基于功能分解組合的協(xié)同防空作戰(zhàn)體系效能評估

牛冰，牛智奇，張曉峰

（西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安710000）

基于功能分解組合的協(xié)同防空作戰(zhàn)體系效能評估

牛冰，牛智奇，張曉峰

（西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安710000）

協(xié)同防空作戰(zhàn)體系各要素具有復(fù)雜耦合特性，所提出的功能分解-組合效能分析方法可以分析各要素對協(xié)同防空體系作戰(zhàn)效能的貢獻(xiàn)。首先利用功能分解提取出態(tài)勢數(shù)據(jù)共享、集中式目標(biāo)分配、火控級目標(biāo)數(shù)據(jù)共享、協(xié)同制導(dǎo)4種特征功能，然后組合形成分區(qū)防空、集中指揮、協(xié)同探測、協(xié)同作戰(zhàn)4種不同協(xié)同級別的防空樣式，建立了包含效用指標(biāo)和代價指標(biāo)的效能指標(biāo)體系，通過蒙特卡羅仿真獲取了可以互相參考對比的規(guī)律性的效能指標(biāo)規(guī)律，為復(fù)雜作戰(zhàn)體系效能評估提供了一種思路。

協(xié)同防空，協(xié)同探測，作戰(zhàn)效能評估，功能分解組合

0 引言

隨著超低空掠海飛行巡航導(dǎo)彈、近程彈道導(dǎo)彈等武器的廣泛應(yīng)用，水面艦艇在近海復(fù)雜環(huán)境的作戰(zhàn)面臨著巨大的威脅。為了應(yīng)對這種威脅，美國海軍提出并建立了“協(xié)同作戰(zhàn)能力”（Cooperative Engagement Capability，CEC）艦艇編隊網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同防空系統(tǒng)，其原理是利用高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)艦艇編隊成員間的火控級的目標(biāo)信息共享，進(jìn)而實現(xiàn)艦艇編隊的協(xié)同探測、協(xié)同制導(dǎo)等一系列新型防空作戰(zhàn)樣式。

協(xié)同作戰(zhàn)是一種作戰(zhàn)體系，由分布于不同平臺的指揮控制、艦載雷達(dá)、攔截彈等眾多類型分系統(tǒng)構(gòu)成，整個作戰(zhàn)過程存在復(fù)雜的動態(tài)交互與不確定因素。同針對單種武器裝備（如作戰(zhàn)飛機(jī)、防空導(dǎo)彈等）的效能評估相比，協(xié)同作戰(zhàn)的效能評估難度更大。層次分析法［1］、經(jīng)驗公式法等效能評估方法主觀性較強(qiáng)；階段概率法難以描述多平臺協(xié)同作戰(zhàn)的復(fù)雜過程。

基于對抗仿真的效能評估方法能夠通過仿真試驗獲取效能指標(biāo)，利用敏感度分析等方法研究作戰(zhàn)效能［2］。文獻(xiàn)［3］利用基于Agent的作戰(zhàn)仿真分析了組網(wǎng)性能對戰(zhàn)斗機(jī)體系作戰(zhàn)的影響。文獻(xiàn)［4］提出的基于OODA聯(lián)合作戰(zhàn)體系指控效能評估指標(biāo)體系模型，將效能劃分為觀察、判斷、決策和行動4種子效能。文獻(xiàn)［5］利用探索性分析等手段分析了影響效能的指揮控制因素。這些研究側(cè)重于分析單項性能指標(biāo)或指揮控制決策特定環(huán)節(jié)對體系作戰(zhàn)中的效能的影響，為了從頂層角度定量評價協(xié)同作戰(zhàn)中各要素對總體效能的影響，必須對協(xié)同作戰(zhàn)本身進(jìn)行解耦。本文將從功能級別對協(xié)同作戰(zhàn)體系進(jìn)行分解，基于功能分解-組合構(gòu)建不同級別的協(xié)同作戰(zhàn)體系，利用體系對抗仿真獲取定量、可以對比的效能指標(biāo)，建立效能指標(biāo)與協(xié)同作戰(zhàn)體系功能的聯(lián)系。

