艦艇編隊防空作戰任務可靠性建模方法*

樂 亮 黃 政 譚猛泉

(海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)

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艦艇編隊防空作戰任務可靠性建模方法*

樂 亮 黃 政 譚猛泉

(海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)

論文通過分析艦艇編隊的防空作戰流程,形成了艦艇編隊防空作戰基本能力的構成和關系,并通過把復雜的防空作戰任務劃分為相對簡單的多階段任務,建立了相應的任務可靠性模型。

艦艇編隊; 防空作戰; 任務可靠性; 模型

Class Number E824

1 引言

鍛造一支適應歷史使命的、強大的人民海軍是海軍軍事建設所要達成的首要目標,而現代海上戰爭強度高、進程快、戰機稍縱即逝,可靠、穩定的艦艇編隊裝備體系,是艦艇編隊順利執行作戰任務的重要保證。而防空作戰作為艦艇編隊的最為典型的基本作戰類型,艦艇編隊執行防空作戰的任務可靠性水平,直接關系到艦艇編隊的自身生存。

目前,國內外關于艦艇編隊裝備體系的研究大多集中于體系的需求建模和結構優化方面,可靠性方面的研究才剛剛起步,國內外相關文獻較少。美國在2009年5月發布的《國防部體系結構框架2.0》正式版中提出了體系工程的一個重要目標是體系可靠性[1～2]。美國陸軍裝備研究發展中心的J.L.Cook于2009年建立了裝備體系的多狀態系統(Multi-State System)可靠性模型[3]。但是該模型僅能對艦艇編隊裝備體系中各裝備的基本可靠性進行粗略評價,對于其執行防空作戰時裝備的層次性、動態時序等特點考慮不足。由于艦艇編隊在執行防空作戰時,隨著戰斗的不斷進行,艦艇編隊裝備體系中各種裝備系統不斷介入,因此,基于作戰流程對防空作戰整體評價的任務可靠性模型更能符合現代化戰爭需要。

2 艦艇編隊防空作戰分析

2.1 艦艇編隊防空作戰區域劃分

艦艇編隊在進行防空作戰時,如圖1所示,作戰區域由敵我相距由遠及近通常劃分為遠程抗擊區、編隊區域防御區以及點防御區[4]。遠程抗擊區編隊區域防空導彈最大射程以外的區域,敵我距離一般在120km以上,艦艇編隊對該區域的目標編隊無法使用自身的硬武器抗擊,但可以針對該區域的目標進行編隊預機動,或者實施必要的電子對抗措施。編隊區域防空武器的抗擊區,其范圍取決于編隊區域防空導彈的最大射程,按目前世界海軍水面艦艇防空導彈的性能看,一般在15km～120km,對進入該區域的目標,編隊要統一分配所屬各艦的區域防空導彈進行抗擊。編隊點防空武器的抗擊區,其范圍一般在距編隊15km以內,編隊一般不分配區域防空武器對該區域目標進行抗擊,可對該區域使用密集陣近防系統行抗擊,但要依據區域防御武器的戰術技術性能及目標的狀態而定。

圖1 艦艇編隊防空作戰區域劃分

2.2 艦艇編隊防空作戰流程

圖2 艦艇編隊防空作戰流程邏輯

戰爭時期,艦艇編隊航行中不間斷集中收集防空雷達系統探測的情報信息,并對收集的情報數據進行整理、分析、篩選、判別、融合,監測到目標后進行威脅判斷,建立空中態勢圖,并利用編隊戰術通信系統將空中態勢分發到艦艇編隊[5]。艦艇編隊指揮所的情報處理戰位結合編隊分發的空中態勢圖信息,完成本作戰區域情報信息的收集處理,維持作戰區域的空中動態信息,并根據編隊防空作戰指令或自身防空需要,靈活實施防空作戰指揮。一般的驅護艦艇編隊防空邏輯流程,如圖2所示。

3 艦艇編隊防空作戰任務可靠性建模需求分析

3.1 艦艇編隊防空作戰任務階段劃分

從裝備體系組成看,艦艇編隊在執行防空作戰任務時,各艦的雷達探測系統、武器裝備系統和艦艇編隊指揮決策中心通過通信系統聯結成復雜網絡系統,它具有層次化的特征,即艦艇編隊指揮決策中心和每個艦還包含諸多可直接服務于防空作戰任務的武器裝備和分系統,這些武器裝備和分系統按照一定的邏輯關系(如串聯、并聯、混聯等)組成來執行防空作戰任務[6～7]。在可靠性建模中,不同層次的系統可能會同時出現在同一個模型中。因此既可以把艦艇編隊中各艦作為一個整體來考慮,也可以將各艦不同層次的裝備系統分解,分解后每層由各艦具有相同作戰功能的武器裝備系統組成。

