水面艦艇編隊(duì)對(duì)空防御目標(biāo)威脅評(píng)估分析*

林　樺　王公寶　武從猛　李春騰

(海軍工程大學(xué)理學(xué)院　武漢　430033)

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水面艦艇編隊(duì)對(duì)空防御目標(biāo)威脅評(píng)估分析*

林樺王公寶武從猛李春騰

(海軍工程大學(xué)理學(xué)院武漢430033)

為提高艦艇編隊(duì)打擊空中目標(biāo)的決策準(zhǔn)確度，提高艦艇編隊(duì)的戰(zhàn)斗力水平，論文以水面艦艇編隊(duì)處于防空作戰(zhàn)的環(huán)境為背景，深入分析了目標(biāo)威脅評(píng)估的五個(gè)主要因素對(duì)水面艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)效能的影響，采用TOPSIS法進(jìn)行作戰(zhàn)環(huán)境下的目標(biāo)威脅評(píng)估分析，并通過(guò)仿真算例驗(yàn)證了方法的有效性。

水面艦艇編隊(duì); 對(duì)空防御; 威脅評(píng)估; TOPSIS法

Class NumberE911

1　引言

在信息化引領(lǐng)的高科技軍事活動(dòng)中，水面艦艇編隊(duì)對(duì)空防御作戰(zhàn)始終是海上軍事斗爭(zhēng)的熱門問(wèn)題。現(xiàn)代海戰(zhàn)空襲模式均采取多批次、多方向、多空域、全時(shí)域連續(xù)飽和攻擊，指揮人員難以人工從大量的原始戰(zhàn)場(chǎng)信息做出有效的決策。隨著對(duì)艦攻擊手段的拓展，水面艦艇編隊(duì)在未來(lái)海上防空領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)愈加棘手。因此，針對(duì)水面艦艇編隊(duì)對(duì)空防御的戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)，分析敵方的攻擊樣式，進(jìn)而有效評(píng)估空中來(lái)襲目標(biāo)的威脅程度，有重點(diǎn)的展開(kāi)對(duì)空防御，對(duì)于提高水面艦艇編隊(duì)的防空作戰(zhàn)效能具有重要軍事意義。

2　水面艦艇編隊(duì)對(duì)空防御目標(biāo)威脅評(píng)估指標(biāo)分析

威脅評(píng)估是艦載武器對(duì)空防御作戰(zhàn)決策中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，它是根據(jù)編隊(duì)指揮中心的作戰(zhàn)預(yù)案、作戰(zhàn)決心等因素，綜合來(lái)襲目標(biāo)多種特征信息，預(yù)測(cè)空中來(lái)襲目標(biāo)對(duì)艦艇編隊(duì)威脅程度的排序過(guò)程，其目的是為目標(biāo)優(yōu)化分配提供依據(jù)。在水面艦艇編隊(duì)對(duì)空防御作戰(zhàn)中，空中來(lái)襲目標(biāo)的威脅評(píng)估一般通過(guò)艦載C3I系統(tǒng)鎖定、跟蹤若干批目標(biāo)，利用雷達(dá)及其它傳感器獲取空中來(lái)襲目標(biāo)多種特征信息，再根據(jù)建立的威脅值評(píng)估模型進(jìn)行自動(dòng)威脅評(píng)估與排序。在威脅評(píng)估的過(guò)程中，如果將獲得的目標(biāo)距離、目標(biāo)角度、目標(biāo)類型、電子干擾以及抗干擾能力、雙方空間幾何態(tài)勢(shì)等所有影響因素都納入評(píng)估指標(biāo)體系，則會(huì)顯著增加系統(tǒng)建模的難度，影響評(píng)估的實(shí)時(shí)性。為了提高威脅評(píng)估有效性，建模時(shí)選取合理的目標(biāo)屬性作為評(píng)估指標(biāo)，才能較全面地描述空中來(lái)襲目標(biāo)的威脅程度[1]。

