基于末端防空的威脅評(píng)估

史秉政，王旭烽

(1.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

?

基于末端防空的威脅評(píng)估

史秉政1，王旭烽2

(1.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

針對(duì)防空作戰(zhàn)中末端防空的特殊需求,結(jié)合所需保衛(wèi)的各防御要地,提出了一種目標(biāo)威脅評(píng)估方法,有針對(duì)性地選取威脅評(píng)估因素,對(duì)各防御要地先分別進(jìn)行威脅評(píng)估,再進(jìn)行總體綜合評(píng)估,得出綜合威脅值,并通過仿真算例驗(yàn)證了該算法的有效性與可行性。

威脅評(píng)估;末端防空;隸屬函數(shù)

在防空作戰(zhàn)指揮控制自動(dòng)化設(shè)計(jì)中,對(duì)來襲目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估是重要環(huán)節(jié)。目標(biāo)威脅評(píng)估,是指依據(jù)上級(jí)作戰(zhàn)決心、作戰(zhàn)預(yù)案、被掩護(hù)對(duì)象性質(zhì)和信息場(chǎng)傳感器送來的空襲目標(biāo)信息,評(píng)估空襲目標(biāo)價(jià)值或威脅大小的過程[1]。威脅程度是指空中目標(biāo)對(duì)防空陣地和被保衛(wèi)要地可能造成的危害程度,它是目標(biāo)分配的重要約束條件。目標(biāo)威脅評(píng)估在整個(gè)指揮自動(dòng)化控制決策過程中的位置如圖1所示。

圖1 指揮控制主要事件流程圖

對(duì)目標(biāo)威脅程度進(jìn)行評(píng)估,首先要進(jìn)行威脅因素的確定,影響目標(biāo)威脅程度的因素有很多[2],如果全部納入考慮,會(huì)加大運(yùn)算壓力,而且也是不必要的,一般對(duì)起主要作用的威脅因素進(jìn)行計(jì)算,即可對(duì)目標(biāo)的威脅程度進(jìn)行基本確定。同時(shí),不同的防御作戰(zhàn)類型所側(cè)重的威脅因素也不盡相同,因此應(yīng)根據(jù)具體作戰(zhàn)定位進(jìn)行有針對(duì)性的選擇。

1 末端防空作戰(zhàn)特點(diǎn)分析

末端防空作戰(zhàn),處于防空作戰(zhàn)的最后一層防御環(huán)節(jié),其作戰(zhàn)需求具有一定的特殊性,具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn):

1) 決策時(shí)間短,要求事先作戰(zhàn)預(yù)案準(zhǔn)備充分,最好實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,因?yàn)榱艚o操作手人工決策反應(yīng)的時(shí)間往往不會(huì)很長(zhǎng);

2) 反應(yīng)時(shí)間短,要求在敵方做出進(jìn)一步動(dòng)作——如投彈、發(fā)射等之前,首先將其擊落;

3) 敵方意圖明顯,敵方的攻擊目標(biāo)指向性已較為明確,可能已開始做攻擊動(dòng)作前的準(zhǔn)備;

4) 攔截成功率要求高,因?yàn)樘幱谧詈笠坏婪谰€,有些情況下并不具備多次攔截的時(shí)間與機(jī)會(huì),要求最好能一次攔截成功。

鑒于以上末端防空作戰(zhàn)的特殊性,可有針對(duì)性地進(jìn)行威脅因素的選取,使威脅評(píng)估的結(jié)果更符合末端防空的要求。

2 末端防空威脅因素

對(duì)于末端防空進(jìn)行攔截決策,其依據(jù)主要是空中目標(biāo)對(duì)末端防空保衛(wèi)要地的威脅程度,根據(jù)末端防空作戰(zhàn)的特點(diǎn),以及目標(biāo)能力、目標(biāo)意圖和目標(biāo)機(jī)會(huì)等方面的考慮,同時(shí)權(quán)衡目標(biāo)解算的運(yùn)算量不宜太大,可選定影響目標(biāo)威脅度的主要因素包括:目標(biāo)到達(dá)時(shí)間、目標(biāo)航路捷徑、目標(biāo)類型、飛行高度。

