基于功能分解组合的协同防空作战体系效能评估

牛冰，牛智奇，张晓峰

（西安现代控制技术研究所，西安710000）

基于功能分解组合的协同防空作战体系效能评估

牛冰，牛智奇，张晓峰

（西安现代控制技术研究所，西安710000）

协同防空作战体系各要素具有复杂耦合特性，所提出的功能分解-组合效能分析方法可以分析各要素对协同防空体系作战效能的贡献。首先利用功能分解提取出态势数据共享、集中式目标分配、火控级目标数据共享、协同制导4种特征功能，然后组合形成分区防空、集中指挥、协同探测、协同作战4种不同协同级别的防空样式，建立了包含效用指标和代价指标的效能指标体系，通过蒙特卡罗仿真获取了可以互相参考对比的规律性的效能指标规律，为复杂作战体系效能评估提供了一种思路。

协同防空，协同探测，作战效能评估，功能分解组合

0 引言

随着超低空掠海飞行巡航导弹、近程弹道导弹等武器的广泛应用，水面舰艇在近海复杂环境的作战面临着巨大的威胁。为了应对这种威胁，美国海军提出并建立了“协同作战能力”（Cooperative Engagement Capability，CEC）舰艇编队网络化协同防空系统，其原理是利用高速数据通信网络和数据融合技术实现舰艇编队成员间的火控级的目标信息共享，进而实现舰艇编队的协同探测、协同制导等一系列新型防空作战样式。

协同作战是一种作战体系，由分布于不同平台的指挥控制、舰载雷达、拦截弹等众多类型分系统构成，整个作战过程存在复杂的动态交互与不确定因素。同针对单种武器装备（如作战飞机、防空导弹等）的效能评估相比，协同作战的效能评估难度更大。层次分析法［1］、经验公式法等效能评估方法主观性较强；阶段概率法难以描述多平台协同作战的复杂过程。

基于对抗仿真的效能评估方法能够通过仿真试验获取效能指标，利用敏感度分析等方法研究作战效能［2］。文献［3］利用基于Agent的作战仿真分析了组网性能对战斗机体系作战的影响。文献［4］提出的基于OODA联合作战体系指控效能评估指标体系模型，将效能划分为观察、判断、决策和行动4种子效能。文献［5］利用探索性分析等手段分析了影响效能的指挥控制因素。这些研究侧重于分析单项性能指标或指挥控制决策特定环节对体系作战中的效能的影响，为了从顶层角度定量评价协同作战中各要素对总体效能的影响，必须对协同作战本身进行解耦。本文将从功能级别对协同作战体系进行分解，基于功能分解-组合构建不同级别的协同作战体系，利用体系对抗仿真获取定量、可以对比的效能指标，建立效能指标与协同作战体系功能的联系。

1 基于对抗仿真的体系效能评估原理

基于对抗仿真的作战效能评估方法最早应用于分析武器系统在体系对抗中的作战效能，美国通用动力、波音公司等于上世纪末期即将其应用于战斗机及机载武器概念设计中，其主要步骤包括:

作战体系建模:对攻防对抗体系中的兵力配置、作战环境、指挥、通信、作战单元等进行建模；

建立效能指标体系:依据武器系统作战使命建立效能指标体系；

参数配置:对可能影响作战效能指标的因素参数化处理；

体系攻防对抗仿真:按照设定的作战场景和参数配置在计算机上开展作战模拟仿真，并输出效能指标；

敏感度分析:利用敏感度分析、响应面等方法分析设定参数与效能指标之间的关系。

图1 基于对抗仿真的体系效能评估流程

基于对抗仿真的效能评估方法在分析特定武器系统在体系中的作用、指导武器装备研制起到了良好的效果。由于作战体系结构复杂难以参数化，如果将其用于协同作战体系效能评估中，需要解决的是如何建立作战体系与效能指标的关联。

2 协同作战的功能分解组合

协同作战的技术基础包括舰艇编队的自组织移动网络通信和数据融合技术，在上述技术基础上可以实现火力控制、指挥控制的一体化、扁平化。约翰.霍普金斯大学应用物理试验室在CEC早期论证时将其主要功能归结为复合跟踪识别、精确捕获提示、协同探测制导、协同作战等。

从CEC的发展历史和功能可以看出，其并非是对传统防空作战的一种颠覆性的革命，而是随着网络通信技术等新技术发展逐渐建立的。其功能与能达到的协同水平密切相关。因此，本文将从功能角度对协同作战体系进行分解，在组合功能的基础上形成不同协同级别的作战体系，通过对比分析各自最终输出的效能指标的差异，建立协同作战体系组成功能与效能指标的联系。

