基于信息流的體系作戰效能動態評估

安超，李戰武，2，常一哲，楊海燕，寇英信

1.空軍工程大學航空航天工程學院，陜西西安7100432.西北工業大學電子信息學院，陜西西安7100723.空軍工程大學空管領航學院，陜西西安710043

基于信息流的體系作戰效能動態評估

安超1，李戰武1，2，常一哲1，楊海燕3，寇英信1

1.空軍工程大學航空航天工程學院，陜西西安710043
2.西北工業大學電子信息學院，陜西西安710072
3.空軍工程大學空管領航學院，陜西西安710043

在當前以信息系統為支撐的體系對抗中，作戰裝備繁多且關系復雜，傳統的靜態評估方法雖然具有計算簡單和實時性高等優點，但無法有效地反映裝備節點間的關系，也無法隨著戰場態勢的改變而進行實時評估。針對此問題，從作戰體系中信息流動角度出發，提出一種對戰場整體兵力部署效能進行動態評估的方法。首先從信息流節點對抗的角度分析研究了作戰體系結構。之后根據信息流對抗的特性，將作戰兵力劃分為傳感器類節點、指揮控制類節點和行動類節點三部分，并根據每類節點主要作用選取相應的指標建立效能評估模型。最后對整個作戰體系的效能進行實時動態仿真分析。結果表明該方法具有較好的可行性和實時性，為體系作戰效能評估提供了一種新思路。

信息流；體系作戰；效能；動態評估

隨著信息技術的快速發展及其在軍事中的廣泛應用，現代航空兵作戰已不再是單個平臺或多個平臺之間的對抗，而是以信息流為媒介的作戰體系的對抗。信息流作為武器體系中的關鍵載體，其既包括裝備自身的信息交互，又包括整個體系中敵我雙方信息的有效傳輸與交互。從空戰開始到結束，信息的流動始終貫穿在作戰體系之中，掌握信息流的優勢，就能保證我方武器裝備“先敵發現”、“先敵決策”、“先敵攻擊”“先敵退出”，也就掌握了戰爭的主動權。因此從信息流的角度出發，對其進行動態效能分析，對于現代體系作戰具有重要的意義。

現代作戰體系的效能評估，是涉及到眾多作戰單元的復雜問題，當前研究主要是集中在理論研究［1-3］、指標確定［4］和靜態方法分析［5］等方面，靜態效能評估大多利用數學模型構建優勢函數，通過己方和對方體系中的每個作戰單元之間的相互優勢關系對當前戰場的態勢和威脅進行評估，不能適應快速變化的戰場環境。目前少有從節點信息交互的底層——信息流對抗角度、對體系對抗作戰效能進行統一評估的可行方法。本文在對信息流動的不同功能節點劃分歸類，確定不同功能節點的效能模型的基礎上，提出一種基于實時性、精確性信息支持下的動態效能評估方法，以達到從形象性、實時性兩方面完成對體系作戰的效能評估的目的。

1　基于信息流的作戰體系結構

現代的體系作戰是戰斗機、預警機、電子干擾機、地面雷達、地空導彈和指揮所等眾多節點，經由通信裝備進行信息的交互協同，而組成的一個有效的作戰集合，如圖1所示。

圖1　現代作戰體系Fig.1Modern combat system

從作戰的開始到結束，信息的流動始終貫穿在作戰體系之中，因此可以看到，在信息流過程中占有優勢，可以保證作戰體系獲取足夠的信息支持，從而可以最大限度的發揮我方裝備體系的效能，抑制敵方的效能，這是一個實時動態變化的過程。

信息流的對抗，落腳點就在于各裝備節點功能的有效發揮，不同節點通過信息的流動，互相連接起來，不再是一個孤立的單元節點。由于各節點發揮的功能有相同或者相近的，將他們整合為一個整體來評判效能，比對單個節點進行效能計算能更好的反應真實情況，避免了效能的重復。基于此，本文將所有節點劃分為傳感器類節點、指揮控制類節點和行動類節點。

傳感器類節點主要發揮傳感器獲取信息的功能，為武器裝備體系收集、獲取目標及戰場環境信息的裝備系統，具體包括情報收集、目標偵察、戰場監視、自身信息的測量與處理以及毀傷評估等功能，是作戰體系發揮效能的基礎和前提。

指揮控制類節點主要通過對傳感器類節點傳輸回來的信息進行整理和分析，由指揮人員做出決策，并指揮行動類節點進行攻擊，是作戰體系的關鍵和核心。

行動類節點主要對敵進行攻擊任務，攻擊任務不僅包括直接火力的硬打擊還包括降低功能的軟打擊，從而達成抑制敵方信息感知和延緩攻擊決策的目的，對作戰體系整體效能有較大的影響，是作戰體系的執行終端。