1 基于對抗仿真的體系效能評估原理

基于對抗仿真的作戰(zhàn)效能評估方法最早應(yīng)用于分析武器系統(tǒng)在體系對抗中的作戰(zhàn)效能，美國通用動力、波音公司等于上世紀(jì)末期即將其應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)及機(jī)載武器概念設(shè)計中，其主要步驟包括:

作戰(zhàn)體系建模:對攻防對抗體系中的兵力配置、作戰(zhàn)環(huán)境、指揮、通信、作戰(zhàn)單元等進(jìn)行建模；

建立效能指標(biāo)體系:依據(jù)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使命建立效能指標(biāo)體系；

參數(shù)配置:對可能影響作戰(zhàn)效能指標(biāo)的因素參數(shù)化處理；

體系攻防對抗仿真:按照設(shè)定的作戰(zhàn)場景和參數(shù)配置在計算機(jī)上開展作戰(zhàn)模擬仿真，并輸出效能指標(biāo)；

敏感度分析:利用敏感度分析、響應(yīng)面等方法分析設(shè)定參數(shù)與效能指標(biāo)之間的關(guān)系。

圖1 基于對抗仿真的體系效能評估流程

基于對抗仿真的效能評估方法在分析特定武器系統(tǒng)在體系中的作用、指導(dǎo)武器裝備研制起到了良好的效果。由于作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以參數(shù)化，如果將其用于協(xié)同作戰(zhàn)體系效能評估中，需要解決的是如何建立作戰(zhàn)體系與效能指標(biāo)的關(guān)聯(lián)。

2 協(xié)同作戰(zhàn)的功能分解組合

協(xié)同作戰(zhàn)的技術(shù)基礎(chǔ)包括艦艇編隊的自組織移動網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，在上述技術(shù)基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)火力控制、指揮控制的一體化、扁平化。約翰.霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理試驗室在CEC早期論證時將其主要功能歸結(jié)為復(fù)合跟蹤識別、精確捕獲提示、協(xié)同探測制導(dǎo)、協(xié)同作戰(zhàn)等。

從CEC的發(fā)展歷史和功能可以看出，其并非是對傳統(tǒng)防空作戰(zhàn)的一種顛覆性的革命，而是隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等新技術(shù)發(fā)展逐漸建立的。其功能與能達(dá)到的協(xié)同水平密切相關(guān)。因此，本文將從功能角度對協(xié)同作戰(zhàn)體系進(jìn)行分解，在組合功能的基礎(chǔ)上形成不同協(xié)同級別的作戰(zhàn)體系，通過對比分析各自最終輸出的效能指標(biāo)的差異，建立協(xié)同作戰(zhàn)體系組成功能與效能指標(biāo)的聯(lián)系。

基于協(xié)同防空作戰(zhàn)自身特點，可以提取出如下4種特征功能:

態(tài)勢數(shù)據(jù)共享:各探測單元將當(dāng)前的態(tài)勢信息通過通信鏈路傳輸?shù)街笓]中心進(jìn)行融合處理得到當(dāng)前的態(tài)勢信息；

集中式目標(biāo)分配:依據(jù)當(dāng)前態(tài)勢信息，在指揮控制中心完成目標(biāo)分配，并將分配結(jié)果分發(fā)給火力節(jié)點；

火控級目標(biāo)數(shù)據(jù)共享:與態(tài)勢數(shù)據(jù)共享相比，數(shù)據(jù)精度和速率大大提高，達(dá)到了火控級別，所有的作戰(zhàn)單元都可以共享火控級的目標(biāo)數(shù)據(jù)；

協(xié)同制導(dǎo):平臺之間可以通過通信協(xié)議和算法實現(xiàn)防空導(dǎo)彈中制導(dǎo)或末制導(dǎo)權(quán)的轉(zhuǎn)移。

在組合上述4種特征功能基礎(chǔ)上形成4種不同協(xié)同級別的防空樣式（如圖2所示）:

圖2 功能分解組合示意圖

分區(qū)防空:作戰(zhàn)單元各自按照指揮中心劃定的防御區(qū)域攔截目標(biāo)，對于己方防區(qū)之外的不予攔截。

集中指揮:各作戰(zhàn)單元獨立探測目標(biāo)，將目標(biāo)探測信息匯總到指控中心，指控中心將信息進(jìn)行融合形成統(tǒng)一態(tài)勢圖，進(jìn)行威脅排序、目標(biāo)分配。各作戰(zhàn)單元按照指控中心分配的任務(wù)確定發(fā)射時機(jī)。

