預(yù)警機(jī)生存力評估模型*

葉海軍，馮博

（中國電子科學(xué)研究院，北京100041）

預(yù)警機(jī)生存力評估模型*

葉海軍，馮博

（中國電子科學(xué)研究院，北京100041）

預(yù)警機(jī)作為C4ISR的空中情報(bào)探測中心及指揮控制中心，在信息化作戰(zhàn)中具有十分重要的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)價值。針對預(yù)警機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的特點(diǎn)，通過對戰(zhàn)場環(huán)境中影響預(yù)警機(jī)生存力的因素進(jìn)行分析，結(jié)合預(yù)警機(jī)的作戰(zhàn)模式和流程，定義出預(yù)警機(jī)的生存概率函數(shù)。基于該概率函數(shù)，建立了一種預(yù)警機(jī)戰(zhàn)場生存力評估模型，并利用蒙特卡洛方法對4種典型的預(yù)警機(jī)作戰(zhàn)場景進(jìn)行了仿真評估，驗(yàn)證了模型的有效性。最后，結(jié)合該模型提出提高預(yù)警機(jī)在戰(zhàn)場中生存的手段。

預(yù)警機(jī)，生存力，評估模型，蒙特卡洛

0 引言

隨著信息科學(xué)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭正逐漸從“平臺中心戰(zhàn)”向“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”轉(zhuǎn)變［1-2］，預(yù)警機(jī)作為C4ISR系統(tǒng)的重要組成部分之一［3］，在現(xiàn)代立體化戰(zhàn)爭中擔(dān)任著傳感器網(wǎng)絡(luò)、指揮控制網(wǎng)絡(luò)以及通信網(wǎng)絡(luò)的空中核心樞紐作用。隨著軍事領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，來自隱身技術(shù)、電子干擾、反輻射武器及低空突防等方面的威脅使得戰(zhàn)場環(huán)境愈加復(fù)雜。此外，由于預(yù)警機(jī)的重要戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)價值，其在戰(zhàn)場中一般都被作為重要威脅目標(biāo)而成為重點(diǎn)攻擊目標(biāo)，目前很多國家已經(jīng)開始重點(diǎn)研究用于打擊預(yù)警機(jī)的專項(xiàng)武器以及戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)法。因此，對于戰(zhàn)場環(huán)境下預(yù)警機(jī)生存力的研究具有重大意義。

生存力是航空武器裝備作戰(zhàn)效能評估的重要指標(biāo)之一［4］，尤其是在以高科技信息化裝備為主的現(xiàn)代“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”體系下，對航空裝備戰(zhàn)場生存力的定量評估不僅可以有效提高其生存概率，對提高任務(wù)成功率也有著重要的參考意義。目前對于航空裝備生存力的研究主要是針對以機(jī)動性能為主的戰(zhàn)斗機(jī)，而以預(yù)警機(jī)為代表的特種飛機(jī)無論是在飛機(jī)自身特性、作戰(zhàn)方式、戰(zhàn)場布陣位置以及防守方式等方面均與戰(zhàn)斗機(jī)不同，因此，傳統(tǒng)針對戰(zhàn)斗機(jī)的生存力評估方法對預(yù)警機(jī)并不適用。

1 預(yù)警機(jī)戰(zhàn)場生存力分析

預(yù)警機(jī)的主要作戰(zhàn)任務(wù)有前突作戰(zhàn)、區(qū)域防守、反恐、安保以及救災(zāi)等，其中前突作戰(zhàn)、區(qū)域防守是其在戰(zhàn)爭環(huán)境下的主要任務(wù)［5］，因此，本文基于這兩種典型任務(wù)方式對預(yù)警機(jī)戰(zhàn)場生存力評估方法展開研究。

1.1 預(yù)警機(jī)生存力影響因素

根據(jù)預(yù)警機(jī)的主要任務(wù)內(nèi)容及任務(wù)流程，戰(zhàn)場中影響預(yù)警機(jī)生存力的關(guān)鍵因素可以分為我方因素、敵方因素和環(huán)境因素等3個方面。按照層次分析法原理，將上述3個方面作為影響預(yù)警機(jī)生存力的一級評價指標(biāo)，將每個方面所包含的不同影響因素作為二級評價指標(biāo)，可建立預(yù)警機(jī)戰(zhàn)場生存力影響參數(shù)體系表如圖1所示，其中敵方因素、環(huán)境因素為不可預(yù)期因素，我方因素為可預(yù)期因素。

