航母艦載機(jī)以及巡航導(dǎo)彈威脅評(píng)估研究

張永利，孫治水，陳彩輝，胡燕華

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京 100041；2.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 735000)

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航母艦載機(jī)以及巡航導(dǎo)彈威脅評(píng)估研究

張永利1，孫治水1，陳彩輝1，胡燕華2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京 100041；2.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 735000)

基于熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)投影，結(jié)合美國(guó)航母編隊(duì)艦載機(jī)以及"戰(zhàn)斧"巡航導(dǎo)彈的相關(guān)性能，建立了對(duì)美航母編隊(duì)艦載機(jī)以及"戰(zhàn)斧"巡航導(dǎo)彈威脅評(píng)估模型。仿真結(jié)果直觀顯示了航母編隊(duì)艦載機(jī)及巡航導(dǎo)彈威脅評(píng)估指標(biāo)對(duì)威脅評(píng)估的影響，有助于及時(shí)、準(zhǔn)確地推斷敵作戰(zhàn)意圖，形成行之有效的打擊方案并提供理論支撐。

航母編隊(duì)艦載機(jī)；巡航導(dǎo)彈；威脅評(píng)估；灰關(guān)聯(lián)投影

0 引 言

2016年3月1日，以美國(guó)海軍“斯坦尼斯號(hào)”航空母艦為首的航母戰(zhàn)斗群駛?cè)胛覈?guó)南海海域，還宣稱要在南海舉行軍事演習(xí)，增加了地區(qū)緊張局勢(shì)。我國(guó)海軍“北極星”號(hào)電子偵察船對(duì)其實(shí)施全程監(jiān)控。

航母的作戰(zhàn)能力主要由其搭載的艦載機(jī)來實(shí)現(xiàn)。部署在“斯坦尼斯號(hào)”航母上的美國(guó)海軍航空兵第九艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)，共計(jì)70余架作戰(zhàn)飛機(jī)，包括50余架艦載戰(zhàn)斗機(jī)，一次出動(dòng)可打擊上百個(gè)目標(biāo)，能夠摧毀敵方作戰(zhàn)飛機(jī)、艦艇、潛艇和陸地目標(biāo)等裝備設(shè)施，具有強(qiáng)大的進(jìn)攻作戰(zhàn)能力[1]。

如何把握和利用空情，將目標(biāo)類型、飛行高度、飛行速度、航路捷徑、隱身性能、機(jī)動(dòng)能力等數(shù)據(jù)參數(shù)和性能綜合考慮，并采用合理的威脅評(píng)估方案，對(duì)正確判斷敵作戰(zhàn)意圖、為指揮人員快速形成有效的戰(zhàn)術(shù)決策提供理論支持。比較常用的威脅評(píng)估方法有多屬性決策法、灰關(guān)聯(lián)法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法等。由于海戰(zhàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，僅采用單一的評(píng)估方法對(duì)輻射源目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估具有一定的局限性。所以視戰(zhàn)場(chǎng)情況靈活應(yīng)用多種方法有助于更加客觀合理地對(duì)輻射源目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估。如文獻(xiàn)[2]～[4]分別采用基于熵權(quán)-TOPSIS-灰色關(guān)聯(lián)法、組合賦權(quán)-TOPSIS法對(duì)輻射源目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估。

鑒于經(jīng)典的灰色關(guān)聯(lián)分析法僅反映了比較序列與參考序列曲線的相似與距離程度，未考慮兩者間方向的一致性，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)生一些偏差。模僅能反映比較序列與參考序列距離的大小，夾角余弦僅能反映比較序列與參考序列之間的方向[5]。本文提出利用熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)投影法，把模和夾角余弦結(jié)合起來，能全面而準(zhǔn)確地反映比較序列與參考序列之間的接近程度；同時(shí)，利用信息熵確定指標(biāo)權(quán)重，消除主觀因素影響，對(duì)目標(biāo)輻射源進(jìn)行威脅評(píng)估提供一種可借鑒的理論方法。