傳感器類節點為指揮控制類節點提供決策依據，也可以直接用來支持作戰行動；指揮控制類節點將作戰決策以指令的形式直接傳輸給行動類節點，并根據戰場實際情況對傳感器類節點進行指揮；行動類節點將作戰信息反饋給指揮控制類節點，等待下一步的行動，同時也可以直接將需求反饋給傳感器類節點。三類節點通過信息流連接在一起，隨著戰場態勢改變時刻發生著動態變化，任意階段受到影響，都將使作戰效能大打折扣，使戰場形勢更加不利，形成一個循環往復的過程。所以，建立如下圖2所示的基于信息流節點對抗的作戰體系結構框圖：

圖2　基于信息流的作戰體系結構Fig.2The structureof combat system based on information flow

2　基于信息流的作戰體系建模

整個作戰體系的效能，分為傳感器類節點效能、指揮控制類節點效能和行動類節點效能，建模難點在于對各個節點信息特性的把握，既要滿足全面高效，又不能重復冗余，由于功能節點組成復雜且關聯緊密，故采用層次分析法，根據各組成因素的從屬關系和重要程度將其分解為若干層級，建立如下圖3所示效能評估指標體系：

圖3　效能評估指標體系Fig.3 Index system of efficiency evaluation

整個作戰體系效能評估模型如下：

式中，E為作戰體系的效能，E s為傳感器類節點效能，Ec為指揮控制類節點效能，EA為行動類節點效能，ωs、ωc和ωA為相應權重，且ωs+ωc+ωA=1。

2.1傳感器類節點效能

傳感器類裝備主要包括預警機、地面雷達站和戰斗機，從發揮功能的角度考慮其效能建模如下：

式中，ESAWACS為預警機效能，ESR為地面雷達站效能，ESF為戰斗機作為傳感器類節點的效能。

2.1.1預警機效能模型預警機發揮傳感器節點功能，根據文獻［6～7］，從探測能力、跟蹤能力、引導能力三個方面來確定，建模如下：

式中，AD為探測能力因子；AT為跟蹤能力因子；AG為引導能力因子。

1）探測能力因子模型：

式中，K為雷達體制系數；Dr為雷達最大探測距離；θR為雷達搜索總方位角，r（t）為目標與計算點的距離。

2）跟蹤能力因子模型：

式中，m為可同時跟蹤的目標數；PT為準確跟蹤目標的概率。

3）引導能力因子模型：

式中，n為可同時引導作戰飛機數；PG為成功引導作戰飛機的概率，其模型可參見文獻［7］。

2.1.2地面雷達站效能模型雷達站的主要任務就是在保證自身存活的條件下，探測、傳輸敵方目標，將雷達的偵察能力、生存能力和抗干擾能力作為指標建立模型［8］：

式中，CGR為偵察能力因子，BGR為生存能力因子，FGR為抗干擾能力因子。

1）偵察能力因子：

式中，CGRA為探測距離，CGRB為測量精度，CGRC為分辨力，CGRD為目標識別能力。

2）生存能力因子：

式中，BGRA為隱形能力，BGRB為機動能力，BGRC為抗毀傷能力，BGRD為毀傷后修復能力。

3）抗干擾能力因子：

式中，FGRA為抗電磁干擾能力，FGRB為抗自然干擾能力。

2.1.3戰斗機作為傳感器效能模型戰斗機的機載探測設備主要考慮雷達和紅外搜索跟蹤裝置，為武器系統的瞄準、跟蹤和射擊提供重要支撐，模型建立如下［9］：

式中，ADR為雷達探測能力因子；ADIR為紅外探測能力因子。

1）雷達探測能力因子模型：

式中，STR為雷達最大發現目標距離；θR為雷達搜索總方位角；PTR為雷達發現目標概率；K2為雷達體制衡量系數，圓錐掃描雷達K2=0.6，單脈沖雷達K2=0.8，脈沖多普勒雷達K2=1；m1為同時跟蹤目標數量；m2為同時允許攻擊目標數量。

2）紅外探測能力因子模型：

式（13）與式（12）中的參數意義基本一致，其中K2'為紅外體制衡量系數，多元固定式探測裝置K2'=0.6，搜索跟蹤裝置K2'=1。

2.2指揮控制類節點效能

指揮控制類節點主要為地面指揮所和預警機組成，由指揮人員根據收集的信息做出決策，并指揮行動類節點進行攻擊，所以從信息傳輸的可靠性（誤包率）和信息傳輸的時效性（指揮員的反應時間）來建立模型［10，11］：

