能力需求分析具有主观性、不确定性、非结构性的特点,目前国内将“基于能力”的需求开发提上了日程,针对能力需求分析的框架、生成方法做了大量研究。赵新爽等[1]以DoDAF 2.0中的标准为基础,提出了武器装备体系需求分析框架模型,给出了使命任务分析、作战需求分析、能力需求分析和系统需求分析的具体内容,并对需求分析中各个阶段的建模步骤和方法进行了描述;耿青霞和杨秀月[2]以武器装备体系需求生成为研究对象,提出基于目标—概念—任务的作战任务需求分析方法、基于任务—功能的作战能力分析方法;郭齐胜等[3]从作战任务和装备系统2个方面展开需求分析,提出了作战、装备和能力需求之间的追溯关系矩阵,构建了基于活动方法展开武器装备型号论证需求分析的具体步骤。
尽管目前对需求生成开展了较为广泛的研究,但较多依赖专家经验,定量分析不足。本文根据舰艇所承担的作战任务,构建舰艇作战体系能力需求指标,根据“元任务—能力指标”之间的解析规则,重点分析预警机(Airborne Early Warning,AEW)兵力协同下的单舰舰空导弹区域防空作战任务中能力需求的解析关系,定量得到舰艇完成区域防空作战任务所需的各项能力指标。
1 作战能力需求生成框架作战能力需求生成流程如图 1所示。
 |
| 图 1 作战能力需求生成框架Fig. 1 Framework for combat capability requirement generation |
| 图选项 |
1) 根据分解粒度原则对作战任务进行分解,可将作战任务分解为具有不同执行功能的子任务,子任务是作战任务分解过程中的中介任务节点,子任务可以继续分解为元任务和子任务。元任务是无需进一步分解执行的任务,是相对独立的最小任务单元,即与能力相关的任务,如果继续分解则导致执行该任务的兵力单元也需要进行细分,最终可将作战任务分解成为若干元任务执行的集合(见图 1):
式中:a、k和s为元任务所属层次;h、m、n和f为分解得到元任务的上级子任务标号及元任务次序;Ta1…1为元任务T隶属于首层的第1个子任务分解了a层得到的第1个元任务;Ta1…2为元任务T隶属于首层的第1个子任务分解了a层得到的第2个元任务;Tk2…m、Tsn…f等同理。
2) 体系能力主要是各武器装备体系为完成作战任务所具有的“潜力”。体系能力具有层次性、协作性、松耦合性、多目标性以及涌现性等特点,因此体系能力之间具有层次结构;各个能力之间既可以相互配合,也可以独立存在,共同实现不同目标;在协作性的基础上,能力具有“整体大于部分之和”的特性。针对舰艇区域防空武器系统,分解其所需的作战能力,建立作战能力体系结构,最终可将体系能力分解为若干能力指标的集合(见图 1):
式中:j、e和g为能力指标所属层次;k、x、l和y为分解得到能力指标的上级子能力标号及能力指标次序;Cj1…1为能力指标C隶属于首层的第1个子能力分解了j层得到的第1个能力指标;Cj1…k为能力指标C隶属于首层的第1个子能力分解了j层得到的第k个能力指标;Ce2…x、Cgl…y等同理。
3) 元任务与能力指标的映射规则是能力需求生成的关键,映射可以“一对一”,也可以“一对多”,映射规则有解析规则、推理规则、等价规则和经验规则等。通过分析映射规则,可以从定量定性的角度解析出作战能力的需求列表,如图 1所示。
2 舰艇区域防空作战任务与作战能力分析2.1 舰艇区域防空元任务与能力体系构建舰艇区域防空面临的主要威胁有飞机和反舰导弹,对防空任务作战必须把握4点:及时发现目标,快速判别目标,迅速截获目标,立即摧毁目标。根据舰空导弹区域防空作战流程[4],区域防空作战任务可分解为预警侦察、信息处理、指挥决策、武器打击以及毁伤评估等子任务。
根据作战任务,舰艇区域防空作战能力包含侦察感知能力、攻击防御能力以及信息处理能力。舰艇区域防空作战任务与能力体系如图 2所示。
 |
