基于數據鏈的航母編隊評估指標體系研究*

陳 淼 劉曉光

(信息系統工程重點實驗室 南京 210007)

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基于數據鏈的航母編隊評估指標體系研究*

陳 淼 劉曉光

(信息系統工程重點實驗室 南京 210007)

數據鏈是航母編隊的中樞系統,對作戰指控過程有重要作用,各作戰單元與指控中心之間的情報傳遞與命令下達等信息均通過數據鏈進行傳輸,因此,對航母編隊作戰效能評估也應當建立在數據鏈性能指標上。論文以航母編隊防空作戰為例,分析了在防空作戰過程中,數據鏈性能指標對指揮質量及效能指標的影響,建立了防空作戰評估指標體系。

航母編隊; 數據鏈; 評估; 指標體系

Class Number E843

1 引言

航母編隊是以航空母艦為核心,集航空兵、水面艦艇和水下潛艇等作戰力量為一體的機動作戰部隊[1]。組建航母編隊/戰斗群是為了保護航空母艦及艦載機以充分發揮其作戰能力,并協同編隊內其它戰艦共同作戰。航空母艦是編隊的核心,作為海上活動機場,其搭載的各類作戰飛機是航母編隊主要作戰力量,既可對空作戰又可對地攻擊,可執行截擊、戰斗巡邏、空中格斗和遠程巡航等任務。編隊中各戰斗艦艇也配有一架(大型巡洋艦可配多架)艦載直升機用于執行偵察、反潛及搜救等任務。航母編隊組成如圖1所示。

圖1 航母編隊組成示意圖

現代海戰涉及空中、水面、水下,是一個多方面、多視角、立體的作戰空間,各作戰單元、作戰單元內部各系統之間信息傳遞頻繁、交互量大,隨著戰爭節奏加快,信息交互、戰情上報、命令下達、情報偵察等瞬息萬變,傳統的指揮方式顯然不能適應需要,因此需將不同的信息按照一定的規則編碼,通過數據鏈路在不同的作戰單元之間進行傳輸。

數據鏈又稱戰術數據鏈,是現代戰場的中樞系統,它將武器平臺及各級指揮控制系統緊密相連,大大提高了武器平臺的態勢感知能力、快速反應能力及火力打擊效能[2]。戰術數據鏈的建設和發展與武器裝備的發展密切相關,遺憾的是,迄今為止,還沒有明確統一的定義[3]。因而軍事戰術專家、技術專家、科研人員等不同人員站在不同立場,從不同角度出發,各有不同的定義和理解。美軍將數據鏈定義為用于傳輸機器可讀的戰術數字信息的標準通信鏈路[2～3]。

目前,對評估的研究主要集中在裝備作戰效能方面的評估,在這方面也有不少成果[4～6]。而對于系統的評估主要集中在性能方面的評價,如通信抗干擾性能,選取誤碼率真、時延、吞吐量等作為評估指標[7～9]。但是,從大的系統來看,作戰指揮人員不需要過多考慮底層裝備級性能參數的變化,而是要從應用的角度更多考慮系統層各參數指標的變化,以及系統作戰效能的評估。系統的作戰效能是我們最終關心的,但系統是由裝備按照一定的規則組合成的,裝備性能的好壞影響著系統的綜合效能,本文基于數據鏈,從性能指標、指揮效果和效能指標三方面分析構建基于數據鏈的航母編隊防空指控評估指標體系。

2 航母編隊防空作戰過程概述

航母編隊在海上巡邏/作戰,是以編隊的形式協調進行,航母在內,艦艇在外,最外層由艦載飛機擔負巡邏預警任務。敵方空中目標如果要對航母進行偵察/打擊,必須依次突破艦載飛機及艦艇的防御,若仍然保留打擊能力,方能對航母產生威脅。因此,對于航母編隊來說,遠程防空任務由艦載戰斗機執行,中近程防空任務由水面艦艇執行。當敵方來襲目標離航母編隊較遠時,編隊處于巡航待戰狀態,若有敵情,則由預警機帶領一個編隊戰斗機起飛前出至指定區域對目標進行跟蹤與監視[10],在確定敵情后,由預警機向各戰斗機分配任務。當己方混合編隊中艦載戰斗機無法完成攔截敵方來襲目標時,還需申請增加起飛艦載戰斗機增援。

若敵目標突破外層艦載戰斗機防空區域,則需組織水面艦艇進行攔截。敵方進攻武器的最終目標是攻擊航空母艦,突破外層艦載戰斗機防御后,面對的第二層防御便是水面艦艇防空層。因此,水面艦艇的任務進一步消滅敵目標,以保護航空母艦。一般來講,水面艦艇在沒有戰斗任務的情況下,與航空母艦保持編隊隊形,在接到分配任務后,脫離編隊隊形奔赴待戰區域執行戰斗任務,必要時起飛自身攜帶的艦載直升機進行偵察協助完成攔截任務。

