李進軍，李 濤，申戰(zhàn)勝，王 磊

（海軍大連艦艇學(xué)院導(dǎo)彈與艦炮系，遼寧 大連 116018）

0 引言

未來信息化海戰(zhàn)中，各類平臺發(fā)射的反艦導(dǎo)彈已經(jīng)成為水面艦艇面臨的主要威脅［1］。艦載近程反導(dǎo)武器系統(tǒng)（CIWS，Close-In Weapon System）是保障艦艇安全的最后一道屏障，由于末端防空反導(dǎo)距離近、作戰(zhàn)時間短，通常CIWS 在反導(dǎo)作戰(zhàn)過程中采用作戰(zhàn)指揮決策軟件決策結(jié)果自動完成作戰(zhàn)指揮控制，其決策流程的科學(xué)性和正確性直接影響武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，關(guān)系艦艇的生命力［2-4］。本文結(jié)合近程反導(dǎo)武器系統(tǒng)反導(dǎo)作戰(zhàn)特點和要求，對其作戰(zhàn)指揮控制決策流程優(yōu)化問題進行研究，旨在充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能，提高艦艇末端防空反導(dǎo)作戰(zhàn)能力。

1 問題的提出

1.1 CIWS 反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮決策一般流程

依據(jù)水面艦艇末端防空反導(dǎo)作戰(zhàn)的要求，現(xiàn)行的CIWS 一般可以實現(xiàn)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)的高度自動化，即在接收目標(biāo)指示后自動控制武器系統(tǒng)完成火力通道組織、火力運用決策、開停轉(zhuǎn)火控制等任務(wù)。CIWS 作戰(zhàn)指揮決策軟件模塊接收目標(biāo)指示信息后，依據(jù)目標(biāo)參數(shù)和觀測跟蹤器材狀態(tài)自動完成火力通道組織［5］?；鹂叵到y(tǒng)觀測跟蹤器材自動完成目標(biāo)捕獲跟蹤，并實時向火控系統(tǒng)實時發(fā)送目標(biāo)位置觀測數(shù)據(jù)，火控系統(tǒng)諸元解算模塊依據(jù)目標(biāo)、氣象和艦艇姿態(tài)等參數(shù)實時解算射擊諸元，火力運用決策軟件模塊依據(jù)目標(biāo)類型和目標(biāo)運動要素等特征參數(shù)確定開火時機和抗擊區(qū)段，自動控制武器系統(tǒng)向目標(biāo)提前點射擊。在閉環(huán)工作模式下，火控系統(tǒng)諸元解算模塊通過觀測跟蹤系統(tǒng)觀測到的射擊偏差量，自動完成誤差分離和射擊校正。射擊過程中，指揮決策模型依據(jù)射擊效力在線評估結(jié)果和目標(biāo)運動參數(shù)綜合判斷射擊效果，并依據(jù)火力運用方案和射擊效果形成停（轉(zhuǎn)）火指令［6］。其一般流程如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)行CIWS 反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮指揮決策流程圖

1.2 存在的主要問題

隨著反艦導(dǎo)彈技術(shù)的飛速發(fā)展，未來作戰(zhàn)中各類超高音速導(dǎo)彈將成為艦載CIWS 抗擊的主要目標(biāo)，反艦導(dǎo)彈速度大幅提高的同時，其隱身性、破壞威力、末端機動能力也將進一步增強，CIWS 反導(dǎo)作戰(zhàn)將面臨捕獲跟蹤難、反應(yīng)時間短、攔截概率下降等一系列難題，依照現(xiàn)行的反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮決策流程已經(jīng)難以滿足作戰(zhàn)需要，主要問題體現(xiàn)在以下方面。

1.2.1 目標(biāo)攔截可行性評估不足

目前的指揮決策流程中，通常僅在指控形成目標(biāo)指示階段依據(jù)目標(biāo)類型、武器狀態(tài)和目標(biāo)臨空時間粗略判斷目標(biāo)攔截可行性［7］。隨著各類導(dǎo)彈目標(biāo)機動能力的大幅提高，在CIWS 火控系統(tǒng)指揮決策流程中，應(yīng)對目標(biāo)攔截可行性評估模型進行改進，為選擇射擊方法和制定火力運用方案提供參考，同時避免武器被無法完成抗擊的目標(biāo)占用火力通道導(dǎo)致資源浪費。