從任務執行過程來看,雷達探測系統對敵的預警搜索、探測、跟蹤定位等作用,貫穿防空作戰任務的始末。由各艦指揮部門組成的艦艇編隊指揮決策系統直接作用于整個作戰過程,為每一步的作戰行動做出部署。隨著作戰的進行,敵方的不斷突破防御區以及敵我距離的縮進,遠程艦空導彈系統、中程艦空導彈系統以及密集陣近防系統相繼發揮作戰效能。不同的裝備系統的任務性質不同,就導致不同的裝備系統的任務起止時間也不一樣。同時由于來襲敵機若在艦艇編隊防空雷達系統監控之下,則其飛行參數都能夠被艦艇編隊所掌握,則防空作戰任務各階段的起止都是能夠確定的。以某來襲敵機突防艦艇編隊為例,艦艇編隊防空作戰任務執行過程如圖3所示,整個防空作戰任務持續時間的區間為[t1,t4],指揮決策系統與對空探測系統始終處于任務執行狀態,遠程艦空導彈系統、中程艦空導彈系統以及密集陣近防系統參與作戰任務的時間區間分別為[t1,t2],[t2,t3],[t3,t4]。

圖3 艦艇編隊防空作戰任務時序劃分

由此,可以將艦艇編隊防空作戰任務執行過程按照任務時間區間劃分為時間連續但不重疊的多個單一階段,此時的艦艇編隊防空作戰任務實質上是一個多階段任務。

3.2 基于性能的艦艇編隊防空作戰任務可靠性框圖

經過作戰任務時段的劃分,每個階段都有一個由不同裝備系統組成邏輯關系結構。由圖3可知,艦艇編隊在執行防空作戰時,任務可以劃分成三個階段。從各階段任務來看,對空探測系統以及決策指揮系統與各武器系統分別構成串聯關系,作戰階段之間為并聯關系。如在第2階段[t2,t3]中由指揮決策系統b,對空探測系統r以及中程艦空導彈系統z提供業務支持,且b、r和z都必須保持高性能才能保證任務的可靠性。由此可作出艦艇編隊防空作戰任務可靠性框圖,如圖4所示。

圖4 艦艇編隊防空作戰可靠性框圖

4 基于作戰流程的艦艇編隊防空作戰任務可靠性模型

由于防空作戰的時間短暫,對于高可靠度的軍用裝備而言,在作戰過程中發生裝備故障導致作戰任務失敗的問題可忽略不計,武器裝備的作戰性能才是防空任務能否成功的主要因素。基于性能和作戰流程的艦艇編隊防空作戰任務可靠性模型為

R=1-(1-Rr1Rb1Ry)(1-Rr2Rb2Rz)(1-Rr3Rb3Rj)

(1)

式中,Rr、Rb、Ry、Rz、Rj分別為艦艇編隊防空作戰對空雷達探測任務可靠性、決策指揮任務可靠性、遠程艦空導彈任務可靠性、中程艦空導彈任務可靠性以及密集陣近防系統任務可靠性,其中Rr、Rb隨作戰任務進行分別有三個階段的任務可靠性。

4.1 對空探測任務可靠性

對空探測任務可靠性來源于艦艇編隊內各艦的探空雷達預警搜索、探測以及跟蹤定位時相應的效能。防空作戰中指揮決策的準確下達和對空武器系統實施作戰時的效能主要依賴于雷達探測的空中態勢和實際戰場態勢相吻合的程度,雷達探測的空中態勢和實際戰場態勢越吻合,表明艦艇編隊對敵探測的發現概率越高,即對空探測任務可靠性越高。

根據艦艇編隊區域防空的作戰環境,由于艦艇編隊由多艘艦艇組成,擁有多個相同或不同型號的預警雷達,如果要具體計算每種雷達的性能參數來求艦艇編隊對空預警探測系統任務可靠性是極復雜且不現實的。本文運用系統集成的方法,在艦艇編隊預警防空探測區域內,將各艦的預警雷達的預警探測能力高度融合成一個探測能力更強的“預警雷達體”[8],此“預警雷達體”相當于一部高性能預警雷達,敵方空中目標一旦闖入艦艇編隊的預警范圍,就會以較高的概率被“預警雷達體”探測到。將發現概率Pr作為艦艇編隊“預警雷達體”的探測效能,即對空探測任務可靠性。

計算“預警雷達體”信噪比:

(2)

計算對空探測任務可靠性:

(3)

式中:R0是Sr=1時的“預警雷達體”作用距離;R為敵我距離;n為雷達脈沖積累數;y是門坎值。

4.2 指揮決策任務可靠性

艦艇編隊防空作戰過程中,盡管各艦指揮系統以及編隊指揮中心的指揮決策是有跡可循的,但一切指揮決策的結果是具有不確定性的,所以可以用概率的方法對艦艇編隊防空作戰指揮決策的任務可靠性進行建模和評估。艦艇編隊指揮決策的任務可靠性取決于指揮的穩定性Pw和時效性Ps[9]。

