陳 淼 劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點實驗室 南京 210007)

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基于數(shù)據(jù)鏈的航母編隊評估指標(biāo)體系研究*

陳 淼 劉曉光

(信息系統(tǒng)工程重點實驗室 南京 210007)

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)呛侥妇庩牭闹袠邢到y(tǒng),對作戰(zhàn)指控過程有重要作用,各作戰(zhàn)單元與指控中心之間的情報傳遞與命令下達(dá)等信息均通過數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳輸,因此,對航母編隊作戰(zhàn)效能評估也應(yīng)當(dāng)建立在數(shù)據(jù)鏈性能指標(biāo)上。論文以航母編隊防空作戰(zhàn)為例,分析了在防空作戰(zhàn)過程中,數(shù)據(jù)鏈性能指標(biāo)對指揮質(zhì)量及效能指標(biāo)的影響,建立了防空作戰(zhàn)評估指標(biāo)體系。

航母編隊; 數(shù)據(jù)鏈; 評估; 指標(biāo)體系

Class Number E843

1 引言

航母編隊是以航空母艦為核心,集航空兵、水面艦艇和水下潛艇等作戰(zhàn)力量為一體的機動作戰(zhàn)部隊[1]。組建航母編隊/戰(zhàn)斗群是為了保護(hù)航空母艦及艦載機以充分發(fā)揮其作戰(zhàn)能力,并協(xié)同編隊內(nèi)其它戰(zhàn)艦共同作戰(zhàn)。航空母艦是編隊的核心,作為海上活動機場,其搭載的各類作戰(zhàn)飛機是航母編隊主要作戰(zhàn)力量,既可對空作戰(zhàn)又可對地攻擊,可執(zhí)行截?fù)?、?zhàn)斗巡邏、空中格斗和遠(yuǎn)程巡航等任務(wù)。編隊中各戰(zhàn)斗艦艇也配有一架(大型巡洋艦可配多架)艦載直升機用于執(zhí)行偵察、反潛及搜救等任務(wù)。航母編隊組成如圖1所示。

圖1 航母編隊組成示意圖

現(xiàn)代海戰(zhàn)涉及空中、水面、水下,是一個多方面、多視角、立體的作戰(zhàn)空間,各作戰(zhàn)單元、作戰(zhàn)單元內(nèi)部各系統(tǒng)之間信息傳遞頻繁、交互量大,隨著戰(zhàn)爭節(jié)奏加快,信息交互、戰(zhàn)情上報、命令下達(dá)、情報偵察等瞬息萬變,傳統(tǒng)的指揮方式顯然不能適應(yīng)需要,因此需將不同的信息按照一定的規(guī)則編碼,通過數(shù)據(jù)鏈路在不同的作戰(zhàn)單元之間進(jìn)行傳輸。

數(shù)據(jù)鏈又稱戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈,是現(xiàn)代戰(zhàn)場的中樞系統(tǒng),它將武器平臺及各級指揮控制系統(tǒng)緊密相連,大大提高了武器平臺的態(tài)勢感知能力、快速反應(yīng)能力及火力打擊效能[2]。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)和發(fā)展與武器裝備的發(fā)展密切相關(guān),遺憾的是,迄今為止,還沒有明確統(tǒng)一的定義[3]。因而軍事戰(zhàn)術(shù)專家、技術(shù)專家、科研人員等不同人員站在不同立場,從不同角度出發(fā),各有不同的定義和理解。美軍將數(shù)據(jù)鏈定義為用于傳輸機器可讀的戰(zhàn)術(shù)數(shù)字信息的標(biāo)準(zhǔn)通信鏈路[2～3]。

目前,對評估的研究主要集中在裝備作戰(zhàn)效能方面的評估,在這方面也有不少成果[4～6]。而對于系統(tǒng)的評估主要集中在性能方面的評價,如通信抗干擾性能,選取誤碼率真、時延、吞吐量等作為評估指標(biāo)[7～9]。但是,從大的系統(tǒng)來看,作戰(zhàn)指揮人員不需要過多考慮底層裝備級性能參數(shù)的變化,而是要從應(yīng)用的角度更多考慮系統(tǒng)層各參數(shù)指標(biāo)的變化,以及系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的評估。系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能是我們最終關(guān)心的,但系統(tǒng)是由裝備按照一定的規(guī)則組合成的,裝備性能的好壞影響著系統(tǒng)的綜合效能,本文基于數(shù)據(jù)鏈,從性能指標(biāo)、指揮效果和效能指標(biāo)三方面分析構(gòu)建基于數(shù)據(jù)鏈的航母編隊防空指控評估指標(biāo)體系。

