鮑俊臣 ,韓道文 *,程立 ,王雙宇 ,宋振之,2
(1. 國(guó)防科技大學(xué) 電子對(duì)抗學(xué)院,安徽 合肥 230000;2. 中國(guó)人民解放軍31649 部隊(duì),廣東 汕尾 516600)
穿透性制空作戰(zhàn)是美空軍為應(yīng)對(duì)軍事大國(guó)反介入/區(qū)域拒止(anti-access and area-denial,A2/AD)體系所提出的一種新型作戰(zhàn)概念,是在空、天、網(wǎng)和電磁域融合的作戰(zhàn)體系下,以先進(jìn)制空飛機(jī)為主、顛覆性技術(shù)為輔,精確實(shí)施軟/硬突防和獲取信息,實(shí)現(xiàn)體系內(nèi)情報(bào)安全共享,引導(dǎo)后續(xù)防區(qū)內(nèi)/外打擊,旨在根據(jù)任務(wù)需求獲取強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下的相對(duì)制空權(quán)[1-4]。由于穿透性制空作戰(zhàn)的實(shí)施主要依靠各類先進(jìn)的作戰(zhàn)飛機(jī),因此評(píng)估穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)威脅程度,掌握穿透性制空作戰(zhàn)各階段作戰(zhàn)飛機(jī)的威脅排序,可為抗穿透性制空作戰(zhàn)目標(biāo)分析和策略研究提供依據(jù)。
常用的威脅評(píng)估方法有層次分析(analytic hierarchy process,AHP)[5]、模糊邏輯[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]以及貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[8]等,其中AHP 通過(guò)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型,結(jié)合定性分析與定量分析,來(lái)解決難以被定量描述的決策問(wèn)題。相對(duì)其他威脅評(píng)估方法,AHP適用于條件要素較少和層次關(guān)系明確的問(wèn)題[9],結(jié)合穿透性制空作戰(zhàn)階段劃分明確、作戰(zhàn)飛機(jī)參數(shù)詳細(xì)等特點(diǎn),故本文采用AHP 開展穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估。
遵循涵蓋主要元素、指標(biāo)定義清晰、指標(biāo)度量準(zhǔn)確等指標(biāo)體系建立原則,基于穿透性制空作戰(zhàn)使用軟殺傷和硬摧毀手段來(lái)打擊A2/AD 體系,因此作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)應(yīng)包含電子干擾能力和武器攻擊能力?;诖┩感灾瓶兆鲬?zhàn)以A2/AD 體系內(nèi)時(shí)敏目標(biāo)為打擊重點(diǎn),因此作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)應(yīng)包含機(jī)動(dòng)能力、最小投射時(shí)間和共享感知能力?;诖┩感灾瓶兆鲬?zhàn)通過(guò)作戰(zhàn)單元互聯(lián)和有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同提升作戰(zhàn)效能,因此作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)應(yīng)包含指揮控制能力。基于穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)在拒止區(qū)域的生存能力,因此作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)應(yīng)包含隱身能力。
而在作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)中,武器攻擊能力因機(jī)載武器的種類、數(shù)量和性能不同難以直接評(píng)估,因此基于穿透性制空作戰(zhàn)對(duì)機(jī)載武器的需求,結(jié)合機(jī)載武器的發(fā)展方向,選取毀傷能力、最大射程、最大飛行速度和隱身能力作為武器攻擊能力評(píng)估指標(biāo)。作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)構(gòu)成如圖1 所示。
圖1 作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)構(gòu)成圖Fig. 1 Composition of threat assessment indicators of operational aircraft
(1) 機(jī)動(dòng)能力K1
