舰艇编队防空作战任务可靠性建模方法*

乐 亮 黄 政 谭猛泉

(海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)



舰艇编队防空作战任务可靠性建模方法*

乐 亮 黄 政 谭猛泉

(海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

论文通过分析舰艇编队的防空作战流程,形成了舰艇编队防空作战基本能力的构成和关系,并通过把复杂的防空作战任务划分为相对简单的多阶段任务,建立了相应的任务可靠性模型。

舰艇编队; 防空作战; 任务可靠性; 模型

Class Number E824

1 引言

锻造一支适应历史使命的、强大的人民海军是海军军事建设所要达成的首要目标,而现代海上战争强度高、进程快、战机稍纵即逝,可靠、稳定的舰艇编队装备体系,是舰艇编队顺利执行作战任务的重要保证。而防空作战作为舰艇编队的最为典型的基本作战类型,舰艇编队执行防空作战的任务可靠性水平,直接关系到舰艇编队的自身生存。

目前,国内外关于舰艇编队装备体系的研究大多集中于体系的需求建模和结构优化方面,可靠性方面的研究才刚刚起步,国内外相关文献较少。美国在2009年5月发布的《国防部体系结构框架2.0》正式版中提出了体系工程的一个重要目标是体系可靠性[1～2]。美国陆军装备研究发展中心的J.L.Cook于2009年建立了装备体系的多状态系统(Multi-State System)可靠性模型[3]。但是该模型仅能对舰艇编队装备体系中各装备的基本可靠性进行粗略评价,对于其执行防空作战时装备的层次性、动态时序等特点考虑不足。由于舰艇编队在执行防空作战时,随着战斗的不断进行,舰艇编队装备体系中各种装备系统不断介入,因此,基于作战流程对防空作战整体评价的任务可靠性模型更能符合现代化战争需要。

2 舰艇编队防空作战分析

2.1 舰艇编队防空作战区域划分

舰艇编队在进行防空作战时,如图1所示,作战区域由敌我相距由远及近通常划分为远程抗击区、编队区域防御区以及点防御区[4]。远程抗击区编队区域防空导弹最大射程以外的区域,敌我距离一般在120km以上,舰艇编队对该区域的目标编队无法使用自身的硬武器抗击,但可以针对该区域的目标进行编队预机动,或者实施必要的电子对抗措施。编队区域防空武器的抗击区,其范围取决于编队区域防空导弹的最大射程,按目前世界海军水面舰艇防空导弹的性能看,一般在15km～120km,对进入该区域的目标,编队要统一分配所属各舰的区域防空导弹进行抗击。编队点防空武器的抗击区,其范围一般在距编队15km以内,编队一般不分配区域防空武器对该区域目标进行抗击,可对该区域使用密集阵近防系统行抗击,但要依据区域防御武器的战术技术性能及目标的状态而定。

图1 舰艇编队防空作战区域划分

2.2 舰艇编队防空作战流程

图2 舰艇编队防空作战流程逻辑

战争时期,舰艇编队航行中不间断集中收集防空雷达系统探测的情报信息,并对收集的情报数据进行整理、分析、筛选、判别、融合,监测到目标后进行威胁判断,建立空中态势图,并利用编队战术通信系统将空中态势分发到舰艇编队[5]。舰艇编队指挥所的情报处理战位结合编队分发的空中态势图信息,完成本作战区域情报信息的收集处理,维持作战区域的空中动态信息,并根据编队防空作战指令或自身防空需要,灵活实施防空作战指挥。一般的驱护舰艇编队防空逻辑流程,如图2所示。

3 舰艇编队防空作战任务可靠性建模需求分析

3.1 舰艇编队防空作战任务阶段划分

从装备体系组成看,舰艇编队在执行防空作战任务时,各舰的雷达探测系统、武器装备系统和舰艇编队指挥决策中心通过通信系统联结成复杂网络系统,它具有层次化的特征,即舰艇编队指挥决策中心和每个舰还包含诸多可直接服务于防空作战任务的武器装备和分系统,这些武器装备和分系统按照一定的逻辑关系(如串联、并联、混联等)组成来执行防空作战任务[6～7]。在可靠性建模中,不同层次的系统可能会同时出现在同一个模型中。因此既可以把舰艇编队中各舰作为一个整体来考虑,也可以将各舰不同层次的装备系统分解,分解后每层由各舰具有相同作战功能的武器装备系统组成。

