裴雪兵，胥文清，陳吉超

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

一種裝艦約束條件下的武器通道作戰(zhàn)能力計算方法

裴雪兵，胥文清，陳吉超

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

根據(jù)艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)武器打擊通道的作戰(zhàn)流程，分析武器通道中傳感器視界、打擊武器射界和時延性能等參數(shù)，提出一種考慮裝艦約束條件和各系統(tǒng)設備戰(zhàn)技指標匹配性的武器通道作戰(zhàn)能力計算方法。該方法通過綜合權衡武器通道傳感器、指控系統(tǒng)和火力打擊設備戰(zhàn)技指標在實際裝艦條件下的能力匹配性與戰(zhàn)技指標的下降程度，將該武器通道的作戰(zhàn)能力揉合成幾個主要的戰(zhàn)技指標，建立效用指數(shù)模型對指標進行歸一化，最后，通過層次分析法對該武器通道的作戰(zhàn)能力進行量化分析。仿真結果顯示，在裝艦約束條件下，防空反導作戰(zhàn)武器通道反應時間、殺傷區(qū)域和系統(tǒng)多目標能力的匹配性對武器通道的作戰(zhàn)能力影響較大。

武器通道；作戰(zhàn)能力；性能匹配；層次分析法

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20160317.1056.030.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：裴雪兵，胥文清，陳吉超.一種裝艦約束條件下的武器通道作戰(zhàn)能力計算方法［J］.中國艦船研究，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

國內外針對作戰(zhàn)效能的理論模型及計算方法的研究成果已經非常豐富。例如：美國加利福尼亞大學的Zadeh教授創(chuàng)立的模糊集合論被應用于武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估的模糊數(shù)學綜合評判模型［1-4］；經濟學中的指數(shù)分析方法被運用于刻畫武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的指數(shù)模型；美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會（WSEIAC）建立了武器裝備效能的有效性、可靠性、能力的函數(shù)方程模型，即ADC方程模型［5］等。國內船舶研究領域在作戰(zhàn)效能的理論評估方法上，也存在大量的研究成果，如層次評估法［6-7］、模糊數(shù)學法［8］等。

然而，這些國內外已有的作戰(zhàn)效能理論計算模型都是僅針對單個設備或系統(tǒng)在理想狀態(tài)下的一種作戰(zhàn)能力評估，沒有考慮設備在實際裝艦之后，各種戰(zhàn)術技術性能指標已經弱化或降低的情況。例如，警戒探測設備的視界范圍存在一定的盲區(qū)，打擊武器存在一定的禁止射擊范圍，相互間的電磁干擾也很容易導致武器裝備的固有性能無法發(fā)揮，實際的作戰(zhàn)能力與戰(zhàn)技指標之間存在比較大的差異。由此，導致各種作戰(zhàn)能力評估方法對作戰(zhàn)系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的實際作戰(zhàn)能力無法進行真實的評估，使得系統(tǒng)的方案論證工作缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐，論證多次反復、設計周期延長，甚至出現(xiàn)方案不合理而導致設計方案的顛覆。

本文將針對艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)方案論證階段的特點，提出一種基于傳感器和武器能力匹配性的作戰(zhàn)能力計算方法，從作戰(zhàn)武器通道中傳感器、指揮控制系統(tǒng)和打擊武器3個方面的相互適應與匹配的角度，考慮傳感器、打擊武器在艦總體裝艦條件下的實際作戰(zhàn)能力，綜合計算武器通道的打擊能力。該方法可用于作戰(zhàn)系統(tǒng)電子武備不同配置方案作戰(zhàn)能力的量化計算，便于對系統(tǒng)方案的優(yōu)劣從作戰(zhàn)能力的角度進行對比分析，能為艦總體作戰(zhàn)系統(tǒng)的方案論證及設計工作提供數(shù)據(jù)支撐。

1　系統(tǒng)模型及算法分析

在艦船設計領域，對作戰(zhàn)系統(tǒng)武器配置方案需要進行反復的論證和作戰(zhàn)能力的計算，本文將提出一種基于作戰(zhàn)武器通道中傳感器、指揮控制系統(tǒng)和作戰(zhàn)武器系統(tǒng)戰(zhàn)術技術指標匹配性的作戰(zhàn)能力計算方法。具體涉及作戰(zhàn)武器通道的劃分、傳感器及武器設備在實際裝艦條件下的視界射界能力分析、武器通道戰(zhàn)技指標參數(shù)匹配性分析、武器通道的打擊能力計算，以及作戰(zhàn)系統(tǒng)在特定任務剖面的實際綜合作戰(zhàn)能力求和等內容。圖1為系統(tǒng)模型及作戰(zhàn)能力計算流程圖。

