田云飛,嚴建鋼

(1.海軍航空工程學院,山東 煙臺 264001,2.海軍潛艇學院,山東 青島 266071)

航空反潛網絡化體系作戰(zhàn)效能

田云飛1,2,嚴建鋼1

(1.海軍航空工程學院,山東 煙臺 264001,2.海軍潛艇學院,山東 青島 266071)

為評估航空反潛網絡化體系對作戰(zhàn)效能的影響,從信息域和認知域角度對其進行了探索性分析。首先給出了網絡化體系信息域和認知域的決策質量轉換過程,并提出了 3個評估指標:完整性、準確性和時效性;在分別對信息域的探測器子域、數(shù)據(jù)融合子域和通信網絡子域以及認知域的決策子域和通信網絡子域的完整性、準確性和時效性指標進行了分析后,最后得出了航空反潛網絡化體系的信息域和認知域效能評估模型。

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引 言

在各種反潛作戰(zhàn)方式中,航空反潛歷來以其反應時間短、作戰(zhàn)效率高以及在反潛作戰(zhàn)中眾多方面的突出優(yōu)勢而被視為最重要的反潛作戰(zhàn)手段之一[1]。隨著戰(zhàn)場信息化建設的推進,現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經從平臺為中心轉向為以網絡為中心[2]。面對新的戰(zhàn)術和技術挑戰(zhàn),航空反潛作戰(zhàn)采用網絡中心化體系結構(簡稱網絡化體系,下同)能夠提高信息質量,實現(xiàn)信息共享,進而取得非對稱信息優(yōu)勢地位,最終達到獲取決策優(yōu)勢和行動優(yōu)勢的目的。

為了設計更加合理的網絡化體系結構必須以提高航空反潛作戰(zhàn)效能為設計目標。在現(xiàn)有的技術條件下,對抗雙方是在物理域、信息域和認知域的體系對抗。其中,信息域主要體現(xiàn)網絡中心戰(zhàn)的信息優(yōu)勢,是取得認知域決策優(yōu)勢和物理域行動優(yōu)勢的基礎;而認知域則是實現(xiàn)信息優(yōu)勢轉化為決策優(yōu)勢的作戰(zhàn)領域,是指揮員綜合素質和指揮系統(tǒng)性能的集中體現(xiàn)。

本文將嘗試從信息域和認知域角度對航空反潛網絡化體系的作戰(zhàn)效能進行探索性分析。

1 信息域

1.1 體系結構和效能指標

信息域包含所有的信息采集、處理和分發(fā)過程,目的是使航空反潛體系獲得信息優(yōu)勢。信息域可以進一步分解為探測器子域、數(shù)據(jù)融合子域和通信網絡子域。信息域3個子域的工作過程是:探測器收集來自物理域的戰(zhàn)場相關數(shù)據(jù),然后把它傳輸?shù)綌?shù)據(jù)融合設備進行處理,最后通過通信網絡實現(xiàn)友鄰部隊的信息共享。如圖1所示。

信息域效能可以用信息質量的完整性、準確性和時效性3個指標來度量。其定義分別如下:①完整性是指獲得信息與客觀信息之間沒有缺口的程度;②準確性是指獲得信息與客觀信息之間的一致程度;③時效性是指從信息域采集信息到產生公共作戰(zhàn)態(tài)勢圖所需的時間。

1.2 探測器子域信息轉換質量分析

探測器子域信息轉換質量分析時不僅要考慮探測器本身的探測性能,而且還需要考慮探測器的配置及結構等。

1.2.1 目標搜索模型[3]

航空反潛作戰(zhàn)主要搜索器材有:聲納浮標和吊放聲納。

1)聲納浮標搜索

使用聲納浮標搜潛時,發(fā)現(xiàn)潛艇的概率可以看作是兩個事件“至少一個浮標與潛艇建立接觸”和“對接觸進行識別”同時發(fā)生的條件概率。其發(fā)現(xiàn)潛艇的概率為

式中,df為聲納浮標的作用距離;vq為潛艇的估計速度;tb為布設浮標場的時間;tj為監(jiān)聽浮標場的時間;nf為聲納浮標的數(shù)量;Pw為聲納浮標技術完好率;Pj為聲納浮標獲得目標接觸及識別概率。