从任务执行过程来看,雷达探测系统对敌的预警搜索、探测、跟踪定位等作用,贯穿防空作战任务的始末。由各舰指挥部门组成的舰艇编队指挥决策系统直接作用于整个作战过程,为每一步的作战行动做出部署。随着作战的进行,敌方的不断突破防御区以及敌我距离的缩进,远程舰空导弹系统、中程舰空导弹系统以及密集阵近防系统相继发挥作战效能。不同的装备系统的任务性质不同,就导致不同的装备系统的任务起止时间也不一样。同时由于来袭敌机若在舰艇编队防空雷达系统监控之下,则其飞行参数都能够被舰艇编队所掌握,则防空作战任务各阶段的起止都是能够确定的。以某来袭敌机突防舰艇编队为例,舰艇编队防空作战任务执行过程如图3所示,整个防空作战任务持续时间的区间为[t1,t4],指挥决策系统与对空探测系统始终处于任务执行状态,远程舰空导弹系统、中程舰空导弹系统以及密集阵近防系统参与作战任务的时间区间分别为[t1,t2],[t2,t3],[t3,t4]。

图3 舰艇编队防空作战任务时序划分

由此,可以将舰艇编队防空作战任务执行过程按照任务时间区间划分为时间连续但不重叠的多个单一阶段,此时的舰艇编队防空作战任务实质上是一个多阶段任务。

3.2 基于性能的舰艇编队防空作战任务可靠性框图

经过作战任务时段的划分,每个阶段都有一个由不同装备系统组成逻辑关系结构。由图3可知,舰艇编队在执行防空作战时,任务可以划分成三个阶段。从各阶段任务来看,对空探测系统以及决策指挥系统与各武器系统分别构成串联关系,作战阶段之间为并联关系。如在第2阶段[t2,t3]中由指挥决策系统b,对空探测系统r以及中程舰空导弹系统z提供业务支持,且b、r和z都必须保持高性能才能保证任务的可靠性。由此可作出舰艇编队防空作战任务可靠性框图,如图4所示。

图4 舰艇编队防空作战可靠性框图

4 基于作战流程的舰艇编队防空作战任务可靠性模型

由于防空作战的时间短暂,对于高可靠度的军用装备而言,在作战过程中发生装备故障导致作战任务失败的问题可忽略不计,武器装备的作战性能才是防空任务能否成功的主要因素。基于性能和作战流程的舰艇编队防空作战任务可靠性模型为

R=1-(1-Rr1Rb1Ry)(1-Rr2Rb2Rz)(1-Rr3Rb3Rj)

(1)

式中,Rr、Rb、Ry、Rz、Rj分别为舰艇编队防空作战对空雷达探测任务可靠性、决策指挥任务可靠性、远程舰空导弹任务可靠性、中程舰空导弹任务可靠性以及密集阵近防系统任务可靠性,其中Rr、Rb随作战任务进行分别有三个阶段的任务可靠性。

4.1 对空探测任务可靠性

对空探测任务可靠性来源于舰艇编队内各舰的探空雷达预警搜索、探测以及跟踪定位时相应的效能。防空作战中指挥决策的准确下达和对空武器系统实施作战时的效能主要依赖于雷达探测的空中态势和实际战场态势相吻合的程度,雷达探测的空中态势和实际战场态势越吻合,表明舰艇编队对敌探测的发现概率越高,即对空探测任务可靠性越高。

根据舰艇编队区域防空的作战环境,由于舰艇编队由多艘舰艇组成,拥有多个相同或不同型号的预警雷达,如果要具体计算每种雷达的性能参数来求舰艇编队对空预警探测系统任务可靠性是极复杂且不现实的。本文运用系统集成的方法,在舰艇编队预警防空探测区域内,将各舰的预警雷达的预警探测能力高度融合成一个探测能力更强的“预警雷达体”[8],此“预警雷达体”相当于一部高性能预警雷达,敌方空中目标一旦闯入舰艇编队的预警范围,就会以较高的概率被“预警雷达体”探测到。将发现概率Pr作为舰艇编队“预警雷达体”的探测效能,即对空探测任务可靠性。

计算“预警雷达体”信噪比:

(2)

计算对空探测任务可靠性:

(3)

式中:R0是Sr=1时的“预警雷达体”作用距离;R为敌我距离;n为雷达脉冲积累数;y是门坎值。

4.2 指挥决策任务可靠性

舰艇编队防空作战过程中,尽管各舰指挥系统以及编队指挥中心的指挥决策是有迹可循的,但一切指挥决策的结果是具有不确定性的,所以可以用概率的方法对舰艇编队防空作战指挥决策的任务可靠性进行建模和评估。舰艇编队指挥决策的任务可靠性取决于指挥的稳定性Pw和时效性Ps[9]。

