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        一種基于DSKA模型的防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估方法

        2021-01-21 14:53:40張博君趙勇慧宋曉寧
        火控雷達(dá)技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        張博君 韓 星 趙勇慧 李 偉 宋曉寧

        (1.西安電子工程研究所 西安 710100; 2.中國萬寶工程有限公司 北京 100053)

        0 引言

        防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能是衡量武器系統(tǒng)綜合性能水平的重要指標(biāo)。系統(tǒng)作戰(zhàn)效能指的是系統(tǒng)在指定條件下完成指定使用目標(biāo)的能力。這里“指定條件”指的是使用此系統(tǒng)的人員、時間和此系統(tǒng)當(dāng)前本身所處的環(huán)境條件等因素,“指定使用目標(biāo)”指的是系統(tǒng)所要完成的指定的任務(wù),“能力”指完成指定任務(wù)的定量或定性程度的度量。系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的重要性早已得到大家的公認(rèn),并在規(guī)劃、論證和研究武器系統(tǒng)時被廣泛運(yùn)用[1]。

        事實(shí)上,武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能高,并不代表它在實(shí)戰(zhàn)中一定發(fā)揮作用大?,F(xiàn)代戰(zhàn)爭是體系對抗,武器系統(tǒng)性能、訓(xùn)練水平、組織指揮、后勤保障等因素共同決定戰(zhàn)爭勝負(fù)。實(shí)戰(zhàn)情況千變?nèi)f化,作戰(zhàn)效能一般是按照典型情況、經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的條件計算的。本文采用一種基于DSKA模型的防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估方法對高炮、導(dǎo)彈及彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)效能分析比較,以期貼合實(shí)戰(zhàn)需求,結(jié)合現(xiàn)有裝備,提供一套定量的防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估方法,從而盡可能以合理有效的方式結(jié)合各類武器系統(tǒng)形成更加高效的結(jié)合武器系統(tǒng),為提高防空效能提供依據(jù)。

        1 模型介紹

        作戰(zhàn)效能是衡量地面防空武器系統(tǒng)的重要依據(jù)。地面防空作戰(zhàn)效能是指在一定的條件下,地面防空兵完成給定作戰(zhàn)任務(wù)所能達(dá)到預(yù)期的程度[2]。單一防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能可采用DSKA模型來進(jìn)行定量分析,DSKA效能分析模型如式(1)所示。

        E=D×S×K×A

        (1)

        其中:

        E—防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能;

        D—探測概率(Detection probability);

        S—服務(wù)概率(Service probability);

        K—?dú)灨怕?Kill probability);

        A—生存概率(Alive probability)。

        防空武器的戰(zhàn)術(shù)協(xié)同指的是為實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo),選擇具備不同防空技術(shù)手段的武器裝備協(xié)同作戰(zhàn),通過各個單裝不同功能技術(shù)手段的融合,實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的提升[3]。由多種單一防空武器構(gòu)成的結(jié)合防空武器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)時,其作戰(zhàn)效能與目標(biāo)一次進(jìn)入及遠(yuǎn)離,系統(tǒng)所屬武器可攻擊方式的作戰(zhàn)效能有關(guān)。例如,彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)攻擊目標(biāo)時,導(dǎo)彈可在目標(biāo)進(jìn)入和遠(yuǎn)離時進(jìn)行迎頭和尾追攻擊,而高炮一般只能對目標(biāo)進(jìn)行迎頭攻擊。因此,一般對彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)效能評估時,可按式(2)的評估方法進(jìn)行評估計算。

        ES=1-1-EG×1-EH/M×(1-ET/M)

        (2)

        其中:

        ES—彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能;

        EG—高炮迎頭攻擊作戰(zhàn)效能;

        EH/M—導(dǎo)彈迎頭攻擊作戰(zhàn)效能;

        ET/M—導(dǎo)彈尾追攻擊作戰(zhàn)效能。

        1.1 探測概率

        探測概率是指在一定條件下,防空武器系統(tǒng)在一次搜索過程中能夠正確無誤地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力,定義為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)次數(shù)與總搜索目標(biāo)次數(shù)之比。

        D=FD/FA

        (3)

        其中:

        D—探測概率;

        FD—發(fā)現(xiàn)目標(biāo)次數(shù);

