网络中心战环境下舰船反导作战效能评估

陈志刚 朱忍胜 包玉杰

（1.海装驻沈阳地区军事代表局 沈阳 110031）（2.中国舰船研究设计中心 武汉 430064）（3.华中科技大学 武汉 430074）

1 引言

现代及未来战争的特点是体系与体系的对抗。对抗中的防御方能够在网络中心战思想指导下，利用强大的计算机和通信网络，将分布在广阔区域内的各种探测装置、多个指挥中心和各种武器合成为一个统一高效的网络化防御体系，实现战场信息和作战资源的共享［1～2］。21 世纪的战争将从“作战平台中心战”转向“网络中心战”，从以物质、人员消耗为基础的传统战争转向以信息、网络为基础的信息化战争［3］。

本文对网络中心战环境下共享信息作战与协同作战的联合反导进行了理论研究和软件模拟分析。通过建立知识函数模型对敌方攻击的分布进行估计，以实现信息共享程度的估量，针对三种不同的协作模式，分别计算相应的作战效能指标，比较分析不同协作模式的优劣。

2 信息处理与拦截策略

2.1 来袭导弹估计建模

2.1.1 到达率

假设敌方两种导弹来袭，每一种导弹的库存剩余量为n，因此在没有任何信息的情况下，平均到达率估计为λˆi=n/T，在已知所有信息时，到达率的估计值等于真实值，即λˆi=λi。用信息熵评估知识水平［4］，整理得如下公式［5］：

λc、λb分别是两种导弹到达率的估计值。K代表知识水平，K=1时估计值等于实际值，K=0时估计值等于n/T，即导弹发射在时间T的范围内为均匀分布。

2.1.2 敌方袭击策略

敌方来袭导弹数量为nc，来袭时间为T分钟，将来袭时间段细分为τ个时间段，每一段为t分钟，故T=τt。定义第i个周期导弹的平均到达率为λci，每个周期两种导弹的到达数为λcit，则可以得到如下公式：

来袭的队列排序也相当重要，因此进一步将来袭时间细分为更小的时间间隔，对每一个小时间间隔用右截断的泊松分布来估计来袭导弹的分布［6］：

右截断泊松分布：

其中，m是小时间间隔内来袭导弹的数量，g=λbit或g=λcit是一个时间周期某种导弹的来袭数量。

把每个周期分成的小间隔数记为s，则每个小时间段的长度为d=t/s，一种估计来袭导弹分布的方法是累积概率模型。

累积概率模型：

则一个时间周期里有s个小时间间隔，每个周期导弹到达数量为g，则每个小时间间隔导弹到达数量按式（5）计算：

2.2 拦截导弹发射策略

射击策略直接影响舰船武器消耗程度，考虑三种拦截发射策略：发射一次、发射-观察-再发射、发射-观察-再两发齐射。

pc为单发概率，Pk为拦截概率，则不同发射策略下的拦截概率和平均发射拦截导弹数量如表1所示。

表1 不同发射策略下的拦截概率Pk和平均发射拦截导弹数量

在任意周期i中的平均漏拦截数为Li=PLλcit，其中 PL=1-PK。这是进入终端队列的导弹数量。

3 联合反导三种协作模式

研究联合反导作战三种协作模式，分别是独立作战、共享信息作战、协同作战，三种协作模式示意图如图1～3所示。

图1 独立作战

图2 共享信息作战

3.1 以平台为中心的独立作战

编队中各舰船独自作战，没有对来袭导弹的信息进行共享，也没有对拦截来袭导弹的协同决策。决策命令由各舰船各自作出。

图3 协同作战

3.2 以网络为中心的共享信息作战

编队中的舰船都具有追踪和拦截巡航导弹和弹道导弹的能力。以网络为中心体现在编队中的舰船之间互相共享来袭导弹信息，实现信息的融合。尽管探测信息共享，舰船之间没有统一目标分配。因此，可能存在多艘舰同时拦截一个来袭导弹和对于同一个来袭导弹编队中的舰都不拦截的情况。

3.3 以网络为中心的协同决策作战

在以网络为中心的协同作战模式下，舰船之间不但探测信息共享，实现信息上的综合［7］，还通过评估相关因素进行最优决策。

3.3.1 协同决策作战火力分配规则

与共享信息作战不同的是，协同作战有一个决策中心基于融合后的信息进行决策［8］。决策中心考虑当前的场景、未来可能的攻击以及每艘舰的持续能力来确定导弹的防御策略，使得剩余的巡航导弹拦截能力能持续最长时间［9］。

在每一个未来子区间来袭导弹期望数量为

3.3.2 决策输入

2）期望生存率：每艘舰的生存率依赖于导弹拦截失败的数量（L），敌方单发导弹对我舰的损伤概率为pd，以及舰船退出作战所需的损伤程度为pa。计算舰船退出作战所需的导弹拦截失败数量NL，α为来袭导弹导弹分配给完成某一任务部分舰船的概率。

在每个子区间的开始时刻，计算使我方舰艇退出作战，敌方需要发射的导弹数量Mj（r）

Lj是截止到时间周期j所有未拦截成功的敌方导弹数量。Pk（r）是在给定发射策略情况下r艘舰船对巡航导弹的有效防御概率。Mj（1）对所有舰是相同的，Mj（1）≤Mj（2）。

