水面舰艇作战试验中复杂电磁环境考核设计与评估

张鸿喜,范宝亮,杨望灿

(解放军91404部队,河北 秦皇岛 066001)

0 引 言

水面舰艇在复杂电磁环境下的作战能力评估[1],就是按照规范的试验程序和贴近实战的电磁环境要求,对被试舰艇在不同的复杂电磁环境下完成规定作战任务的能力进行全面系统的考核评估并给出复杂电磁环境适应性结论的活动。

1 水面舰艇作战试验概况

1.1 基本概念

作战试验是在近似实战战场环境和对抗条件下,对装备完成作战使命任务的作战效能和适用性等进行考核与评估的装备试验活动[2]。作战试验主要验证装备完成规定作战使命任务的能力,摸清装备在典型作战任务剖面下的作战效能和适用性底数,并探索装备作战运用方式等,其结论是装备列装定型的基本依据。

水面舰艇作为海上作战的基本单元,为有效应对海上复杂多元的威胁挑战,其技术含量越来越高,装备关联度、耦合度越来越强,呈现出集成程度高、信息含量高、智能水平高、综合效能高的显著特征。为加快新型水面舰艇战斗力生成,作战试验的作用就尤为突出,必须按照作战编成和战术运用原则,全系统、全要素、全流程、全功能检验武器装备实际能力,在近似实战的对抗环境尤其是复杂电磁环境下把装备效能底数摸清摸透。本文重点以驱护舰为研究对象进行阐述。

1.2 主要内容

根据国内外装备作战试验研究实践情况,水面舰艇作战试验一般包括作战效能试验、作战适用性试验和体系适用性试验,在全寿命周期内按照作战流程进行效能检验、成体系组织对抗评估、融入战术战法验证作战效果。其中,作战效能试验主要考核装备完成作战任务时所能发挥有效作用的程度,包含侦察效能、指控效能、打击效能、机动效能等;作战适用性试验主要考核装备在规定的使用环境条件下,适应实际环境条件并能够有效、可靠、安全使用的程度;体系适用性试验主要考核装备在成体系使用中的满意程度,包括体系融合度、体系贡献率等[3]。

1.3 复杂电磁环境考核现状

电子战是信息化条件下局部战争的“杀手锏”,其作战目的是降低或削弱交战对手战斗力并保持和增强己方战斗力,电子战要“消灭”的不是交战对手的有生力量,而是通过攻击或瘫痪交战对手的军事信息系统和降低其精确制导武器系统的攻击效率,使其丧失战斗力。从水面舰艇作战试验内容要求可以看出,复杂电磁环境贯穿了水面舰艇实战条件下作战效能检验的全过程。一段时间以来,水面舰艇作战试验一直包含复杂电磁环境相关内容,但是从实际情况来看,在试验规范性、试验可实施性、结论科学性等方面还存在不同程度上的差距。

2 复杂电磁环境考核设计

水面舰艇作战试验以红蓝对抗的作战想定为蓝本开展设计。复杂电磁环境的考核,主要以对水面舰艇作战能力影响较大的复杂电磁环境要素为重点设计试验项目。下面以驱护舰艇为作战试验对象,简述试验开展过程。

2.1 复杂电磁环境对水面舰艇作战能力影响

在现代海战场中,作战海区电磁信号特性杂、种类多、频域广、密度高、体制复杂,局部海战场电磁环境可能严重影响驱护舰艇预警探测、无线电通信以及指挥协同。

2.1.1 环境信号影响

舰载雷达侦察装备由于自身工作机理和作战使用的特点,在复杂电磁环境各因素共同作用下,在信号接收、处理、分选、识别和操作等各个环节均会受到不同程度的影响,使得侦察的作用距离、处理的时效性、信息的准确性等方面都有不同程度的改变[4]。

2.1.2 电子干扰影响

在交战过程中,作战对手有意实施的各种噪声、假目标等干扰,对驱护舰艇雷达设备可能形成多层面、高强度、多样式干扰,发现距离可能受到压缩,目标可能淹没于虚假空情中。当存在通信干扰时,舰艇数据链、超短波指挥话音等会受到压制,可能会出现指挥通信不连续、目标识别错误、侦察情报误判等现象。

2.2 试验设计

为充分检验水面舰艇在复杂电磁环境下所承担使命、完成任务的有效性,作战试验首先要从舰艇作战使命任务出发,通过海战场电磁环境分析和红蓝双方技战术的设置,完成复杂电磁环境下水面舰艇作战想定,作为试验设计与评估的约束,一般可按以下步骤开展设计[5]。

