防空武器系统效能分析研究

2024-07-21 来源：品趣旅游知识分享网

地面防空武器　　2005年第4期

防空武器系统效能分析研究

刘天坤　赵育善

1　引言

防空武器系统的效能是研制以及使用该防空武器系统所追求的总目标,是研制、规划、配置和部署武器系统的基本依据,是评估其优劣最重要的综合性指标,是武器装备作战对抗的动力和判断胜负的重要依据。武器系统的效能分析是防空武器系统论证中重要的工作之一,它对论证工作的科学合理以及研制计划和方案的正确性有重要的意义。通过防空武器系统的效能分析,可以解决武器装备建设和使用中的许多问题:如防空武器装备(方案)的综合性评估,防空武器装备建设工程的优化管理,防空武器装备使用的决策分析等。

防空武器效能分析是一门方兴未艾的新兴学科,自诞生之日起就在地空导弹和高射炮总体方案评估、作战行动效能评估及武器设计等方面发挥着重要作用。本文从防空武器效能系统效能概念及效能分析基本方法等方面阐述了防空武器系统效能分析的研究现状,并指出了未来的研究方向。

程中的状态由系统的“可信性”描述;系统完成任务的程度用系统的“完成任务的能力”描述。防空武器系统效能结构如下图1所示。机动能力是指防空武器系统为保证完成其基本任务,能够克服各种自然和人为的障碍,迅速的转移阵地及迅速地进行行军与战斗状态转换的能力。防护能力指防空武器系统不易被敌方的侦察器材所发现,在受到敌方攻击时不易被命中、击毁以及在核、化、生战争环境中保证乘员和仪器不受伤害的能力,它实际上也就是防空武器系统在受到敌方攻击时既不实施反击、也不采取规避动作下的依附于系统本身的能力。攻击杀伤能力是指防空武器系统能够可靠进行火力控制,杀伤空中来袭目标的能力。它包括能够发现、捕捉来袭的空中目标,在发现目标后能迅速地对其实施射击,以及在实施射击后能有效毁伤目标的能力。指挥控制能力是指防空武器系统有效获取情报,并对武器系统实施适时、快速、协调指挥的能力。

2　防空武器系统效能的基本概念及构

3　防空武器系统效能分析的方法

评定防空武器系统效能的方法较多,主要有层次分析法、专家评定法、试验统计法、作战模拟法、指数法、SEA法和解析法等。本文只研究效能分析的解析方法。

解析法是根据描述效能指标与给定条件之间的函数解析表达式计算指标,通过数学方法建立效能方程并求解的方法。解析法的优点是数学模型比较严谨,效能指标含义明确,易于理解,计算简单,在实践中得到了推广。

成

关于防空武器系统的效能我们可以定义为:在规定的条件下和规定的时间内,防空武器系统完成给定作战任务的能力。

防空武器系统在开始执行任务和执行任务过程中的状态及最后完成给定任务的程度共同构成了系统的效能。对于防空武器系统来讲,系统在开始执行任务的状态由系统的“可用性”来描述;系统在执行任务过

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图1防空武器系统效能结构图

3.1经典WSEIAC模型

WSEIAC模型就属于解析法,此模型是

率)。

Ek=66aidijcjk

i=1j=1n

(3)

美国工业界武器系统效能咨询委员会建立的,被认为很有效、很通用的模型。WSEIAC模型的一般表达式为:

E=A[D][C]

式中　ai—系统在开始执行任务时处于

第i种状态的概率;

dij—已知系统在执行任务时处于

(1)

第i种状态,而在执行任务过程中处于第j种状态的概率;

cjk—系统在执行任务过程中处

式中　E—系统效能行向量;

A—可用性行向量;[D]—可信性矩阵;[C]—能力矩阵。

于第j中状态时,第k个品质因数相对应的能力数值;k—第k个品质因数的号码。

(2)

有m个品质因数时,系统效能行向量可表示为:

E=(e1,e2…,em)26

对于大多数武器系统,系统效能一般是指该系统完成特定任务的概率。所以系统

式中　ek—第k个品质因数的值(是概

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效能表达式可最终转化为

(4)E=A[D][C]

