大口径舰炮武器系统体系贡献率评估方法

郑贵文,董绍阳

(1.海军装备部项目管理中心,北京 100071;2.江苏自动化研究所,江苏 连云港 222061)

目前,国际海洋环境处于相对不稳定状态,谁能在领土、资源以及武器装备方面占领先机,谁就能在国际争端和冲突中占据主动权。这样的国际环境迫切要求大口径舰炮武器系统必须具备“先敌发现、先敌打击”的特性。这一目标的实现是建立在积极发展先进装备和高新技术的基础上,包括无人侦察装备、先进火控解算技术以及末制导炮弹技术等。这些装备和技术的应用,会使舰炮武器系统在目标侦察定位、远程火力压制、精确制导打击和高效目标毁伤等方面具有长足的发展。因此,开展舰炮远程对海作战武器装备体系贡献率评估的研究工作就具有非常重要的先导作用和军事价值。

虽然系统分析和体系技术专业中给出了体系贡献率的定义,但整个评估流程尚未形成标准、统一的步骤,尤其是对细化的单一系统评估更是没有可以明确参考的对象。本文的研究内容是对体系贡献率评估的一种规范化尝试,以大口径舰炮武器系统作为示例对评估流程进行合理的架构搭建,为全军体系层面和单一武器装备层面的新装备研制论证提供参考。

1 评估流程

大口径舰炮武器系统各贡献率评估指标目前缺乏明确的定量公式计算方法,并且即使是同一系统,各个指标的体系贡献率也会依据建立的作战任务场景不同而呈现不同的变化。因此，体系贡献率的评估过程关键在于作战任务及作战参数的设置,将模糊的指标进行量化,达到综合评价的目的,对于评价计算的模型要求相对较低。其次,计算模型要突出的重点是新旧装备的性能对比,回答装备的更新在特定的作战任务下是否非常必要这一根本问题。官东林等提出的模糊分析算法[1]或耿秋等提出的以需求值为基础的改进型体系贡献率评估方法[2],其本质都是建立在对新旧装备替增效果的评估上,因此，只要相对比较法的内涵不变,无论形式如何变化,其评估效果都是大同小异的。相对比较法的评估模型能够更简洁直观地给装备决策者提供新旧装备能力指标的对比情况,而其难点也显而易见,众多参数的设置和评价标准的确定必须尽可能地贴合武器装备使用场景以及作战的形式流程。

体系贡献率的评估实质上是从装备顶层设计和论证开始,面向部队的需求和作战任务,依据体系作战的过程[3],对具体装备在整个流程中的作用进行层层分解、逐步细化的过程,具有涉及层次深、涵盖范围广的特点。

从以上对体系贡献率的实质剖析中,可以逐层对其进行步骤分解,流程见图1。

图1 体系贡献率评估流程图解

步骤1:使命任务分析是根据作战需求,分析装备承担的作战任务,包括作战区域、作战对象、作战形式等,形成作战任务清单。使命任务分析对整个评估流程具有导向作用,所有工作都以此为中心展开。

步骤2:对抗场景设置要紧贴当前军事矛盾与斗争实际,依据作战任务中对作战区域的设定,可以设置多个对抗场景,合理地提出军事背景、敌我装备体系构成、体系对抗过程等内容,着重分析对抗过程中新研装备的应用场景和作用。

步骤3:能力指标梳理要依托装备体系能力框架,针对装备具体的作战能力和作战效能,突出重点评估的指标项，如图2。建议依据OODA理论[4],从侦察(Observation)、判断(Orientation)、决策(Decision)和行动(Action)的循环过程中,描述作战冲突、对应作战能力、刻画作战指标。

图2 海军装备体系能力框架

步骤4:建立任务-能力评估矩阵,明确任务需要的能力支撑项,并将能力拆解为具体的指标项,对定性的指标提出要求,对定量的指标以分级的形式描述量化标准。结合现役同功能装备间的指标异同点,进行突出能力/效能的筛选。建立评估矩阵是整个流程的重点工作,是衡量新研装备能否胜任部队任务需求的评估标准。

