基于网络中心战的时敏目标效能仿真研究

闫晶晶,许　腾

(1.信息系统工程重点实验室,江苏 南京　210007;2.中国电子科技集团公司第二十八研究所,江苏 南京　210007;3.海军指挥学院 合同战术系,江苏 南京　210016)



基于网络中心战的时敏目标效能仿真研究

闫晶晶1,2,许腾1,3

(1.信息系统工程重点实验室,江苏 南京210007;2.中国电子科技集团公司第二十八研究所,江苏 南京210007;3.海军指挥学院 合同战术系,江苏 南京210016)

摘要:文章基于网络中心战“共享-合作-同步”原理,提出了实时目标航迹数据、图像信息共享、兵力行动在时间和空间上合作以及时间敏感目标同步攻击。根据打击时敏目标的效能指标,建立了目标延时、目标发现概率和目标毁伤概率模型,计算“共享-合作-同步”条件下的时敏目标效能,研究结果表明网络中心战模式能够有效改善各项作战效能指标,是提高作战效能的有效手段。

关键词:网络中心战;时敏目标;仿真

1问题提出

时间敏感目标是指那些被发现、定位、识别后,攻击时间极为有限的目标。如陆上机动的弹道导弹发射车、海上活动的潜艇等。这类目标活动没有规律,出现地点不定,暴露时间短暂,但是威胁却往往较大。时间敏感目标效能评估指标主要有[1-3]:指挥速度、网络格度、装备密度、管理宽度、攻击精度和机动捷敏度等,建模方法有[4-8]:ADC、系统分析法和探索性分析等。

目前研究工作中存在的主要问题如下:一是体现网络中心战本质,突出作战要素融合不够;二是效能评估中缺乏基于C4KISR将指挥链和打击链综合集成。

基于网络中心战对时间敏感目标进行打击,关键要做到作战体系所有的平台或节点对信息的“共享-合作-同步”。各作战节点对作战行动时间需求可通过实现“共享-合作-同步”的指挥控制原则达到一定的压缩。

共享内容主要是实时的目标航迹数据、图像信息、态势认知和各平台信息处理设备等资源。共享资源的方式是互操作,互操作是不同作战节点之间作战功能的互相利用;共享结果是实现作战节点、作战系统的缺损功能的互补。合作主要反映在时间和空间的配合,提高资源利用率。如对时间敏感目标的信息处理中,涉及态势统一和态势传送问题;在认知决策方面涉及计划、方案和指挥意图等问题;在平台的资源组合中,实现协同,达到精确配合。同步指多兵种、多武器、多方向、多层次、多领域的同时运用,是全方位和多维的饱和攻击,造成对时间敏感目标多方面的饱和攻击,产生突变的和非线性优势。通过火力的规划等,可阻塞时间敏感目标的反应能力,追求非线性和突变的优势,达到基于效果的目的。

本文基于网络中心战“共享-合作-同步”原理,建立时间敏感目标效能评估指标和仿真模型。

2仿真效能评估指标及建模

从效果的角度看,对目标的毁伤概率是评估效果最直接的指标,而对时间敏感目标的毁伤又必须在其消失前发现,因为其“暴露”极为有限,而这2个指标又受制于从发现目标到对目标实施打击所用的时间，即目标延时。只有缩短目标延时,才能在目标消失之前对其实施打击,完成消灭时间敏感目标的任务。因此,本文以目标延时、目标发现概率和目标毁伤概率作为评估作战效能的指标,并构建相应的计算模型。

2.1目标延时

时间敏感目标最本质的特征是其暴露时间的有限,从而使打击变得非常困难,因此,打击时间敏感目标的天然指标是时间。这里采用从传感器节点发现目标到武器投射节点对目标实施打击过程所用的时间，即目标延时作为评估打击时间敏感目标效能的一个指标。

设T为作战系统的目标延时,则有:

(1)

其中,n为目标延时中耗时环节的数量;ti为每一个耗时环节所消耗的时间。

2.2目标发现概率

以导弹为例,目标发现概率就是当导弹飞临目标上空,末制导雷达开机后对目标的发现概率。这个发现概率取决于如下2个方面的因素:一是目标的可能散布区域的面积A;二是导弹末制导雷达搜索波门的宽度B。

为了研究方便，在不影响基本结论的前提下,作如下假定:① 导弹采用前置点射击法;② 在搜索目标过程中波门大小不变;③ 不实施二次搜索;④ 目标在导弹搜索期间相对静止;⑤ 只要目标出现在波门内就会被发现。