式中　E—系统效能向量(由一个元素

组成);C—能力向量。

1)可用性行向量A

可用性行向量是由系统在开始执行任务时处于所有可能状态的概率组成的。一般表达式为:

(5)A=(a1,a2,…,an)

式中　ai—开始执行任务时系统处于第

i中状态的概率;n—系统可能处于的状态数。n种可能的状态构成了样本空间,因此i=1

状态不同其完成特定任务的概率也不同。若系统的效能由m个品质因数(都是用概率描述的)组成,则系统的能力也有相应的m个指标。其中每一个能力指标在n种不同状态下呈现出n个数值。那么m个能力指标就呈现出m×n个数值。因为能力矩阵是一个m×n阶矩阵,即

c11　c12　…　c1m

[C]=

c21　c22　…　c2m…　…cn1　cn2　…　cnm

(9)

式中cjk一系统在执行任务过程中处于第j种状态时,第k个品质因数相对应的能力数值。

WSEIAC模式中,能力矩阵(向量)是系

6ai=1n

(6)

2)可信性矩阵[D]

统性能的集中体现,也是求解效能的关键所在。

3.2　WSEIAC模型的推广

可信性矩阵就是由系统在开始执行任

务时的各种状态,在执行任务过程中转化为其他状态的概率组成的,分为可修复系统的可信性矩阵和不可修复系统的可信性矩阵。表达式为

d11　d12　…　d1n

[D]=

d21　d22　…　d2n

现代战争条件下,考虑到防空武器系统所处的环境和人的因素的影响,在进行效能分析时注意了以下三个方面的因素:一是各种武器和军事装备都是在敌方积极对抗的环境下运用的,敌方的对抗对武器的系统效能有很大的影响,所以在评定武器系统的效能时要充分考虑到敌方的对抗;二是任何武器系统都离不开人的操作,人的因素支配着武器系统的性能,因此要考虑到对武器系统的性能造成的影响;三是电子对抗是影响战争进程的一个重要作战形式。在武器效能分析中,必须要考虑到电子对抗的影响。因此,对经典的WSEIAC模型作了推广,如下:

(10)E=qAK[D]Q[C]

其中,E,A,[D],[C]表示的意义同前述。q表示武器系统在未被敌方火力击毁的

…　…

dn1　dn2　…　dnn

(7)

式中　dij—已知系统在开始执行任务时

处于第i种状态,而在执行任务过程中处于第j种状态的概率。

对于系统开始执行任务的任一种状态,在执行任务过程中的n个可能的转化状态下这一状态转化的样本空间。因此,矩阵[D]中每一行的元素之和必定等于1,即

j=1

6dij=1　(i=1,2,…,n)

(8)

3)能力矩阵[C]

条件下发射的概率。

q=PA+(1-PA)(1-PR)

----

系统的能力是指系统最后完成特定任务的程度,一般由完成特定任务的概率表示。这个概率与系统在执行任务过程中所处的状态密切相关。同一系统,由于所处的

(11)

PA表示我方武器系统先敌射击的概率;P表示敌方武器系统条件杀伤概率;R表示

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敌方武器系统发射可靠、飞行可靠的概率。

K表示武器系统操作人员维修武器系统的成功率,与人的素质和训练水平有关。

k11　k12　…　k1n

K=k21　k22　…　k2n

c1,c2分别表示正常工作和故障时系统完成

…　…

kn1　kn2　…　knn

(12)

任务的概率。

MTBF(15)a1=MTBF+MTTR

(16)a2=1-a1

式中,MTBF为武器系统的平均无故障工作时间,MTTR为平均故障修复时间,假设防空武器系统的各子系统串联,则A=(a1,a2)=∏a1x,1-∏a1xx=1

x=1T

式中,Kij(i=1,2,.,n;j=1,2,.,n)表示系统在维修或维护前处于第i种状态,经维修或维护后处于第j种状态。

Q表示经过电子对抗后,武器系统完好的概率。

q11　q12　…　q1n

Q=q21　q22　…　q2n

(17)