1.1作戰(zhàn)武器通道劃分

根據(jù)艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)的武器配置，可以分為對空戰(zhàn)、對海戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)等幾個作戰(zhàn)任務剖面［9］。每個作戰(zhàn)任務剖面對應數(shù)個不同的作戰(zhàn)武器通道和作戰(zhàn)流程。因此，在分析計算各種不同作戰(zhàn)武器配置方案的作戰(zhàn)能力時，需要首先進行作戰(zhàn)武器通道的劃分，具體方法如下。

圖1　基于武器通道性能匹配性的作戰(zhàn)能力計算流程圖Fig.1　The computation diagram of war capability based on the performance matching of weapon channels

1）根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務剖面，使用不同的作戰(zhàn)武器通道和作戰(zhàn)流程。將作戰(zhàn)武器通道按傳感器、指揮控制系統(tǒng)和打擊武器系統(tǒng)3個方面進行劃分，并與具體的裝備相對應。

2）根據(jù)作戰(zhàn)武器通道中的主要信息流程，將傳感器、指控系統(tǒng)和打擊武器系統(tǒng)的主要戰(zhàn)技指標參數(shù)以表格的形式列出。同一個傳感器可能應用于不同武器通道中的不同打擊武器系統(tǒng)，但是考慮設備裝艦之后，其實際的戰(zhàn)技指標參數(shù)可能降低，以及與配置在不同艦位的打擊武器配合使用之后，同一個傳感器可能會得到不同的指標參數(shù)［10］。例如，某型艦在執(zhí)行末端反導作戰(zhàn)時，采用導彈武器進行反導攔截［11］的作戰(zhàn)武器通道為：跟蹤雷達→指揮控制系統(tǒng)→導彈武器系統(tǒng)，其主要戰(zhàn)術技術指標參數(shù)如表1所示。

1.2武器通道能力匹配性分析

進行了武器通道的劃分之后，需要對武器通道中各裝備的能力匹配性進行分析，并得出武器通道的戰(zhàn)術技術指標，具體方法如下。

1）對武器通道中傳感器、指控系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的主要戰(zhàn)術技術指標參數(shù)在實際裝艦條件下的能力進行分析。例如，傳感器的視界在裝艦后存在一定的盲區(qū)，武器系統(tǒng)的火力打擊范圍也存在一定的禁射區(qū)域。其中，傳感器的視界范圍可以根據(jù)實際的裝艦條件描述傳感器裝艦后的視界范圍；武器系統(tǒng)的射界范圍需結合武器彈道及艦面設備布置等情況，進行火力打擊范圍的計算。

表1　戰(zhàn)技指標參數(shù)Tab.1　The tactical and technical parameters

2）對傳感器、武器系統(tǒng)中相關聯(lián)的戰(zhàn)技指標參數(shù)進行匹配性分析。例如：威力范圍應取傳感器和武器系統(tǒng)的交集；多目標能力應取傳感器和武器系統(tǒng)的最小值；而反應時間則應對傳感器、指控系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的反應時間進行求和。具體如下：

武器通道威力范圍=Cradar∩Cweapon武器通道多目標能力=min（Nradar，Nweapon）武器通道反應時間=Tradar+Tweapon+Tcontrol

其中：C表示傳感器或武器系統(tǒng)的威力范圍；N表示傳感器或武器的多目標能力；T表示傳感器、指控系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的反應時間。

例如：假設火控雷達的威力范圍無法覆蓋部分高仰角范圍內的目標，前桅桿對導彈射界造成了一定方位角范圍內的遮擋，根據(jù)火控雷達視界和導彈武器系統(tǒng)射界能力匹配性分析，取它們的交集之后，對艦艏方向禁射范圍內以及高仰角的目標將無法進行打擊或者攔截。