(1) 分解作战任务。可根据被试舰艇作战使命,分解为多类型作战任务,提出多样式作战问题。

(2) 拟制作战想定。根据作战任务,拟制作战背景,设置战场环境,配置作战要素。

(3) 设计试验科目。将需检验的作战效能与作战想定相结合,把一次作战任务分解为多个试验科目,支撑试验实施。

(4) 建立指标体系。针对效能评估,建立多级指标体系,明确数据来源。

(5) 研究评估方法。根据不同的评估要求,科学选取一种或几种组合式评估方法,并适应数据获取条件。

(6) 试验组织实施。制定试验实施方案,组织内外场试验,开展试验数据采集和分类预处理。

(7) 能力综合评估。根据评估方法利用多维数据进行综合评估,给出被试舰在特定和一般作战场景中作战效能[6]。

3 试验评估方法

3.1 评估指标体系

根据被试驱护舰使命任务以及实际作战应用场景,可按照作战效能、作战适用性进行评估。选取与复杂电磁环境相关度较高的能力建立指标体系,作战效能评估主要涉及对空作战能力,作战适用性主要涉及作战环境适用性。

3.1.1 复杂电磁环境下对空作战能力

对空作战能力评估聚焦驱护舰对空作战任务的作战能力,可采取基于能力解析的能力对比度和基于作战任务的任务完成率评估2个视角进行评估。

(1) 基于能力解析的能力对比度评估

按照预警探测、指挥控制、火力打击等作战链路要素,将对空作战能力解析成具体指标。对空作战能力共分为侦察探测能力、指挥控制能力、电子对抗能力和硬武器拦截能力,采用基于信息熵的ADC(A为系统可用度,D为系统可信度,C为系统能力)改进方法得到对空作战的能力对比度评估结果[7]。指标体系示例见表1。

表1 对空作战效能指标示例

(2) 基于作战任务的任务完成率评估

根据作战想定和试验科目,在预设作战区域,针对可能面对的作战任务场景,采用仿真推演、理论分析的方法评估被试舰应对设计的不同作战对抗强度下不同威胁态势的远程防空和近程反导任务完成率区间值,综合评估该舰的极限防抗能力。

3.1.2 复杂电磁环境作战适用性

作战适用性评估是评价被试舰在规定的使用环境条件下,装备适应实际环境条件并能够有效、可靠、安全使用的程度。

作战环境适用性指被试舰对作战环境的适用性程度,作战环境包括复杂自然环境和复杂电磁环境。本文重点考虑复杂电磁环境适用性,主要通过仿真推演和能力解析的方法,评估在不同等级的电磁环境下,被试舰对空作战效能、对水下作战效能和通信能力的下降程度。复杂电磁环境适用性指标示例见表2。

表2 复杂电磁环境适用性指标示例

3.2 评估方法

3.2.1 对空作战能力评估方法

(1) 基于能力解析的能力对比度评估

基于能力解析,与其他驱护舰比对,采用基于信息熵的ADC改进方法评估各方面能力对比度及综合能力对比度。

(a) 按照侦察探测、指挥控制、火力拦截/电子对抗的作战链路要素,将舰艇对空作战能力向下逐层解析成可直接测量或评估的具体指标,建立指标体系。

(b) 基于多种数据来源,定量指标采用效用函数进行量化,定性指标采用分级评价和专家打分的方法进行量化。

(c) 按照指标体系,利用层次分析法计算同一层级指标的权重,得到每一层的能力相对值,然后向上逐级聚合,最终得到单个装备的能力量化值。

(d) 根据舰艇侦察探测、指挥控制、火力拦截/电子对抗环节中各装备的耦合情况,定义正常、故障等不同工作状态组合。

(e) 根据定义的不同状态组合,计算方面作战的可用度矩阵A、可信度矩阵D和能力矩阵C。

根据划分的n种工作状态,确定被试舰对空作战系统的可用性向量A为：

(1)

被试舰对空作战中共有m个设备,设Fi为第i个系统装备的平均故障间隔时间,Ri为第i个系统装备的平均维修时间,因此可以得到：

(2)

根据式(1)可以得到可用性向量A中每个值的结果为：

(3)

根据对空作战任务剖面,结合系统故障率和平均故障时间等参数,单一设备的可信性为：

(4)

式中：T为任务剖面作战时间;Fi为第i个系统装备的平均故障间隔时间。

则可信性矩阵D的各项为：

(5)

(6)

这样,通过式(5)、式(6)计算就可以得到可信性矩阵D为：

(7)

经过上述过程方法计算,得到单一系统设备的作战能力,下面分析n种状态下对应的对空作战能力矩阵C。

(8)

