驅(qū)逐艦軟/硬武器協(xié)同反導(dǎo)決策優(yōu)化模型研究*

朱悅萌 雷肖劍 張 詩 陳 雙

(1.海軍航空工程學(xué)院 煙臺(tái) 264001)(2.海軍駐天津地區(qū)航空軍事代表室 天津 300308)

?

驅(qū)逐艦軟/硬武器協(xié)同反導(dǎo)決策優(yōu)化模型研究*

朱悅萌1雷肖劍2張 詩1陳 雙1

(1.海軍航空工程學(xué)院 煙臺(tái) 264001)(2.海軍駐天津地區(qū)航空軍事代表室 天津 300308)

根據(jù)驅(qū)逐艦軟/硬武器協(xié)同反導(dǎo)問題多階段、多目標(biāo)特性,選取多屬性決策方法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論,并引入攔截適宜度和協(xié)同度,構(gòu)建了驅(qū)逐艦軟/硬武器協(xié)同反導(dǎo)決策優(yōu)化模型,對軟/硬武器在反導(dǎo)作戰(zhàn)中的合理分配與決策有較好的借鑒意義。

軟/硬武器; 協(xié)同反導(dǎo); 多屬性決策; 動(dòng)態(tài)規(guī)劃

Class Number TN971.1

1 引言

水面艦艇對空防御作戰(zhàn)的本質(zhì)特征是以軟/硬防空武器遂行對空防御作戰(zhàn)任務(wù)。艦載防空硬武器通常是艦空導(dǎo)彈和艦炮,其殺傷對象是反艦導(dǎo)彈整體,它是通過彈頭爆炸或彈丸直接穿透彈體,使反艦彈解體或散失控制而墜落于海中。艦載防空軟武器在艦上歸屬于電子戰(zhàn)系統(tǒng),其殺傷對象是反艦導(dǎo)彈的制導(dǎo)尋的系統(tǒng)[1]。它采用電子干擾、迷惑、欺騙或引誘等手段阻止和破壞導(dǎo)彈制導(dǎo)的系統(tǒng)獲得和提取艦艇的實(shí)際空間位置信息,或使其改變攻擊方向。軟武器的致命弱點(diǎn)是無法實(shí)際摧毀反艦導(dǎo)彈,反艦導(dǎo)彈在被誘騙后仍有能力重新對目標(biāo)艦進(jìn)行攻擊。

驅(qū)逐艦反導(dǎo)決策是一個(gè)包括火力分配決策和軟/硬武器協(xié)同反導(dǎo)決策的多階段多目標(biāo)的動(dòng)態(tài)決策系統(tǒng),本文依據(jù)它的多階段特和多目標(biāo)特性[2～3],選取多屬性決策方法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論,同時(shí)考慮到不同的艦空武器攔截不同的來襲目標(biāo)時(shí)適宜程度不同,軟/硬武器在綜合使用時(shí)存在互相影響的問題,引入攔截適宜度和協(xié)同度兩個(gè)指標(biāo),構(gòu)建了軟/硬武器協(xié)同反導(dǎo)決策優(yōu)化模型,并通過算例仿真驗(yàn)證了模型的可行性,為驅(qū)逐艦軟/硬武器協(xié)同反導(dǎo)的指揮決策提供了依據(jù)。

2 軟/硬武器綜合運(yùn)用控制原則

在對付高空威脅目標(biāo)時(shí),為了避免軟/硬武器的不利交互作用,需要對軟/硬武器的使用在時(shí)域和空域上進(jìn)行綜合控制;在對付低空威脅目標(biāo)時(shí),系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到采取相應(yīng)措施是一個(gè)極短的作戰(zhàn)過程,為確保艦艇生存,必須同時(shí)使用可用的軟/硬武器。但軟/硬武器綜合使用時(shí),必須對軟殺傷武器嚴(yán)格控制使用,否則可能導(dǎo)致艦載電子干擾設(shè)備和艦外誘餌致盲己方艦載電子偵察系統(tǒng)和跟蹤雷達(dá),或者干擾艦空導(dǎo)彈和近防武器系統(tǒng)的使用[4]。總結(jié)艦載軟/硬武器綜合控制的基本原則如下:

1) 對干擾進(jìn)行控制,避免不利的交互作用,保證對目標(biāo)的探測和跟蹤;

2) 軟/硬武器交戰(zhàn)協(xié)調(diào)控制;

3) 使用跟蹤雷達(dá)數(shù)據(jù),進(jìn)行干擾彈發(fā)射控制;

4) 使用火控濾波數(shù)據(jù),評估干擾彈效果;

5) 使用電子偵查告警設(shè)備提供反艦彈末制導(dǎo)雷達(dá)工作信息,及時(shí)評估硬武器特別是艦空導(dǎo)彈的毀傷效果;

