航空反潜网络化体系作战效能

田云飞,严建钢

(1.海军航空工程学院,山东 烟台 264001,2.海军潜艇学院,山东 青岛 266071)

航空反潜网络化体系作战效能

田云飞1,2,严建钢1

(1.海军航空工程学院,山东 烟台 264001,2.海军潜艇学院,山东 青岛 266071)

为评估航空反潜网络化体系对作战效能的影响,从信息域和认知域角度对其进行了探索性分析。首先给出了网络化体系信息域和认知域的决策质量转换过程,并提出了 3个评估指标:完整性、准确性和时效性;在分别对信息域的探测器子域、数据融合子域和通信网络子域以及认知域的决策子域和通信网络子域的完整性、准确性和时效性指标进行了分析后,最后得出了航空反潜网络化体系的信息域和认知域效能评估模型。

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引 言

在各种反潜作战方式中,航空反潜历来以其反应时间短、作战效率高以及在反潜作战中众多方面的突出优势而被视为最重要的反潜作战手段之一[1]。随着战场信息化建设的推进,现代战争已经从平台为中心转向为以网络为中心[2]。面对新的战术和技术挑战,航空反潜作战采用网络中心化体系结构(简称网络化体系,下同)能够提高信息质量,实现信息共享,进而取得非对称信息优势地位,最终达到获取决策优势和行动优势的目的。

为了设计更加合理的网络化体系结构必须以提高航空反潜作战效能为设计目标。在现有的技术条件下,对抗双方是在物理域、信息域和认知域的体系对抗。其中,信息域主要体现网络中心战的信息优势,是取得认知域决策优势和物理域行动优势的基础;而认知域则是实现信息优势转化为决策优势的作战领域,是指挥员综合素质和指挥系统性能的集中体现。

本文将尝试从信息域和认知域角度对航空反潜网络化体系的作战效能进行探索性分析。

1 信息域

1.1 体系结构和效能指标

信息域包含所有的信息采集、处理和分发过程,目的是使航空反潜体系获得信息优势。信息域可以进一步分解为探测器子域、数据融合子域和通信网络子域。信息域3个子域的工作过程是:探测器收集来自物理域的战场相关数据,然后把它传输到数据融合设备进行处理,最后通过通信网络实现友邻部队的信息共享。如图1所示。

信息域效能可以用信息质量的完整性、准确性和时效性3个指标来度量。其定义分别如下:①完整性是指获得信息与客观信息之间没有缺口的程度;②准确性是指获得信息与客观信息之间的一致程度;③时效性是指从信息域采集信息到产生公共作战态势图所需的时间。

1.2 探测器子域信息转换质量分析

探测器子域信息转换质量分析时不仅要考虑探测器本身的探测性能,而且还需要考虑探测器的配置及结构等。

1.2.1 目标搜索模型[3]

航空反潜作战主要搜索器材有:声纳浮标和吊放声纳。

1)声纳浮标搜索

使用声纳浮标搜潜时,发现潜艇的概率可以看作是两个事件“至少一个浮标与潜艇建立接触”和“对接触进行识别”同时发生的条件概率。其发现潜艇的概率为

式中,df为声纳浮标的作用距离;vq为潜艇的估计速度;tb为布设浮标场的时间;tj为监听浮标场的时间;nf为声纳浮标的数量;Pw为声纳浮标技术完好率;Pj为声纳浮标获得目标接触及识别概率。

2)吊放声纳搜索

若对某海域使用吊放声纳搜索了时间 T,则发现潜艇的概率为

式中,dd为吊放声纳作用距离;Nj为反潜机数量;Pj为吊放声纳获得目标接触及识别概率;Tz为搜索周期。

1.2.2 多探测器配置

为了获得最优的数据采集性能,要对多个探测器进行不同的配置。典型的配置方案有:独立配置、目标指示配置和混合配置。其中混合配制是将独立配置和目标指示配置混合起来的一种模式,如图 2所示。其探测概率为

图2 多探测器配置结构[4]

式中,P为采用混合配制的探测概率,PF为信息融合增加的对潜艇目标的探测概率。

1.2.3 信息转换质量分析

1)完整性指标分析

根据以上分析,可得出探测器子域完整性指标为

2)准确性指标分析

在探测器子域准确性指标分析中,主要以测量误差和定向误差作为准确性指标,这些误差是航空反潜体系对潜艇搜索概率的主要影响因素。设其测距误差为eR,测角误差为eθ,定向精度为eP。因此,探测器子域准确性指标为