步骤5:定性定量计算分析,依据评估矩阵中提出的指标项,提出计算方案,建立计算模型,进行指标计算。对于作战能力项,根据武器装备的特性进行评估,对于依托于作战过程的效能指标,需进行体系作战分析,建立对抗模型和数学模型,得到作战效能结果。运用相对比较法计算模型，与现役同功能武器装备进行比较计算,形成分级描述结论,计算的模型如下

(1)

其中,AM为指标M的体系贡献率[5]。当新增武器加入体系后,指标M较无新增武器时有所提升(能力增强),则n取偶数,AM>0,AM值越大代表增强效果越好;若指标M较无新增武器时有所下降(能力减弱),则n取奇数,AM<0,AM值越小代表减弱效果越明显。

最后,根据新研装备的作战性质,确定能力指标的偏重点,若新研武器为侦察预警类装备,则能力项权重分析中侦察预警指标应占主要比例,若新研装备为战斗打击型装备,则能力项中火力打击的相关指标应占主要部分,具体数值可以依据决策者下达的需求分析确定。对步骤4中的各能力项进行权重分析,并计算出衡量新研装备总体的体系贡献率指标。计算的模型如下

(2)

其中,n为武器装备能力项的个数,Ai为指标M对应能力项的体系贡献率,Ni为其权重。A总>0代表新武器系统的加入增强了原装备体系,A总值越大代表增强效果越好,A总<0代表新武器系统的加入不利于原装备体系的提高。

以上评估过程是对单一新研装备的体系贡献率评估,对于两种及以上的新研装备对武器贡献率的影响,此方法同样适用。但需要注意的是,两种及以上新研装备体系贡献率评估并不是单独对各个装备进行指标分解,而是将各装备整体融入设定的作战场景下,依据海军装备能力体系框架对各个装备的能力进行分解,对于不同的能力项分条列出,对于相同的能力项进行归类整合,依据各个装备的指标要求,统一建立任务-能力评估矩阵。体系贡献率评估的是所有引入装备对体系作战的提升,是一个武器综合性能评估的标准。

2 大口径舰炮武器系统的体系贡献率评估

2.1 使命任务分析

案例分析:为满足对海远距离作战需求,保障舰艇在与敌舰海上对峙或小规模海上摩擦时有先敌发现、先敌打击的优势,在现役大口径舰炮武器系统成熟技术基础上,发展一套满足对海火力打击的新研大口径舰炮武器系统,其使命任务是:担负舰艇海上作战时对敌舰艇打击任务。根据新研大口径舰炮武器系统的使命任务,综合分析形成作战任务清单:

1) 对海上超视距机动目标进行捕获和跟踪;

