黃威龍,何 濤

(南京電子技術研究所,江蘇 南京 210000)

空中目標威脅度一般指敵空中作戰(zhàn)單元自身作戰(zhàn)能力和對我方重要保衛(wèi)目標造成破壞的程度及可能性。空中目標的威脅度分析與評估是防空預警信息系統(tǒng)工作中的關鍵一環(huán),對于預警探測裝備資源調度和打擊武器火力分配具有重要的參考和指導意義。

在網絡信息化技術和預警探測裝備手段快速發(fā)展的背景下,防空預警信息系統(tǒng)能夠獲取的探測傳感器和偵察設備類型不斷增加,獲取的敵空中目標信息不斷豐富。威脅度評估就是建立在所獲取的多維度、多屬性目標狀態(tài)信息和態(tài)勢估計基礎之上的高層信息融合技術[1]。

目前,國內外常用的目標威脅度評估方法通常選取表征目標威脅度的影響因子并對其進行處理和計算,得到目標威脅度評估結果[2-4]。大多數(shù)文獻針對威脅度影響因子的選擇過于簡單[5-6],或者所選影響因子數(shù)量雖多,但類型趨于單一[7],導致對目標威脅度的表征不夠全面。本文以防空預警信息系統(tǒng)為應用背景,綜合考慮空中目標威脅度影響要素、偵察探測裝備探測信息特點,提煉出層次式空中目標威脅度評估指標體系,并采用層次分析法建立威脅度綜合評估模型,給出空中目標威脅度評分,為后續(xù)預警探測資源的靈活籌劃調度和武器火力分配提供了決策依據。

1 層次式指標體系構建

飛機是現(xiàn)代戰(zhàn)爭掌握主動權的利器和關鍵,特別是近半個世紀以來,數(shù)次局部戰(zhàn)爭的結果已經充分證明了掌握制空權就是捏住了戰(zhàn)爭勝負的命脈。飛機具有飛行速度快,機動性強,打擊距離遠等特點,隨著預警機、加油機等功能強大的空中節(jié)點目標的出現(xiàn),飛機的遠程作戰(zhàn)、聯(lián)合作戰(zhàn)能力得到了大幅提升。以一個典型敵空中目標遠程打擊場景為例,敵海外軍事基地一架轟炸機起飛,執(zhí)行對我本土的打擊任務,同時預警機編隊從航母起飛前出配合執(zhí)行預警偵察任務,加油機在加油陣位配合提供途中加油(加油后的轟炸機續(xù)航長達上萬千米),轟炸機在距離我海岸線1 000多千米的我防區(qū)外發(fā)射遠程空射巡航導彈,直接打擊我本土重要設施,具有非常大的威脅?？罩心繕送{度的分析評估本質上是一個多屬性決策問題[8-11]。通過分析空中目標威脅度主要影響因素,結合當前現(xiàn)有探測裝備能力,選取攜彈類型、隱身性能、目標類型、所屬國家、任務類型、進入角、速度、目標距離共8個評價指標。根據空中目標威脅度的定義,瞄準空中目標威脅度評估的目標,按照目標能力、作戰(zhàn)意圖、成功機會三大準則進行一級指標劃分。攜彈類型和隱身性能在一定程度上表征了空中目標的作戰(zhàn)能力,目標類型、所屬國家、任務類型、進入角則體現(xiàn)了空中目標的作戰(zhàn)意圖,速度和目標距離則直接體現(xiàn)了空中目標與被保護設施之間的時空距離,即打擊成功的機會性。因此,構建如圖1所示的層次式空中目標威脅度評估指標體系。

空中目標威脅度評估指標體系中包括體現(xiàn)目標不同屬性的定量和定性多種指標,缺乏統(tǒng)一量綱進行衡量,需確定多屬性決策方法并計算各指標權重,最終給出量化的目標威脅度評估值。本文評估值量化標準采用十分制,下面分別介紹每個指標的定義及量化方法。

1) 攜彈類型

飛機的攜彈類型大致可以分為對地攻擊炸彈、火箭彈、精確制導炸彈、空對地導彈、反輻射導彈、空射巡航彈、核彈共7類。該指標可以衡量空中目標的火力打擊射程以及可能對我方保衛(wèi)區(qū)域所造成的傷害程度。基于這兩個維度的考量,結合專家打分法可以獲取攜彈類型指標的威脅評分表,如表1所示。

表1 攜帶類型威脅評分表Tab.1 Carrying type threat rating table

2) 隱身性能

飛機的隱身性能是指采用低散射氣動外形、隱身材料技術、紅外隱身技術等減弱目標的雷達反射波、紅外輻射等特征信息,躲避偵察探測裝備探測的能力。主要考慮雷達RCS和紅外輻射強度的因素,將隱身性能按強弱劃分為5個等級,如表2所示。