3 評估指標體系分析

以上簡要描述了航母編隊在防空過程中,編隊內各作戰單元相互協調及任務分配過程。編隊內各單元之間如何協調,指控單元如何引導戰斗單元,引導至何區域,引導戰斗單元執行何任務,均是通過Link11和Link16數據鏈分別傳輸M序列消息和J序列消息來實現。因此,系統指揮效果及作戰效能指標的好壞都是建立在數據鏈消息傳輸性能指標上的。本文從數據鏈性能指標入手,分析基于數據鏈的航母編隊在防空作戰過程中需考慮的指標因素。

表1 防空評估指標體系

以下對表1中列出的指標逐一分析。

3.1 數據鏈傳輸性能指標

1) 完整性

完整性用來衡量編隊內所有作戰單元發出消息是否全面,即是否有漏發情況。若在仿真模擬過程中,無消息漏發情況,則完整性為1;若有漏發情況,則完整性降低,完整性越小,說明消息漏發情況越嚴重。可將數據鏈消息發送完整性定義為在仿真模擬過程中,編隊內所有作戰單元實際發出的消息數與需要發送的消息總數的比值,如式(1)所示。

F=F1/F0

(1)

式中,F0表示根據劇情設計,進行一次完整的模擬,編隊內所有戰斗單元需發送的消息總數,F1表示實際發送的消息數。該式表示的是編隊這一大系統消息發送的完整性,在此框架下,還可對編隊內各戰斗單元單獨進行消息發送完整性評估。

2) 成功率

成功率用來衡量接收單元成功接收到消息的概率。可定義為發送單元發出的消息經數據鏈傳輸后,被接收單元接收成功接收的比率。如式(2)所示。

S=S1/S0

(2)

式中,S0表示發送單元發出的消息,S1表示接收單元收到的消息。類似于完整性指標,成功率真指標也可分為系統成功率和單元成功率,但評價單元接收消息成功率更有意義。

3) 正確性

正確性用來衡量系統內各單元接收在成功接收到消息的基礎,并且能正確接收的概率。定義為接收單元正確接收到的消息與接收到的消息總數的比率,如式(3)所示

R=R1/R0

(3)

式中,R0表示接收單元接收到的消息總數,R1表示接收單元收到的正確消息數。航母編隊在海上作戰,其編隊內各作戰單元命令的收發均是通過數據鏈進行傳輸,數據鏈收發消息正確與否,直接關系到作戰的成敗,數據鏈是無線傳輸鏈路,其傳輸效果必要受到各種因素的影響,難免會出現消息接收錯誤,對于接收到的錯誤的消息,要求系統進行容錯處理。

4) 連續性

消息傳輸連續性是影響消息接收成功率的一個因素。消息是以字節的形式經同數據鏈逐字節發送,發送單元會連續地把一條消息發送完,中途不間斷,正常情況下,接收單元經由數據鏈會接收到一條完整的消息,但如果因各種原因導致數據鏈路在消息接收過程中時斷時通,那么,接收到的消息必然缺失字節位,如果缺失的是關鍵字節位,那么該條消息顯然無法使用。連續性概念如圖2所示。

圖2 連續性概念圖

圖2中,實線和虛線分別表示發送端完整發送的消息和接收端斷續接收到的消息,τ0表示發送一條完整消息所需時間,τi(i=1,2,3)表示接收端斷續接收消息的時間段。從圖中可以看出,在數據鏈路受影響的情況下,在消息發送過程中,有時無法保證鏈路始終處于通暢狀態,在鏈路出現故障狀況下,接收端接收到的消息就是斷續的、不完整的,這樣的消息如果無法被正確識別,就會使接收單元產生錯誤的動作,直接影響仿真模擬的失敗。因此,針對這一情況,應當改善鏈路品質,提高消息收發效率及系統容錯性。

3.2 指揮效果

1) 指揮周期

指揮周期的主體是作戰指揮員,指揮員通過數據鏈消息傳輸收到戰場情報后,通過分析,作出決策后再通過數據鏈將決策分發給作戰單元,即完成一次指揮過程。因此,指揮周期包含戰場情報收集,分析并作出決策,決策分發三個階段,其中第一階段和第三階段需要數據鏈參與,第二階段由指揮員完成。指揮周期也由上述三部分構成,如式(4)所示。

T=T1+T2+T3

(4)