对于某一个攻击的期望分布，N艘舰船反导，其中C艘舰执行反导任务，库存足够且拦截所有来袭导弹，当所有舰船都退出战斗时的子区间为κ(1)，则式（10）成立：

当舰船都执行防御任务，且舰船都退出战斗的时刻为 κ(2)，则式（11）成立：

由于决策规则中考虑了未来攻击的可能性，一旦一部分舰船赋予了反导的任务，则该舰在当前子区间会尽力拦截所有来袭导弹［10］。决策规则如表2。

表2 协同作战情况下的分配规则

4 仿真结果分析

4.1 作战想定

想定1：敌方同时对我发起反舰作战和对陆打击，我方舰船具有拦截反舰导弹和弹道导弹能力。敌方舰船携带某型号反舰导弹30枚，准备攻击我方舰船，同时敌方某陆上导弹发射基地有30枚弹道导弹准备发射，攻击我方舰船后方沿海军事设施。敌方导弹攻击分为3个周期，每个周期反舰导弹来袭数量分别为15、10、5枚，弹道导弹来袭数量分别为5、10、15枚。我方2艘驱逐舰进行对空防御和反弹道导弹任务。其中，1号舰配备舰空导弹39枚，反弹道导弹33枚；2号舰配备反巡航导弹32枚，反弹道导弹33枚。1号舰位于前方正面迎敌，初始任务为执行反编队防空任务，拦截反舰导弹；2号舰初始任务为执行反弹道导弹任务，拦截对陆攻击弹道导弹，两舰船呈一字型排开可以相互照应，两舰反导舰船排布位置如图4所示。

想定2：敌方同时对我发起反舰作战和对陆打击，我方舰船同时具有拦截反舰导弹和弹道导弹能力。敌方反舰导弹总数为50枚，准备攻击我方舰船，同时敌方某陆上导弹发射基地有50枚弹道导弹准备发射，攻击我方舰船后方沿海军事设施。敌方导弹攻击分为5个周期，周期巡航导弹来袭数量依次为15，15，10，5，5枚，弹道导弹来袭数量依次为5，5，10，15，15枚。我方4艘舰船进行对空防御和反弹道导弹任务，呈菱形排开，1号舰和3号舰在前方初始任务为编队防空，2号舰和4号舰在后初始任务为反弹道导弹。其中1号舰配备舰空导弹39枚，反弹道导弹33枚；2号舰配备舰空导弹32枚，反弹道导弹40枚；3号舰配备反弹道导弹39枚，反弹道导弹33枚；4号舰配备反弹道导弹34枚，反弹道导弹38枚。4舰舰船排布位置如图5所示。

设定两种拦截导弹拦截概率均为0.75，毁伤概率为0.5左右。

图4 作战想定1示意图

图5 作战想定2示意图

4.2 作战结果分析

表3为想定1各协作模式三种发射策略下拦截导弹信息，表4为我方舰船剩余导弹和舰船毁损率信息。通过对比可发现在独立协作模式下发射-观察-两发齐射策略下，拦截导弹数量最多，舰船毁损最小，而其导弹消耗量也最大；发射-观察-再发射策略下次之；发射一次策略下虽然消耗导弹数量较少，但是拦截导弹效果不理想，造成了较大的舰船毁损，甚至2号舰被击毁退出作战，导致在第三个周期没有舰船承担拦截弹道导弹任务。

表3 想定1各协作模式各发射策略下拦截导弹信息表

表4 想定2各协作模式各发射策略作战后舰船信息表

表5、表6分别为想定2各协作模式三种发射策略下拦截导弹信息和舰船作战后信息。

表5 想定2各协作模式各发射策略下拦截导弹信息表

共享信息作战在我方导弹充裕的情况下整体拦截导弹效果非常好，但是导弹消耗量非常大，舰船导弹储存量消耗量很大。

协同作战在各种发射策略下实现了较好的拦截效果，也是在发射观察两发齐射策略下拦截效果最佳，相应的我方舰船导弹消耗量也较大，而发射观察再发射策略下次之，发射一次策略下也可以完成导弹拦截任务，会造成一定的舰船毁损。

4.3 综合分析

作战推演结果数据分析可以得出，独立作战拦截导弹任务完成不理想，发射一次舰船毁损率最大，几乎接近舰船退出作战的毁损程度；发射-观察-发射策略可以完成任务；发射-观察-两发齐射策略也可以完成拦截导弹任务。共享信息作战拦截导弹任务可以很好地完成，相同发射策略下拦截导弹相对独立作战提高15%左右，但是消耗的导弹数量较多，接近是独立作战的一倍，尤其是在后两种发射策略下会几乎耗尽舰船的所有导弹。协同作战在不消耗太多的舰船导弹的情况下，可以较好地完成拦截导弹任务，相同发射策略下拦截导弹数相对独立作战提升7%左右，消耗导弹数量相对于共享作战减少了40%，其中的发射-观察-发射策略可以视为本次作战仿真决策中的最优决策。

可见协同作战将各个作战单元连接成网络，互通，互操作，可以实现更好的作战效果。

表6 想定2各协作模式各发射策略作战后舰船信息表

5 结语

网络中心战是海军作战的发展趋势。本文对网络中心战环境下的联合反导作战进行了理论研究和作战模拟分析。采用图论对协作过程中双方涉及的协作单元之间的连接关系进行建模，计算由于协作带来的效能增加以及由于协作的复杂性导致的效能减少系数，建立知识函数模型对敌方攻击的分布进行估计以实现信息的共享程度的估量，针对三种不同的协作模式，分别计算相应的作战效能指标，比较分析联合反导协作模式的优劣。最后得出协同作战的协作模式最有优势，且其中的发射-观察-发射策略为最优解。