一种基于OODA-A环的防空体系及其作战时效分析

陈黎 李芳芳 冯清江 陈燕飞

1．北京电子工程总体研究所北京100854 2. 中国长峰机电技术研究设计院北京100854 3. 空军装备部驻北京地区第一军事代表室北京100854

随着空袭兵器和空袭模式的多样化、体系化,信息化条件下的空袭与反空袭作战已呈现出体系化对抗的特点[1−3]. 在对抗过程中, 由预警探测、指挥控制、火力拦截以及综合保障等节点组成的防空作战体系需要将各类防空作战资源捏合成一个有机整体,高效使用,形成合力.

美国军事理论家、空军上校约翰· 博伊德(JohnR Boyd)在总结分析空战数据的基础上,提出了观察-判断-决策-行动(observe-orient-decide-act,OODA)环理论,近年来OODA 环理论被广泛用于体系对抗研究,研究人员建立了大量基于OODA 环的体系对抗模型, 为防空作战体系对抗研究提供了许多思路和方法. 文献[4] 提出了OODA 作战循环的四性要求, 即完整性、螺旋性、嵌套性和时效性; 文献[5-6]基于OODA 环的作战体系对抗过程,分析了装备对体系的贡献机理, 给出了装备对体系贡献程度的计算方法; 文献[7] 利用OODA 环理论对单水面舰艇实战化防空作战流程进行了模块化分析, 对舰艇的防空作战能力进行评估与检验;文献[8]采用体系对抗网络模型邻接矩阵的特征值作为OODA 环鲁棒性的评估指标,对体系OODA 环的鲁棒性进行定量化分析;文献[9]研究了网络化作战体系OODA环中的信息处理耗时的计算方法, 构建了体系对抗OODA 环的时测模型;文献[10]以OODA 循环理论为基础, 研究了人工智能应用于军事领域可能会带来的颠覆性效果; 文献[11] 研究了基于作战体系超网模型的OODA 环提取方法;文献[12]针对联合火力打击体系破击战法中确定体系破击目标困难的问题,提出一种基于超网络构架OODA 环的关联度算法;文献[13]研究人工智能在OODA 循环决策中的应用,讨论了未来OODA 环各阶段中所需的AI 作用和技术; 文献[14]综述人工智能在军事领域的应用进展,分析了导弹OODA 环智能化赋能面临的挑战.

上述研究成果一致认为, 在体系对抗过程中如何更好更快地执行OODA 循环将是战争取胜的关键.基于上述研究成果,利用OODA 环作战理论对防空体系作战过程进行分析,进一步提出在OODA 环基础上增加评估环节,构成OODA-A 环.新增的评估环节能够对防空体系执行一次OODA 循环的战场态势变化情况,以及对作战效果进行综合评估,包括对敌方目标机动情况、目标信息冲突情况、目标毁伤情况,我方武器漏射击和过射击情况、作战损耗情况等进行评估, 并根据评估结果决定下一步行动方向,同时能够将评估结果实时反馈给OODA 环中的各节点,进一步提升OODA 环各节点的作战能力,从而实现防空体系更快更好地完成OODA 循环的目的. 通过防空体系典型案例仿真说明了基于OODA-A 环的防空体系的优越性.

1 防空体系OODA 环及其作战时效性分析

1.1 防空体系OODA 环

OODA 环理论对体系作战行动的整个过程进行了高度抽象, 能够清晰地描述整个防空体系作战行动的全过程, 并认为交战双方哪一方能够更高效地执行OODA 环, 哪一方获胜的概率就越高. 利用OODA 环理论将防空体系作战过程分解为预警探测、态势估计、作战决策、火力拦截4 个阶段,如图1 所示,具体包括: 1)预警探测-观察(O):利用各波段预警雷达、红外预警探测设备、对空观察设备等开展情报搜集,获取来袭目标的各类信息;2)态势估计-判断(O): 根据预警探测结果, 采用一定的融合和分析手段对战场态势进行实时估计与判断, 主要包括空情融合、目标识别、目标威胁估计等,形成防空态势一张图; 3)作战决策-决策(D): 利用防空态势一张图, 作出拦截来袭目标的目标火力分配决策,并对存在行动冲突的火力进行行动协调; 4)火力拦截-行动(A):根据作战命令,利用各类防空导弹、防空高炮、激光电磁等新概念武器对来袭目标进行软硬杀伤,实现对目标的拦截.

图1 防空体系作战OODA 环Fig.1 The OODA loop of air defense system-of-syetems

1.2 防空体系OODA 环作战时效性分析

防空体系OODA 环的作战时效性分析如图2所示.