1.2.2 射擊方式和火力運用優(yōu)化不足

目前CIWS 對導(dǎo)彈目標(biāo)射擊方式包括追蹤射擊、彈幕射擊和攔阻射擊等方式［8］，但在指揮決策流程中，通常僅依據(jù)武器系統(tǒng)性能特點選擇較為單一的射擊方式，依據(jù)射擊方法的原理要求對開火時機和火力運用方案進行優(yōu)化決策。隨著目標(biāo)機動速度、機動方式的變化，應(yīng)在指揮決策過程中，依據(jù)不同的目標(biāo)特點和戰(zhàn)場態(tài)勢靈活運用不同的射擊方法，以適應(yīng)未來水面艦艇防空反導(dǎo)作戰(zhàn)目標(biāo)威脅大、作戰(zhàn)時間短的特點要求。

1.2.3 流程冗余不足，作戰(zhàn)效能發(fā)揮不充分

CIWS 通常射擊精度較高，因此，通常采用追蹤射擊和未來空域窗射擊方式對空中目標(biāo)進行抗擊［9］。這兩種射擊方式均依賴于武器系統(tǒng)觀測跟蹤器材的穩(wěn)定跟蹤能力、火控系統(tǒng)射擊諸元解算精度和武器系統(tǒng)的火力運用。因此，在作戰(zhàn)過程中，即使武器彈藥均符合設(shè)計要求，而一旦出現(xiàn)目標(biāo)丟失、無射擊諸元等不滿足武器系統(tǒng)開火要求的情況，則指揮決策流程中斷無法設(shè)計，可能造成貽誤戰(zhàn)機、導(dǎo)致導(dǎo)彈突防造成艦艇受損的嚴(yán)重后果。

綜上所述，有必要針對未來水面艦艇末端防空反導(dǎo)作戰(zhàn)的特點和要求，對CIWS 指揮決策流程進行優(yōu)化改進，以充分發(fā)揮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

1.3 作戰(zhàn)指揮決策流程的改進

依據(jù)問題研究基礎(chǔ)假設(shè)，針對現(xiàn)行作戰(zhàn)指揮決策存在的不足，構(gòu)建包含目標(biāo)攔截可行性判斷、射擊方法優(yōu)選和應(yīng)急射擊等環(huán)節(jié)的作戰(zhàn)指揮決策流程，流程示意圖如下頁圖2 所示。

圖中：T臨空為目標(biāo)剩余臨空時間，T應(yīng)允為備用方式應(yīng)急射擊允許的最小時間，在后續(xù)模型中明確。

改進后流程基于CIWS 性能特點和作戰(zhàn)需求，重點解決了近程反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮決策快速性、科學(xué)性、可靠性等方面存在的問題，改進流程的主要優(yōu)越性體現(xiàn)在以下方面：

1.3.1 提高對目標(biāo)攔截效果

圖2 改進CIWS 反導(dǎo)作戰(zhàn)指揮指揮決策流程圖

通過增加目標(biāo)攔截適宜性判斷和射擊方式優(yōu)化模塊，提高武器系統(tǒng)主用射擊方式的優(yōu)化選擇使用，提高武器系統(tǒng)抗擊不同類型目標(biāo)的有效性和經(jīng)濟性。

1.3.2 充分挖掘武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能

充分挖掘武器系統(tǒng)作戰(zhàn)潛力，增加應(yīng)急射擊流程分支，保證武器系統(tǒng)在特殊情況下功能使用對所分配目標(biāo)完成抗擊的需求，提高武器系統(tǒng)作戰(zhàn)流程的冗余性和可靠性。