式中，PERn（?）為信息傳輸誤包率，γ為信噪比。

1）信息傳輸誤包率

式中，γpn為截止信噪比，an和bn為常系數。

2）信噪比

式中，r2（t）為傳輸節點之間的距離，P為發射功率。

3）指揮員的反應時間

式中，k為常數，n為信息量個數，τm為運動時間（一般為30～100ms）。

2.3行動類節點效能

行動類節點主要對敵進行攻擊任務，攻擊任務不僅包括直接火力的硬打擊還包括降敵功能的軟打擊，所以從戰斗機、地空導彈和電子干擾機三個方面進行建模：

式中：EAF為戰斗機作為行動類節點的效能，EAM為地空導彈效能，EAE為電子干擾機效能。

2.3.1戰斗機作為行動類節點的效能模型戰斗機作為空戰的攻擊主體，主要考慮攻擊能力、生存能力和電子干擾能力，模型建立如下：

式中，EAFW為攻擊能力；EAFE為電子干擾能力；EAFS為生存能力。

1）攻擊能力

由于現代空戰主要作戰方式為超視距空戰，因此主要武器為中距空空導彈。據此建立攻擊能力模型如下［12］：

式中，AM為導彈的攻擊能力因子。

導彈的攻擊能力因子模型為：

式中，N為導彈的數量；PK為單發導彈殺傷概率；φ為導彈攻擊范圍角；nmax為導彈的最大可用過載；ωmax為導彈的最大跟蹤角速度；ψ為導彈的離軸發射角；KD為制導方式的修正系數，指令修正+慣導+半主動雷達末制導KD=1，指令修正+慣導+主動雷達末制導KD=1.5；r為載機與計算點的距離；rmax為導彈最大發射距離；rmin為導彈最小發射距離；θ（t）為我機相對計算點的提前角。

2）電子干擾能力

針對電子干擾機的特性，建立電子干擾能力模型［13］：

式中，ADIS為電子干擾能力因子。

電子干擾能力因子模型為：

式中，Pj為干擾機的發射功率；Gj為干擾天線增益；θ＇為天線的波束寬度；Ω為天線波束在空間的最大指向范圍；n為多個雷達的干擾能力，即雷達干擾系統同時進行有效干擾不同雷達的數量；Pf為干擾機的頻率范圍對被干擾雷達的頻率范圍覆蓋率；Δtj為引導時間，即干擾機從接收到威脅雷達信號到發射射頻干擾信號的時間；Δf為頻率引導誤差；Δθ為方位引導誤差，二者之和為引導誤差；KE為增益系數。文中假設雷達壓制區的軸線與飛機軸線同方向。

3）生存能力

飛機生存能力是指飛機躲避或承受人為敵對環境的能力，構建生存能力模型如下［14］：

式中，AS為生存能力因子。

生存能力因子模型：

式中，W為飛機的翼展；L為飛機的全長；RCS為飛機的雷達有效反射面積；Avi為飛機表面易損性部件面積；Av為飛機的表面積。

2.3.2地空導彈的效能模型地空導彈作為地面防空火力的行動類節點，主要從攻擊能力、抗干擾能力和機動性能力三個方面構建模型如下［15，16］：

式中：EAS為攻擊能力因子，EAR為抗干擾能力因子，EAMA為機動性能力因子。

1）攻擊能力模型：

式中：Tr為武器反應時間，KL為殺傷區因子，FR為火力強度因子，p為單發殺傷概率因子，K1和α為常系數。

2）抗干擾能力模型：

式中：S為搜索因子，T為跟蹤因子，G為指導因子，β為常系數。

3）機動性能力模型：

式中：Dt為展開時間，Wt為回收時間，Vmax為最大速度，MR為最大移動距離，μi（i=1，2，3，4）為常系數。

2.3.3電子干擾機效能模型電子干擾機對敵攻擊方式主要是壓制干擾敵方的雷達探測系統，影響敵方武器系統的發現能力和攻擊精度。主要從壓制系數和自衛距離考慮建立模型［17］：

式中，EAES為壓制系數因子，EAED為自衛距離因子。

1）壓制系數因子：

式中，PJ為受干擾雷達輸入端的干擾信號功率，PS為受干擾雷達輸入端的目標回波信號功率。

2）自衛距離因子：

式中，Pt為雷達發射脈沖功率（W），Gt為雷達發射天線增益，σ為目標的RCS有效值（m2），D為雷達天線增益，Ar為雷達接收天線有效接收面積（m2），D為雷達天線增益，Lt為雷達發射損耗因子，Lr為雷達接收損耗因子，F（α）為電磁波傳播損耗因子。

2.4權重的確定

ωi均為相應的權重，權重的確定采用信息熵法［6，18］，信息熵法確定權重的步驟如下所示：

步驟一確定目標函數的屬性個數m，方案個數n，通過專家打分法確定決策矩陣A，并進行歸一化處理，得到矩陣D=（dij）n×m。

步驟二計算各屬性輸出的信息熵：

步驟三計算屬性權重向量ωi：

將不同的空戰態勢作為方案個數，計算得到的權重依次為：ωs=0.2274、ωc=0.2875、ωA=0.4851、ωSAWACS=0.3299、ωSR=0.4118、ωSF=0.2583、ωAF=0.4527、ωAM=0.3575、ωAE=0.1898、ωAFW=0.5842、ωAFE=0.2292、ωAFS=0.1866、ωAS=0.5938、ωAR=0.2406、ωAMA=0.1656、ωAES=0.5397、ωAED=0.4603。

