一种装舰约束条件下的武器通道作战能力计算方法

裴雪兵，胥文清，陈吉超

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

一种装舰约束条件下的武器通道作战能力计算方法

裴雪兵，胥文清，陈吉超

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

根据舰载作战系统武器打击通道的作战流程，分析武器通道中传感器视界、打击武器射界和时延性能等参数，提出一种考虑装舰约束条件和各系统设备战技指标匹配性的武器通道作战能力计算方法。该方法通过综合权衡武器通道传感器、指控系统和火力打击设备战技指标在实际装舰条件下的能力匹配性与战技指标的下降程度，将该武器通道的作战能力揉合成几个主要的战技指标，建立效用指数模型对指标进行归一化，最后，通过层次分析法对该武器通道的作战能力进行量化分析。仿真结果显示，在装舰约束条件下，防空反导作战武器通道反应时间、杀伤区域和系统多目标能力的匹配性对武器通道的作战能力影响较大。

武器通道；作战能力；性能匹配；层次分析法

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.030.html期刊网址：www.ship-research.com

引用格式：裴雪兵，胥文清，陈吉超.一种装舰约束条件下的武器通道作战能力计算方法［J］.中国舰船研究，2016，11（2）：111-116.

PEI Xuebing，XU Wenqing，CHEN Jichao.A computation method of the combat capability of the weapon channel

considering the restricted shipboard condition［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（2）：111-116.

0　引　言

国内外针对作战效能的理论模型及计算方法的研究成果已经非常丰富。例如：美国加利福尼亚大学的Zadeh教授创立的模糊集合论被应用于武器系统作战效能评估的模糊数学综合评判模型［1-4］；经济学中的指数分析方法被运用于刻画武器系统作战能力的指数模型；美国工业界武器系统效能咨询委员会（WSEIAC）建立了武器装备效能的有效性、可靠性、能力的函数方程模型，即ADC方程模型［5］等。国内船舶研究领域在作战效能的理论评估方法上，也存在大量的研究成果，如层次评估法［6-7］、模糊数学法［8］等。

然而，这些国内外已有的作战效能理论计算模型都是仅针对单个设备或系统在理想状态下的一种作战能力评估，没有考虑设备在实际装舰之后，各种战术技术性能指标已经弱化或降低的情况。例如，警戒探测设备的视界范围存在一定的盲区，打击武器存在一定的禁止射击范围，相互间的电磁干扰也很容易导致武器装备的固有性能无法发挥，实际的作战能力与战技指标之间存在比较大的差异。由此，导致各种作战能力评估方法对作战系统在复杂环境下的实际作战能力无法进行真实的评估，使得系统的方案论证工作缺乏有效的数据支撑，论证多次反复、设计周期延长，甚至出现方案不合理而导致设计方案的颠覆。

本文将针对舰载作战系统方案论证阶段的特点，提出一种基于传感器和武器能力匹配性的作战能力计算方法，从作战武器通道中传感器、指挥控制系统和打击武器3个方面的相互适应与匹配的角度，考虑传感器、打击武器在舰总体装舰条件下的实际作战能力，综合计算武器通道的打击能力。该方法可用于作战系统电子武备不同配置方案作战能力的量化计算，便于对系统方案的优劣从作战能力的角度进行对比分析，能为舰总体作战系统的方案论证及设计工作提供数据支撑。

1　系统模型及算法分析

在舰船设计领域，对作战系统武器配置方案需要进行反复的论证和作战能力的计算，本文将提出一种基于作战武器通道中传感器、指挥控制系统和作战武器系统战术技术指标匹配性的作战能力计算方法。具体涉及作战武器通道的划分、传感器及武器设备在实际装舰条件下的视界射界能力分析、武器通道战技指标参数匹配性分析、武器通道的打击能力计算，以及作战系统在特定任务剖面的实际综合作战能力求和等内容。图1为系统模型及作战能力计算流程图。

1.1作战武器通道划分

根据舰载作战系统的武器配置，可以分为对空战、对海战和反潜战等几个作战任务剖面［9］。每个作战任务剖面对应数个不同的作战武器通道和作战流程。因此，在分析计算各种不同作战武器配置方案的作战能力时，需要首先进行作战武器通道的划分，具体方法如下。

图1　基于武器通道性能匹配性的作战能力计算流程图Fig.1　The computation diagram of war capability based on the performance matching of weapon channels

