多功能電子戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能仿真技術研究*

李婧嬌 張友益 徐朝陽

(江蘇科技大學1) 鎮(zhèn)江 212003)(中國船舶重工集團公司第723研究所2) 揚州 225001)

1 引言

軍事經(jīng)典著作《孫子兵法》將“知己知彼,……”的戰(zhàn)略思想貫穿于指導戰(zhàn)爭的全過程。在高技術兵器時代,要做到“知己知彼”,并讓敵人“不知彼不知己”,就要充分合理地利用電子戰(zhàn)技術[1]。海灣戰(zhàn)爭后,以爭奪電磁頻譜使用權和控制權斗爭的電磁戰(zhàn)場已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中爭奪的制高點。電子戰(zhàn)裝備從以作戰(zhàn)平臺自衛(wèi)為主的保障手段,發(fā)展成為攻擊敵方作戰(zhàn)指揮關鍵節(jié)點的進攻性武器;電子干擾軟殺傷與反輻射武器、定向能武器硬殺傷相結(jié)合,電子戰(zhàn)武器與硬摧毀武器相結(jié)合已成為電子戰(zhàn)的重要作戰(zhàn)方式;電子戰(zhàn)已從一對一的設備之間的對抗,發(fā)展到系統(tǒng)對系統(tǒng)、體系對體系的對抗。

2 多功能電子戰(zhàn)技術的發(fā)展

從海灣戰(zhàn)爭及歷次世界局部戰(zhàn)爭可以看出,應用電子戰(zhàn)技術必須有系統(tǒng)工程的概念,發(fā)揮電子戰(zhàn)整體作戰(zhàn)的效能。美國海軍的AN/SLQ-32(V)3艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)就是由計算機控制的多功能一體化電子對抗系統(tǒng),并已成為美國海軍水面艦艇使用的標準電子戰(zhàn)設備[2]。此外,法國的 DR-4000系列電子偵察機和ARBB-33干擾機,意大利的Nettuno 4000艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)的性能都比較接近美海軍的AN/SLQ-32(V),也是目前海戰(zhàn)場上電子戰(zhàn)的佼佼者[3]。

2004年起,美海軍研究局(ONR)計劃對新型艦載多功能電子戰(zhàn)(MFEW)電子支援系統(tǒng)(ES)的技術發(fā)展及系統(tǒng)發(fā)展與演示驗證提供支持。該系統(tǒng)采用低探測概率的多功能天線,裝備在DD(X)驅(qū)逐艦和CVN 21航母等水面艦艇上。

2008年7月,諾斯羅普?格魯曼公司在位于切薩皮克灣的美海軍研究實驗室(NRL)進行了艦載多功能電子戰(zhàn)(MFEW)系統(tǒng)的陸基測試。這次在切薩皮克灣進行的測試主要演示了當雷達天線在5級海況下橫縱搖擺時,系統(tǒng)追蹤模擬目標的能力。諾?格公司MFEW系統(tǒng)的設計采用了數(shù)字接收技術和先進的處理技術,可對各種類型的信號進行探測和分類。

2008年8～9月間,諾?格公司已經(jīng)為美海軍下一代水面電子戰(zhàn)(EW)升級項目(SEWIP)的系統(tǒng)設計和開發(fā)(SDD)階段建立了技術基礎,并完成了相關測試。在夏威夷基地舉行的環(huán)太平洋TAPA II演習中,諾?格公司MFEW領導小組在“康斯托克”號兩棲船塢登陸艦成功地驗證了這些重要的性能:精確定向,高靈敏度,快速感知,對即將到來的威脅分級以及降低艦船射頻干擾。隨后,MFEW系統(tǒng)還在切薩皮克灣與先進的多功能射頻概念(AMRFC)測試臺進行進一步集成。