舰艇编队防空作战指挥决策任务可靠性为

Rb=Pw·Ps

(4)

编队指挥的稳定性取决于编队内任意一舰艇战时保持战斗力的概率Pz,假设编队有n个具有相同功能可互相替代的指挥所,则有

Pw=1-(1-Pz)n

(5)

编队指挥的时效性是指编队作战指挥系统战时的反应能力。编队指挥系统应对战场态势变化作出反应的时间ts是其主要的性能指标。在舰艇编队防空作战过程中,针对战场态势变化采取的应对措施,一次的反应时间包括:从探测到敌情到指挥部收到情报的时间tb,从指挥部收到情报到定下指挥决策的时间tj,从定下指挥决策到决策布置的战斗任务下达完毕的时间tx,从决策布置的战斗任务下达完毕到完成机动准备的时间td。

编队指挥决策时效性时间为

ts=tb+tj+tx+td

(6)

在舰艇编队防空作战过程中,对于战场的态势变化,指挥所应该及时作出应对决策,整个反应时间不能太长,否则指挥决策将失去作战意义。将探测到敌情到指挥决策布置的战斗任务刚好失去实施意义的时间,称为指挥时效性临界时间Ts。临界时间Ts与编队散失指挥决策时效性能力的强度λ成反比,即Ts=1/λ。

编队决策指挥的时效性概率:

Ps=e-λ·ts

(7)

4.3 区域防空舰空导弹任务可靠性

舰艇编队防空作战的中、远程防空统称为区域防空,所用的武器都是舰空导弹,但有性能之间的差别。因而舰艇编队的中、远程舰空导弹防空任务可靠性模型与计算方法相同。区域防空的中、远程舰空导弹攻击区较大,来袭敌机飞跃攻击区所需要的时间明显大于舰空导弹攻击其所需要的时间。由文献[10]可知来袭敌机的突防概率方程:

Pt=Pz(1-Pkill)Imax

(8)

式中Pkill表示区域防空导弹对来袭敌机的毁伤概率,取决于导弹自身性能。Imax是指来袭敌机在一种导弹攻击区域纵深内可能受到的最大攻击次数,取决于敌机的机动性能以及我舰空导弹的机动性能。

则区域防空舰空导弹的任务可靠性为

Ry=1-Pty

(9)

Rz=1-Ptz

(10)

4.4 密集阵近防系统任务可靠性

对于舰艇编队密集阵近防武器系统来讲,其任务可靠性模型的最终目的就是要得出编队在与来袭敌机使用密集阵近防武器对抗时成功抗击来袭敌机的概率Pj。设密集阵近防武器系统的每个火力单元在与敌火力对抗中不被毁伤的概率为Pgj,每个密集阵系统发射后杀伤敌机概率为Psj[11]。

则每个火力单元击毁来袭敌机的概率

Pg=Pgj·Psj

(11)

设密集阵近防武器系统服务强度为ρ,则根据式(11)可得舰艇编队密集阵近防系统任务可靠性为

Rj=Pj=(1-ρ·Pz)Pg

(12)

5 结语

本文通过介绍外军针对装备体系可靠性提出的相对成熟的多状态体系可靠性模型,并指出其在作战任务是对装备层次性与时序性考虑不足的缺陷。并针对该缺陷,提供的基于作战流程的可靠性建模方法能够在考虑舰艇编队中各装备系统的层次性与时序性的同时,对舰艇编队在遭遇空袭时能够成功抗击来袭敌机的任务可靠性进行评价。在未来现代化战争中,将不只是装备与装备之间的简单对抗,而是体系与体系之间的抗衡,装备体系可靠性评价方面的研究将为未来局部战争装备体系是否具备优势提供理论支撑。

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Methods For Air Defense Operation Mission Reliability Modeling of Warship Formation

YUE Liang HUANG Zheng TAN Mengquan

(College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In this paper, through the analysis of air defense operation flows of warship formation, the composition and relationship of basic ability of air defense operation of warship formation are formed. On this base, through to divide complex air defense operation mission of warship formation into multi-stage mission, the air defense operation mission reliability models of warship formation are set up.

warship formation, air defense operation, mission reliability, model

2015年3月1日,

2015年4月17日

国家部委基金(编号:51319060103);海军工程大学自然科学基金(编号:HGDQNEAJJ13006)资助。

乐亮,男,硕士研究生,研究方向:可靠性、维修性、保障性工程。黄政,男,副教授,硕士生导师,研究方向:机械可靠性。谭猛泉,男,博士,讲师,研究方向:可靠性、维修性、保障性工程。

E824

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.031