水面艦艇作戰試驗中復雜電磁環境考核設計與評估

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

1 水面艦艇作戰試驗概況

1.1 基本概念

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

水面艦艇作為海上作戰的基本單元,為有效應對海上復雜多元的威脅挑戰,其技術含量越來越高,裝備關聯度、耦合度越來越強,呈現出集成程度高、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斗力生成,作戰試驗的作用就尤為突出,必須按照作戰編成和戰術運用原則,全系統、全要素、全流程、全功能檢驗武器裝備實際能力,在近似實戰的對抗環境尤其是復雜電磁環境下把裝備效能底數摸清摸透。本文重點以驅護艦為研究對象進行闡述。

1.2 主要內容

根據國內外裝備作戰試驗研究實踐情況,水面艦艇作戰試驗一般包括作戰效能試驗、作戰適用性試驗和體系適用性試驗,在全壽命周期內按照作戰流程進行效能檢驗、成體系組織對抗評估、融入戰術戰法驗證作戰效果。其中,作戰效能試驗主要考核裝備完成作戰任務時所能發揮有效作用的程度,包含偵察效能、指控效能、打擊效能、機動效能等;作戰適用性試驗主要考核裝備在規定的使用環境條件下,適應實際環境條件并能夠有效、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 復雜電磁環境考核現狀

電子戰是信息化條件下局部戰爭的“殺手锏”,其作戰目的是降低或削弱交戰對手戰斗力并保持和增強己方戰斗力,電子戰要“消滅”的不是交戰對手的有生力量,而是通過攻擊或癱瘓交戰對手的軍事信息系統和降低其精確制導武器系統的攻擊效率,使其喪失戰斗力。從水面艦艇作戰試驗內容要求可以看出,復雜電磁環境貫穿了水面艦艇實戰條件下作戰效能檢驗的全過程。一段時間以來,水面艦艇作戰試驗一直包含復雜電磁環境相關內容,但是從實際情況來看,在試驗規范性、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 復雜電磁環境考核設計

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

2.1 復雜電磁環境對水面艦艇作戰能力影響

在現代海戰場中,作戰海區電磁信號特性雜、種類多、頻域廣、密度高、體制復雜,局部海戰場電磁環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同。

2.1.1 環境信號影響

艦載雷達偵察裝備由于自身工作機理和作戰使用的特點,在復雜電磁環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節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

在交戰過程中,作戰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,發現距離可能受到壓縮,目標可能淹沒于虛假空情中。當存在通信干擾時,艦艇數據鏈、超短波指揮話音等會受到壓制,可能會出現指揮通信不連續、目標識別錯誤、偵察情報誤判等現象。

2.2 試驗設計

為充分檢驗水面艦艇在復雜電磁環境下所承擔使命、完成任務的有效性,作戰試驗首先要從艦艇作戰使命任務出發,通過海戰場電磁環境分析和紅藍雙方技戰術的設置,完成復雜電磁環境下水面艦艇作戰想定,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) 分解作戰任務。可根據被試艦艇作戰使命,分解為多類型作戰任務,提出多樣式作戰問題。

(2) 擬制作戰想定。根據作戰任務,擬制作戰背景,設置戰場環境,配置作戰要素。

(3) 設計試驗科目。將需檢驗的作戰效能與作戰想定相結合,把一次作戰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,明確數據來源。

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

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

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

3 試驗評估方法

3.1 評估指標體系

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

3.1.1 復雜電磁環境下對空作戰能力

對空作戰能力評估聚焦驅護艦對空作戰任務的作戰能力,可采取基于能力解析的能力對比度和基于作戰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、火力打擊等作戰鏈路要素,將對空作戰能力解析成具體指標。對空作戰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為系統可用度,D為系統可信度,C為系統能力)改進方法得到對空作戰的能力對比度評估結果[7]。指標體系示例見表1。

表1 對空作戰效能指標示例

(2) 基于作戰任務的任務完成率評估

根據作戰想定和試驗科目,在預設作戰區域,針對可能面對的作戰任務場景,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對抗強度下不同威脅態勢的遠程防空和近程反導任務完成率區間值,綜合評估該艦的極限防抗能力。

3.1.2 復雜電磁環境作戰適用性

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

作戰環境適用性指被試艦對作戰環境的適用性程度,作戰環境包括復雜自然環境和復雜電磁環境。本文重點考慮復雜電磁環境適用性,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境下,被試艦對空作戰效能、對水下作戰效能和通信能力的下降程度。復雜電磁環境適用性指標示例見表2。

表2 復雜電磁環境適用性指標示例

3.2 評估方法

3.2.1 對空作戰能力評估方法

(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/電子對抗的作戰鏈路要素,將艦艇對空作戰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) 基于多種數據來源,定量指標采用效用函數進行量化,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) 根據艦艇偵察探測、指揮控制、火力攔截/電子對抗環節中各裝備的耦合情況,定義正常、故障等不同工作狀態組合。

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

根據劃分的n種工作狀態,確定被試艦對空作戰系統的可用性向量A為：

(1)

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

(2)

根據式(1)可以得到可用性向量A中每個值的結果為：

(3)

根據對空作戰任務剖面,結合系統故障率和平均故障時間等參數,單一設備的可信性為：

(4)

式中：T為任務剖面作戰時間;Fi為第i個系統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)

經過上述過程方法計算,得到單一系統設備的作戰能力,下面分析n種狀態下對應的對空作戰能力矩陣C。

(8)

式中：C1為對空作戰過程中各個系統均完好時的能力,即對應第1種狀態下的對空作戰能力;C2為對應第2種狀態下的對空作戰能力。

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)。

對于并聯系統,總信息熵計算為：

(10)

式中：Ipar為并聯系統的總信息熵;Ii為并聯系統第i支路的信息熵。

對于串聯系統,總信息熵計算為：

(11)

式中：ωi為串聯節點的權重;Icon為串聯系統的總信息熵;Ii為串聯系統第i個節點的信息熵。

對于被試艦對空作戰過程中定義的第一種狀態,根據信息熵計算公式計算得到C1。

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

根據前面得到的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能力對比度。

(2) 基于作戰任務的任務完成率評估

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

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

(12)

式中：NC為完成任務次數;Ns為總次數。

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 復雜電磁環境適用性評估方法

復雜電磁環境適用性由從不同等級電磁干擾環境下對空作戰能力、對水下作戰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境下對空作戰能力、對水下作戰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境下對空作戰能力、對水下作戰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、對水下防御作戰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、對水下防御作戰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境下對空、對水下作戰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,利用試驗實測數據、仿真推演數據、專家評述意見等數據,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境下作戰效能評估。本文以對空作戰效能和復雜電磁環境適應性評估結果簡要示例如下。

4.1 對空作戰效能

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同,完成某作戰任務,由于某方面限制,無法完成某任務。

被試艦對空作戰能力與交戰對手驅護艦相比,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 復雜電磁環境作戰適應性

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,被試艦對空作戰任務完成率為88%,在重度電磁干擾情況下,被試艦對空作戰任務完成率為60%,對空作戰能力下降27%,如表5所示。

表5 攔截常規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時可能面臨的復雜戰場環境,研究提出了作戰試驗中復雜電磁環境考核方法,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境下完成作戰任務能力,具有一定的參考意義。