2 航母編隊防空作戰(zhàn)過程概述

航母編隊在海上巡邏/作戰(zhàn),是以編隊的形式協(xié)調(diào)進(jìn)行,航母在內(nèi),艦艇在外,最外層由艦載飛機擔(dān)負(fù)巡邏預(yù)警任務(wù)。敵方空中目標(biāo)如果要對航母進(jìn)行偵察/打擊,必須依次突破艦載飛機及艦艇的防御,若仍然保留打擊能力,方能對航母產(chǎn)生威脅。因此,對于航母編隊來說,遠(yuǎn)程防空任務(wù)由艦載戰(zhàn)斗機執(zhí)行,中近程防空任務(wù)由水面艦艇執(zhí)行。當(dāng)敵方來襲目標(biāo)離航母編隊較遠(yuǎn)時,編隊處于巡航待戰(zhàn)狀態(tài),若有敵情,則由預(yù)警機帶領(lǐng)一個編隊?wèi)?zhàn)斗機起飛前出至指定區(qū)域?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行跟蹤與監(jiān)視[10],在確定敵情后,由預(yù)警機向各戰(zhàn)斗機分配任務(wù)。當(dāng)己方混合編隊中艦載戰(zhàn)斗機無法完成攔截敵方來襲目標(biāo)時,還需申請增加起飛艦載戰(zhàn)斗機增援。

若敵目標(biāo)突破外層艦載戰(zhàn)斗機防空區(qū)域,則需組織水面艦艇進(jìn)行攔截。敵方進(jìn)攻武器的最終目標(biāo)是攻擊航空母艦,突破外層艦載戰(zhàn)斗機防御后,面對的第二層防御便是水面艦艇防空層。因此,水面艦艇的任務(wù)進(jìn)一步消滅敵目標(biāo),以保護(hù)航空母艦。一般來講,水面艦艇在沒有戰(zhàn)斗任務(wù)的情況下,與航空母艦保持編隊隊形,在接到分配任務(wù)后,脫離編隊隊形奔赴待戰(zhàn)區(qū)域執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù),必要時起飛自身攜帶的艦載直升機進(jìn)行偵察協(xié)助完成攔截任務(wù)。

3 評估指標(biāo)體系分析

以上簡要描述了航母編隊在防空過程中,編隊內(nèi)各作戰(zhàn)單元相互協(xié)調(diào)及任務(wù)分配過程。編隊內(nèi)各單元之間如何協(xié)調(diào),指控單元如何引導(dǎo)戰(zhàn)斗單元,引導(dǎo)至何區(qū)域,引導(dǎo)戰(zhàn)斗單元執(zhí)行何任務(wù),均是通過Link11和Link16數(shù)據(jù)鏈分別傳輸M序列消息和J序列消息來實現(xiàn)。因此,系統(tǒng)指揮效果及作戰(zhàn)效能指標(biāo)的好壞都是建立在數(shù)據(jù)鏈消息傳輸性能指標(biāo)上的。本文從數(shù)據(jù)鏈性能指標(biāo)入手,分析基于數(shù)據(jù)鏈的航母編隊在防空作戰(zhàn)過程中需考慮的指標(biāo)因素。

表1 防空評估指標(biāo)體系

以下對表1中列出的指標(biāo)逐一分析。

3.1 數(shù)據(jù)鏈傳輸性能指標(biāo)

1) 完整性

完整性用來衡量編隊內(nèi)所有作戰(zhàn)單元發(fā)出消息是否全面,即是否有漏發(fā)情況。若在仿真模擬過程中,無消息漏發(fā)情況,則完整性為1;若有漏發(fā)情況,則完整性降低,完整性越小,說明消息漏發(fā)情況越嚴(yán)重?？蓪?shù)據(jù)鏈消息發(fā)送完整性定義為在仿真模擬過程中,編隊內(nèi)所有作戰(zhàn)單元實際發(fā)出的消息數(shù)與需要發(fā)送的消息總數(shù)的比值,如式(1)所示。

F=F1/F0

(1)

式中,F0表示根據(jù)劇情設(shè)計,進(jìn)行一次完整的模擬,編隊內(nèi)所有戰(zhàn)斗單元需發(fā)送的消息總數(shù),F1表示實際發(fā)送的消息數(shù)。該式表示的是編隊這一大系統(tǒng)消息發(fā)送的完整性,在此框架下,還可對編隊內(nèi)各戰(zhàn)斗單元單獨進(jìn)行消息發(fā)送完整性評估。