3）武器通道的戰(zhàn)技指標參數(shù)和作戰(zhàn)能力計算以打擊武器的主要作戰(zhàn)指標為重點，部分傳感器、指控系統(tǒng)的技術指標參數(shù)對武器系統(tǒng)的打擊能力幾乎沒有影響或者影響不大的指標可以不予考慮，對傳感器、指控系統(tǒng)中制約武器系統(tǒng)打擊能力的瓶頸指標應做重點分析，例如傳感器視界、系統(tǒng)反應時間等。

1.3武器通道能力計算

根據(jù)作戰(zhàn)武器通道的能力參數(shù)，可以進行武器通道能力指數(shù)計算的建模與分析。具體步驟及方法如下。

1）將武器通道中傳感器、指控系統(tǒng)和武器打擊系統(tǒng)3個方面的戰(zhàn)術技術指標參數(shù)進行分類歸整，對打擊通道涉及的相關系統(tǒng)中需要考慮的戰(zhàn)技指標取并集，并通過不同的歸一化模型，將不同量綱的戰(zhàn)技指標轉換成歸一化的性能指數(shù)。具體如下所示：

武器通道指標=Indexradar∪Indexweapon∪Indexcontrol其中，Indexradar，Indexweapon和 Indexcontrol分別表示雷達、武器和指控系統(tǒng)需要考慮的戰(zhàn)術指標集。例如，對導彈武器系統(tǒng)部分戰(zhàn)技指標參數(shù)的歸一化效用指數(shù)模型列舉如下。

（1）威力范圍歸一化指數(shù)。

式中：C1為打擊遠界因子；C2為打擊高界因子；D1為方位覆蓋比例；D2為俯仰覆蓋比例。各比例因子計算公式如下：

C1（x）=，其中x為武器的殺傷遠界，km；

C2（x）=，其中x為殺傷高界，km；

D1=1-M1/360，其中 M1為打擊范圍的方位盲區(qū)角度，（°）；

D2=1-M2/90，其中 M2為打擊范圍的俯仰盲區(qū)角度，（°）。

（2）多目標能力歸一化指數(shù)。

式中，n為可連續(xù)攔截的目標數(shù)量。

（3）反應時間歸一化函數(shù)。

式中，t為打擊通道反應時間，s。

（4）毀傷能力歸一化指數(shù)。

式中，pi為某型武器的攔截概率。

為便于比較，各模型中的參數(shù)是根據(jù)國內外同類武器系統(tǒng)的最大能力進行建模。其他武器系統(tǒng)的歸一化模型可對該模型進行修正后使用。

2）在計算得到武器通道中戰(zhàn)技指標參數(shù)的歸一化性能指數(shù)之后，根據(jù)層次分析法模型（AHP）給各個性能參數(shù)分配一定的權重系數(shù)［6-7］?；趯哟畏治龇Ｐ徒o各性能參數(shù)分配權重系數(shù)的計算過程可以參照本文后面的仿真算例。

3）將武器通道與打擊能力密切相關的戰(zhàn)技指標參數(shù)中的歸一化性能指數(shù)與權重系數(shù)進行加權求和，得到該武器通道的作戰(zhàn)能力指數(shù)如下：

式中：D為戰(zhàn)技指標歸一化后的參數(shù)；W為根據(jù)AHP模型計算獲得的指標權重系數(shù)。

1.4任務剖面能力求和

對于作戰(zhàn)任務剖面，可以通過不同的作戰(zhàn)武器通道來完成。作戰(zhàn)任務剖面對應的能力應該通過各武器通道的綜合能力來體現(xiàn)，并對武器通道的使用時機和使用方式進行評估。對作戰(zhàn)任務剖面進行能力求和的步驟如下。

1）根據(jù)作戰(zhàn)任務剖面確定使用哪些作戰(zhàn)武器通道，以及每個武器通道作戰(zhàn)流程中各傳感器設備、指控系統(tǒng)和武器系統(tǒng)間的串、并關系，確保傳感器設備資源能夠滿足各武器通道的并行或串行使用。對于因視界或電磁兼容性問題等原因不能滿足使用的情況，應按電磁兼容性管理控制要求或其他方式規(guī)定的優(yōu)先級順序對指標性能指數(shù)進行分解降級。

