基于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的時(shí)敏目標(biāo)效能仿真研究

閆晶晶,許　騰

(1.信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京　210007;2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所,江蘇 南京　210007;3.海軍指揮學(xué)院 合同戰(zhàn)術(shù)系,江蘇 南京　210016)

?

基于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的時(shí)敏目標(biāo)效能仿真研究

閆晶晶1,2,許騰1,3

(1.信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210007;2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所,江蘇 南京210007;3.海軍指揮學(xué)院 合同戰(zhàn)術(shù)系,江蘇 南京210016)

摘要:文章基于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)“共享-合作-同步”原理,提出了實(shí)時(shí)目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)、圖像信息共享、兵力行動(dòng)在時(shí)間和空間上合作以及時(shí)間敏感目標(biāo)同步攻擊。根據(jù)打擊時(shí)敏目標(biāo)的效能指標(biāo),建立了目標(biāo)延時(shí)、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率和目標(biāo)毀傷概率模型,計(jì)算“共享-合作-同步”條件下的時(shí)敏目標(biāo)效能,研究結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)模式能夠有效改善各項(xiàng)作戰(zhàn)效能指標(biāo),是提高作戰(zhàn)效能的有效手段。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn);時(shí)敏目標(biāo);仿真

1問題提出

時(shí)間敏感目標(biāo)是指那些被發(fā)現(xiàn)、定位、識別后,攻擊時(shí)間極為有限的目標(biāo)。如陸上機(jī)動(dòng)的彈道導(dǎo)彈發(fā)射車、海上活動(dòng)的潛艇等。這類目標(biāo)活動(dòng)沒有規(guī)律,出現(xiàn)地點(diǎn)不定,暴露時(shí)間短暫,但是威脅卻往往較大。時(shí)間敏感目標(biāo)效能評估指標(biāo)主要有[1-3]:指揮速度、網(wǎng)絡(luò)格度、裝備密度、管理寬度、攻擊精度和機(jī)動(dòng)捷敏度等,建模方法有[4-8]:ADC、系統(tǒng)分析法和探索性分析等。

目前研究工作中存在的主要問題如下:一是體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)本質(zhì),突出作戰(zhàn)要素融合不夠;二是效能評估中缺乏基于C4KISR將指揮鏈和打擊鏈綜合集成。

基于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)對時(shí)間敏感目標(biāo)進(jìn)行打擊,關(guān)鍵要做到作戰(zhàn)體系所有的平臺或節(jié)點(diǎn)對信息的“共享-合作-同步”。各作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)對作戰(zhàn)行動(dòng)時(shí)間需求可通過實(shí)現(xiàn)“共享-合作-同步”的指揮控制原則達(dá)到一定的壓縮。

共享內(nèi)容主要是實(shí)時(shí)的目標(biāo)航跡數(shù)據(jù)、圖像信息、態(tài)勢認(rèn)知和各平臺信息處理設(shè)備等資源。共享資源的方式是互操作,互操作是不同作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)之間作戰(zhàn)功能的互相利用;共享結(jié)果是實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)、作戰(zhàn)系統(tǒng)的缺損功能的互補(bǔ)。合作主要反映在時(shí)間和空間的配合,提高資源利用率。如對時(shí)間敏感目標(biāo)的信息處理中,涉及態(tài)勢統(tǒng)一和態(tài)勢傳送問題;在認(rèn)知決策方面涉及計(jì)劃、方案和指揮意圖等問題;在平臺的資源組合中,實(shí)現(xiàn)協(xié)同,達(dá)到精確配合。同步指多兵種、多武器、多方向、多層次、多領(lǐng)域的同時(shí)運(yùn)用,是全方位和多維的飽和攻擊,造成對時(shí)間敏感目標(biāo)多方面的飽和攻擊,產(chǎn)生突變的和非線性優(yōu)勢。通過火力的規(guī)劃等,可阻塞時(shí)間敏感目標(biāo)的反應(yīng)能力,追求非線性和突變的優(yōu)勢,達(dá)到基于效果的目的。

本文基于網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)“共享-合作-同步”原理,建立時(shí)間敏感目標(biāo)效能評估指標(biāo)和仿真模型。

