水面舰艇编队反潜武器系统火力通道组织研究

陈 菁,何心怡,张思宇,程善政

(海军研究院,北京 100161)

水面舰艇编队火力通道组织指水面舰艇编队在保证使命任务的前提下,综合水下态势和编队反潜武器信息,进行最优武器通道组织的过程。水面舰艇编队反潜武器系统火力通道组织是编队反潜作战能力、编队使命任务和指挥员作战意图的综合体现,其实质是最优武器通道组织。如何在确保编队安全的前提下,高效率、高效能地对威胁目标进行火力通道组织是需要重点研究的问题。

因此,针对水面舰艇编队反潜作战条件下多目标的最优武器通道组织问题,本文采用可攻性判断方法和多目标决策方法,提出了基于层次分解法的编队反潜武器系统火力通道组织方法,运用两种火力通道组织方法进行建模仿真,验证了方法的正确性与有效性。

1 编队火力通道组织原则

由于编队反潜火力通道数量繁多,分配过程中不仅要考虑火力通道与目标的分配,还需考虑协同难度、资源冲突等问题。水面舰艇编队反潜武器系统火力通道组织原则是研究编队火力通道组织的重要依据。基于使命任务的编队反潜武器系统火力通道组织研究应遵从以下原则:

1)时效性:编队发现目标后应快速进行火力通道组织,抢占有利时机,具备先发制敌条件;

2)高效性:主要包含两个方面,一是尽可能多地打击目标,二是尽可能选择具备高作战效能的火力通道组织方[1];

3)高效费比:尽可能使用较少武器达到预期反潜作战效果;

4)攻击连续性:编队作战不是分时段的,而是连贯的,进行火力通道组织时要考虑多轮打击的攻击连续性[2]。

2 编队火力通道组织方法

水面舰艇编队是由数艘水面舰艇组成的,编队反潜武器系统和成员舰级反潜武器系统属于上下级的关系。为了避免资源冲突、更加便捷地进行水面舰艇编队的火力通道组织,运用层次分解[3]的思想,把复杂问题简化:先按就近原则由一级系统(编队反潜武器系统)将目标分配给二级系统(舰级反潜武器系统),再由二级系统根据已经成熟的舰级反潜武器系统火力通道组织方法对目标进行分配。

图1是多层次分解的水面舰艇编队反潜武器系统火力通道组织决策步骤图。如图所示,基于多层次分解的编队反潜武器系统火力通道组织执行流程具体分为以下三步:1)初始目标分配,即依据就近原则将目标分配到舰;2)对攻潜方案进行可攻性判断,筛选可行方案;3)通过评估指标多目标决策方法,择选编队最优火力通道组织方案,并输出火力通道组织结果。

3 火力通道可攻性判断

战场环境和反潜武器自身状态直接影响火力通道组织方案的生成[4]。进行可攻性判断采用可攻击系数F来表征:0表示某反潜武器通道不可对某目标攻击,即该火力通道组织方案不可行;1表示某反潜武器通道可以对某目标攻击,即该火力通道组织方案可行。

(1)

综合反潜作战因素对反潜武器可攻性判断影响的分析,可将火力通道组织初始方案是否可攻的判断准则分为两类,战场环境属性和反潜武器属性，如图2所示。

1)战场环境属性

战场环境对反潜武器的使用有着决定性的意义,包括海区深度、战时海况和战场气象环境等。

战场环境属性主要考虑海区深度和战时海况两项指标对反潜武器系统火力通道组织的影响。若目标和编队所处战场环境达不到反潜武器发射条件,则该火力通道组织方案不可行。海区深度系数、战时海况系数分别用Fd、Fs表示:

(2)

(3)

2)反潜武器属性

反潜武器属性包括武器射程、武器弹药储量、武器性能和射击安全性。若敌我距离不满足武器射程要求,则火力通道组织方案不可行;武器弹药储量反映了反潜武器弹药储量是否满足对某一目标进行一次打击;武器性能表示反潜武器的性能是否能够满足对某一目标进行可靠打击的要求;射击安全性表示反潜武器系统在对目标进行攻击时是否会威胁编队成员或友邻舰艇,造成误伤等情况。武器射程系数、武器弹药储量系数、武器性能系数和射击安全性系数分别用Fr、Far、Fre、Ffs表示:

(4)

(5)

(6)

(7)

综上所述,编队反潜火力通道组织方案可攻性判断公式如下:

F=Fd·Fs·Fr·Far·Fre·Ffs

(8)

4 编队火力通道组织方案多目标决策

编队火力通道组织是多属性的多目标决策过程[5]。首先确定编队火力通道组织方案的评估指标体系,考虑专家建议和指挥员特点,得到评估指标权重模糊矩阵,通过多目标决策方法,选择最优方案。

4.1 火力通道组织方案评估指标与决策矩阵

火力通道组织方案的评估标准受指挥员的主观意识影响而变化。受指挥员个人指挥风格和编队使命任务影响,编队反潜火力通道组织方案的评估指标权重不是一成不变的;在实际作战演练中提前研究制定好火力通道组织方案评估指标是编队反潜武器系统火力通道组织的前提。火力通道组织方案评估是多属性优选问题[6],评估指标值的取值范围可用[0,1]区间表示。

相较潜艇而言水面舰艇编队隐蔽性较差,极易被敌潜艇先行攻击,故反潜武器攻击时效性是决定火力通道组织方案的因素之一;火力通道组织方案的打击效果也为指挥员决策提供重要辅助;编队反潜作战又涉及多火力通道协同打击、统筹规划的问题,因此选取反潜武器攻击时效性、命中概率和指挥协同难度这三方面作为编队反潜火力通道组织方案评估指标,即:

U={攻击时效性,命中概率,指挥协同难度}

1) 反潜武器攻击时效性

反潜武器的攻击时效性由反应时间与攻击时间之和来表征。

反应时间是指反潜武器从发射到出管所用时间,受反潜武器类型、作战状态等因素影响。反潜武器的攻击时间与武器类型、当前敌我态势有关,需要利用反潜武器攻潜仿真模型解算具体攻击时间,在进行火力通道组织时可以适当进行模糊处理无须进行高精度解算。反潜武器的攻击时间可以通过蒙特卡罗法[7]模拟仿真获得,也可根据当前目标运动态势从数据库中直接调用获得。

反潜武器攻潜的反应时间与攻击时间均可计算获得。反潜武器攻击时效性评估指标值取值范围为[0,1],分数越高,表示某反潜武器攻击某目标所需时间较短;分数越低,表示某反潜武器攻击某目标所需时间较长。假设有N个编队火力通道组织方案,则攻击时效性指标:

U1={u11,u12,…,u1N}T

(9)

2) 反潜武器命中概率

受限于反潜武器系统任务界面,目前助飞鱼雷和管装鱼雷(声自导鱼雷)的作战效能评估模型只能计算到发现概率;火箭深弹作战效能评估模型可以直接计算命中概率。为方便理解,这里将声自导鱼雷的发现概率和火箭深弹的命中概率统称为反潜武器命中概率。反潜武器命中概率与当前敌我态势有关,可以通过蒙特卡罗法[7]进行反潜武器作战效能评估,解算命中概率;或者通过解析法[7]快速获取反潜武器命中概率。在实际战场环境下,为满足反潜时效性要求,建议采用二者相结合的方法获得命中概率,既快速又精准。

由于命中概率的取值范围是[0,1],可以直接取用反潜武器命中概率作为评估指标值。假设有N个编队火力通道组织方案,则命中概率指标:

U2={u21,u22,…,u2N}T

(10)

3)反潜武器指挥协同难度

反潜武器指挥协同难度是指挥协同该型武器进行反潜作战难易程度的模糊度量。存在编队的指挥协同能力无法满足反潜火力通道组织方案的情况,故对指挥协同难度的考量是反潜方案评估中不可或缺的。指挥协同难度不易定量描述,故采用专家打分法对指挥协同难度进行打分,再将分数转化为指挥协同难度的评估指标值,具体转换关系如表1所示。

表1 分数与评估指标值转换表

注:也可选择中间值,评估指标值最小单位为0.05。

假设有N个编队火力通道组织方案,则指挥协同难度指标:

U3={u31,u32,…,u3N}T

(11)

由式(9)～(11)构造编队火力通道组织方案决策矩阵:

(12)