2）對于整個作戰(zhàn)任務剖面的作戰(zhàn)能力指數(shù)，采用概率模型將各個武器通道的能力指數(shù)進行加權平均后獲得，表達式如下：

式中：Pi為使用第i個武器通道進行打擊的概率；Ei為第i個武器通道下的作戰(zhàn)能力指數(shù)。各武器通道使用的概率可以通過指揮控制系統(tǒng)的平均故障間隔時間和平均故障修復時間計算得到。武器協(xié)同作戰(zhàn)時，可對協(xié)同武器通道的權重系數(shù)進行適當修正，以使評估結果更貼近真實作戰(zhàn)能力。

2　仿真計算

根據(jù)提出的基于武器通道能力匹配性的作戰(zhàn)能力計算方法，對防空反導作戰(zhàn)任務剖面進行仿真計算，并與不考慮武器通道能力匹配性的原始計算方法進行對比分析。

2.1仿真配置

仿真計算的參數(shù)配置如下：

1）對于某個防空反導作戰(zhàn)的武器通道：跟蹤雷達→指揮控制系統(tǒng)→導彈武器系統(tǒng)，假設其目指雷達的主要性能指標參數(shù)分解為威力范圍、雷達反應時間和目標最大容量3個指標。

2）導彈武器系統(tǒng)的主要性能指標分解為電子偵察能力、殺傷概率、反應時間、殺傷區(qū)和多目標能力5個指標。

3）指揮控制系統(tǒng)的主要性能指標參數(shù)分解為信息融合處理時間和目標指示時間2個參數(shù)。

2.2仿真分析與計算

1）武器通道性能匹配性分析。

對上述防空反導作戰(zhàn)武器通道中跟蹤雷達、指揮控制系統(tǒng)和導彈武器的戰(zhàn)技指標進行匹配性分析。首先，考慮武器通道的威力范圍。假設雷達設備在裝艦后的視界為：方位覆蓋360°，俯仰覆蓋-15°～85°。假設導彈武器在裝艦后的射界為：在艦艏方向存在±10°的方位盲區(qū)。根據(jù)跟蹤雷達視界和武器射界能力匹配性分析，對雷達視界和武器射界取交集之后，得到武器通道的打擊范圍：俯仰為0°～80°，方位為除艏向±10°盲區(qū)外的其余方位。打擊遠界取雷達威力和火力最大打擊范圍的較小值20 km，高界取較小值后為5 km。對跟蹤雷達和導彈武器系統(tǒng)的多目標能力取較小值后為5批。

然后，再對3個系統(tǒng)的反應時間求和。多目標能力取最小值，并在舍棄雷達與火力打擊武器關聯(lián)性較小的指標參數(shù)后，得到該武器通道的戰(zhàn)技指標參數(shù)如表2所示。

表2　武器通道的戰(zhàn)技指標參數(shù)Tab.2　The tactical and technical parameters of weapon channels

武器通道設備性能匹配后的戰(zhàn)術技術指標參數(shù)才是武器系統(tǒng)在實際裝艦后真實作戰(zhàn)能力的體現(xiàn)。因此，根據(jù)這些指標參數(shù)及能力評估模型來對武器系統(tǒng)的實際作戰(zhàn)能力進行仿真計算。

2）武器通道作戰(zhàn)能力分析。

下面，根據(jù)層次分析法來計算該武器通道參數(shù)指標的權重。根據(jù)層次分析法模型［6-7］，首先定義重要性程度。若殺傷概率與電子偵察能力同等重要，殺傷概率與電子偵察能力和反應時間相比稍顯重要，反應時間、殺傷區(qū)和多目標能力3個戰(zhàn)技指標的重要性依次降低，則可以構造該武器通道的判斷矩陣如下：

根據(jù)矩陣C，可以求得判斷矩陣C的最大特征值λmax及對應的特征向量W為：

式中，W即為該武器通道5個作戰(zhàn)能力指標的權重系數(shù)。

根據(jù)該武器通道下電子偵察能力、殺傷概率、反應時間、殺傷區(qū)和多目標能力這5個指標參數(shù)的歸一化模型，可以計算各戰(zhàn)技指標參數(shù)的歸一化性能指數(shù)如表3所示。

表3　武器通道的歸一化性能指數(shù)Tab.3　The normalized performance indexes of weapon channels with performance matching