2) 成功率

成功率用來衡量接收單元成功接收到消息的概率?？啥x為發(fā)送單元發(fā)出的消息經(jīng)數(shù)據(jù)鏈傳輸后,被接收單元接收成功接收的比率。如式(2)所示。

S=S1/S0

(2)

式中,S0表示發(fā)送單元發(fā)出的消息,S1表示接收單元收到的消息。類似于完整性指標(biāo),成功率真指標(biāo)也可分為系統(tǒng)成功率和單元成功率,但評價單元接收消息成功率更有意義。

3) 正確性

正確性用來衡量系統(tǒng)內(nèi)各單元接收在成功接收到消息的基礎(chǔ),并且能正確接收的概率。定義為接收單元正確接收到的消息與接收到的消息總數(shù)的比率,如式(3)所示

R=R1/R0

(3)

式中,R0表示接收單元接收到的消息總數(shù),R1表示接收單元收到的正確消息數(shù)。航母編隊在海上作戰(zhàn),其編隊內(nèi)各作戰(zhàn)單元命令的收發(fā)均是通過數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳輸,數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞻l(fā)消息正確與否,直接關(guān)系到作戰(zhàn)的成敗,數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o線傳輸鏈路,其傳輸效果必要受到各種因素的影響,難免會出現(xiàn)消息接收錯誤,對于接收到的錯誤的消息,要求系統(tǒng)進(jìn)行容錯處理。

4) 連續(xù)性

消息傳輸連續(xù)性是影響消息接收成功率的一個因素。消息是以字節(jié)的形式經(jīng)同數(shù)據(jù)鏈逐字節(jié)發(fā)送,發(fā)送單元會連續(xù)地把一條消息發(fā)送完,中途不間斷,正常情況下,接收單元經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈會接收到一條完整的消息,但如果因各種原因?qū)е聰?shù)據(jù)鏈路在消息接收過程中時斷時通,那么,接收到的消息必然缺失字節(jié)位,如果缺失的是關(guān)鍵字節(jié)位,那么該條消息顯然無法使用。連續(xù)性概念如圖2所示。

圖2 連續(xù)性概念圖

圖2中,實線和虛線分別表示發(fā)送端完整發(fā)送的消息和接收端斷續(xù)接收到的消息,τ0表示發(fā)送一條完整消息所需時間,τi(i=1,2,3)表示接收端斷續(xù)接收消息的時間段。從圖中可以看出,在數(shù)據(jù)鏈路受影響的情況下,在消息發(fā)送過程中,有時無法保證鏈路始終處于通暢狀態(tài),在鏈路出現(xiàn)故障狀況下,接收端接收到的消息就是斷續(xù)的、不完整的,這樣的消息如果無法被正確識別,就會使接收單元產(chǎn)生錯誤的動作,直接影響仿真模擬的失敗。因此,針對這一情況,應(yīng)當(dāng)改善鏈路品質(zhì),提高消息收發(fā)效率及系統(tǒng)容錯性。

3.2 指揮效果

1) 指揮周期

指揮周期的主體是作戰(zhàn)指揮員,指揮員通過數(shù)據(jù)鏈消息傳輸收到戰(zhàn)場情報后,通過分析,作出決策后再通過數(shù)據(jù)鏈將決策分發(fā)給作戰(zhàn)單元,即完成一次指揮過程。因此,指揮周期包含戰(zhàn)場情報收集,分析并作出決策,決策分發(fā)三個階段,其中第一階段和第三階段需要數(shù)據(jù)鏈參與,第二階段由指揮員完成。指揮周期也由上述三部分構(gòu)成,如式(4)所示。

T=T1+T2+T3

(4)

該式中,T表示指揮周期,Ti(i=1,2,3)分別表示上述三個階段所需時間。顯然T∈(0,∞),并且T越小,表明指揮周期越短,指揮質(zhì)量越高。其中,T1和T3取決于數(shù)據(jù)鏈傳輸速度與傳輸質(zhì)量,若數(shù)據(jù)鏈性能指標(biāo)高,則指揮員能夠較快作出正確決策,T2較小,反之,T2較大。

2) 指揮規(guī)模

指揮規(guī)模可理解為指控單元在實際工作過程中能夠指揮的作戰(zhàn)單元的最大數(shù)目,這取決于數(shù)據(jù)鏈信息傳輸能力、系統(tǒng)處理信息能力、吞吐量等因素。