機(jī)動(dòng)能力是作戰(zhàn)飛機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)改變飛行速度、高度和方向的能力,作戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)動(dòng)能力越強(qiáng),越容易在作戰(zhàn)中占據(jù)有利位置和達(dá)成投射條件。考慮到穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)可獲取的性能數(shù)據(jù),故選取飛機(jī)的最大可用升力系數(shù)、翼載荷和推重比來(lái)計(jì)算機(jī)動(dòng)能力[10],表示為
式中:Cmax為作戰(zhàn)飛機(jī)的最大可用升力系數(shù);G為作戰(zhàn)飛機(jī)滿載彈藥時(shí)的質(zhì)量;S為作戰(zhàn)飛機(jī)的機(jī)翼面積;P為作戰(zhàn)飛機(jī)在海平面的最大靜推力;g為重力加速度。
(2) 指揮控制能力K2
指揮控制能力是作戰(zhàn)飛機(jī)對(duì)其他作戰(zhàn)飛機(jī)進(jìn)行指揮和控制的能力,體現(xiàn)作戰(zhàn)飛機(jī)在作戰(zhàn)體系中的重要程度。因?yàn)榇┩感灾瓶兆鲬?zhàn)中存在無(wú)人僚機(jī)協(xié)同有人機(jī)作戰(zhàn),所以作戰(zhàn)的指揮控制層級(jí)更加豐富,故指揮控制能力為
式中:Ni作戰(zhàn)飛機(jī)指揮控制的飛機(jī)數(shù)量;R為指揮控制的最大范圍;U為所在的指揮控制層級(jí)計(jì)算。
(3) 電子干擾能力K3
電子干擾能力是裝載電子干擾設(shè)備的作戰(zhàn)飛機(jī)干擾A2/AD 體系中電子信息設(shè)備或系統(tǒng)的能力,可降低A2/AD 體系的作戰(zhàn)效能,支援隱身穿透集群實(shí)施突防和打擊,將電子干擾能力表示為
(4) 最小投射時(shí)間K4
最小投射時(shí)間是作戰(zhàn)飛機(jī)從當(dāng)前位置進(jìn)入攻擊陣位所需的最少時(shí)間,用以表述作戰(zhàn)飛機(jī)轉(zhuǎn)入攻擊狀態(tài)的快慢,表示為
式中:La為作戰(zhàn)飛機(jī)與作戰(zhàn)目標(biāo)之間的水平距離;Lw為機(jī)載武器的最大投射距離;va為作戰(zhàn)飛機(jī)的最大平飛速度。
(5) 隱身能力K5
隱身能力是作戰(zhàn)飛機(jī)和機(jī)載導(dǎo)(炸)彈減弱自身輻射和反射信息的能力,是作戰(zhàn)飛機(jī)穿透防空系統(tǒng)和提高生存能力的關(guān)鍵,將作戰(zhàn)飛機(jī)的隱身能力表示為
(6) 共享感知能力K6
穿透性制空作戰(zhàn)中作戰(zhàn)飛機(jī)既要成為搜集數(shù)據(jù)的傳感器,也要作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù),所以共享感知能力包括作戰(zhàn)飛機(jī)對(duì)目標(biāo)的偵察、監(jiān)視和識(shí)別能力以及將獲取的信息共享至其他作戰(zhàn)單元的能力??紤]穿透性制空作戰(zhàn)對(duì)拒止區(qū)域內(nèi)作戰(zhàn)飛機(jī)的共享感知依賴更強(qiáng),因此將共享感知能力表示為
式中:Nr為機(jī)載雷達(dá)偵察系統(tǒng)最大可跟蹤目標(biāo)數(shù)量;Sr為機(jī)載雷達(dá)偵察系統(tǒng)的遠(yuǎn)距探測(cè)范圍;No為機(jī)載紅外偵察系統(tǒng)最大可跟蹤目標(biāo)數(shù)量;So為機(jī)載紅外偵察系統(tǒng)的探測(cè)范圍;Lr為A2/AD 體系中對(duì)空雷達(dá)網(wǎng)的探測(cè)距離;I為作戰(zhàn)飛機(jī)的信息共享系數(shù)。
(7) 武器攻擊能力K7
武器攻擊能力是作戰(zhàn)飛機(jī)攜帶的全部導(dǎo)(炸)彈對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)的攻擊能力,由機(jī)載導(dǎo)(炸)彈的種類、數(shù)量以及通過(guò)毀傷能力、最大射程、最大飛行速度和隱身能力4 種武器攻擊能力威脅指標(biāo)評(píng)估的攻擊能力共同衡定,武器攻擊能力威脅指標(biāo)計(jì)算如下。
1) 毀傷能力T1
毀傷能力是機(jī)載導(dǎo)(炸)彈成爆后,其戰(zhàn)斗部對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)造成摧毀和殺傷的能力。目前,美空軍裝備的空空導(dǎo)彈通常使用破片殺傷戰(zhàn)斗部,空地導(dǎo)(炸)彈通常使用破片殺傷、侵徹或復(fù)合戰(zhàn)斗部,因此機(jī)載導(dǎo)(炸)彈的毀傷能力以不同類型戰(zhàn)斗部裝載的炸藥量衡定。考慮到穿透性制空作戰(zhàn)中機(jī)載導(dǎo)(炸)彈的打擊目標(biāo)以擁有裝甲的防空武器裝備和堅(jiān)固防御工事為主,使用侵徹或復(fù)合戰(zhàn)斗部的機(jī)載導(dǎo)(炸)彈作戰(zhàn)效能更佳,將機(jī)載導(dǎo)(炸)彈的毀傷能力表示為