图2 防空体系OODA 环的作战时效性分析Fig.2 Analysis of OODA loop time-efficiency of air defense system-of-syetems

图2 中ΔtOb、ΔtOr、ΔtD和ΔtA分别表示预警探测时间、态势估计时间、作战决策时间以及火力拦截时间;λCT=IR·RQ表示防空体系网络信息交互速率,IR表示网络可达度,RQ表示网络富余率[8]. 同时考虑到防空体系中的态势估计和作战决策集中于指挥控制节点进行处理, 因此,可以忽略, 由此得出防空体系OODA 环的时间为:

从式(1)可以看出, 在防空体系各环节持续时间以及网络信息交互速率一定的情况下, 要更快更好地完成OODA 环的对抗过程, 实现对来袭目标的体系化拦截, 就必须减少OODA 的循环次数或者缩短OODA 环的循环路径.

下面通过在OODA 环基础上增加评估环节(A),对防空体系执行一次OODA 循环的敌我态势变化情况和作战效果进行综合评估, 并根据评估结果决定下一步的行动方向,从而达到减少OODA 环的循环次数并且进一步缩短OODA 循环路径的目的.

2 防空体系OODA-A 环及作战时效性分析

2.1 OODA-A 环中的评估环节

在防空体系OODA 环基础上增加评估环节, 构成OODA-A 环,对防空体系执行一次OODA 循环的敌我态势变化情况和作战效果进行综合评估, 并根据评估结果决定下一步行动方向,如图3 所示.

图3 防空体系OODA-A 环Fig.3 The OODA-A loop of air defense system-of-syetems

图3 中的综合评估具体包括,目标毁伤评估、目标机动评估、目标信息冲突评估、漏射击和过射击评估、作战损耗评估.

1)目标毁伤评估,防空体系完成一次OODA 循环后,对每一个拦截目标进行毁伤效果评估,毁伤效果包括解体式毁伤、偏航式毁伤和未毁伤3 种形式.解体式毁伤是指在弹目遭遇后来袭目标发生了明显的轰燃、轰爆, 运动状态发生了剧烈而明显的改变,完全丧失对我方的威胁; 偏航式毁伤是指在弹目遭遇后来袭目标的运动轨迹发生了明显的偏离, 对我方的威胁程度有待进行重新评估. 之后,进一步依据目标的毁伤效果给出最终的评估结果. 目标的毁伤效果主要是依据火力单元自身配属的雷达或者红外设备探测到的弹目遭遇信息进行评估的[15].

2)目标机动评估,完成一次OODA 循环后,对未进行火力拦截的目标或者进行了火力拦截, 但被评估为未毁伤的目标进行目标机动评估, 评估结果包括目标强机动、目标弱机动和目标未机动,之后再根据每一个目标的机动情况给出最终评估结果. 目标的机动情况主要是基于目标跟踪滤波器残差的变化幅度和持续时间进行的,对于残差变化幅度大、持续时间长的目标则被判定为强机动目标.

3)目标信息冲突评估,完成一次OODA 循环后,对进行了火力拦截但被评估为未毁伤的目标进行目标信息冲突评估.

目标信息冲突评估主要是针对目标的属性信息包括目标类型、敌我属性等进行评估,在同一性识别的基础上, 对判定为同一目标的多源预警信息进行冲突检测, 根据每一个目标的冲突检测结果给出最终的评估结果. 对每一个目标的冲突检测采用矛盾因子和信息Jousselme 距离两个指标[16],从不同信息所支持目标的一致性和明确程度以及信息整体的差异程度进行度量, 如果两个指标同时超过预设门限并且冲突时间也超出预设时间门限, 则判定该目标的多源预警探测信息存在严重冲突.

4)漏射击和过射击评估,完成一次OODA 循环后,对漏射击和过射击情况进行统计和评估,评估门限与当前空情复杂度有关, 当前空情越复杂漏射击评估门限越高、过射击评估门限越低.

5)作战损耗评估,完成一次OODA 循环后,对作战损耗情况进行统计和评估, 评估门限与当前空情复杂度有关,当前空情越复杂评估门限越高.

2.2 基于OODA-A 环的防空体系作战流程

基于OODA-A 环的防空体系在进行体系对抗时,完成一次O(观察)、O(判断)、D(决策)和A(行动)循环后,利用对抗过程中实时采集的信息进行综合评估(A),根据评估结果再决定下一步的行动方向,评估结果与下一步行动方向的对应关系如表1 所示.