于是,发现概率Pf为:

(2)

其中,A为时间敏感目标可能散布区的面积;B为导弹末制导雷达开机后的搜索波门宽度;S(B)为末制导雷达从开机时刻到离开目标散布区所扫过的面积。

目标散布区的大小直接影响导弹对目标的发现概率,而散布区的大小取决于目标延时、目标速度和运动要素误差。传感器节点侦察探测目标的运动要素总是存在一定的误差,这种误差经过时间的积累使其位置表现为一个可能的散布区。把误差归结为航向误差Δθ和航速误差Δv,其中v为目标运动速度。这样经过目标延时T,目标的散布区域(扇环形)的前缘宽度为(v+Δv)TΔθ,后缘宽度为(v-Δv)TΔθ,因此,散布区的平均宽度为vTΔθ。同理,散布区的纵深为2TΔv。于是,得到散布区面积为:

(3)

可见,散布区的面积取决于目标速度、航向和航速的误差以及目标延时,且与目标延时的平方成正比关系,因此,目标延时是影响发现概率最重要的因素。

搜索行动如图1所示,显然A是一个圆形的区域。当然,真正的实际形状依赖友邻部队所报知的关于潜艇的预先情报。如果有更多情报,就没有必要在整个360°范围内搜索。不确定区域面积大小随着更新潜艇位置时间成平方地增长。假设不确定区域是圆形的、“楔饼形”的(受预先航向信息的限制)和椭圆形的(反映速度和航向的不确定性)。在这个例子中,信息的效能把搜索限制在与潜艇航向一致的扇形范围内,减少了不确定区域面积。

图1　搜索行动

不确定区域的大小依赖于流逝的时间tu,从最后一次数据更新算起,按照潜艇水面状态速度计算可得:

(4)

(5)

导弹搜索区的大小主要取决于导弹末制导雷达搜索宽度与开机距离。假设R0为开机距离,r为末制导雷达搜索区离开目标散布区位置,因此,末制导雷达从开机时刻到离开目标散布区时刻所扫过的面积为:

(6)

值得注意的是,时间敏感目标的最大特征就是随时可能消失,因此,以上进行计算的前提是攻击之前目标尚未消失,如果导弹临空前任意时刻目标消失,则发现概率为0。

2.3目标毁伤概率

由于导弹开机距离较近,一般发现以后即可被捕捉,又由于潜艇对来袭导弹没有抗击或者干扰的手段,因此,可以认为发现概率即为命中概率,即一枚导弹的命中概率Phit为:

(7)

则发射n枚导弹的情况下,对目标的毁伤概率Pdes为:

(8)

其中，ω为毁伤目标必须命中的导弹枚数。

值得注意的是,能够发射导弹的枚数与时间敏感目标的可攻击时间窗口和导弹攻击的间隔有关。时间敏感目标的可攻击窗口是指目标被发现到消失之前的一个时间片段。

假设可攻击时间窗口为(Tmiss-Temerge),其中Tmiss、Temerge分别为目标消失和出现(发现)时刻,则第1枚导弹飞临目标的时刻为Temerge+T。如果导弹的攻击间隔为ΔTattack,其中包括观察攻击效果时间、再次发射决策时间、导弹发射系统反应时间以及飞行时间等。那么计算可发射导弹枚数的约束条件为:

即

(9)

其中,Mod[]为取整运算。

3共享-合作-同步条件下效能仿真分析

红方一艘常规潜艇离开港口,前往预定海域执行任务,蓝方卫星发现后,通知在较远海域待机的水面舰艇,由舰艇发射携带导弹的无人机,在常规潜艇充电时将其摧毁。

3.1参数设定

蓝方卫星信息延误20 min。常规潜艇下潜之前的水上航速为10节,可攻击时间窗口为150 min。蓝方作战系统经过探测、跟踪、传输、处理等环节,加上环境和常规潜艇本身性能等因素的影响,对常规潜艇的总的信息误差为:航向误差4°，航速误差1节。

无人机由载舰发射,发射用时5 min,飞行10 min后发射导弹。假设无人机的攻击策略是一次攻击发射1枚导弹,在确定攻击没有成功的情况再进行第2次攻击,总共带弹2枚。