1 美國(guó)航母編隊(duì)艦載機(jī)及巡航導(dǎo)彈

下面主要參照“斯坦尼斯”號(hào)航母，對(duì)美國(guó)航母編隊(duì)艦載機(jī)主要機(jī)型及“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.1 F-35C

F-35是可服務(wù)于空軍、海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的多兵種作戰(zhàn)飛機(jī)，其中F-35C是艦載機(jī)。其機(jī)載有源電掃陣列(AESA)雷達(dá)APG-81有豐富的對(duì)地/海工作模式(SAR.GMTI/SMTI)，電子系統(tǒng)先進(jìn)，可以快速形成戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位和打擊。F-35定位為隱身戰(zhàn)斗機(jī)，其雷達(dá)截面積(RCS)約為0.005 2，適時(shí)發(fā)射中距空空導(dǎo)彈(AIM-120),命中率可達(dá)75%(官方宣稱)[6-7]。圖1為F-35戰(zhàn)斗機(jī)。

1.2 F/A-18E/F

2002年11月6日，林肯號(hào)航母上部署的F/A-18E/F首次參與實(shí)戰(zhàn)行動(dòng)，使用精確制導(dǎo)彈藥對(duì)伊拉克的2套“薩姆”導(dǎo)彈，1個(gè)指揮、控制和通信設(shè)施實(shí)施打擊。部署在“斯坦尼斯號(hào)”航母上的美國(guó)海軍航空兵第九艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)，其主力戰(zhàn)機(jī)為F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”艦載戰(zhàn)斗機(jī)(E為單座型，F(xiàn)為雙座型)，如圖2所示。F/A-18E/F增加了改進(jìn)型火控雷達(dá)和機(jī)載電子設(shè)備，可帶多種更先進(jìn)的攻擊武器。它所裝備的先進(jìn)前視紅外目標(biāo)引導(dǎo)系統(tǒng)可提供導(dǎo)航、目標(biāo)指示功能，并配備激光目標(biāo)指示器。

1.3 EA-18G

“斯坦尼斯”號(hào)航母上的美國(guó)海軍航空兵第九艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)VAQ-133“男巫”電子攻擊中隊(duì)，裝備6～9架EA-18G“咆哮者”電子攻擊機(jī)，如圖3所示。EA-18G“咆哮者”電子干擾飛機(jī)采用F/A-18F機(jī)身，外掛點(diǎn)多達(dá)11個(gè)(翼尖2個(gè)，機(jī)翼下6個(gè)，機(jī)腹下3個(gè))，除了最多搭載5個(gè)AN-ALQ-99F(V)干擾吊艙外，還能攜帶空-空導(dǎo)彈等F/A-18F配置的所有武器，可以滿足包括護(hù)航干擾和防區(qū)外攻擊等不同任務(wù)需求[8]。

1.4 艦載預(yù)警機(jī)

艦載預(yù)警機(jī)在航母編隊(duì)作戰(zhàn)體系中有2個(gè)重要作用:一是航母編隊(duì)低空預(yù)警，作為航母編隊(duì)的“鷹眼”;二是對(duì)作戰(zhàn)飛機(jī)實(shí)施指揮控制，作為航母編隊(duì)的“空中司令部”[9]。航空母艦戰(zhàn)斗群的戰(zhàn)術(shù)旗艦指揮中心與E-2之間通過數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行信息交換，共同完成預(yù)警及任務(wù)分配等任務(wù)，表現(xiàn)為一種互補(bǔ)、協(xié)調(diào)的指揮關(guān)系。同時(shí)，E-2的電子偵察設(shè)備和機(jī)載雷達(dá)可在復(fù)雜電磁環(huán)境中工作，能抗擊敵電子干擾[10]。

“斯坦尼斯”號(hào)航母上的美國(guó)海軍航空兵第九艦載機(jī)聯(lián)隊(duì)VAW-112“黃金老鷹”預(yù)警中隊(duì)，裝備4架E-2C“鷹眼”預(yù)警機(jī)，如圖4所示。E-2C可探測(cè)和判明480 km 遠(yuǎn)的敵機(jī)威脅，至少能同時(shí)自動(dòng)和連續(xù)跟蹤250個(gè)目標(biāo)，還能同時(shí)指揮引導(dǎo)己方飛機(jī)對(duì)其中30個(gè)威脅最大的目標(biāo)進(jìn)行截?fù)鬧11]。