表2 隱身性能威脅評分表Tab.2 Stealth performance threat rating table

3) 目標類型

不同目標類型的飛機在戰(zhàn)爭中有不同的作戰(zhàn)能力和使命。轟炸機載彈量大,對重要戰(zhàn)略目標可能造成的毀傷程度大;預警機雖缺乏戰(zhàn)斗火力,但其作為空中指揮大腦的作用不可小覷;加油機可以顯著擴大其他飛機的活動范圍,達到出其不意遠程奔襲攻擊的效果。目標類型指標參照我國對空中目標的分類方法,并綜合考慮火力打擊、預警指揮、系統(tǒng)使命等方面,通過專家打分法對轟炸機、預警機、加油機、戰(zhàn)斗機和其他飛機五種類型的目標賦予相應等級分值,如表3所示。

表3 目標類型威脅評分表Tab.3 Target type threat rating table

4) 所屬國家

空中目標所屬國家的科技能力、軍事能力不盡相同,所具備的飛機設計和制造能力也不盡相同。所屬國家指標在一定程度上可以反映該空中目標的作戰(zhàn)能力。同時,因為空中目標的續(xù)航里程限制,所屬國家或所屬國家的海外基地、海上起飛平臺等與我國的距離也在一定程度上反映了目標的威脅程度。綜合計算國家軍事實力和到我國距離兩項數(shù)據,將所屬國家指標的威脅度劃分成五個等級并賦予相應分值,如表4所示。俄羅斯、日本屬于我國土周邊軍事強國,美國在我國土周邊有軍事基地和航母為飛機提供起飛條件,他們的威脅度最高,韓國、朝鮮、印度等鄰近亞洲國家威脅度次之,然后是英國、法國、德國等距離較遠的歐洲國家,非洲、南美洲等國家威脅度較小,本國的威脅度未設為零,是考慮敵空中目標混淆我方敵我識別設備的可能性。

表4 所屬國家威脅評分表Tab.4 National threat rating

5) 任務類型

空中目標的任務類型一般可以分為攻擊、偵察、巡邏、訓練和其他五種大類。常規(guī)情況下,空中目標日常執(zhí)行巡邏、訓練任務;在特殊時間或事件發(fā)生節(jié)點,攜帶有源、無源探測設備的空中目標會執(zhí)行有目的性的偵察任務;在戰(zhàn)時狀態(tài)下,根據作戰(zhàn)需要執(zhí)行攻擊、偵察、加油等任務。綜合技術偵察、雷達偵察、大數(shù)據挖掘等技術手段,并結合人工研判,可對空中目標的任務類型做出初步分類。五類任務的威脅度評分如表5所示。

表5 任務類型威脅評分表Tab.5 Task type threat rating table

6) 進入角

空中目標與彈道目標的不同點在于無法判斷最終目的點,飛行航線隨機性大,機動性強。本指標評估遵循以下規(guī)律:當空中目標執(zhí)行例行巡邏、訓練演練等常規(guī)任務時,其航線較為固定,且通常不會長時間朝向我方飛行;當空中目標在一段時間內的進入角均值較小,則表明其具有攻擊意圖,且進入角值越小,則表明其攻擊我方意圖越強。將一段時間內的進入角均值指標作為定量評估指標之一,用θ表示,單位為度,評價函數(shù)s(θ)為

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7) 速度

目標速度越快,則其接近我方保衛(wèi)區(qū)域所需的時間越短,留給我方進行攔截、打擊等戰(zhàn)術反應的時間也越短,威脅度越大。通過雷達等探測裝備手段,再經融合、濾波等處理后可得到空中目標的速度估計值。速度指標作為定量指標參與空中目標威脅度的評估計算,用v表示,單位為m/s,評價函數(shù)s(v)為如式(2)所示的分段函數(shù)。取一般武裝直升機的飛行速度70 m/s和典型的美國第五代戰(zhàn)斗機的最大平飛速度470 m/s作為邊界值。速度低于70 m/s時,s(v)取值為0;速度高于470 m/s時,s(v)取值為10;速度位于二者之間時,s(v)取值符合線性函數(shù)。

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8) 目標距離

空中目標與被保衛(wèi)區(qū)域之間的距離越短,進入敵機載武器射程內的風險越大,留給我方防空系統(tǒng)的反應時間越短,威脅度越大。因此,將空中目標與被保衛(wèi)區(qū)域之間的距離作為威脅度評估的定量指標之一。設目標與被保衛(wèi)區(qū)域之間的距離為l,單位為km,評價函數(shù)s(l)如式(3)所示。取典型的美國AGM-158聯(lián)合防區(qū)外空地導彈最大射程1 200 km為此項指標威脅度的0值點,隨著目標距離縮小,威脅度值呈線性增長。