協(xié)同探測:協(xié)同探測防空作戰(zhàn)除了具備共享態(tài)勢、集中式指控外，還通過高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將各探測單元的未經(jīng)濾波的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，目標(biāo)的檢測速度、檢測概率、探測精度和探測范圍得到不同程度的提高。

協(xié)同作戰(zhàn):協(xié)同防空作戰(zhàn)除了具備共享態(tài)勢、協(xié)同探測功能外，通過協(xié)同算法實現(xiàn)了編隊成員間的協(xié)同制導(dǎo)，擴(kuò)大了區(qū)域防空導(dǎo)彈的有效發(fā)射區(qū)，對于攔截超低空突防目標(biāo)有重要的意義。

通過對協(xié)同作戰(zhàn)體系功能的分解-組合，可以實現(xiàn)對協(xié)同作戰(zhàn)體系功能級別的解耦，建立效能指標(biāo)和不同協(xié)同級別體系之間的聯(lián)系。

3 典型協(xié)同作戰(zhàn)場景作戰(zhàn)效能分析

3.1 作戰(zhàn)想定

假定防御方編隊由4艘防空驅(qū)逐艦和1架固定翼飛機(jī)組成，固定翼飛機(jī)配備有對海探測雷達(dá)。指揮控制中心Ship0與其他前沿防空驅(qū)逐艦的距離為30 km（如圖3所示）。

攻擊方共有30枚掠海飛行的反艦巡航導(dǎo)彈（ASCM）從右上方來襲，攻擊對象是指揮控制中心Ship0，采用Poisson流模型單方向飽和攻擊，ASCM之間平均間隔為7 s，即攻擊頻率為1/7（批/s）。

防御方分別按照上節(jié)中的分區(qū)防空、集中指揮、協(xié)同探測、協(xié)同作戰(zhàn)4種不同級別的防空樣式攔截來襲威脅目標(biāo)。

圖3 單方向飽和攻擊想定示意圖

3.2 體系防空作戰(zhàn)效能指標(biāo)

體系效能指標(biāo)包含效用指標(biāo)和代價指標(biāo)，效用主要是一個產(chǎn)出相關(guān)的指標(biāo)，代價指標(biāo)反映資源占用程度。

3.2.1 效用指標(biāo)

總體威脅度:定義為某時刻所有目標(biāo)對艦艇編隊的威脅度之和，目標(biāo)總體威脅度是隨時間動態(tài)變化的一個指標(biāo)。從防空作戰(zhàn)的根本目的來看，就是盡可能早地消除敵方的威脅，因此，總體威脅度的變化趨勢可以反映防空系統(tǒng)的效能。

其中，EA為t時刻總體威脅度；N為當(dāng)前戰(zhàn)場中所有威脅目標(biāo)；Ei為第i個目標(biāo)的威脅度。

進(jìn)攻方突防數(shù)量:突破艦艇編隊體系防空ASCM目標(biāo)總數(shù)量，是直接反映整個防空作戰(zhàn)體系效能的指標(biāo)。

3.2.2 代價指標(biāo)

通信數(shù)據(jù)量:隨著編隊協(xié)同程度提高，艦艇編隊之間的通信也將相應(yīng)地增長，使通信系統(tǒng)的負(fù)載增加，由協(xié)同所造成的通信量應(yīng)控制在一定的水平。

3.3 仿真平臺

基于蒙特卡羅仿真的方法獲取規(guī)律性的效能指標(biāo)需要大量的仿真試驗，為了提高仿真效率，本文采用了基于離散事件系統(tǒng)規(guī)范（Discrete Event System Specification，DEVS）［7］的仿真方法和基于元模型的建模方法［8］，開發(fā)了體系效能評估仿真系統(tǒng)［9］（如圖4所示）。

該仿真系統(tǒng)主要仿真模型包括:艦空導(dǎo)彈元模型、艦載/機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)協(xié)同探測模型、協(xié)同處理模型、目標(biāo)分配模型、組網(wǎng)通信模型等。