1.5 巡航導(dǎo)彈

“斯坦尼斯號(hào)”航母的中等距離防空任務(wù)由2艘導(dǎo)彈巡洋艦擔(dān)任，編隊(duì)的前出偵察、快速支援、對(duì)陸打擊、編隊(duì)反潛、護(hù)衛(wèi)補(bǔ)給艦等任務(wù)由3艘“阿利·伯克”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦來完成，如圖5所示。2艘導(dǎo)彈巡洋艦和3艘導(dǎo)彈驅(qū)逐艦都裝填“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈。

巡航導(dǎo)彈目標(biāo)攻擊過程大致可分為初始段(發(fā)射即發(fā)現(xiàn))、巡航段(突防時(shí)發(fā)現(xiàn))和攻擊段(打擊時(shí)發(fā)現(xiàn))。其中，超聲速巡航導(dǎo)彈是比彈道導(dǎo)彈更難攔截的目標(biāo)。因此，對(duì)于巡航導(dǎo)彈的攔截，為了保證攔截概率，應(yīng)當(dāng)爭(zhēng)取更多的攔截機(jī)會(huì)[12]。

2 灰色關(guān)聯(lián)投影法

2.1 建立決策矩陣

考慮n個(gè)評(píng)價(jià)方案，記集合U=(方案1，方案2，…，方案n)=(U0，U1，…，Un)；記V為因素指標(biāo)的集合，V=(指標(biāo)1，指標(biāo)2，…，指標(biāo)m)=(V0，V1，…，Vn)。方案Ui對(duì)指標(biāo)Vj的指標(biāo)值為Yij(i=1，2，…，n；j=1，2，…,m)。稱Y=(Yij)(n+1)×m(i=0,1，2，…，n；j=1，2，…，m)為方案集U對(duì)指標(biāo)集V的決策矩陣。

2.2 初始化處理

對(duì)指標(biāo)矩陣進(jìn)行初始化處理，建立對(duì)威脅目標(biāo)各指標(biāo)因素Vj的隸屬函數(shù)：

(1) 當(dāng)Vj為效益型指標(biāo)時(shí)

指標(biāo)因素Vj越大，目標(biāo)威脅度越大，則Vj采用的隸屬函數(shù)為:

(1)

(2) 當(dāng)Vj為成本型指標(biāo)時(shí)

指標(biāo)因素Vj越小，目標(biāo)威脅度越大，則Vj采用的隸屬函數(shù)為:

(2)

2.3 確定灰色關(guān)聯(lián)決策矩陣

威脅源與理想方案的關(guān)聯(lián)度矩陣：

R=(rij)((n+1)×m)

(3)

(4)

式中：λ為分辨系數(shù)，用于調(diào)整比較環(huán)境的大小，λ=0時(shí)，環(huán)境消失；λ=1時(shí)，環(huán)境保持不變，通常取λ=0.5。

威脅評(píng)估是由m個(gè)因素指標(biāo)確定，進(jìn)行多目標(biāo)決策，比較各威脅源與理想優(yōu)先項(xiàng)的關(guān)聯(lián)度。其中r01=r02=r0m=1。

由于決策方案中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的重要性不同，在加權(quán)向量W=(ω1,ω2,…，ωm)T的作用下增廣型加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)決策矩陣為：

(5)

2.4 灰色關(guān)聯(lián)投影

將每個(gè)決策方案看成1個(gè)行向量，則稱每個(gè)決策方案與理想方案之間的夾角θi為灰色關(guān)聯(lián)投影角,投影角的方向余弦為：

(6)

灰色關(guān)聯(lián)投影權(quán)值為：

(7)

得灰色關(guān)聯(lián)投影值為：

(8)