1）根据不同的作战任务剖面，使用不同的作战武器通道和作战流程。将作战武器通道按传感器、指挥控制系统和打击武器系统3个方面进行划分，并与具体的装备相对应。

2）根据作战武器通道中的主要信息流程，将传感器、指控系统和打击武器系统的主要战技指标参数以表格的形式列出。同一个传感器可能应用于不同武器通道中的不同打击武器系统，但是考虑设备装舰之后，其实际的战技指标参数可能降低，以及与配置在不同舰位的打击武器配合使用之后，同一个传感器可能会得到不同的指标参数［10］。例如，某型舰在执行末端反导作战时，采用导弹武器进行反导拦截［11］的作战武器通道为：跟踪雷达→指挥控制系统→导弹武器系统，其主要战术技术指标参数如表1所示。

1.2武器通道能力匹配性分析

进行了武器通道的划分之后，需要对武器通道中各装备的能力匹配性进行分析，并得出武器通道的战术技术指标，具体方法如下。

1）对武器通道中传感器、指控系统和武器系统的主要战术技术指标参数在实际装舰条件下的能力进行分析。例如，传感器的视界在装舰后存在一定的盲区，武器系统的火力打击范围也存在一定的禁射区域。其中，传感器的视界范围可以根据实际的装舰条件描述传感器装舰后的视界范围；武器系统的射界范围需结合武器弹道及舰面设备布置等情况，进行火力打击范围的计算。

表1　战技指标参数Tab.1　The tactical and technical parameters

2）对传感器、武器系统中相关联的战技指标参数进行匹配性分析。例如：威力范围应取传感器和武器系统的交集；多目标能力应取传感器和武器系统的最小值；而反应时间则应对传感器、指控系统和武器系统的反应时间进行求和。具体如下：

武器通道威力范围=Cradar∩Cweapon武器通道多目标能力=min（Nradar，Nweapon）武器通道反应时间=Tradar+Tweapon+Tcontrol

其中：C表示传感器或武器系统的威力范围；N表示传感器或武器的多目标能力；T表示传感器、指控系统和武器系统的反应时间。

例如：假设火控雷达的威力范围无法覆盖部分高仰角范围内的目标，前桅杆对导弹射界造成了一定方位角范围内的遮挡，根据火控雷达视界和导弹武器系统射界能力匹配性分析，取它们的交集之后，对舰艏方向禁射范围内以及高仰角的目标将无法进行打击或者拦截。

3）武器通道的战技指标参数和作战能力计算以打击武器的主要作战指标为重点，部分传感器、指控系统的技术指标参数对武器系统的打击能力几乎没有影响或者影响不大的指标可以不予考虑，对传感器、指控系统中制约武器系统打击能力的瓶颈指标应做重点分析，例如传感器视界、系统反应时间等。

1.3武器通道能力计算

根据作战武器通道的能力参数，可以进行武器通道能力指数计算的建模与分析。具体步骤及方法如下。

1）将武器通道中传感器、指控系统和武器打击系统3个方面的战术技术指标参数进行分类归整，对打击通道涉及的相关系统中需要考虑的战技指标取并集，并通过不同的归一化模型，将不同量纲的战技指标转换成归一化的性能指数。具体如下所示：

武器通道指标=Indexradar∪Indexweapon∪Indexcontrol其中，Indexradar，Indexweapon和 Indexcontrol分别表示雷达、武器和指控系统需要考虑的战术指标集。例如，对导弹武器系统部分战技指标参数的归一化效用指数模型列举如下。

（1）威力范围归一化指数。

式中：C1为打击远界因子；C2为打击高界因子；D1为方位覆盖比例；D2为俯仰覆盖比例。各比例因子计算公式如下：

C1（x）=，其中x为武器的杀伤远界，km；

C2（x）=，其中x为杀伤高界，km；

D1=1-M1/360，其中 M1为打击范围的方位盲区角度，（°）；

D2=1-M2/90，其中 M2为打击范围的俯仰盲区角度，（°）。

（2）多目标能力归一化指数。

式中，n为可连续拦截的目标数量。

（3）反应时间归一化函数。

式中，t为打击通道反应时间，s。

（4）毁伤能力归一化指数。

式中，pi为某型武器的拦截概率。

为便于比较，各模型中的参数是根据国内外同类武器系统的最大能力进行建模。其他武器系统的归一化模型可对该模型进行修正后使用。

2）在计算得到武器通道中战技指标参数的归一化性能指数之后，根据层次分析法模型（AHP）给各个性能参数分配一定的权重系数［6-7］。基于层次分析法模型给各性能参数分配权重系数的计算过程可以参照本文后面的仿真算例。

