水面舰艇编队对空防御目标威胁评估分析*

林　桦　王公宝　武从猛　李春腾

(海军工程大学理学院　武汉　430033)



水面舰艇编队对空防御目标威胁评估分析*

林桦王公宝武从猛李春腾

(海军工程大学理学院武汉430033)

为提高舰艇编队打击空中目标的决策准确度，提高舰艇编队的战斗力水平，论文以水面舰艇编队处于防空作战的环境为背景，深入分析了目标威胁评估的五个主要因素对水面舰艇编队防空作战效能的影响，采用TOPSIS法进行作战环境下的目标威胁评估分析，并通过仿真算例验证了方法的有效性。

水面舰艇编队; 对空防御; 威胁评估; TOPSIS法

Class NumberE911

1　引言

在信息化引领的高科技军事活动中，水面舰艇编队对空防御作战始终是海上军事斗争的热门问题。现代海战空袭模式均采取多批次、多方向、多空域、全时域连续饱和攻击，指挥人员难以人工从大量的原始战场信息做出有效的决策。随着对舰攻击手段的拓展，水面舰艇编队在未来海上防空领域面临的挑战愈加棘手。因此，针对水面舰艇编队对空防御的战术特点，分析敌方的攻击样式，进而有效评估空中来袭目标的威胁程度，有重点的展开对空防御，对于提高水面舰艇编队的防空作战效能具有重要军事意义。

2　水面舰艇编队对空防御目标威胁评估指标分析

威胁评估是舰载武器对空防御作战决策中的关键环节之一，它是根据编队指挥中心的作战预案、作战决心等因素，综合来袭目标多种特征信息，预测空中来袭目标对舰艇编队威胁程度的排序过程，其目的是为目标优化分配提供依据。在水面舰艇编队对空防御作战中，空中来袭目标的威胁评估一般通过舰载C3I系统锁定、跟踪若干批目标，利用雷达及其它传感器获取空中来袭目标多种特征信息，再根据建立的威胁值评估模型进行自动威胁评估与排序。在威胁评估的过程中，如果将获得的目标距离、目标角度、目标类型、电子干扰以及抗干扰能力、双方空间几何态势等所有影响因素都纳入评估指标体系，则会显著增加系统建模的难度，影响评估的实时性。为了提高威胁评估有效性，建模时选取合理的目标属性作为评估指标，才能较全面地描述空中来袭目标的威胁程度[1]。

结合现代防空作战的特点和指挥自动化系统的工作过程，从简洁性、代表性、独立性和可行性的原则出发，本文选取空中目标类型、目标角度、目标距离、目标速度、目标攻击意图等五个因素作为威胁评估指标，以此来度量来袭目标的威胁能力。此外，在进行威胁评估时，通过传感器直接获取的目标信息具有不同的量纲，并且数据范围差别较大，因此需要消除不同属性之间的差异来使其规范化。为此，采用构造威胁指数的方式将数据规范化至[0,1]区间的隶属度，对于同一参数，隶属度越大，其威胁程度越高。

1) 目标类型：来袭目标的类型可以通过我方雷达系统初步识别。来袭目标的类型不同，对我方系统的威胁程度也不相同。来袭目标的威胁程度按升序排列分别为：预警机、侦察机、战斗机、攻击机(或轰炸机)、反舰导弹[2]。假设其威胁隶属度函数为

(1)

2) 目标角度：主要包括目标的航向角以及方位角。本文中假定方位角固定，故仅考虑航向角的威胁程度。当目标相对于我方武器系统所处的航向角越小，说明其对我方的攻击意图越明显，威胁程度越大；反之，则威胁程度越小。假设其威胁隶属度函数为[3]

(2)

其中α为目标方位角，β为目标航向角。

3) 目标距离：该因素主要通过被雷达发现的概率以及导弹的杀伤能力这两个方面来产生威胁。一般来说，距离越远，被雷达探测到的概率就越低。当目标双方位于导弹的中间发射距离时，导弹具有较强的杀伤能力，如果位于其他区域，则杀伤能力较弱[4]。因此，当敌我双方达到导弹的最小攻击范围时，随着双方距离的减小，我方规避敌方攻击的能力也随之减弱，此时敌方可以采用近距离攻击武器对我方造成更大的威胁。由文献[5]可得到目标的距离威胁隶属度函数为

(3)

其中，D为敌我之间的距离，DRmax为敌机载雷达最大探测距离，DMmax为敌机载导弹的最大射程，DMKmax和DMKmin分别为敌机载导弹的不可逃逸区最大和最小距离。本文中分别取DRmax=180(km)，DMmax=100(km)，DMKmax=60(km)，DMKmin=18(km)。

4) 目标速度：主要会影响我方武器对其的杀伤能力。一般而言，目标的飞行速度不同，对我方舰艇的威胁程度也不相同。敌方目标的飞行速度越快，预留给我方的时间窗口就越短，从而对我方造成的威胁越大。由文献[6]得知目标类型为战斗机的速度最大，一般不超过2.5Ma。其目标的速度威胁隶属度函数为

(4)

