多功能电子战系统作战效能仿真技术研究*

2010-08-11李婧娇张友益徐朝阳

舰船电子工程 2010年2期

李婧娇张友益徐朝阳

(江苏科技大学1) 镇江 212003)(中国船舶重工集团公司第723研究所2) 扬州 225001)

1 引言

军事经典著作《孙子兵法》将“知己知彼,……”的战略思想贯穿于指导战争的全过程。在高技术兵器时代,要做到“知己知彼”,并让敌人“不知彼不知己”,就要充分合理地利用电子战技术[1]。海湾战争后,以争夺电磁频谱使用权和控制权斗争的电磁战场已成为现代战争中争夺的制高点。电子战装备从以作战平台自卫为主的保障手段,发展成为攻击敌方作战指挥关键节点的进攻性武器;电子干扰软杀伤与反辐射武器、定向能武器硬杀伤相结合,电子战武器与硬摧毁武器相结合已成为电子战的重要作战方式;电子战已从一对一的设备之间的对抗,发展到系统对系统、体系对体系的对抗。

2 多功能电子战技术的发展

从海湾战争及历次世界局部战争可以看出,应用电子战技术必须有系统工程的概念,发挥电子战整体作战的效能。美国海军的AN/SLQ-32(V)3舰载电子战系统就是由计算机控制的多功能一体化电子对抗系统,并已成为美国海军水面舰艇使用的标准电子战设备[2]。此外,法国的 DR-4000系列电子侦察机和ARBB-33干扰机,意大利的Nettuno 4000舰载电子战系统的性能都比较接近美海军的AN/SLQ-32(V),也是目前海战场上电子战的佼佼者[3]。

2004年起,美海军研究局(ONR)计划对新型舰载多功能电子战(MFEW)电子支援系统(ES)的技术发展及系统发展与演示验证提供支持。该系统采用低探测概率的多功能天线,装备在DD(X)驱逐舰和CVN 21航母等水面舰艇上。

2008年7月,诺斯罗普◦格鲁曼公司在位于切萨皮克湾的美海军研究实验室(NRL)进行了舰载多功能电子战(MFEW)系统的陆基测试。这次在切萨皮克湾进行的测试主要演示了当雷达天线在5级海况下横纵摇摆时,系统追踪模拟目标的能力。诺◦格公司MFEW系统的设计采用了数字接收技术和先进的处理技术,可对各种类型的信号进行探测和分类。

2008年8～9月间,诺◦格公司已经为美海军下一代水面电子战(EW)升级项目(SEWIP)的系统设计和开发(SDD)阶段建立了技术基础,并完成了相关测试。在夏威夷基地举行的环太平洋TAPA II演习中,诺◦格公司MFEW领导小组在“康斯托克”号两栖船坞登陆舰成功地验证了这些重要的性能:精确定向,高灵敏度,快速感知,对即将到来的威胁分级以及降低舰船射频干扰。随后,MFEW系统还在切萨皮克湾与先进的多功能射频概念(AMRFC)测试台进行进一步集成。

3 电子战系统作战效能仿真的需求及现状

3.1 电子战仿真技术结构

高技术条件下的战争,是武器装备体系之间的对抗。因此,已有的针对单一武器对抗的仿真或实验无法用来描述其在高技术战争中的实际对抗效果,需要开发一种考虑了多种武器和多种战术的综合运用、适应未来作战环境下武器体系对抗的仿真手段[4]。随着计算机网络技术、大规模分布处理技术、多媒体技术和面向对象技术的发展,分布式交互仿真技术应运而生[5]。该技术是20世纪80年代后期在仿真网络(SIMNET)的基础上发展起来的,并于90年代初进行了首次应用。当前确切的定义为:采用协调一致的结构、标准、协议和数据库,通过网络技术,将地域上分散配置的各种模拟器、计算机生成兵力及其他武器装备的仿真软、硬件与环境有机地联接成一个整体,形成一个在时间和空间上相互合并且一致的、人可以自由地参与交互的虚拟的综合仿真环境。分布式交互仿真主要可用于军事训练、武器系统设计与开发过程的评估、作战仿真等,根据仿真结果对效能的评估做出相应的指导。文献[6]采用分布式交互仿真技术研制的雷达与雷达电子对抗系统为雷达的使用和维护人员提供廉价的训练器材。