到達(dá)時(shí)間:目標(biāo)距離、目標(biāo)速度是表征目標(biāo)威脅程度的重要因素,而這兩個(gè)因素又可以合為到達(dá)時(shí)間。目標(biāo)與我保衛(wèi)目標(biāo)或防空陣地的距離越近、速度越大,則目標(biāo)到達(dá)我保衛(wèi)目標(biāo)或防空陣地的時(shí)間越短,相應(yīng)的目標(biāo)威脅程度就越大。當(dāng)目標(biāo)背離或偏離我飛行時(shí),飛抵時(shí)間又表現(xiàn)為離遠(yuǎn)時(shí)間,離遠(yuǎn)時(shí)間越長(zhǎng),其威脅度就越小。到達(dá)時(shí)間可同時(shí)反映臨近飛行和離遠(yuǎn)飛行兩種不同的情形。

航路捷徑:航路捷徑是末端防空保衛(wèi)要地中心(或陣地各作戰(zhàn)裝備部署位置)到目標(biāo)航路水平投影的垂直距離。當(dāng)目標(biāo)航向直指保衛(wèi)要地中心(或陣地各作戰(zhàn)裝備部署位置)時(shí),其對(duì)我直接攻擊的可能性就越大,攻擊成功的可能性就越高,其威脅程度就大;航路捷徑越大,敵機(jī)攻擊企圖就越不明顯,威脅度就越小。因此,選取目標(biāo)航路捷徑作為一個(gè)威脅評(píng)估因素。

目標(biāo)類型:目標(biāo)的類型決定了其可以執(zhí)行何種作戰(zhàn)任務(wù)。例如,空地導(dǎo)彈屬于高危目標(biāo),表明我保衛(wèi)中心或防御陣地當(dāng)前面臨攻擊,需要立即攔截;武裝直升機(jī)相對(duì)威脅程度較小。依據(jù)末端防空需要處理的目標(biāo)種類,可按照空地導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、巡航導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、固定翼飛機(jī)、武裝直升機(jī)區(qū)分威脅程度。目標(biāo)類型作為定性指標(biāo),在參與威脅度計(jì)算前需要進(jìn)行定量化處理。

飛行高度:目標(biāo)降低飛行高度能使其被發(fā)現(xiàn)的概率明顯減少,同時(shí)也是隱蔽接敵的常見攻擊戰(zhàn)術(shù)手段。在目標(biāo)距要地較遠(yuǎn)時(shí),目標(biāo)的飛行高度對(duì)我威脅度影響不明顯,只有近距離突然出現(xiàn)的低空目標(biāo),對(duì)我導(dǎo)彈陣地和要地的威脅較大,其威脅度明顯提高。

上述四個(gè)威脅因素都作為空中目標(biāo)的屬性,從不同側(cè)面反映了空中目標(biāo)的威脅度。四個(gè)因素構(gòu)成威脅判斷的屬性集,可以較全面地描述空中目標(biāo)的威脅度。

3 威脅排序計(jì)算方法

威脅程度的計(jì)算由隸屬函數(shù)進(jìn)行量化處理,其計(jì)算方法如下。

3.1 到達(dá)時(shí)間

1)目標(biāo)相對(duì)保衛(wèi)點(diǎn)的目標(biāo)到達(dá)時(shí)間隸屬度函數(shù)

相對(duì)于防御中的某一點(diǎn),目標(biāo)到達(dá)時(shí)間威脅隸屬函數(shù)應(yīng)滿足臨近飛行時(shí)間越小,威脅度越大;臨近飛抵時(shí)間越大,威脅度越小的要求。反之離遠(yuǎn)飛行時(shí),時(shí)間越小,威脅越小,時(shí)間越大，威脅越大。到達(dá)時(shí)間威脅隸屬函數(shù)選取正態(tài)分布函數(shù);但離遠(yuǎn)與臨近飛行時(shí)隸屬函數(shù)中參數(shù)選取不同,故到達(dá)時(shí)間威脅隸屬度函數(shù)可表示為:

(1)

式中,k1=1.0×10-5,k2=3×10-4,t為目標(biāo)到達(dá)保衛(wèi)要地中心(或陣地各作戰(zhàn)裝備部署位置)的時(shí)間。其計(jì)算由下式給出:

(2)