3）将武器通道与打击能力密切相关的战技指标参数中的归一化性能指数与权重系数进行加权求和，得到该武器通道的作战能力指数如下：

式中：D为战技指标归一化后的参数；W为根据AHP模型计算获得的指标权重系数。

1.4任务剖面能力求和

对于作战任务剖面，可以通过不同的作战武器通道来完成。作战任务剖面对应的能力应该通过各武器通道的综合能力来体现，并对武器通道的使用时机和使用方式进行评估。对作战任务剖面进行能力求和的步骤如下。

1）根据作战任务剖面确定使用哪些作战武器通道，以及每个武器通道作战流程中各传感器设备、指控系统和武器系统间的串、并关系，确保传感器设备资源能够满足各武器通道的并行或串行使用。对于因视界或电磁兼容性问题等原因不能满足使用的情况，应按电磁兼容性管理控制要求或其他方式规定的优先级顺序对指标性能指数进行分解降级。

2）对于整个作战任务剖面的作战能力指数，采用概率模型将各个武器通道的能力指数进行加权平均后获得，表达式如下：

式中：Pi为使用第i个武器通道进行打击的概率；Ei为第i个武器通道下的作战能力指数。各武器通道使用的概率可以通过指挥控制系统的平均故障间隔时间和平均故障修复时间计算得到。武器协同作战时，可对协同武器通道的权重系数进行适当修正，以使评估结果更贴近真实作战能力。

2　仿真计算

根据提出的基于武器通道能力匹配性的作战能力计算方法，对防空反导作战任务剖面进行仿真计算，并与不考虑武器通道能力匹配性的原始计算方法进行对比分析。

2.1仿真配置

仿真计算的参数配置如下：

1）对于某个防空反导作战的武器通道：跟踪雷达→指挥控制系统→导弹武器系统，假设其目指雷达的主要性能指标参数分解为威力范围、雷达反应时间和目标最大容量3个指标。

2）导弹武器系统的主要性能指标分解为电子侦察能力、杀伤概率、反应时间、杀伤区和多目标能力5个指标。

3）指挥控制系统的主要性能指标参数分解为信息融合处理时间和目标指示时间2个参数。

2.2仿真分析与计算

1）武器通道性能匹配性分析。

对上述防空反导作战武器通道中跟踪雷达、指挥控制系统和导弹武器的战技指标进行匹配性分析。首先，考虑武器通道的威力范围。假设雷达设备在装舰后的视界为：方位覆盖360°，俯仰覆盖-15°～85°。假设导弹武器在装舰后的射界为：在舰艏方向存在±10°的方位盲区。根据跟踪雷达视界和武器射界能力匹配性分析，对雷达视界和武器射界取交集之后，得到武器通道的打击范围：俯仰为0°～80°，方位为除艏向±10°盲区外的其余方位。打击远界取雷达威力和火力最大打击范围的较小值20 km，高界取较小值后为5 km。对跟踪雷达和导弹武器系统的多目标能力取较小值后为5批。

然后，再对3个系统的反应时间求和。多目标能力取最小值，并在舍弃雷达与火力打击武器关联性较小的指标参数后，得到该武器通道的战技指标参数如表2所示。

表2　武器通道的战技指标参数Tab.2　The tactical and technical parameters of weapon channels

武器通道设备性能匹配后的战术技术指标参数才是武器系统在实际装舰后真实作战能力的体现。因此，根据这些指标参数及能力评估模型来对武器系统的实际作战能力进行仿真计算。

2）武器通道作战能力分析。

下面，根据层次分析法来计算该武器通道参数指标的权重。根据层次分析法模型［6-7］，首先定义重要性程度。若杀伤概率与电子侦察能力同等重要，杀伤概率与电子侦察能力和反应时间相比稍显重要，反应时间、杀伤区和多目标能力3个战技指标的重要性依次降低，则可以构造该武器通道的判断矩阵如下：

根据矩阵C，可以求得判断矩阵C的最大特征值λmax及对应的特征向量W为：

式中，W即为该武器通道5个作战能力指标的权重系数。

根据该武器通道下电子侦察能力、杀伤概率、反应时间、杀伤区和多目标能力这5个指标参数的归一化模型，可以计算各战技指标参数的归一化性能指数如表3所示。

表3　武器通道的归一化性能指数Tab.3　The normalized performance indexes of weapon channels with performance matching