作为先进分布仿真技术的最新发展,高级体系结构(High Level Architecture)是分布式交互仿真最新的体系结构,它利用现代仿真技术建立一个通用的综合电子战系统仿真试验环境,是目前电子战体系对抗仿真系统的首选仿真体系。

基于HLA的综合电子战体系对抗仿真系统能够具有以下的基本功能:1)资源库管理功能;2)成员开发功能;3)联邦开发功能;4)运行支撑功能;5)控制管理功能;6)演示功能;7)分析评估功能。电子战体系对抗仿真系统的逻辑组成(如图1所示)[7]。

图1 综合电子战系统作战效能通用仿真环境的组成

3.2 作战效能评估的意义

3.3 电子战系统作战效能评估方法

多功能电子战系统是软武器系统,美国工业界武器系统效能咨询委员会(WSEIAC)对系统效能的定义是:系统效能是系统预期达到一组特定任务要求的程度的度量,是系统可用性、可信性及固有能力的函数[9]。武器系统的作战效能是指武器系统在作战运用时所具备的作战能力[10]。

武器装备效能评估的方法主要有2类:一类根据得出评估结果的基本途径,大致可分为统计法、解析法和仿真法。统计法是应用数理统计的方法,依照实战、演习、试验获得的大量统计资料评估效能指标,其前提是所获得的统计数据的随机特性可以清楚的用模型表示并相应地加以利用;解析法是根据解析式(如兰彻斯特方程,Monte-Carl)计算,比较适用于不考虑对抗条件下的装备系统效能评估和简化条件下的宏观作战效能评估;仿真法是通过仿真试验得到关于作战进程和结果的数据进而得出效能指标估计值,主要有作战模拟法和分布交互仿真法;另一类是根据评估的主客观程度,可分为主观评估法(如直觉法、专家调查法、德尔菲法、层次分析法等)、客观评估法(如加权分析法、理想点法、主成分分析法、因子分析法、乐观和悲观法、回归分析法等)以及定性和定量相结合的评估方法(如模糊综合评判法、灰色关联分析法、聚类分析法、物元分析法、人工神经网络法、参数效能法、SEA方法、试探性建模与分析方法等)。

效能评估的几种常用方法介绍:

1)层次分析法:层次分析法是一种实用的多准则决策方法,该方法以其定性与定量相结合地处理各种决策因素的特点,以及系统、灵活、简洁的优点,在复杂系统评估领域中得到了广泛的重视与应用。文献[11]采用图1所示的树状层次结构评估指标体系来进行电子战系统作战效能评估比较,也就是有一个总指标,以下分解为几个一级指标,每个一级指标又分解成若干二级指标,等等。

图2 作战效能评估指标体系图

按照图2所示的评估比较体系,整合分系统的作战效能就能获得电子战系统的作战效能,而分系统的作战效能又是战术、技术指标的函数,这样电子战系统作战效能就是分系统、系统之间和战术、技术指标的函数。

2)专家调查法:是建立在专家们主观判断的基础上,因而它特别适用于解决客观偶然性较大而且缺少确切数据的评估问题。

综上所述，通过阅读大量有关CT辐射防护研究资料，回顾分析笔者认为对CT辐射防护方法总结如下：（1）对CT扫描的剂量严格规定，确保参数设置的灵活性，综合患者的实际情况确保医师操作技术的准确数量，确保图像质量从而能够达到辐射剂量最低下，获取最高图像质量；（2）合理选择屏蔽方面并且积极研发新型屏蔽设备。下一阶段需要针对CT设备的全面辐射防护展开更加深入的研究。

3)ADC法:这种方法以装备系统的总体构成为对象,以完成任务为前提对装备效能进行评估,主要用于对武器系统效能进行定量的评估。

WSEIAC(美国工业界武器系统效能咨询委员会)模型[12]:

其中,E={e1,e2,…,en}为系统效能行向量;A={a1,a2,…,an}为系统可用性状态描述,表示系统在开始执行任务时处于状态i的概率;D为一矩阵,描述系统的可靠性,表示系统在执行任务时任意两个状态间相互转化的概率;C为能力矩阵,表示武器系统在执行任务期间完成任务的量度,其元素cjk表示系统第j个有效状态中的第k个性能指标。D,C分别如式(2)、式(3)所示。

