基于预警直升机的驱护舰编队防空作战目标威胁评估

谭乐祖，陈　双，盛文平

（海军航空工程学院a.指挥系；b.研究生管理大队，山东烟台264001）

基于预警直升机的驱护舰编队防空作战目标威胁评估

谭乐祖a，陈双b，盛文平a

（海军航空工程学院a.指挥系；b.研究生管理大队，山东烟台264001）

空中威胁尤其是各种平台发射的反舰导弹日益成为编队主要的威胁因素。防空作战中，利用舰载预警直升机前出探测以提供早期预警信息是提升驱护舰编队防空作战能力的主要措施。目标威胁评估是预警直升机预警探测的重要环节。根据当前空中作战平台性能发展变化，选取多个威胁指标，采用改进的TOPSIS建立评估模型，并用实例仿真验证其可行性，为编队辅助决策提供依据。

防空作战；预警直升机；威胁评估；TOPSIS

随着高新技术的迅猛发展，海战场作战范围不断扩大，编队面临的空中威胁目标越来越复杂。由于地球曲率影响，编队舰载雷达对低空或超低空飞行的远程目标的探测能力受到限制，无法直接获取远距离目标信息。为解决这一问题须增大探测雷达的高度，因舰船自身条件约束，无法满足雷达的设置高度。而预警直升机可代替舰载雷达，提高探测雷达的高度，且预警直升机具有探测距离远和机动性好的特点，可以前出一定距离扩大编队预警探测范围，为编队探测到更多的目标，提供有效目标信息辅助决策。

目标威胁评估［1］是指挥决策系统的重要环节。依据编队作战任务和战场态势，从大量情报中筛选出指挥决策所需的目标信息，判断其意图，预测其能力，评价其威胁，形成编队对空防御的打击顺序，为编队合理有效地分配防空火力提供依据。

针对传统TOPSIS方法在目标威胁评估中存在的局限性和不足，采用改进TOPSIS方法建立评估模型，并对主客观组合赋权法进行修正，使得评估过程更加客观，结论更加可靠。

1　目标威胁评估指标体系

对编队构成直接威胁的目标具有以下3个因素［2］：目标对编队有作战意图；具有使用武器进行干扰和打击，或具有提升其他平台作战效能的能力；编队已处于目标威胁范围之内。

1.1目标类型

确定目标类型是对其进行威胁评估的基础。根据目标属性和对编队的威胁程度，将空中目标划分为4大类6小类，其主要特征和威胁指标值见表1。

表1　空中目标的类型及威胁程度Tab.1 Types of aerial target and threat level

1.2目标速度

空中目标的飞行速度对编队威胁程度具有重要的影响。飞行速度越大机动能力越好，抗击时间越短，抗击难度越大，因而其威胁程度也越大。多数预警机为亚音速飞机，速度一般在0.5～0.7 Ma；战斗机飞行速度一般在 0.8～2 Ma；反舰导弹飞行速度0.3～2.5 Ma。根据目标速度特性和仿真分析，其威胁程度指标函数［3］为：

式（1）中：v表示目标速度/（km/h）；k1表示目标速度威胁系数，取值为5×10-3。

1.3目标高度

由于作战飞机类型、性能、机载武器和作战任务的多样性，很难从飞行高度的角度评估其威胁属性。现役反舰导弹主要以超低空和掠海突防为主，高度越小，其威胁程度越高。目标高度的威胁程度指标函数为［3］：

式（2）中：h表示目标高度/km；a1表示目标高度威胁系数，取值为-7.41×10-3；b1表示目标高度威胁系数，取值为5.054×10-2；c1表示目标高度威胁系数，取值为1.006；d1表示目标高度威胁系数，取值为-1.512×10-5；a2表示目标高度威胁系数，取值为0.543 0；b2表示目标高度威胁系数，取值为-1.725；c2表示目标高度威胁系数，取值为0.653 8；d2表示目标高度威胁系数，取值为8.785×10-4。

1.4目标距离

目标距离是威胁评估的重要因素。距离越小，作战反应时间和抗击时间越短。结合防空武器系统战术技术性能，构造其威胁程度指标函数［3］为：

式（3）中：d表示目标距离/km；d1表示编队武器系统发射区近界，取值为0.9；d2表示编队武器系统发射区远界，取值为180；d3表示舰载预警直升机探测范围，取值为300。