3 電子戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能仿真的需求及現(xiàn)狀

3.1 電子戰(zhàn)仿真技術結(jié)構

高技術條件下的戰(zhàn)爭,是武器裝備體系之間的對抗。因此,已有的針對單一武器對抗的仿真或?qū)嶒灍o法用來描述其在高技術戰(zhàn)爭中的實際對抗效果,需要開發(fā)一種考慮了多種武器和多種戰(zhàn)術的綜合運用、適應未來作戰(zhàn)環(huán)境下武器體系對抗的仿真手段[4]。隨著計算機網(wǎng)絡技術、大規(guī)模分布處理技術、多媒體技術和面向?qū)ο蠹夹g的發(fā)展,分布式交互仿真技術應運而生[5]。該技術是20世紀80年代后期在仿真網(wǎng)絡(SIMNET)的基礎上發(fā)展起來的,并于90年代初進行了首次應用。當前確切的定義為:采用協(xié)調(diào)一致的結(jié)構、標準、協(xié)議和數(shù)據(jù)庫,通過網(wǎng)絡技術,將地域上分散配置的各種模擬器、計算機生成兵力及其他武器裝備的仿真軟、硬件與環(huán)境有機地聯(lián)接成一個整體,形成一個在時間和空間上相互合并且一致的、人可以自由地參與交互的虛擬的綜合仿真環(huán)境。分布式交互仿真主要可用于軍事訓練、武器系統(tǒng)設計與開發(fā)過程的評估、作戰(zhàn)仿真等,根據(jù)仿真結(jié)果對效能的評估做出相應的指導。文獻[6]采用分布式交互仿真技術研制的雷達與雷達電子對抗系統(tǒng)為雷達的使用和維護人員提供廉價的訓練器材。

作為先進分布仿真技術的最新發(fā)展,高級體系結(jié)構(High Level Architecture)是分布式交互仿真最新的體系結(jié)構,它利用現(xiàn)代仿真技術建立一個通用的綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)仿真試驗環(huán)境,是目前電子戰(zhàn)體系對抗仿真系統(tǒng)的首選仿真體系。

基于HLA的綜合電子戰(zhàn)體系對抗仿真系統(tǒng)能夠具有以下的基本功能:1)資源庫管理功能;2)成員開發(fā)功能;3)聯(lián)邦開發(fā)功能;4)運行支撐功能;5)控制管理功能;6)演示功能;7)分析評估功能。電子戰(zhàn)體系對抗仿真系統(tǒng)的邏輯組成(如圖1所示)[7]。

圖1 綜合電子戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能通用仿真環(huán)境的組成

3.2 作戰(zhàn)效能評估的意義

3.3 電子戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估方法

多功能電子戰(zhàn)系統(tǒng)是軟武器系統(tǒng),美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(WSEIAC)對系統(tǒng)效能的定義是:系統(tǒng)效能是系統(tǒng)預期達到一組特定任務要求的程度的度量,是系統(tǒng)可用性、可信性及固有能力的函數(shù)[9]。武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能是指武器系統(tǒng)在作戰(zhàn)運用時所具備的作戰(zhàn)能力[10]。

武器裝備效能評估的方法主要有2類:一類根據(jù)得出評估結(jié)果的基本途徑,大致可分為統(tǒng)計法、解析法和仿真法。統(tǒng)計法是應用數(shù)理統(tǒng)計的方法,依照實戰(zhàn)、演習、試驗獲得的大量統(tǒng)計資料評估效能指標,其前提是所獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)的隨機特性可以清楚的用模型表示并相應地加以利用;解析法是根據(jù)解析式(如蘭徹斯特方程,Monte-Carl)計算,比較適用于不考慮對抗條件下的裝備系統(tǒng)效能評估和簡化條件下的宏觀作戰(zhàn)效能評估;仿真法是通過仿真試驗得到關于作戰(zhàn)進程和結(jié)果的數(shù)據(jù)進而得出效能指標估計值,主要有作戰(zhàn)模擬法和分布交互仿真法;另一類是根據(jù)評估的主客觀程度,可分為主觀評估法(如直覺法、專家調(diào)查法、德爾菲法、層次分析法等)、客觀評估法(如加權分析法、理想點法、主成分分析法、因子分析法、樂觀和悲觀法、回歸分析法等)以及定性和定量相結(jié)合的評估方法(如模糊綜合評判法、灰色關聯(lián)分析法、聚類分析法、物元分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、參數(shù)效能法、SEA方法、試探性建模與分析方法等)。

效能評估的幾種常用方法介紹:

1)層次分析法:層次分析法是一種實用的多準則決策方法,該方法以其定性與定量相結(jié)合地處理各種決策因素的特點,以及系統(tǒng)、靈活、簡潔的優(yōu)點,在復雜系統(tǒng)評估領域中得到了廣泛的重視與應用。文獻[11]采用圖1所示的樹狀層次結(jié)構評估指標體系來進行電子戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估比較,也就是有一個總指標,以下分解為幾個一級指標,每個一級指標又分解成若干二級指標,等等。

圖2 作戰(zhàn)效能評估指標體系圖

按照圖2所示的評估比較體系,整合分系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能就能獲得電子戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能,而分系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能又是戰(zhàn)術、技術指標的函數(shù),這樣電子戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能就是分系統(tǒng)、系統(tǒng)之間和戰(zhàn)術、技術指標的函數(shù)。

2)專家調(diào)查法:是建立在專家們主觀判斷的基礎上,因而它特別適用于解決客觀偶然性較大而且缺少確切數(shù)據(jù)的評估問題。

綜上所述，通過閱讀大量有關CT輻射防護研究資料，回顧分析筆者認為對CT輻射防護方法總結(jié)如下：（1）對CT掃描的劑量嚴格規(guī)定，確保參數(shù)設置的靈活性，綜合患者的實際情況確保醫(yī)師操作技術的準確數(shù)量，確保圖像質(zhì)量從而能夠達到輻射劑量最低下，獲取最高圖像質(zhì)量；（2）合理選擇屏蔽方面并且積極研發(fā)新型屏蔽設備。下一階段需要針對CT設備的全面輻射防護展開更加深入的研究。

3)ADC法:這種方法以裝備系統(tǒng)的總體構成為對象,以完成任務為前提對裝備效能進行評估,主要用于對武器系統(tǒng)效能進行定量的評估。

WSEIAC(美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會)模型[12]:

其中,E={e1,e2,…,en}為系統(tǒng)效能行向量;A={a1,a2,…,an}為系統(tǒng)可用性狀態(tài)描述,表示系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務時處于狀態(tài)i的概率;D為一矩陣,描述系統(tǒng)的可靠性,表示系統(tǒng)在執(zhí)行任務時任意兩個狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)化的概率;C為能力矩陣,表示武器系統(tǒng)在執(zhí)行任務期間完成任務的量度,其元素cjk表示系統(tǒng)第j個有效狀態(tài)中的第k個性能指標。D,C分別如式(2)、式(3)所示。

文獻[12～14]在WSEIAC(美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會)模型:E=A?D?C模型基礎上對電子戰(zhàn)設備的作戰(zhàn)效能進行了分析。

4)模糊評判法:模糊綜合評判法是在模糊集理論的基礎上,應用模糊關系合成原理,從多個因素對被評判對象隸屬等級狀況進行綜合評判的一種方法。它通過建立在模糊集合概念上的數(shù)學規(guī)則,能夠?qū)Σ豢闪炕筒痪_的概念采用模糊隸屬函數(shù)進行表達和處理。近年來該方法已應用于武器裝備的論證工作中,成為軍事系統(tǒng)工程學科中用于系統(tǒng)評價的重要方法。

文獻[15]對層次分析后的電子戰(zhàn)系統(tǒng)進行了模糊綜合效能評估,文獻[16～18]同樣采用了模糊綜合評判的方法對電子戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進行評估。

目前,能夠?qū)崿F(xiàn)定性概念與定量數(shù)值之間的不確定性轉(zhuǎn)換的云理論,也被應用到作戰(zhàn)效能評估的研究中[19]。

舉例來說,在云理論中基于從定性到定量映射的正態(tài)云發(fā)生器的定義如下:

設U是一個用精確數(shù)值表示的定量論域,C是U 上的定性概念,若定量值x∈U,且x是定性概念C的一次隨機實現(xiàn),若 x滿足:,其中,En′～N(En,He2),且 x對C的確定度滿足

則x在論域U上的分布稱為正態(tài)云。

逆向云發(fā)生器是實現(xiàn)從定量值到定性概念的轉(zhuǎn)換模型[20]。它可以將一定數(shù)量的精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以數(shù)字特征(Ex,En,He)表示的定性概念。逆向正態(tài)云發(fā)生器的算法是基于統(tǒng)計原理的[21]。

