多功能電子戰系統作戰效能仿真技術研究*

李婧嬌 張友益 徐朝陽

(江蘇科技大學1) 鎮江 212003)(中國船舶重工集團公司第723研究所2) 揚州 225001)

1 引言

軍事經典著作《孫子兵法》將“知己知彼,……”的戰略思想貫穿于指導戰爭的全過程。在高技術兵器時代,要做到“知己知彼”,并讓敵人“不知彼不知己”,就要充分合理地利用電子戰技術[1]。海灣戰爭后,以爭奪電磁頻譜使用權和控制權斗爭的電磁戰場已成為現代戰爭中爭奪的制高點。電子戰裝備從以作戰平臺自衛為主的保障手段,發展成為攻擊敵方作戰指揮關鍵節點的進攻性武器;電子干擾軟殺傷與反輻射武器、定向能武器硬殺傷相結合,電子戰武器與硬摧毀武器相結合已成為電子戰的重要作戰方式;電子戰已從一對一的設備之間的對抗,發展到系統對系統、體系對體系的對抗。

2 多功能電子戰技術的發展

從海灣戰爭及歷次世界局部戰爭可以看出,應用電子戰技術必須有系統工程的概念,發揮電子戰整體作戰的效能。美國海軍的AN/SLQ-32(V)3艦載電子戰系統就是由計算機控制的多功能一體化電子對抗系統,并已成為美國海軍水面艦艇使用的標準電子戰設備[2]。此外,法國的 DR-4000系列電子偵察機和ARBB-33干擾機,意大利的Nettuno 4000艦載電子戰系統的性能都比較接近美海軍的AN/SLQ-32(V),也是目前海戰場上電子戰的佼佼者[3]。

2004年起,美海軍研究局(ONR)計劃對新型艦載多功能電子戰(MFEW)電子支援系統(ES)的技術發展及系統發展與演示驗證提供支持。該系統采用低探測概率的多功能天線,裝備在DD(X)驅逐艦和CVN 21航母等水面艦艇上。

2008年7月,諾斯羅普?格魯曼公司在位于切薩皮克灣的美海軍研究實驗室(NRL)進行了艦載多功能電子戰(MFEW)系統的陸基測試。這次在切薩皮克灣進行的測試主要演示了當雷達天線在5級海況下橫縱搖擺時,系統追蹤模擬目標的能力。諾?格公司MFEW系統的設計采用了數字接收技術和先進的處理技術,可對各種類型的信號進行探測和分類。

2008年8～9月間,諾?格公司已經為美海軍下一代水面電子戰(EW)升級項目(SEWIP)的系統設計和開發(SDD)階段建立了技術基礎,并完成了相關測試。在夏威夷基地舉行的環太平洋TAPA II演習中,諾?格公司MFEW領導小組在“康斯托克”號兩棲船塢登陸艦成功地驗證了這些重要的性能:精確定向,高靈敏度,快速感知,對即將到來的威脅分級以及降低艦船射頻干擾。隨后,MFEW系統還在切薩皮克灣與先進的多功能射頻概念(AMRFC)測試臺進行進一步集成。

3 電子戰系統作戰效能仿真的需求及現狀

3.1 電子戰仿真技術結構

高技術條件下的戰爭,是武器裝備體系之間的對抗。因此,已有的針對單一武器對抗的仿真或實驗無法用來描述其在高技術戰爭中的實際對抗效果,需要開發一種考慮了多種武器和多種戰術的綜合運用、適應未來作戰環境下武器體系對抗的仿真手段[4]。隨著計算機網絡技術、大規模分布處理技術、多媒體技術和面向對象技術的發展,分布式交互仿真技術應運而生[5]。該技術是20世紀80年代后期在仿真網絡(SIMNET)的基礎上發展起來的,并于90年代初進行了首次應用。當前確切的定義為:采用協調一致的結構、標準、協議和數據庫,通過網絡技術,將地域上分散配置的各種模擬器、計算機生成兵力及其他武器裝備的仿真軟、硬件與環境有機地聯接成一個整體,形成一個在時間和空間上相互合并且一致的、人可以自由地參與交互的虛擬的綜合仿真環境。分布式交互仿真主要可用于軍事訓練、武器系統設計與開發過程的評估、作戰仿真等,根據仿真結果對效能的評估做出相應的指導。文獻[6]采用分布式交互仿真技術研制的雷達與雷達電子對抗系統為雷達的使用和維護人員提供廉價的訓練器材。

作為先進分布仿真技術的最新發展,高級體系結構(High Level Architecture)是分布式交互仿真最新的體系結構,它利用現代仿真技術建立一個通用的綜合電子戰系統仿真試驗環境,是目前電子戰體系對抗仿真系統的首選仿真體系。