3　仿真分析

以我方指揮所為中心原點建立坐標體系（x，y，z分別為坐標三個軸向），假設我方有兩個地面雷達和地空導彈陣地，且對稱的位于坐標體系的X軸和Y軸，我方戰斗機編隊、預警機和電子干擾機初始位置一致，速度不同，敵方機群編隊位于離我方機群編隊80 km外相向飛行，不同節點的坐標及速度信息如下表1所示：

表1　作戰體系各節點及敵方初始信息Table 1Combat system nodes and the enemy initial information

根據表1中的信息，利用本文所提方法進行仿真，得到各類節點以及作戰體系的作戰效能變化曲線，如圖4，5所示：

圖4　各類節點效能隨時間的變化關系曲線Fig.4Curvesof efficiency changing w ith the time

圖5總效能隨時間的變化關系曲線Fig.5 Curve of totalefficiency changing w ith the time

圖4中，三條曲線分別代表傳感器類節點、指揮控制類節點和行動類節點的效能隨時間的變化情況，從中可以看出隨著時間的增加，傳感器類節點效能是增加的，因為受裝備本身的探測距離限制，前段增加較緩慢，后段隨著距離的接近，探測效果明顯提高，呈現出效能快速增加的現象；指揮控制類節點效能是減小的，隨著指揮所與作戰飛機距離的增加，受干擾的影響，效能會快速減小，到達一定距離后，效能值基本為0；行動類節點效能是呈現跳躍式增加和減小的，作戰飛機武器的發射是有一定的距離限制的，大于或者小于這個距離，其都不能有效發揮作用。

圖5可以看到整個作戰體系的效能是先減小，后增加，再減小的。在初始階段指揮協同能力較好，隨著時間的增加，傳感器類節點、指揮控制類節點和行動類節點效能發生變化，在接近40 s到90 s之間為我方作戰體系的最佳作戰范圍，信息流形成最快，90 s后由于指揮控制協同能力的降低，敵我雙方飛機距離的明顯接近，我方優勢不再明顯，使得效能值減小與實際作戰情況相符合。

4　結論

根據信息流動的特性，將作戰兵力劃分為傳感器類節點、指揮控制類節點和行動類節點。對每類節點分別建立效能評估模型，進而對單類節點以及綜合三類節點效能進行實時動態分析，最終得到作戰時我方的優勢區間。通過仿真算例對文中所提方法進行了驗證，結果符合作戰實際，達到了為作戰決策提供實時數據支撐的目的，同時為體系作戰效能評估提供了一種新思路和新方法。

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Dynamic Evaluation on the Efficiency of Combat System Based on Information Flow

AN Chao1，LIZhan-wu1，2，CHANGYi-zhe1，YANGHai-yan3，KOU Ying-xin1
1.College ofAeronauticaland Astronautical Engineering/Air Force Engineering University，Xi'an 710043，China
2.SchoolofElectronicsand Information/Northwestern PolytechnicalUniversity，Xi'an 710072，China
3.College ofAir Traffic Controland Navigation/Air Force Engineering University，Xi'an 710043，China

Nowadays，in the system combat based on information system，a large number of combat equipments w ith complex relations are applied in warfare.The traditional static assessment has the advantages of simplicity and high efficiency，but itcannot reflect the relationsamong differentnodes and effectively correspond w ith the changing combat field situation.Aim ing at this issue，a dynam ic assessmentmethod from the perspective of the information flow is put forward to assess the efficiency of thewhole combat system.First，the structure of the combatsystems is analyzed from the perspective of the confrontation of the information flow.Second，based on the confrontation of information flow，combat force is divided into three parts as sensor nodes，command and controlnodes and operationalnodes.Corresponding indexes of each function of different nodes are set up and effectiveness evaluation model is established.Third，a dynamic real time simulation is carried outon the effectiveness of thewhole combat system.The simulation result shows that the proposed method is fairly feasible and has a good real time capability.Moreover，it isable to put forward new thoughtsandmethod in the evaluation of system combateffectiveness.

Information flow；system combat；efficiency；dynam ic evaluation

V221.23

A

1000-2324（2016）04-0604-07

2016-05-16

2016-06-28

國家自然科學基金資助項目（61472441）

安超（1987-），男，山東泰安人，碩士研究生，主要方向為先進航空火力控制原理與技術.E-mail：15339179079@163.com