2仿真效能評估指標(biāo)及建模

從效果的角度看,對目標(biāo)的毀傷概率是評估效果最直接的指標(biāo),而對時(shí)間敏感目標(biāo)的毀傷又必須在其消失前發(fā)現(xiàn),因?yàn)槠洹氨┞丁睒O為有限,而這2個(gè)指標(biāo)又受制于從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到對目標(biāo)實(shí)施打擊所用的時(shí)間，即目標(biāo)延時(shí)。只有縮短目標(biāo)延時(shí),才能在目標(biāo)消失之前對其實(shí)施打擊,完成消滅時(shí)間敏感目標(biāo)的任務(wù)。因此,本文以目標(biāo)延時(shí)、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率和目標(biāo)毀傷概率作為評估作戰(zhàn)效能的指標(biāo),并構(gòu)建相應(yīng)的計(jì)算模型。

2.1目標(biāo)延時(shí)

時(shí)間敏感目標(biāo)最本質(zhì)的特征是其暴露時(shí)間的有限,從而使打擊變得非常困難,因此,打擊時(shí)間敏感目標(biāo)的天然指標(biāo)是時(shí)間。這里采用從傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到武器投射節(jié)點(diǎn)對目標(biāo)實(shí)施打擊過程所用的時(shí)間，即目標(biāo)延時(shí)作為評估打擊時(shí)間敏感目標(biāo)效能的一個(gè)指標(biāo)。

設(shè)T為作戰(zhàn)系統(tǒng)的目標(biāo)延時(shí),則有:

(1)

其中,n為目標(biāo)延時(shí)中耗時(shí)環(huán)節(jié)的數(shù)量;ti為每一個(gè)耗時(shí)環(huán)節(jié)所消耗的時(shí)間。

2.2目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率

以導(dǎo)彈為例,目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率就是當(dāng)導(dǎo)彈飛臨目標(biāo)上空,末制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)后對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。這個(gè)發(fā)現(xiàn)概率取決于如下2個(gè)方面的因素:一是目標(biāo)的可能散布區(qū)域的面積A;二是導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)搜索波門的寬度B。

為了研究方便，在不影響基本結(jié)論的前提下,作如下假定:① 導(dǎo)彈采用前置點(diǎn)射擊法;② 在搜索目標(biāo)過程中波門大小不變;③ 不實(shí)施二次搜索;④ 目標(biāo)在導(dǎo)彈搜索期間相對靜止;⑤ 只要目標(biāo)出現(xiàn)在波門內(nèi)就會被發(fā)現(xiàn)。

于是,發(fā)現(xiàn)概率Pf為:

(2)

其中,A為時(shí)間敏感目標(biāo)可能散布區(qū)的面積;B為導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)后的搜索波門寬度;S(B)為末制導(dǎo)雷達(dá)從開機(jī)時(shí)刻到離開目標(biāo)散布區(qū)所掃過的面積。

目標(biāo)散布區(qū)的大小直接影響導(dǎo)彈對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率,而散布區(qū)的大小取決于目標(biāo)延時(shí)、目標(biāo)速度和運(yùn)動(dòng)要素誤差。傳感器節(jié)點(diǎn)偵察探測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)要素總是存在一定的誤差,這種誤差經(jīng)過時(shí)間的積累使其位置表現(xiàn)為一個(gè)可能的散布區(qū)。把誤差歸結(jié)為航向誤差Δθ和航速誤差Δv,其中v為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度。這樣經(jīng)過目標(biāo)延時(shí)T,目標(biāo)的散布區(qū)域(扇環(huán)形)的前緣寬度為(v+Δv)TΔθ,后緣寬度為(v-Δv)TΔθ,因此,散布區(qū)的平均寬度為vTΔθ。同理,散布區(qū)的縱深為2TΔv。于是,得到散布區(qū)面積為:

(3)

可見,散布區(qū)的面積取決于目標(biāo)速度、航向和航速的誤差以及目標(biāo)延時(shí),且與目標(biāo)延時(shí)的平方成正比關(guān)系,因此,目標(biāo)延時(shí)是影響發(fā)現(xiàn)概率最重要的因素。

