基于数据链的航母编队评估指标体系研究*

陈 淼 刘晓光

(信息系统工程重点实验室 南京 210007)



基于数据链的航母编队评估指标体系研究*

陈 淼 刘晓光

(信息系统工程重点实验室 南京 210007)

数据链是航母编队的中枢系统,对作战指控过程有重要作用,各作战单元与指控中心之间的情报传递与命令下达等信息均通过数据链进行传输,因此,对航母编队作战效能评估也应当建立在数据链性能指标上。论文以航母编队防空作战为例,分析了在防空作战过程中,数据链性能指标对指挥质量及效能指标的影响,建立了防空作战评估指标体系。

航母编队; 数据链; 评估; 指标体系

Class Number E843

1 引言

航母编队是以航空母舰为核心,集航空兵、水面舰艇和水下潜艇等作战力量为一体的机动作战部队[1]。组建航母编队/战斗群是为了保护航空母舰及舰载机以充分发挥其作战能力,并协同编队内其它战舰共同作战。航空母舰是编队的核心,作为海上活动机场,其搭载的各类作战飞机是航母编队主要作战力量,既可对空作战又可对地攻击,可执行截击、战斗巡逻、空中格斗和远程巡航等任务。编队中各战斗舰艇也配有一架(大型巡洋舰可配多架)舰载直升机用于执行侦察、反潜及搜救等任务。航母编队组成如图1所示。

图1 航母编队组成示意图

现代海战涉及空中、水面、水下,是一个多方面、多视角、立体的作战空间,各作战单元、作战单元内部各系统之间信息传递频繁、交互量大,随着战争节奏加快,信息交互、战情上报、命令下达、情报侦察等瞬息万变,传统的指挥方式显然不能适应需要,因此需将不同的信息按照一定的规则编码,通过数据链路在不同的作战单元之间进行传输。

数据链又称战术数据链,是现代战场的中枢系统,它将武器平台及各级指挥控制系统紧密相连,大大提高了武器平台的态势感知能力、快速反应能力及火力打击效能[2]。战术数据链的建设和发展与武器装备的发展密切相关,遗憾的是,迄今为止,还没有明确统一的定义[3]。因而军事战术专家、技术专家、科研人员等不同人员站在不同立场,从不同角度出发,各有不同的定义和理解。美军将数据链定义为用于传输机器可读的战术数字信息的标准通信链路[2～3]。

目前,对评估的研究主要集中在装备作战效能方面的评估,在这方面也有不少成果[4～6]。而对于系统的评估主要集中在性能方面的评价,如通信抗干扰性能,选取误码率真、时延、吞吐量等作为评估指标[7～9]。但是,从大的系统来看,作战指挥人员不需要过多考虑底层装备级性能参数的变化,而是要从应用的角度更多考虑系统层各参数指标的变化,以及系统作战效能的评估。系统的作战效能是我们最终关心的,但系统是由装备按照一定的规则组合成的,装备性能的好坏影响着系统的综合效能,本文基于数据链,从性能指标、指挥效果和效能指标三方面分析构建基于数据链的航母编队防空指控评估指标体系。

2 航母编队防空作战过程概述

航母编队在海上巡逻/作战,是以编队的形式协调进行,航母在内,舰艇在外,最外层由舰载飞机担负巡逻预警任务。敌方空中目标如果要对航母进行侦察/打击,必须依次突破舰载飞机及舰艇的防御,若仍然保留打击能力,方能对航母产生威胁。因此,对于航母编队来说,远程防空任务由舰载战斗机执行,中近程防空任务由水面舰艇执行。当敌方来袭目标离航母编队较远时,编队处于巡航待战状态,若有敌情,则由预警机带领一个编队战斗机起飞前出至指定区域对目标进行跟踪与监视[10],在确定敌情后,由预警机向各战斗机分配任务。当己方混合编队中舰载战斗机无法完成拦截敌方来袭目标时,还需申请增加起飞舰载战斗机增援。

若敌目标突破外层舰载战斗机防空区域,则需组织水面舰艇进行拦截。敌方进攻武器的最终目标是攻击航空母舰,突破外层舰载战斗机防御后,面对的第二层防御便是水面舰艇防空层。因此,水面舰艇的任务进一步消灭敌目标,以保护航空母舰。一般来讲,水面舰艇在没有战斗任务的情况下,与航空母舰保持编队队形,在接到分配任务后,脱离编队队形奔赴待战区域执行战斗任务,必要时起飞自身携带的舰载直升机进行侦察协助完成拦截任务。