結(jié)合現(xiàn)代防空作戰(zhàn)的特點(diǎn)和指揮自動(dòng)化系統(tǒng)的工作過(guò)程，從簡(jiǎn)潔性、代表性、獨(dú)立性和可行性的原則出發(fā)，本文選取空中目標(biāo)類型、目標(biāo)角度、目標(biāo)距離、目標(biāo)速度、目標(biāo)攻擊意圖等五個(gè)因素作為威脅評(píng)估指標(biāo)，以此來(lái)度量來(lái)襲目標(biāo)的威脅能力。此外，在進(jìn)行威脅評(píng)估時(shí)，通過(guò)傳感器直接獲取的目標(biāo)信息具有不同的量綱，并且數(shù)據(jù)范圍差別較大，因此需要消除不同屬性之間的差異來(lái)使其規(guī)范化。為此，采用構(gòu)造威脅指數(shù)的方式將數(shù)據(jù)規(guī)范化至[0,1]區(qū)間的隸屬度，對(duì)于同一參數(shù)，隸屬度越大，其威脅程度越高。

1) 目標(biāo)類型：來(lái)襲目標(biāo)的類型可以通過(guò)我方雷達(dá)系統(tǒng)初步識(shí)別。來(lái)襲目標(biāo)的類型不同，對(duì)我方系統(tǒng)的威脅程度也不相同。來(lái)襲目標(biāo)的威脅程度按升序排列分別為：預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、攻擊機(jī)(或轟炸機(jī))、反艦導(dǎo)彈[2]。假設(shè)其威脅隸屬度函數(shù)為

(1)

2) 目標(biāo)角度：主要包括目標(biāo)的航向角以及方位角。本文中假定方位角固定，故僅考慮航向角的威脅程度。當(dāng)目標(biāo)相對(duì)于我方武器系統(tǒng)所處的航向角越小，說(shuō)明其對(duì)我方的攻擊意圖越明顯，威脅程度越大；反之，則威脅程度越小。假設(shè)其威脅隸屬度函數(shù)為[3]

(2)

其中α為目標(biāo)方位角，β為目標(biāo)航向角。

3) 目標(biāo)距離：該因素主要通過(guò)被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的概率以及導(dǎo)彈的殺傷能力這兩個(gè)方面來(lái)產(chǎn)生威脅。一般來(lái)說(shuō)，距離越遠(yuǎn)，被雷達(dá)探測(cè)到的概率就越低。當(dāng)目標(biāo)雙方位于導(dǎo)彈的中間發(fā)射距離時(shí)，導(dǎo)彈具有較強(qiáng)的殺傷能力，如果位于其他區(qū)域，則殺傷能力較弱[4]。因此，當(dāng)敵我雙方達(dá)到導(dǎo)彈的最小攻擊范圍時(shí)，隨著雙方距離的減小，我方規(guī)避敵方攻擊的能力也隨之減弱，此時(shí)敵方可以采用近距離攻擊武器對(duì)我方造成更大的威脅。由文獻(xiàn)[5]可得到目標(biāo)的距離威脅隸屬度函數(shù)為

(3)

其中，D為敵我之間的距離，DRmax為敵機(jī)載雷達(dá)最大探測(cè)距離，DMmax為敵機(jī)載導(dǎo)彈的最大射程，DMKmax和DMKmin分別為敵機(jī)載導(dǎo)彈的不可逃逸區(qū)最大和最小距離。本文中分別取DRmax=180(km)，DMmax=100(km)，DMKmax=60(km)，DMKmin=18(km)。

4) 目標(biāo)速度：主要會(huì)影響我方武器對(duì)其的殺傷能力。一般而言，目標(biāo)的飛行速度不同，對(duì)我方艦艇的威脅程度也不相同。敵方目標(biāo)的飛行速度越快，預(yù)留給我方的時(shí)間窗口就越短，從而對(duì)我方造成的威脅越大。由文獻(xiàn)[6]得知目標(biāo)類型為戰(zhàn)斗機(jī)的速度最大，一般不超過(guò)2.5Ma。其目標(biāo)的速度威脅隸屬度函數(shù)為

