大口徑艦炮武器系統(tǒng)體系貢獻率評估方法

鄭貴文,董紹陽

(1.海軍裝備部項目管理中心,北京 100071;2.江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222061)

目前,國際海洋環(huán)境處于相對不穩(wěn)定狀態(tài),誰能在領土、資源以及武器裝備方面占領先機,誰就能在國際爭端和沖突中占據(jù)主動權。這樣的國際環(huán)境迫切要求大口徑艦炮武器系統(tǒng)必須具備“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵打擊”的特性。這一目標的實現(xiàn)是建立在積極發(fā)展先進裝備和高新技術的基礎上,包括無人偵察裝備、先進火控解算技術以及末制導炮彈技術等。這些裝備和技術的應用,會使艦炮武器系統(tǒng)在目標偵察定位、遠程火力壓制、精確制導打擊和高效目標毀傷等方面具有長足的發(fā)展。因此,開展艦炮遠程對海作戰(zhàn)武器裝備體系貢獻率評估的研究工作就具有非常重要的先導作用和軍事價值。

雖然系統(tǒng)分析和體系技術專業(yè)中給出了體系貢獻率的定義,但整個評估流程尚未形成標準、統(tǒng)一的步驟,尤其是對細化的單一系統(tǒng)評估更是沒有可以明確參考的對象。本文的研究內(nèi)容是對體系貢獻率評估的一種規(guī)范化嘗試,以大口徑艦炮武器系統(tǒng)作為示例對評估流程進行合理的架構搭建,為全軍體系層面和單一武器裝備層面的新裝備研制論證提供參考。

1 評估流程

大口徑艦炮武器系統(tǒng)各貢獻率評估指標目前缺乏明確的定量公式計算方法,并且即使是同一系統(tǒng),各個指標的體系貢獻率也會依據(jù)建立的作戰(zhàn)任務場景不同而呈現(xiàn)不同的變化。因此，體系貢獻率的評估過程關鍵在于作戰(zhàn)任務及作戰(zhàn)參數(shù)的設置,將模糊的指標進行量化,達到綜合評價的目的,對于評價計算的模型要求相對較低。其次,計算模型要突出的重點是新舊裝備的性能對比,回答裝備的更新在特定的作戰(zhàn)任務下是否非常必要這一根本問題。官東林等提出的模糊分析算法[1]或耿秋等提出的以需求值為基礎的改進型體系貢獻率評估方法[2],其本質(zhì)都是建立在對新舊裝備替增效果的評估上,因此，只要相對比較法的內(nèi)涵不變,無論形式如何變化,其評估效果都是大同小異的。相對比較法的評估模型能夠更簡潔直觀地給裝備決策者提供新舊裝備能力指標的對比情況,而其難點也顯而易見,眾多參數(shù)的設置和評價標準的確定必須盡可能地貼合武器裝備使用場景以及作戰(zhàn)的形式流程。

體系貢獻率的評估實質(zhì)上是從裝備頂層設計和論證開始,面向部隊的需求和作戰(zhàn)任務,依據(jù)體系作戰(zhàn)的過程[3],對具體裝備在整個流程中的作用進行層層分解、逐步細化的過程,具有涉及層次深、涵蓋范圍廣的特點。

從以上對體系貢獻率的實質(zhì)剖析中,可以逐層對其進行步驟分解,流程見圖1。

圖1 體系貢獻率評估流程圖解

步驟1:使命任務分析是根據(jù)作戰(zhàn)需求,分析裝備承擔的作戰(zhàn)任務,包括作戰(zhàn)區(qū)域、作戰(zhàn)對象、作戰(zhàn)形式等,形成作戰(zhàn)任務清單。使命任務分析對整個評估流程具有導向作用,所有工作都以此為中心展開。