艦艇編隊防空作戰指揮決策任務可靠性為

Rb=Pw·Ps

(4)

編隊指揮的穩定性取決于編隊內任意一艦艇戰時保持戰斗力的概率Pz,假設編隊有n個具有相同功能可互相替代的指揮所,則有

Pw=1-(1-Pz)n

(5)

編隊指揮的時效性是指編隊作戰指揮系統戰時的反應能力。編隊指揮系統應對戰場態勢變化作出反應的時間ts是其主要的性能指標。在艦艇編隊防空作戰過程中,針對戰場態勢變化采取的應對措施,一次的反應時間包括:從探測到敵情到指揮部收到情報的時間tb,從指揮部收到情報到定下指揮決策的時間tj,從定下指揮決策到決策布置的戰斗任務下達完畢的時間tx,從決策布置的戰斗任務下達完畢到完成機動準備的時間td。

編隊指揮決策時效性時間為

ts=tb+tj+tx+td

(6)

在艦艇編隊防空作戰過程中,對于戰場的態勢變化,指揮所應該及時作出應對決策,整個反應時間不能太長,否則指揮決策將失去作戰意義。將探測到敵情到指揮決策布置的戰斗任務剛好失去實施意義的時間,稱為指揮時效性臨界時間Ts。臨界時間Ts與編隊散失指揮決策時效性能力的強度λ成反比,即Ts=1/λ。

編隊決策指揮的時效性概率:

Ps=e-λ·ts

(7)

4.3 區域防空艦空導彈任務可靠性

艦艇編隊防空作戰的中、遠程防空統稱為區域防空,所用的武器都是艦空導彈,但有性能之間的差別。因而艦艇編隊的中、遠程艦空導彈防空任務可靠性模型與計算方法相同。區域防空的中、遠程艦空導彈攻擊區較大,來襲敵機飛躍攻擊區所需要的時間明顯大于艦空導彈攻擊其所需要的時間。由文獻[10]可知來襲敵機的突防概率方程:

Pt=Pz(1-Pkill)Imax

(8)

式中Pkill表示區域防空導彈對來襲敵機的毀傷概率,取決于導彈自身性能。Imax是指來襲敵機在一種導彈攻擊區域縱深內可能受到的最大攻擊次數,取決于敵機的機動性能以及我艦空導彈的機動性能。

則區域防空艦空導彈的任務可靠性為

Ry=1-Pty

(9)

Rz=1-Ptz

(10)

4.4 密集陣近防系統任務可靠性

對于艦艇編隊密集陣近防武器系統來講,其任務可靠性模型的最終目的就是要得出編隊在與來襲敵機使用密集陣近防武器對抗時成功抗擊來襲敵機的概率Pj。設密集陣近防武器系統的每個火力單元在與敵火力對抗中不被毀傷的概率為Pgj,每個密集陣系統發射后殺傷敵機概率為Psj[11]。

則每個火力單元擊毀來襲敵機的概率

Pg=Pgj·Psj

(11)

設密集陣近防武器系統服務強度為ρ,則根據式(11)可得艦艇編隊密集陣近防系統任務可靠性為

Rj=Pj=(1-ρ·Pz)Pg

(12)

5 結語

本文通過介紹外軍針對裝備體系可靠性提出的相對成熟的多狀態體系可靠性模型,并指出其在作戰任務是對裝備層次性與時序性考慮不足的缺陷。并針對該缺陷,提供的基于作戰流程的可靠性建模方法能夠在考慮艦艇編隊中各裝備系統的層次性與時序性的同時,對艦艇編隊在遭遇空襲時能夠成功抗擊來襲敵機的任務可靠性進行評價。在未來現代化戰爭中,將不只是裝備與裝備之間的簡單對抗,而是體系與體系之間的抗衡,裝備體系可靠性評價方面的研究將為未來局部戰爭裝備體系是否具備優勢提供理論支撐。

[1] DoD Architecture Framewok Version 2.0-Volume 1: Introduction, Overview, and Concepts-Manager’s Guide,2009:12-13.

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Methods For Air Defense Operation Mission Reliability Modeling of Warship Formation

YUE Liang HUANG Zheng TAN Mengquan

(College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In this paper, through the analysis of air defense operation flows of warship formation, the composition and relationship of basic ability of air defense operation of warship formation are formed. On this base, through to divide complex air defense operation mission of warship formation into multi-stage mission, the air defense operation mission reliability models of warship formation are set up.

warship formation, air defense operation, mission reliability, model

2015年3月1日,

2015年4月17日

國家部委基金(編號:51319060103);海軍工程大學自然科學基金(編號:HGDQNEAJJ13006)資助。

樂亮,男,碩士研究生,研究方向:可靠性、維修性、保障性工程。黃政,男,副教授,碩士生導師,研究方向:機械可靠性。譚猛泉,男,博士,講師,研究方向:可靠性、維修性、保障性工程。

E824

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.031