搜索行動(dòng)如圖1所示,顯然A是一個(gè)圓形的區(qū)域。當(dāng)然,真正的實(shí)際形狀依賴友鄰部隊(duì)所報(bào)知的關(guān)于潛艇的預(yù)先情報(bào)。如果有更多情報(bào),就沒有必要在整個(gè)360°范圍內(nèi)搜索。不確定區(qū)域面積大小隨著更新潛艇位置時(shí)間成平方地增長。假設(shè)不確定區(qū)域是圓形的、“楔餅形”的(受預(yù)先航向信息的限制)和橢圓形的(反映速度和航向的不確定性)。在這個(gè)例子中,信息的效能把搜索限制在與潛艇航向一致的扇形范圍內(nèi),減少了不確定區(qū)域面積。

圖1　搜索行動(dòng)

不確定區(qū)域的大小依賴于流逝的時(shí)間tu,從最后一次數(shù)據(jù)更新算起,按照潛艇水面狀態(tài)速度計(jì)算可得:

(4)

(5)

導(dǎo)彈搜索區(qū)的大小主要取決于導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)搜索寬度與開機(jī)距離。假設(shè)R0為開機(jī)距離,r為末制導(dǎo)雷達(dá)搜索區(qū)離開目標(biāo)散布區(qū)位置,因此,末制導(dǎo)雷達(dá)從開機(jī)時(shí)刻到離開目標(biāo)散布區(qū)時(shí)刻所掃過的面積為:

(6)

值得注意的是,時(shí)間敏感目標(biāo)的最大特征就是隨時(shí)可能消失,因此,以上進(jìn)行計(jì)算的前提是攻擊之前目標(biāo)尚未消失,如果導(dǎo)彈臨空前任意時(shí)刻目標(biāo)消失,則發(fā)現(xiàn)概率為0。

2.3目標(biāo)毀傷概率

由于導(dǎo)彈開機(jī)距離較近,一般發(fā)現(xiàn)以后即可被捕捉,又由于潛艇對來襲導(dǎo)彈沒有抗擊或者干擾的手段,因此,可以認(rèn)為發(fā)現(xiàn)概率即為命中概率,即一枚導(dǎo)彈的命中概率Phit為:

(7)

則發(fā)射n枚導(dǎo)彈的情況下,對目標(biāo)的毀傷概率Pdes為:

(8)

其中，ω為毀傷目標(biāo)必須命中的導(dǎo)彈枚數(shù)。

值得注意的是,能夠發(fā)射導(dǎo)彈的枚數(shù)與時(shí)間敏感目標(biāo)的可攻擊時(shí)間窗口和導(dǎo)彈攻擊的間隔有關(guān)。時(shí)間敏感目標(biāo)的可攻擊窗口是指目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)到消失之前的一個(gè)時(shí)間片段。

假設(shè)可攻擊時(shí)間窗口為(Tmiss-Temerge),其中Tmiss、Temerge分別為目標(biāo)消失和出現(xiàn)(發(fā)現(xiàn))時(shí)刻,則第1枚導(dǎo)彈飛臨目標(biāo)的時(shí)刻為Temerge+T。如果導(dǎo)彈的攻擊間隔為ΔTattack,其中包括觀察攻擊效果時(shí)間、再次發(fā)射決策時(shí)間、導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間以及飛行時(shí)間等。那么計(jì)算可發(fā)射導(dǎo)彈枚數(shù)的約束條件為:

即

(9)

其中,Mod[]為取整運(yùn)算。

3共享-合作-同步條件下效能仿真分析

紅方一艘常規(guī)潛艇離開港口,前往預(yù)定海域執(zhí)行任務(wù),藍(lán)方衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)后,通知在較遠(yuǎn)海域待機(jī)的水面艦艇,由艦艇發(fā)射攜帶導(dǎo)彈的無人機(jī),在常規(guī)潛艇充電時(shí)將其摧毀。

