基于探索性分析的電子對抗作戰(zhàn)方案評估方法

耿松濤 劉雅奇

(電子工程學(xué)院，安徽 合肥230037)

1 引言

作戰(zhàn)方案評估是作戰(zhàn)籌劃輔助決策的重要內(nèi)容。電子對抗作戰(zhàn)方案由目標(biāo)選擇、任務(wù)區(qū)分、作戰(zhàn)手段、兵力規(guī)模與配置等多個決策要素組成，且受各種不確定性因素的影響。要科學(xué)合理地評估電子對抗方案，必須結(jié)合戰(zhàn)術(shù)背景和對抗環(huán)境，綜合分析各種不確定因素的影響。這樣的評估結(jié)果對指揮員的決策活動更有參考價值。

探索性分析為電子對抗方案評估提供了很好的思路。其基本思路是考察不確定性想定條件下各種方案的不同結(jié)果，觀察不確定性因素對想定問題的影響，全面把握各種關(guān)鍵要素，理解和發(fā)現(xiàn)復(fù)雜現(xiàn)象背后變量之間重要的關(guān)系，尋求滿意解以及后續(xù)調(diào)整方案［1，2］。目前探索性分析方法在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用和研究，有文獻提到探索性分析可以應(yīng)用于作戰(zhàn)策略的研究［2］，但還沒有具體應(yīng)用探索性分析方法研究作戰(zhàn)方案評估問題的相關(guān)文獻。本文提出基于探索性分析的電子對抗作戰(zhàn)方案評估，以空中進攻作戰(zhàn)中對防空預(yù)警系統(tǒng)的電子對抗作戰(zhàn)為例，重點研究了方案評估探索空間、多層級指標(biāo)體系、多分辨率模型、方案評估框架等問題。

2 對防空預(yù)警系統(tǒng)的電子對抗作戰(zhàn)想定

空中進攻作戰(zhàn)中，航空兵編隊?wèi)?zhàn)斗出航階段，對防空預(yù)警系統(tǒng)的電子對抗作戰(zhàn)，任務(wù)是掩護空襲編隊出航，目的是縮短防空預(yù)警系統(tǒng)對空襲編隊的發(fā)現(xiàn)距離，縮短預(yù)警時間，以達(dá)成空襲編隊突擊行動的突然性和隱蔽性。

作戰(zhàn)對象是:預(yù)警機的機載預(yù)警雷達(dá)，地面警戒雷達(dá)，地面管報中心的空地情報通信接收站(接收預(yù)警機的探測情報)等。作戰(zhàn)手段是:地面干擾站對機載預(yù)警雷達(dá)的遠(yuǎn)距離支援干擾，干擾飛機對地面警戒雷達(dá)的遠(yuǎn)距離支援干擾，無人機對地面警戒雷達(dá)的反輻射壓制和摧毀，干擾飛機對管報中心情報通信接收站的遠(yuǎn)距離支援干擾，共計四種，作戰(zhàn)過程中單獨或綜合使用這四種作戰(zhàn)手段。作戰(zhàn)原則是:在主攻方向上，集中優(yōu)勢電子對抗力量，綜合使用多種手段壓制敵防空預(yù)警系統(tǒng)，縮短其發(fā)現(xiàn)距離和預(yù)警時間。

3 方案評估探索空間

3.1 方案評估的內(nèi)容

確定電子對抗作戰(zhàn)方案的評估內(nèi)容，應(yīng)當(dāng)以作戰(zhàn)方案要素為著眼點，把作戰(zhàn)方案要素作為方案評估的核心內(nèi)容。通常情況下，電子對抗作戰(zhàn)方案的要素主要包括電子對抗企圖、電子進攻的重要目標(biāo)和時機、作戰(zhàn)部署及作戰(zhàn)手段，有時還包括完成作戰(zhàn)準(zhǔn)備的時限、協(xié)同動作的方法及各種保障等［3］。其中，電子對抗作戰(zhàn)目標(biāo)選擇、作戰(zhàn)手段選擇、投入兵力規(guī)模等要素，是電子對抗作戰(zhàn)方案的重點內(nèi)容，對電子對抗作戰(zhàn)效能有重要影響。論文選擇這三個要素作為電子對抗作戰(zhàn)方案評估的重點內(nèi)容，其研究方法也適用于對其他要素的評估。