        FA—總搜索目標(biāo)次數(shù)。

        探測概率是對偵查搜索系統(tǒng)各項(xiàng)性能的綜合效果的量度。對于雷達(dá)系統(tǒng),影響探測概率的主要性能參數(shù)是掃描波束寬度、掃描頻率、發(fā)射機(jī)功率、發(fā)射脈寬、系統(tǒng)增益和損耗、波長、虛警概率、戰(zhàn)場電磁環(huán)境、目標(biāo)位置坐標(biāo)、運(yùn)動規(guī)律和雷達(dá)等效反射截面積(RCS)等。

        1.2 服務(wù)概率

        服務(wù)概率是指目標(biāo)按照一定規(guī)律進(jìn)入武器系統(tǒng)的防空區(qū)域時,系統(tǒng)能夠?qū)δ繕?biāo)實(shí)施射擊的概率,定義為進(jìn)入火力區(qū)的目標(biāo)輸入流與受到射擊的目標(biāo)流之比[4]。

        S=T0/T1

        (4)

        其中:

        S—服務(wù)概率;

        T0—進(jìn)入火力區(qū)的目標(biāo)流;

        T1—受到射擊的目標(biāo)流。

        影響服務(wù)概率的因素主要有以下幾個方面:

        1)當(dāng)敵方目標(biāo)臨空時,武器系統(tǒng)是否處于正常狀態(tài),沒有任務(wù)故障,這與裝備的可靠性維修性及保障水平有關(guān);

        2)具有良好的空情和指揮信息保障;

        3)武器系統(tǒng)戰(zhàn)斗準(zhǔn)備時間及系統(tǒng)反應(yīng)時間足夠,具備對突然出現(xiàn)敵方目標(biāo)的射擊可能性;

        4)武器系統(tǒng)的彈藥攜帶情況及后勤保障水平;

        5)武器系統(tǒng)應(yīng)對多個敵方目標(biāo)作戰(zhàn)時,其轉(zhuǎn)火時間及同時多目標(biāo)打擊能力等。

        1.3 毀殲概率

        毀殲概率是指在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下“命中目標(biāo)的概率”及“命中后毀殲?zāi)繕?biāo)的概率”的乘積。

        “命中目標(biāo)”一般指彈藥直接命中目標(biāo)或帶近炸引信的彈藥飛行至目標(biāo)足夠近處,近炸引信引爆戰(zhàn)斗部或彈丸,以預(yù)制破片命中目標(biāo)?!懊懈怕省币话闶軞庀髼l件,目標(biāo)位置坐標(biāo)、運(yùn)動規(guī)律、體積尺寸和易損性,武器系統(tǒng)瞄準(zhǔn)精度、導(dǎo)彈制導(dǎo)精度、火炮射擊密集度、近炸引信敏感距離、戰(zhàn)斗部威力半徑、破片殺傷半徑、火炮射速和射彈數(shù)量,以及攻擊目標(biāo)發(fā)射導(dǎo)彈數(shù)量等因素影響。

        “命中后毀殲?zāi)繕?biāo)的概率”指在彈藥直接命中目標(biāo),或在目標(biāo)附近爆炸由預(yù)制破片命中目標(biāo)的情況下,毀傷目標(biāo)的概率。一般取決于進(jìn)入目標(biāo)的彈丸或破片能量及目標(biāo)的易損程度。

        單次攻擊毀殲概率是指在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下,發(fā)射一枚導(dǎo)彈或高炮連發(fā)點(diǎn)射一次規(guī)定發(fā)數(shù)的炮彈毀殲?zāi)繕?biāo)的概率。

        K=PH×PD/H

        (5)

        其中:

        K—?dú)灨怕剩?/p>

        PH—命中目標(biāo)概率;

        PD/H—命中目標(biāo)后毀殲?zāi)繕?biāo)的概率。

        1.4 生存概率

        生存概率是指武器系統(tǒng)在戰(zhàn)場中受到敵方目標(biāo)攻擊下未被擊毀的概率,是系統(tǒng)生存能力的度量。生存能力包括武器系統(tǒng)不易被發(fā)現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)后不易被命中、命中后不易被摧毀,以及部件損壞后易于修復(fù)等能力。不易被發(fā)現(xiàn)與武器系統(tǒng)的暴露面積、偽裝與隱身措施等因素有關(guān),不易被命中與武器系統(tǒng)的體積尺寸、機(jī)動能力、對外紅外輻射強(qiáng)度等因素有關(guān),不易被摧毀與武器系統(tǒng)的主動、被動裝甲防護(hù)能力、三防(防核、生物、化學(xué)污染)能力等因素有關(guān)。