上述參數(shù)中，如A03、A04等可以由相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜彝ㄟ^計(jì)算得到，但如A01、A02等參數(shù)存在一定的主觀因素，難以完全通過計(jì)算得到其準(zhǔn)確值，一般根據(jù)專家投票打分的方式對其進(jìn)行評估。

1.2 預(yù)警機(jī)生存力定義

1.2.1 生存力的基本概念

生存力是指在人為敵對環(huán)境中躲避、抗御或承受敵方威脅而保持有效地完成執(zhí)行任務(wù)的能力。在美國空軍生存力計(jì)劃管理?xiàng)l例AFR80-38中，將生存力定義為系統(tǒng)避免和經(jīng)受人工敵對環(huán)境且中途不損失并完成規(guī)定任務(wù)效能的能力［6］，通常用概率表示。目前對于戰(zhàn)斗機(jī)生存力的定義有很多種，文獻(xiàn)［7-8］將目標(biāo)在某一位置的威脅定義為：

其中，pfire為敵方成功發(fā)射出導(dǎo)彈的概率，phit為導(dǎo)彈擊中目標(biāo)的概率。北京航空航天大學(xué)的張考、馬東立教授將飛機(jī)的戰(zhàn)場生存力定義為［9］：

其中，PD、PT分別為飛機(jī)被發(fā)現(xiàn)的概率及被跟蹤的概率，PLGH為入射體成功制導(dǎo)、發(fā)射且擊中飛機(jī)的概率，PK/H為飛機(jī)被擊中且損毀的概率。

然而，預(yù)警機(jī)在作戰(zhàn)方式、戰(zhàn)場位置以及自衛(wèi)方式等方面均與普通戰(zhàn)斗機(jī)有著很大的不同。例如，預(yù)警機(jī)的巡航區(qū)域一般離核心戰(zhàn)區(qū)較遠(yuǎn)，執(zhí)行任務(wù)時一般在某一區(qū)域長時間巡航，其自身只有探測能力而不具備打擊能力。因此，上述針對普通戰(zhàn)斗機(jī)的生存力評估函數(shù)對預(yù)警機(jī)并不完全適用。

1.2.2 預(yù)警機(jī)生存概率函數(shù)

根據(jù)圖1中的預(yù)警機(jī)戰(zhàn)場生存力影響因素，結(jié)合預(yù)警機(jī)在戰(zhàn)場中的典型作戰(zhàn)流程，本文定義預(yù)警機(jī)生存概率函數(shù)為：

其中，PDetecked為我預(yù)警機(jī)被敵發(fā)現(xiàn)的概率、Pdetenemy為我方對敵突防戰(zhàn)機(jī)的探測能力、Pintercept為我方護(hù)航部隊(duì)對敵突防戰(zhàn)機(jī)的攔截能力、Pescape/interceptfail為在我方護(hù)航部隊(duì)攔截失敗后預(yù)警機(jī)逃脫敵方武器的能力、PHit為敵方戰(zhàn)機(jī)成功對預(yù)警機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈后我預(yù)警機(jī)被擊中的概率、PKilled為預(yù)警機(jī)被導(dǎo)彈擊中后損毀的概率。在預(yù)警機(jī)生存概率函數(shù)中，各參數(shù)的定量計(jì)算和評估方法可參考文獻(xiàn)［10-12］。除PKilled參數(shù)外，其余均與時間、預(yù)警機(jī)在戰(zhàn)場中所處的區(qū)域相關(guān)。

2 預(yù)警機(jī)生存力評估模型

通過預(yù)警機(jī)的戰(zhàn)場生存概率公式可以看出，預(yù)警機(jī)在戰(zhàn)場中某一時刻T的生存力與其執(zhí)行任務(wù)的總時間相關(guān)，因此，預(yù)警機(jī)在T時刻的生存力可以體現(xiàn)為其在T時刻后才被擊落的概率，即：

對于危險(xiǎn)密度函數(shù)的選取，目前的定義有很多，文獻(xiàn)［13-14］借鑒式（1）的思想，將戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)場危險(xiǎn)密度函數(shù)定義為：