(4)

5) 目標(biāo)攻擊意圖：主要是指敵方通過(guò)各種行為(雷達(dá)開(kāi)(關(guān))機(jī)、電子干擾、態(tài)勢(shì)感知能力等)對(duì)我方產(chǎn)生威脅。由文獻(xiàn)[4]可知，在其他因素占主導(dǎo)地位的是我方機(jī)載雷達(dá)接收機(jī)獲取的敵方雷達(dá)活動(dòng)信息。一般情況下，戰(zhàn)機(jī)會(huì)通過(guò)其他平臺(tái)進(jìn)行工作來(lái)保持其電磁靜默狀態(tài)，此時(shí)所構(gòu)成的威脅是最小的，用事件1來(lái)表示，稱之為雷達(dá)不工作狀態(tài)(no_r)；一旦發(fā)現(xiàn)機(jī)載雷達(dá)開(kāi)始運(yùn)行[7]，表示要進(jìn)入臨戰(zhàn)狀態(tài)，此時(shí)所構(gòu)成的威脅較事件1而言有所增大，但又尚未達(dá)到威脅度最大，用事件2來(lái)表示，稱之為偵察雷達(dá)掃描狀態(tài)(in_r)；當(dāng)火控雷達(dá)開(kāi)始運(yùn)行，表明敵機(jī)對(duì)我方所構(gòu)成的威脅度最大，用事件3表示，稱之為火控雷達(dá)掃描狀態(tài)(f_c_r)。用區(qū)間值模糊集對(duì)目標(biāo)攻擊意圖屬性值的大小進(jìn)行處理：

(5)

3　基于TOPSIS法的目標(biāo)威脅評(píng)估分析

針對(duì)水面艦艇編隊(duì)對(duì)空防御目標(biāo)威脅評(píng)估問(wèn)題，本文主要采用TOPSIS法進(jìn)行分析計(jì)算[8～9]。

步驟1：確定規(guī)范化的決策矩陣D。本文采用成本型屬性進(jìn)行分析，其規(guī)范化公式為

(6)

(7)

(8)

其中wj代表各評(píng)價(jià)屬性所占的權(quán)重值。得到偏差值之后便可以得到各目標(biāo)值vi(1≤i≤m)的評(píng)價(jià)屬性與E*之間的相對(duì)貼近度為

(9)

步驟5：引入水面艦艇編隊(duì)中的各艦艇的重要程度評(píng)估因子，計(jì)算編隊(duì)綜合貼近度。具體計(jì)算公式為

(10)

其中c(k)代表各艦艇的權(quán)重值，其和值為1；Sγi代表綜合貼近度；L代表水面艦艇編隊(duì)中艦艇的數(shù)量。

4　仿真算例

根據(jù)空襲和水面艦艇在防空作戰(zhàn)中的一些特點(diǎn)[10～11]，本文為驗(yàn)證所示方法的有效性，進(jìn)行了仿真算例分析。我們?cè)O(shè)定但凡艦艇被擊中，即為達(dá)到飽和攻擊，以及該艦艇編隊(duì)擁有良好的指揮控制引導(dǎo)系統(tǒng)。假定該艦艇編隊(duì)是由四艘艦艇組成的一個(gè)菱形編隊(duì)，各艘艦艇之間的距離為安全距離，即各來(lái)襲目標(biāo)不會(huì)同時(shí)對(duì)編隊(duì)中的任意2艘造成威脅。賦予每艘艦艇的權(quán)重分別為c(1)=0.4，c(2)=0.25，c(3)=0.2，c(4)=0.15；空中來(lái)襲的目標(biāo)有3批，P={A,C,E}分別為{預(yù)警機(jī)，戰(zhàn)斗機(jī)，反艦導(dǎo)彈}；我們?cè)O(shè)定空中目標(biāo)的評(píng)價(jià)屬性有五個(gè)，F(xiàn)={f1,f2,f3,f4,f5}，分別為{目標(biāo)類型、角度、距離、速度、目標(biāo)攻擊意圖}。根據(jù)其干擾程度，劃分各個(gè)屬性的權(quán)重分別為ω1= 0.15，ω2= 0.3，ω3= 0.2，ω4= 0.2，ω5= 0.15。根據(jù)相關(guān)資料顯示[9]，某艦艇綜合評(píng)估后各目標(biāo)屬性值如表1所示。根據(jù)上兩節(jié)中介紹的方法，得到其對(duì)應(yīng)的威脅度隸屬值及規(guī)范化值如表2所示。