基于HLA的綜合電子戰體系對抗仿真系統能夠具有以下的基本功能:1)資源庫管理功能;2)成員開發功能;3)聯邦開發功能;4)運行支撐功能;5)控制管理功能;6)演示功能;7)分析評估功能。電子戰體系對抗仿真系統的邏輯組成(如圖1所示)[7]。

圖1 綜合電子戰系統作戰效能通用仿真環境的組成

3.2 作戰效能評估的意義

3.3 電子戰系統作戰效能評估方法

多功能電子戰系統是軟武器系統,美國工業界武器系統效能咨詢委員會(WSEIAC)對系統效能的定義是:系統效能是系統預期達到一組特定任務要求的程度的度量,是系統可用性、可信性及固有能力的函數[9]。武器系統的作戰效能是指武器系統在作戰運用時所具備的作戰能力[10]。

武器裝備效能評估的方法主要有2類:一類根據得出評估結果的基本途徑,大致可分為統計法、解析法和仿真法。統計法是應用數理統計的方法,依照實戰、演習、試驗獲得的大量統計資料評估效能指標,其前提是所獲得的統計數據的隨機特性可以清楚的用模型表示并相應地加以利用;解析法是根據解析式(如蘭徹斯特方程,Monte-Carl)計算,比較適用于不考慮對抗條件下的裝備系統效能評估和簡化條件下的宏觀作戰效能評估;仿真法是通過仿真試驗得到關于作戰進程和結果的數據進而得出效能指標估計值,主要有作戰模擬法和分布交互仿真法;另一類是根據評估的主客觀程度,可分為主觀評估法(如直覺法、專家調查法、德爾菲法、層次分析法等)、客觀評估法(如加權分析法、理想點法、主成分分析法、因子分析法、樂觀和悲觀法、回歸分析法等)以及定性和定量相結合的評估方法(如模糊綜合評判法、灰色關聯分析法、聚類分析法、物元分析法、人工神經網絡法、參數效能法、SEA方法、試探性建模與分析方法等)。

效能評估的幾種常用方法介紹:

1)層次分析法:層次分析法是一種實用的多準則決策方法,該方法以其定性與定量相結合地處理各種決策因素的特點,以及系統、靈活、簡潔的優點,在復雜系統評估領域中得到了廣泛的重視與應用。文獻[11]采用圖1所示的樹狀層次結構評估指標體系來進行電子戰系統作戰效能評估比較,也就是有一個總指標,以下分解為幾個一級指標,每個一級指標又分解成若干二級指標,等等。

圖2 作戰效能評估指標體系圖

按照圖2所示的評估比較體系,整合分系統的作戰效能就能獲得電子戰系統的作戰效能,而分系統的作戰效能又是戰術、技術指標的函數,這樣電子戰系統作戰效能就是分系統、系統之間和戰術、技術指標的函數。

2)專家調查法:是建立在專家們主觀判斷的基礎上,因而它特別適用于解決客觀偶然性較大而且缺少確切數據的評估問題。

綜上所述，通過閱讀大量有關CT輻射防護研究資料，回顧分析筆者認為對CT輻射防護方法總結如下：（1）對CT掃描的劑量嚴格規定，確保參數設置的靈活性，綜合患者的實際情況確保醫師操作技術的準確數量，確保圖像質量從而能夠達到輻射劑量最低下，獲取最高圖像質量；（2）合理選擇屏蔽方面并且積極研發新型屏蔽設備。下一階段需要針對CT設備的全面輻射防護展開更加深入的研究。

3)ADC法:這種方法以裝備系統的總體構成為對象,以完成任務為前提對裝備效能進行評估,主要用于對武器系統效能進行定量的評估。

WSEIAC(美國工業界武器系統效能咨詢委員會)模型[12]:

其中,E={e1,e2,…,en}為系統效能行向量;A={a1,a2,…,an}為系統可用性狀態描述,表示系統在開始執行任務時處于狀態i的概率;D為一矩陣,描述系統的可靠性,表示系統在執行任務時任意兩個狀態間相互轉化的概率;C為能力矩陣,表示武器系統在執行任務期間完成任務的量度,其元素cjk表示系統第j個有效狀態中的第k個性能指標。D,C分別如式(2)、式(3)所示。

