基于OODA的紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能灰色評估

李化濤，陳曉明，楊 欣

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 211106)

武器裝備發(fā)展的主要目標(biāo)是提高武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能[1]，而決策的重要依據(jù)是對武器系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)效能評估.武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估的方法有很多，如研究在ADC模型下的區(qū)間分析[2]；研究ADC模型的灰色評估[3]；研究評估的改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)模型[4]；研究用層次分析法來評估作戰(zhàn)效能[5-6].影響武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的因素有很多，如研究在信息戰(zhàn)環(huán)境下的作戰(zhàn)效能評估[7]；研究在煙幕干擾情況下的作戰(zhàn)效能評估[8]；研究在協(xié)同編隊(duì)情況下的作戰(zhàn)效能評估[9]；研究在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下的作戰(zhàn)效能評估[10].對武器裝備進(jìn)行科學(xué)的作戰(zhàn)效能評估[11-14]不僅為武器裝備的發(fā)展策略提供可靠的依據(jù)，還為戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法和作戰(zhàn)指導(dǎo)思想提供科學(xué)的指導(dǎo).

雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈因數(shù)字射頻存儲器[15]的發(fā)展逐漸失效，紅外導(dǎo)彈在空戰(zhàn)中的作用將越來越大.紅外導(dǎo)彈具有隱蔽性好、制導(dǎo)精度高、能適應(yīng)全天候作戰(zhàn)的特點(diǎn)，是現(xiàn)代空戰(zhàn)的主要作戰(zhàn)武器.分析評估紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能，找準(zhǔn)制約作戰(zhàn)效能的條件，找出提高作戰(zhàn)效能的有效方法，可以在武器設(shè)計、人員訓(xùn)練、裝備保障等方面針對性提高，從而有效提高紅外導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能.本文在紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能模型構(gòu)建的過程中，開創(chuàng)性的利用基于端點(diǎn)的混合可能度函數(shù)的灰色聚類模型來定量化處理模糊和不確定性的效能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了定性與定量評估的轉(zhuǎn)換.

1 紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系

1.1 基于OODA的紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)流程分析

實(shí)戰(zhàn)化條件下空中作戰(zhàn)戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜、態(tài)勢瞬息萬變、多種戰(zhàn)法運(yùn)用等特點(diǎn)，美國空軍上校John Boyd在總結(jié)分析空戰(zhàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了將作戰(zhàn)過程抽象為觀察(observation，O)，判斷(orientation,O),決策(decision，D)，行動(action，A)的OODA環(huán)理論[16-17]，它可以高度抽象紅外導(dǎo)彈空空作戰(zhàn)過程，也可以清楚地描述紅外導(dǎo)彈空空作戰(zhàn)行動的整個過程.分析紅外導(dǎo)彈空空作戰(zhàn)流程(如圖1)可以采用OODA環(huán)理論，根據(jù)作戰(zhàn)各個環(huán)節(jié)的條件和任務(wù)，簡單化、模塊化處理復(fù)雜的空空作戰(zhàn)過程，從而針對性的分析實(shí)戰(zhàn)化條件下紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評估.

OODA環(huán)可以將實(shí)戰(zhàn)化條件下紅外導(dǎo)彈工作流程的殺傷鏈(發(fā)現(xiàn)、確定、跟蹤、定位、打擊、評估)清晰描述出來，構(gòu)成作戰(zhàn)效能評估生成的基本回路，整個回路由4個獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的模塊組成.4個模塊如下[18].

1) 觀察 飛行員駕駛飛機(jī)進(jìn)入作戰(zhàn)區(qū)域，此時導(dǎo)彈已準(zhǔn)備好.飛行員利用飛機(jī)雷達(dá)、光電雷達(dá)、自身目視以及數(shù)據(jù)鏈獲取戰(zhàn)場態(tài)勢信息和目標(biāo)信息，通過飛機(jī)系統(tǒng)對比過濾，提取出有用信息，并對目標(biāo)進(jìn)行識別，相關(guān)信息呈現(xiàn)給飛行員進(jìn)行判斷.

2) 判斷 飛行員根據(jù)觀察結(jié)果，分析、預(yù)測和評估戰(zhàn)場態(tài)勢信息，做出對目標(biāo)的威脅程度判斷.

