空中目標(biāo)威脅度分析與評(píng)估方法

黃威龍,何 濤

(南京電子技術(shù)研究所,江蘇 南京 210000)

空中目標(biāo)威脅度一般指敵空中作戰(zhàn)單元自身作戰(zhàn)能力和對(duì)我方重要保衛(wèi)目標(biāo)造成破壞的程度及可能性?？罩心繕?biāo)的威脅度分析與評(píng)估是防空預(yù)警信息系統(tǒng)工作中的關(guān)鍵一環(huán),對(duì)于預(yù)警探測(cè)裝備資源調(diào)度和打擊武器火力分配具有重要的參考和指導(dǎo)意義。

在網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)和預(yù)警探測(cè)裝備手段快速發(fā)展的背景下,防空預(yù)警信息系統(tǒng)能夠獲取的探測(cè)傳感器和偵察設(shè)備類型不斷增加,獲取的敵空中目標(biāo)信息不斷豐富。威脅度評(píng)估就是建立在所獲取的多維度、多屬性目標(biāo)狀態(tài)信息和態(tài)勢(shì)估計(jì)基礎(chǔ)之上的高層信息融合技術(shù)[1]。

目前,國(guó)內(nèi)外常用的目標(biāo)威脅度評(píng)估方法通常選取表征目標(biāo)威脅度的影響因子并對(duì)其進(jìn)行處理和計(jì)算,得到目標(biāo)威脅度評(píng)估結(jié)果[2-4]。大多數(shù)文獻(xiàn)針對(duì)威脅度影響因子的選擇過(guò)于簡(jiǎn)單[5-6],或者所選影響因子數(shù)量雖多,但類型趨于單一[7],導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)威脅度的表征不夠全面。本文以防空預(yù)警信息系統(tǒng)為應(yīng)用背景,綜合考慮空中目標(biāo)威脅度影響要素、偵察探測(cè)裝備探測(cè)信息特點(diǎn),提煉出層次式空中目標(biāo)威脅度評(píng)估指標(biāo)體系,并采用層次分析法建立威脅度綜合評(píng)估模型,給出空中目標(biāo)威脅度評(píng)分,為后續(xù)預(yù)警探測(cè)資源的靈活籌劃調(diào)度和武器火力分配提供了決策依據(jù)。

1 層次式指標(biāo)體系構(gòu)建

飛機(jī)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)掌握主動(dòng)權(quán)的利器和關(guān)鍵,特別是近半個(gè)世紀(jì)以來(lái),數(shù)次局部戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)果已經(jīng)充分證明了掌握制空權(quán)就是捏住了戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的命脈。飛機(jī)具有飛行速度快,機(jī)動(dòng)性強(qiáng),打擊距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),隨著預(yù)警機(jī)、加油機(jī)等功能強(qiáng)大的空中節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的出現(xiàn),飛機(jī)的遠(yuǎn)程作戰(zhàn)、聯(lián)合作戰(zhàn)能力得到了大幅提升。以一個(gè)典型敵空中目標(biāo)遠(yuǎn)程打擊場(chǎng)景為例,敵海外軍事基地一架轟炸機(jī)起飛,執(zhí)行對(duì)我本土的打擊任務(wù),同時(shí)預(yù)警機(jī)編隊(duì)從航母起飛前出配合執(zhí)行預(yù)警偵察任務(wù),加油機(jī)在加油陣位配合提供途中加油(加油后的轟炸機(jī)續(xù)航長(zhǎng)達(dá)上萬(wàn)千米),轟炸機(jī)在距離我海岸線1 000多千米的我防區(qū)外發(fā)射遠(yuǎn)程空射巡航導(dǎo)彈,直接打擊我本土重要設(shè)施,具有非常大的威脅?？罩心繕?biāo)威脅度的分析評(píng)估本質(zhì)上是一個(gè)多屬性決策問(wèn)題[8-11]。通過(guò)分析空中目標(biāo)威脅度主要影響因素,結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)有探測(cè)裝備能力,選取攜彈類型、隱身性能、目標(biāo)類型、所屬國(guó)家、任務(wù)類型、進(jìn)入角、速度、目標(biāo)距離共8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)空中目標(biāo)威脅度的定義,瞄準(zhǔn)空中目標(biāo)威脅度評(píng)估的目標(biāo),按照目標(biāo)能力、作戰(zhàn)意圖、成功機(jī)會(huì)三大準(zhǔn)則進(jìn)行一級(jí)指標(biāo)劃分。攜彈類型和隱身性能在一定程度上表征了空中目標(biāo)的作戰(zhàn)能力,目標(biāo)類型、所屬國(guó)家、任務(wù)類型、進(jìn)入角則體現(xiàn)了空中目標(biāo)的作戰(zhàn)意圖,速度和目標(biāo)距離則直接體現(xiàn)了空中目標(biāo)與被保護(hù)設(shè)施之間的時(shí)空距離,即打擊成功的機(jī)會(huì)性。因此,構(gòu)建如圖1所示的層次式空中目標(biāo)威脅度評(píng)估指標(biāo)體系。