圖4 體系作戰(zhàn)效能評估仿真系統(tǒng)主界面

3.4 作戰(zhàn)效能評估分析

下頁圖5～圖9為通過蒙特卡羅仿真得出的4種級別協(xié)同防空樣式作戰(zhàn)效能分布規(guī)律。

從圖5可以看出，協(xié)同作戰(zhàn)、協(xié)同探測、集中指揮和分區(qū)防空的總體威脅度依次增大，表明攔截體系最終作戰(zhàn)效果優(yōu)劣與協(xié)同級別高低是正相關(guān)的，協(xié)同作戰(zhàn)總體威脅度始終最低，并最終趨于0，表明協(xié)同防空作戰(zhàn)在該想定中能夠攔截所有目標(biāo)。

圖6可以看出協(xié)同探測和集中指揮條件下的通信次數(shù)基本相當(dāng)（橫坐標(biāo)每個時間區(qū)間為40 s，橫坐標(biāo)為n代表第n個40 s區(qū)間），通信內(nèi)容主要是指控中心和作戰(zhàn)單元之間關(guān)于目標(biāo)分配的交互信息，協(xié)同作戰(zhàn)條件下通信次數(shù)比后兩者高出1倍左右，高出的部分主要是分布式協(xié)同制導(dǎo)產(chǎn)生的交互通信。

圖7為不同目標(biāo)速度下的平均突防數(shù)量，可以看出協(xié)同作戰(zhàn)在不同目標(biāo)突防速度下攔截效能均最高。

圖8為指控中心最大延遲（兩次決策最小時間間隔）對目標(biāo)平均突防數(shù)量的影響，可以看出協(xié)同作戰(zhàn)和協(xié)同探測條件下艦艇編隊能夠?qū)Τ涂漳繕?biāo)先發(fā)現(xiàn)、先攔截，因此，攔截效能受指控延遲的影響顯著小于集中指揮條件。

從圖9可以看出空基單元與艦艇編隊的空間相對位置關(guān)系對攔截效果會產(chǎn)生一定影響，空基單元在目標(biāo)來襲方向上距離編隊越遠(yuǎn)，對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)時間越早、對目標(biāo)的攔截距離越大，但是空基單元所受敵方的威脅更大。

圖5 總體威脅度隨時間變化規(guī)律

圖6 通信交互次數(shù)隨時間變化規(guī)律

圖7 目標(biāo)平均突防數(shù)量隨速度的變化規(guī)律

圖8 目標(biāo)平均突防數(shù)量隨指控最大延遲的變化規(guī)律

圖9 目標(biāo)平均突防數(shù)量隨空基平臺距指控中心距離的變化規(guī)律（目標(biāo)速度700 m/s）

4 結(jié)論

協(xié)同防空作戰(zhàn)雖然增加了體系通信量，但在控制戰(zhàn)場總體威脅度、攔截高速突防目標(biāo)、對指控中心延遲的適應(yīng)能力等方面都具有顯著優(yōu)勢。通過探索性分析和功能分解組合對比，獲取了對協(xié)同作戰(zhàn)體系效能更全面的認(rèn)識，比利用傳統(tǒng)靜態(tài)層次分析方法獲取的單一靜態(tài)指標(biāo)對協(xié)同作戰(zhàn)的體系研發(fā)和作戰(zhàn)使用有更高的參考價值。

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Effectiveness Evaluation of Cooperative Air Defense System Based on Function Decomposition-combination

NIU Bing，NIU Zhi-qi，ZHANG Xiao-feng
（Xi’an Modern Control Technology Research Institute，Xi’an 710000，China）

The cooperative air defense system contains a number of elements which has coupling characteristics，the function decomposition-combination is introduced to analyze the contribution of these elements.Four functions of situation sharing，centralized WTA，fire-control-level target data sharing and cooperative guidance are extracted by function decomposition，then four typical air defense styles of area defense，centralized C2，cooperative detection and tracking，cooperative engagement are built using function combination，the effectiveness index contains measurement of both unity and cost is developed，the regularity of MOEs can reference each other are obtained by digital Monte Carlo simulation，the function decomposition-combination provides an idea to the effectiveness evaluation of similar complex system.

cooperative air defense，cooperative detection，system effectiveness evaluation，function decomposition-combination

TP391.9

A

1002-0640（2017）04-0114-04

2016-02-24

2016-04-19

牛冰（1984-），男，河南桐柏人，博士，工程師。研究方向：武器系統(tǒng)總體設(shè)計與效能評估。