在不考虑武器通道能力匹配性的情况下，该武器通道的战技指标参数及归一化性能指数如表4所示。

表4　不考虑匹配性的武器通道归一化性能指数Tab.4　The normalized performance indexes of weapon channels without performance matching

由归一化性能指数可以构造一个反导作战能力的决策矩阵向量D=（Xij）1×n。根据决策矩阵向量D及由该武器通道5个作战能力指标的权重系数构成的权重向量，可以计算得到该武器通道的作战能力指数如图2所示。

图2　不同参数匹配情况下的作战能力Fig.2　The combat capability under the conditions with and without performance matching

图2中：情况1为对反应时间、杀伤区和多目标能力这3个参数均考虑匹配性的作战能力指数情况；情况2为仅考虑武器通道反应时间参数匹配性而不考虑杀伤区、多目标能力参数匹配的作战能力指数情况；情况3为仅考虑武器通道多目标能力参数匹配性而不考虑杀伤区、反应时间参数匹配的作战能力指数情况；情况4为仅考虑武器通道杀伤区参数匹配性而不考虑多目标能力、反应时间参数匹配的作战能力指数情况。从中可以看到，在考虑3个参数匹配性的情况下，其实际作战能力指数与不考虑参数匹配性的作战能力指数差别最大。因此，不考虑武器系统内的参数匹配，对实际作战能力的评估存在较大的误差。

当导弹武器系统拦截概率变化时，在考虑与不考虑反应时间、杀伤区和多目标能力这3个参数匹配性的情况下，该反导作战武器通道的作战能力指数变化情况如图3所示。

图3　作战能力指数随拦截概率变化曲线Fig.3　The combat capability index with different interception probabilities

当导弹武器系统电子侦察能力指数变化时，在考虑与不考虑反应时间、杀伤区和拦截概率这3个参数匹配性的情况下，该反导作战武器通道的作战能力指数变化情况如图4所示。

图4　作战能力指数随电子侦察能力变化曲线Fig.4　The combat capability index with different capabilities of electronic detection

其他武器通道的作战能力指数计算方法与上述模型及算法类似，但需要采用不同的归一化效用指数模型。对于防空反导作战任务剖面的各个武器通道，可以采用概率模型来评估其综合防空反导作战能力，在此本文不再赘述。

3　结　语

本文针对舰载武器系统方案论证过程中无法准确评估武器系统在装舰条件下的真实作战能力的问题，提出了一种基于武器通道性能匹配性的作战能力计算方法。该方法通过综合考虑传感器、打击武器在舰总体装舰条件下的实际战技指标参数，尤其是探测器视界、武器射界、多目标能力和反应时延等性能参数的匹配性，将武器通道的作战能力通过匹配性分析揉合成了几个主要的战技指标。随后，利用效用指数模型进行归一化，

进而量化计算作战系统武器通道的实际打击能力，并与不考虑性能参数匹配性的作战能力估算方法进行了对比分析，其结果可为舰载武器系统的方案论证及设计工作提供技术支撑。

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A computation method of the combat capability of the weapon channel considering the restricted shipboard condition

PEI Xuebing，XU Wenqing，CHEN Jichao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Based on the combat procedure for the weapon channel of shipboard combat systems，this paper gives a comprehensive analysis on the performance parameters of the weapon equipment，including sensor horizon，weapon range，and time delay.A novel computation method of combat capability is proposed with the consideration of the restricted condition on ships and the performance matching requirement of the weapon channel.The main tactical and technical parameters of the weapon channel are demonstrated after analyzing the performance matching and degrading degree for the weapon equipment in the same channel in accordance to the actual shipboard condition.Then，the obtained parameters are converted into nor⁃malized indexes with different effectiveness models.Finally，the combat capability of the weapon channel is calculated through the Analytic Hierarchy Process（AHP）model.The computation results show that the performance matching of the response time，striking area，and multi-objective capability is of vital im⁃portance to the combat capability of the weapon channel，particularly during the mission of air defense and anti-missiles.

weapon channel；combatcapability；performancematching；Analytic Hierarchy Process（AHP）

U674.7+03.5

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.02.015

2015-04-17网络出版时间：2016-3-17 10:56

裴雪兵（通信作者），男，1980年生，博士，工程师。研究方向：舰船电子信息系统、作战系统和电磁兼容性研究与设计。E-mail：peixbhust@163.com