步驟2:對抗場景設置要緊貼當前軍事矛盾與斗爭實際,依據(jù)作戰(zhàn)任務中對作戰(zhàn)區(qū)域的設定,可以設置多個對抗場景,合理地提出軍事背景、敵我裝備體系構成、體系對抗過程等內(nèi)容,著重分析對抗過程中新研裝備的應用場景和作用。

步驟3:能力指標梳理要依托裝備體系能力框架,針對裝備具體的作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)效能,突出重點評估的指標項，如圖2。建議依據(jù)OODA理論[4],從偵察(Observation)、判斷(Orientation)、決策(Decision)和行動(Action)的循環(huán)過程中,描述作戰(zhàn)沖突、對應作戰(zhàn)能力、刻畫作戰(zhàn)指標。

圖2 海軍裝備體系能力框架

步驟4:建立任務-能力評估矩陣,明確任務需要的能力支撐項,并將能力拆解為具體的指標項,對定性的指標提出要求,對定量的指標以分級的形式描述量化標準。結合現(xiàn)役同功能裝備間的指標異同點,進行突出能力/效能的篩選。建立評估矩陣是整個流程的重點工作,是衡量新研裝備能否勝任部隊任務需求的評估標準。

步驟5:定性定量計算分析,依據(jù)評估矩陣中提出的指標項,提出計算方案,建立計算模型,進行指標計算。對于作戰(zhàn)能力項,根據(jù)武器裝備的特性進行評估,對于依托于作戰(zhàn)過程的效能指標,需進行體系作戰(zhàn)分析,建立對抗模型和數(shù)學模型,得到作戰(zhàn)效能結果。運用相對比較法計算模型，與現(xiàn)役同功能武器裝備進行比較計算,形成分級描述結論,計算的模型如下

(1)

其中,AM為指標M的體系貢獻率[5]。當新增武器加入體系后,指標M較無新增武器時有所提升(能力增強),則n取偶數(shù),AM>0,AM值越大代表增強效果越好;若指標M較無新增武器時有所下降(能力減弱),則n取奇數(shù),AM<0,AM值越小代表減弱效果越明顯。

最后,根據(jù)新研裝備的作戰(zhàn)性質(zhì),確定能力指標的偏重點,若新研武器為偵察預警類裝備,則能力項權重分析中偵察預警指標應占主要比例,若新研裝備為戰(zhàn)斗打擊型裝備,則能力項中火力打擊的相關指標應占主要部分,具體數(shù)值可以依據(jù)決策者下達的需求分析確定。對步驟4中的各能力項進行權重分析,并計算出衡量新研裝備總體的體系貢獻率指標。計算的模型如下

(2)

其中,n為武器裝備能力項的個數(shù),Ai為指標M對應能力項的體系貢獻率,Ni為其權重。A總>0代表新武器系統(tǒng)的加入增強了原裝備體系,A總值越大代表增強效果越好,A總<0代表新武器系統(tǒng)的加入不利于原裝備體系的提高。

以上評估過程是對單一新研裝備的體系貢獻率評估,對于兩種及以上的新研裝備對武器貢獻率的影響,此方法同樣適用。但需要注意的是,兩種及以上新研裝備體系貢獻率評估并不是單獨對各個裝備進行指標分解,而是將各裝備整體融入設定的作戰(zhàn)場景下,依據(jù)海軍裝備能力體系框架對各個裝備的能力進行分解,對于不同的能力項分條列出,對于相同的能力項進行歸類整合,依據(jù)各個裝備的指標要求,統(tǒng)一建立任務-能力評估矩陣。體系貢獻率評估的是所有引入裝備對體系作戰(zhàn)的提升,是一個武器綜合性能評估的標準。