式中:Md為破片殺傷戰(zhàn)斗部的裝藥量;Mp為侵徹或復(fù)合戰(zhàn)斗部裝藥量。
2) 最大射程T2
最大射程是機(jī)載導(dǎo)(炸)彈對(duì)作戰(zhàn)目標(biāo)打擊時(shí),能取得預(yù)期打擊效果所飛行的最大水平距離,機(jī)載導(dǎo)(炸)彈的最大射程越大,作戰(zhàn)飛機(jī)在面對(duì)A2/AD體系時(shí)就越安全。最大射程由機(jī)載導(dǎo)(炸)彈的額定射程Ln衡定,表示為
3) 最大飛行速度T3
最大飛行速度是機(jī)載導(dǎo)彈可在飛行過(guò)程中相對(duì)地球表面運(yùn)動(dòng)的最大速度,機(jī)載導(dǎo)彈的最大飛行速度越大,其對(duì)時(shí)敏目標(biāo)的打擊能力就越強(qiáng),也越難以被A2/AD 體系攔截。最大飛行速度由機(jī)載導(dǎo)彈額定的最大飛行速度vn衡定,表示為
4) 隱身能力T4
具備隱身能力的機(jī)載導(dǎo)(炸)彈不易A2/AD 體系探測(cè),擁有更高的作戰(zhàn)效能,將機(jī)載導(dǎo)(炸)彈的隱身能力表示為
由于穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)體系內(nèi)各類威脅評(píng)估指標(biāo)不同的量綱和數(shù)量級(jí)會(huì)影響威脅評(píng)估的準(zhǔn)確性,為消除量綱和數(shù)量級(jí)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生的影響,還需將各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后轉(zhuǎn)換為無(wú)量綱化指標(biāo)測(cè)評(píng)值,使各指標(biāo)值都處于同一數(shù)量級(jí)別。本文采用極差變換法對(duì)各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。指標(biāo)原始數(shù)據(jù)可分為正向型數(shù)據(jù)和反向型數(shù)據(jù),正向型數(shù)據(jù)與其指標(biāo)成正相關(guān),反向型數(shù)據(jù)與其指標(biāo)成負(fù)相關(guān),具體變換公式為
式中:Xi為指標(biāo)原始數(shù)據(jù);Xmax和Xmin分別為該類數(shù)據(jù)的最大值和最小值;Xp為得到的無(wú)量綱化指標(biāo)測(cè)評(píng)值。
建立層次結(jié)構(gòu)模型時(shí),通常將模型劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層,其中目標(biāo)層為待解決的問(wèn)題,準(zhǔn)則層為解決問(wèn)題需考慮的因素,方案層為解決問(wèn)題的不同方案,最終形成目標(biāo)層-準(zhǔn)則層-方案層的多層次分析結(jié)構(gòu)模型。
因此,在穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型中,作戰(zhàn)飛機(jī)威脅排序?yàn)槟繕?biāo)層,作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)為準(zhǔn)則層,各型作戰(zhàn)飛機(jī)為方案層,而在穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型中,準(zhǔn)則層中武器攻擊能力難以直接評(píng)估,因此還需建立武器攻擊能力評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型,其中作戰(zhàn)飛機(jī)的武器攻擊能力為目標(biāo)層,武器攻擊能力評(píng)估指標(biāo)為準(zhǔn)則層,各型導(dǎo)(炸)彈的參數(shù),如圖2所示。
圖2 穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估層次結(jié)構(gòu)模型Fig. 2 Hierarchical model for threat assessment of penetrating countair operational aircraft
判斷矩陣是由準(zhǔn)則層內(nèi)各因素兩兩比較后得出的相對(duì)重要程度所構(gòu)成,用以確定準(zhǔn)則層內(nèi)各因素對(duì)目標(biāo)層的優(yōu)先權(quán)重。本文采用九標(biāo)度法對(duì)準(zhǔn)則層內(nèi)各因素的相對(duì)重要程度進(jìn)行標(biāo)度,判斷矩陣標(biāo)度含義如表1 所示。