2) 控制武器实施远距离精确打击及毁伤。

2.2 对抗场景设置

针对新研大口径舰炮武器系统的作战任务,考虑海域中复杂的国际环境和潜在敌对势力海上舰艇的作战力量,以红、蓝阵营在国内海域的对抗演习作为冲突和作战的分析场景。

场景:红方在海域环境中对蓝方舰艇实施打击

1)军事背景

任务区域:海洋环境中军事演习范围。

任务样式:在擦枪走火后,红方雷达立即搜索跟踪蓝方驱逐舰,火控解算射击诸元,舰炮发射对海制导炮弹,完成对蓝方舰艇的打击,并进行毁伤评估。

使命任务目标:在对方舰炮射程外,通过新研大口径舰炮武器系统发射的对海制导炮弹,重创蓝方舰艇,使其丧失作战能力。

2)装备体系构成

①红方装备体系

驱护编队:新研大口径舰炮武器系统。

水面舰艇侦察装备:相控阵雷达、跟踪雷达、光电侦察设备。

空中侦察平台:无人侦察机。

火力打击装备:新研大口径舰炮。

指控通信装备:一体化指挥平台系统、技侦系统、综合数据链、指挥专网、短波通信等[6]。

②蓝方装备体系

以国外“爱宕级”驱逐舰为参考研究对象:127 mm舰炮武器系统。

水面舰艇侦察装备:3D相控阵雷达、搜索雷达。

火力打击装备:Mk45 Mod4型127 mm舰炮。

3)体系对抗过程

在不进行战斗升级(未使用舰舰导弹)、对峙距离为23 km～50 km的情况下,红方驱逐舰侦察预警系统派出无人机对蓝方目标“爱宕级”驱逐舰进行发现、捕获及跟踪,将目标指示数据发送回全舰作战指挥系统,在诸元解算完成后，红方舰艇控制新研大口径舰炮武器系统发射末制导炮弹对蓝方舰艇进行打击。由于对峙距离处于蓝方127 mm舰炮射程之外,蓝方舰艇在侦察到红方炮弹来袭后,被迫进行机动规避。红方末制导炮弹在中制导阶段通过卫星-惯导的形式调整姿态,在末制导阶段通过半主动方式对目标进行搜索,最终精确命中目标,之后通过无人机侦察的手段进行毁伤评估。

4)超视距对海打击情况分析

整个体系涉及无人侦察、指令修正、机动预测、火控解算、制导攻击和毁伤评估等多种作战能力,涵盖了包括定位精度、指令时延、机动范围、命中概率等多项指标,能较为全面地展现敌我对抗过程中新系统装备发挥的作用,对新研装备体系贡献率评估有很好的参考价值。

2.3 能力指标梳理

根据体系对抗的过程,参考装备体系能力框架,依据OODA环循环理论,对重点指标项进行梳理，如表1所示。

表1 任务-能力-指标对应表

2.4 建立评估矩阵

根据作战需求和使命任务目标,采用分级打分的形式对能力-指标项进行描述,直观、形象地为决策者提供评估依据，如表2所示。

表2 任务-能力评估矩阵

2.5 定性定量计算分析

2.5.1 体系贡献率评估方法

将现役大口径舰炮武器系统与新装备新研大口径舰炮武器系统进行同能力、同指标下的体系效能对比,依据步骤5相对比较法进行评估,计算新装备对体系的贡献率。

2.5.2 计算方案及过程

根据能力-指标项梳理的结果,分别对现役大口径、新研大口径舰炮武器系统进行指标计算及效能分析,论证方案涉及范围广,本文以火力打击能力项中对机动目标的单发命中概率为典型计算示例,开展方案计算,其他指标的计算方法不作详细阐述。

侦察设备对机动目标的定位精度为(σ′x,σ′y),误差组成包括本舰定位误差、无人机自身定位误差和无人机探测误差[7],而探测误差由姿态测量误差和载荷角度测量误差组成[8]。反应时间为T,末制导炮弹从发射到启控点的飞行时间为t, 目标机动样式以转弯规避和匀速直航为主,在t+T过程中，其位置变化情况如图3所示。

图3 蓝方舰艇不同转舵角下经250 s规避样式图

末制导段机动范围为S,即有效制导幅员,在导引头能侦察捕获的区域内,末制导机动皆可达(如图4所示),因此，视场捕获域成为衡量S的关键因素[9]。

图4 导引头末制导段视场捕获域

在对目标进行打击的过程中,命中精度还受火控解算误差和制导误差的影响,火控解算部分主要是滤波外推误差,制导误差包括照射误差和控制误差[10],进行数值模型计算时，必须要考虑以上因素,最终目标点的射击精度为(σx,σy)。以侦察装备对蓝方舰艇的定位位置为原点,建立直角坐标系,如图5所示。

图5 无人机侦察及蓝方舰艇规避模型

当末制导炮弹以o为瞄准点发射后,目标开始规避,经T+t后，新的目指变为o′(x0,y0),服从以o′为中心,标准差为(σx,σy)的二维正态分布,通常情况下，x和y方向上的精度误差相互独立[11]。

(3)

末制导炮弹在有效制导幅员S内对目标的命中概率为

P=∬x2+y2≤S2f(x,y) dxdy=

(4)