3.2 方案評估的變量設(shè)定

作戰(zhàn)方案中每一個決策要素都是依據(jù)現(xiàn)實情況具體設(shè)定的，所以決策要素對應(yīng)的變量的取值比較復(fù)雜。使用備選方案的方法來解決決策變量設(shè)定問題，基本思路是:首先把方案分成多個決策要素，為每個決策要素提供一系列備選方案，各要素的備選方案組合起來就形成了完整作戰(zhàn)方案，全部方案的集合就是方案評估探索空間。

關(guān)于探索空間的優(yōu)化，因為作戰(zhàn)方案難以量化，通用優(yōu)化方法難以適用［2］，但是可以研究出一些針對具體方案行之有效的優(yōu)化辦法。基于這個理念，本文提出基于方案合理性的探索空間優(yōu)化辦法，主要思想是:針對具體的方案，考察其合理性，對于明顯不合理的方案，從方案空間中刪除。對于防空預(yù)警系統(tǒng)的電子對抗作戰(zhàn)，因為防空預(yù)警系統(tǒng)是一個整體，從體系對抗角度出發(fā)，目標(biāo)選擇方案中應(yīng)包含各類作戰(zhàn)對象中威脅程度較高的幾個個體，僅這一策略可以排除大量不合理方案。例如:設(shè)防空預(yù)警系統(tǒng)有m個預(yù)警雷達(dá)，n個警戒雷達(dá)，q個情報通信接收站，且每類對象中，對空襲編隊威脅程度較高、必須予以對抗的個體大約有那么至少包含個預(yù)警雷達(dá)個警戒雷達(dá)個空地情報通信接收站的目標(biāo)選擇方案才算合理，其他不合理方案不予評估。這個優(yōu)化策略使方案數(shù)量減少為原來的左右。

3.3 構(gòu)建方案評估探索空間

本文方案評估內(nèi)容包括目標(biāo)選擇、作戰(zhàn)手段、兵力規(guī)模三個要素，每個決策要素都有多個備選方案。為方便說明，假設(shè)預(yù)警雷達(dá)、警戒雷達(dá)和情報通信接收站數(shù)量分別為m、n、q。

目標(biāo)選擇的備選方案是目標(biāo)組合，每個作戰(zhàn)對象都可能被選進目標(biāo)組合。按3.2節(jié)的優(yōu)化策略，則目標(biāo)選擇的備選方案大約有2m+n+q-3個。

作戰(zhàn)手段選擇的過程，實際上也包含任務(wù)區(qū)分的過程。根據(jù)作戰(zhàn)想定，電子對抗作戰(zhàn)手段有四種，預(yù)警雷達(dá)和情報通信接收站與作戰(zhàn)手段的關(guān)系是一對一的，而對警戒雷達(dá)的作戰(zhàn)手段有兩種，所以備選的方案就有三種，如果目標(biāo)選擇階段選定的警戒雷達(dá)數(shù)目為，那么備選方案大約有個。

選定了作戰(zhàn)手段之后，也就明確了概略的任務(wù)區(qū)分關(guān)系，下一步就是進行兵力規(guī)模的決策。一般情況下一套普通(單一波束)干擾裝備能一定程度地干擾壓制一部對應(yīng)的雷達(dá)，所以對選為作戰(zhàn)目標(biāo)的雷達(dá)，記分配一套干擾裝備為小規(guī)模兵力，記分配兩套干擾裝備為中等規(guī)模兵力，記分配三套干擾裝備為大規(guī)模兵力。兵力規(guī)模備選方案包括小規(guī)模、中等規(guī)模、大規(guī)模三種，也就是說對應(yīng)每一個作戰(zhàn)手段方案，兵力規(guī)模的備選方案有3個。

