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基于多智能体的金穹导弹防御系统对抗仿真

金穹”计划；多智能体；体系仿真；多层防御体系

四、体系数字化与智能建模仿真 > 1.体系数字工程

“金穹”计划通过结合天基和地面的先进技术和系统，构建多层次、全方位的防御体系。为了分析系统中不同拦截器技术对整体防御效能的贡献，开发了多智能体（Multi-Agent）红蓝对抗仿真系统，用于模拟美国金穹系统（Golden Dome for America）对导弹的防御能力。系统包括红方（攻击方）发射的导弹，蓝方（防御方）采用多层防御体系进行拦截。整个仿真过程采用离散时间步进机制，在每个时间步长内，所有Agent（包括导弹、各类传感器、拦截武器、指挥控制单元以及环境）的状态都将依据其内在逻辑和交互规则进行同步更新。在攻击侧建模中，红方Agent精确模拟了一枚典型的三级助推火箭。它不仅计算导弹的三自由度弹道（考虑基本的运动学和动力学），还严格模拟了火箭的分离过程（通常在各级燃料耗尽时触发分离事件）。同时，该Agent生成了导弹的关键可探测特征：强烈的火箭发动机尾焰红外辐射信号以及导弹弹体本身的雷达散射截面（RCS）特征。通过灵活修改导弹的初始发射参数（如发射点的经纬度、初始速度矢量的大小和方向），可以生成大量具有不同飞行轨迹、射程和特性的导弹威胁，用于测试防御系统的鲁棒性。蓝方传感器Agent中天基传感器用于红外探测，早期预警和跟踪；海基雷达用于粗跟踪目标；地基雷达用于精密跟踪目标，引导拦截弹。天基传感器参照美国现有SBIRS的参数进行初步设置，包括地球同步轨道卫星（GEO）和高椭圆轨道卫星（HEO），按照固定的轨道运行，每个时刻探测按照相对于目标的距离进行计算探测概率。海基雷达参照宙斯盾系统的SPY雷达进行探测参数设置。地基雷达参考GBR进行参数设置。蓝方拦截武器Agent中天基定向能拦截，在助推段使用定向能武器进行拦截；地基中段拦截GMD，在自由段使用动能拦截弹进行EKV进行拦截；地基末段拦截THAAD，在再入段进行高层拦截；地基定向能拦截，在末段低层使用定向能武器进行拦截。天基定向能武器对导弹的毁伤成功与否，按照到目标的功率和持续时间超过一个阈值来计算。动能拦截假设在拦截弹发射后，经过一个反应时间（如几秒）和飞行时间（根据拦截点到发射点的距离除以平均速度），然后到达拦截点。在拦截点，计算拦截弹与目标的距离，如果小于杀伤半径，并且满足拦截条件（在拦截包络内），那么以Pk的概率拦截成功。在交汇点，如果拦截弹与目标的距离小于拦截弹的杀伤半径，则认为拦截成功，否则失败。同时，考虑单发拦截概率（Pk）作为随机因素。每个拦截武器有自己的拦截包络（最小和最大射程、射高）和单发拦截概率（Pk）。拦截是否成功取决于拦截弹与目标的接近程度以及Pk。指挥控制Agent用于接受传感器数据，进行目标跟踪、识别、威胁评估和武器分配。假设一旦有传感器探测到导弹，指挥控制Agent就获得导弹的精确位置（假设滤波后位置精确），然后根据导弹的当前位置和速度预测其弹道，并根据预测的弹道判断导弹处于哪个飞行阶段，然后分配该阶段可用的拦截武器。环境Agent用于提供大气、重力、地球自转等环境模型。重复多次仿真，每次改变导弹的初始参数（如质量、推力、速度等）以及随机因素（探测概率、拦截成功概率等），以及多种防御配置，包括：基线（所有防御层都启用A）、只有天基拦截（B）、只有地基中段拦截（C）、只有地基末段拦截（D）、只有地基定向能拦截（E），统计不同防御层的拦截成功率。运行1000次蒙特卡洛仿真，在相同防御配置情况下，发射参数的敏感度顺序为：速度>推力>质量；在相同发射参数下，不同配置防御配置拦截成功率依次为：A>D>E>C>B，不同阶段的拦截成功率依次为：再入段>自由段>助推段。结合仿真数据，可以得到的结论如下：通过增加天基拦截的功率和星座部署密度，可以缩短重访时间，提升拦截效果。基于所构建的仿真系统，后续可以进行更多的参数设置，开展饱和攻击对抗演练，分析复杂体系的涌现性研究。