6) 判斷電子干擾成功的條件為目標(biāo)航路捷徑增大到500m以上,同時(shí)敵舷角增大為15°以上時(shí),可不對該目標(biāo)的硬武器進(jìn)行打擊。

3 軟/硬武器協(xié)同反導(dǎo)動(dòng)態(tài)決策優(yōu)化方法

3.1 面向軟/硬武器協(xié)同反導(dǎo)的多屬性決策優(yōu)選和動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論

在驅(qū)逐艦防空反導(dǎo)過程中,可以將k種防空武器的使用決策劃分為k個(gè)決策階段,將來襲目標(biāo)突防概率、消耗資源等決策目的設(shè)為m項(xiàng)優(yōu)化目標(biāo)。按由遠(yuǎn)及近的順序,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法向后遞推求解。遞推公式可表示為[5～7]

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程代表該決策產(chǎn)生的作戰(zhàn)使用效果和消耗的武器資源,可表示為

Sk=φk(Sk-1,dk)k=1,2,…,K

當(dāng)前向遞推時(shí),第k個(gè)階段對應(yīng)nk個(gè)策略、m項(xiàng)優(yōu)化目標(biāo)、狀態(tài)為Sk時(shí)的目標(biāo)合成值矩陣為

引入多屬性決策方法,令Γ+代表效益型指標(biāo)集合,Γ-代表成本型指標(biāo)集合。若ej∈Γ+,有

若ej∈Γ-,有

權(quán)重代表各決策目標(biāo)的相對重要性,設(shè)m項(xiàng)優(yōu)化目標(biāo)的重要性權(quán)向量為

則可以得到規(guī)范化后的加權(quán)決策矩陣為

確定理想解與負(fù)理想解:

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)階段有L個(gè)選擇決策,暫定每個(gè)決策均為最優(yōu)決策,運(yùn)用上述方法進(jìn)行L次推導(dǎo)計(jì)算,從而得最終階段K的目標(biāo)合成值矩陣為

以及整個(gè)決策優(yōu)選系統(tǒng)的最優(yōu)策略,即各階段武器使用的最優(yōu)決策集合:

當(dāng)目標(biāo)權(quán)向量w確定時(shí),運(yùn)用上述方法可以計(jì)算得到軟/硬武器綜合反導(dǎo)的最優(yōu)決策解。當(dāng)水面艦艇面臨的態(tài)勢危急情況變化時(shí),決策者可以根據(jù)目標(biāo)的相對重要性變化而相應(yīng)改變目標(biāo)權(quán)向量w,從而選擇出一個(gè)最適宜當(dāng)前情況的系統(tǒng)優(yōu)化的最優(yōu)均衡策略。

3.2 改進(jìn)的武器攔截適宜度判斷模型

為了使軟/硬武器能夠協(xié)同使用,論文改進(jìn)攔截適宜性度系數(shù),使得火力單元能夠自動(dòng)判斷并放棄攔截被軟武器誘偏的目標(biāo)。將改進(jìn)的攔截適宜度定義如下[8]:

ck(tij,sij,pk(xij))描述第k階段武器j對目標(biāo)i的攔截適宜性。以ck(tij,sij,pk)為元素構(gòu)成的多元矩陣ck(tij,sij,pk(xij))稱為攔截適宜度矩陣。

對武器的攔截適宜性進(jìn)行具體分析如下:

設(shè)定軟武器誘偏成功判定系數(shù)pk(xij)表示判斷第k階段以前使用的軟抗擊手段是否成功,對pk(xij)定義如下

根據(jù)軟/硬武器綜合使用原則,判斷電子干擾成功的條件為目標(biāo)航路捷徑增大到500m以上,同時(shí)敵舷角增大為15°以上時(shí),可不進(jìn)行對該目標(biāo)的硬武器打擊[9]。

對軟武器抗擊成功的判定條件量化到判定系數(shù)的約束條件中:

3.3 軟/硬武器間的協(xié)同度

3.4 基于協(xié)同的動(dòng)態(tài)決策優(yōu)化模型

將攔截適宜度判斷和協(xié)同度影響代入到各決策階段,得基于協(xié)同的動(dòng)態(tài)決策優(yōu)化模型:

?XTDk-1,k?ck(tij,sij))}

當(dāng)攔截適宜度ck(tij,sij)=1時(shí),進(jìn)行遞推計(jì)算可獲得全局最優(yōu)決策方案。

1) 當(dāng)ck(tij,sij)=0時(shí),判定第k階段武器不適宜攔截該目標(biāo)。此時(shí)m項(xiàng)目標(biāo)值Hk(Sk,dk)?XTDk-1,k?ck(tij,sij)=0,則有:

?XTDk-1,k+1?ck+1(tij,sij))}

這樣,在決策計(jì)算過程中就能自動(dòng)將不適宜進(jìn)行目標(biāo)攔截的防空武器排除在外,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)構(gòu)建決策階段的目的。

Hk(Sk,dk)?XTDk-1,k?ck(tij,sij)=Hk(Sk,dk)×ξ

則:

由此,便可將決策階段間的相互影響程度代入到?jīng)Q策流程計(jì)算中。

4 算例仿真計(jì)算

假設(shè)某驅(qū)逐艦的艦載防空手段包含:遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈、近程艦空導(dǎo)彈、近防火炮、沖淡干擾和質(zhì)心干擾。假設(shè)現(xiàn)有一反艦導(dǎo)彈在距離23km處來襲,通過計(jì)算得:

1) 階段k=1,C1(tij,sij)=1,遠(yuǎn)程艦空導(dǎo)彈可以抗擊。經(jīng)過該決策階段后,導(dǎo)彈突防概率和作戰(zhàn)資源消耗為

F1(1)=(1,0)⊕(0.75,0.2)=(0.25,0.2);
F1(2)=(1,0)⊕(0.92,0.4)=(0.08,0.4)

2) 階段k=2,C2(tij,sij)=1,可以使用沖淡干擾。將階段1中的最優(yōu)決策暫定為F1(1),對沖淡干擾的誘偏階段有:

5 結(jié)語

本文依據(jù)反導(dǎo)決策的多階段和多目標(biāo)特性,引入攔截適宜度和協(xié)同度的概念,構(gòu)建了能夠動(dòng)態(tài)構(gòu)建決策流程的軟/硬武器協(xié)同反導(dǎo)決策優(yōu)化模型,為驅(qū)逐艦防空反導(dǎo)作戰(zhàn)中的軟硬武器協(xié)同指揮決策提供了參考,提高了反導(dǎo)作戰(zhàn)效率。

[1] 趙登平,魏剛,李恒劭,等.現(xiàn)代艦艇火控系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:12-18.

[2] 王紅軍,遲中先.基于協(xié)同的艦載軟/硬武器綜合反導(dǎo)決策優(yōu)化[J].控制與決策,2007,22(3):299-303.

[3] 馬良.艦空導(dǎo)彈網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同反導(dǎo)作戰(zhàn)效能研究[D].煙臺(tái):海軍航空工程學(xué)院,2009:34-37.

[4] 潘長鵬,譚樂祖,姜青山.智能反艦導(dǎo)彈武器系統(tǒng)協(xié)同攻擊仿真研究[J].飛航導(dǎo)彈,2007(1):59-62.

[5] 姚奕,聶永芳.提高反艦導(dǎo)彈突防能力措施研究[J].飛航導(dǎo)彈,2008(8):26-28.

[6] 徐品高.現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)防空體系對攔截器系統(tǒng)的需求分析[C]//殷興良主編,防空導(dǎo)彈體系論文集:第四集.

[7] 栗飛,劉博,徐海峰.基于集對分析的混合多屬性目標(biāo)威脅評估[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2012,27(2):219-222.

[8] 王建明,童幼堂,李登峰,等.群決策監(jiān)督模糊模式識(shí)別模型[J].控制與決策,2002,17(s):672-675,68.

[9] Hong Chuin Lau, Shih Fen Cheng, Thin Yin Leong. Multi-Period Combinatorial Auction Mechanism for Distributed Resource Allocation and Scheduling[C]//IEEE/WIC/ACM International Conference on Intelligent Agent Technology,2007:407-411.

[10] Entin E, Diedrich F, Kleinman D, et al. When Do Organizations Need to Change — Part Ⅱ: Incongruence in Action. International Command and Control Research and Technology Symposium[C]//Washington, DC, June,2003:15-17.

Optimized Model of Cooperative Anti-missile Decision of Soft and Hard Weapon of Destroyer

ZHU Yuemeng1LEI Xiaojian2ZHANG Shi1CHEN Shuang1

(1. Naval Aviation Engineering Institution, Yantai 264001) (2. Navy Representative Office of Aviation in Tianjin, Tianjin 300308)

Based on multi-stage and multi-target characteristic of soft and hard weapon cooperative anti-missile decision, are multi-attribute decision-making and dynamic planning theory are adopted, and intercepting suitability degree and cooperative degree are brought in, an optimized model is built, and it can be a good reference for soft and hard weapon cooperative anti-missile decision.

soft and hard weapon, cooperative anti-missile decision, multi-attribute decision-making, dynamic planning

2014年10月7日,

2014年11月27日

朱悅萌,女,碩士研究生,研究方向:作戰(zhàn)運(yùn)籌分析。

TN971.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.010