制了第一代反舰导弹。
1967年“冥河”导弹击沉驱逐舰的事件发生后,开始引起世界各国的高度关注,于是兴起了一股发展反舰导弹的热潮。
70年代是反舰导弹发展的一个高峰,美、苏、法、意和挪威等国相继研制了一批性能较高的第二代反舰导弹,其主要型号有“鱼叉”、SS-N-12、“飞鱼”、“奥托马特”等。
80年代以来,随着高新技术的不断发展和运用,反舰导弹的战术技术性能有了很大提高,这一时期发展的第三代反舰导弹主要有:
美国的“战斧”、苏联的SS-N-22、法国的SM-39潜射型“飞鱼”、英国的“海鹰”、“海上大鸥”、瑞典的RBS-15等[6]。
第一代反舰导弹的主要特点是战斗部装药量大,穿甲能力强,但飞行弹道高,体积大,抗干扰能力差,反应时间长,不太适宜攻击小型舰艇,且只能用于岸、舰发射。
第二代反舰导弹的特点是体积小,可掠海飞行,反应时间短,能用飞机、舰艇、潜艇发射,但射程较近,一般都不到100公里,抗干扰能力也较差。
第三代反舰导弹的特点是反应时间短,射程增大到500公里以上,一般也能进行中距攻击,除了多种平台均可发射,还能在水面舰艇和潜艇上垂直发射,并且还能够进行重复攻击,抗干扰能力也普遍增强[7]。
从各型反舰导弹在近几次局部海战中的运用来看,均取得了较好的战绩。
无论是较早的阿以战争、两伊战争、马岛海战,还是近期的海湾战争,反舰导弹都以
其远射程、高命中精度和强大的突击威力成为海战中的重要武器[8]。
有关人士曾对超声速反舰导弹和亚声速反舰导弹的突防情况进行比较计算。
假定:
超声速反舰导弹的飞行速度为Ma=2.0，亚声速反舰导弹的飞行速度Ma=0.9,被发现的距离均为15km,拦截导弹系统的反应时间为4.5s,反舰导弹迎着拦截系统飞行。
按这种假设计算得知,在亚声速反舰导弹飞行15km的过程中,拦截导弹对其有两到三次的拦截机会,如果导弹的飞行速度更低,可拦截的次数还会增加。
而对超声速反舰导弹仅有一次拦截的机会,如果飞行速度为Ma>3.0,一次拦截的机会都没有。
所以提高反舰导弹的飞行速度能有效地提高其突防能力。
在超声速反舰导弹方面俄罗斯处于世界领先地位。
从20世纪90年代开始进行火箭冲压发动机推进的超声速反舰导弹的研制,至今已研制了白岭3M80（西方称为SS-N-22）舰对舰导弹,哈-41空对舰导弹,宝石3M51多用反舰导弹。
现在正在开展涡喷发动机推进的超声速反舰导弹的研制,其飞行速度达Ma=3.0，射程300km，发射质量比整体式火箭冲压发动机推进的反舰导弹（相同射程,相同速度）小得多[9]。
西方国家很早就开展了超声速反舰导弹的研制计划,但由于在实施过程中的重重困难,致使一些反舰导弹的计划大都没有多大的进展,只有法国的昂弗（ANF）超声速反舰导弹的发展计划,现在正在进行研制。
此外,我国台湾也在积极开展超声速反舰导弹的研制,该导弹称为雄风3,正在开展试飞器的研制。
在机动性方面,反舰导弹在末端具有大幅度规避机动性会使计算目标的未来位置变得极为困难,从而严重地降低了反导系统的整体效率和有效性。
目前高机动的反舰导弹还很少见,但它们所表现出来的威力却是非常可信的。
在过去的十年中,实际上美国所有参与舰载反导防御计划的公司都正忙于解决这个问题的事实间接说明了这一点,他们或是对现有系统进行了重大改进,或是提出了全新的解决方案。
由于涉及到保密,在仅有的资料中得知已有一些反舰导弹具备了一定程度的末端机动能力,如俄罗斯的“马斯基特”能在接近目标时实施水平面内迅速爬升,到一定高度后以接近900的角度对目标实施俯冲攻击,据称可以有效突破目前最为先进的舰载“宙斯盾”防御系统。
具有超声速的导弹大大缩短了有效反应时间,并且超声速和即使是有限的机动能力相结合则会使它们很难被击中。
现代战争要求反舰导弹具有大空间机动、超音速巡航、超视距攻击的能力。
只有这样才能避开舰上火力系统的拦截,增强突防性能[10]。