| 图 2 元任务与能力体系关系Fig. 2 Relationships between meta task and capability system |
| 图选项 |
2.2 “元任务—能力指标”解析规则元任务与能力指标的映射规则中,解析规则是映射的基础,也是最重要的一类规则。根据图 2,本文重点分析预警侦察、指挥决策、武器打击以及毁伤评估相关元任务到能力指标的解析规则。
1) 目标侦察——必需预警距离、预警机前出距离及高度
舰艇防空的关键在于对来袭目标的早期预警,为己方防空武器系统提供足够的准备时间。由于受到地球曲率以及雷达架设高度的影响,雷达的探测距离受到限制,因此采用预警机有很大的必然性,保证其在己方的有效防空保护范围内,充分发挥其高度优势,增大预警距离,保障舰艇对反舰导弹有足够的预警时间[5]。图 3所示为预警机的配置示意图。图中:O为舰艇阵位;E为预警机阵位;Dqc和RE分别为预警机的前出距离和探测距离;Ssyj为导弹的杀伤区远界;αd为敌目标可能形成的威胁扇面角;Rs为舰艇的必需预警距离;Vm为目标的飞行速度。
 |
| 图 3 预警机配置示意图Fig. 3 Schematic diagram of AEW configuration |
| 图选项 |
如图 3所示,为满足导弹武器系统在其最大射程上对来袭目标实施抗击,必需预警距离[6, 7]为
式中:txy为从接到预警和目标指示到导弹与目标相遇的时间;tzk为指控时间;ttx为通信时间;tfs为导弹发射时间;Vw为己方导弹的攻击速度。
预警机的前出距离为
理想情况下,预警机上雷达的探测距离即视距为
式中:hE为预警机高度;hm为敌目标的飞行高度。
由于受地球曲率、目标雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)以及海杂波的影响,预警机上雷达的实际探测距离为
根据对来袭敌目标预警需求,即机载雷达探测距离RE确定的情况下,预警机的高度为
2)目标跟踪——跟踪距离
一般情况下,舰载雷达跟踪制导距离为探测距离的70%,所以舰载雷达的跟踪制导距离为
3) 火力打击——杀伤区远近界、发射区远近界
当目标向己方攻击时,需确定己方舰空导弹杀伤区的大小,建立水平杀伤区进行分析[8],图 4为舰空导弹水平杀伤区示意图。图中:x为目标的水平距离;y为目标的航路捷径;ssyj为Ssyj在水平面投影;ψmax为最大航路角。设舰空导弹从平台O和目标T从雷达跟踪边界W同时经时间t相遇,此时目标经过的路程为sm,假设相遇点为Q。
 |
| 图 4 舰空导弹水平杀伤区示意图Fig. 4 Schematic diagram of ship-to-air missile horizontal killing zone |
| 图选项 |
根据图 4,几何关系式如式(8)所示[9]:
所以杀伤区远界的水平面投影为
舰艇杀伤区远界为
杀伤区近界决定于舰空导弹的引入结束距离。射入段、引入段和导引段是舰空导弹飞行弹道的3部分,引入结束距离就是射入段和引入段的总距离,引入结束距离和引入时间是随机变量。设导弹引入导引段的结束时间tjs服从瑞利分布:
因此杀伤区的近界为
式中:P(t≤tjs)为t≤tjs时间内导弹的引入概率;twk为导弹无控段的飞行时间;σt为导弹引入结束时间的方差;tz为助推器的飞行时间。
图 5为舰空导弹水平发射区示意图。舰空导弹的发射区是指敌目标正处于该区域中,舰空导弹发射,以保证舰空导弹和空中目标在杀伤区相遇[10]。建立舰空导弹的水平发射区,影响舰空导弹发射区的参数主要是空中目标的速度Vm、高度hm、航路捷径ym等飞行诸元、杀伤区的大小和形状(远界投影ssyj、近界投影ssjj)以及舰载防空导弹飞至遭遇点的时间tm。假设敌目标以高度hm、航路捷径ym做匀速直线运动[11]。
 |
| 图 5 舰空导弹水平发射区示意图Fig. 5 Schematic diagram of ship-to-air missile horizontal launching zone |