3) 決策 飛行員根據(jù)當(dāng)前戰(zhàn)場態(tài)勢，在觀察判斷的基礎(chǔ)上，對目標(biāo)進(jìn)行攻擊決策，駕駛飛機(jī)占據(jù)有利位置，操縱導(dǎo)彈導(dǎo)引頭搜索目標(biāo)，鎖定目標(biāo).

4) 行動 根據(jù)作戰(zhàn)命令，發(fā)射導(dǎo)彈，載機(jī)脫離，對目標(biāo)毀傷情況進(jìn)行評估，準(zhǔn)備再次作戰(zhàn).

1.2 紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)分析

紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評估研究的前提和基礎(chǔ)是指標(biāo)體系的建立，它是將抽象的紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能按照其本質(zhì)屬性和特征的某一方面的標(biāo)識化解成為具有行為化、可操作化的結(jié)構(gòu)，并對指標(biāo)體系中每一結(jié)構(gòu)指標(biāo)賦予相應(yīng)權(quán)重的過程.

采用OODA環(huán)理論對紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)流程進(jìn)行模塊化分析，將紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能運(yùn)用層次分析法(AHP)劃分為電子戰(zhàn)能力、態(tài)勢感知能力、控制決策能力、火力打擊能力.如圖2所示.

對于紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評估，其態(tài)勢感知能力主要包括飛機(jī)雷達(dá)偵查探測能力、飛機(jī)光電雷達(dá)偵查探測能力、飛行員目視能力和數(shù)據(jù)鏈信息支援能力，利用這些能力盡快獲得目標(biāo)的信息，從而達(dá)到先敵發(fā)現(xiàn)，先敵開火，先敵命中，保全自身的目標(biāo).控制決策能力主要包括飛機(jī)敏捷性、飛機(jī)武器系統(tǒng)控制能力、飛機(jī)信息處理與融合能力、飛行員控制決策能力.火力打擊能力主要是由導(dǎo)彈自身性能參數(shù)決定，其包括導(dǎo)彈攻擊區(qū)域、導(dǎo)彈制導(dǎo)能力、導(dǎo)彈毀傷效果、導(dǎo)彈抗干擾能力.戰(zhàn)場環(huán)境中，電子戰(zhàn)能力顯得尤為重要，交戰(zhàn)雙方爭奪電磁頻譜控制權(quán)和使用權(quán)，誰掌握了電磁權(quán)誰就掌握了整個戰(zhàn)場，電子戰(zhàn)能力主要包括電子信息攻擊能力和電子信息抗干擾能力.

2 紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能模型構(gòu)建

2.1 利用層次分析法(AHP)計算指標(biāo)權(quán)重

層次分析法是一種定量與定性相結(jié)合、層次化、系統(tǒng)化的分析方法，它把復(fù)雜的紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)過程分解為各個作戰(zhàn)指標(biāo)，并將這些指標(biāo)按從屬關(guān)系分組構(gòu)成遞階層次結(jié)構(gòu)，然后各層次中指標(biāo)的相對重要性采用構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣來確定，計算指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性.

根據(jù)紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系，構(gòu)造互反判斷矩陣A=(aij)n×n，其中aij表示第i項(xiàng)指標(biāo)相對于第j項(xiàng)指標(biāo)的重要值，其1～9級數(shù)量標(biāo)度如表1所示[19].

表1 1～9數(shù)量標(biāo)度

建好互反判斷矩陣后，采用方根法求解，求出正反判斷矩陣的特征向量和最大特征根，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，從而確定各指標(biāo)相對于上一層級的權(quán)重，步驟如下所示.

1) 計算互反判斷矩陣每一行元素的乘積，再計算n次方根：

(1)

對進(jìn)行歸一化處理得到:

(2)

則W=(ω1,ω2,...,ωn)T為互反判斷矩陣A的特征向量，即為各個指標(biāo)的權(quán)重值.

計算最大特征根：

(3)

2) 一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣A的一致性指標(biāo)為

CI=(λmax-n)/(n-1),

(4)

CR=CL/RI,

(5)

其中RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，具體數(shù)值見表2.對于一致性，當(dāng)CR=0時，A矩陣為完全一致性矩陣；當(dāng)CR<0.1時，A矩陣為滿意一致性矩陣；當(dāng)CR≥0.1時，A矩陣不具有一致性，需要調(diào)整判斷矩陣不合理部分[20].

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

2.2 構(gòu)建灰色聚類模型

2.2.1 評價樣本矩陣的確定

根據(jù)作戰(zhàn)效能評估規(guī)則，將評估指標(biāo)的取值范圍劃分為4個灰類，如表3所示.