文獻[12～14]在WSEIAC(美國工業界武器系統效能咨詢委員會)模型:E=A?D?C模型基礎上對電子戰設備的作戰效能進行了分析。

4)模糊評判法:模糊綜合評判法是在模糊集理論的基礎上,應用模糊關系合成原理,從多個因素對被評判對象隸屬等級狀況進行綜合評判的一種方法。它通過建立在模糊集合概念上的數學規則,能夠對不可量化和不精確的概念采用模糊隸屬函數進行表達和處理。近年來該方法已應用于武器裝備的論證工作中,成為軍事系統工程學科中用于系統評價的重要方法。

文獻[15]對層次分析后的電子戰系統進行了模糊綜合效能評估,文獻[16～18]同樣采用了模糊綜合評判的方法對電子戰系統的作戰效能進行評估。

目前,能夠實現定性概念與定量數值之間的不確定性轉換的云理論,也被應用到作戰效能評估的研究中[19]。

舉例來說,在云理論中基于從定性到定量映射的正態云發生器的定義如下:

設U是一個用精確數值表示的定量論域,C是U 上的定性概念,若定量值x∈U,且x是定性概念C的一次隨機實現,若 x滿足:,其中,En′～N(En,He2),且 x對C的確定度滿足

則x在論域U上的分布稱為正態云。

逆向云發生器是實現從定量值到定性概念的轉換模型[20]。它可以將一定數量的精確數據轉換為以數字特征(Ex,En,He)表示的定性概念。逆向正態云發生器的算法是基于統計原理的[21]。

正向正態云發生器和逆向正態云發生器分別如圖3、4所示。

作戰效能的評估是通過理論分析和計算機模擬仿真,建立系統作戰效能綜合數學模型,得出作戰效能指數的過程。電子對抗過程中既有復雜的技術因素,同時也含有大量不確定因素、模糊因素或者人為因素等,是一個不完全信息的動態博弈過程。因此,常引入模糊數學和云重心理論、灰色系統理論方法,結合解析計算法、專家評估法等手段對多功能電子戰系統的作戰效能進行綜合評判[5]。

4 視景仿真技術在多功能電子戰仿真中的應用

視景仿真技術的產生就是源于軍事仿真需求的,其目的是為綜合軍用仿真系統提供大規模分布式的虛擬戰場環境,并借助這一仿真的綜合作戰環境來完成對作戰人員的訓練,對武器裝備的效能評估,以及對作戰方案的驗證和演練。將視景仿真技術引入電子戰仿真中,可以實現電子戰的可視化仿真。在電子戰仿真過程中,用戶通過采用視景仿真技術生成的用戶界面與仿真軟件交互,戰場環境、威脅告警、干擾彈發射、導彈飛行狀態、艦艇航行狀態都可以逼真地顯示在屏幕上,用戶可根據戰場情況控制艦船的機動以及對電子戰設備進行操作。

電子戰視景仿真不僅要表現出電子戰試驗的整個戰場或對抗態勢,又要表現電子戰試驗環境下雷達裝備、雷達對抗裝備以及各種其它電子作戰裝備的狀態及狀態變化的過程,同時也要表現出各裝備的對抗效果,從而直觀地反映出電子戰對抗的整個過程。當前,多數用戶選擇專用的三維場景建模軟件Multi-Gen Creator和專業級的實時渲染軟件Vega相結合的方式開發視景仿真環境。這種基于專業軟件的手段,可有效地避免模型制作和場景渲染脫節、渲染效率不高的問題[22]。

針對目前單機版電子戰視景仿真系統面臨的諸多不足,結合寬帶網迅速發展的實際,文獻[23]設計了分布式電子戰視景仿真系統(DEWSSS),系統采用Client/Server模式和分布計算模型,充分利用高速網的傳輸能力來處理海量的視景數據。其系統框架如圖5所示。

文獻[24]分析了HLA及VEGA(視景仿真技術)的使用,綜合考慮地空對抗過程中的諸多因素,結合對抗作戰實際構建其仿真系統。

圖5 DEWSSS系統框架

文獻[25]利用 VC++和VEGA軟件,以面向對象的程序設計方法編程,開發了彈艦電子對抗的仿真程序,實現了彈艦電子對抗的視景仿真。

5 結語

在電子戰仿真系統結構設計中,作為先進分布仿真技術(ADS,Advanced Distributed Simulation)的最新發展,高級體系結構HLA(High Level Architecture)是分布式交互仿真最新的體系結構。對于多功能電子戰系統作戰效能的視景仿真技術來說,當前多數用戶選擇 Multi-Gen Creator和Vega軟件相結合的方式開發視景仿真環境。電子戰的作戰效果和效能評估問題業已成為國內電子對抗界非常關心的一個問題,總的來說目前評估方法多而雜,如上文提到的層次分析法、專家調查法、ADC法和模糊綜合評價法等,但好的方法不多,而且在客觀性、操作性諸多方面還亟待完善。

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