表1 判斷矩陣標(biāo)度含義Table 1 Meaning of judgment matrix scale
構(gòu)造作戰(zhàn)飛機(jī)威脅判斷矩陣A= (aij)n×n和武器攻擊能力判斷矩陣B= (bij)m×m,表示為
式中:aij為作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)中Kj相對(duì)于Ki的重要程度的標(biāo)度;bij為武器攻擊能力評(píng)估指標(biāo)中Tj相對(duì)于Ti的重要程度的標(biāo)度。
相對(duì)權(quán)重計(jì)算是采用和法[11]對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化,進(jìn)而得到由準(zhǔn)則層內(nèi)各因素對(duì)目標(biāo)層的優(yōu)先權(quán)重所組成的相對(duì)權(quán)重向量ω,而后通過(guò)一致性檢驗(yàn)公式計(jì)算判斷矩陣內(nèi)各因素的相對(duì)重要程度的一致性,給出一致性檢驗(yàn)公式為
式中:λmax為判斷矩陣的最大特征值;n為判斷矩陣的階數(shù);RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),一般通過(guò)查表得到,給出10 階以內(nèi)的RI取值如表2 所示。
表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 取值Table 2 Average random consistency index value
當(dāng)CR<0.1 時(shí)表示判斷矩陣內(nèi)各因素的相對(duì)重要程度是較為一致的,否則說(shuō)明判斷矩陣內(nèi)各因素的相對(duì)重要程度的矛盾較大,需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正,直至滿足CR<0.1。
首先,根據(jù)武器攻擊能力判斷矩陣B所求得的相對(duì)權(quán)重向量ω2和武器攻擊能力評(píng)估指標(biāo)T,結(jié)合作戰(zhàn)飛機(jī)攜帶的各型導(dǎo)(炸)彈數(shù)量,求出作戰(zhàn)飛機(jī)的武器攻擊能力K7,表示為
式中:ω2i為第i種武器攻擊能力評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重;Tij為第j型機(jī)載導(dǎo)(炸)彈的第i種武器攻擊能力評(píng)估指標(biāo);Nj為作戰(zhàn)飛機(jī)搭載第j型機(jī)載導(dǎo)(炸)彈的數(shù)量。
而后,根據(jù)判斷矩陣A所求得的相對(duì)權(quán)重向量ω1和作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo)K,求出作戰(zhàn)飛機(jī)的威脅度E,表示為
式中:ω1i為作戰(zhàn)飛機(jī)的第i種威脅指標(biāo)的權(quán)重;Ki為作戰(zhàn)飛機(jī)的第i種威脅評(píng)估指標(biāo)。
將計(jì)算得出的威脅度E按由大到小進(jìn)行排序,即可得到穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)的威脅排序。
以美戰(zhàn)略與預(yù)算評(píng)估中心發(fā)布的《大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代的美國(guó)空軍》中對(duì)南海作戰(zhàn)想定為基礎(chǔ)[12],結(jié)合美空軍在臺(tái)海沖突兵棋推演中所使用的作戰(zhàn)飛機(jī),構(gòu)想美空軍使用轟炸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、無(wú)人機(jī)和武庫(kù)機(jī)等對(duì)其印太戰(zhàn)區(qū)內(nèi)某國(guó)瀕海地域防空體系實(shí)施穿透性制空作戰(zhàn),設(shè)該國(guó)對(duì)空雷達(dá)網(wǎng)的探測(cè)距離為400 km,穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)及機(jī)載武器相關(guān)數(shù)據(jù)如表3[13-16],4[17]所示。
表3 作戰(zhàn)飛機(jī)及其相關(guān)參數(shù)Table 3 Operational aircraft and related parameters
表4 機(jī)載武器及其相關(guān)參數(shù)Table 4 Airborne weapons and related parameters
依據(jù)專家意見,得出作戰(zhàn)飛機(jī)威脅判斷矩陣A和武器攻擊能力判斷矩陣B,分別為