2 大口徑艦炮武器系統(tǒng)的體系貢獻率評估

2.1 使命任務分析

案例分析:為滿足對海遠距離作戰(zhàn)需求,保障艦艇在與敵艦海上對峙或小規(guī)模海上摩擦時有先敵發(fā)現(xiàn)、先敵打擊的優(yōu)勢,在現(xiàn)役大口徑艦炮武器系統(tǒng)成熟技術基礎上,發(fā)展一套滿足對?；鹆Υ驌舻男卵写罂趶脚炁谖淦飨到y(tǒng),其使命任務是:擔負艦艇海上作戰(zhàn)時對敵艦艇打擊任務。根據(jù)新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)的使命任務,綜合分析形成作戰(zhàn)任務清單:

1) 對海上超視距機動目標進行捕獲和跟蹤;

2) 控制武器實施遠距離精確打擊及毀傷。

2.2 對抗場景設置

針對新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)任務,考慮海域中復雜的國際環(huán)境和潛在敵對勢力海上艦艇的作戰(zhàn)力量,以紅、藍陣營在國內(nèi)海域的對抗演習作為沖突和作戰(zhàn)的分析場景。

場景:紅方在海域環(huán)境中對藍方艦艇實施打擊

1)軍事背景

任務區(qū)域:海洋環(huán)境中軍事演習范圍。

任務樣式:在擦槍走火后,紅方雷達立即搜索跟蹤藍方驅(qū)逐艦,火控解算射擊諸元,艦炮發(fā)射對海制導炮彈,完成對藍方艦艇的打擊,并進行毀傷評估。

使命任務目標:在對方艦炮射程外,通過新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)發(fā)射的對海制導炮彈,重創(chuàng)藍方艦艇,使其喪失作戰(zhàn)能力。

2)裝備體系構成

①紅方裝備體系

驅(qū)護編隊:新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)。

水面艦艇偵察裝備:相控陣雷達、跟蹤雷達、光電偵察設備。

空中偵察平臺:無人偵察機。

火力打擊裝備:新研大口徑艦炮。

指控通信裝備:一體化指揮平臺系統(tǒng)、技偵系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)鏈、指揮專網(wǎng)、短波通信等[6]。

②藍方裝備體系

以國外“愛宕級”驅(qū)逐艦為參考研究對象:127 mm艦炮武器系統(tǒng)。

水面艦艇偵察裝備:3D相控陣雷達、搜索雷達。

火力打擊裝備:Mk45 Mod4型127 mm艦炮。

3)體系對抗過程

在不進行戰(zhàn)斗升級(未使用艦艦導彈)、對峙距離為23 km～50 km的情況下,紅方驅(qū)逐艦偵察預警系統(tǒng)派出無人機對藍方目標“愛宕級”驅(qū)逐艦進行發(fā)現(xiàn)、捕獲及跟蹤,將目標指示數(shù)據(jù)發(fā)送回全艦作戰(zhàn)指揮系統(tǒng),在諸元解算完成后，紅方艦艇控制新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)發(fā)射末制導炮彈對藍方艦艇進行打擊。由于對峙距離處于藍方127 mm艦炮射程之外,藍方艦艇在偵察到紅方炮彈來襲后,被迫進行機動規(guī)避。紅方末制導炮彈在中制導階段通過衛(wèi)星-慣導的形式調(diào)整姿態(tài),在末制導階段通過半主動方式對目標進行搜索,最終精確命中目標,之后通過無人機偵察的手段進行毀傷評估。

4)超視距對海打擊情況分析

整個體系涉及無人偵察、指令修正、機動預測、火控解算、制導攻擊和毀傷評估等多種作戰(zhàn)能力,涵蓋了包括定位精度、指令時延、機動范圍、命中概率等多項指標,能較為全面地展現(xiàn)敵我對抗過程中新系統(tǒng)裝備發(fā)揮的作用,對新研裝備體系貢獻率評估有很好的參考價值。