式中,d為目標(biāo)到保衛(wèi)要地中心的水平距離,V水平為目標(biāo)的水平飛行速度,規(guī)定目標(biāo)臨近飛行時(shí)V水平>0、目標(biāo)離遠(yuǎn)飛行時(shí)V水平<0。隸屬函數(shù)形狀如圖2所示。

圖2 到達(dá)時(shí)間隸屬函數(shù)曲線

2)目標(biāo)相對(duì)保衛(wèi)區(qū)域的到達(dá)時(shí)間隸屬度函數(shù)

對(duì)于防御陣地中的保衛(wèi)要地區(qū)域,目標(biāo)的到達(dá)時(shí)間是指目標(biāo)到達(dá)要地區(qū)域某邊界處的時(shí)間,若要地為面狀要地,其威脅隸屬度函數(shù)如下:

(3)

式中,Fin為目標(biāo)是否在要地區(qū)域內(nèi)的標(biāo)識(shí);k1、k2取值同上,t為目標(biāo)到達(dá)要地邊界的時(shí)間。計(jì)算如下:

(4)

式中,d為目標(biāo)到要地邊界點(diǎn)的水平距離,V水平同上。

要地形狀不同,目標(biāo)到要地邊界點(diǎn)的水平距離計(jì)算方式不同。

?若要地為圓面狀要地:

(5)

式中，r0為要地圓的半徑，r1為目標(biāo)到要地中心點(diǎn)的距離,r2為要地中心點(diǎn)到目標(biāo)航線的距離。要地位置如圖3所示。

圖3 目標(biāo)到達(dá)圓狀要地位置示意

?若要地為多邊形面狀要地:

(6)

如圖4所示:

圖4 目標(biāo)到達(dá)多邊形狀要地位置示意

確定目標(biāo)航線是否與多邊形面狀要地有交點(diǎn),其核心是如何確定(x0,z0)的問題。其方法如下:

① 判斷目標(biāo)航線與區(qū)域中的哪條邊界有交點(diǎn)

假設(shè)(x1,z1)、(x2,z2)為要地多邊形的兩個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo),f(x,z)為目標(biāo)航跡函數(shù),則目標(biāo)航跡與要地多邊形是否有交點(diǎn)的判斷方法如下:

如果f(x1,z1)≠0,f(x2,z2)≠0;

如果f(x1,z1)·f(x2,z2)<0，則目標(biāo)航跡與要地多邊形邊是有交點(diǎn);

如果f(x1,z1)·f(x2,z2)>0，則目標(biāo)航跡與要地多邊形邊是沒有交點(diǎn)

如果f(x1,z1)=0,則(x1,z1)為交點(diǎn);

如果f(x2,z2)=0,則(x2,z2)為交點(diǎn);

如果f(x1,z1)=f(x2,z2)=0,則重合。

② 若存在交點(diǎn),則計(jì)算交點(diǎn)坐標(biāo);再選擇離目標(biāo)最近的交點(diǎn)距離作為目標(biāo)到要地區(qū)域的距離d。

③ 若目標(biāo)航線與多邊形面狀要地?zé)o交點(diǎn),則(x0,z0)取要地中心點(diǎn),據(jù)此計(jì)算d。

3.2 航路捷徑

1)目標(biāo)相對(duì)保衛(wèi)點(diǎn)的航路捷徑威脅隸屬函數(shù)

航路捷徑威脅隸屬函數(shù)應(yīng)滿足航路捷徑越小,威脅度越大;當(dāng)航路捷徑逐漸增大時(shí),威脅度逐漸減少;當(dāng)航路捷徑為零時(shí),威脅度最大,因此,航路捷徑威脅隸屬函數(shù)符合中間型正態(tài)分布函數(shù)形式。其威脅隸屬度函數(shù)為:

μp(p)=e-kp2

(7)

式中,k=9×10-3,p為目標(biāo)相對(duì)保衛(wèi)點(diǎn)的航路捷徑(單位取km)。隸屬度函數(shù)曲線如圖5所示。

圖5 航路捷徑隸屬函數(shù)曲線

2)目標(biāo)相對(duì)保衛(wèi)區(qū)域的航路捷徑威脅隸屬函數(shù)