式中,es()为误差聚合函数。

3)时效性指标分析

探测器子域的主要任务包括探测过程和数据融合预处理过程,因此度量时效性指标时应考察完成这两个过程所需的时间Ts。因此,探测器子域时效性指标为

1.3 融合子域信息转换质量分析

在航空反潜作战中,依靠单一探测器提供的信息已经无法满足应对复杂水声电磁环境、高速静音核潜艇的作战需要,必须运用各种有源和无源探测器在内的多探测器组网来提供各种探测数据,然后通过信息处理与融合实时发现目标并获取目标状态估计,在此基础上提供辅助决策等作战信息。

1.3.1 完整性指标分析

信息处理与融合系统的融合处理质量不仅与系统自身性能有关,也与融合处理时间有关。此外,在融合过程中,还可能得到其他的增值信息,经反馈调整再次融合后,从而改善融合的质量。如下页图3所示。假设存在N个情报源,信息处理与融合系统对第i个情报源的融合处理效率为ci,且cc表示在中央融合设备上处理的同样数值,则由可靠性理论可以得到融合子域的完整性指标为

1.3.2 准确性指标分析

融合的目的主要是为了减少对潜艇目标特征估计的不确定性。因此,可以用目标特征估计方差来描述融合后的目标特征与目标真实特征的吻合程度。

航空反潜体系采用网络化结构时,探测器采用联网探测,并且采用绝对坐标体制,设探测器定位误差e L、坐标变换引入的误差e C、时间同步精度引入的误差et和融合算法引入的误差ef。由此可得出融合子域准确性指标为

式中,ef()为误差聚合函数。

1.3.3 时效性指标分析

时效性可以定义为从探测器子域送来目标信息到产生公共作战态势图(CROP)所需要的全部时间。则融合子域时效性指标为

式中,t更新CROP所需要的全部时间。

1.4 通信网络子域信息转换质量分析

通信网络是航空反潜体系的信息传输基础,是实现网络连接和获得信息优势的重要保证。

1.4.1 完整性指标分析

通信网络子域完整性指标反映所有共享态势信息用户能准确无误地得到从融合中心或其他用户经过通信网络传输的全部或部分态势信息的比例,并以正确信息接收概率指标来度量,也就是整个通信网络传递态势信息的能力。

图4给出了信息融合中心分别向 3个用户分发信息的网络结构图。设信息融合中心在t时刻向第Ui个用户发送数据时,其连通概率为Pt(Ui);在向用户Ui发送数据时,可选信道链路连通概率为Pj,共有k条可选信道链路,则融合中心到用户Ui的连通概率可表示为

则通信网络子域完整性指标为

式中,n为所有用户数。

1.4.2 准确性指标分析

通信网络信息传输的准确性是指整个通信网络向每个用户正确分发态势信息的能力和概率,主要体现在“准确发送”和“准确接收”两个方面。因此,其准确性主要和信息数据发送端和接收端的准确发送概率和准确接受概率相关。

设在t时刻信息融合中心 j正确发送信息的概率为P(t),而态势信息共享用户Ui从融合中心 j正确接收信息的概率为Pi j(t),则通信网络子域准确性指标为

1.4.3 时效性指标分析

通信网络时效性是相对与通信任务对通信网络的期望来评估的,可以用态势信息从融合中心到用户的“端到端”平均传输延时与期望时延O(t)之比来度量。期望时延表示某时刻对通信网络时延的容许程度,此处认为期望时延是信息传输前已经给定,作为已知函数处理。则通信网络子域时效性指标为

2 认知域

2.1 体系结构和效能指标

航空反潜体系认知域包含指挥员和所有的态势感知、方案生成与选择以及决策命令分发的设备。包括两个子域:决策子域和通信网络子域。图5是利用一套数学转换描述认知域的质量转化过程。其决策过程是先通过各点域指控中心对态势进行感知与决策,然后经过区域指控中心对态势进行感知与决策,形成共享的态势感知与决策命令,最后通过通信网络共享态势感知和分发决策命令。

航空反潜网络化体系认知域的核心任务就是将信息优势转化为决策优势,即获得整个作战过程的最佳反潜效果。决策优势的获得依赖于决策子域和通信网络子域的完整性、准确性和时效性。其定义如下:①完整性是指获得决策与理想决策之间没有缺口的程度;②准确性是指决策方案与理想方案之间的一致程度;③时效性是指从信息域获得公共相关态势图到决策命令分发到物理域所需要的时间。

2.2 决策子域决策转换质量分析

在决策子域的转换质量分析中,尽管参与态势感知与决策的指挥员和指挥系统是基本相同的,但是平台化反潜体系和网络化反潜体系的决策组织结构是不同的,网络化体系采用分布式布防和协同决策,而平台化体系采用的是完全集中式或完全分散式的决策方式,这样就会产生不同的决策效果。