文献[12～14]在WSEIAC(美国工业界武器系统效能咨询委员会)模型:E=A◦D◦C模型基础上对电子战设备的作战效能进行了分析。

4)模糊评判法:模糊综合评判法是在模糊集理论的基础上,应用模糊关系合成原理,从多个因素对被评判对象隶属等级状况进行综合评判的一种方法。它通过建立在模糊集合概念上的数学规则,能够对不可量化和不精确的概念采用模糊隶属函数进行表达和处理。近年来该方法已应用于武器装备的论证工作中,成为军事系统工程学科中用于系统评价的重要方法。

文献[15]对层次分析后的电子战系统进行了模糊综合效能评估,文献[16～18]同样采用了模糊综合评判的方法对电子战系统的作战效能进行评估。

目前,能够实现定性概念与定量数值之间的不确定性转换的云理论,也被应用到作战效能评估的研究中[19]。

举例来说,在云理论中基于从定性到定量映射的正态云发生器的定义如下:

设U是一个用精确数值表示的定量论域,C是U 上的定性概念,若定量值x∈U,且x是定性概念C的一次随机实现,若 x满足:,其中,En′～N(En,He2),且 x对C的确定度满足

则x在论域U上的分布称为正态云。

逆向云发生器是实现从定量值到定性概念的转换模型[20]。它可以将一定数量的精确数据转换为以数字特征(Ex,En,He)表示的定性概念。逆向正态云发生器的算法是基于统计原理的[21]。

正向正态云发生器和逆向正态云发生器分别如图3、4所示。

作战效能的评估是通过理论分析和计算机模拟仿真,建立系统作战效能综合数学模型,得出作战效能指数的过程。电子对抗过程中既有复杂的技术因素,同时也含有大量不确定因素、模糊因素或者人为因素等,是一个不完全信息的动态博弈过程。因此,常引入模糊数学和云重心理论、灰色系统理论方法,结合解析计算法、专家评估法等手段对多功能电子战系统的作战效能进行综合评判[5]。

4 视景仿真技术在多功能电子战仿真中的应用

视景仿真技术的产生就是源于军事仿真需求的,其目的是为综合军用仿真系统提供大规模分布式的虚拟战场环境,并借助这一仿真的综合作战环境来完成对作战人员的训练,对武器装备的效能评估,以及对作战方案的验证和演练。将视景仿真技术引入电子战仿真中,可以实现电子战的可视化仿真。在电子战仿真过程中,用户通过采用视景仿真技术生成的用户界面与仿真软件交互,战场环境、威胁告警、干扰弹发射、导弹飞行状态、舰艇航行状态都可以逼真地显示在屏幕上,用户可根据战场情况控制舰船的机动以及对电子战设备进行操作。

电子战视景仿真不仅要表现出电子战试验的整个战场或对抗态势,又要表现电子战试验环境下雷达装备、雷达对抗装备以及各种其它电子作战装备的状态及状态变化的过程,同时也要表现出各装备的对抗效果,从而直观地反映出电子战对抗的整个过程。当前,多数用户选择专用的三维场景建模软件Multi-Gen Creator和专业级的实时渲染软件Vega相结合的方式开发视景仿真环境。这种基于专业软件的手段,可有效地避免模型制作和场景渲染脱节、渲染效率不高的问题[22]。

针对目前单机版电子战视景仿真系统面临的诸多不足,结合宽带网迅速发展的实际,文献[23]设计了分布式电子战视景仿真系统(DEWSSS),系统采用Client/Server模式和分布计算模型,充分利用高速网的传输能力来处理海量的视景数据。其系统框架如图5所示。

文献[24]分析了HLA及VEGA(视景仿真技术)的使用,综合考虑地空对抗过程中的诸多因素,结合对抗作战实际构建其仿真系统。

图5 DEWSSS系统框架

文献[25]利用 VC++和VEGA软件,以面向对象的程序设计方法编程,开发了弹舰电子对抗的仿真程序,实现了弹舰电子对抗的视景仿真。

5 结语

在电子战仿真系统结构设计中,作为先进分布仿真技术(ADS,Advanced Distributed Simulation)的最新发展,高级体系结构HLA(High Level Architecture)是分布式交互仿真最新的体系结构。对于多功能电子战系统作战效能的视景仿真技术来说,当前多数用户选择 Multi-Gen Creator和Vega软件相结合的方式开发视景仿真环境。电子战的作战效果和效能评估问题业已成为国内电子对抗界非常关心的一个问题,总的来说目前评估方法多而杂,如上文提到的层次分析法、专家调查法、ADC法和模糊综合评价法等,但好的方法不多,而且在客观性、操作性诸多方面还亟待完善。

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