1.5相对航向角

相对航向角是指空中目标的航向与编队连线之间的夹角。它是目标对编队构成攻击条件的重要因素，相对航向角越小，对编队威胁越大。对飞机目标而言，载弹对编队实施攻击需要良好的稳定性及发射角，当其相对航向角大于30°时，威胁程度随角度增大而逐渐降低；当相对航向角小于30°时，角度越小，目标对编队的威胁程度越高，可认为其呈半正态分布。因此，相对航向角的威胁程度指标函数［4］为：

式（4）中：θ表示相对航向角；k3表示目标相对航向角威胁系数，取值为1.2；k4表示目标相对航向角威胁系数，取值为5.36×10-2。

1.6隐身能力（RCS）

目标RCS越小，其隐身性能越好，被预警雷达探测到的概率越低。对小RCS目标，通常用光电设备结合某些波长的雷达进行探测。目标隐身能力威胁程度指标函数［5］为

式（5）中：s表示目标RCS大小；k5表示目标隐身能力威胁系数，取值为9×10-3；k6表示目标隐身能力威胁系数，取值为2×102；s0表示调整系数，取值为1。

1.7战斗能力

目标的战斗能力主要是对其机动性能、火力、探测能力、可操纵效能、生存力、航程和电子对抗能力这7个方面进行衡量。用公式［6］表达为

式（6）中：c表示目标战斗能力指数；B表示机动性能参数；A1表示火力参数；A2表示探测能力参数；ε1表示操纵能力系数；ε2表示生存力系数；ε3表示航程系数；ε4表示电子对抗系数。

2　威胁指标权重的确定

权重是衡量指标重要性的度量值，一般有主观和客观2种赋权方式。主观方法如Delphi法、层次分析法（AHP）等；客观方法如主成分分析法、熵权法等。由于在评价过程中，权重对评估结果的影响非常大，因而通常在客观赋权的基础上，结合战场态势分析和经验判断，采取主客观相结合的综合赋权方法。本文采用客观熵权法与主观AHP法相结合对目标进行组合赋权。

2.1主观权重

主观权重是决策人员依据其理论经验作战出的判断。综合运用AHP和Delphi法，构造比较判断矩阵，确定目标威胁程度的主观权重。决策人员依据某一准则对n个威胁指标做出判断，第i个指标与其他指标两两相比较后，其相对重要程度为bij，如此构造关于目标威胁指标的权重判断矩阵 B=（bij）n×n（i=1，2，…，n，j=1，2，…，n）。第j个威胁指标的主观权重为

2.2客观权重

系统可利用信息熵对其无序程度做度量。对某一指标而言，信息熵越小，该指标所提供的可用信息量越大，在综合评价中影响越大。

设机载雷达捕获m个空中威胁目标，n个威胁指标。根据目标威胁指标构造目标属性矩阵：

式中，aij表示第i个威胁目标在第 j个指标下的属性值，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n。

对目标属性矩阵归一化处理后得到P=（pij）m×n，其中，

目标关于第j个威胁指标的信息熵为

在传统熵权的的计算过程中，容易因目标某一指标值的差异程度大而赋予其较大的权重，只突出反映局部的差异。文献［7］中对此做出改进（记作“改进方法1”），仍存在缺陷。因此，本文提出熵权修正算法（记作“改进方法2”），则第 j个威胁指标的客观权重为：

其中，Ej是第 j个指标的熵值；Es为所有不为1的熵值的平均值。

2.3主客观综合权重

通过综合由熵权法客观权重和AHP主观权重，得到关于威胁指标的综合权重为

3　改进的TIOPSIS方法

传统TOPSIS方法［8］的主要思路是：首先确定评估方案中的“理想解”和“负理想解”，将有限的评价目标与理想化的目标进行优劣排序，确定接近“理想解”同时远离“负理想解”的方案。然而传统方法在评估排序过程中存在一定的缺陷，在评估计算过程中，目标数据非常有限，不易发现其分布规律，而灰色关联分析理论可充分利用有限的数据挖掘其内在规律。本文在此将做出改进。