3.1參數(shù)設(shè)定

藍(lán)方衛(wèi)星信息延誤20 min。常規(guī)潛艇下潛之前的水上航速為10節(jié),可攻擊時(shí)間窗口為150 min。藍(lán)方作戰(zhàn)系統(tǒng)經(jīng)過探測、跟蹤、傳輸、處理等環(huán)節(jié),加上環(huán)境和常規(guī)潛艇本身性能等因素的影響,對常規(guī)潛艇的總的信息誤差為:航向誤差4°，航速誤差1節(jié)。

無人機(jī)由載艦發(fā)射,發(fā)射用時(shí)5 min,飛行10 min后發(fā)射導(dǎo)彈。假設(shè)無人機(jī)的攻擊策略是一次攻擊發(fā)射1枚導(dǎo)彈,在確定攻擊沒有成功的情況再進(jìn)行第2次攻擊,總共帶彈2枚。

在共享-合作-同步條件下,無人機(jī)發(fā)射成功后,總延時(shí)為偵察機(jī)報(bào)告延時(shí)加上接到報(bào)告后到導(dǎo)彈臨空之間的時(shí)間。

用于攻擊常規(guī)潛艇的導(dǎo)彈飛行速度450節(jié),發(fā)射距離150 n mile,飛行時(shí)間20 min,末制導(dǎo)雷達(dá)搜索寬度0.25 n mile。

3.2指標(biāo)計(jì)算

假設(shè)常規(guī)潛艇在散布區(qū)內(nèi)均勻分布，無人機(jī)對常規(guī)潛艇實(shí)施迎頭攻擊,并把常規(guī)潛艇的可能散布區(qū)由扇環(huán)形簡化為矩形,由于扇環(huán)的角度較小,可以保證兩者之間的誤差很小。

3.2.1無信息共享?xiàng)l件下計(jì)算

(1)目標(biāo)延時(shí)T。

(2)目標(biāo)散布區(qū)。散布區(qū)寬度取其前后緣寬度的平均值,得到的結(jié)果是2vTθ=0.778 n mile,散布區(qū)縱深為2TΔv=3.5 n mile,散布區(qū)面積為2.723(n mile)2。

(3)發(fā)現(xiàn)概率。

(4)毀傷概率。對水面狀態(tài)的潛艇而言,其上層建筑若被命中即意味著沉沒,故必須命中枚數(shù)ω=1。由于延時(shí)太長,不可能在可攻擊時(shí)間窗口內(nèi)阻止第2次攻擊,因此,常規(guī)潛艇的毀傷(擊沉)概率為:

3.2.2共享-合作-同步條件下計(jì)算

(1)目標(biāo)延時(shí)T。由于無人機(jī)發(fā)射后控制權(quán)即轉(zhuǎn)交給偵察機(jī),因此,無人機(jī)可以在得到發(fā)射指令的同時(shí)更新數(shù)據(jù),其總延時(shí)縮短為報(bào)告延時(shí)加上導(dǎo)彈飛行時(shí)間，所以有：

(2)目標(biāo)散布區(qū)。散布區(qū)寬度取其前后緣寬度的平均值,得到的結(jié)果為2vTθ=0.296 n mile,散布區(qū)縱深為2TΔv=1.333 n mile,散布區(qū)面積為0.395(n mile)2。

(3)發(fā)現(xiàn)概率。

(4)毀傷概率。第1枚導(dǎo)彈攻擊完的時(shí)間為時(shí)間窗口的第105 min,核潛艇用5 min觀察攻擊效果,如果沒有擊毀則還來得及再組織1次攻擊。因此,常規(guī)潛艇的毀傷(擊沉)概率為:

3.3結(jié)果分析

3.3.1共享-合作-同步提高打擊效能

從本文研究的結(jié)果看,共享-合作-同步條件下對時(shí)間敏感目標(biāo)的毀傷概率大大提高,由傳統(tǒng)條件下的0.321提高到0.976,提高幅度幾乎達(dá)到2倍,如圖2所示。

類別

3.3.2共享-合作-同步縮短目標(biāo)延時(shí)

