水面艦艇作戰(zhàn)試驗中復雜電磁環(huán)境考核設計與評估

張鴻喜,范寶亮,楊望燦

(解放軍91404部隊,河北 秦皇島 066001)

0 引 言

水面艦艇在復雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力評估[1],就是按照規(guī)范的試驗程序和貼近實戰(zhàn)的電磁環(huán)境要求,對被試艦艇在不同的復雜電磁環(huán)境下完成規(guī)定作戰(zhàn)任務的能力進行全面系統(tǒng)的考核評估并給出復雜電磁環(huán)境適應性結論的活動。

1 水面艦艇作戰(zhàn)試驗概況

1.1 基本概念

作戰(zhàn)試驗是在近似實戰(zhàn)戰(zhàn)場環(huán)境和對抗條件下,對裝備完成作戰(zhàn)使命任務的作戰(zhàn)效能和適用性等進行考核與評估的裝備試驗活動[2]。作戰(zhàn)試驗主要驗證裝備完成規(guī)定作戰(zhàn)使命任務的能力,摸清裝備在典型作戰(zhàn)任務剖面下的作戰(zhàn)效能和適用性底數(shù),并探索裝備作戰(zhàn)運用方式等,其結論是裝備列裝定型的基本依據(jù)。

水面艦艇作為海上作戰(zhàn)的基本單元,為有效應對海上復雜多元的威脅挑戰(zhàn),其技術含量越來越高,裝備關聯(lián)度、耦合度越來越強,呈現(xiàn)出集成程度高、信息含量高、智能水平高、綜合效能高的顯著特征。為加快新型水面艦艇戰(zhàn)斗力生成,作戰(zhàn)試驗的作用就尤為突出,必須按照作戰(zhàn)編成和戰(zhàn)術運用原則,全系統(tǒng)、全要素、全流程、全功能檢驗武器裝備實際能力,在近似實戰(zhàn)的對抗環(huán)境尤其是復雜電磁環(huán)境下把裝備效能底數(shù)摸清摸透。本文重點以驅護艦為研究對象進行闡述。

1.2 主要內(nèi)容

根據(jù)國內(nèi)外裝備作戰(zhàn)試驗研究實踐情況,水面艦艇作戰(zhàn)試驗一般包括作戰(zhàn)效能試驗、作戰(zhàn)適用性試驗和體系適用性試驗,在全壽命周期內(nèi)按照作戰(zhàn)流程進行效能檢驗、成體系組織對抗評估、融入戰(zhàn)術戰(zhàn)法驗證作戰(zhàn)效果。其中,作戰(zhàn)效能試驗主要考核裝備完成作戰(zhàn)任務時所能發(fā)揮有效作用的程度,包含偵察效能、指控效能、打擊效能、機動效能等;作戰(zhàn)適用性試驗主要考核裝備在規(guī)定的使用環(huán)境條件下,適應實際環(huán)境條件并能夠有效、可靠、安全使用的程度;體系適用性試驗主要考核裝備在成體系使用中的滿意程度,包括體系融合度、體系貢獻率等[3]。

1.3 復雜電磁環(huán)境考核現(xiàn)狀

電子戰(zhàn)是信息化條件下局部戰(zhàn)爭的“殺手锏”,其作戰(zhàn)目的是降低或削弱交戰(zhàn)對手戰(zhàn)斗力并保持和增強己方戰(zhàn)斗力,電子戰(zhàn)要“消滅”的不是交戰(zhàn)對手的有生力量,而是通過攻擊或癱瘓交戰(zhàn)對手的軍事信息系統(tǒng)和降低其精確制導武器系統(tǒng)的攻擊效率,使其喪失戰(zhàn)斗力。從水面艦艇作戰(zhàn)試驗內(nèi)容要求可以看出,復雜電磁環(huán)境貫穿了水面艦艇實戰(zhàn)條件下作戰(zhàn)效能檢驗的全過程。一段時間以來,水面艦艇作戰(zhàn)試驗一直包含復雜電磁環(huán)境相關內(nèi)容,但是從實際情況來看,在試驗規(guī)范性、試驗可實施性、結論科學性等方面還存在不同程度上的差距。

2 復雜電磁環(huán)境考核設計

水面艦艇作戰(zhàn)試驗以紅藍對抗的作戰(zhàn)想定為藍本開展設計。復雜電磁環(huán)境的考核,主要以對水面艦艇作戰(zhàn)能力影響較大的復雜電磁環(huán)境要素為重點設計試驗項目。下面以驅護艦艇為作戰(zhàn)試驗對象,簡述試驗開展過程。