將式（7）帶入到式（4）后即可對預(yù)警機(jī)在某一區(qū)域一定時間段T的生存力進(jìn)行評估。但一般情況下，根據(jù)戰(zhàn)場敵我雙方的兵力部署，預(yù)警機(jī)在不同典型區(qū)域的生存力模型R（T）并不相同。因此，基于式（4）可以將預(yù)警機(jī)執(zhí)行某一次任務(wù)的生存力定義為：

每次任務(wù)前，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?zhàn)場區(qū)域進(jìn)行劃分，根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)情況對圖1中的影響因素進(jìn)行計(jì)算、打分，并交由決策部門通過式（8）對各種作戰(zhàn)方案中預(yù)警機(jī)的生存力進(jìn)行評估，進(jìn)而對此次預(yù)警機(jī)的作戰(zhàn)方案起到指導(dǎo)作用。

3 預(yù)警機(jī)生存力模型算例

為驗(yàn)證預(yù)警機(jī)生存力評估模型的正確性，設(shè)定了一個典型作戰(zhàn)場景并給出了總時間均為90 min的4種作戰(zhàn)方案（如圖2所示）。圖中綠色、藍(lán)色、紅色圓點(diǎn)分別標(biāo)記預(yù)警機(jī)機(jī)場、我方陣地以及敵方陣地區(qū)域，紅色、藍(lán)色圓環(huán)表示敵我雙方地面雷達(dá)組網(wǎng)的探測范圍，其間的灰色小圓環(huán)分別代表敵我雙方地導(dǎo)部隊(duì)的覆蓋范圍。

圖2（a）表示預(yù)警機(jī)執(zhí)行我方陣地防守偵察任務(wù)，重點(diǎn)監(jiān)控?cái)撤綄ξ曳疥嚨氐耐环狼闆r，其巡航區(qū)域在我方地面組網(wǎng)雷達(dá)，以及地導(dǎo)部隊(duì)的覆蓋范圍之內(nèi)；圖2（b）、圖2（c）表示我預(yù)警機(jī)執(zhí)行對敵方陣地的遠(yuǎn)距離偵察任務(wù)，我預(yù)警機(jī)的巡航區(qū)域在敵方組網(wǎng)雷達(dá)覆蓋范圍之內(nèi)，但不在敵方地導(dǎo)部隊(duì)覆蓋之內(nèi)，我方預(yù)警機(jī)負(fù)責(zé)對我方突防戰(zhàn)斗機(jī)提供態(tài)勢支援。圖2（d）表示我方預(yù)警機(jī)執(zhí)行前突偵察任務(wù)，巡航區(qū)域不在敵我雙方的地導(dǎo)以及我方雷達(dá)組網(wǎng)的覆蓋范圍之內(nèi)，而敵方地面雷達(dá)組網(wǎng)可以探測到我預(yù)警機(jī)及護(hù)航戰(zhàn)機(jī)。

由于預(yù)警機(jī)生存力評估模型中的一些輸入?yún)⒘繛橥ㄟ^專家系統(tǒng)得到的估計(jì)值，因此，具有一定的非確定性，通過單次仿真無法獲取其準(zhǔn)確評估結(jié)果。蒙特卡洛方法作為一種用于解決數(shù)學(xué)和物理問題中非確定性的數(shù)值方法，可以有效解決評估模型中輸入?yún)⒘康姆谴_定性問題［15］，因此，本小節(jié)采用蒙特卡洛方法對評估模型進(jìn)行仿真。下頁圖3為通過蒙特卡洛方法仿真10 000次得到的4種作戰(zhàn)方案的評估結(jié)果?？梢钥闯?，對于第1種方案，由于不在敵方地導(dǎo)部隊(duì)的覆蓋之下，敵方只能通過戰(zhàn)斗機(jī)突防的方式攻擊我預(yù)警機(jī)，但由于該區(qū)域在我地面雷達(dá)組網(wǎng)以及地導(dǎo)部隊(duì)火力的覆蓋之下，敵突防戰(zhàn)斗機(jī)具有很高的概率被探測、攔截，因此，該方案預(yù)警機(jī)具有較高的生存力評估結(jié)果；對于第2、第3種方案，預(yù)警機(jī)的巡航區(qū)域不在我方地導(dǎo)部隊(duì)的覆蓋范圍內(nèi)，僅能通過護(hù)航戰(zhàn)斗機(jī)對敵突防戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行攔截，從而導(dǎo)致生存力評估結(jié)果下降。第4種方案我方地面雷達(dá)組網(wǎng)無法對敵突防飛機(jī)進(jìn)行協(xié)助探測，因此，對敵突防戰(zhàn)斗機(jī)的攔截成功率進(jìn)一步降低，預(yù)警機(jī)生存力評估結(jié)果也進(jìn)一步下降。

