基于兵棋推演的联合侦察预警能力评估

李志强,刘经德,殷来祥,曹 毅,付琼莹

(国防大学联合作战学院,北京 100091)

联合侦察预警体系是指陆基、海基、空基、天基等各类中远程侦察预警装备在网络信息体系支撑下,主要用于遂行侦察预警任务的联合作战力量体系[1]。联合指挥员为了更好地组织联合作战侦察预警作战筹划与指挥控制,在作战筹划阶段和指挥控制阶段,对联合侦察预警体系能力进行分析评估,充分认识和了解联合侦察预警体系的基本作战能力和短板弱项非常重要。兵棋推演实际作战指挥活动中,在作战筹划阶段,指挥员首先需要根据作战想定中联合侦察预警体系作战力量编成、作战布势及装备战技术性能,从理论上评估联合侦察预警体系的理论作战能力及在作战编成和作战部署等方面存在的问题,从而为其进行战前作战筹划提供参考;在指挥控制阶段,指挥员需要实时掌握联合侦察预警体系在作战过程中的装备损失、部署调整以及实际作战效能和能力变化情况,从而为其进行战中指挥决策提供依据。因此,对联合侦察预警能力的评估主要集中于装备战技术性能基础,重点关注两个方面的问题:一是联合侦察预警体系作战力量编成及其布势形成的基本作战能力、短板弱项及其存在的其他问题;二是对抗过程中联合侦察预警体系的整体作战效能和能力演变以及对作战需求满足的情况。评估过程是紧紧围绕指挥员在作战指挥中的实际需求展开的[2-3]。

目前,对联合侦察预警体系能力的评估大多是从武器装备体系的视角出发的,对于联合作战指挥过程中指挥员关键信息需求的研究较少,难以满足联合作战指挥员对联合侦察预警体系能力分析评估的基本需要。为此,本文从联合作战指挥员关键信息需求的角度出发,以联合作战兵棋推演系统在联合作战指挥对抗过程中产生的各类数据为基础,采用体系能力边界静态评估与作战效能实时动态评估相结合的方式,从宏观整体与局部细节不同层次系统全面地评估联合侦察预警体系的作战能力,为联合作战指挥员作战筹划和指挥决策提供科学量化的分析评估支持。

1 联合侦察预警体系构成

从联合作战指挥员的关注角度来看,联合侦察预警体系一般是指由陆、海、空、天等各类中远程对空预警雷达、对海预警雷达、空中预警机、电子侦察机、水下侦察装备、太空侦察预警卫星等能够遂行对联合作战战场空间全方位侦察预警任务的侦察预警装备和指挥通信网络构成的侦察预警作战力量体系[4-6]。

在联合作战兵棋推演系统中,联合侦察预警作战力量体系包含装备中远程对空预警雷达的空军雷达部队、执行空中预警任务的各类预警机和电子侦察机、具备远程战略预警能力的陆基天波超视距预警雷达、装备对海预警探测雷达的海军地面观通站、装备于海军各类大中型水面舰艇上对空对海预警雷达以及运行于太空的电子侦察和成像侦察卫星等。兵棋想定系统中将其分为陆基侦察预警系统、空基侦察预警系统、海基侦察预警系统、水下侦察预警系统和天基侦察预警系统以及指挥通信网络,如图1所示。

图1 兵棋推演中联合侦察预警作战体系构成Fig.1 Composition of joint reconnaissance &warning operation system in wargame

2 评估基本思路

信息化条件下的联合侦察预警体系是在网络信息体系支撑下,具备信息融合与共享的多领域侦察预警装备构成的作战力量体系。联合作战指挥员在作战筹划和指挥控制过程中,对联合侦察预警体系能力进行系统全面评估时,既要关注体系作战能力理论边界的评估,也要关注作战过程中实际作战效果的评估;既要了解体系的宏观整体能力,也要认识体系的局部细节原理。因此,在兵棋推演中对联合侦察预警体系能力分析评估时,我们采用将体系基本作战能力与作战过程中的作战效能相结合的方法,从宏观整体和局部细节全面系统地评估体系作战能力,基本思路如下:

1)体系作战能力边界静态分析评估。以兵棋推演想定数据提供的联合侦察预警体系作战力量编成、武器装备战技术参数为基础,对联合侦察预警体系基本作战能力进行理论静态能力边界分析评估。这是联合作战指挥员认识和了解联合侦察预警体系能力的基础。

2)体系作战效能实时动态分析评估。以指挥作战过程中兵棋推演模型实时输出的侦察预警效果数据为基础,在联合作战背景下,在具体的作战对抗过程中,对联合侦察预警探测体系的作战效能进行动态分析,评估其实际作战效果,分析其能力变化趋势。这是联合作战指挥员进一步认识和了解联合侦察预警体系能力的重点[7]。

3)体系能力与效能相融合的分析评估。根据联合作战指挥员认知特点,融合联合侦察预警体系的静态能力边界分析评估与实际作战效能分析评估结果,设计直观的分析评估结果可视化表现方法,为指挥员提供形象直观的能力分析评估认知结果。

4)体系能力宏观整体与局部细节相结合,交互分析评估。根据指挥员的使用习惯,设计便捷的人机交互操作界面,为指挥员提供从整体作战能力认知到局部细节分析的多层次分析评估方式,保证指挥员能够从宏观整体上知其然,也能够从局部细节上知其所以然,从而更好地支撑指挥员的态势研判与指挥决策[8]。

图2 联合侦察预警体系能力评估指标体系设计Fig.2 Design of the evaluation index system for the capability of the joint reconnaissance&warning system

3 评估指标体系与算法设计

联合侦察预警体系能力评估指标体系设计以联合作战兵棋系统能够提供的想定数据和推演输出结果数据为基础,从联合作战指挥员关注的基本能力指标和作战效能两个维度展开,指标体系设计如图2所示。

3.1 基本能力指标

基本能力指标主要反映联合侦察预警体系基本能力边界,以静态理论评估指标为主。该指标由组成联合侦察预警体系的作战力量规模、组成结构、装备战技术性能指标以及实际部署等因素决定。指标数据主要来自兵棋系统初始想定与装备性能参数。

1)数量规模(U1):联合侦察预警体系中各类部队数量和装备规模,包括基础想定数据中设定的空军雷达旅、雷达营、预警机中队、电子侦察机中队、海军观通站、大中型水面舰艇、舰载预警机、侦察卫星等主要用于遂行侦察预警任务的力量组成和主战装备的数量规模。指挥员重点关注新型侦察预警装备数量规模及其部署,如反隐身雷达、天波超视距雷达、预警机,电子侦察机、水下声呐阵列、侦察预警卫星等[9]。

2)组成结构(U2):按照兵棋想定的分类方式和组成结构,对联合侦察预警体系作战力量和装备组成中的陆基远程预警雷达、陆基中程预警雷达、陆基对海搜索雷达、舰载对空警戒雷达、舰载对海警戒雷达、预警机、电子侦察机、天基侦察预警卫星以及指挥员特别关注的反隐身体制雷达、反潜声呐阵列等进行组成结构、力量部署的评估分析[10]。

3)探测覆盖范围(U3):根据兵棋系统想定数据中各型侦察预警装备的基本战技术性能和实际部署位置,在战场空间绘制联合侦察预警体系的空间覆盖范围。需要重点区分对空、对海探测覆盖,并能够支持针对不同典型探测目标(rcs)、不同高度的覆盖范围的交互计算分析。

4)探测覆盖指数(U4):探测覆盖指数反映了联合侦察预警体系对需要监视的战场区域覆盖程度,目的是让指挥员了解联合侦察预警体系能力覆盖与实际需要之间的差距。它是联合侦察预警体系期望覆盖区域面积与实际覆盖面积的比值,计算方法为

F=S/A

(1)

其中,F为覆盖系数,S为预警探测系统实际覆盖的面积,A为期望覆盖的面积。

5)覆盖密度指数(U5):覆盖密度指数反映了联合侦察预警体系在已覆盖区域内的重叠覆盖密度。指数越大,反映侦察预警体系的监视越严密,代表实际作战中多部侦察预警装备对同一目标区域的监视能力越强,即发现目标的概率更大,抗干扰能力和抗毁能力更强,计算方法为

(2)