2.2.1 完整性指标分析

决策子域完整性分析不仅需要研究指挥员的态势感知与决策能力以及指挥系统的辅助态势感知与决策能力,而且还要研究不同决策组织结构对决策质量的影响,是从局部到整体的研究过程。

1)指挥员决策效能模型

指挥员面对给定的信息进行感知与决策是个非常复杂的问题,很难进行精确描述。通过大量试验可知,指挥员的态势感知与决策能力与指挥员受教育和训练程度、个人经验、当前战场紧张程度、指挥员占有信息的质量等因素有关。因此,指挥员感知与决策效能一般可表示为

式中,t为处理时间;U为信息质量;h为信息数量;T为信息处理率;sign为符号函数。

2)指挥系统辅助决策效能模型

指挥系统的辅助态势感知与决策能力与指挥系统的算法、有效状态、服务容量、服务质量及其具有的知识库容量等因素有关。其辅助感知与决策效率模型为

式中,T为系统处理能力;U为系统处理准确度。

3)决策组织结构

按照指挥员之间在决策过程中的相互协调程度,可将决策组织结构分为完全集中式、完全分散式和分散集中混合式的单决策组织结构和分布式队决策组织结构。不同的决策组织结构采用不同的决策策略。指挥员做出最终决策所依据的准则就是选择最佳决策使得平均损失最小。采用不同的决策组织结构对决策效能有不同的影响,设其影响度为V。

4)决策子域完整性指标计算模型

根据以上对指挥员、指挥系统以及决策组织结构的分析,可得出决策子域的完整性指标为

2.2.2 准确性指标分析

航空反潜网络化体系反潜作战指挥员在选择作战方案或制定决策时,要对作战效果进行预测,所以在某种程度上,决策子域的准确性可用指挥员对作战效果预测的准确性来度量。由此得出决策子域的准确性指标为

2.2.3 时效性指标分析

决策子域时效性分析包含个体态势感知与决策时间和共享态势感知与决策时间。个体态势感知与决策中不同的组织结构对指挥员的决策时间影响不同,设影响度为T。考虑到指挥系统与指挥员的工作是并行的,而指挥系统的反应延迟与执行时间较指挥员短的多,所以,主要考虑指挥员的态势感知与决策时间t0。因此,个体态势感知与决策时间为

共享态势感知与决策一般采用分布式队决策组织结构,其中不同的指挥方式z、网络延迟 y和目标信息误差w都将对决策时间产生影响。因此共享态势感知与决策时间为

式中,Tx()为协同处理时间。

如果不计通信网络决策传递时间延迟,则决策子域的时效性指标为

式中,fj()为时间聚合函数。

2.3 通信网络子域决策转换质量分析

通信网络子域决策转换质量分析主要研究服务于认知域的通信网络对单决策和队决策以及共享决策的影响,其分析通信网络子域信息转换质量的方法与分析信息域通信网络子域信息转换质量的方法相同。

3 结束语

本文通过对信息域和认知域效能评估中完整性、准确性和时效性指标的研究,最后给出了航空反潜网络化体系信息域和认知域的效能模型。该模型对网络中心战效能评估具有一定参考价值,但上述模型还有待于进一步仿真验证。下一步还将对航空反潜网络化体系物理域的作战效能进行研究。

[1] 孙明太.航空反潜概论 [M].北京:军事科学出版社,1998.

[2] Alberts D S,Garstka J J,Stein F P.Network Centric W arfare: Developing and Leveraging In formation Superiority[Z]. The DoD C4ISR Cooperative Research Program,2000.

[3] 李登峰许 腾.海军作战运筹分析及应用[M].北京:国防工业出版社,2007.

[4] 陈立新.防空导弹网络化体系效能评估 [M].北京:国防工业出版社,2007.

[5] 何 友,王国宏.多传感器信息融合及应用[M].北京:电子工业出版社,2000.

Research on Operation Effectiveness of Air Anti-submarine Network Centric System

TIAN Yun-fei1,2,YAN Jian-gang1
(1.Naval Aeronautical Engineering Academy,Yantai 264001,China,2.N avy Submarine Academy,Qingdao 266071,China)

To evaluate the effects of air anti-subm arine Network Centric W arfare system on combat outcomes,firstly decision-making quality transformation is analyzed in information domain and cognitive domain and th reemeasures of decision-making quality,such as comp leteness,correctness and currency,are given and then the measure and the metric of completeness,correctness and currency are exp lored in sub-domain,and finally themodels of evaluating the effectivenessare presented.

air anti-submarine,network centric system,information domain,cognitive domain,effectiveness evaluation

E917

A

1002-0640(2011)05-0125-04

2010-01-11

2010-04-28

田云飞(1977- ),男 ,河北石家庄人,博士研究生,主要研究方向:航空反潜战术。