2 作戰(zhàn)指揮決策流程優(yōu)化相關(guān)模型

2.1 攔截可行性判斷模型

在上級指揮控制系統(tǒng)進行目標(biāo)武器分配過程中，應(yīng)依據(jù)目標(biāo)態(tài)勢和火力單元狀態(tài)，通過目標(biāo)臨空時間、武器系統(tǒng)反應(yīng)時間、武器系統(tǒng)抗擊時間需求對目標(biāo)攔截可行性進行初步的判斷。在CIWS 武器系統(tǒng)接收到目標(biāo)指示后對目標(biāo)攔截可行性進行判斷的主要目的是合理選擇射擊方法。攔截可行性判斷主要依據(jù)目標(biāo)可跟蹤性、抗擊時間需求和抗擊效果要求3 個要素進行判斷。攔截可行性指標(biāo)Rl可確定為：

式中，Rm為跟蹤可行性指標(biāo)，Rt為抗擊時間可行性指標(biāo)，Re為攔截效果可行性指標(biāo)。

2.1.1 跟蹤可行性指標(biāo)

該指標(biāo)主要針對導(dǎo)彈目標(biāo)速度和機動性能大幅提高的要求，判斷觀測跟蹤器材對目標(biāo)射擊過程中全航路的跟蹤可行性，重點考慮跟蹤器材方位和俯仰角速度和角加速度要求。若目指信息只包含目標(biāo)二維信息，則僅對方位跟蹤可行性進行判斷。設(shè)目標(biāo)當(dāng)前水平距離為Dt，目標(biāo)速度Vt，航路捷徑Pt。則有：

式中：β˙max為目標(biāo)航路角速度最大值，β··max為目標(biāo)航路角角速度最大值，β˙0為觀測跟蹤器材跟蹤角速度最大值，β··0 為觀測跟蹤器材跟蹤角加速度最大值。具體確定方法如下［10］：

2.1.2 抗擊時間可行性指標(biāo)

抗擊時間可行性指標(biāo)主要衡量武器系統(tǒng)主要射擊方式是否能夠滿足抗擊要求。抗擊時間可行性指標(biāo)Rt可確定如下：

式中：Tl為目標(biāo)進入武器系統(tǒng)射擊近界時間，由于目前反艦導(dǎo)彈多采用掠海飛行方式，可以用水平距離進行近似計算。Tmin為武器系統(tǒng)采用主要方式完成抗擊所需最小時間。

式中：Dmin為CIWS 抗擊近界，Tc為系統(tǒng)火控反應(yīng)時間，包括調(diào)舷、捕獲、濾波、解算等時間，Ts為武器系統(tǒng)完成攔截所需要的最小射擊時間，可依據(jù)射擊方法和射擊效力統(tǒng)計得出。

2.1.3 抗擊效果指標(biāo)

抗擊效果指標(biāo)重點是依據(jù)目指信息對抗擊效果進行概算，判斷比較武器系統(tǒng)采用主用射擊方式可能達到的射擊效果。對該指標(biāo)確定方式如下：

式中：Ps為采用主用射擊方式對目標(biāo)的毀傷概率，可以通過目標(biāo)允許抗擊時間、射速和不同射擊方式下的單發(fā)毀傷概率進行概率統(tǒng)計計算。P0為采用應(yīng)急射擊方式對目標(biāo)的毀傷概率閾值，可通過射擊時間、阻攔次數(shù)、目標(biāo)分布情況進行理論計算［11］。

2.2 射擊方式優(yōu)選模型

基于武器系統(tǒng)的多種射擊方式，在作戰(zhàn)過程中應(yīng)依據(jù)不同的作戰(zhàn)對象，選擇合適的射擊方式。

2.2.1 優(yōu)選指標(biāo)

依照作戰(zhàn)效能綜合優(yōu)化的思路，取綜合作戰(zhàn)效能為衡量指標(biāo)［12］。依據(jù)CIWS 末端反導(dǎo)攔截作戰(zhàn)特點和要求，可以建立綜合考慮目標(biāo)毀傷概率、持續(xù)作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)效費比的綜合作戰(zhàn)效能指標(biāo)體系［7］作為射擊方式優(yōu)選的依據(jù)。

2.2.2 優(yōu)選模型

假設(shè)CIWS 武器系統(tǒng)射擊方式集合為M={M1，M1，…，Mn}，各種射擊方式對應(yīng)的綜合效能指標(biāo)分別為Ui，優(yōu)選射擊方式為［13］：