其中,S总为联合侦察预警体系中各型装备覆盖面积的总和,S合为联合侦察预警体系融合后的实际覆盖面积。

6)探测发现概率(U6):联合侦察预警体系的侦察预警装备组网后,对各型侦察预警装备的探测跟踪信息进行了融合,其探测概率比单部探测装备的探测能力大幅提升,对某一区域的合成探索概率[11]计算方法为

(3)

其中,p为合成探测发现概率,pi为单部侦察预警装备探测发现概率。

7)抗干扰能力指数(U7):抗干扰能力指数反映了联合侦察预警体系整体抗干扰能力。兵棋系统想定数据中对联合侦察预警体系中每一型侦察预警装备都给定了一个抗干扰能力指数。整体抗干扰能力指数的计算方法为取所有装备抗干扰指数的平均值:

(4)

8) 抗隐身能力指数(U8):抗隐身能力指数反映了联合侦察预警体系整体抗隐身能力的基本情况,主要体现了联合侦察预警体系中部署的米波等反隐身体制雷达的数量规模和覆盖区域以及其他体制雷达对rcs较小的隐身目标探测威力Rmax的总体情况[12-14]。目的是让指挥员初步了解整个联合侦察预警体系对rcs较小的目标探测基本能力,计算过程为:

①计算单部雷达对隐身目标的最大探测范围Rmax。 基于rcs变量的雷达最远探测距离Rmax采用雷达探测威力方程计算[13],如下式所示:

(5)

其中,Pt为雷达的发射功率,Gt、Gr分别为发射和接收天线增益,λ为雷达波长,σ为目标的反射截面积(RCS),k是玻尔兹曼常数,Ts为系统噪声温度,Vmin为系统检测因子,即最小可检测信噪比(S/N),Rmax为雷达在自由空间条件下的最远探测距离。

②综合计算雷达网络中所有雷达对隐身目标的合成探测覆盖范围。

③通过计算机图形可视化方法绘制雷达网对隐身目标的合成探测覆盖范围,并与理论覆盖范围进行比较,如图3所示。

图3 隐身目标探测覆盖范围示意图Fig.3 Schematic diagram of stealth target detection coverage

3.2 作战效能指标

作战效能指标主要反映联合侦察预警体系在实际作战过程中的侦察预警效能。该指标由预警探测体系实际探测敌方目标批次数量、探测发现率、首次发现距离、探测跟踪时空连续性和探测跟踪精度等组成。指标数据主要来自兵棋系统实时推演输出的效能数据。

1)目标平均发现率(U9):该指标反映了预警探测体系整体发现敌方目标的基本能力。它是敌方目标进入预警探测体系能力范围内的实际目标数量与被探测到的目标数量比值。在具体计算时还要区分对空探测、对海探测和水下探测等不同类型目标,计算方法如下

Ci=Nd/Nt

(6)

其中,Ci为不同目标发现率,Nd为被发现目标数,Nt为进入探测范围的目标总数。

2)目标平均发现用时(U10):该指标是从目标进入联合侦察预警体系覆盖和关注区域开始,至目标被发现时所用的平均时间,取值为不同目标发现用时的平均值,单位为min:

(7)

其中,Tf为目标发现平均时间,Ti为目标发现时间。

3)目标平均探测精度(U11):该指标主要反映联合侦察预警体系经过信息融合后对目标探测跟踪的准确程度,计算方法为目标探测位置与目标实际位置距离误差,单位为km:

(8)

其中,Di为目标平均跟踪精度,Xi为目标探测位置,Xj为目标实际位置。

4)目标平均识别用时(U12):该指标是从发现目标到识别确认目标的时长,取值为不同目标识别用时的平均值,单位为min:

(9)

其中,Tp为目标发现平均时间,Ti为单个目标的识别时间。

5)目标平均识别正确率(U13):该指标是正确识别的目标个数占识别确认目标总数的比例,即正确识别目标数比上发现目标的目标数:

Fi=Ni/Nd

(10)

其中,Fi为目标识别正确率,Ni为正确识别目标数,Nd为发现目标数。

6)目标掌握综合指数(U14):该指标反映预警探测系统对海陆空和水下目标掌握的综合情况。按照空中目标、陆上目标、海上目标和水下目标,使指挥员大致了解联合侦察预警体系对各类目标总体掌握情况。计算时,采用层次分析法将空中、海上、水下与陆上目标的平均发现率、平均识别率进行加权求和,如图4所示。基于AHP评估模型[15]的目标掌握综合指数计算方法如下