正向正態(tài)云發(fā)生器和逆向正態(tài)云發(fā)生器分別如圖3、4所示。

作戰(zhàn)效能的評估是通過理論分析和計算機模擬仿真,建立系統(tǒng)作戰(zhàn)效能綜合數(shù)學模型,得出作戰(zhàn)效能指數(shù)的過程。電子對抗過程中既有復雜的技術因素,同時也含有大量不確定因素、模糊因素或者人為因素等,是一個不完全信息的動態(tài)博弈過程。因此,常引入模糊數(shù)學和云重心理論、灰色系統(tǒng)理論方法,結(jié)合解析計算法、專家評估法等手段對多功能電子戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能進行綜合評判[5]。

4 視景仿真技術在多功能電子戰(zhàn)仿真中的應用

視景仿真技術的產(chǎn)生就是源于軍事仿真需求的,其目的是為綜合軍用仿真系統(tǒng)提供大規(guī)模分布式的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境,并借助這一仿真的綜合作戰(zhàn)環(huán)境來完成對作戰(zhàn)人員的訓練,對武器裝備的效能評估,以及對作戰(zhàn)方案的驗證和演練。將視景仿真技術引入電子戰(zhàn)仿真中,可以實現(xiàn)電子戰(zhàn)的可視化仿真。在電子戰(zhàn)仿真過程中,用戶通過采用視景仿真技術生成的用戶界面與仿真軟件交互,戰(zhàn)場環(huán)境、威脅告警、干擾彈發(fā)射、導彈飛行狀態(tài)、艦艇航行狀態(tài)都可以逼真地顯示在屏幕上,用戶可根據(jù)戰(zhàn)場情況控制艦船的機動以及對電子戰(zhàn)設備進行操作。

電子戰(zhàn)視景仿真不僅要表現(xiàn)出電子戰(zhàn)試驗的整個戰(zhàn)場或?qū)箲B(tài)勢,又要表現(xiàn)電子戰(zhàn)試驗環(huán)境下雷達裝備、雷達對抗裝備以及各種其它電子作戰(zhàn)裝備的狀態(tài)及狀態(tài)變化的過程,同時也要表現(xiàn)出各裝備的對抗效果,從而直觀地反映出電子戰(zhàn)對抗的整個過程。當前,多數(shù)用戶選擇專用的三維場景建模軟件Multi-Gen Creator和專業(yè)級的實時渲染軟件Vega相結(jié)合的方式開發(fā)視景仿真環(huán)境。這種基于專業(yè)軟件的手段,可有效地避免模型制作和場景渲染脫節(jié)、渲染效率不高的問題[22]。

針對目前單機版電子戰(zhàn)視景仿真系統(tǒng)面臨的諸多不足,結(jié)合寬帶網(wǎng)迅速發(fā)展的實際,文獻[23]設計了分布式電子戰(zhàn)視景仿真系統(tǒng)(DEWSSS),系統(tǒng)采用Client/Server模式和分布計算模型,充分利用高速網(wǎng)的傳輸能力來處理海量的視景數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)框架如圖5所示。

文獻[24]分析了HLA及VEGA(視景仿真技術)的使用,綜合考慮地空對抗過程中的諸多因素,結(jié)合對抗作戰(zhàn)實際構建其仿真系統(tǒng)。

圖5 DEWSSS系統(tǒng)框架

文獻[25]利用 VC++和VEGA軟件,以面向?qū)ο蟮某绦蛟O計方法編程,開發(fā)了彈艦電子對抗的仿真程序,實現(xiàn)了彈艦電子對抗的視景仿真。

5 結(jié)語

在電子戰(zhàn)仿真系統(tǒng)結(jié)構設計中,作為先進分布仿真技術(ADS,Advanced Distributed Simulation)的最新發(fā)展,高級體系結(jié)構HLA(High Level Architecture)是分布式交互仿真最新的體系結(jié)構。對于多功能電子戰(zhàn)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的視景仿真技術來說,當前多數(shù)用戶選擇 Multi-Gen Creator和Vega軟件相結(jié)合的方式開發(fā)視景仿真環(huán)境。電子戰(zhàn)的作戰(zhàn)效果和效能評估問題業(yè)已成為國內(nèi)電子對抗界非常關心的一個問題,總的來說目前評估方法多而雜,如上文提到的層次分析法、專家調(diào)查法、ADC法和模糊綜合評價法等,但好的方法不多,而且在客觀性、操作性諸多方面還亟待完善。

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