采用和法對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化,得出作戰(zhàn)飛機(jī)威脅判斷矩陣A的相對(duì)權(quán)重向量ω1=(0.038 5,0.055 3,0.092 9,0.109 4,0.187 3,0.216 3,0.299 9),武器攻擊能力判斷矩陣B的相對(duì)權(quán)重向量ω2=(0.109 3,0.189 2,0.3507,0.350 7)。
由式(16)計(jì)算得,作戰(zhàn)飛機(jī)威脅判斷矩陣A的λmax1=7.197、武器攻擊能力判斷矩陣B的λmax2=4.010 3。根據(jù)表2 可知,當(dāng)n=7 時(shí),RI=1.36;當(dāng)n=4時(shí),RI=0.89,因此作戰(zhàn)飛機(jī)威脅判斷矩陣A的CR=0.024 2、武器攻擊能力判斷矩陣B的CR=0.003 8,均小于0.1,因此2 個(gè)判斷矩陣均滿足一致性要求。
根據(jù)式(15),(16),將表3,4 給出的相關(guān)數(shù)據(jù)代入,計(jì)算得出穿透性制空作戰(zhàn)各階段作戰(zhàn)飛機(jī)的威脅度,如表5~7 所示。
表5 集群巡航階段(Li=600 km)作戰(zhàn)飛機(jī)威脅排序Table 5 Threat ranking of operational aircraft in cluster cruise phase(Li=600 km)
表6 隱身穿透階段(Li=300 km)作戰(zhàn)飛機(jī)威脅排序Table 6 Threat ranking of operational aircraft in stealth penetration phase(Li=300 km)
表7 精確打擊階段(Li=100 km)作戰(zhàn)飛機(jī)威脅排序Table 7 Threat ranking of operational aircraft in precision strike phase(Li=100 km)
分析穿透性制空作戰(zhàn)各階段作戰(zhàn)飛機(jī)的威脅排序,B-2 和B-1B 的威脅程度隨其不斷深入敵防區(qū)而增大,并在精確打擊階段達(dá)到最大,且隨著B-21新型隱身轟炸機(jī)的公開,穿透性制空作戰(zhàn)中轟炸機(jī)的威脅程度將會(huì)進(jìn)一步提高,因此對(duì)轟炸機(jī)應(yīng)采取多域協(xié)同預(yù)警、盡遠(yuǎn)盡早攔截的策略;F-22 和F-35A 因其優(yōu)異的綜合性能,威脅程度在穿透性制空作戰(zhàn)的各階段均處于較高層次,F(xiàn)-35A 則憑借更為先進(jìn)的航電系統(tǒng)和多用途特性,威脅程度較F-22更高,考慮其既作為傳感器進(jìn)行情報(bào)搜集,又作為護(hù)航主力實(shí)施前伸攻擊,因此應(yīng)對(duì)其采取軟殺傷與硬摧毀兼?zhèn)涞墓羰侄?;MQ-9 的威脅程度雖在各作戰(zhàn)階段均處于較低層次,但諸如XQ-58A,RQ-180等更為先進(jìn)的無(wú)人僚機(jī)的威脅依然不容忽視;B-52H 和C-17 作為武庫(kù)機(jī)其威脅程度隨機(jī)載武器的投射不斷降低,考慮其目標(biāo)指示依賴穿透性平臺(tái)以及自身防護(hù)薄弱的特點(diǎn),可使用作戰(zhàn)飛機(jī)實(shí)施抵近襲擾,加以遠(yuǎn)距電子干擾支援的策略;E-3 的威脅程度因穿透性制空作戰(zhàn)的強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境而有異于常規(guī)空襲作戰(zhàn)中預(yù)警機(jī)威脅程度。綜上所述,穿透性制空作戰(zhàn)雖有異與常規(guī)空襲作戰(zhàn),但因過(guò)度依賴作戰(zhàn)飛機(jī)隱身能力、作戰(zhàn)飛機(jī)代差逐漸減小以及強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境信息傳輸困難等,可通過(guò)研制先進(jìn)雷達(dá)與新型戰(zhàn)機(jī)以及發(fā)展電子防空進(jìn)行應(yīng)對(duì)。
本文提出了一種基于層次分析法的穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估方法,構(gòu)建了穿透性制空作戰(zhàn)飛機(jī)威脅指標(biāo)體系,設(shè)置作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估指標(biāo),提升了威脅評(píng)估的合理性。建立了作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型,將武器攻擊能力評(píng)估模型嵌入作戰(zhàn)飛機(jī)威脅評(píng)估模型,使決策者可以相對(duì)簡(jiǎn)便、迅速地了解穿透性制空作戰(zhàn)各階段作戰(zhàn)飛機(jī)的威脅排序,為制定應(yīng)對(duì)之策提供依據(jù)。