        1.5 防空武器最大有效殺傷斜距對作戰(zhàn)效能的影響

        防空武器最大有效殺傷斜距的增加可顯著提高防空系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。以武裝直升機(jī)目標(biāo)為例,武裝直升機(jī)一般采用空地導(dǎo)彈對地面裝甲車輛、人員和建筑進(jìn)行攻擊,其有效射程一般可達(dá)到8km。如采用25mm、35mm等小口徑高炮或便攜式防空導(dǎo)彈對武裝直升機(jī)進(jìn)行攻擊,一般有效射程僅為3~4km,小于武裝直升機(jī)有效射程,敵方武裝直升機(jī)可在防御空域外反復(fù)發(fā)動多次攻擊,這種情況下武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能很差。反之,如果提高防空武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)半徑,使防空武器系統(tǒng)較空襲武器具有更大的殺傷斜距,空襲武器進(jìn)入防御空域的可能性將大大增加,可有效提升系統(tǒng)服務(wù)概率,同時會顯著提高防空武器系統(tǒng)的生存概率。

        2 武器系統(tǒng)效能分析實(shí)例

        以高炮、防空導(dǎo)彈系統(tǒng)及彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)對抗武裝直升機(jī)為例,分別利用DSKA模型對三種武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估。

        2.1 高炮防空武器系統(tǒng)效能分析

        高炮防空系統(tǒng)一般配置為一部火控系統(tǒng)和兩門某高炮,火控系統(tǒng)包括目標(biāo)指示雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)和光電跟蹤器。

        以某武裝直升機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)。設(shè)目標(biāo)沿水平航路做勻速直線運(yùn)動,航路高度200m,航路捷徑500m,速度80m/s,目標(biāo)的三向面積分別為:Sx=8.75m2,Sy=37.5m2,Sz=26.62m2。武裝直升機(jī)有一定的裝甲防護(hù),并且武裝直升機(jī)的速度較低,使彈丸命中動能減少。依據(jù)以上條件,從航路捷徑點(diǎn)開始,沿航路插值計算毀殲概率,則高炮防空武器系統(tǒng)毀殲概率近似如圖1所示。

        圖1 高炮防空武器系統(tǒng)毀殲概率曲線

        考慮到武裝直升機(jī)機(jī)載航炮和火箭彈有效射程均達(dá)3km,所以取3km處的毀殲概率K約為0.03。

        火控系統(tǒng)搜索雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率一般大于0.8,此時D取0.8。

        設(shè)電氣系統(tǒng)平均故障間隔時間(MTBF)為300h,平均故障修復(fù)時間(MTTR)為1h,高炮射擊故障率指標(biāo)0.004,電氣系統(tǒng)可靠度為系統(tǒng)的任務(wù)可靠度為

        1-0.004×0.997=0.989

        設(shè)高炮系統(tǒng)最大有效射程3.5km,略大于空襲武器,取服務(wù)概率中除可靠度以外的系統(tǒng)反應(yīng)時間和敵機(jī)進(jìn)入其防御空域可能性等因素的綜合指數(shù)為0.5,此時高炮防空系統(tǒng)服務(wù)概率為

        S=0.989×0.5≈0.495

        若武裝直升機(jī)掛載激光制導(dǎo)空地導(dǎo)彈時,其攻擊有效范圍將從3km提升至6km。利用高炮系統(tǒng)無法抗擊敵方從其防御空域之外實(shí)施的攻擊,故取生存概率A為0.5。

        所以,高炮系統(tǒng)防空作戰(zhàn)效能為

        E=D×S×K×A≈0.01

        2.2 導(dǎo)彈防空武器系統(tǒng)效能分析

        導(dǎo)彈防空武器系統(tǒng)配置為一部火控系統(tǒng)和一套防空導(dǎo)彈發(fā)射架。為方便分析,火控系統(tǒng)選用與高炮防空系統(tǒng)相同的火控系統(tǒng),為防空導(dǎo)彈提供目標(biāo)指示信息。