空中目標(biāo)威脅度評(píng)估指標(biāo)體系中包括體現(xiàn)目標(biāo)不同屬性的定量和定性多種指標(biāo),缺乏統(tǒng)一量綱進(jìn)行衡量,需確定多屬性決策方法并計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重,最終給出量化的目標(biāo)威脅度評(píng)估值。本文評(píng)估值量化標(biāo)準(zhǔn)采用十分制,下面分別介紹每個(gè)指標(biāo)的定義及量化方法。

1) 攜彈類型

飛機(jī)的攜彈類型大致可以分為對(duì)地攻擊炸彈、火箭彈、精確制導(dǎo)炸彈、空對(duì)地導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、空射巡航彈、核彈共7類。該指標(biāo)可以衡量空中目標(biāo)的火力打擊射程以及可能對(duì)我方保衛(wèi)區(qū)域所造成的傷害程度?；谶@兩個(gè)維度的考量,結(jié)合專家打分法可以獲取攜彈類型指標(biāo)的威脅評(píng)分表,如表1所示。

表1 攜帶類型威脅評(píng)分表Tab.1 Carrying type threat rating table

2) 隱身性能

飛機(jī)的隱身性能是指采用低散射氣動(dòng)外形、隱身材料技術(shù)、紅外隱身技術(shù)等減弱目標(biāo)的雷達(dá)反射波、紅外輻射等特征信息,躲避偵察探測(cè)裝備探測(cè)的能力。主要考慮雷達(dá)RCS和紅外輻射強(qiáng)度的因素,將隱身性能按強(qiáng)弱劃分為5個(gè)等級(jí),如表2所示。

表2 隱身性能威脅評(píng)分表Tab.2 Stealth performance threat rating table

3) 目標(biāo)類型

不同目標(biāo)類型的飛機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中有不同的作戰(zhàn)能力和使命。轟炸機(jī)載彈量大,對(duì)重要戰(zhàn)略目標(biāo)可能造成的毀傷程度大;預(yù)警機(jī)雖缺乏戰(zhàn)斗火力,但其作為空中指揮大腦的作用不可小覷;加油機(jī)可以顯著擴(kuò)大其他飛機(jī)的活動(dòng)范圍,達(dá)到出其不意遠(yuǎn)程奔襲攻擊的效果。目標(biāo)類型指標(biāo)參照我國(guó)對(duì)空中目標(biāo)的分類方法,并綜合考慮火力打擊、預(yù)警指揮、系統(tǒng)使命等方面,通過(guò)專家打分法對(duì)轟炸機(jī)、預(yù)警機(jī)、加油機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)和其他飛機(jī)五種類型的目標(biāo)賦予相應(yīng)等級(jí)分值,如表3所示。