在共享-合作-同步条件下,无人机发射成功后,总延时为侦察机报告延时加上接到报告后到导弹临空之间的时间。

用于攻击常规潜艇的导弹飞行速度450节,发射距离150 n mile,飞行时间20 min,末制导雷达搜索宽度0.25 n mile。

3.2指标计算

假设常规潜艇在散布区内均匀分布，无人机对常规潜艇实施迎头攻击,并把常规潜艇的可能散布区由扇环形简化为矩形,由于扇环的角度较小,可以保证两者之间的误差很小。

3.2.1无信息共享条件下计算

(1)目标延时T。

(2)目标散布区。散布区宽度取其前后缘宽度的平均值,得到的结果是2vTθ=0.778 n mile,散布区纵深为2TΔv=3.5 n mile,散布区面积为2.723(n mile)2。

(3)发现概率。

(4)毁伤概率。对水面状态的潜艇而言,其上层建筑若被命中即意味着沉没,故必须命中枚数ω=1。由于延时太长,不可能在可攻击时间窗口内阻止第2次攻击,因此,常规潜艇的毁伤(击沉)概率为:

3.2.2共享-合作-同步条件下计算

(1)目标延时T。由于无人机发射后控制权即转交给侦察机,因此,无人机可以在得到发射指令的同时更新数据,其总延时缩短为报告延时加上导弹飞行时间，所以有：

(2)目标散布区。散布区宽度取其前后缘宽度的平均值,得到的结果为2vTθ=0.296 n mile,散布区纵深为2TΔv=1.333 n mile,散布区面积为0.395(n mile)2。

(3)发现概率。

(4)毁伤概率。第1枚导弹攻击完的时间为时间窗口的第105 min,核潜艇用5 min观察攻击效果,如果没有击毁则还来得及再组织1次攻击。因此,常规潜艇的毁伤(击沉)概率为:

3.3结果分析

3.3.1共享-合作-同步提高打击效能

从本文研究的结果看,共享-合作-同步条件下对时间敏感目标的毁伤概率大大提高,由传统条件下的0.321提高到0.976,提高幅度几乎达到2倍,如图2所示。

类别

3.3.2共享-合作-同步缩短目标延时

由于在共享-合作-同步条件下,传感器节点可以与武器投射节点直接链接,提高导弹对目标的发现概率。在本文设定的假设情况下,共享-合作-同步使目标延时从105 min缩短到40 min,目标可能散布区从2.723(n mile)2缩小到0.395(n mile)2,从而使对目标的发现概率从0.321提高到0.845。

3.3.3共享-合作-同步增加攻击次数

共享-合作-同步大大缩短了目标延时,不仅使得攻击时敏目标成为可能,而且可能进行不止1次的攻击,而攻击次数的增加将直接提高毁伤概率。本文中,共享-合作-同步条件下对目标攻击了2次,从而使对时敏目标的毁伤概率从0.845提高到0.976。

4结束语

本文针对时间敏感目标特点,根据网络中心战“共享-合作-同步”原理,提出了信息共享、行动合作和攻击同步的概念,实现信息链、指挥链和打击链的交链,缩短指挥周期，据此建立了时间敏感目标延时、目标发现概率和目标毁伤概率的效能评估指标及仿真模型。以常规潜艇为例进行了仿真计算,并进行了有无“共享-合作-同步”条件的比较分析,结果表明:网络中心战的“共享-合作-同步”可以缩短对时敏目标的发现时延,增加攻击次数,提高对时间敏感目标的打击效能,为研究时间敏感目标效能提供了一种仿真计算方法。

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(责任编辑张镅)

Research on effectiveness simulation of TCT based on network-centric warfare

YAN Jing-jing1,2,XU Teng1,3

(1.Key Laboratory of Information System Engineering,Nanjing 210007，China；2.The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007，China；3.Dept.of Combined Tactics，Naval Command College,Nanjing 210016,China)

Abstract:Based on the principle of sharing-cooperation-synchronization in network-centric warfare,the real-time target track data and image information sharing,the cooperation of force action in time and space,and the time-critical target(TCT)synchronization attack are put forward.In view of the indexes used to evaluate the effectiveness of the TCT,the models of target time delay and probabilities of target detection and damage are established.The effectiveness of the TCT under the condition of sharing-cooperation-synchronization is computed.The result shows that the combat mode based on the network-centric warfare is able to improve indexes of combat effectiveness.

Key words:network-centric warfare;time-critical target(TCT);simulation

收稿日期：2015-01-01；修回日期：2016-02-22

作者简介：闫晶晶(1977-),女,河北承德人,信息系统工程重点实验室高级工程师.

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.04.011

中图分类号:E835.8

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)04-0486-04