2)吊放聲納搜索

若對某海域使用吊放聲納搜索了時間 T,則發(fā)現(xiàn)潛艇的概率為

式中,dd為吊放聲納作用距離;Nj為反潛機數(shù)量;Pj為吊放聲納獲得目標接觸及識別概率;Tz為搜索周期。

1.2.2 多探測器配置

為了獲得最優(yōu)的數(shù)據(jù)采集性能,要對多個探測器進行不同的配置。典型的配置方案有:獨立配置、目標指示配置和混合配置。其中混合配制是將獨立配置和目標指示配置混合起來的一種模式,如圖 2所示。其探測概率為

圖2 多探測器配置結構[4]

式中,P為采用混合配制的探測概率,PF為信息融合增加的對潛艇目標的探測概率。

1.2.3 信息轉換質量分析

1)完整性指標分析

根據(jù)以上分析,可得出探測器子域完整性指標為

2)準確性指標分析

在探測器子域準確性指標分析中,主要以測量誤差和定向誤差作為準確性指標,這些誤差是航空反潛體系對潛艇搜索概率的主要影響因素。設其測距誤差為eR,測角誤差為eθ,定向精度為eP。因此,探測器子域準確性指標為

式中,es()為誤差聚合函數(shù)。

3)時效性指標分析

探測器子域的主要任務包括探測過程和數(shù)據(jù)融合預處理過程,因此度量時效性指標時應考察完成這兩個過程所需的時間Ts。因此,探測器子域時效性指標為

1.3 融合子域信息轉換質量分析

在航空反潛作戰(zhàn)中,依靠單一探測器提供的信息已經無法滿足應對復雜水聲電磁環(huán)境、高速靜音核潛艇的作戰(zhàn)需要,必須運用各種有源和無源探測器在內的多探測器組網來提供各種探測數(shù)據(jù),然后通過信息處理與融合實時發(fā)現(xiàn)目標并獲取目標狀態(tài)估計,在此基礎上提供輔助決策等作戰(zhàn)信息。

1.3.1 完整性指標分析

信息處理與融合系統(tǒng)的融合處理質量不僅與系統(tǒng)自身性能有關,也與融合處理時間有關。此外,在融合過程中,還可能得到其他的增值信息,經反饋調整再次融合后,從而改善融合的質量。如下頁圖3所示。假設存在N個情報源,信息處理與融合系統(tǒng)對第i個情報源的融合處理效率為ci,且cc表示在中央融合設備上處理的同樣數(shù)值,則由可靠性理論可以得到融合子域的完整性指標為

1.3.2 準確性指標分析

融合的目的主要是為了減少對潛艇目標特征估計的不確定性。因此,可以用目標特征估計方差來描述融合后的目標特征與目標真實特征的吻合程度。

航空反潛體系采用網絡化結構時,探測器采用聯(lián)網探測,并且采用絕對坐標體制,設探測器定位誤差e L、坐標變換引入的誤差e C、時間同步精度引入的誤差et和融合算法引入的誤差ef。由此可得出融合子域準確性指標為

式中,ef()為誤差聚合函數(shù)。

1.3.3 時效性指標分析

時效性可以定義為從探測器子域送來目標信息到產生公共作戰(zhàn)態(tài)勢圖(CROP)所需要的全部時間。則融合子域時效性指標為

式中,t更新CROP所需要的全部時間。

1.4 通信網絡子域信息轉換質量分析

通信網絡是航空反潛體系的信息傳輸基礎,是實現(xiàn)網絡連接和獲得信息優(yōu)勢的重要保證。

1.4.1 完整性指標分析

通信網絡子域完整性指標反映所有共享態(tài)勢信息用戶能準確無誤地得到從融合中心或其他用戶經過通信網絡傳輸?shù)娜炕虿糠謶B(tài)勢信息的比例,并以正確信息接收概率指標來度量,也就是整個通信網絡傳遞態(tài)勢信息的能力。