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2 基于層次分析法的威脅度綜合評估

層次分析法[12-13]簡稱AHP,是指將一個復雜的多屬性決策問題作為一個系統(tǒng),將目標分解為多個子目標或準則,進而分解為多指標或多屬性的若干層次,通過定性模糊量化方法算出每一層次指標對上一層次指標的優(yōu)先權重,進而通過加權和算法得到總排序,以作為多屬性優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法?？罩心繕送{度受到多個指標的影響,而層次分析法將這些復雜指標進行有序劃分,使得指標層級更加清晰,并且合理的層級劃分可以對一些耦合性較低的因素進行解耦,使得指標分析和評估過程更加簡潔、清晰。

具體步驟如圖2所示,本文步驟1中的層次式指標體系已建立,下面主要介紹后續(xù)步驟。

圖2 層次分析法計算威脅度評分步驟Fig.2 Steps of AHP to calculate threat rating

2.1 判斷矩陣構造

假設同一級指標為F=[f1,f2, …,fn],分別將每一個指標與其他所有同級指標相比,對上級某一指標的重要程度以數(shù)值1-9及其倒數(shù)表示,數(shù)值含義如表6所示。

表6 指標重要性判斷矩陣中元素取值說明Tab.6 Description of element values in index importance judgment matrix

所構造出的判斷矩陣A中元素aij滿足以下約束條件:

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2.2 特征值和特征向量計算

每級的判斷矩陣構造完成后,通過本征向量法得到矩陣A的最大特征值λmax及其對應的特征向量W=[w1,w2, …,wn]T,再對W進行歸一化處理,即可獲得同一級指標相對于上級某一指標的重要性權重。

2.3 一致性檢驗

在使用該方法確定權值時,可以用λmax-n衡量判斷矩陣中各元素的估計一致性,一致性指標(Consistence Index)CI的定義如下:

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CI與平均隨機一致性指標RI(Random Index)的比值稱為一致性比率CR(Consistence Rate),即CR=CI/RI,其中RI的取值如表7所示。CR的值可以衡量所構造的判斷矩陣是否可以被接收。若CR>0.1,說明矩陣A的一致性不符合要求,應重新估計;若CR<0.1,則認為一致性滿足要求,求得的W可以作為本級各指標的權值。

表7 隨即平均一致性指標RITab.7 Random average consistency index RI

2.4 綜合評分計算

獲得各空中目標威脅度底層指標的評分S=[s1,s2, …,sn]和所占權重W=[w1,w2, …,wn]T后,采用一般加權和法,計算得到最終的空中目標威脅度綜合評分p,計算公式如下:

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3 仿真驗證

為驗證本文空中目標威脅度分析與評估方法的準確性,對我方防空預警信息系統(tǒng)通過融合多手段探測的數(shù)據仿真,綜合處理后生成8批敵空中目標屬性信息,選取某一時刻目標屬性數(shù)據如表8所示。

表8 敵空中目標屬性數(shù)據Tab.8 Enemy aerial target attribute data

一級和二級指標的重要性通過面向領域專家的問卷調查獲得,所構造出的判斷矩陣通過一致性檢驗則為有效調查問卷。通過計算有效調查問卷中指標重要性的均值,獲得最終判斷矩陣,并計算得到指標權重分布,如表9所示。

表9 指標權重分布Tab.9 Index weight distribution

獲得各底層指標權重后,再根據目標屬性值分別采用定性和定量的評估方法計算得到各指標評分,將單指標評分和對應權重相乘并相加,從而得到空中目標威脅度綜合評分,所有仿真目標的威脅度綜合評分結果集P為

由綜合評分排序可知,目標的威脅度排序如下:目標7>目標2>目標1>目標3>目標5>目標6>目標4>目標8。經分析,目標7為美國攜帶核彈具有隱身能力的轟炸機,以一定巡航速度向我方保衛(wèi)區(qū)域側翼臨近,在所有目標中威脅度最高。目標8為不裝備直接攻擊火力的美加油機,在遠海飛行執(zhí)行不明任務,評分在5以下,威脅度一般。綜合評分計算結果符合專家研判意見和戰(zhàn)場實際情況,表明了本文方法的合理性和有效性。

4 結束語

現(xiàn)代探測裝備的手段不斷豐富,技術體制不斷升級,防空預警信息系統(tǒng)通過綜合引接和融合處理所得到的目標數(shù)量和目標屬性日益增加。在有限的探測資源下,高效、快速、準確地對空中目標的威脅度進行自動分析和評估,篩選出高威脅目標,是提高后續(xù)裝備資源調度效率、任務籌劃合理度的關鍵一環(huán)。

本文構建了層次式空中目標威脅度評估指標體系,并基于層次分析法建立了威脅度綜合評估模型,能有效對空中目標威脅度進行自動分析計算并給出綜合評分。通過實際建模和仿真數(shù)據驗證,證明了本文方法合理、可行,可有效支撐后續(xù)裝備調度策略的選擇和防空武器火力的分配,具有較高的實際應用價值。隨著探測裝備能力不斷提升,指標評估方法的不斷發(fā)展,相關問題將進一步持續(xù)深入探討。