水面艦艇編隊對空防御目標威脅評估分析*

林　樺　王公寶　武從猛　李春騰

(海軍工程大學理學院　武漢　430033)

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水面艦艇編隊對空防御目標威脅評估分析*

林樺王公寶武從猛李春騰

(海軍工程大學理學院武漢430033)

為提高艦艇編隊打擊空中目標的決策準確度，提高艦艇編隊的戰斗力水平，論文以水面艦艇編隊處于防空作戰的環境為背景，深入分析了目標威脅評估的五個主要因素對水面艦艇編隊防空作戰效能的影響，采用TOPSIS法進行作戰環境下的目標威脅評估分析，并通過仿真算例驗證了方法的有效性。

水面艦艇編隊; 對空防御; 威脅評估; TOPSIS法

Class NumberE911

1　引言

在信息化引領的高科技軍事活動中，水面艦艇編隊對空防御作戰始終是海上軍事斗爭的熱門問題。現代海戰空襲模式均采取多批次、多方向、多空域、全時域連續飽和攻擊，指揮人員難以人工從大量的原始戰場信息做出有效的決策。隨著對艦攻擊手段的拓展，水面艦艇編隊在未來海上防空領域面臨的挑戰愈加棘手。因此，針對水面艦艇編隊對空防御的戰術特點，分析敵方的攻擊樣式，進而有效評估空中來襲目標的威脅程度，有重點的展開對空防御，對于提高水面艦艇編隊的防空作戰效能具有重要軍事意義。

2　水面艦艇編隊對空防御目標威脅評估指標分析

威脅評估是艦載武器對空防御作戰決策中的關鍵環節之一，它是根據編隊指揮中心的作戰預案、作戰決心等因素，綜合來襲目標多種特征信息，預測空中來襲目標對艦艇編隊威脅程度的排序過程，其目的是為目標優化分配提供依據。在水面艦艇編隊對空防御作戰中，空中來襲目標的威脅評估一般通過艦載C3I系統鎖定、跟蹤若干批目標，利用雷達及其它傳感器獲取空中來襲目標多種特征信息，再根據建立的威脅值評估模型進行自動威脅評估與排序。在威脅評估的過程中，如果將獲得的目標距離、目標角度、目標類型、電子干擾以及抗干擾能力、雙方空間幾何態勢等所有影響因素都納入評估指標體系，則會顯著增加系統建模的難度，影響評估的實時性。為了提高威脅評估有效性，建模時選取合理的目標屬性作為評估指標，才能較全面地描述空中來襲目標的威脅程度[1]。

結合現代防空作戰的特點和指揮自動化系統的工作過程，從簡潔性、代表性、獨立性和可行性的原則出發，本文選取空中目標類型、目標角度、目標距離、目標速度、目標攻擊意圖等五個因素作為威脅評估指標，以此來度量來襲目標的威脅能力。此外，在進行威脅評估時，通過傳感器直接獲取的目標信息具有不同的量綱，并且數據范圍差別較大，因此需要消除不同屬性之間的差異來使其規范化。為此，采用構造威脅指數的方式將數據規范化至[0,1]區間的隸屬度，對于同一參數，隸屬度越大，其威脅程度越高。

1) 目標類型：來襲目標的類型可以通過我方雷達系統初步識別。來襲目標的類型不同，對我方系統的威脅程度也不相同。來襲目標的威脅程度按升序排列分別為：預警機、偵察機、戰斗機、攻擊機(或轟炸機)、反艦導彈[2]。假設其威脅隸屬度函數為

(1)

2) 目標角度：主要包括目標的航向角以及方位角。本文中假定方位角固定，故僅考慮航向角的威脅程度。當目標相對于我方武器系統所處的航向角越小，說明其對我方的攻擊意圖越明顯，威脅程度越大；反之，則威脅程度越小。假設其威脅隸屬度函數為[3]

(2)

其中α為目標方位角，β為目標航向角。

3) 目標距離：該因素主要通過被雷達發現的概率以及導彈的殺傷能力這兩個方面來產生威脅。一般來說，距離越遠，被雷達探測到的概率就越低。當目標雙方位于導彈的中間發射距離時，導彈具有較強的殺傷能力，如果位于其他區域，則殺傷能力較弱[4]。因此，當敵我雙方達到導彈的最小攻擊范圍時，隨著雙方距離的減小，我方規避敵方攻擊的能力也隨之減弱，此時敵方可以采用近距離攻擊武器對我方造成更大的威脅。由文獻[5]可得到目標的距離威脅隸屬度函數為

(3)

其中，D為敵我之間的距離，DRmax為敵機載雷達最大探測距離，DMmax為敵機載導彈的最大射程，DMKmax和DMKmin分別為敵機載導彈的不可逃逸區最大和最小距離。本文中分別取DRmax=180(km)，DMmax=100(km)，DMKmax=60(km)，DMKmin=18(km)。

4) 目標速度：主要會影響我方武器對其的殺傷能力。一般而言，目標的飛行速度不同，對我方艦艇的威脅程度也不相同。敵方目標的飛行速度越快，預留給我方的時間窗口就越短，從而對我方造成的威脅越大。由文獻[6]得知目標類型為戰斗機的速度最大，一般不超過2.5Ma。其目標的速度威脅隸屬度函數為

(4)