表3 目標(biāo)類型威脅評(píng)分表Tab.3 Target type threat rating table

4) 所屬國(guó)家

空中目標(biāo)所屬國(guó)家的科技能力、軍事能力不盡相同,所具備的飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造能力也不盡相同。所屬國(guó)家指標(biāo)在一定程度上可以反映該空中目標(biāo)的作戰(zhàn)能力。同時(shí),因?yàn)榭罩心繕?biāo)的續(xù)航里程限制,所屬國(guó)家或所屬國(guó)家的海外基地、海上起飛平臺(tái)等與我國(guó)的距離也在一定程度上反映了目標(biāo)的威脅程度。綜合計(jì)算國(guó)家軍事實(shí)力和到我國(guó)距離兩項(xiàng)數(shù)據(jù),將所屬國(guó)家指標(biāo)的威脅度劃分成五個(gè)等級(jí)并賦予相應(yīng)分值,如表4所示。俄羅斯、日本屬于我國(guó)土周邊軍事強(qiáng)國(guó),美國(guó)在我國(guó)土周邊有軍事基地和航母為飛機(jī)提供起飛條件,他們的威脅度最高,韓國(guó)、朝鮮、印度等鄰近亞洲國(guó)家威脅度次之,然后是英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等距離較遠(yuǎn)的歐洲國(guó)家,非洲、南美洲等國(guó)家威脅度較小,本國(guó)的威脅度未設(shè)為零,是考慮敵空中目標(biāo)混淆我方敵我識(shí)別設(shè)備的可能性。

表4 所屬國(guó)家威脅評(píng)分表Tab.4 National threat rating

5) 任務(wù)類型

空中目標(biāo)的任務(wù)類型一般可以分為攻擊、偵察、巡邏、訓(xùn)練和其他五種大類。常規(guī)情況下,空中目標(biāo)日常執(zhí)行巡邏、訓(xùn)練任務(wù);在特殊時(shí)間或事件發(fā)生節(jié)點(diǎn),攜帶有源、無(wú)源探測(cè)設(shè)備的空中目標(biāo)會(huì)執(zhí)行有目的性的偵察任務(wù);在戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)下,根據(jù)作戰(zhàn)需要執(zhí)行攻擊、偵察、加油等任務(wù)。綜合技術(shù)偵察、雷達(dá)偵察、大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)手段,并結(jié)合人工研判,可對(duì)空中目標(biāo)的任務(wù)類型做出初步分類。五類任務(wù)的威脅度評(píng)分如表5所示。

表5 任務(wù)類型威脅評(píng)分表Tab.5 Task type threat rating table

6) 進(jìn)入角

空中目標(biāo)與彈道目標(biāo)的不同點(diǎn)在于無(wú)法判斷最終目的點(diǎn),飛行航線隨機(jī)性大,機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。本指標(biāo)評(píng)估遵循以下規(guī)律:當(dāng)空中目標(biāo)執(zhí)行例行巡邏、訓(xùn)練演練等常規(guī)任務(wù)時(shí),其航線較為固定,且通常不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間朝向我方飛行;當(dāng)空中目標(biāo)在一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)入角均值較小,則表明其具有攻擊意圖,且進(jìn)入角值越小,則表明其攻擊我方意圖越強(qiáng)。將一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)入角均值指標(biāo)作為定量評(píng)估指標(biāo)之一,用θ表示,單位為度,評(píng)價(jià)函數(shù)s(θ)為

(1)

7) 速度

目標(biāo)速度越快,則其接近我方保衛(wèi)區(qū)域所需的時(shí)間越短,留給我方進(jìn)行攔截、打擊等戰(zhàn)術(shù)反應(yīng)的時(shí)間也越短,威脅度越大。通過(guò)雷達(dá)等探測(cè)裝備手段,再經(jīng)融合、濾波等處理后可得到空中目標(biāo)的速度估計(jì)值。速度指標(biāo)作為定量指標(biāo)參與空中目標(biāo)威脅度的評(píng)估計(jì)算,用v表示,單位為m/s,評(píng)價(jià)函數(shù)s(v)為如式(2)所示的分段函數(shù)。取一般武裝直升機(jī)的飛行速度70 m/s和典型的美國(guó)第五代戰(zhàn)斗機(jī)的最大平飛速度470 m/s作為邊界值。速度低于70 m/s時(shí),s(v)取值為0;速度高于470 m/s時(shí),s(v)取值為10;速度位于二者之間時(shí),s(v)取值符合線性函數(shù)。