2.1 復雜電磁環(huán)境對水面艦艇作戰(zhàn)能力影響

在現(xiàn)代海戰(zhàn)場中,作戰(zhàn)海區(qū)電磁信號特性雜、種類多、頻域廣、密度高、體制復雜,局部海戰(zhàn)場電磁環(huán)境可能嚴重影響驅護艦艇預警探測、無線電通信以及指揮協(xié)同。

2.1.1 環(huán)境信號影響

艦載雷達偵察裝備由于自身工作機理和作戰(zhàn)使用的特點,在復雜電磁環(huán)境各因素共同作用下,在信號接收、處理、分選、識別和操作等各個環(huán)節(jié)均會受到不同程度的影響,使得偵察的作用距離、處理的時效性、信息的準確性等方面都有不同程度的改變[4]。

2.1.2 電子干擾影響

在交戰(zhàn)過程中,作戰(zhàn)對手有意實施的各種噪聲、假目標等干擾,對驅護艦艇雷達設備可能形成多層面、高強度、多樣式干擾,發(fā)現(xiàn)距離可能受到壓縮,目標可能淹沒于虛假空情中。當存在通信干擾時,艦艇數(shù)據(jù)鏈、超短波指揮話音等會受到壓制,可能會出現(xiàn)指揮通信不連續(xù)、目標識別錯誤、偵察情報誤判等現(xiàn)象。

2.2 試驗設計

為充分檢驗水面艦艇在復雜電磁環(huán)境下所承擔使命、完成任務的有效性,作戰(zhàn)試驗首先要從艦艇作戰(zhàn)使命任務出發(fā),通過海戰(zhàn)場電磁環(huán)境分析和紅藍雙方技戰(zhàn)術的設置,完成復雜電磁環(huán)境下水面艦艇作戰(zhàn)想定,作為試驗設計與評估的約束,一般可按以下步驟開展設計[5]。

(1) 分解作戰(zhàn)任務。可根據(jù)被試艦艇作戰(zhàn)使命,分解為多類型作戰(zhàn)任務,提出多樣式作戰(zhàn)問題。

(2) 擬制作戰(zhàn)想定。根據(jù)作戰(zhàn)任務,擬制作戰(zhàn)背景,設置戰(zhàn)場環(huán)境,配置作戰(zhàn)要素。

(3) 設計試驗科目。將需檢驗的作戰(zhàn)效能與作戰(zhàn)想定相結合,把一次作戰(zhàn)任務分解為多個試驗科目,支撐試驗實施。

(4) 建立指標體系。針對效能評估,建立多級指標體系,明確數(shù)據(jù)來源。

(5) 研究評估方法。根據(jù)不同的評估要求,科學選取一種或幾種組合式評估方法,并適應數(shù)據(jù)獲取條件。

(6) 試驗組織實施。制定試驗實施方案,組織內(nèi)外場試驗,開展試驗數(shù)據(jù)采集和分類預處理。

(7) 能力綜合評估。根據(jù)評估方法利用多維數(shù)據(jù)進行綜合評估,給出被試艦在特定和一般作戰(zhàn)場景中作戰(zhàn)效能[6]。

3 試驗評估方法

3.1 評估指標體系

根據(jù)被試驅護艦使命任務以及實際作戰(zhàn)應用場景,可按照作戰(zhàn)效能、作戰(zhàn)適用性進行評估。選取與復雜電磁環(huán)境相關度較高的能力建立指標體系,作戰(zhàn)效能評估主要涉及對空作戰(zhàn)能力,作戰(zhàn)適用性主要涉及作戰(zhàn)環(huán)境適用性。

3.1.1 復雜電磁環(huán)境下對空作戰(zhàn)能力

對空作戰(zhàn)能力評估聚焦驅護艦對空作戰(zhàn)任務的作戰(zhàn)能力,可采取基于能力解析的能力對比度和基于作戰(zhàn)任務的任務完成率評估2個視角進行評估。

(1) 基于能力解析的能力對比度評估

按照預警探測、指揮控制、火力打擊等作戰(zhàn)鏈路要素,將對空作戰(zhàn)能力解析成具體指標。對空作戰(zhàn)能力共分為偵察探測能力、指揮控制能力、電子對抗能力和硬武器攔截能力,采用基于信息熵的ADC(A為系統(tǒng)可用度,D為系統(tǒng)可信度,C為系統(tǒng)能力)改進方法得到對空作戰(zhàn)的能力對比度評估結果[7]。指標體系示例見表1。

表1 對空作戰(zhàn)效能指標示例

(2) 基于作戰(zhàn)任務的任務完成率評估

根據(jù)作戰(zhàn)想定和試驗科目,在預設作戰(zhàn)區(qū)域,針對可能面對的作戰(zhàn)任務場景,采用仿真推演、理論分析的方法評估被試艦應對設計的不同作戰(zhàn)對抗強度下不同威脅態(tài)勢的遠程防空和近程反導任務完成率區(qū)間值,綜合評估該艦的極限防抗能力。