5) 目标攻击意图：主要是指敌方通过各种行为(雷达开(关)机、电子干扰、态势感知能力等)对我方产生威胁。由文献[4]可知，在其他因素占主导地位的是我方机载雷达接收机获取的敌方雷达活动信息。一般情况下，战机会通过其他平台进行工作来保持其电磁静默状态，此时所构成的威胁是最小的，用事件1来表示，称之为雷达不工作状态(no_r)；一旦发现机载雷达开始运行[7]，表示要进入临战状态，此时所构成的威胁较事件1而言有所增大，但又尚未达到威胁度最大，用事件2来表示，称之为侦察雷达扫描状态(in_r)；当火控雷达开始运行，表明敌机对我方所构成的威胁度最大，用事件3表示，称之为火控雷达扫描状态(f_c_r)。用区间值模糊集对目标攻击意图属性值的大小进行处理：

(5)

3　基于TOPSIS法的目标威胁评估分析

针对水面舰艇编队对空防御目标威胁评估问题，本文主要采用TOPSIS法进行分析计算[8～9]。

步骤1：确定规范化的决策矩阵D。本文采用成本型属性进行分析，其规范化公式为

(6)

(7)

(8)

其中wj代表各评价属性所占的权重值。得到偏差值之后便可以得到各目标值vi(1≤i≤m)的评价属性与E*之间的相对贴近度为

(9)

步骤5：引入水面舰艇编队中的各舰艇的重要程度评估因子，计算编队综合贴近度。具体计算公式为

(10)

其中c(k)代表各舰艇的权重值，其和值为1；Sγi代表综合贴近度；L代表水面舰艇编队中舰艇的数量。

4　仿真算例

根据空袭和水面舰艇在防空作战中的一些特点[10～11]，本文为验证所示方法的有效性，进行了仿真算例分析。我们设定但凡舰艇被击中，即为达到饱和攻击，以及该舰艇编队拥有良好的指挥控制引导系统。假定该舰艇编队是由四艘舰艇组成的一个菱形编队，各艘舰艇之间的距离为安全距离，即各来袭目标不会同时对编队中的任意2艘造成威胁。赋予每艘舰艇的权重分别为c(1)=0.4，c(2)=0.25，c(3)=0.2，c(4)=0.15；空中来袭的目标有3批，P={A,C,E}分别为{预警机，战斗机，反舰导弹}；我们设定空中目标的评价属性有五个，F={f1,f2,f3,f4,f5}，分别为{目标类型、角度、距离、速度、目标攻击意图}。根据其干扰程度，划分各个属性的权重分别为ω1= 0.15，ω2= 0.3，ω3= 0.2，ω4= 0.2，ω5= 0.15。根据相关资料显示[9]，某舰艇综合评估后各目标属性值如表1所示。根据上两节中介绍的方法，得到其对应的威胁度隶属值及规范化值如表2所示。

表1　目标属性值

表2　各目标威胁度及其规范值

计算得到的偏差值、相对贴近度以及排序如表3所示。

表3　威胁评估结果

从表3中的数据可得：各目标与理想解的相对贴近度，进而得到各目标对该艘舰艇的威胁度的大小，其中v2>v1>v3，说明目标v2对该艘舰艇的威胁程度最大。

水面舰艇编队中的其他舰艇按照上述步骤进行计算，可得到各艘舰艇的各个目标的相对贴近度的指标值为

其中：1≤k≤L，1≤i≤m。然后按照式(10)计算目标对水面舰艇编队的综合贴近度为：Sγ1=0.6169，Sγ2=0.6714，Sγ3=0.4291。

故按照上述结果进行排序，可得到各目标对整个水面舰艇编队的威胁排序为v2>v1>v3。

因此，水面舰艇编队指挥员可以根据综合贴近度Sγi(1≤i≤m)得到威胁度最大的目标，从而更加准确地进行分配决策，使得火力分配与威胁度分布相符。

5　结语

本文通过运用TOPSIS法中的成本型属性对水面舰艇编队防空作战中来袭目标威胁值进行评估，其实质是利用影响威胁度的各目标的属性值进行推理及排序，并获得目标威胁值评估结果。论文通过仿真算例验证了方法的有效性，具有较强的理论意义和应用参考价值。

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Aerial Target Threat Evaluation Method for Surface Warship Formation in Air Defense Operation

LIN HuaWANG GongbaoWU CongmengLI Chunteng

(College of Science, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

In order to improve the accuracy of making decision and improve the level of combat capability of the warship formation, based on the environment of surface warship formation in air defense operation, the five factors that determine the threat to surface warship formation are analyzed. The TOPSIS method is used to analyze the target threat value evaluation. And the validity of the method is proved by the simulation example.

surface warship formation, air defense, threat value evaluation, technique for order perference by similarity to an ideal solution(TOPSIS)

2016年4月8日,

2016年5月26日

海军工程大学社会科学基金重点项目(编号：HGDSK2015E02)资助。

林桦,女,硕士研究生,研究方向：军事系统建模与运筹决策。王公宝,男,博士,教授,博士生导师,研究方向：军事系统建模与运筹决策。武从猛,男,硕士,讲师,研究方向：军事系统建模与运筹决策。李春腾,男,硕士研究生,研究方向：通信与信息系统。

E911

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.005