表1 评估结果与行动方向的对应关系Table 1 The relationship between assessment and operation

1)评估—>观察,从表1 可以看出,当防空体系完成一次OODA 循环, 评估结果为评估—> 观察4种情形中的任一情形时,下一步将从观察(O)环节重新开始新的循环.其中存在严重漏射击这种情形,主要是由于在执行OODA 循环过程中, 新目标的出现导致敌情发生了显著变化.

2)评估—> 判断, 当敌情和我情没有发生显著变化, 仅仅是目标出现了机动或者存在偏航式毁伤目标,需要对目标的威胁程度进行重新评估时,则跳过观察环节直接从判断环节重新开始新的循环.

3)评估—> 决策, 当敌情和我情没有发生显著变化,同时不存在机动目标和偏航式毁伤目标,但是需要进一步提升执行OODA 循环的作战效果时, 则跳过观察和判断环节直接从决策环节开始新的循环.

4)评估—>行动,当敌情和我情变化不大,并且执行OODA 循环的作战效果不错时, 则跳过观察、判断和决策环节直接从行动环节开始新的循环.

2.3 基于OODA-A 环的防空体系作战时效性分析

基于OODA-A 环的防空体系作战时效性分析如图4 所示.

图4 基于OODA-A 环的作战时效性分析Fig.4 Analysis of time-efficiency of OODA-A loop

图4 中ΔtOb、ΔtOr、ΔtD、ΔtA和ΔtAs分别表示预警探测时间、态势估计时间、作战决策时间、火力拦截时间以及综合评估时间;表示防空体系网络信息交互速率. 如果新增的综合评估环节与态势估计和作战决策环节一同置于防空体系中的指挥控制节点,那么图4 中的和可以忽略.

下面按以下4 种典型体系对抗场景将基于OODA-A 环的防空体系作战时效与基于OODA 环的防空体系作战时效进行对比分析, 其中简单目标是指速度慢、机动能力弱的目标且不为群目标;复杂目标是指速度快、机动能力强的目标或者是群目标.

场景1(简单目标,无干扰):预警探测系统发现来袭目标,指挥控制节点进行态势估计、作战决策和综合评估, 火力拦截节点一次拦截即完成对目标的毁伤. 在这种场景下基于OODA 环的防空体系作战时效T1与基于OODA-A 环的防空体系作战时效T2分别为:

相比OODA 环,OODA-A 环新增了综合评估环节,因此,T2略大于T1.

场景2(简单目标,有干扰):预警探测系统发现来袭目标, 对同一来袭目标的探测信息存在严重冲突,指挥控制节点进行态势估计、作战决策和综合评估, 火力拦截节点对目标的拦截情况取决于掌握目标信息的精确程度.

在这种场景下基于OODA 环的防空体系由于对干扰目标的信息判断不准确, 导致需要多次执行OODA 循环才能实现对目标的拦截,其时效性T1为:

其中,n1表示执行OODA 循环的次数.

基于OODA-A 环的防空体系由于能够对干扰目标信息进行实时评估, 并将评估结果反馈给预警探测系统,让预警探测系统对干扰目标进行重点关注,实现干扰目标信息的解冲突,进而减少OODA 环的循环次数,其时效T2为:

其中,n2表示执行OODA-A 循环的次数.考虑到n1>n2,并且ΔtAs可以忽略,对比式(3)和式(4)可以看出在这种场景下基于OODA-A 环的防空体系作战时效优于OODA 环的作战时效.

场景3(复杂目标,无干扰):预警探测系统发现来袭群目标,指挥控制节点进行态势估计、作战决策和综合评估,由于目标多且机动能力强,防空体系需要多次执行OODA 循环,其时效性T1为:

其中,n1表示执行OODA 循环的次数.

由于敌情我情未发生显著变化, 基于OODA-A环的防空体系通过综合评估能够跳过观察环节, 从判断环节开始新的循环,缩短了OODA 环的执行时间,其时效T2为:

其中,n2表示执行OODA-A 循环的次数.考虑到n1≥n2, 并且ΔtAs可以忽略, 对比式(5)和式(6)可以看出,在这种场景下基于OODA-A 环的防空体系作战时效优于基于传统OODA 环的防空体系作战时效.

场景4(复杂目标,有干扰):预警探测系统发现来袭群目标, 对同一来袭目标的探测信息存在严重冲突,指挥控制节点进行态势估计、作战决策和综合评估,由于目标多且机动能力强,同时还存在干扰,防空体系需要多次执行OODA 循环,其时效性T1为:

其中,n表示执行OODA 循环的次数.