目標(biāo)相對(duì)保衛(wèi)區(qū)域的航路捷徑威脅隸屬度的建立要考慮目標(biāo)航線是否穿越被保衛(wèi)區(qū)域,若目標(biāo)航向不穿越被保衛(wèi)區(qū)域,則目標(biāo)航向威脅度較小。當(dāng)目標(biāo)航向穿越被保衛(wèi)區(qū)域時(shí),航路捷徑越小威脅越大。

可將穿越標(biāo)志記作Fcy,Fcy=1表示穿越,Fcy=0表示不穿越。

Fcy確定方法:對(duì)于圓形要地:若目標(biāo)與要地中心的距離小于要地半徑,則Fcy=1;對(duì)于多邊形型要地,若存在一條邊,其端點(diǎn)為(x1,z1)、(x2,z2),使得f(x1,z1)·f(x2,z2)<0,則Fcy=1。f(x,z)為目標(biāo)航跡函數(shù)。

(8)

Fcy=0時(shí),航路捷徑隸屬度函數(shù)定義如下:

(9)

若要地為多邊形,則dmax、dmin為要地中心點(diǎn)到要地各頂點(diǎn)距離的最大值、最小值;若要地為圓形,則dmax、dmin分別取要地半徑與0。

3.3 目標(biāo)類型

目標(biāo)類型屬于定性的威脅因素,而定性因素參與運(yùn)算需要經(jīng)過定量化處理,可采用專家打分的方法,對(duì)目標(biāo)類型威脅程度進(jìn)行量化。

根據(jù)目標(biāo)類型威脅程度,進(jìn)行歸一化的專家打分,目標(biāo)類型威脅隸屬函數(shù)如下:

(10)

若目標(biāo)是由系統(tǒng)指定的重點(diǎn)目標(biāo)或干擾目標(biāo)時(shí),目標(biāo)類型威脅隸屬函數(shù)的調(diào)整方法如下:

重點(diǎn)目標(biāo):可將目標(biāo)類型隸屬函數(shù)分量定為1,即以μl(l)=1進(jìn)入后續(xù)的威脅程度判斷計(jì)算;

干擾目標(biāo):可將目標(biāo)類型隸屬度函數(shù)在其原威脅度基礎(chǔ)上進(jìn)行增加,μl(l)=μl(l)+0.1;若μl(l)>1,則令μl(l)=1。

3.4 目標(biāo)高度

從空中目標(biāo)的作戰(zhàn)方式看,目標(biāo)的高度越低(尤其是近距離目標(biāo)),其威脅程度越大。當(dāng)目標(biāo)高度小于某一閾值時(shí),其威脅值最大;當(dāng)目標(biāo)高度大于該閾值時(shí),隨高度值遞減,其威脅值遞減。因此,飛行高度威脅隸屬度函數(shù)可取偏小型的降半正態(tài)分布函數(shù)(閾值高度定為500m),其形式為:

(11)

式中,k=8×10-9,α=500m。隸屬度函數(shù)曲線如圖6所示。

圖6 目標(biāo)高度隸屬函數(shù)曲線

3.5 威脅度值的計(jì)算

在計(jì)算出上述各威脅因素后,威脅值的計(jì)算還需要明確上述各威脅因素的權(quán)值,各因素的權(quán)值反映了其相對(duì)重要程度,是屬性的偏好信息,對(duì)決策結(jié)果有較大的影響。屬性的權(quán)值也是分析決策問題的基本信息,由各權(quán)值組成的權(quán)向量為:

(12)

各威脅度的權(quán)值可由保衛(wèi)目標(biāo)指揮所或防空部隊(duì)指揮中心指定,也可依據(jù)末端防空作戰(zhàn)的特點(diǎn),按照各屬性因素對(duì)威脅程度的影響大小,根據(jù)專家打分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果給出各因素的權(quán)重系數(shù)。這里根據(jù)專家打分的結(jié)果確定各權(quán)值:w1=0.55,w2=0.15,w3=0.2,w4=0.1。

在建立了上述威脅因素隸屬度函數(shù)和各因素的權(quán)重后,可利用下式計(jì)算目標(biāo)i相對(duì)于保衛(wèi)點(diǎn)/保衛(wèi)區(qū)域s的威脅值:

μi,s=w1×μt(ti,s)+w2×μp(pi,s)+w3×μl(l)+w4×μh(h)

(13)