2.3 能力指標梳理

根據(jù)體系對抗的過程,參考裝備體系能力框架,依據(jù)OODA環(huán)循環(huán)理論,對重點指標項進行梳理，如表1所示。

表1 任務-能力-指標對應表

2.4 建立評估矩陣

根據(jù)作戰(zhàn)需求和使命任務目標,采用分級打分的形式對能力-指標項進行描述,直觀、形象地為決策者提供評估依據(jù)，如表2所示。

表2 任務-能力評估矩陣

2.5 定性定量計算分析

2.5.1 體系貢獻率評估方法

將現(xiàn)役大口徑艦炮武器系統(tǒng)與新裝備新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)進行同能力、同指標下的體系效能對比,依據(jù)步驟5相對比較法進行評估,計算新裝備對體系的貢獻率。

2.5.2 計算方案及過程

根據(jù)能力-指標項梳理的結果,分別對現(xiàn)役大口徑、新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)進行指標計算及效能分析,論證方案涉及范圍廣,本文以火力打擊能力項中對機動目標的單發(fā)命中概率為典型計算示例,開展方案計算,其他指標的計算方法不作詳細闡述。

偵察設備對機動目標的定位精度為(σ′x,σ′y),誤差組成包括本艦定位誤差、無人機自身定位誤差和無人機探測誤差[7],而探測誤差由姿態(tài)測量誤差和載荷角度測量誤差組成[8]。反應時間為T,末制導炮彈從發(fā)射到啟控點的飛行時間為t, 目標機動樣式以轉(zhuǎn)彎規(guī)避和勻速直航為主,在t+T過程中，其位置變化情況如圖3所示。

圖3 藍方艦艇不同轉(zhuǎn)舵角下經(jīng)250 s規(guī)避樣式圖

末制導段機動范圍為S,即有效制導幅員,在導引頭能偵察捕獲的區(qū)域內(nèi),末制導機動皆可達(如圖4所示),因此，視場捕獲域成為衡量S的關鍵因素[9]。

圖4 導引頭末制導段視場捕獲域

在對目標進行打擊的過程中,命中精度還受火控解算誤差和制導誤差的影響,火控解算部分主要是濾波外推誤差,制導誤差包括照射誤差和控制誤差[10],進行數(shù)值模型計算時，必須要考慮以上因素,最終目標點的射擊精度為(σx,σy)。以偵察裝備對藍方艦艇的定位位置為原點,建立直角坐標系,如圖5所示。

圖5 無人機偵察及藍方艦艇規(guī)避模型

當末制導炮彈以o為瞄準點發(fā)射后,目標開始規(guī)避,經(jīng)T+t后，新的目指變?yōu)閛′(x0,y0),服從以o′為中心,標準差為(σx,σy)的二維正態(tài)分布,通常情況下，x和y方向上的精度誤差相互獨立[11]。

(3)

末制導炮彈在有效制導幅員S內(nèi)對目標的命中概率為

P=?x2+y2≤S2f(x,y) dxdy=

(4)

根據(jù)以上對抗分析數(shù)學模型,設置合理的武器裝備參數(shù),運用Matlab進行數(shù)據(jù)仿真分析,對作戰(zhàn)體系下大口徑艦炮制導炮彈的命中概率進行指標計算。

設定無人機航路參數(shù)并進行坐標變換,得到無人機對目標的定位精度如表3所示。

表3 無人機對目標的定位誤差

對紅、藍雙方的主要作戰(zhàn)參數(shù)設置如表4所示。

表4 紅、藍雙方主要作戰(zhàn)參數(shù)設置

將參數(shù)代入提出的命中概率模型,計算在設定作戰(zhàn)背景下的大口徑艦炮末制導炮彈的命中概率P=63%。從上述計算方案及過程可以看出,戰(zhàn)技指標越貼合實戰(zhàn)環(huán)境，參數(shù)設置越合理,得到的仿真計算結果越可靠。

2.5.3 評估計算結果

依據(jù)“任務-能力”評估矩陣中的評定標準,分別對現(xiàn)役大口徑和新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)的指標項進行定性、定量統(tǒng)計分析,對統(tǒng)計結果進行分級評定,最終計算體系貢獻率數(shù)值百分比，如表5所示。