(11)

其中,Ui为目标掌握综合指数,ωi为指标权重,ai为指标归一化结果值。

7)目标探测时空态势指数(U15):该指标主要根据兵棋系统中各型侦察预警装备的实际部署位置,在战场空间中绘制联合侦察预警体系对不同海陆空和水下目标探测、跟踪运行轨迹的时间与空间态势分布。目的是让指挥员了解整个联合侦察预警体系对重点目标在时空上整体预警跟踪能力,基本表现形式如图5所示。

图4 目标掌握综合指数AHP评估模型Fig.4 Target mastery comprehensive index AHP evaluation model

图5 目标探测跟踪时空态势示意图Fig.5 Schematic diagram of target detection &tracking space time situation

4 设计与实现

4.1 结构框架与处理流程

联合侦察预警体系能力评估工具的结构框架和处理流程如图6所示。从结构上,主要由兵棋推演数据资源层、评估主题数据抽取与标签定制层、评估指标定制与算法层、评估人机交互与结果可视化表现层以及前端分析评估集成应用系统等组成;从处理流程上,主要按照数据预处理,评估数据标签设置,面向评估主题数据定制,评估算法设计,评估指标设计,交互机制设计,评估结果可视化的基本逻辑流程展开。

1)兵棋推演数据资源层。它由兵棋推演想定数据、实时数据、事件数据、历史库数据等组成,是评估系统的数据来源。

2)评估主题数据抽取与标签定制层。它根据侦察预警体系分析评估需求,采用面向主题的数据抽取技术,在评估标签模块的支持下快速形成面向侦察预警体系能力评估的数据集。

3)评估指标定制与算法层。它是根据指挥员对侦察预警体系的评估需求,设定评估指标体系和指标数据处理算法。

4)评估人机交互与结果可视化表现层。它是根据指挥员和用户的使用需求,设计便捷的人机交互内容,并将分析评估结果按照指挥员的认知习惯进行直观可视化表现。

5)前端分析评估集成应用系统。它是根据指挥员和用户的整体需求,对侦察预警体系能力评估工具内容进行按需集成和配置,实现对不同用户对象评估内容的个性化定制。

4.2 运行界面

联合侦察预警分析评估软件工具的运行界面如图7、图8所示。

图7 基本作战能力分析评估系统界面Fig.7 Analysis and assessment system inteface of basic operational capability

图8 实时作战效能分析评估系统界面Fig.8 Analysis and assessment system inteface of real-time operational effectiveness

图7所示的基本作战能力分析评估用户交互界面中,包含侦察预警作战力量组成、作战分析内容选择、作战区域选择、作战方选择、分析评估类型选择和核心能力分析选择等交互选择项,分析评估结果主要包括基本情况、组成结构、探测覆盖范围、核心能力指数、综合能力指数和装备分类统计分析等内容。

图8所示的实时作战效能分析评估用户交互界面中,包含侦察预警作战力量组成、作战能力分析内容选择、作战区域选择、作战方选择和目标类型选择,分析评估结果主要包括总体情况分析、目标探测情况分析、综合效能评估分析、探测效能时空态势分析以及探测目标分类统计分析等内容。

5 结束语

联合侦察预警体系能力分析评估是联合作战指挥员重点关注的内容之一。本文根据联合作战指挥员在兵棋演习过程中对联合侦察预警体系能力分析评估需求,采用体系能力边界静态评估与作战效能实时动态评估相结合,宏观整体和局部细节相融合的思路,设计了联合侦察预警体系的评估指标体系,详细分析和阐述了相关指标体系的设计要点和计算方法,并在兵棋系统数据支撑下对联合侦察预警体系能力分析评估软件工具进行了设计与实现。结果表明,该评估工具软件能够比较好地满足联合作战指挥员的实际应用需求,为解决兵棋推演中指挥员关键信息需求的联合侦察预警体系能力评估探索了新思路和新方法。本文的研究思路和方法对联合作战指挥决策中其他作战体系的作战能力评估也具有一定的借鉴意义。