基于OODA-A 环的防空体系同样需要多次执行OODA-A 循环,但是能够通过评估信息的实时反馈,实现干扰目标信息的解冲突,减少了循环次数,同时能够根据综合评估的结果动态调整循环路径, 缩短了OODA 环的单次执行时间,其时效性为:

其中,n1表示评估(A)—> 判断(O)的执行次数,n2表示评估(A)—> 决策(D)的执行次数,n3表示评估(A)—>行动(A)的执行次数,并且n1+n2+n3

通过上述4 种典型体系对抗场景下的分析对比可以看出,在简单场景下基于OODA-A 环的防空体系作战时效与防空体系OODA 环的作战时效相当,但是随着场景对抗复杂度的提升, 基于OODA-A 环的防空体系作战时效要显著优于防空体系OODA 环的作战时效.

3 防空体系OODA-A 环作战能力分析

防空体系作战能力主要由两个因素决定, 一个是OODA 循环的完成速度, 即OODA 环的时效性;另一个是OODA 循环的完成质量, 比如对来袭目标的发现概率和观察质量、对作战态势的融合识别正确率、作战决策的合理性、作战行动的拦截效果等.

在OODA 环基础上增加综合评估环节, 对执行一次OODA 循环的敌情、我情变化情况以及作战效果进行综合评估, 并将评估结果实时反馈给OODA环中的各节点, 还能够进一步提升OODA 环的完成质量. 比如,通过将目标的毁伤效果、漏射击和过射击情况, 以及弹药消耗情况和被毁伤情况等信息反馈给指挥控制节点, 能够让指挥控制节点积累火力单元对目标的毁伤数据, 实时掌握决策后的作战效果,进而提升指挥控制节点进行指挥决策的合理性.此外, 通过将目标冲突信息和目标机动信息实时反馈给预警探测系统, 能够进一步提升预警探测系统对来袭目标的观察质量, 进而提升指挥控制节点进行态势估计的融合识别正确率.

4 案例仿真及结果分析

为了验证本文提出的基于OODA-A 环的作战模型的优越性, 下面进一步结合典型防空体系作战场景, 对基于OODA-A 环的防空体系作战时效与OODA 环的防空体系作战时效进行仿真比较.

仿真实验以红方防空体系拦截蓝方来袭目标为基本想定内容.假设红方防空体系由预警探测系统、指挥控制系统和火力拦截系统3 部分组成,如图5 所示. 其中预警探测系统包括6 个预警雷达、6 个红外预警探测设备以及6 个对空观察设备, 主要完成对空预警探测; 指挥控制系统包括1 个基地级指挥控制系统和1 个战术级指挥控制系统, 主要进行态势估计、作战决策和作战评估;火力拦截系统包括各型6 个防空导弹火力单元和6 个防空高炮火力单元.

图5 红方防空体系Fig.5 Air defense system-of-syetems in red side

仿真实验研究红方防空体系在下面4 种场景中拦截蓝方来袭目标的OODA-A 环以及OODA 环的循环时间. 场景1: 单目标低空突防;场景2: 单目标带自卫式噪声干扰进行低空突防; 场景3: 100 枚巡航导弹从防区外进行攻击;场景4: 远距支援干扰条件下100 架无人机编队攻击.

在每一种场景下进行100 次蒙特卡洛仿真,OODA-A 环以及OODA 环的平均循环时间通过统计仿真结果数据获得,如表2 所示.

从表2 可以看出, 在简单场景下基于OODA-A环的防空体系作战时效与防空体系OODA 环的作战时效相当,但是随着场景对抗复杂度的提升,基于OODA-A 环的防空体系作战时效要显著优于防空体系OODA 环的作战时效.

表2 平均循环时间对比Table 2 The average cycle time

5 结论

在OODA 环基础上增加评估环节, 提出一种基于OODA-A 环的防空作战模型. 该模型对防空体系执行一次OODA 循环的战场态势变化情况以及作战效果进行综合评估, 并根据评估结果决定下一步行动方向.通过理论分析和案例仿真表明,该模型通过作战信息的实时评估和实时反馈不仅能够增加防空体系OODA 环的时效性,即提升OODA 循环的完成速度, 而且还能够进一步提升对来袭目标的观察质量和融合识别正确率、增强作战决策的合理性,即进一步提高OODA 循环的完成质量, 从而实现防空体系能力提升的目的,特别是在复杂对抗场景下,能力提升更加显著.