徐 康,李華軍,王盛超,申智利

(94005部隊(duì),甘肅 酒泉733306)

網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)合作戰(zhàn)體系OODA環(huán)路最大行動(dòng)速度計(jì)算與仿真

徐 康,李華軍,王盛超,申智利

(94005部隊(duì),甘肅 酒泉733306)

OODA環(huán)路這一重要的軍事行為已經(jīng)嵌入到網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)的各個(gè)層次。為了度量計(jì)算OODA環(huán)路的最大運(yùn)行速度ΛOODA,首先構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系模型,給出了基于網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)體系信息交換速率的計(jì)算方法。通過量化OODA環(huán)路各階段的時(shí)間消耗,進(jìn)一步得到OODA環(huán)路最大運(yùn)行速度的度量方法。最后通過MATLAB軟件(LPIsimNet)仿真計(jì)算了網(wǎng)絡(luò)電子攻擊對網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的影響效果。

OODA環(huán)路;網(wǎng)絡(luò)化;聯(lián)合作戰(zhàn)體系;信息交換速率

0 引 言

觀察-判斷-決策-行動(dòng)(OODA)環(huán)路是美國軍事學(xué)家John Boyd提出的一種重要的軍事行為,其核心思想是用來說明如何調(diào)動(dòng)個(gè)人(作戰(zhàn)部隊(duì))力量在戰(zhàn)爭中完全摧毀敵人而保存自己的實(shí)力。OODA環(huán)路能夠快速處理整個(gè)環(huán)路的作戰(zhàn)計(jì)劃,對發(fā)生事件作出觀察和反應(yīng)的速度比對手快,還能滲透到對方的決策環(huán)路上,取得軍事上的先機(jī)。[1]

隨著現(xiàn)有傳感器信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平的飛速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)化的作戰(zhàn)體系已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,與此相適應(yīng)的作戰(zhàn)指揮模式也越來越多地采用網(wǎng)絡(luò)化的OODA環(huán)路這一軍事行為。在實(shí)際戰(zhàn)爭中,OODA環(huán)路的合理應(yīng)用能夠有效地提升信息處理能力,改善作戰(zhàn)計(jì)劃,同時(shí)指揮官的作戰(zhàn)意圖可以被快速闡述清楚。因此,OODA環(huán)路的最大運(yùn)行速度ΛOODA[2]可用來評估網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)體系的整體效能。影響ΛOODA的因素很多。由于作戰(zhàn)體系總的信息處理能力的增強(qiáng)可以加快整體作戰(zhàn)進(jìn)程,從而影響了部隊(duì)的機(jī)動(dòng)性、決策速度、殺傷力和靈活性,因此作戰(zhàn)體系中的信息處理能力是影響ΛOODA的重要因素。本文針對作戰(zhàn)體系呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化這一特點(diǎn),采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對作戰(zhàn)體系進(jìn)行建模,給出了基于網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)體系信息交換速率的計(jì)算方法,最后提出了一種計(jì)算ΛOODA的度量方法,并通過MATLAB軟件(LPIsimNet)仿真計(jì)算了網(wǎng)絡(luò)電子攻擊對網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的影響效果。

1 網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系模型的構(gòu)建[3]

由于OODA環(huán)路是一種網(wǎng)絡(luò)化的軍事行為,為了度量環(huán)路中的最大運(yùn)行速度ΛOODA,其關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系模型的構(gòu)建。在這里采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對作戰(zhàn)體系進(jìn)行建模。這里的網(wǎng)絡(luò)就是指一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò),每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)作戰(zhàn)單元,可以是一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)或飛機(jī)系統(tǒng)等等,節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系就代表作戰(zhàn)單元之間的關(guān)聯(lián)。遵循OODA環(huán)路的概念,將網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系抽象為4類節(jié)點(diǎn),分別為決策節(jié)點(diǎn)(D)、傳感節(jié)點(diǎn)(S)、攻擊節(jié)點(diǎn)(A)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(T)。[3]

節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系[3]約束如下:決策節(jié)點(diǎn)一般為指揮所、情報(bào)中心,因此D與D之間的連接是雙向的,表示決策節(jié)點(diǎn)之間信息的共享。節(jié)點(diǎn)S和節(jié)點(diǎn)A只受單方的D指揮,其中傳感節(jié)點(diǎn)偵察目標(biāo)T的信息并傳送給決策節(jié)點(diǎn)D,攻擊節(jié)點(diǎn)A只接受D的控制對目標(biāo)T進(jìn)行打擊摧毀。由此可以得到該網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)體系的OODA過程如圖1所示。

圖1 基于網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的OODA過程

圖中,T代表敵方目標(biāo)節(jié)點(diǎn),A代表我方所有攻擊節(jié)點(diǎn),S代表我方所有傳感節(jié)點(diǎn)。為了便于后面的仿真計(jì)算,采用信息能力值和信息處理速率來表征不同類型節(jié)點(diǎn)的權(quán)值。節(jié)點(diǎn)權(quán)值的大小表示該節(jié)點(diǎn)在作戰(zhàn)體系中的作用,一般分配給D節(jié)點(diǎn)的值最大,S次之,A節(jié)點(diǎn)的權(quán)值最小。