已知作戰(zhàn)方案是多階段決策的產(chǎn)物，而決策樹是描述和研究多階段決策的有效手段，所以方案庫或方案評估探索空間可以采用結(jié)構(gòu)化的決策樹來表示。根據(jù)上述三個作戰(zhàn)方案要素的分析，建立方案評估探索空間，從根節(jié)點到葉節(jié)點的一條路徑表示一個作戰(zhàn)方案，應(yīng)用XML格式存貯在數(shù)據(jù)庫中，在探索性分析時，可以從中讀出方案，輸入仿真系統(tǒng)。圖1是一個示意性電子對抗方案決策樹，其中作戰(zhàn)對象有:兩個預(yù)警雷達(dá)，記為Ⅰ、Ⅱ;四個警戒雷達(dá)，記為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ;兩個情報通信接收站，記為Ⅶ、Ⅷ。作戰(zhàn)手段:A表示地面干擾裝備對機載預(yù)警雷達(dá)的遠(yuǎn)距離支援干擾，B表示干擾飛機對地面警戒雷達(dá)的遠(yuǎn)距離支援干擾，C表示無人機對地面警戒雷達(dá)的反輻射壓制和摧毀，D表示干擾飛機對情報通信接收站的遠(yuǎn)距離支援干擾。力量規(guī)模記為小、中、大三級。“Ⅱ-A”就表示用作戰(zhàn)手段A對抗目標(biāo)Ⅱ，“Ⅱ-A-小”就表示使用小規(guī)模兵力的作戰(zhàn)手段A對抗目標(biāo)Ⅱ。

圖1 電子對抗作戰(zhàn)方案決策樹示意圖

圖2 方案評估的多層級指標(biāo)體系和多分辨率模型示意圖

4 方案評估多層級指標(biāo)體系

探索性分析方法的一個重要思想就是對考察系統(tǒng)進行層次化抽象，形成多層級指標(biāo)體系。最底層指標(biāo)是探索性分析的研究對象描述指標(biāo);中間層指標(biāo)是描述系統(tǒng)的一系列核心效能評價指標(biāo);最后對中間層指標(biāo)進行聚合，建立最高層的聚合指標(biāo)。指標(biāo)的選取和建立應(yīng)遵循可測性、系統(tǒng)性、獨立性、客觀性、靈敏性、一致性等原則。

為電子對抗作戰(zhàn)方案評估建立三級指標(biāo)體系。最底層是方案描述指標(biāo)，包括目標(biāo)選擇、作戰(zhàn)手段、兵力規(guī)模三個要素。然后結(jié)合電子對抗各分系統(tǒng)的具體情況，建立中間層的電子對抗效能評價指標(biāo)，包括(空襲編隊?wèi)?zhàn)斗出航航路上，下同)對預(yù)警雷達(dá)壓制距離、(空襲編隊?wèi)?zhàn)斗出航航路的指定距離上，下同)對預(yù)警雷達(dá)壓制區(qū)寬度、對警戒雷達(dá)壓制距離、對警戒雷達(dá)壓制區(qū)寬度、通信系統(tǒng)誤碼率。最后建立最高層的聚合指標(biāo)，記為方案效能指數(shù)，該指標(biāo)取值與方案優(yōu)劣性成正比。圖2是方案評估的多層級指標(biāo)體系和多分辨率模型示意圖。

5 方案評估多分辨率模型

多分辨率建模是探索性分析方法解決問題的重要手段。通常是在底層建立實體仿真模型，利于考察復(fù)雜系統(tǒng)、不確定性問題，充分展現(xiàn)不確定性因素的效能;在高層建立指標(biāo)模型，實際就是一個多屬性決策模型，利于體現(xiàn)決策偏好，且能簡化探索問題。如圖2所示，通過多分辨率模型，實現(xiàn)多層級指標(biāo)的向上聚合，達(dá)到探索性分析的目的。