式中：p1、p2、p3分別為目標(biāo)毀傷概率、持續(xù)作戰(zhàn)能力、作戰(zhàn)效費比指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，可以依據(jù)專家打分法、層次分析法或者比例法等進行確定［14］。ai1、ai2、ai3分別為射擊方式Mi對應(yīng)的目標(biāo)毀傷概率、持續(xù)作戰(zhàn)能力、作戰(zhàn)效費比的指標(biāo)值。不同射擊方式對應(yīng)的目標(biāo)毀傷概率，可以依據(jù)目標(biāo)態(tài)勢和抗擊方法進行統(tǒng)計分析計算，持續(xù)作戰(zhàn)能力和效費比，可以通過不同射擊方式射擊時間、射速和彈鼓彈藥儲備數(shù)量進行量化［15-17］。

2.3 應(yīng)急阻攔射擊模型

應(yīng)急阻攔射擊是針對無法穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)或者目標(biāo)丟失導(dǎo)致無射擊諸元等情況下，或正常射擊方式無法正常實施時，利用目指信息進行的一種應(yīng)急射擊方式。

2.3.1 實施過程

依據(jù)作戰(zhàn)對手分析，確定典型反艦導(dǎo)彈目標(biāo)末端飛行高度，在射擊準(zhǔn)備過程中提前裝定。在滿足應(yīng)急射擊邏輯條件時，依據(jù)目標(biāo)指示目標(biāo)方位，確定阻攔射擊方案并自動控制武器系統(tǒng)射擊。

2.3.2 阻攔方案確定

1）阻攔次數(shù)：應(yīng)急阻攔射擊由于作戰(zhàn)距離近，通常只設(shè)定一個阻攔點，即僅進行一次阻攔。

2）阻攔點選擇：由于阻攔射擊攔阻本身單發(fā)命中概率相對較低，綜合考慮目標(biāo)分布和射擊效果要求，阻攔點方位為目標(biāo)方位，攔阻距離可設(shè)定為CIWS 的射擊近界Dmin。

3）射擊持續(xù)時間：阻攔射擊持續(xù)時間Tcf可以依據(jù)設(shè)定的攔截概率閾值P0、攔阻射擊一發(fā)命中概率Pcf和攔阻射速γ 確定。

4）開火時機：考慮到阻攔射擊對目標(biāo)運動預(yù)測的誤差，目標(biāo)提前到達預(yù)測阻攔區(qū)域則阻攔無效，目標(biāo)滯后到達時，由于彈丸到達預(yù)定阻攔點后仍然會繼續(xù)向前飛行，也可以造成一定的毀傷效果，因此，當(dāng)阻攔射擊等待時間Tcw≤0 武器系統(tǒng)開火。

式中：Tl為目標(biāo)進入武器系統(tǒng)射擊近界時間，Tcf為阻攔射擊預(yù)設(shè)持續(xù)時間，Tcr為阻攔射擊諸元計算和武器調(diào)舷時間，ΔT 為目標(biāo)預(yù)測滯后補償時間。

2.3.3 阻攔射擊允許時間

根據(jù)以上分析，要依照流程完成阻攔射擊，應(yīng)急射擊允許最小時間可確定如下。

式中：Tcf為阻攔射擊最小射擊持續(xù)時間，可以取0.5 s～1 s，具體可根據(jù)武器系統(tǒng)性能參數(shù)確定。

3 結(jié)論

針對CIWS 反導(dǎo)作戰(zhàn)的特點和要求，結(jié)合目標(biāo)特性和武器系統(tǒng)的發(fā)展，本文構(gòu)建了基于攔截可行性分析、射擊方式優(yōu)選和主用備用相結(jié)合的作戰(zhàn)指揮決策流程，依照該流程可以充分發(fā)揮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能，提高反導(dǎo)作戰(zhàn)效果，有效減小武器系統(tǒng)火力資源的浪費，研究成果可以為水面艦艇CIWS 系統(tǒng)作戰(zhàn)指揮決策軟件的研究和改進提供參考。