表5 體系貢獻率結果統(tǒng)計表

在建立權重分布時,常采用主觀賦權法,根據(jù)決策者及專家主觀上對各屬性的重視程度來確定屬性權重,其原始數(shù)據(jù)由專家根據(jù)經(jīng)驗主觀判斷而得到。常用的主觀賦權法有專家調(diào)查法(Delphi 法)、層次分析法(AHP)、二項系數(shù)法、環(huán)比評分法和最小平方法等,本文選用的是理論成果較成熟的層次分析法。

首先建立層次結構圖如圖6所示,記C1、C2、C3對O的影響權重為ω=[ω1,ω2,ω3],通過一致矩陣法建立判斷矩陣。

圖6 層次結構圖

(5)

用1,2,3…9代表兩個權重的相對權重比,對如表6所示。

表6 相對權重比參照表

表7 能力/效能項權重分布

決策者沒有特殊要求的情況時,一般假定在武器裝備的同一個能力項下,每一個指標項的影響因子相同(或再根據(jù)主觀賦權進行層次分析),則總體的體系貢獻率計算模型可表述為

(6)

其中,m為在能力項Ai的指標個數(shù),計算可得新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)的體系貢獻率為8.9%>0。證明新研武器系統(tǒng)的加入滿足體系對抗的任務需求,在體系作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)效能上都有顯著的提升。體系貢獻率評估是一個過程分析,并不單單只統(tǒng)計總體貢獻率指標,從表5指標項的定性分析可以得出現(xiàn)役裝備和新研裝備在戰(zhàn)術指標上對需求值的滿足程度,為裝備決策者提供了一個直觀的性能評估參考。可以看出，新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)大部分指標處于“優(yōu)”的狀態(tài),相比于現(xiàn)役系統(tǒng)大部分指標處于“良”的情況,能更好地貼合作戰(zhàn)對武器裝備的性能要求。

結果分析:通過以上數(shù)據(jù)看出,總體上新研大口徑艦炮武器系統(tǒng)在武器控制能力和打擊能力上要優(yōu)于現(xiàn)役大口徑艦炮武器系統(tǒng),在“定位精度”和“打擊用時”等個別指標項上稍遜于后者的原因是新研武器系統(tǒng)與傳統(tǒng)武器系統(tǒng)在偵察方式上有很大的差別,并且，打擊距離方面也遠超現(xiàn)役大口徑武器系統(tǒng),因此，“中等”評定指標是在可接收范圍之內(nèi)的。最終的體系貢獻率結果也表明，新研武器系統(tǒng)將使大口徑艦炮在超視距對海作戰(zhàn)領域獲得顯著的性能提升。

當然,從上述評估計算過程可以看出，此體系貢獻率評估方法及流程對武器的原始戰(zhàn)術技術參數(shù)和作戰(zhàn)過程分析依賴程度非常高,參數(shù)越精確,作戰(zhàn)形式越貼合實際對抗過程,得出的體系貢獻率評估結果就越具有參考價值。同時,整個評估流程涉及很多高新裝備的性能和應用,對評估者的專業(yè)素養(yǎng)及戰(zhàn)術經(jīng)驗要求比較高,但得到的結果具有非常全面和綜合的應用價值。

3 結束語

本文以大口徑艦炮武器系統(tǒng)在海軍裝備體系中的體系貢獻率評估為參考模型,對新研裝備的體系貢獻率評估流程進行了合理的架構搭建,詳細介紹了分析方法、分析過程,對海軍作戰(zhàn)體系能力的指標進行了建模研究,定性、定量分析了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力和效能,得到了新裝備的體系貢獻率。結果表明:此體系貢獻率評估模型及應用流程能很好地兼顧作戰(zhàn)需求與能力指標的關系,為新裝備的研發(fā)、評估以及檢驗奠定了參考依據(jù),對大口徑艦炮體系作戰(zhàn)應用具有一定的參考價值。