其中a1x为第x个子系统的可用度,x为防空武器系统中串联子系统的个数。

假设防空武器系统的故障率为λ并服从指数分布,系统的任务工作时间为t,在激烈战斗过程中不可修复,则

-λt-λtd11　d12e　1-e

[D]==0　　　1d21　d22(18)

…　…

qn1　qn2　…　qnn

(13)

式中,qjk(j=1,2,.,n;k=1,2,.,n)表示发射成功后,对抗前处于j状态,经对抗后处于k状态的概率。

上述模型提出了考虑人的因素、火力对抗和在电子干扰情况下的防空武器系统效能分析模型,比经典模型更能反映实战水平。3.3　防空武器系统效能模型求解

能力向量[C]反映武器系统正常工作条件下完成任务的程度,c1,c2分别表示正常工

作和故障时系统完成任务的概率,故C2=0:

c1p(19)[C]==

0c2式中,p表示系统正常工作时完成作战

任务的概率,据图1的效能结构,则

(20)p=pjpfpgpz

式中,pj为机动概率,pf为防护概率,pg

为攻击杀伤概率,pz为指挥控制概率。

3.3.2推广的WSEIAC模型

对于一个二态系统,如果武器系统操作人员维修成功率为k,则

k11　k121　0

(21)K==

k　1-kk21　k22设武器系统在战斗过程中经过一次电

子对抗,有正常和故障两种状态,则

q11　q12q21　q22(22)

对于防空武器系统而言,由于战斗激烈,战机稍纵即逝,可以认为系统只有“正常”和“故障”两种状态,所以在上述模型中n=2.是一个二态系统。3.3.1经典WSEIAC模型

E=A[D][C]=(a1,a2)

d11　d12d21　d22c1c2(14)

其中a1、a2分别表示系统在开始执行任务时处于正常工作状态和发生故障状态的概率;dij(i=1,2;j=1,2)表示系统开始工作时处于第i种状态,工作过程中处于第j种状态,i,j=1时系统故障,i,j=2时系统故障

则推广的WSEIAC模型为:

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E=qAK[D]Q[C]=[PA+(1-PA)(1-PR)](a1,a2)

1　0k　1-kd11　d12d21　d22q11　q12q21　q22c1c2(23)

4　算例

设某型防空武器系统的平均故障时间MTBF=60小时,系统的平均修复时间MTTR=2小时,系统的任务工作时间为1小时,系

器系统战术运用方案进行优化选择的过程或活动。在防空武器系统效能评定方法方面研究的成果比较多,但效能优化方面的研究成果偏少,包括研制方案总体优化、作战行动和战术运用方案优化等问题亟待解决。

2)防空武器系统效能分析需要进行作统的修复成功率k=0.7,武器系统在未被敌方火力击毁条下射击的概率q=0.8,系统经过电子对抗后正常工作的概率qll=0.6,机动概率pj=0.92,防护概率pf=0.94,攻击杀伤概率pg=0.85,指挥控制概率pz=0.95。计算防空武器系统效能如下:

MTBF60a1===0.09677

MTBF+MTTR60+2d=e0.6983

-λt

战环境分析,一般是研究敌方作战方式假想确定情况下我方武器系统的效能,是一种静态的研究。而实际作战环境是动态的、相互对抗的。对不同的敌方进攻和对抗方式,我方相应采用不同的作战策略。因此,效能分析的有效方法是将武器系统纳入综合性的作战环境之中。如:针对具体作战任务,防空武器系统的战术配置、区域组网、武器目标分配等效能分析问题。

3)防空武器系统效能分析应尽可能依

=e=0.9835

160

p=pjpfpgpz=0.920.940.850.95=

按经典WSEIAC模型计算:E=A[D][C]=0.6646

按推广的WSEIAC模型计算;E=qAK[D]Q[C]=0.2351

据实战、作战演习、作战仿真等的结果,采用定性与定量相结合、假设与实验数据相结合、分析结果与决策思维相结合、战例分析与未来发展趋势相结合的思路进行效能分析研究。未来应加强分布式交互仿真技术