網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)體系信息交換速率基于上述網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行定義,計(jì)為λT,其表達(dá)式為[4]

(1)

其中[4]

(2)

(3)

2 OODA環(huán)路最大運(yùn)行速度計(jì)算

從OODA環(huán)路的定義可以看出,其最大運(yùn)行速度是由4個(gè)階段共同決定的。圖2給出了在4個(gè)不同階段(觀察、判斷、決策、行動(dòng))影響ΛOODA的主要因素,以及這些因素彼此之間的關(guān)系。[7]

圖2 影響ΛOODA的主要因素和這些因素彼此之間的關(guān)系

從圖2可以看出,網(wǎng)絡(luò)化的作戰(zhàn)體系主要是基于網(wǎng)絡(luò)空間取得信息優(yōu)勢,進(jìn)而提高了戰(zhàn)場環(huán)境的態(tài)勢感知能力、指揮員的決策能力以及作戰(zhàn)部隊(duì)的行動(dòng)能力,而且網(wǎng)絡(luò)空間的信息處理能力對于除決策階段的剩余三個(gè)階段都有直接影響,可見網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)體系的信息處理速度對OODA環(huán)路這一軍事行為的重要性。這正是本文在計(jì)算ΛOODA之前構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系模型,并基于該模型給出網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)體系信息交換速率計(jì)算公式的主要原因。圖3基于上述分析給出了ΛOODA分段度量模型[4]。

圖3 OODA環(huán)路分段模型

圖中,△t1定義為從觀察到判斷的時(shí)間,是傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息收集并傳輸給指揮所進(jìn)行信息融合的過程[3],可直接由λT決定;△t2是從判斷到?jīng)Q策的時(shí)間,這一過程主要與指揮員的能力和經(jīng)驗(yàn)有關(guān),由認(rèn)知域的決策速度λC2決定,不能用λT衡量;△t3是從決策到行動(dòng)的時(shí)間,它必須大于信息交換時(shí)間和部署時(shí)間(由物理域的部署速度[7]λd決定);△t4是從行動(dòng)到下一次觀察的時(shí)間,一般大于信息交換時(shí)間和戰(zhàn)斗時(shí)間(由物理域的作戰(zhàn)速度[7]λf決定)的總和。定義OODA環(huán)路總的消耗時(shí)間為TOODA[4],則有

(6)

在OODA環(huán)路速度參數(shù)中,最感興趣的是ΛOODA。對式(6)求倒數(shù)[4]:

(7)

從式(7)可以看出,環(huán)路的最大運(yùn)行速度受網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(由λT決定)和整體決策速度、部署時(shí)間、作戰(zhàn)時(shí)間限制。通過這樣一個(gè)方程將網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)體系內(nèi)部度量標(biāo)準(zhǔn)和傳感器與武器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行結(jié)果直接聯(lián)系起來,即將網(wǎng)絡(luò)空間和作戰(zhàn)指揮網(wǎng)絡(luò)緊密地聯(lián)系起來,可以直接用來評估網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的信息優(yōu)勢和戰(zhàn)場優(yōu)勢。

3 網(wǎng)絡(luò)電子攻擊效果度量

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系遭受電子攻擊時(shí),如果被攻擊節(jié)點(diǎn)接收機(jī)的干擾信號比(JSR[4])超過了特定門限,使得網(wǎng)絡(luò)鏈路的誤比特率無法接受時(shí),這時(shí)就無法建立起數(shù)據(jù)鏈路,進(jìn)而影響了網(wǎng)絡(luò)的最大運(yùn)行速度。因此,通過仿真對JSR評估的意義重大。JSR在實(shí)際測量中受很多因素的影響,本文給出的是基于MATLAB程序集LPIsimNet仿真環(huán)境下的簡易計(jì)算公式,為后面的仿真實(shí)驗(yàn)提供了理論評估基礎(chǔ),其表達(dá)式如下[4]:

(8)

4 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真場景想定:我方一個(gè)導(dǎo)彈發(fā)射網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系由預(yù)警雷達(dá)(傳感節(jié)點(diǎn)S)、空中無人機(jī)(決策節(jié)點(diǎn)D)、地面情報(bào)站(決策節(jié)點(diǎn)D)、地面指揮部(決策節(jié)點(diǎn)D)以及導(dǎo)彈發(fā)射單元(攻擊節(jié)點(diǎn)A)組成,敵方一架電子干擾飛機(jī)同時(shí)對我方的作戰(zhàn)體系中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電子干擾攻擊以切斷我方作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)信息交換鏈路。場景實(shí)現(xiàn):采用MATLAB程序集LPIsimNet對上述的想定場景進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,其仿真場景如圖4。

圖4為用MATLAB軟件(LPIsimNet)對分布在10 000 km2范圍內(nèi)的想定場景進(jìn)行仿真,其中節(jié)點(diǎn)1(DDFS)為導(dǎo)彈發(fā)射單元,節(jié)點(diǎn)2(WRJ)為無人機(jī),節(jié)點(diǎn)3(ZHB)為我方指揮部,節(jié)點(diǎn)5(QBZ)為我方地面情報(bào)站,節(jié)點(diǎn)6(RADAR)為我方預(yù)警雷達(dá),節(jié)點(diǎn)4(GRJ)為敵方干擾機(jī)。