該式中,T表示指揮周期,Ti(i=1,2,3)分別表示上述三個階段所需時間。顯然T∈(0,∞),并且T越小,表明指揮周期越短,指揮質量越高。其中,T1和T3取決于數據鏈傳輸速度與傳輸質量,若數據鏈性能指標高,則指揮員能夠較快作出正確決策,T2較小,反之,T2較大。

2) 指揮規模

指揮規模可理解為指控單元在實際工作過程中能夠指揮的作戰單元的最大數目,這取決于數據鏈信息傳輸能力、系統處理信息能力、吞吐量等因素。

3.3 效能指標

作戰效能是綜合數據鏈傳輸性能指標和指揮人員決策能力的基礎上所取得的指標,本文選取突防概率和戰損比來說明。

1) 突防概率

突防概率直接評價的對象是敵目標,評價其突破防御系統的能力,用來表現敵目標成功突防系統防線的概率,從而進一步評價防御系統對敵目標的攔截能力。以航母編隊中艦艇防空為例,突防概率可定義為

p=M1/M0

(5)

式中,M0為經過艦艇防空責任區的目標總數,如圖3所示,即前文所述突破編隊外圍艦載機攔截的目標。M1表示突破艦艇防御的目標。艦艇進行防空攔截需要三個階段:(1)通過數據鏈接收預警機傳的外圍目標突破艦載機防御的情況,接收敵突防目標的狀態、數量等信息;(2)開啟雷達對進入防空責任區的敵目標進行搜索定位;(3)將目標信息下達作戰機構對敵目標實施打擊,并通過數據鏈與其它作戰單元保持聯絡。

圖3 突防概率示意圖

以上簡要分析了敵目標針對艦艇的突防,從而對艦艇防空攔截能力進行了評估。同樣可對編隊內其它作戰單元以及整個編隊的攔截能力進行評估。

2) 戰損比

本文所討論的戰損比是指被攔截的敵目標與所消耗武器之間的比率,這一點與突防概率有所不同,后者主要關注是否還有敵目標、還有多少敵目標沒有被攔截,而前者從經濟效能的角度評價,以求用最少的武器最大限度擊毀敵目標。如式(6)所示。

d=N1/N0

(6)

式中,N1表示有效擊毀敵目標數量,N0表示該攔截作戰所消耗的武器數量,如圖4所示。

圖4 戰損比示意圖

圖中,有四個敵空中目標進入艦艇防空責任區,有一個目標未被發現。艦艇對被發現的三個目標發射武器進行攔截,成功攔截兩個目標,另外一攔截失敗。圖中所舉例子的戰損比為2/3,突防概率為2/4。

4 結語

本文基于航母編隊數據鏈信息傳輸仿真項目,以航母編隊防空過程為例,討論了基于數據鏈的評估指標體系,選取了關鍵性指標,對改進航母編隊作戰過程、數據鏈信息傳輸都具有一定的意義。

[1] 李林,謝振華,張峰.外軍航母編隊反艦作戰運用研究[J].艦船電子工程,2013,33(1):11-13.

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[5] 張旺,申洋,陳偉.無人機多偵察載荷協同偵察效能評估[J].電光與控制,2014,21(3):1-4.

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[7] 奚和平.一種抗干擾通信系統評估模型的設計與實現[J].計算機工程與科學,2000,22(6):72-74.

[8] 孫巨為,任重,王貽峰.通信系統抗干擾能力對作戰指揮效率的影響評估研究[J].電光與控制,2008,15(7):39-42.

[9] 孫宏偉,張永順.一種指令傳輸系統抗干擾評估模型研究[J].戰術導彈技術,2008(1):33-35.

[10] 徐圣良,吳曉鋒,王振波.航母編隊進入綜合作戰區后預警機陣位研究[J].艦船電子工程,2008,28(1):41-44.

Evaluation Index System for Aircraft Carrier Formation Based on Date Link

CHEN Miao LIU Xiaoguang

(Science and Technology on Information Systems Engineering Laboratory, Nanjing 210007)

As the core system of aircraft carrier formation, data link is of a certain significance to battle command and control system. Each member in the formation, such as carrier plane, naval vessel, aircraft carrier and so on, transfers intelligence to command center or receives orders issued by command center. All of the actions mentioned above are based on the data link. The problem of aerial defence campaign operation for aircraft carrier formation is studied in this paper, and the data link performance indexes are analysed as well. Otherwise, based on data link indexes mentioned above, command quality and efficiency indexes are analysed. Finally, the evaluation index system for aerial defence campaign operation for aircraft carrier formation is presented.

aircraft carrier formation, data link, evaluation index, index system

2014年9月11日,

2014年10月29日

陳淼,男,工程師,研究方向:復雜大系統建模仿真與效能評估。劉曉光,男,高級工程師,研究方向:指控系統仿真。

E843

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.005