3.3 效能指標(biāo)

作戰(zhàn)效能是綜合數(shù)據(jù)鏈傳輸性能指標(biāo)和指揮人員決策能力的基礎(chǔ)上所取得的指標(biāo),本文選取突防概率和戰(zhàn)損比來說明。

1) 突防概率

突防概率直接評價的對象是敵目標(biāo),評價其突破防御系統(tǒng)的能力,用來表現(xiàn)敵目標(biāo)成功突防系統(tǒng)防線的概率,從而進(jìn)一步評價防御系統(tǒng)對敵目標(biāo)的攔截能力。以航母編隊中艦艇防空為例,突防概率可定義為

p=M1/M0

(5)

式中,M0為經(jīng)過艦艇防空責(zé)任區(qū)的目標(biāo)總數(shù),如圖3所示,即前文所述突破編隊外圍艦載機攔截的目標(biāo)。M1表示突破艦艇防御的目標(biāo)。艦艇進(jìn)行防空攔截需要三個階段:(1)通過數(shù)據(jù)鏈接收預(yù)警機傳的外圍目標(biāo)突破艦載機防御的情況,接收敵突防目標(biāo)的狀態(tài)、數(shù)量等信息;(2)開啟雷達(dá)對進(jìn)入防空責(zé)任區(qū)的敵目標(biāo)進(jìn)行搜索定位;(3)將目標(biāo)信息下達(dá)作戰(zhàn)機構(gòu)對敵目標(biāo)實施打擊,并通過數(shù)據(jù)鏈與其它作戰(zhàn)單元保持聯(lián)絡(luò)。

圖3 突防概率示意圖

以上簡要分析了敵目標(biāo)針對艦艇的突防,從而對艦艇防空攔截能力進(jìn)行了評估。同樣可對編隊內(nèi)其它作戰(zhàn)單元以及整個編隊的攔截能力進(jìn)行評估。

2) 戰(zhàn)損比

本文所討論的戰(zhàn)損比是指被攔截的敵目標(biāo)與所消耗武器之間的比率,這一點與突防概率有所不同,后者主要關(guān)注是否還有敵目標(biāo)、還有多少敵目標(biāo)沒有被攔截,而前者從經(jīng)濟(jì)效能的角度評價,以求用最少的武器最大限度擊毀敵目標(biāo)。如式(6)所示。

d=N1/N0

(6)

式中,N1表示有效擊毀敵目標(biāo)數(shù)量,N0表示該攔截作戰(zhàn)所消耗的武器數(shù)量,如圖4所示。

圖4 戰(zhàn)損比示意圖

圖中,有四個敵空中目標(biāo)進(jìn)入艦艇防空責(zé)任區(qū),有一個目標(biāo)未被發(fā)現(xiàn)。艦艇對被發(fā)現(xiàn)的三個目標(biāo)發(fā)射武器進(jìn)行攔截,成功攔截兩個目標(biāo),另外一攔截失敗。圖中所舉例子的戰(zhàn)損比為2/3,突防概率為2/4。

4 結(jié)語

本文基于航母編隊數(shù)據(jù)鏈信息傳輸仿真項目,以航母編隊防空過程為例,討論了基于數(shù)據(jù)鏈的評估指標(biāo)體系,選取了關(guān)鍵性指標(biāo),對改進(jìn)航母編隊作戰(zhàn)過程、數(shù)據(jù)鏈信息傳輸都具有一定的意義。

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Evaluation Index System for Aircraft Carrier Formation Based on Date Link

CHEN Miao LIU Xiaoguang

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory, Nanjing 210007)

As the core system of aircraft carrier formation, data link is of a certain significance to battle command and control system. Each member in the formation, such as carrier plane, naval vessel, aircraft carrier and so on, transfers intelligence to command center or receives orders issued by command center. All of the actions mentioned above are based on the data link. The problem of aerial defence campaign operation for aircraft carrier formation is studied in this paper, and the data link performance indexes are analysed as well. Otherwise, based on data link indexes mentioned above, command quality and efficiency indexes are analysed. Finally, the evaluation index system for aerial defence campaign operation for aircraft carrier formation is presented.

aircraft carrier formation, data link, evaluation index, index system

2014年9月11日,

2014年10月29日

陳淼,男,工程師,研究方向:復(fù)雜大系統(tǒng)建模仿真與效能評估。劉曉光,男,高級工程師,研究方向:指控系統(tǒng)仿真。

E843

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.005