3 评估指标体系分析

以上简要描述了航母编队在防空过程中,编队内各作战单元相互协调及任务分配过程。编队内各单元之间如何协调,指控单元如何引导战斗单元,引导至何区域,引导战斗单元执行何任务,均是通过Link11和Link16数据链分别传输M序列消息和J序列消息来实现。因此,系统指挥效果及作战效能指标的好坏都是建立在数据链消息传输性能指标上的。本文从数据链性能指标入手,分析基于数据链的航母编队在防空作战过程中需考虑的指标因素。

表1 防空评估指标体系

以下对表1中列出的指标逐一分析。

3.1 数据链传输性能指标

1) 完整性

完整性用来衡量编队内所有作战单元发出消息是否全面,即是否有漏发情况。若在仿真模拟过程中,无消息漏发情况,则完整性为1;若有漏发情况,则完整性降低,完整性越小,说明消息漏发情况越严重。可将数据链消息发送完整性定义为在仿真模拟过程中,编队内所有作战单元实际发出的消息数与需要发送的消息总数的比值,如式(1)所示。

F=F1/F0

(1)

式中,F0表示根据剧情设计,进行一次完整的模拟,编队内所有战斗单元需发送的消息总数,F1表示实际发送的消息数。该式表示的是编队这一大系统消息发送的完整性,在此框架下,还可对编队内各战斗单元单独进行消息发送完整性评估。

2) 成功率

成功率用来衡量接收单元成功接收到消息的概率。可定义为发送单元发出的消息经数据链传输后,被接收单元接收成功接收的比率。如式(2)所示。

S=S1/S0

(2)

式中,S0表示发送单元发出的消息,S1表示接收单元收到的消息。类似于完整性指标,成功率真指标也可分为系统成功率和单元成功率,但评价单元接收消息成功率更有意义。

3) 正确性

正确性用来衡量系统内各单元接收在成功接收到消息的基础,并且能正确接收的概率。定义为接收单元正确接收到的消息与接收到的消息总数的比率,如式(3)所示

R=R1/R0

(3)

式中,R0表示接收单元接收到的消息总数,R1表示接收单元收到的正确消息数。航母编队在海上作战,其编队内各作战单元命令的收发均是通过数据链进行传输,数据链收发消息正确与否,直接关系到作战的成败,数据链是无线传输链路,其传输效果必要受到各种因素的影响,难免会出现消息接收错误,对于接收到的错误的消息,要求系统进行容错处理。

4) 连续性

消息传输连续性是影响消息接收成功率的一个因素。消息是以字节的形式经同数据链逐字节发送,发送单元会连续地把一条消息发送完,中途不间断,正常情况下,接收单元经由数据链会接收到一条完整的消息,但如果因各种原因导致数据链路在消息接收过程中时断时通,那么,接收到的消息必然缺失字节位,如果缺失的是关键字节位,那么该条消息显然无法使用。连续性概念如图2所示。

图2 连续性概念图

图2中,实线和虚线分别表示发送端完整发送的消息和接收端断续接收到的消息,τ0表示发送一条完整消息所需时间,τi(i=1,2,3)表示接收端断续接收消息的时间段。从图中可以看出,在数据链路受影响的情况下,在消息发送过程中,有时无法保证链路始终处于通畅状态,在链路出现故障状况下,接收端接收到的消息就是断续的、不完整的,这样的消息如果无法被正确识别,就会使接收单元产生错误的动作,直接影响仿真模拟的失败。因此,针对这一情况,应当改善链路品质,提高消息收发效率及系统容错性。

3.2 指挥效果

1) 指挥周期

指挥周期的主体是作战指挥员,指挥员通过数据链消息传输收到战场情报后,通过分析,作出决策后再通过数据链将决策分发给作战单元,即完成一次指挥过程。因此,指挥周期包含战场情报收集,分析并作出决策,决策分发三个阶段,其中第一阶段和第三阶段需要数据链参与,第二阶段由指挥员完成。指挥周期也由上述三部分构成,如式(4)所示。

T=T1+T2+T3

(4)

该式中,T表示指挥周期,Ti(i=1,2,3)分别表示上述三个阶段所需时间。显然T∈(0,∞),并且T越小,表明指挥周期越短,指挥质量越高。其中,T1和T3取决于数据链传输速度与传输质量,若数据链性能指标高,则指挥员能够较快作出正确决策,T2较小,反之,T2较大。