表3 評價準(zhǔn)則

邀請m個專家根據(jù)表3的評價準(zhǔn)則對各個作戰(zhàn)評估指標(biāo)進(jìn)行評分，所有的評分構(gòu)成評價樣本矩陣.

D=(dij)m×ni=1,2,…,m,

(6)

其中dij表示第i個專家對于第j個指標(biāo)進(jìn)行評價的分?jǐn)?shù).

根據(jù)樣本矩陣，構(gòu)造一個專家評分在樣本評分中所占權(quán)重的向量W1=(W11,W12,…,W1m)，其中W1m表示第m個專家的評分在樣本中的權(quán)重.

2.2.2 確定評價灰類

λk=(ak+ak+1)/2，k=2,…,s-1.

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2.2.3 確定灰色聚類權(quán)向量矩陣

(12)

wj=W=(ω1,ω2,...,ωn)T,

(13)

(14)

2.2.4 進(jìn)行綜合評估

結(jié)合表3的評價準(zhǔn)則，將紅外導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能灰色聚類評估結(jié)果進(jìn)行量化得到紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評估值U為：

U=W1·R·F，

(15)

其中W1，為樣本矩陣中專家評分的權(quán)重向量；F為灰度評價的最優(yōu)向量，F(xiàn)=(4，5，7，8)T；R為灰色聚類權(quán)向量矩陣.

采用該模型同樣可以對紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評估中的電子戰(zhàn)能力、態(tài)勢感知能力、控制決策能力、火力打擊能力進(jìn)行灰色聚類評估.

3 算例分析

本文以某三代戰(zhàn)機(jī)掛載某四代紅外熱成像導(dǎo)彈為例，邀請4位專家組成評估小組，采用表1的1～9數(shù)量標(biāo)度法，兩兩比較紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能指標(biāo)得到互反判斷矩陣A：

根據(jù)式(1)、(2)計算出互反判斷矩陣A的權(quán)重向量W為：

由式(3)計算出互反判斷矩陣A的最大特征根：

λmax=4.

根據(jù)式(4)、(5)以及表2數(shù)據(jù)，計算得

CI=0.000 58，

CR=0.000 65.

CR=0.000 65<0.1，互反判斷矩陣A滿足一致性要求.

為了構(gòu)造評價樣本，邀請4位專家根據(jù)表3評價準(zhǔn)則對各個作戰(zhàn)評估指標(biāo)進(jìn)行評分，所有的評分dij構(gòu)成評價樣本矩陣D：

本次評價過程中，設(shè)定4位專家的評分在評價樣本中的權(quán)重均一致，4位專家的評價權(quán)重：

W1=(0.25,0.25,0.25,0.25) .

根據(jù)式(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)可得灰色聚類權(quán)向量矩陣：

根據(jù)式(15)，結(jié)合表3制定的評價準(zhǔn)則，紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能灰色聚類評估值：

U=W1·R·F=7.566 4 .

由上式結(jié)果可知，該飛機(jī)的紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評估值為7.566 4，依據(jù)表3的評價準(zhǔn)則，對應(yīng)評價結(jié)果為“良”.

運(yùn)用參考文獻(xiàn)[20]的作戰(zhàn)效能評估方法對該紅外導(dǎo)彈進(jìn)行灰色評估檢驗(yàn)，評估結(jié)果為U=7.321 3，對應(yīng)評價結(jié)果為“良”，結(jié)果表明本文灰色評估方法的有效性.本文灰色評估計算過程中較文獻(xiàn)灰數(shù)范圍要小，因此提高了作戰(zhàn)效能評估的精確度和有效性.

4 結(jié)語

根據(jù)實(shí)戰(zhàn)化條件下紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評估的要求，引入OODA環(huán)理論對紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)過程進(jìn)行模塊化分析，結(jié)合AHP建立了紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系并確定指標(biāo)的權(quán)值；采用基于混合可能度函數(shù)的灰色聚類理論建立了評估模型，通過算例分析對構(gòu)建的作戰(zhàn)效能模型進(jìn)行仿真評估與檢驗(yàn).結(jié)果表明該評估方法科學(xué)合理，縮小了計算過程中評估灰數(shù)范圍，從而提高了作戰(zhàn)效能評估的精確度和有效性，因此更能精確的找出制約紅外導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能的條件，針對性的提高.