1）对无量纲化处理后的目标属性矩阵加权计算得到加权标准矩阵：

式中：i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

2）确定理想解与负理想解。

理想解：

式（13）、（14）中：J+=｛效益型指标集｝；J-=｛成本型指标集｝。

3）计算到理想解和负理想解的距离。根据灰色关联分析方法［9］，第i个方案与理想解V+关于第 j个指标的灰色关联系数为：

第i个方案与负理想解V-关于第 j个指标的灰色关联系数为：

式（15）、（16）中，ρ为分辨系数，ρ∈［0，1］，通常取值为0.5。

4）计算第i个方案与理想解V+的灰色关联度为

与负理想解V-的灰色关联度为

5）计算各方案的相对贴近度。

6）按贴近度大小对目标进行排序，贴近度大者为威胁程度大的目标。

4　仿真计算与分析

设编队预警直升机前出探测发现以下威胁目标，目标有关参数［10-11］如表2、3所示。

表2　飞机目标威胁指标参数表Tab.2 Parameters list of aircraft threat target threat index

表3　导弹目标威胁指标参数表Tab.3 Parameters list of missile threat target index

1）分别用传统熵权法和两种改进方法对飞机和导弹2大类的目标威胁指标确定其客观权重，如表4所示。

表4　3种方法确定客观权重的比较表Tab.4 Comparison of three object weight methods

从表4可以看出使用传统方法容易造成目标间权重差异过大，使得最终权重分配不合理；对于改进方法1，虽然在一定程度上改善了指标权重间的差异，缩小了权重间差距，但是某一指标的绝对影响力依然存在；改进方法2解决了前2种方法存在的缺陷，消除了熵值与权重间信息的差异，权重分布更为合理，结果更为客观准确。

2）确定各指标的主观权重，将主客观权重相结合对指标赋权。表5对3种赋权方法进行了对比。

3）建立飞机和导弹2类目标的加权标准化矩阵并计算其正负理想解。

4）利用灰色关联度计算目标关联度及相对贴近度，并与原始方法进行对比分析，如表6所示。

对飞机类目标来说，其威胁排序结果为F-18战斗机＞F-15战斗机＞幻影2000战斗机＞EA-6B电子战飞机＞IDF战斗机＞E-2C预警机。对导弹类目标来说，其威胁排序结果为雄风-II反舰导弹＞海麻雀舰空导弹＞标准-1舰空导弹＞AIM-54空空导弹＞鱼叉反舰导弹＞战斧巡航导弹。由表5可知，改进的赋权方法减弱了数据不完整带来的差异，缩小了权重分布的差距，避免因单一指标权重过大而形成的绝对影响力。原始计算方法中，目标距离的单一权重过大，改进后，权重离散度降低，各指标影响程度差异小。从表6数据规律看出，原始TOPSIS法目标间相对贴进度差异较小，基于灰色关联系数的TOPSIS法更明显的反映这一差异，充分利用有限的信息数据进行评估排序。

根据上述实例仿真可知，改进的组合熵权法和TOPSIS法修正了原始方法带来的局限性，改进方法有效地为目标威胁评估提供依据，提高评估结果的合理性。为决策者提供可靠地决策依据。

表6　灰色关联度与原始方法的对比结果表Tab.6 Comparison of grey correlation degree and original method

5　总结

本文针对驱护编队防空作战的特点，利用预警直升机对目标进行探测，获取有效信息并建立评估模型。综合考虑威胁指标的主客观特性，确定关于熵和AHP的权重，对原始数据进行无量纲化处理后对其进行评估排序。该方法有效解地决了传统TOPSIS方法的局限性，为目标威胁评估提供了更实用和可靠的方法。

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Threat Evaluation of Destroyer and Frigate Formation on Air Defense Combat Target Based on Early-Warning Helicopter

TAN Lezua，CHEN Shuangb，SHENG Wenpinga
（Naval Aeronautical and Astronautical University a.Department of Command；b.Graduate Students’Brigade，Yantai Shandong 264001，China）

The air threat，especially the anti-ship missile from various platform is becoming the most important dangerous factor of destroyer-frigate formation.In the process of air defense combat，dispatching ship-borne helicopter foreword to provide the early-warning information of hostile target is effective measure.Target threat evaluation is one of the main task for EW helicopter.According the performance of present combat platform，several evaluation indexes were selected to con⁃struct the mathematical model and test its availability with practice data.This model could be used in air defense combat supporting decision.

air defense combat；early-warning helicopter；threat evaluation；TOPSIS

E911；V212.4

A

1673-1522（2015）06-0591-06DOI：10.7682/j.issn.1673-1522.2015.06.018

2015-06-30；

2015-09-06

中国航空基金资助项目（20095184005）

谭乐祖（1965-），男，教授，博士。