4.2 熵值法确定评估指标权重模糊矩阵

假设有N个火力通道组织方案,v个方案评估指标,利用熵值法[8]计算火力通道组织方案评估指标权重矩阵,方法由以下三步组成:

1)计算第j项评价指标下、方案i的指标数值的比重pij

(13)

式中,i为方案代号,N为方案总数,j为方案评价指标项,v为评估指标总数。

2)计算第j项评价指标的熵值ej

(14)

3)计算火力通道组织方案评价指标权重矩阵W

(15)

W={w1,w2,…,wv}T

(16)

4.3 最优火力通道组织方案确定

已知编队火力通道组织方案决策矩阵U和方案评价指标权重模糊矩阵W,可得编队火力通道组织方案模糊评价值K:

K=U·W={k1,k2,…,ki,…}T

(17)

比较编队火力通道组织方案模糊评价值ki大小,ki越大,表示火力通道组织方案i的综合评分最高。模糊评价值最大的火力通道组织方案即为编队反潜武器系统最优火力通道组织方案。

ki=max(K)⟹i为编队最优火力通道组织方案

5 仿真分析

假设我方水面舰艇编队由2艘护卫舰(A、C)和1艘驱逐舰(B)共三艘水面舰艇组成。其中A、C装载的反潜武器及其发控设备种类一致,包括助飞鱼雷、管装鱼雷和火箭深弹;B装载的反潜武器及其发控设备为管装鱼雷。编队以航速18 kn、航向350°保持编队阵型同速同向航行。任务海区深度100 m,战时海况5级。

某时刻,在编队附近发现2个不明目标,通过对情报和目标信息进行数据融合处理,识别目标为2艘敌方潜艇(目标1、目标2)。初始时刻目标航行参数见表2。初始时刻敌我态势如图3所示。

表2 初始时刻目标航行参数表

注:表中目标距离、目标方位均以A为参考点。

编队接到指挥员下达的反潜任务,对目标进行打击。A、B、C反潜武器系统正常且弹药余量充足。根据初始态势,采用编队火力通道组织方法计算从初始时刻起60 s时的水面舰艇编队火力通道组织方案。60 s时刻敌我态势示意图见图4。

经火控系统解算,60 s时目标与编队各舰距离见表3。

表3 60 s时目标与编队各舰距离

运行水面舰艇编队反潜武器系统威胁判断模块,得到当前时刻目标的威胁程度排序结果为1>2,故编队反潜火力通道组织顺序为:先对目标1、后对目标2进行火力通道组织。

根据就近原则:

DA1

DC2

对目标1的火力通道组织方案集S1和对目标2的火力通道组织方案集S2分别为:

S1={sA助,sA管,sA深}

(18)

S2={sC助,sC管,sC深}

(19)

对火力通道组织方案进行可攻性判断,如表4所示。

经可攻性判断,水面舰艇编队对目标1和目标2的火力通道组织可行方案分别为:

S1={sA助,sA管}

(20)

S2={sC助,sC管}

(21)

计算火力通道组织方案模糊评价值K:

表4 可攻性判断分析表

K1={kA助,kA管}={0.8701,0.5478}

(22)

K2={kC助,kC管}={0.8147,0.6293}

(23)

max(K1)=KA助

(24)

max(K2)=KC助

(25)

综合以上分析,故最终编队反潜火力通道组织最优方案如表5所示。仿真结果与实际相符。

表5 编队反潜武器系统火力通道组织结果

6 结束语

本文基于“编队-平台-反潜武器通道”的层次关系及分析思路,针对水面舰艇编队反潜武器系统作战辅助指挥决策的火力通道组织问题,采用了多目标决策与模糊理论法相结合的方法对水下潜艇目标进行火力分配研究,提岀了水面舰艇编队反潜武器系统火力通道组织模型。模型适用于不同作战环境下水面舰艇编队反潜武器系统火力分配。基于多层次分解的编队反潜武器系统火力通道组织方法给予编队成员舰艇足够的自主权,将目标分配给舰级反潜武器系统进行火力通道组织;充分利用舰级反潜武器系统的计算空间,为编队反潜武器系统释放足够的内存空间,达到快速、准确分配反潜火力资源的目的,有助于助指挥员进行作战决策,为后续编队反潜作战提供有力支撑。