在不考慮武器通道能力匹配性的情況下，該武器通道的戰(zhàn)技指標參數(shù)及歸一化性能指數(shù)如表4所示。

表4　不考慮匹配性的武器通道歸一化性能指數(shù)Tab.4　The normalized performance indexes of weapon channels without performance matching

由歸一化性能指數(shù)可以構造一個反導作戰(zhàn)能力的決策矩陣向量D=（Xij）1×n。根據(jù)決策矩陣向量D及由該武器通道5個作戰(zhàn)能力指標的權重系數(shù)構成的權重向量，可以計算得到該武器通道的作戰(zhàn)能力指數(shù)如圖2所示。

圖2　不同參數(shù)匹配情況下的作戰(zhàn)能力Fig.2　The combat capability under the conditions with and without performance matching

圖2中：情況1為對反應時間、殺傷區(qū)和多目標能力這3個參數(shù)均考慮匹配性的作戰(zhàn)能力指數(shù)情況；情況2為僅考慮武器通道反應時間參數(shù)匹配性而不考慮殺傷區(qū)、多目標能力參數(shù)匹配的作戰(zhàn)能力指數(shù)情況；情況3為僅考慮武器通道多目標能力參數(shù)匹配性而不考慮殺傷區(qū)、反應時間參數(shù)匹配的作戰(zhàn)能力指數(shù)情況；情況4為僅考慮武器通道殺傷區(qū)參數(shù)匹配性而不考慮多目標能力、反應時間參數(shù)匹配的作戰(zhàn)能力指數(shù)情況。從中可以看到，在考慮3個參數(shù)匹配性的情況下，其實際作戰(zhàn)能力指數(shù)與不考慮參數(shù)匹配性的作戰(zhàn)能力指數(shù)差別最大。因此，不考慮武器系統(tǒng)內的參數(shù)匹配，對實際作戰(zhàn)能力的評估存在較大的誤差。

當導彈武器系統(tǒng)攔截概率變化時，在考慮與不考慮反應時間、殺傷區(qū)和多目標能力這3個參數(shù)匹配性的情況下，該反導作戰(zhàn)武器通道的作戰(zhàn)能力指數(shù)變化情況如圖3所示。

圖3　作戰(zhàn)能力指數(shù)隨攔截概率變化曲線Fig.3　The combat capability index with different interception probabilities

當導彈武器系統(tǒng)電子偵察能力指數(shù)變化時，在考慮與不考慮反應時間、殺傷區(qū)和攔截概率這3個參數(shù)匹配性的情況下，該反導作戰(zhàn)武器通道的作戰(zhàn)能力指數(shù)變化情況如圖4所示。

圖4　作戰(zhàn)能力指數(shù)隨電子偵察能力變化曲線Fig.4　The combat capability index with different capabilities of electronic detection

其他武器通道的作戰(zhàn)能力指數(shù)計算方法與上述模型及算法類似，但需要采用不同的歸一化效用指數(shù)模型。對于防空反導作戰(zhàn)任務剖面的各個武器通道，可以采用概率模型來評估其綜合防空反導作戰(zhàn)能力，在此本文不再贅述。

3　結　語

本文針對艦載武器系統(tǒng)方案論證過程中無法準確評估武器系統(tǒng)在裝艦條件下的真實作戰(zhàn)能力的問題，提出了一種基于武器通道性能匹配性的作戰(zhàn)能力計算方法。該方法通過綜合考慮傳感器、打擊武器在艦總體裝艦條件下的實際戰(zhàn)技指標參數(shù)，尤其是探測器視界、武器射界、多目標能力和反應時延等性能參數(shù)的匹配性，將武器通道的作戰(zhàn)能力通過匹配性分析揉合成了幾個主要的戰(zhàn)技指標。隨后，利用效用指數(shù)模型進行歸一化，

進而量化計算作戰(zhàn)系統(tǒng)武器通道的實際打擊能力，并與不考慮性能參數(shù)匹配性的作戰(zhàn)能力估算方法進行了對比分析，其結果可為艦載武器系統(tǒng)的方案論證及設計工作提供技術支撐。

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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網(wǎng)絡出版時間：2016-3-17 10:56

裴雪兵（通信作者），男，1980年生，博士，工程師。研究方向：艦船電子信息系統(tǒng)、作戰(zhàn)系統(tǒng)和電磁兼容性研究與設計。E-mail：peixbhust@163.com