網絡化聯合作戰體系OODA環路最大行動速度計算與仿真

徐 康,李華軍,王盛超,申智利

(94005部隊,甘肅 酒泉733306)

網絡化聯合作戰體系OODA環路最大行動速度計算與仿真

徐 康,李華軍,王盛超,申智利

(94005部隊,甘肅 酒泉733306)

OODA環路這一重要的軍事行為已經嵌入到網絡作戰的各個層次。為了度量計算OODA環路的最大運行速度ΛOODA,首先構建了網絡化作戰體系模型,給出了基于網絡的作戰體系信息交換速率的計算方法。通過量化OODA環路各階段的時間消耗,進一步得到OODA環路最大運行速度的度量方法。最后通過MATLAB軟件(LPIsimNet)仿真計算了網絡電子攻擊對網絡化作戰體系的影響效果。

OODA環路;網絡化;聯合作戰體系;信息交換速率

0 引 言

觀察-判斷-決策-行動(OODA)環路是美國軍事學家John Boyd提出的一種重要的軍事行為,其核心思想是用來說明如何調動個人(作戰部隊)力量在戰爭中完全摧毀敵人而保存自己的實力。OODA環路能夠快速處理整個環路的作戰計劃,對發生事件作出觀察和反應的速度比對手快,還能滲透到對方的決策環路上,取得軍事上的先機。[1]

隨著現有傳感器信息與網絡技術水平的飛速發展,網絡化的作戰體系已經越來越多地應用在現代戰爭中,與此相適應的作戰指揮模式也越來越多地采用網絡化的OODA環路這一軍事行為。在實際戰爭中,OODA環路的合理應用能夠有效地提升信息處理能力,改善作戰計劃,同時指揮官的作戰意圖可以被快速闡述清楚。因此,OODA環路的最大運行速度ΛOODA[2]可用來評估網絡作戰體系的整體效能。影響ΛOODA的因素很多。由于作戰體系總的信息處理能力的增強可以加快整體作戰進程,從而影響了部隊的機動性、決策速度、殺傷力和靈活性,因此作戰體系中的信息處理能力是影響ΛOODA的重要因素。本文針對作戰體系呈現網絡化這一特點,采用網絡拓撲結構對作戰體系進行建模,給出了基于網絡的作戰體系信息交換速率的計算方法,最后提出了一種計算ΛOODA的度量方法,并通過MATLAB軟件(LPIsimNet)仿真計算了網絡電子攻擊對網絡化作戰體系的影響效果。

1 網絡化作戰體系模型的構建[3]

由于OODA環路是一種網絡化的軍事行為,為了度量環路中的最大運行速度ΛOODA,其關鍵在于網絡化作戰體系模型的構建。在這里采用網絡拓撲結構對作戰體系進行建模。這里的網絡就是指一個傳感器網絡,每個節點代表一個作戰單元,可以是一個雷達系統或飛機系統等等,節點之間的聯系就代表作戰單元之間的關聯。遵循OODA環路的概念,將網絡化作戰體系抽象為4類節點,分別為決策節點(D)、傳感節點(S)、攻擊節點(A)和目標節點(T)。[3]

節點之間的連接關系[3]約束如下:決策節點一般為指揮所、情報中心,因此D與D之間的連接是雙向的,表示決策節點之間信息的共享。節點S和節點A只受單方的D指揮,其中傳感節點偵察目標T的信息并傳送給決策節點D,攻擊節點A只接受D的控制對目標T進行打擊摧毀。由此可以得到該網絡作戰體系的OODA過程如圖1所示。

圖1 基于網絡化作戰體系的OODA過程

圖中,T代表敵方目標節點,A代表我方所有攻擊節點,S代表我方所有傳感節點。為了便于后面的仿真計算,采用信息能力值和信息處理速率來表征不同類型節點的權值。節點權值的大小表示該節點在作戰體系中的作用,一般分配給D節點的值最大,S次之,A節點的權值最小。

網絡的作戰體系信息交換速率基于上述網絡模型進行定義,計為λT,其表達式為[4]

(1)

其中[4]

(2)

(3)

2 OODA環路最大運行速度計算

從OODA環路的定義可以看出,其最大運行速度是由4個階段共同決定的。圖2給出了在4個不同階段(觀察、判斷、決策、行動)影響ΛOODA的主要因素,以及這些因素彼此之間的關系。[7]