根据以上对抗分析数学模型,设置合理的武器装备参数,运用Matlab进行数据仿真分析,对作战体系下大口径舰炮制导炮弹的命中概率进行指标计算。

设定无人机航路参数并进行坐标变换,得到无人机对目标的定位精度如表3所示。

表3 无人机对目标的定位误差

对红、蓝双方的主要作战参数设置如表4所示。

表4 红、蓝双方主要作战参数设置

将参数代入提出的命中概率模型,计算在设定作战背景下的大口径舰炮末制导炮弹的命中概率P=63%。从上述计算方案及过程可以看出,战技指标越贴合实战环境，参数设置越合理,得到的仿真计算结果越可靠。

2.5.3 评估计算结果

依据“任务-能力”评估矩阵中的评定标准,分别对现役大口径和新研大口径舰炮武器系统的指标项进行定性、定量统计分析,对统计结果进行分级评定,最终计算体系贡献率数值百分比，如表5所示。

表5 体系贡献率结果统计表

在建立权重分布时,常采用主观赋权法,根据决策者及专家主观上对各属性的重视程度来确定属性权重,其原始数据由专家根据经验主观判断而得到。常用的主观赋权法有专家调查法(Delphi 法)、层次分析法(AHP)、二项系数法、环比评分法和最小平方法等,本文选用的是理论成果较成熟的层次分析法。

首先建立层次结构图如图6所示,记C1、C2、C3对O的影响权重为ω=[ω1,ω2,ω3],通过一致矩阵法建立判断矩阵。

图6 层次结构图

(5)

用1,2,3…9代表两个权重的相对权重比,对如表6所示。

表6 相对权重比参照表

表7 能力/效能项权重分布

决策者没有特殊要求的情况时,一般假定在武器装备的同一个能力项下,每一个指标项的影响因子相同(或再根据主观赋权进行层次分析),则总体的体系贡献率计算模型可表述为

(6)

其中,m为在能力项Ai的指标个数,计算可得新研大口径舰炮武器系统的体系贡献率为8.9%>0。证明新研武器系统的加入满足体系对抗的任务需求,在体系作战能力和作战效能上都有显著的提升。体系贡献率评估是一个过程分析,并不单单只统计总体贡献率指标,从表5指标项的定性分析可以得出现役装备和新研装备在战术指标上对需求值的满足程度,为装备决策者提供了一个直观的性能评估参考。可以看出，新研大口径舰炮武器系统大部分指标处于“优”的状态,相比于现役系统大部分指标处于“良”的情况,能更好地贴合作战对武器装备的性能要求。

结果分析:通过以上数据看出,总体上新研大口径舰炮武器系统在武器控制能力和打击能力上要优于现役大口径舰炮武器系统,在“定位精度”和“打击用时”等个别指标项上稍逊于后者的原因是新研武器系统与传统武器系统在侦察方式上有很大的差别,并且，打击距离方面也远超现役大口径武器系统,因此，“中等”评定指标是在可接收范围之内的。最终的体系贡献率结果也表明，新研武器系统将使大口径舰炮在超视距对海作战领域获得显著的性能提升。

当然,从上述评估计算过程可以看出，此体系贡献率评估方法及流程对武器的原始战术技术参数和作战过程分析依赖程度非常高,参数越精确,作战形式越贴合实际对抗过程,得出的体系贡献率评估结果就越具有参考价值。同时,整个评估流程涉及很多高新装备的性能和应用,对评估者的专业素养及战术经验要求比较高,但得到的结果具有非常全面和综合的应用价值。

3 结束语

本文以大口径舰炮武器系统在海军装备体系中的体系贡献率评估为参考模型,对新研装备的体系贡献率评估流程进行了合理的架构搭建,详细介绍了分析方法、分析过程,对海军作战体系能力的指标进行了建模研究,定性、定量分析了武器系统的作战能力和效能,得到了新装备的体系贡献率。结果表明:此体系贡献率评估模型及应用流程能很好地兼顾作战需求与能力指标的关系,为新装备的研发、评估以及检验奠定了参考依据,对大口径舰炮体系作战应用具有一定的参考价值。