2) 指挥规模

指挥规模可理解为指控单元在实际工作过程中能够指挥的作战单元的最大数目,这取决于数据链信息传输能力、系统处理信息能力、吞吐量等因素。

3.3 效能指标

作战效能是综合数据链传输性能指标和指挥人员决策能力的基础上所取得的指标,本文选取突防概率和战损比来说明。

1) 突防概率

突防概率直接评价的对象是敌目标,评价其突破防御系统的能力,用来表现敌目标成功突防系统防线的概率,从而进一步评价防御系统对敌目标的拦截能力。以航母编队中舰艇防空为例,突防概率可定义为

p=M1/M0

(5)

式中,M0为经过舰艇防空责任区的目标总数,如图3所示,即前文所述突破编队外围舰载机拦截的目标。M1表示突破舰艇防御的目标。舰艇进行防空拦截需要三个阶段:(1)通过数据链接收预警机传的外围目标突破舰载机防御的情况,接收敌突防目标的状态、数量等信息;(2)开启雷达对进入防空责任区的敌目标进行搜索定位;(3)将目标信息下达作战机构对敌目标实施打击,并通过数据链与其它作战单元保持联络。

图3 突防概率示意图

以上简要分析了敌目标针对舰艇的突防,从而对舰艇防空拦截能力进行了评估。同样可对编队内其它作战单元以及整个编队的拦截能力进行评估。

2) 战损比

本文所讨论的战损比是指被拦截的敌目标与所消耗武器之间的比率,这一点与突防概率有所不同,后者主要关注是否还有敌目标、还有多少敌目标没有被拦截,而前者从经济效能的角度评价,以求用最少的武器最大限度击毁敌目标。如式(6)所示。

d=N1/N0

(6)

式中,N1表示有效击毁敌目标数量,N0表示该拦截作战所消耗的武器数量,如图4所示。

图4 战损比示意图

图中,有四个敌空中目标进入舰艇防空责任区,有一个目标未被发现。舰艇对被发现的三个目标发射武器进行拦截,成功拦截两个目标,另外一拦截失败。图中所举例子的战损比为2/3,突防概率为2/4。

4 结语

本文基于航母编队数据链信息传输仿真项目,以航母编队防空过程为例,讨论了基于数据链的评估指标体系,选取了关键性指标,对改进航母编队作战过程、数据链信息传输都具有一定的意义。

[1] 李林,谢振华,张峰.外军航母编队反舰作战运用研究[J].舰船电子工程,2013,33(1):11-13.

[2] 孙继春,付光远,车晓春等.战术数据链技术与系统[M].北京:国防工业出版社,2007:1-2.

[3] 张登明.战术数据链评估方法研究[J].电视技术,2009,46(6):88-92.

[4] 张涛,董鹏曙,赵亮,等.分布式网络雷达抗干扰效能评估[J].舰船电子对抗,2008,31(6):37-40.

[5] 张旺,申洋,陈伟.无人机多侦察载荷协同侦察效能评估[J].电光与控制,2014,21(3):1-4.

[6] 黄国庆,王国良,臧青松.参数可调的战斗机空战效能评估系统研究[J].电光与控制,2013,20(2):33-36.

[7] 奚和平.一种抗干扰通信系统评估模型的设计与实现[J].计算机工程与科学,2000,22(6):72-74.

[8] 孙巨为,任重,王贻峰.通信系统抗干扰能力对作战指挥效率的影响评估研究[J].电光与控制,2008,15(7):39-42.

[9] 孙宏伟,张永顺.一种指令传输系统抗干扰评估模型研究[J].战术导弹技术,2008(1):33-35.

[10] 徐圣良,吴晓锋,王振波.航母编队进入综合作战区后预警机阵位研究[J].舰船电子工程,2008,28(1):41-44.

Evaluation Index System for Aircraft Carrier Formation Based on Date Link

CHEN Miao LIU Xiaoguang

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory, Nanjing 210007)

As the core system of aircraft carrier formation, data link is of a certain significance to battle command and control system. Each member in the formation, such as carrier plane, naval vessel, aircraft carrier and so on, transfers intelligence to command center or receives orders issued by command center. All of the actions mentioned above are based on the data link. The problem of aerial defence campaign operation for aircraft carrier formation is studied in this paper, and the data link performance indexes are analysed as well. Otherwise, based on data link indexes mentioned above, command quality and efficiency indexes are analysed. Finally, the evaluation index system for aerial defence campaign operation for aircraft carrier formation is presented.

aircraft carrier formation, data link, evaluation index, index system

2014年9月11日,

2014年10月29日

陈淼,男,工程师,研究方向:复杂大系统建模仿真与效能评估。刘晓光,男,高级工程师,研究方向:指控系统仿真。

E843

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.005