圖4給出了信息融合中心分別向 3個用戶分發(fā)信息的網絡結構圖。設信息融合中心在t時刻向第Ui個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時,其連通概率為Pt(Ui);在向用戶Ui發(fā)送數(shù)據(jù)時,可選信道鏈路連通概率為Pj,共有k條可選信道鏈路,則融合中心到用戶Ui的連通概率可表示為

則通信網絡子域完整性指標為

式中,n為所有用戶數(shù)。

1.4.2 準確性指標分析

通信網絡信息傳輸?shù)臏蚀_性是指整個通信網絡向每個用戶正確分發(fā)態(tài)勢信息的能力和概率,主要體現(xiàn)在“準確發(fā)送”和“準確接收”兩個方面。因此,其準確性主要和信息數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端的準確發(fā)送概率和準確接受概率相關。

設在t時刻信息融合中心 j正確發(fā)送信息的概率為P(t),而態(tài)勢信息共享用戶Ui從融合中心 j正確接收信息的概率為Pi j(t),則通信網絡子域準確性指標為

1.4.3 時效性指標分析

通信網絡時效性是相對與通信任務對通信網絡的期望來評估的,可以用態(tài)勢信息從融合中心到用戶的“端到端”平均傳輸延時與期望時延O(t)之比來度量。期望時延表示某時刻對通信網絡時延的容許程度,此處認為期望時延是信息傳輸前已經給定,作為已知函數(shù)處理。則通信網絡子域時效性指標為

2 認知域

2.1 體系結構和效能指標

航空反潛體系認知域包含指揮員和所有的態(tài)勢感知、方案生成與選擇以及決策命令分發(fā)的設備。包括兩個子域:決策子域和通信網絡子域。圖5是利用一套數(shù)學轉換描述認知域的質量轉化過程。其決策過程是先通過各點域指控中心對態(tài)勢進行感知與決策,然后經過區(qū)域指控中心對態(tài)勢進行感知與決策,形成共享的態(tài)勢感知與決策命令,最后通過通信網絡共享態(tài)勢感知和分發(fā)決策命令。

航空反潛網絡化體系認知域的核心任務就是將信息優(yōu)勢轉化為決策優(yōu)勢,即獲得整個作戰(zhàn)過程的最佳反潛效果。決策優(yōu)勢的獲得依賴于決策子域和通信網絡子域的完整性、準確性和時效性。其定義如下:①完整性是指獲得決策與理想決策之間沒有缺口的程度;②準確性是指決策方案與理想方案之間的一致程度;③時效性是指從信息域獲得公共相關態(tài)勢圖到決策命令分發(fā)到物理域所需要的時間。

2.2 決策子域決策轉換質量分析

在決策子域的轉換質量分析中,盡管參與態(tài)勢感知與決策的指揮員和指揮系統(tǒng)是基本相同的,但是平臺化反潛體系和網絡化反潛體系的決策組織結構是不同的,網絡化體系采用分布式布防和協(xié)同決策,而平臺化體系采用的是完全集中式或完全分散式的決策方式,這樣就會產生不同的決策效果。

2.2.1 完整性指標分析

決策子域完整性分析不僅需要研究指揮員的態(tài)勢感知與決策能力以及指揮系統(tǒng)的輔助態(tài)勢感知與決策能力,而且還要研究不同決策組織結構對決策質量的影響,是從局部到整體的研究過程。

1)指揮員決策效能模型

指揮員面對給定的信息進行感知與決策是個非常復雜的問題,很難進行精確描述。通過大量試驗可知,指揮員的態(tài)勢感知與決策能力與指揮員受教育和訓練程度、個人經驗、當前戰(zhàn)場緊張程度、指揮員占有信息的質量等因素有關。因此,指揮員感知與決策效能一般可表示為

式中,t為處理時間;U為信息質量;h為信息數(shù)量;T為信息處理率;sign為符號函數(shù)。

2)指揮系統(tǒng)輔助決策效能模型

指揮系統(tǒng)的輔助態(tài)勢感知與決策能力與指揮系統(tǒng)的算法、有效狀態(tài)、服務容量、服務質量及其具有的知識庫容量等因素有關。其輔助感知與決策效率模型為