        假設(shè)導(dǎo)彈未受干擾,目標(biāo)和航路條件不變,當(dāng)導(dǎo)彈接近時武裝直升機(jī)以5m/s2的加速度躲避導(dǎo)彈。防空導(dǎo)彈對直升機(jī)類目標(biāo)制導(dǎo)精度為落入目標(biāo)紅外輻射中心1.5m半徑圓內(nèi)的概率不小于0.95??紤]到武裝直升機(jī)有一定的裝甲防護(hù),使單發(fā)導(dǎo)彈命中后的毀殲概率有所降低,則單發(fā)導(dǎo)彈對武裝直升機(jī)迎頭及尾追攻擊毀殲概率近似如圖2所示。

        圖2 導(dǎo)彈防空武器系統(tǒng)單發(fā)毀殲概率曲線

        仍取斜距離3km處的毀殲概率值。單發(fā)導(dǎo)彈對武裝直升機(jī)的迎擊毀殲概率約K為0.49,尾追毀殲概率K約為0.45。

        火控系統(tǒng)搜索雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率大于0.8,此時D取0.8。

        電氣系統(tǒng)平均故障間隔時間(MTBF)為300h,平均故障修復(fù)時間(MTTR)為1h,導(dǎo)彈故障率指標(biāo)0.1,電氣系統(tǒng)可靠度為

        單發(fā)導(dǎo)彈的任務(wù)可靠度為

        1-0.1×0.997=0.897

        設(shè)防空導(dǎo)彈最大殺傷斜距為5km,與直升機(jī)機(jī)載空地導(dǎo)彈相比略有不足,取服務(wù)概率中除可靠度以外的系統(tǒng)反應(yīng)時間和敵機(jī)進(jìn)入其射擊服務(wù)區(qū)[5]可能性等因素的綜合指數(shù)為0.7,此時導(dǎo)彈防空系統(tǒng)服務(wù)概率為

        S=0.897×0.7≈0.628

        武裝直升機(jī)掛載激光制導(dǎo)空地導(dǎo)彈時,其攻擊有效范圍將從3km提升至6km。利用防空導(dǎo)彈系統(tǒng)無法抗擊敵方從其射擊服務(wù)區(qū)之外實(shí)施的攻擊,故取生存概率A為0.7。

        所以,防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行迎頭及尾追攻擊時的作戰(zhàn)效能分別為

        EH/M=D×S×K×A≈0.17

        ET/M=D×S×K×A≈0.16

        2.3 彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)效能分析

        彈炮結(jié)合武器將防空導(dǎo)彈和小口徑高炮通過公用搜索、跟蹤、火控系統(tǒng)組合構(gòu)成防空武器,綜合了防空導(dǎo)彈射擊精度高、射程較遠(yuǎn)和高炮反應(yīng)快、火力密集、近距離毀殲概率大的優(yōu)點(diǎn),彈炮結(jié)合實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ),達(dá)到了最佳的防御效果[6]。

        對上述導(dǎo)彈發(fā)射架及高炮進(jìn)行混編,組成彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)。敵機(jī)迎頭進(jìn)入時先發(fā)射一枚導(dǎo)彈在斜距離3km處攔截,若未擊落目標(biāo)再由高炮在1.5km處攔截,如還未擊落目標(biāo)則發(fā)射第二枚導(dǎo)彈尾追攻擊到3km處。按上述攻擊方式高炮、導(dǎo)彈迎擊和尾追的毀殲概率分別約為0.29、0.49和0.45。其它條件不變,將上述數(shù)據(jù)帶入公式(1),得到導(dǎo)彈迎頭攔截效能約為0.17,尾追攔截效能約為0.16,高炮攔截效能約為0.06,則該彈炮結(jié)合系統(tǒng)對武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)效能約為:

        ES=1-1-0.17×1-0.16×(1-0.06)≈0.34

        通過以上分析,同等條件下,應(yīng)對來襲空中目標(biāo)時,彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能明顯高于單一的高炮防空系統(tǒng)和導(dǎo)彈防空系統(tǒng)。

        3 結(jié)束語

        計算效能的意義在于將承擔(dān)相同作戰(zhàn)任務(wù)的數(shù)種武器裝備進(jìn)行比較,從而盡可能以合理有效的方式結(jié)合各類武器系統(tǒng)以提高系統(tǒng)效能。本文采用一種基于DSKA模型的防空武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評估方法對高炮、導(dǎo)彈及彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)進(jìn)行了作戰(zhàn)效能分析比較,結(jié)果表明使用彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行多層次攻擊時,可彌補(bǔ)單一種類武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能過低的問題。該評估方法也對未來更多的融合防空武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能分析評估具有一定的借鑒意義。

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