圖2 影響ΛOODA的主要因素和這些因素彼此之間的關系

從圖2可以看出,網絡化的作戰體系主要是基于網絡空間取得信息優勢,進而提高了戰場環境的態勢感知能力、指揮員的決策能力以及作戰部隊的行動能力,而且網絡空間的信息處理能力對于除決策階段的剩余三個階段都有直接影響,可見網絡作戰體系的信息處理速度對OODA環路這一軍事行為的重要性。這正是本文在計算ΛOODA之前構建網絡化作戰體系模型,并基于該模型給出網絡的作戰體系信息交換速率計算公式的主要原因。圖3基于上述分析給出了ΛOODA分段度量模型[4]。

圖3 OODA環路分段模型

圖中,△t1定義為從觀察到判斷的時間,是傳感器節點進行信息收集并傳輸給指揮所進行信息融合的過程[3],可直接由λT決定;△t2是從判斷到決策的時間,這一過程主要與指揮員的能力和經驗有關,由認知域的決策速度λC2決定,不能用λT衡量;△t3是從決策到行動的時間,它必須大于信息交換時間和部署時間(由物理域的部署速度[7]λd決定);△t4是從行動到下一次觀察的時間,一般大于信息交換時間和戰斗時間(由物理域的作戰速度[7]λf決定)的總和。定義OODA環路總的消耗時間為TOODA[4],則有

(6)

在OODA環路速度參數中,最感興趣的是ΛOODA。對式(6)求倒數[4]:

(7)

從式(7)可以看出,環路的最大運行速度受網絡的拓撲結構(由λT決定)和整體決策速度、部署時間、作戰時間限制。通過這樣一個方程將網絡作戰體系內部度量標準和傳感器與武器網絡的運行結果直接聯系起來,即將網絡空間和作戰指揮網絡緊密地聯系起來,可以直接用來評估網絡化作戰體系的信息優勢和戰場優勢。

3 網絡電子攻擊效果度量

當網絡化作戰體系遭受電子攻擊時,如果被攻擊節點接收機的干擾信號比(JSR[4])超過了特定門限,使得網絡鏈路的誤比特率無法接受時,這時就無法建立起數據鏈路,進而影響了網絡的最大運行速度。因此,通過仿真對JSR評估的意義重大。JSR在實際測量中受很多因素的影響,本文給出的是基于MATLAB程序集LPIsimNet仿真環境下的簡易計算公式,為后面的仿真實驗提供了理論評估基礎,其表達式如下[4]:

(8)

4 仿真實驗

仿真場景想定:我方一個導彈發射網絡化作戰體系由預警雷達(傳感節點S)、空中無人機(決策節點D)、地面情報站(決策節點D)、地面指揮部(決策節點D)以及導彈發射單元(攻擊節點A)組成,敵方一架電子干擾飛機同時對我方的作戰體系中的兩個節點進行電子干擾攻擊以切斷我方作戰網絡信息交換鏈路。場景實現:采用MATLAB程序集LPIsimNet對上述的想定場景進行參數設置,其仿真場景如圖4。

圖4為用MATLAB軟件(LPIsimNet)對分布在10 000 km2范圍內的想定場景進行仿真,其中節點1(DDFS)為導彈發射單元,節點2(WRJ)為無人機,節點3(ZHB)為我方指揮部,節點5(QBZ)為我方地面情報站,節點6(RADAR)為我方預警雷達,節點4(GRJ)為敵方干擾機。

圖4 仿真場景

表1 仿真場景的參數設置

仿真結果分析:在圖4中設置總的時間序號數為7,當運行仿真時,根據時間序號,敵方干擾機以速度(-20,-10)接近節點2和節點5。位置以節點的初始位置為參考,速度表示每個節點在每時間序號的位移(km/時間序號)。在這里只給出時間序號1、2、6、7的仿真結果(這4個時間序號參考性高)。在時序1干擾機位于初始位置,從圖5可以看到我方的作戰網絡沒有受到任何影響,當干擾機以一定的速度逐漸接近節點2和節點5時,警告出現在時序2,干擾機的接近使得節點5至節點2以及節點6到節點2的鏈路中斷,即同時切斷了我方地面情報站和預警雷達至無人機的通信;當干擾機位于時序6位置時,從節點2至節點5的連接也受到了壓制,導致鏈路中斷,即我方地面情報站與無人機之間的雙向通信完全被切斷;最終當干擾機位于時序7位置時,節點3至節點5的鏈路也同時被中斷,造成的后果是我方地作戰指揮部無法向地面情報站傳輸信息,致使我方的導彈發射單元無法接收到正確的作戰指揮命令,處于癱瘓狀態。