基于协同防空作战自身特点，可以提取出如下4种特征功能:

态势数据共享:各探测单元将当前的态势信息通过通信链路传输到指挥中心进行融合处理得到当前的态势信息；

集中式目标分配:依据当前态势信息，在指挥控制中心完成目标分配，并将分配结果分发给火力节点；

火控级目标数据共享:与态势数据共享相比，数据精度和速率大大提高，达到了火控级别，所有的作战单元都可以共享火控级的目标数据；

协同制导:平台之间可以通过通信协议和算法实现防空导弹中制导或末制导权的转移。

在组合上述4种特征功能基础上形成4种不同协同级别的防空样式（如图2所示）:

图2 功能分解组合示意图

分区防空:作战单元各自按照指挥中心划定的防御区域拦截目标，对于己方防区之外的不予拦截。

集中指挥:各作战单元独立探测目标，将目标探测信息汇总到指控中心，指控中心将信息进行融合形成统一态势图，进行威胁排序、目标分配。各作战单元按照指控中心分配的任务确定发射时机。

协同探测:协同探测防空作战除了具备共享态势、集中式指控外，还通过高速数据网络将各探测单元的未经滤波的雷达数据进行数据融合处理，目标的检测速度、检测概率、探测精度和探测范围得到不同程度的提高。

协同作战:协同防空作战除了具备共享态势、协同探测功能外，通过协同算法实现了编队成员间的协同制导，扩大了区域防空导弹的有效发射区，对于拦截超低空突防目标有重要的意义。

通过对协同作战体系功能的分解-组合，可以实现对协同作战体系功能级别的解耦，建立效能指标和不同协同级别体系之间的联系。

3 典型协同作战场景作战效能分析

3.1 作战想定

假定防御方编队由4艘防空驱逐舰和1架固定翼飞机组成，固定翼飞机配备有对海探测雷达。指挥控制中心Ship0与其他前沿防空驱逐舰的距离为30 km（如图3所示）。

攻击方共有30枚掠海飞行的反舰巡航导弹（ASCM）从右上方来袭，攻击对象是指挥控制中心Ship0，采用Poisson流模型单方向饱和攻击，ASCM之间平均间隔为7 s，即攻击频率为1/7（批/s）。

防御方分别按照上节中的分区防空、集中指挥、协同探测、协同作战4种不同级别的防空样式拦截来袭威胁目标。

图3 单方向饱和攻击想定示意图

3.2 体系防空作战效能指标

体系效能指标包含效用指标和代价指标，效用主要是一个产出相关的指标，代价指标反映资源占用程度。

3.2.1 效用指标

总体威胁度:定义为某时刻所有目标对舰艇编队的威胁度之和，目标总体威胁度是随时间动态变化的一个指标。从防空作战的根本目的来看，就是尽可能早地消除敌方的威胁，因此，总体威胁度的变化趋势可以反映防空系统的效能。

其中，EA为t时刻总体威胁度；N为当前战场中所有威胁目标；Ei为第i个目标的威胁度。

进攻方突防数量:突破舰艇编队体系防空ASCM目标总数量，是直接反映整个防空作战体系效能的指标。

3.2.2 代价指标

通信数据量:随着编队协同程度提高，舰艇编队之间的通信也将相应地增长，使通信系统的负载增加，由协同所造成的通信量应控制在一定的水平。

3.3 仿真平台

基于蒙特卡罗仿真的方法获取规律性的效能指标需要大量的仿真试验，为了提高仿真效率，本文采用了基于离散事件系统规范（Discrete Event System Specification，DEVS）［7］的仿真方法和基于元模型的建模方法［8］，开发了体系效能评估仿真系统［9］（如图4所示）。

该仿真系统主要仿真模型包括:舰空导弹元模型、舰载/机载相控阵雷达协同探测模型、协同处理模型、目标分配模型、组网通信模型等。

图4 体系作战效能评估仿真系统主界面

3.4 作战效能评估分析

下页图5～图9为通过蒙特卡罗仿真得出的4种级别协同防空样式作战效能分布规律。

从图5可以看出，协同作战、协同探测、集中指挥和分区防空的总体威胁度依次增大，表明拦截体系最终作战效果优劣与协同级别高低是正相关的，协同作战总体威胁度始终最低，并最终趋于0，表明协同防空作战在该想定中能够拦截所有目标。