5.1 方案評估整體模型

方案評估的問題，實際上是根據(jù)所獲知的作戰(zhàn)過程中的各種不確定性因素，基于使命任務(wù)需求，評估各個方案的優(yōu)劣，并期望以一個數(shù)值來反映優(yōu)劣程度。建立基于探索性分析的方案評估問題的描述模型:

式(1)中，Y是聚合指標(biāo)，即方案效能指數(shù);A是電子對抗作戰(zhàn)方案;T是使命任務(wù)需求向量，表示電子對抗作戰(zhàn)中一系列的使命任務(wù)度量指標(biāo)，是根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)得出的;Q是狀態(tài)變量，表示決策者有所了解而不能控制的不確定性因素。

5.2 高分辨率模型

根據(jù)描述模型，依照自下而上解決問題的思路，首先建立底層的高分辨率模型，是仿真系統(tǒng)的形式，輸入是作戰(zhàn)方案，輸出是效能評價指標(biāo)，可以表示為:

式(2)中，X=(X1，X2，X3，X4，X5)T是效能評價指標(biāo)向量，表示對防空預(yù)警系統(tǒng)各種電子對抗效果的度量指標(biāo)，X1、X2分別表示對預(yù)警雷達(dá)的壓制距離、壓制區(qū)寬度。X3、X4分別表示對警戒雷達(dá)的壓制距離、壓制區(qū)寬度，X5表示通信系統(tǒng)誤碼率;A是電子對抗作戰(zhàn)方案，A=(目標(biāo)選擇方案，作戰(zhàn)手段方案，兵力規(guī)模方案);Q是不確定性因素的狀態(tài)變量，包括兩部分，一部分是戰(zhàn)場環(huán)境，另一部分是敵方的態(tài)勢和行動。

按應(yīng)用需求，電子對抗效能仿真分三類:電子對抗技術(shù)效能仿真、單武器裝備對抗效能仿真和系統(tǒng)對抗效能仿真［6］，本文方案評估用到的仿真系統(tǒng)是系統(tǒng)對抗效能仿真。利用研制的電子對抗仿真系統(tǒng)研究作戰(zhàn)方案對防空預(yù)警系統(tǒng)各分系統(tǒng)的影響關(guān)系，計算電子對抗效能評價指標(biāo)，為高層指標(biāo)模型提供數(shù)據(jù)支持。

5.3 低分辨率模型

高層的低分辨率模型是聚合模型，為解析式形式，輸入是效能評價指標(biāo)，輸出是方案效能指數(shù)，可以表示為:

式(3)中，Y是聚合指標(biāo);X=(X1，X2，X3，X4，X5)T是效能評價指標(biāo)向量;T=(T1，T2，T3，T4，T5)是使命任務(wù)需求向量，T1、T2分別表示對預(yù)警雷達(dá)的壓制距離、壓制區(qū)寬度，T3、T4分別表示對警戒雷達(dá)的壓制距離、壓制區(qū)寬度，T5表示干擾后地面管報中心空地情報通信接收站的誤碼率。為避免歧義和方便說明問題，本文的“壓制距離”是指探測系統(tǒng)受干擾后形成的盲區(qū)距離。

構(gòu)建模型時要考慮到以下四點:第一，方案優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)著眼于使命任務(wù)完成情況;第二，假定在戰(zhàn)役(或戰(zhàn)斗)開始之前最高指揮權(quán)歸地面指揮中心，戰(zhàn)役(或戰(zhàn)斗)開始后把部分防空指揮權(quán)交給預(yù)警機上指揮機構(gòu)，所以對抗預(yù)警機情報系統(tǒng)應(yīng)包括預(yù)警雷達(dá)和空地情報通信;第三，必須對地面警戒雷達(dá)實施有效干擾，其情報通信一般為有線方式;第四，根據(jù)指揮員的決策意志和偏好設(shè)定權(quán)系數(shù)。基于這四點，建立聚合模型如下:

式(4)中，X1、X2、X3、X4、X5是效能評價指標(biāo);T1、T2、T3、T4、T5是使命任務(wù)需求指標(biāo);ω1是對抗預(yù)警雷達(dá)探測效能的影響權(quán)重，ω2是對抗預(yù)警機與地面管報中心的空地情報通信效能的影響權(quán)重，ω1+ω2=1;γ是兵力規(guī)模懲罰因子，表示作戰(zhàn)方案使用過大兵力規(guī)模的懲罰因子，兵力規(guī)模越大，γ越小。

實際情況中，往往對預(yù)警雷達(dá)和警戒雷達(dá)提出同樣的預(yù)期壓制效果，要求T1=T3，T2=T4。記Tα表示對預(yù)警探測系統(tǒng)的壓制距離，Tβ表示在指定距離上的壓制區(qū)寬度。對預(yù)警探測系統(tǒng)的實際等效壓制距離和壓制區(qū)寬度為預(yù)警雷達(dá)和警戒雷達(dá)的相關(guān)指標(biāo)中的較小值，修正式(4)得到式(5):

式(6)中，ω3、ω4、ω5、ω6是四種電子作戰(zhàn)手段對兵力規(guī)模懲罰因子的影響權(quán)重，ω3+ω4+ω5+ω6=1;m、n、q是預(yù)警雷達(dá)、警戒雷達(dá)和情報通信接收站的數(shù)量;si表示對第i個預(yù)警雷達(dá)實施有源干擾的兵力規(guī)模，si=1，2，3;sj表示對第j個地面警戒雷達(dá)實施有源干擾的兵力規(guī)模，sj=1，2，3;sk表示對第k個地面警戒雷達(dá)實施反輻射壓制和摧毀的兵力規(guī)模，sk=1，2，3;sl表示對第l個情報通信接收站實施遠(yuǎn)距離支援干擾的兵力規(guī)模，sl=1，表示對第i個預(yù)警雷達(dá)實施有源干擾的兵力規(guī)模為中等適度規(guī)模，記為=2同理。

圖3 作戰(zhàn)方案評估框架示意圖

6 基于探索性分析的方案評估框架

探索性分析是一種解決問題的思想，實施起來并沒有固定的模式和步驟，要視具體問題而定。根據(jù)方案評估的特點和探索性分析的思想，研究基于探索性分析的方案評估框架，用以指導(dǎo)整個研究的實施，力求使評估過程規(guī)范統(tǒng)一，方便研究方法推廣應(yīng)用。圖3為方案評估框架示意圖。

歸納起來包括八個步驟，涉及八個活動及其工作產(chǎn)品，八個活動包括:建立方案評估指標(biāo)體系、構(gòu)建方案評估探索空間、編制實驗想定、建立仿真系統(tǒng)、實施仿真實驗、建立聚合模型、解算聚合指標(biāo)、數(shù)據(jù)分析;對應(yīng)的工作產(chǎn)品分別是:多層級指標(biāo)體系、方案庫或方案評估探索空間、實驗想定庫、仿真系統(tǒng)軟件、實驗數(shù)據(jù)庫、解析式聚合模型、聚合指標(biāo)數(shù)值庫、方案評估報告。

在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)需要注意把握探索性分析的特點，廣泛地試探各種條件下所可能產(chǎn)生的結(jié)果，理解不確定性因素對于想定問題的影響，分析不同方案要素對結(jié)果的影響，注重把握系統(tǒng)內(nèi)部的規(guī)律。

7 結(jié)束語

采用探索性分析方法研究方案評估，考慮了作戰(zhàn)方案評估問題的復(fù)雜性、系統(tǒng)性、不確定性、多維性等特點，為電子對抗作戰(zhàn)方案評估提供了一個科學(xué)合理、靈活有效的研究方法。該方法還可以探索能力指標(biāo)，進行基于使命任務(wù)需求的作戰(zhàn)能力需求分析;探索環(huán)境不確定性因素，評估環(huán)境因素對作戰(zhàn)效能的影響。

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