由于在共享-合作-同步條件下,傳感器節(jié)點(diǎn)可以與武器投射節(jié)點(diǎn)直接鏈接,提高導(dǎo)彈對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。在本文設(shè)定的假設(shè)情況下,共享-合作-同步使目標(biāo)延時(shí)從105 min縮短到40 min,目標(biāo)可能散布區(qū)從2.723(n mile)2縮小到0.395(n mile)2,從而使對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率從0.321提高到0.845。

3.3.3共享-合作-同步增加攻擊次數(shù)

共享-合作-同步大大縮短了目標(biāo)延時(shí),不僅使得攻擊時(shí)敏目標(biāo)成為可能,而且可能進(jìn)行不止1次的攻擊,而攻擊次數(shù)的增加將直接提高毀傷概率。本文中,共享-合作-同步條件下對目標(biāo)攻擊了2次,從而使對時(shí)敏目標(biāo)的毀傷概率從0.845提高到0.976。

4結(jié)束語

本文針對時(shí)間敏感目標(biāo)特點(diǎn),根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)“共享-合作-同步”原理,提出了信息共享、行動(dòng)合作和攻擊同步的概念,實(shí)現(xiàn)信息鏈、指揮鏈和打擊鏈的交鏈,縮短指揮周期，據(jù)此建立了時(shí)間敏感目標(biāo)延時(shí)、目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率和目標(biāo)毀傷概率的效能評估指標(biāo)及仿真模型。以常規(guī)潛艇為例進(jìn)行了仿真計(jì)算,并進(jìn)行了有無“共享-合作-同步”條件的比較分析,結(jié)果表明:網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的“共享-合作-同步”可以縮短對時(shí)敏目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)時(shí)延,增加攻擊次數(shù),提高對時(shí)間敏感目標(biāo)的打擊效能,為研究時(shí)間敏感目標(biāo)效能提供了一種仿真計(jì)算方法。

[參考文獻(xiàn)]

[1]戴崢,舒亞海.網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)效能評估初探[J].空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,9(4):247-250.

[2]軍事科學(xué)院世界軍事研究部.基于效果作戰(zhàn)論[M].北京:軍事科學(xué)出版社,2005:190-240.

[3]王國勝.網(wǎng)絡(luò)中心反潛戰(zhàn)隊(duì)水面艦艇戰(zhàn)術(shù)發(fā)展的影響[J].海軍軍事學(xué)術(shù),2009(3):21-22.

[4]張最良,李長生,趙文志,等.軍事運(yùn)籌學(xué)[M].北京:軍事科學(xué)出版社,1999:283-310.

[5]卜廣志.武器裝備體系的體系結(jié)構(gòu)與體系效能[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2006,28(10):1547-1548.

[6]Perry W,Mitchell J,Brachen J,et al.Measure of effectiveness for the information-age navy:the effects of network-centric operations on combat outcomes[M].RAND Corporation,2002:35-45.

[7]劉建強(qiáng).未來一體化反潛問題研究[J].海軍軍事學(xué)術(shù),2007(1):35-37.

[8]劉忠.網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)組織的探索性建模與優(yōu)化方法[J].軍事運(yùn)籌與系統(tǒng)工程,2008(3):28-32.

(責(zé)任編輯張镅)

Research on effectiveness simulation of TCT based on network-centric warfare

YAN Jing-jing1,2,XU Teng1,3

(1.Key Laboratory of Information System Engineering,Nanjing 210007，China；2.The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007，China；3.Dept.of Combined Tactics，Naval Command College,Nanjing 210016,China)

Abstract:Based on the principle of sharing-cooperation-synchronization in network-centric warfare,the real-time target track data and image information sharing,the cooperation of force action in time and space,and the time-critical target(TCT)synchronization attack are put forward.In view of the indexes used to evaluate the effectiveness of the TCT,the models of target time delay and probabilities of target detection and damage are established.The effectiveness of the TCT under the condition of sharing-cooperation-synchronization is computed.The result shows that the combat mode based on the network-centric warfare is able to improve indexes of combat effectiveness.

Key words:network-centric warfare;time-critical target(TCT);simulation

收稿日期：2015-01-01；修回日期：2016-02-22

作者簡介：閆晶晶(1977-),女,河北承德人,信息系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高級工程師.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.011

中圖分類號:E835.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)04-0486-04