圖4 仿真場景

表1 仿真場景的參數(shù)設(shè)置

仿真結(jié)果分析:在圖4中設(shè)置總的時(shí)間序號數(shù)為7,當(dāng)運(yùn)行仿真時(shí),根據(jù)時(shí)間序號,敵方干擾機(jī)以速度(-20,-10)接近節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)5。位置以節(jié)點(diǎn)的初始位置為參考,速度表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每時(shí)間序號的位移(km/時(shí)間序號)。在這里只給出時(shí)間序號1、2、6、7的仿真結(jié)果(這4個(gè)時(shí)間序號參考性高)。在時(shí)序1干擾機(jī)位于初始位置,從圖5可以看到我方的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)沒有受到任何影響,當(dāng)干擾機(jī)以一定的速度逐漸接近節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)5時(shí),警告出現(xiàn)在時(shí)序2,干擾機(jī)的接近使得節(jié)點(diǎn)5至節(jié)點(diǎn)2以及節(jié)點(diǎn)6到節(jié)點(diǎn)2的鏈路中斷,即同時(shí)切斷了我方地面情報(bào)站和預(yù)警雷達(dá)至無人機(jī)的通信;當(dāng)干擾機(jī)位于時(shí)序6位置時(shí),從節(jié)點(diǎn)2至節(jié)點(diǎn)5的連接也受到了壓制,導(dǎo)致鏈路中斷,即我方地面情報(bào)站與無人機(jī)之間的雙向通信完全被切斷;最終當(dāng)干擾機(jī)位于時(shí)序7位置時(shí),節(jié)點(diǎn)3至節(jié)點(diǎn)5的鏈路也同時(shí)被中斷,造成的后果是我方地作戰(zhàn)指揮部無法向地面情報(bào)站傳輸信息,致使我方的導(dǎo)彈發(fā)射單元無法接收到正確的作戰(zhàn)指揮命令,處于癱瘓狀態(tài)。

圖5 在時(shí)序1的干擾仿真

圖6 在時(shí)序2的干擾仿真

圖7 在時(shí)序6的干擾仿真

圖8 在時(shí)序7的干擾仿真

為了度量我方作戰(zhàn)體系遭受干擾前后網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的參數(shù)變化,以及由此而導(dǎo)致的OODA環(huán)路最大運(yùn)行速度的變化趨勢,表2給出了通過LPIsimNet計(jì)算得出的仿真結(jié)果。

從表2可以看出,隨著干擾程度的加深,作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部度量參數(shù)值(CM,IR,λT)呈現(xiàn)遞減趨勢,OODA環(huán)路最大運(yùn)行速度ΛOODA也呈遞減趨勢。在ΛOODA計(jì)算公式中,假設(shè)決策速度、部署速度、作戰(zhàn)速度都是已知且不變的,ΛOODA的值只受λT的限制。在這里λT是遞減的,從公式也可以推導(dǎo)出ΛOODA是遞減的,即通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性。

表2 通過LPIsimNet計(jì)算得到的度量參數(shù)

5 結(jié)束語

本文的仿真實(shí)驗(yàn)是基于MATLAB軟件程序集LPIsimNet,通過構(gòu)建簡易網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)體系模型,從一定程度上評估了電子攻擊對作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的影響效能,并評估了對應(yīng)用在作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的OODA環(huán)路的影響效能,得出的結(jié)論與之前的理論分析是相吻合的。由于在仿真計(jì)算OODA環(huán)路最大運(yùn)行速度時(shí)只考慮了受傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部度量參數(shù)的影響,因而導(dǎo)致了仿真結(jié)果的局限性。

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Calculation and simulation of maximum action speed of OODA loop for networked combined combat systems

XU Kang, LI Hua-jun, WANG Sheng-chao, SHEN Zhi-li

(Unit 94005 of the PLA, Jiuquan 733306, China)

The OODA loop as an important military behavior has been embedded into all levels of the network operations. In order to measure the maximum action speed (ΛOODA) of the OODA loop, the networked combat systems model is built firstly, and the calculation method of the information exchange rate of the network-based combat systems is given. The measurement method of the maximum action speed of the OODA loop is further obtained through quantifying the time consumption of each stage of the OODA loop. Finally, the effects of the cyber attacks on the networked combat systems are simulated and calculated via the MATLAB software (LPIsimNet).

OODA loop; network; combined combat systems; information exchange rate

2017-05-05

徐康(1987-),男,助理工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)裝備作戰(zhàn)運(yùn)用及效能評估;李華軍(1978-),男,工程師,本科,研究方向:雷達(dá)裝備作戰(zhàn)運(yùn)用及效能評估;王盛超(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)裝備作戰(zhàn)運(yùn)用及效能評估;申智利(1987-),男,助理工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)裝備作戰(zhàn)運(yùn)用及效能評估。

TP393

A

1009-0401(2017)02-0013-05