2.5 優(yōu)選方案的選擇

根據(jù)上式計(jì)算各方案的灰色關(guān)聯(lián)投影值，由投影值的大小，對(duì)威脅源進(jìn)行排序。投影值越大，目標(biāo)的威脅程度越高。

3 威脅評(píng)估實(shí)例

3.1 構(gòu)造輻射源決策矩陣

現(xiàn)有5批威脅源(包含艦載機(jī)和巡航導(dǎo)彈)從航母戰(zhàn)斗群起飛。將威脅源依據(jù)目標(biāo)類型、距離、高度、速度、航路捷徑、雷達(dá)散射截面積(RCS)構(gòu)成評(píng)估指標(biāo)體系。輻射源平臺(tái)類型不同，威脅程度也不同，威脅源類型為定性指標(biāo)，具有模糊集特征，利用專家打分法確定輻射源平臺(tái)類型屬性值：

(9)

威脅源屬性矩陣為Y=(yij)m×n，yij為第i架敵機(jī)的第j個(gè)屬性,威脅屬性值如表1所示。

表1 輻射源屬性值

3.2 初始化無量綱處理

3.3 確定灰色關(guān)聯(lián)決策矩陣

由于決策方案中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的重要性不同，根據(jù)熵權(quán)法得到加權(quán)向量：W=(w1,w2,…，w6)T=(0.138 7 0.100 5 0.326 3 0.115 1 0.113 9 0.205 5)。

表2 目標(biāo)隸屬度

由式(5)得增廣型加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)決策矩陣：

3.4 灰色關(guān)聯(lián)投影

由式(4)得到灰色關(guān)聯(lián)投影值為：

(0.921 7 0.907 3 0.618 9 0.527 1 0.418 7)

3.5 威脅評(píng)估仿真結(jié)果分析

根據(jù)上式計(jì)算各方案的灰色關(guān)聯(lián)投影值，投影值越大，目標(biāo)的威脅程度越高，目標(biāo)的威脅程度見表 3。

表 3 目標(biāo)威脅度

結(jié)果表明，戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈AGM-109B雖然在速度上相比F-35、F/A-18E/F、EA-18G要慢，但是由于其飛行高度低，而且具有極好的隱身性能，所以其威脅程度最高。目標(biāo)威脅評(píng)估仿真如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于熵權(quán)-灰色關(guān)聯(lián)投影法建立威脅評(píng)估模型，結(jié)合美國(guó)航母編隊(duì)艦載機(jī)及戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈相關(guān)性能對(duì)輻射源目標(biāo)進(jìn)行威脅評(píng)估，并利用Matlab進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，目標(biāo)速度、高度、隱身性等威脅評(píng)估指標(biāo)對(duì)威脅程度有不同程度的影響。所以提高系統(tǒng)探測(cè)能力，采用合理的威脅評(píng)估方法，對(duì)于正確判斷威脅目標(biāo)意圖，快速準(zhǔn)確形成針對(duì)目標(biāo)的火力分配方案，具有重要意義。

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Research into The Threat Evaluation of Carrier-borne Aircraft and Cruise Missile

ZHANG Yong-li1,SUN Zhi-shui1,CHEN Cai-hui1,HU Yan-hua2

(1.China Academy of Electronics and Information Technology,CETC,Beijing 100041,China;2.Jiuquan Satellite Launch Center,Jiuquan 735000,China)

Combing with the correlative performance of American carrier formation carrier-borne aircraft and Tomahawk cruise missile,this paper establishes the threat evaluation model of American carrier formation carrier-borne aircraft and Tomahawk cruise missile based on entropy weight-grey relation projection.Simulation results show the effect of threat estimation indexes of carrier formation carrier-borne aircraft and Tomahawk cruise missile on threat evaluation intuitively,which is helpful to deduce enemy's campaign purpose accurately and timely,forms effective strike scheme and provides theoretical foundation.

carrier formation;carrier-borne aircraft;cruise missile；threat evaluation;grey relation projection

2016-11-12

TN918

A

CN32-1413(2017)02-0001-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.001