我国现已从俄罗斯引进的X-31Π空地反辐射导弹、X-73近距离格斗空空导弹、X-27中程空空导弹等。
它们的特点是超音速飞行、机动性能高。
经初步研究,其弹载稳定控制系统均采用了以过载控制为核心的设计方案。
这表明过载控制技术在俄罗斯己有成熟的工程应用。
目前,我国飞航导弹的控制系统设计上,还在基本沿用前苏联导弹的设计思路,采用姿态稳定PID控制方式。
在超音速反舰导弹的研究方面,在射程和机动性上我国与俄罗斯还有很大的差距[11]。
1.3本文研究的内容与工作
1.3.1论文选题意义
从上面可以看出,世界各海军强国在不断研制新型反舰导弹的同时,利用新技术、新方法对现有的反舰导弹进行改进。
我国研制反舰导弹时间早,反舰导弹种类多、型号多、数量多,全部更新国家难以负担。
国外通过新技术、新方法对老式反舰导弹的改进,来提高反舰导弹的战斗力,是一条很好的借鉴方法,我国在过去几年中,也采用过类似的方法对反舰导弹进行改进,达到合理利用资源,节约资金,提高导弹作战效能的目的。
作为使用反舰导弹作战方,必须对导弹突防概率进行必要分析,以期达到相应战术目的。
本文通过分析战场环境下导弹突防可能面临的不利因素，研究了目标舰艇采用各种手段对抗来袭导弹前提下的反舰导弹的突防问题，建立了全系统对抗条件下的反舰导弹突防能力计算模型，推导出突防概率的计算公式。
计算并分析了反舰导弹成功突防的概率，进行仿真，进而得出参考结论。
1.3.2论文主要内容
本文要做的工作主要包括以下几点：
1.建立坐标系，推导弹体运动方程；
2.分析反舰导弹攻击面临的不利因素；
3.建立导弹突防分析模型；
4.通过导弹突防分析模型对反舰导弹突防概率计算分析。
1.4论文结构安排
本文主要由五章组成:
第一章为绪论,主要阐述了舰载反舰导弹的出现、发展、使用和作战特点,说明了反舰导弹在现代海战中具有重要地位。
并且系统地介绍了反舰导弹的研发现状。
最后介绍本文的主要工作。
第二章首先介绍了进行导弹控制系统研究常用的坐标系及各坐标系之间的关系;之后分析了导弹在飞行过程中受到的力与力矩,在此基础上建立了导弹动力学及运动学方程,并建立了导弹运动学模型。
第三章讲述了当目标舰艇具有较强侦察预警及防空反导能力时，反舰导弹在突防过程中可能遭受敌方舰艇反导武器拦截和电子干扰。
着重介绍有源干扰和无源干扰的技术。
第四章建立导弹突防分析模型，推导反舰导弹突防概率公式。
第五章依据突防概率公式进行仿真，并对仿真结果进行分析。
第二章反舰导弹弹体运动方程的建立
2.1常用坐标系及坐标系之间的关系
建立描述导弹运动的方程,常常需要定义一些坐标系。
由于选取不同的坐标系,所建立的导弹运动方程的形式和复杂程度也会有所不同。
因此选用合适的坐标系是十分重要的。
选取坐标系的原则是既能正确地描述导弹的运动,又要使描述导弹运动的方程形式简单且清晰。
2.1.1常用坐标系
1、地面坐标系Axyz
地面坐标系与地球固联,原点A通常取导弹质心在水平面上的投影点,Ax轴在水平面内,指向目标在水平面上的投影为正;Ay轴与地面垂直,向上为正;Az轴按照右手定则确定。
地面坐标系主要用来作为确定导弹质心位置和空间姿态的基准[12]。
2、弹体坐标系Ox1y1z1
原点O取在导弹的质心上;Ox1轴与弹体纵轴重合,指向头部为正;Oy1轴在弹体纵向对称平面内与Ox1轴垂直,向上为正;Oz1轴垂直于xlOy1平面,其方向按照右手定则确定。
此坐标系与弹体固联,是一个动坐标系。
弹体坐标系与地面坐标系配合,可以确定弹体的姿态。
另外,在研究作用在导弹上的推力、推力偏心形成的力矩及气动力矩时,利用该坐标系也比较方便[13]。
3、弹道坐标系Ox2y2z2
原点O取在导弹的质心上;Ox2轴与导弹速度矢量V重合;Oy2轴位于包含速度矢量的铅锤面内,且与Ox2轴垂直,向上为正;Oz2轴按照右手定则确定。
此坐标系与导弹速度矢量固联,是一个动坐标系。