式中,T為系統(tǒng)處理能力;U為系統(tǒng)處理準確度。

3)決策組織結構

按照指揮員之間在決策過程中的相互協(xié)調程度,可將決策組織結構分為完全集中式、完全分散式和分散集中混合式的單決策組織結構和分布式隊決策組織結構。不同的決策組織結構采用不同的決策策略。指揮員做出最終決策所依據(jù)的準則就是選擇最佳決策使得平均損失最小。采用不同的決策組織結構對決策效能有不同的影響,設其影響度為V。

4)決策子域完整性指標計算模型

根據(jù)以上對指揮員、指揮系統(tǒng)以及決策組織結構的分析,可得出決策子域的完整性指標為

2.2.2 準確性指標分析

航空反潛網絡化體系反潛作戰(zhàn)指揮員在選擇作戰(zhàn)方案或制定決策時,要對作戰(zhàn)效果進行預測,所以在某種程度上,決策子域的準確性可用指揮員對作戰(zhàn)效果預測的準確性來度量。由此得出決策子域的準確性指標為

2.2.3 時效性指標分析

決策子域時效性分析包含個體態(tài)勢感知與決策時間和共享態(tài)勢感知與決策時間。個體態(tài)勢感知與決策中不同的組織結構對指揮員的決策時間影響不同,設影響度為T?？紤]到指揮系統(tǒng)與指揮員的工作是并行的,而指揮系統(tǒng)的反應延遲與執(zhí)行時間較指揮員短的多,所以,主要考慮指揮員的態(tài)勢感知與決策時間t0。因此,個體態(tài)勢感知與決策時間為

共享態(tài)勢感知與決策一般采用分布式隊決策組織結構,其中不同的指揮方式z、網絡延遲 y和目標信息誤差w都將對決策時間產生影響。因此共享態(tài)勢感知與決策時間為

式中,Tx()為協(xié)同處理時間。

如果不計通信網絡決策傳遞時間延遲,則決策子域的時效性指標為

式中,fj()為時間聚合函數(shù)。

2.3 通信網絡子域決策轉換質量分析

通信網絡子域決策轉換質量分析主要研究服務于認知域的通信網絡對單決策和隊決策以及共享決策的影響,其分析通信網絡子域信息轉換質量的方法與分析信息域通信網絡子域信息轉換質量的方法相同。

3 結束語

本文通過對信息域和認知域效能評估中完整性、準確性和時效性指標的研究,最后給出了航空反潛網絡化體系信息域和認知域的效能模型。該模型對網絡中心戰(zhàn)效能評估具有一定參考價值,但上述模型還有待于進一步仿真驗證。下一步還將對航空反潛網絡化體系物理域的作戰(zhàn)效能進行研究。

[1] 孫明太.航空反潛概論 [M].北京:軍事科學出版社,1998.

[2] Alberts D S,Garstka J J,Stein F P.Network Centric W arfare: Developing and Leveraging In formation Superiority[Z]. The DoD C4ISR Cooperative Research Program,2000.

[3] 李登峰許 騰.海軍作戰(zhàn)運籌分析及應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[4] 陳立新.防空導彈網絡化體系效能評估 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[5] 何 友,王國宏.多傳感器信息融合及應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

Research on Operation Effectiveness of Air Anti-submarine Network Centric System

TIAN Yun-fei1,2,YAN Jian-gang1
(1.Naval Aeronautical Engineering Academy,Yantai 264001,China,2.N avy Submarine Academy,Qingdao 266071,China)

To evaluate the effects of air anti-subm arine Network Centric W arfare system on combat outcomes,firstly decision-making quality transformation is analyzed in information domain and cognitive domain and th reemeasures of decision-making quality,such as comp leteness,correctness and currency,are given and then the measure and the metric of completeness,correctness and currency are exp lored in sub-domain,and finally themodels of evaluating the effectivenessare presented.

air anti-submarine,network centric system,information domain,cognitive domain,effectiveness evaluation

E917

A

1002-0640(2011)05-0125-04

2010-01-11

2010-04-28

田云飛(1977- ),男 ,河北石家莊人,博士研究生,主要研究方向:航空反潛戰(zhàn)術。