3.1.2 復雜電磁環(huán)境作戰(zhàn)適用性

作戰(zhàn)適用性評估是評價被試艦在規(guī)定的使用環(huán)境條件下,裝備適應實際環(huán)境條件并能夠有效、可靠、安全使用的程度。

作戰(zhàn)環(huán)境適用性指被試艦對作戰(zhàn)環(huán)境的適用性程度,作戰(zhàn)環(huán)境包括復雜自然環(huán)境和復雜電磁環(huán)境。本文重點考慮復雜電磁環(huán)境適用性,主要通過仿真推演和能力解析的方法,評估在不同等級的電磁環(huán)境下,被試艦對空作戰(zhàn)效能、對水下作戰(zhàn)效能和通信能力的下降程度。復雜電磁環(huán)境適用性指標示例見表2。

表2 復雜電磁環(huán)境適用性指標示例

3.2 評估方法

3.2.1 對空作戰(zhàn)能力評估方法

(1) 基于能力解析的能力對比度評估

基于能力解析,與其他驅護艦比對,采用基于信息熵的ADC改進方法評估各方面能力對比度及綜合能力對比度。

(a) 按照偵察探測、指揮控制、火力攔截/電子對抗的作戰(zhàn)鏈路要素,將艦艇對空作戰(zhàn)能力向下逐層解析成可直接測量或評估的具體指標,建立指標體系。

(b) 基于多種數(shù)據(jù)來源,定量指標采用效用函數(shù)進行量化,定性指標采用分級評價和專家打分的方法進行量化。

(c) 按照指標體系,利用層次分析法計算同一層級指標的權重,得到每一層的能力相對值,然后向上逐級聚合,最終得到單個裝備的能力量化值。

(d) 根據(jù)艦艇偵察探測、指揮控制、火力攔截/電子對抗環(huán)節(jié)中各裝備的耦合情況,定義正常、故障等不同工作狀態(tài)組合。

(e) 根據(jù)定義的不同狀態(tài)組合,計算方面作戰(zhàn)的可用度矩陣A、可信度矩陣D和能力矩陣C。

根據(jù)劃分的n種工作狀態(tài),確定被試艦對空作戰(zhàn)系統(tǒng)的可用性向量A為：

(1)

被試艦對空作戰(zhàn)中共有m個設備,設Fi為第i個系統(tǒng)裝備的平均故障間隔時間,Ri為第i個系統(tǒng)裝備的平均維修時間,因此可以得到：

(2)

根據(jù)式(1)可以得到可用性向量A中每個值的結果為：

(3)

根據(jù)對空作戰(zhàn)任務剖面,結合系統(tǒng)故障率和平均故障時間等參數(shù),單一設備的可信性為：

(4)

式中：T為任務剖面作戰(zhàn)時間;Fi為第i個系統(tǒng)裝備的平均故障間隔時間。

則可信性矩陣D的各項為：

(5)

(6)

這樣,通過式(5)、式(6)計算就可以得到可信性矩陣D為：

(7)

經(jīng)過上述過程方法計算,得到單一系統(tǒng)設備的作戰(zhàn)能力,下面分析n種狀態(tài)下對應的對空作戰(zhàn)能力矩陣C。

(8)

式中：C1為對空作戰(zhàn)過程中各個系統(tǒng)均完好時的能力,即對應第1種狀態(tài)下的對空作戰(zhàn)能力;C2為對應第2種狀態(tài)下的對空作戰(zhàn)能力。

通過引入信息熵概念,把熵作為一個隨機變量的不確定性或信息量來進行處理,以Pi表示變量X為事件Xi的概率,定義變量Ii為：

I(Xi)=-lg(Pi)

(9)

式中：Ii即為事件Xi的自信息量(稱為信息熵)。

對于并聯(lián)系統(tǒng),總信息熵計算為：

(10)

式中：Ipar為并聯(lián)系統(tǒng)的總信息熵;Ii為并聯(lián)系統(tǒng)第i支路的信息熵。

對于串聯(lián)系統(tǒng),總信息熵計算為：

(11)

式中：ωi為串聯(lián)節(jié)點的權重;Icon為串聯(lián)系統(tǒng)的總信息熵;Ii為串聯(lián)系統(tǒng)第i個節(jié)點的信息熵。