3.6 目標(biāo)威脅度的綜合計(jì)算

以上只是目標(biāo)針對(duì)單個(gè)保衛(wèi)點(diǎn)/保衛(wèi)區(qū)域的威脅值計(jì)算方法,但在末端防空作戰(zhàn)中,陣地中需要保衛(wèi)的要地可能不止一個(gè),各要地的重要程度也不盡相同,因此需要進(jìn)一步計(jì)算目標(biāo)對(duì)整個(gè)陣地各保衛(wèi)要地的綜合威脅值。

使用Iimp(yd)表示陣地中要地的重要程度。在評(píng)估時(shí),將防衛(wèi)區(qū)域的所有要地(民用和軍用)綜合考慮,可暫設(shè)定為指揮所、機(jī)場(chǎng)、高價(jià)值兵器、發(fā)射陣地、橋梁、港口六種要地。且軍用要地的重要度一般不低于民用要地的重要度。根據(jù)專家打分確定Iimp(yd)取值如下:

將目標(biāo)對(duì)陣地中所有要地的威脅值進(jìn)行計(jì)算,并取最大值,做為該目標(biāo)在整個(gè)末端防空作戰(zhàn)中的最終威脅值。目標(biāo)最終威脅值μi的計(jì)算如下:

4 具體算例

下面通過具體算例來進(jìn)行算法的檢驗(yàn)。

4.1 要地布陣情況

設(shè)置某陣地有一個(gè)指揮所,表示為保衛(wèi)點(diǎn),一個(gè)發(fā)射陣地,表示為一個(gè)圓形的保衛(wèi)區(qū)域,一個(gè)機(jī)場(chǎng),表示為矩形的保衛(wèi)區(qū)域。以指揮所作為坐標(biāo)系的原點(diǎn),要地布陣情況如圖7所示。其具體位置參數(shù)如表1所示。

圖7 布陣圖

表1 要地位置參數(shù) (單位:km)

4.2 目標(biāo)參數(shù)情況

假定我方探測(cè)到5批來襲目標(biāo),其以指揮所為原點(diǎn)的參數(shù)如表2所示。其中角度表示目標(biāo)航向與x軸的夾角。

4.3 威脅度計(jì)算

各目標(biāo)對(duì)陣地各要地威脅度,以及綜合威脅度計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 目標(biāo)參數(shù)

表3 目標(biāo)威脅值

4.4 結(jié)果分析

從目標(biāo)綜合威脅度值結(jié)果可以看出,目標(biāo)的綜合威脅度排序?yàn)槟繕?biāo)2>目標(biāo)3>目標(biāo)1>目標(biāo)4>目標(biāo)5,即針對(duì)多個(gè)保衛(wèi)要地而言,保衛(wèi)要地價(jià)值越高、目標(biāo)到達(dá)時(shí)間越短、攻擊意圖越明顯,則其綜合威脅度越大,符合末端防空作戰(zhàn)的戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際態(tài)勢(shì)情況。

5 結(jié)束語

本文提出了一種在末端防空中對(duì)多保衛(wèi)要地進(jìn)行目標(biāo)威脅評(píng)估的方法,通過選取關(guān)鍵威脅因素,形成威脅因素的隸屬函數(shù),并分別對(duì)各個(gè)不同的保衛(wèi)要地進(jìn)行威脅評(píng)估再進(jìn)行綜合的方法,得出目標(biāo)的綜合威脅值,并通過仿真算例驗(yàn)證了該方法的有效性。

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Threat Assessment Based on Terminal Air Defense

SHI Bing-zheng1， WANG Xu-feng2

(1.Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute， Shanghai 201109;2.Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

According to the special demand of end defense air defense operations, combined with the guarded defense area, thepaper raises a method of target threat assessment, targeted selection of threat assessment factors, and the defensive area are subjected to threat assessment, and then a comprehensive assessment of the overall, get the comprehensive threat assessment, and through a simulation example to verify the feasibility and effectiveness of the algorithm.

threat assessment;terminal air defense;membership function

2017-01-13

2017-02-19

史秉政(1984-),男,山西太原人,碩士,工程師,研究方向?yàn)橹笓]控制系統(tǒng)。 王旭烽(1979-),男,高級(jí)工程師。

1673-3819(2017)02-0090-05

TJ762.1+3；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.018