5) 目標攻擊意圖：主要是指敵方通過各種行為(雷達開(關)機、電子干擾、態勢感知能力等)對我方產生威脅。由文獻[4]可知，在其他因素占主導地位的是我方機載雷達接收機獲取的敵方雷達活動信息。一般情況下，戰機會通過其他平臺進行工作來保持其電磁靜默狀態，此時所構成的威脅是最小的，用事件1來表示，稱之為雷達不工作狀態(no_r)；一旦發現機載雷達開始運行[7]，表示要進入臨戰狀態，此時所構成的威脅較事件1而言有所增大，但又尚未達到威脅度最大，用事件2來表示，稱之為偵察雷達掃描狀態(in_r)；當火控雷達開始運行，表明敵機對我方所構成的威脅度最大，用事件3表示，稱之為火控雷達掃描狀態(f_c_r)。用區間值模糊集對目標攻擊意圖屬性值的大小進行處理：

(5)

3　基于TOPSIS法的目標威脅評估分析

針對水面艦艇編隊對空防御目標威脅評估問題，本文主要采用TOPSIS法進行分析計算[8～9]。

步驟1：確定規范化的決策矩陣D。本文采用成本型屬性進行分析，其規范化公式為

(6)

(7)

(8)

其中wj代表各評價屬性所占的權重值。得到偏差值之后便可以得到各目標值vi(1≤i≤m)的評價屬性與E*之間的相對貼近度為

(9)

步驟5：引入水面艦艇編隊中的各艦艇的重要程度評估因子，計算編隊綜合貼近度。具體計算公式為

(10)

其中c(k)代表各艦艇的權重值，其和值為1；Sγi代表綜合貼近度；L代表水面艦艇編隊中艦艇的數量。

4　仿真算例

根據空襲和水面艦艇在防空作戰中的一些特點[10～11]，本文為驗證所示方法的有效性，進行了仿真算例分析。我們設定但凡艦艇被擊中，即為達到飽和攻擊，以及該艦艇編隊擁有良好的指揮控制引導系統。假定該艦艇編隊是由四艘艦艇組成的一個菱形編隊，各艘艦艇之間的距離為安全距離，即各來襲目標不會同時對編隊中的任意2艘造成威脅。賦予每艘艦艇的權重分別為c(1)=0.4，c(2)=0.25，c(3)=0.2，c(4)=0.15；空中來襲的目標有3批，P={A,C,E}分別為{預警機，戰斗機，反艦導彈}；我們設定空中目標的評價屬性有五個，F={f1,f2,f3,f4,f5}，分別為{目標類型、角度、距離、速度、目標攻擊意圖}。根據其干擾程度，劃分各個屬性的權重分別為ω1= 0.15，ω2= 0.3，ω3= 0.2，ω4= 0.2，ω5= 0.15。根據相關資料顯示[9]，某艦艇綜合評估后各目標屬性值如表1所示。根據上兩節中介紹的方法，得到其對應的威脅度隸屬值及規范化值如表2所示。

表1　目標屬性值

表2　各目標威脅度及其規范值

計算得到的偏差值、相對貼近度以及排序如表3所示。

表3　威脅評估結果

從表3中的數據可得：各目標與理想解的相對貼近度，進而得到各目標對該艘艦艇的威脅度的大小，其中v2>v1>v3，說明目標v2對該艘艦艇的威脅程度最大。

水面艦艇編隊中的其他艦艇按照上述步驟進行計算，可得到各艘艦艇的各個目標的相對貼近度的指標值為

其中：1≤k≤L，1≤i≤m。然后按照式(10)計算目標對水面艦艇編隊的綜合貼近度為：Sγ1=0.6169，Sγ2=0.6714，Sγ3=0.4291。

故按照上述結果進行排序，可得到各目標對整個水面艦艇編隊的威脅排序為v2>v1>v3。

因此，水面艦艇編隊指揮員可以根據綜合貼近度Sγi(1≤i≤m)得到威脅度最大的目標，從而更加準確地進行分配決策，使得火力分配與威脅度分布相符。

5　結語

本文通過運用TOPSIS法中的成本型屬性對水面艦艇編隊防空作戰中來襲目標威脅值進行評估，其實質是利用影響威脅度的各目標的屬性值進行推理及排序，并獲得目標威脅值評估結果。論文通過仿真算例驗證了方法的有效性，具有較強的理論意義和應用參考價值。

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Aerial Target Threat Evaluation Method for Surface Warship Formation in Air Defense Operation

LIN HuaWANG GongbaoWU CongmengLI Chunteng

(College of Science, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

In order to improve the accuracy of making decision and improve the level of combat capability of the warship formation, based on the environment of surface warship formation in air defense operation, the five factors that determine the threat to surface warship formation are analyzed. The TOPSIS method is used to analyze the target threat value evaluation. And the validity of the method is proved by the simulation example.

surface warship formation, air defense, threat value evaluation, technique for order perference by similarity to an ideal solution(TOPSIS)

2016年4月8日,

2016年5月26日

海軍工程大學社會科學基金重點項目(編號：HGDSK2015E02)資助。

林樺,女,碩士研究生,研究方向：軍事系統建模與運籌決策。王公寶,男,博士,教授,博士生導師,研究方向：軍事系統建模與運籌決策。武從猛,男,碩士,講師,研究方向：軍事系統建模與運籌決策。李春騰,男,碩士研究生,研究方向：通信與信息系統。

E911

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.005