圖5 在時序1的干擾仿真

圖6 在時序2的干擾仿真

圖7 在時序6的干擾仿真

圖8 在時序7的干擾仿真

為了度量我方作戰體系遭受干擾前后網絡內部的參數變化,以及由此而導致的OODA環路最大運行速度的變化趨勢,表2給出了通過LPIsimNet計算得出的仿真結果。

從表2可以看出,隨著干擾程度的加深,作戰網絡內部度量參數值(CM,IR,λT)呈現遞減趨勢,OODA環路最大運行速度ΛOODA也呈遞減趨勢。在ΛOODA計算公式中,假設決策速度、部署速度、作戰速度都是已知且不變的,ΛOODA的值只受λT的限制。在這里λT是遞減的,從公式也可以推導出ΛOODA是遞減的,即通過仿真實驗驗證了理論推導的正確性。

表2 通過LPIsimNet計算得到的度量參數

5 結束語

本文的仿真實驗是基于MATLAB軟件程序集LPIsimNet,通過構建簡易網絡作戰體系模型,從一定程度上評估了電子攻擊對作戰網絡的影響效能,并評估了對應用在作戰網絡中的OODA環路的影響效能,得出的結論與之前的理論分析是相吻合的。由于在仿真計算OODA環路最大運行速度時只考慮了受傳感器網絡內部度量參數的影響,因而導致了仿真結果的局限性。

[1] Fusano A,Sato H,Namatame A. Muti-agent based combat simulation from OODA and network perspective[C]//Computer Modelling and Simulation(UKSim),2011 UKSim 13th International Conference on IEEE,2011:249-254.

[2] Phister,P W, Jr, CherryJ D.Command and control concepts within the network-centric operations construct[C]. Pro. of the IEEE Aerospace Conf.,2006: 1-9.

[3] 張明智,馬力,季明.網絡化體系對抗OODA指揮循環時測建模及實驗[J].指揮與控制學報,2015,1(1):50-55.

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[5] Ling M F,Moon T,Kruzins E D.Proposed network centric warfare metrics:From connectivity to the OODA cycle[J].Military Operations Research,2005,10(1):5-13.

[6] Chen Y Q.Simulation of network-enabled clectronic warfare metrics to assess the value of networking in a general information and radar topology[D].Monterey,CA:Naval Postgraduate School,2007:156.

[7] Garstka J J,Alberts D S.Network centric operation conceptual framework version 2.0[R]. Vienna,VA:Evidence Based Research,Inc.,2004:95.

Calculation and simulation of maximum action speed of OODA loop for networked combined combat systems

XU Kang, LI Hua-jun, WANG Sheng-chao, SHEN Zhi-li

(Unit 94005 of the PLA, Jiuquan 733306, China)

The OODA loop as an important military behavior has been embedded into all levels of the network operations. In order to measure the maximum action speed (ΛOODA) of the OODA loop, the networked combat systems model is built firstly, and the calculation method of the information exchange rate of the network-based combat systems is given. The measurement method of the maximum action speed of the OODA loop is further obtained through quantifying the time consumption of each stage of the OODA loop. Finally, the effects of the cyber attacks on the networked combat systems are simulated and calculated via the MATLAB software (LPIsimNet).

OODA loop; network; combined combat systems; information exchange rate

2017-05-05

徐康(1987-),男,助理工程師,碩士,研究方向:雷達裝備作戰運用及效能評估;李華軍(1978-),男,工程師,本科,研究方向:雷達裝備作戰運用及效能評估;王盛超(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達裝備作戰運用及效能評估;申智利(1987-),男,助理工程師,碩士,研究方向:雷達裝備作戰運用及效能評估。

TP393

A

1009-0401(2017)02-0013-05