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8) 目標(biāo)距離

空中目標(biāo)與被保衛(wèi)區(qū)域之間的距離越短,進(jìn)入敵機(jī)載武器射程內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)越大,留給我方防空系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間越短,威脅度越大。因此,將空中目標(biāo)與被保衛(wèi)區(qū)域之間的距離作為威脅度評(píng)估的定量指標(biāo)之一。設(shè)目標(biāo)與被保衛(wèi)區(qū)域之間的距離為l,單位為km,評(píng)價(jià)函數(shù)s(l)如式(3)所示。取典型的美國(guó)AGM-158聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈最大射程1 200 km為此項(xiàng)指標(biāo)威脅度的0值點(diǎn),隨著目標(biāo)距離縮小,威脅度值呈線性增長(zhǎng)。

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2 基于層次分析法的威脅度綜合評(píng)估

層次分析法[12-13]簡(jiǎn)稱AHP,是指將一個(gè)復(fù)雜的多屬性決策問(wèn)題作為一個(gè)系統(tǒng),將目標(biāo)分解為多個(gè)子目標(biāo)或準(zhǔn)則,進(jìn)而分解為多指標(biāo)或多屬性的若干層次,通過(guò)定性模糊量化方法算出每一層次指標(biāo)對(duì)上一層次指標(biāo)的優(yōu)先權(quán)重,進(jìn)而通過(guò)加權(quán)和算法得到總排序,以作為多屬性優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法?？罩心繕?biāo)威脅度受到多個(gè)指標(biāo)的影響,而層次分析法將這些復(fù)雜指標(biāo)進(jìn)行有序劃分,使得指標(biāo)層級(jí)更加清晰,并且合理的層級(jí)劃分可以對(duì)一些耦合性較低的因素進(jìn)行解耦,使得指標(biāo)分析和評(píng)估過(guò)程更加簡(jiǎn)潔、清晰。

具體步驟如圖2所示,本文步驟1中的層次式指標(biāo)體系已建立,下面主要介紹后續(xù)步驟。

圖2 層次分析法計(jì)算威脅度評(píng)分步驟Fig.2 Steps of AHP to calculate threat rating

2.1 判斷矩陣構(gòu)造

假設(shè)同一級(jí)指標(biāo)為F=[f1,f2, …,fn],分別將每一個(gè)指標(biāo)與其他所有同級(jí)指標(biāo)相比,對(duì)上級(jí)某一指標(biāo)的重要程度以數(shù)值1-9及其倒數(shù)表示,數(shù)值含義如表6所示。

表6 指標(biāo)重要性判斷矩陣中元素取值說(shuō)明Tab.6 Description of element values in index importance judgment matrix

所構(gòu)造出的判斷矩陣A中元素aij滿足以下約束條件:

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2.2 特征值和特征向量計(jì)算

每級(jí)的判斷矩陣構(gòu)造完成后,通過(guò)本征向量法得到矩陣A的最大特征值λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量W=[w1,w2, …,wn]T,再對(duì)W進(jìn)行歸一化處理,即可獲得同一級(jí)指標(biāo)相對(duì)于上級(jí)某一指標(biāo)的重要性權(quán)重。

2.3 一致性檢驗(yàn)

在使用該方法確定權(quán)值時(shí),可以用λmax-n衡量判斷矩陣中各元素的估計(jì)一致性,一致性指標(biāo)(Consistence Index)CI的定義如下:

(5)

CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI(Random Index)的比值稱為一致性比率CR(Consistence Rate),即CR=CI/RI,其中RI的取值如表7所示。CR的值可以衡量所構(gòu)造的判斷矩陣是否可以被接收。若CR>0.1,說(shuō)明矩陣A的一致性不符合要求,應(yīng)重新估計(jì);若CR<0.1,則認(rèn)為一致性滿足要求,求得的W可以作為本級(jí)各指標(biāo)的權(quán)值。