(DIS)与高层体系结构(HLA)在防空武器系

从结果可以看出,如果考虑了人的因素,火力对抗和电子干扰,武器系统的效能会有很大程度的下降。这说明了加强人员素质、提高系统对抗能力以及反电子干扰能力的重要性。

统效能分析中的应用研究。

4)建立防空武器系统所使用数据的数

5　防空武器系统效能分析的未来研究

据库和其所在作战体系数据的数据库,研究防空武器系统在整个作战体系中的地位、作用和整个防空体系的构成与效能是未来效能分析研究的必然导向。

5)在武器系统的研制和使用中,效费比

方向

目前,关于防空武器系统效能分析的研究主要存在着以下技术难题或研究方向:

1)防空武器系统效能分析包括其效能

评定和效能优化两个方面。效能优化是指运用试验、演习、数学模型以及其它模型化方法,以提高防空武器系统效能为目标,对武器系统研制方案、作战行动方案以及武

是决策者进行综合分析和权衡利弊的关键,因此,进行武器系统的费用计算和效费分析也是防空武器系统效能分析的重要研究方向。

(下转第18页)

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域防空面临敌人空袭威胁的程度和我们应

对这种空袭威胁的需要,区域防空的作战范围主要在一个战区或一个作战区域内。

(三)现代大区域防空的范围

需要指出的是,大区域防空包括对重要区域和重点目标的防空,因此,关于区域防空和点式防空的主要原则,如集中兵力、重点防御等,在具体实施过程应灵活运用。但是,大区域防空中的区域防空和点式防空不再是孤立作战行动,彼此之间存在密切的联系,需要按照整个大区域防空的企图,实施区域和点目标的防空。

高技术在空袭兵器上的应用,使现代空袭与传统空袭相比,发生了本质上的变化,即由使用单一的作战飞机,采取临空轰炸、近距精确打击,实施由外向内一次突击的线式空袭,演变为综合使用多种作战飞机、巡航导弹、战役战术弹道导弹、空地导弹、精确制导炸弹、无人驾驶飞行器等兵器,采取防空火力区外远程投射与近程精确打击、临空轰炸相结合的方式,对敌实施战略战役全纵深同时突击的非线式联合空袭。在这种新情况下,前后方的概念已完全被打破,敌人在前线对我实施战术空袭的同时,很可能对我内陆腹地及战略后方的重要目标实施远程战略空袭。因此将各方与区域有机联合起来,形成一个“点、线、面、区域”相结合的全纵深攻防兼备型大区域防空整体已成为必然需求。高空、远程地空导弹的出现和信息通信技术的高度发达,使大区域防空的实现成为可能。大区域防空的防空范围已突破了传统的防御界限。其防御范围扩大到包括多个战区甚至全国的广阔领土、领海以及领空,有时还可扩展到相关友邻国家。

五、结束语

随着科学技术的发展应用,战争形态也正在变革。大区域防空理论也为适应战争形态的变革不断充实完善。纵观防空理论发展历程,展现在我们面前的是一条由点到面,由区域到大区域的平面走向。未来的防空理论是沿这条轨迹继续发展,还是会在这之外另谋前进之路呢?或许这还需要从技术角度来考虑,未来有突破的技术会有很多,这其中航天技术对空防对抗将起决定性影响。航天技术将全面推动空防对抗向立体、全维方向发展,且不管那时的空防对抗该如何定义,但可以肯定的是,大区域防空应成为未来防空的基本趋势。

郝　强,防空兵指挥学院分队战术教研室主任徐延勇,防空兵指挥学院作战指挥教研室讲师

(上接第29页)用,防空武器系统的效能分析都是一项重要的基础性工作。本文以防空武器系统为研究对象,分析了防空武器系统的效能结构,对其效能评定方法做了阐述,这对于其它武器系统效能分析的研究也具有一定的借鉴意义。

刘天坤,北京航空航天大学宇航学院博士研究生赵育善,北京航空航天大学宇航学院博士生导师

6　结语

在未来高技术战争中,由于远程空袭、防区外攻击、超视距空战以及非接触作战等空袭新概念和新战术已经形成,因此,提高防空作战能力已成为世界上许多军事强国追求的共同目标。要有效提高防空作战能力就必须从防空武器的研制和作战运用两方面入手,而无论对于研制还是对于作战运18

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