不確定性也是影響評估結(jié)果的一個重要參數(shù)，一般情況下任務(wù)區(qū)域涉及敵方因素、環(huán)境因素等不可預(yù)期因素越多則評估的不確定性越大，涉及到我方因素越多則評估的不確定性越小。上述4種方案的主要任務(wù)區(qū)域均覆蓋于敵方雷達(dá)組網(wǎng)的探測范圍之下，但方案1中預(yù)警機(jī)的巡航區(qū)域A、B、C均處于我方雷達(dá)組網(wǎng)及地導(dǎo)部隊(duì)的覆蓋范圍內(nèi)，因此，其評估結(jié)果呈線性且波動較小。對于方案2、方案3，在進(jìn)入巡航區(qū)域D后失去了地導(dǎo)部隊(duì)的掩護(hù)，預(yù)警機(jī)生存力的不確定性影響增加，評估結(jié)果產(chǎn)生波動。對于方案4，由于進(jìn)入?yún)^(qū)域F后失去了雷達(dá)組網(wǎng)上傳的態(tài)勢情報(bào)支援，對預(yù)警機(jī)生存力評估的不確定性急劇增加，評估結(jié)果產(chǎn)生較大波動，直到返航至區(qū)域D后波動降低。

本小節(jié)的實(shí)驗(yàn)僅設(shè)定了一個比較典型的作戰(zhàn)場景，只采用了幾個較典型的影響因素，實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境涉及的影響因素、劃分的任務(wù)區(qū)域數(shù)量、備選作戰(zhàn)方案數(shù)量均更多，計(jì)算過程及結(jié)果也更為復(fù)雜，但通過本文方法進(jìn)行準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)定及仿真后，同樣可以獲取準(zhǔn)確的評估結(jié)果。

4 預(yù)警機(jī)生存力的手段分析

5 結(jié)論

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式逐漸向信息化、體系化、網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化方向的轉(zhuǎn)變，以預(yù)警機(jī)為代表的戰(zhàn)略性高科技武器在戰(zhàn)場中的生存力問題逐漸被人們所關(guān)注。然而由于預(yù)警機(jī)獨(dú)特的作戰(zhàn)方式，現(xiàn)有針對普通戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)場生存力評估方法并不對其適用。本文基于預(yù)警機(jī)在戰(zhàn)場中的典型任務(wù)執(zhí)行流程，對戰(zhàn)場中影響預(yù)警機(jī)生存力的主要因素進(jìn)行了分析，定義了適用于預(yù)警機(jī)的生存概率公式并給出了預(yù)警機(jī)戰(zhàn)場生存力評估模型，通過對典型作戰(zhàn)場景不同作戰(zhàn)方案的評估驗(yàn)證了評估模型的有效性。

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Evaluation Modeling on Survivability of AWACS

YE Hai-jun，F(xiàn)ENG Bo
（China Academy of Electronic and Information Technology，Beijing 100041，China）

The AWACS has great tactical and strategic value in modern information battlefield as the Airborne Battlefield Intelligence Detection and Command Center.Based on the characteristics of combat mission，the major influence factors of AWACS’s battleground survivability are analyzed. Combined with the typical combat mode and mission process，a survivability function applied to AWACS is proposed.Based on the survivability function，an evaluation modeling of battleground survivability for AWACS is established.At last，the effectiveness of evaluation modeling is verified by four scenarios using Monte Carlo approach；the effective measures to increase battleground survivability of AWACS based on the evaluation modeling are also discussed.

AWACS，survivability，evaluation modeling，Monte Carlo

V271.4；TJ85

A

1002-0640（2017）01-0040-05

2015-10-15

2016-01-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61202233）

葉海軍（1979-），男，安徽池州人，碩士。研究方向：平臺信息系統(tǒng)。