表7 隨即平均一致性指標(biāo)RITab.7 Random average consistency index RI

2.4 綜合評(píng)分計(jì)算

獲得各空中目標(biāo)威脅度底層指標(biāo)的評(píng)分S=[s1,s2, …,sn]和所占權(quán)重W=[w1,w2, …,wn]T后,采用一般加權(quán)和法,計(jì)算得到最終的空中目標(biāo)威脅度綜合評(píng)分p,計(jì)算公式如下:

(6)

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文空中目標(biāo)威脅度分析與評(píng)估方法的準(zhǔn)確性,對(duì)我方防空預(yù)警信息系統(tǒng)通過(guò)融合多手段探測(cè)的數(shù)據(jù)仿真,綜合處理后生成8批敵空中目標(biāo)屬性信息,選取某一時(shí)刻目標(biāo)屬性數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 敵空中目標(biāo)屬性數(shù)據(jù)Tab.8 Enemy aerial target attribute data

一級(jí)和二級(jí)指標(biāo)的重要性通過(guò)面向領(lǐng)域?qū)＜业膯?wèn)卷調(diào)查獲得,所構(gòu)造出的判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)則為有效調(diào)查問(wèn)卷。通過(guò)計(jì)算有效調(diào)查問(wèn)卷中指標(biāo)重要性的均值,獲得最終判斷矩陣,并計(jì)算得到指標(biāo)權(quán)重分布,如表9所示。

表9 指標(biāo)權(quán)重分布Tab.9 Index weight distribution

獲得各底層指標(biāo)權(quán)重后,再根據(jù)目標(biāo)屬性值分別采用定性和定量的評(píng)估方法計(jì)算得到各指標(biāo)評(píng)分,將單指標(biāo)評(píng)分和對(duì)應(yīng)權(quán)重相乘并相加,從而得到空中目標(biāo)威脅度綜合評(píng)分,所有仿真目標(biāo)的威脅度綜合評(píng)分結(jié)果集P為

由綜合評(píng)分排序可知,目標(biāo)的威脅度排序如下:目標(biāo)7>目標(biāo)2>目標(biāo)1>目標(biāo)3>目標(biāo)5>目標(biāo)6>目標(biāo)4>目標(biāo)8。經(jīng)分析,目標(biāo)7為美國(guó)攜帶核彈具有隱身能力的轟炸機(jī),以一定巡航速度向我方保衛(wèi)區(qū)域側(cè)翼臨近,在所有目標(biāo)中威脅度最高。目標(biāo)8為不裝備直接攻擊火力的美加油機(jī),在遠(yuǎn)海飛行執(zhí)行不明任務(wù),評(píng)分在5以下,威脅度一般。綜合評(píng)分計(jì)算結(jié)果符合專家研判意見(jiàn)和戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際情況,表明了本文方法的合理性和有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代探測(cè)裝備的手段不斷豐富,技術(shù)體制不斷升級(jí),防空預(yù)警信息系統(tǒng)通過(guò)綜合引接和融合處理所得到的目標(biāo)數(shù)量和目標(biāo)屬性日益增加。在有限的探測(cè)資源下,高效、快速、準(zhǔn)確地對(duì)空中目標(biāo)的威脅度進(jìn)行自動(dòng)分析和評(píng)估,篩選出高威脅目標(biāo),是提高后續(xù)裝備資源調(diào)度效率、任務(wù)籌劃合理度的關(guān)鍵一環(huán)。

本文構(gòu)建了層次式空中目標(biāo)威脅度評(píng)估指標(biāo)體系,并基于層次分析法建立了威脅度綜合評(píng)估模型,能有效對(duì)空中目標(biāo)威脅度進(jìn)行自動(dòng)分析計(jì)算并給出綜合評(píng)分。通過(guò)實(shí)際建模和仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證,證明了本文方法合理、可行,可有效支撐后續(xù)裝備調(diào)度策略的選擇和防空武器火力的分配,具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。隨著探測(cè)裝備能力不斷提升,指標(biāo)評(píng)估方法的不斷發(fā)展,相關(guān)問(wèn)題將進(jìn)一步持續(xù)深入探討。