式中：C1为对空作战过程中各个系统均完好时的能力,即对应第1种状态下的对空作战能力;C2为对应第2种状态下的对空作战能力。

通过引入信息熵概念,把熵作为一个随机变量的不确定性或信息量来进行处理,以Pi表示变量X为事件Xi的概率,定义变量Ii为：

I(Xi)=-lg(Pi)

(9)

式中：Ii即为事件Xi的自信息量(称为信息熵)。

对于并联系统,总信息熵计算为：

(10)

式中：Ipar为并联系统的总信息熵;Ii为并联系统第i支路的信息熵。

对于串联系统,总信息熵计算为：

(11)

式中：ωi为串联节点的权重;Icon为串联系统的总信息熵;Ii为串联系统第i个节点的信息熵。

对于被试舰对空作战过程中定义的第一种状态,根据信息熵计算公式计算得到C1。

根据上文计算得到的每个系统装备的能力值,利用公式计算每个系统装备的熵值,从而最终得到对空作战能力矩阵C。

根据前面得到的A和D,利用E=A×D×C,得到最终的计算结果,即被试舰、其他驱护舰对空作战能力对比度。

(2) 基于作战任务的任务完成率评估

被试舰基于可能面临的拦截常规飞机、隐身飞机、不同类型反舰导弹等作战场景,采用仿真推演、理论分析的方法评估被试舰执行远程防空和近程反导任务下对不同威胁态势的任务完成率。

针对不同作战对抗强度,设计多种目标态势,综合运用仿真系统,按照作战流程时序,遍历关键试验变量及取值范围,进行大样本量仿真,统计作战效果,依据式(12)计算不同目标态势下的装备任务完成率：

(12)

式中：NC为完成任务次数;Ns为总次数。

基于仿真推演结果,分析评估被试舰的极限防抗能力。

3.2.2 复杂电磁环境适用性评估方法

复杂电磁环境适用性由从不同等级电磁干扰环境下对空作战能力、对水下作战能力和通信保障能力3个指标进行评估。

P=ω1P1+ω2P2+ω3P3

(13)

式中：P1、P2、P3分别为不同等级电磁干扰环境下对空作战能力、对水下作战能力和通信保障能力的量化值;ω1、ω2、ω3为 对应指标的权重,且满足式(14),采用层次分析法计算。

ω1+ω2+ω3=1(0≤ω1,ω2,ω3≤1)

(14)

不同等级电磁干扰环境下对空作战能力、对水下作战能力和通信保障能力3个指标的量化方法如下所述。

采用仿真推演方法,对简单、轻度、中度、重度4个等级电磁干扰条件下的对空防御作战、对水下防御作战和通信保障任务完成率进行大样本仿真计算,计算简单、轻度、中度、重度4个等级下,对空防御作战、对水下防御作战和通信保障任务完成率的下降程度,然后采用加权求和的方式得到不同等级电磁干扰环境下对空、对水下作战能力和通信保障能力的量化值。

4 应用举例

运用上述评估方法,利用试验实测数据、仿真推演数据、专家评述意见等数据,可对评估指标进行综合分析与评价,从而完成对被试舰艇复杂电磁环境下作战效能评估。本文以对空作战效能和复杂电磁环境适应性评估结果简要示例如下。

4.1 对空作战效能

以综合评估结论、任务完成率的形式,表征被试舰对空作战效能评估结果。

(1) 综合评估结论

被试舰可以单独或与其他兵力协同,完成某作战任务,由于某方面限制,无法完成某任务。

被试舰对空作战能力与交战对手驱护舰相比,在某方面能力相当,在某方面能力较弱。

(2) 任务完成率

(a)近程反导任务

不同作战对抗强度下的近程反导任务完成率评估结果见表3。

表3 近程反导任务完成率示例

(b)远程防空任务

不同电子干扰强度下的远程防空任务完成率评估结果见表4。

表4 远程防空任务完成率示例

4.2 复杂电磁环境作战适应性

采用仿真推演方法,对简单、轻度、中度、重度4个等级电磁干扰条件下的对空防御作战任务完成率进行大样本仿真计算,计算简单、轻度、中度、重度4个等级下,对空防御作战任务完成率的下降程度。在简单电磁干扰情况下,被试舰对空作战任务完成率为88%,在重度电磁干扰情况下,被试舰对空作战任务完成率为60%,对空作战能力下降27%,如表5所示。

表5 拦截常规反舰导弹能力结果示例

5 结束语

本文通过分析水面舰艇作战时可能面临的复杂战场环境,研究提出了作战试验中复杂电磁环境考核方法,设计了试验流程,建立了评估指标体系,提出了评估方法,对科学评价舰艇在复杂电磁环境下完成作战任务能力,具有一定的参考意义。