图6可以看出协同探测和集中指挥条件下的通信次数基本相当（横坐标每个时间区间为40 s，横坐标为n代表第n个40 s区间），通信内容主要是指控中心和作战单元之间关于目标分配的交互信息，协同作战条件下通信次数比后两者高出1倍左右，高出的部分主要是分布式协同制导产生的交互通信。

图7为不同目标速度下的平均突防数量，可以看出协同作战在不同目标突防速度下拦截效能均最高。

图8为指控中心最大延迟（两次决策最小时间间隔）对目标平均突防数量的影响，可以看出协同作战和协同探测条件下舰艇编队能够对超低空目标先发现、先拦截，因此，拦截效能受指控延迟的影响显著小于集中指挥条件。

从图9可以看出空基单元与舰艇编队的空间相对位置关系对拦截效果会产生一定影响，空基单元在目标来袭方向上距离编队越远，对目标的发现时间越早、对目标的拦截距离越大，但是空基单元所受敌方的威胁更大。

图5 总体威胁度随时间变化规律

图6 通信交互次数随时间变化规律

图7 目标平均突防数量随速度的变化规律

图8 目标平均突防数量随指控最大延迟的变化规律

图9 目标平均突防数量随空基平台距指控中心距离的变化规律（目标速度700 m/s）

4 结论

协同防空作战虽然增加了体系通信量，但在控制战场总体威胁度、拦截高速突防目标、对指控中心延迟的适应能力等方面都具有显著优势。通过探索性分析和功能分解组合对比，获取了对协同作战体系效能更全面的认识，比利用传统静态层次分析方法获取的单一静态指标对协同作战的体系研发和作战使用有更高的参考价值。

［1］屈高敏，董彦非，岳源.对地攻击型无人机作战效能评估［J］.火力与指挥控制，2016，41（4）:145-149.

［2］白金鹏，李天.面向指标论证的战斗机突防效能评估［J］.航空学报，2016，37（1）:122-132.

［3］PORCHE III IR，WILSON B.The impact of network performance on warfighter effectiveness［R］.RAND Corporation，2006.

［4］MILLER J O.Modeling and measuring network centric warfare（NCW）with the system effectiveness analysis simulation（SEAS）［C］//Proceedings of 11th International Command and Control Research and Technology Symposium.Washington，DC:CCRP Press，2006.

［5］GRANASEN M，HALLBERG N，LIF P，et al.Exploring effects of C2warfare on C2ability in a simulated environment［C］//Proceedings of 16th International Command and Control Research and Technology Symposium.Washington，DC: CCRP Press，2015.

［6］卞泓斐，杨根源，陈榕.舰艇编队网络化防空体系中节点重要度评估［J］.四川兵工学报，2015，36（8）:15-19.

［7］URQUIA A，MARTIN-VILLALBA C.DEVS graph in modelica for real-Time simulation［C］//Proceedings of 26th European Conference on Modeling and Simulation.Koblenz，Germany，2012.

［8］李建平，吴红，王维平.雷达系统发现与跟踪目标仿真元模型方法［J］.系统仿真学报，2007，19（3）:639-643.

［9］牛冰.协同作战体系效能评估研究［D］.西安:西北工业大学，2014.

Effectiveness Evaluation of Cooperative Air Defense System Based on Function Decomposition-combination

NIU Bing，NIU Zhi-qi，ZHANG Xiao-feng
（Xi’an Modern Control Technology Research Institute，Xi’an 710000，China）

The cooperative air defense system contains a number of elements which has coupling characteristics，the function decomposition-combination is introduced to analyze the contribution of these elements.Four functions of situation sharing，centralized WTA，fire-control-level target data sharing and cooperative guidance are extracted by function decomposition，then four typical air defense styles of area defense，centralized C2，cooperative detection and tracking，cooperative engagement are built using function combination，the effectiveness index contains measurement of both unity and cost is developed，the regularity of MOEs can reference each other are obtained by digital Monte Carlo simulation，the function decomposition-combination provides an idea to the effectiveness evaluation of similar complex system.

cooperative air defense，cooperative detection，system effectiveness evaluation，function decomposition-combination

TP391.9

A

1002-0640（2017）04-0114-04

2016-02-24

2016-04-19

牛冰（1984-），男，河南桐柏人，博士，工程师。研究方向：武器系统总体设计与效能评估。