弹道坐标系主要用于研究导弹质心的运动特性,利用该坐标系建立的导弹质心运动的动力学方程,在分析和研究弹道特性时比较简单清晰。
4、速度坐标系Ox3y3z3
原点O取在导弹的质心上;Ox3轴与导弹速度矢量V重合;Oy3轴位于弹体
纵向对称平面内与Ox3轴垂直,向上为正;Oz3轴垂直于x3Oy3平面,其方向按照右手定则确定。
此时坐标系与导弹速度矢量固联,是一个动坐标系。
速度坐标系常用来研究作用于导弹上的空气动力R,该力在速度坐标系各轴上的投影分量就是所谓的阻力X,升力Y和侧向力Z[14]。
5、视线坐标系Ox4y4z4
原点O位于导弹质心上。
Ox4轴与导弹——目标线重合,由导弹指向目标为正。
Oy4轴位于包含Ox4轴的纵向平面内,与Ox4轴垂直,指向上方为正。
Oz4轴方向按右手定则确定。
显然,Oz4轴位于侧向平面内。
2.1.2坐标系之间的关系
导弹在飞行过程中,作用在其上的力包括空气动力、推力、重力等。
一般情况下各个力分别定义在上述不同的坐标系中。
要建立描绘导弹质心运动的动力学方程,必须将分别定义在各坐标系中的力变换（投影）到某个选定的、能够表征导弹运动特征的坐标系中[15]。
1.弹体坐标系和地面坐标系之间的关系
弹体坐标系和地面坐标系之间的关系通过θ、ψ、γ三个角度来确定。
这三个角度分别为:
俯仰角θ:
导弹的纵轴Ox1和水平面之间的夹角,由水平面向上逆时针旋转至Ox1轴时为正.
偏航角ψ:
导弹纵轴Ox1在水平面Axy上的投影与地面坐标系中的Ox轴之间的夹角。
滚动角γ:
导弹的Oy轴与通过Ox1轴的垂面之间的夹角。
2.弹道坐标系和地面坐标系之间的关系
这两组坐标系之间的关系通过θ和ψc来确定。
它们定义为:
弹道倾角θ:
导弹重心运动速度向量（即Ox2轴）和地平面之间的夹角。
弹道偏角ψc:
导弹重心运动速度向量（即Ox2轴）在地平面上的投影线Ox，和Ox轴之间的夹角。
3.弹道坐标系和速度坐标系之间的关系
这两组坐标系的Ox2轴和Ox3轴是重合的,只是Oy2和Oy3轴之间及Oz2和
Oz3轴之间有一个夹角γc。
也称γc角为倾斜角。
4.速度坐标系和弹体坐标系之间的关系
速度坐标系和弹体坐标系之间的关系取决于下面两个角度。
攻角α:
相对气流速度在导弹纵对称平面内的投影Ox，与弹体坐标系的Ox1轴之间的夹角。
侧滑角β:
相对气流速度与导弹对称平面之间的夹角,正的侧滑角产生负的侧向力。
2.2导弹动力学建模
导弹运动学方程组是描述作用在导弹上的力和力矩与导弹运动参数之间关系的一组方程。
它由描述导弹质心运动和弹体姿态变换的动力学方程、运动学方程、导弹质量变化方程、角度几何关系方程和描述控制系统工作的方程所组成的。
2.2.1作用在导弹上的力与力矩
导弹在飞行的过程中,作用在导弹上的力主要有空气动力、发动机推力和重力。
空气动力是空气对在其中运动的物体的作用力;推力是发动机工作时,发动机内燃气流高速喷出,从而在导弹上形成与喷流方向相反的作用力,推力是导弹的飞行动力;作用在导弹上的重力是地心引力和因地球自转所产生的离心惯性力的合力当空气动力的作用线不通过导弹质心时,形成对质心的空气动力矩;同样,当推力作用线不通过质心时,还将会形成对质心的推力矩[16]。
1.空气动力
空气动力沿速度坐标系分解为三个分量,分别为阻力X、升力Y和侧向力Z。
实验表明,空气动力的大小与来流的动压头q和导弹的特征面积S成正比,即:
（2-1）
式中:
Cx——阻力系数,无量纲
Cy——升力系数,无量纲
Cz——侧向力系数,无量纲
ρ——空气密度
V——导弹飞行速度
阻力X:
（2-2）
阻力系数主要由实验确定,主要取决于马赫数Ma,雷诺数Re,攻角α和侧滑角β。
升力Y:
（2-3）
对于轴对称导弹升力系数为:
（2-4）
侧向力Z:
（2-5）
在侧滑角β,方向舵的舵面偏转角较小时,侧向力系数为:
（2-6）
2.推力
假设推力P沿导弹纵轴Ox1并通过导弹质心,则推力在弹
升级会员 