表1　目標(biāo)屬性值

表2　各目標(biāo)威脅度及其規(guī)范值

計(jì)算得到的偏差值、相對(duì)貼近度以及排序如表3所示。

表3　威脅評(píng)估結(jié)果

從表3中的數(shù)據(jù)可得：各目標(biāo)與理想解的相對(duì)貼近度，進(jìn)而得到各目標(biāo)對(duì)該艘艦艇的威脅度的大小，其中v2>v1>v3，說(shuō)明目標(biāo)v2對(duì)該艘艦艇的威脅程度最大。

水面艦艇編隊(duì)中的其他艦艇按照上述步驟進(jìn)行計(jì)算，可得到各艘艦艇的各個(gè)目標(biāo)的相對(duì)貼近度的指標(biāo)值為

其中：1≤k≤L，1≤i≤m。然后按照式(10)計(jì)算目標(biāo)對(duì)水面艦艇編隊(duì)的綜合貼近度為：Sγ1=0.6169，Sγ2=0.6714，Sγ3=0.4291。

故按照上述結(jié)果進(jìn)行排序，可得到各目標(biāo)對(duì)整個(gè)水面艦艇編隊(duì)的威脅排序?yàn)関2>v1>v3。

因此，水面艦艇編隊(duì)指揮員可以根據(jù)綜合貼近度Sγi(1≤i≤m)得到威脅度最大的目標(biāo)，從而更加準(zhǔn)確地進(jìn)行分配決策，使得火力分配與威脅度分布相符。

5　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)運(yùn)用TOPSIS法中的成本型屬性對(duì)水面艦艇編隊(duì)防空作戰(zhàn)中來(lái)襲目標(biāo)威脅值進(jìn)行評(píng)估，其實(shí)質(zhì)是利用影響威脅度的各目標(biāo)的屬性值進(jìn)行推理及排序，并獲得目標(biāo)威脅值評(píng)估結(jié)果。論文通過(guò)仿真算例驗(yàn)證了方法的有效性，具有較強(qiáng)的理論意義和應(yīng)用參考價(jià)值。

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Aerial Target Threat Evaluation Method for Surface Warship Formation in Air Defense Operation

LIN HuaWANG GongbaoWU CongmengLI Chunteng

(College of Science, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

In order to improve the accuracy of making decision and improve the level of combat capability of the warship formation, based on the environment of surface warship formation in air defense operation, the five factors that determine the threat to surface warship formation are analyzed. The TOPSIS method is used to analyze the target threat value evaluation. And the validity of the method is proved by the simulation example.

surface warship formation, air defense, threat value evaluation, technique for order perference by similarity to an ideal solution(TOPSIS)

2016年4月8日,

2016年5月26日

海軍工程大學(xué)社會(huì)科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào)：HGDSK2015E02)資助。

林樺,女,碩士研究生,研究方向：軍事系統(tǒng)建模與運(yùn)籌決策。王公寶,男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向：軍事系統(tǒng)建模與運(yùn)籌決策。武從猛,男,碩士,講師,研究方向：軍事系統(tǒng)建模與運(yùn)籌決策。李春騰,男,碩士研究生,研究方向：通信與信息系統(tǒng)。

E911

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.005