對于被試艦對空作戰(zhàn)過程中定義的第一種狀態(tài),根據(jù)信息熵計算公式計算得到C1。

根據(jù)上文計算得到的每個系統(tǒng)裝備的能力值,利用公式計算每個系統(tǒng)裝備的熵值,從而最終得到對空作戰(zhàn)能力矩陣C。

根據(jù)前面得到的A和D,利用E=A×D×C,得到最終的計算結果,即被試艦、其他驅護艦對空作戰(zhàn)能力對比度。

(2) 基于作戰(zhàn)任務的任務完成率評估

被試艦基于可能面臨的攔截常規(guī)飛機、隱身飛機、不同類型反艦導彈等作戰(zhàn)場景,采用仿真推演、理論分析的方法評估被試艦執(zhí)行遠程防空和近程反導任務下對不同威脅態(tài)勢的任務完成率。

針對不同作戰(zhàn)對抗強度,設計多種目標態(tài)勢,綜合運用仿真系統(tǒng),按照作戰(zhàn)流程時序,遍歷關鍵試驗變量及取值范圍,進行大樣本量仿真,統(tǒng)計作戰(zhàn)效果,依據(jù)式(12)計算不同目標態(tài)勢下的裝備任務完成率：

(12)

式中：NC為完成任務次數(shù);Ns為總次數(shù)。

基于仿真推演結果,分析評估被試艦的極限防抗能力。

3.2.2 復雜電磁環(huán)境適用性評估方法

復雜電磁環(huán)境適用性由從不同等級電磁干擾環(huán)境下對空作戰(zhàn)能力、對水下作戰(zhàn)能力和通信保障能力3個指標進行評估。

P=ω1P1+ω2P2+ω3P3

(13)

式中：P1、P2、P3分別為不同等級電磁干擾環(huán)境下對空作戰(zhàn)能力、對水下作戰(zhàn)能力和通信保障能力的量化值;ω1、ω2、ω3為 對應指標的權重,且滿足式(14),采用層次分析法計算。

ω1+ω2+ω3=1(0≤ω1,ω2,ω3≤1)

(14)

不同等級電磁干擾環(huán)境下對空作戰(zhàn)能力、對水下作戰(zhàn)能力和通信保障能力3個指標的量化方法如下所述。

采用仿真推演方法,對簡單、輕度、中度、重度4個等級電磁干擾條件下的對空防御作戰(zhàn)、對水下防御作戰(zhàn)和通信保障任務完成率進行大樣本仿真計算,計算簡單、輕度、中度、重度4個等級下,對空防御作戰(zhàn)、對水下防御作戰(zhàn)和通信保障任務完成率的下降程度,然后采用加權求和的方式得到不同等級電磁干擾環(huán)境下對空、對水下作戰(zhàn)能力和通信保障能力的量化值。

4 應用舉例

運用上述評估方法,利用試驗實測數(shù)據(jù)、仿真推演數(shù)據(jù)、專家評述意見等數(shù)據(jù),可對評估指標進行綜合分析與評價,從而完成對被試艦艇復雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)效能評估。本文以對空作戰(zhàn)效能和復雜電磁環(huán)境適應性評估結果簡要示例如下。

4.1 對空作戰(zhàn)效能

以綜合評估結論、任務完成率的形式,表征被試艦對空作戰(zhàn)效能評估結果。

(1) 綜合評估結論

被試艦可以單獨或與其他兵力協(xié)同,完成某作戰(zhàn)任務,由于某方面限制,無法完成某任務。

被試艦對空作戰(zhàn)能力與交戰(zhàn)對手驅護艦相比,在某方面能力相當,在某方面能力較弱。

(2) 任務完成率

(a)近程反導任務

不同作戰(zhàn)對抗強度下的近程反導任務完成率評估結果見表3。

表3 近程反導任務完成率示例

(b)遠程防空任務

不同電子干擾強度下的遠程防空任務完成率評估結果見表4。

表4 遠程防空任務完成率示例

4.2 復雜電磁環(huán)境作戰(zhàn)適應性

采用仿真推演方法,對簡單、輕度、中度、重度4個等級電磁干擾條件下的對空防御作戰(zhàn)任務完成率進行大樣本仿真計算,計算簡單、輕度、中度、重度4個等級下,對空防御作戰(zhàn)任務完成率的下降程度。在簡單電磁干擾情況下,被試艦對空作戰(zhàn)任務完成率為88%,在重度電磁干擾情況下,被試艦對空作戰(zhàn)任務完成率為60%,對空作戰(zhàn)能力下降27%,如表5所示。

表5 攔截常規(guī)反艦導彈能力結果示例

5 結束語

本文通過分析水面艦艇作戰(zhàn)時可能面臨的復雜戰(zhàn)場環(huán)境,研究提出了作戰(zhàn)試驗中復雜電磁環(huán)境考核方法,設計了試驗流程,建立了評估指標體系,提出了評估方法,對科學評價艦艇在復雜電磁環(huán)境下完成作戰(zhàn)任務能力,具有一定的參考意義。