| 图选项 |
在水平发射区示意图△OHG中,求得发射区远界的投影距离为
所以舰空导弹发射区远界为
在水平发射区示意图△OJI中,求得发射区近界的投影距离为
所以舰空导弹发射区近界为
4) 战术计算——拦截次数、储弹量
图 6为舰空导弹对敌目标射击过程示意图。假设敌目标以hm、ym做匀速直线运动,mi点为第i枚舰空导弹与敌目标相遇时刻所在位置,di为目标航路捷径点到第i个相遇点的距离,Si为该时刻目标斜距[12, 13, 14]。
 |
| 图 6 舰空导弹对敌目标射击过程示意图Fig. 6 Schematic diagram of ship-to-air missile shooting process against enemy target |
| 图选项 |
如图 6可知,目标航路捷径点到第i个相遇点的距离为di,由于舰空导弹的第1次拦截射击应保证在舰空导弹的杀伤区远界处进行,第n次拦截射击的相遇点应该在杀伤区近界:
式中:τ为舰空导弹发射间隔时间;s为一次齐射导弹的数量;tfy为舰空导弹武器系统的反应时间;tpg为舰空导弹射击效果评估时间;tmz为目标指示时间;t为舰空导弹实施一次完整射击所需要的时间。
由递推公式推导可得舰空导弹武器系统对敌目标的拦截次数为
假设有m批次目标对己方实施攻击,根据系统可拦截次数n可知舰艇需储备的弹药数为
5) 目标毁评——单发毁伤概率、毁伤概率
一般情况下认为目标毁伤概率等于命中概率与命中条件下目标被毁伤概率的乘积,考虑到舰空导弹拦截敌目标的特殊性,认为命中一枚导弹,目标即被毁伤,即毁伤概率等于命中概率。在区域防空作战能力需求中,根据作战要求所要达到的毁伤概率Pnd解析出导弹的单发毁伤概率p,假设属于一组误差型[15],每次发射的单发命中概率相同,所以
3 基于舰空导弹区域防空的作战能力需求生成在预警机协同下的舰艇区域防空作战能力需求分析中,首先需要判断己方能够探测到敌目标的距离,根据战场态势提出完成相应作战任务所需的作战能力。假定Vm=300 m/s,Vw=750 m/s,hm=50 m,αd=30°,ψmax=60°,ym=100 m,s=2,其余参数主要有tzk、ttx、tfs、twk、σt、P(t≤tjs)、tz、tfy、τ、tpg和tmz,假定服从正态分布,每一次仿真计算中的取值用符合正态分布的随机数来产生,影响参数设定如表 1所示。
表 1 影响参数设定Table 1 Influence parameters setting
| 影响参数 | μ | σ | 影响参数 | μ | σ |
| tzk/s | 10 | 2 | tz/s | 0.1 | 0.05 |
| ttx/s | 3 | 1 | tfy/s | 8 | 2 |
| tfs/s | 30 | 5 | τ/s | 2 | 0.2 |
| twk/s | 3.5 | 0.05 | tpg/s | 1 | 0.2 |
| σt | 3.1 | 0.1 | tmz/s | 7 | 1 |
| P(t≤tjs) | 0.94 | 0.03 |
表选项
在上述参数假定作战想定中,需探测敌目标距离RE从50~150 km变化,对敌目标的毁伤效果相当可靠,即Pnd达到90%。舰艇所需的各项作战能力与探测距离RE的关系曲线如图 7所示。
 |
| 图 7 RE对作战能力指标的影响Fig. 7 Effect of RE on combat capability index |
| 图选项 |
从图 7可以看出,随着对RE的不断增大,对己方Rs、杀伤区和发射区等要求越来越高;探测距离越大,对Dqc与hE的要求也越来越高,但Dqc与hE是有约束的,不能一直增大满足探测距离的需求;Ssjj与Sfjj主要与己方舰空导弹的性能有关,因此从图 7可以看出随着RE的变化,两者几乎没变化。
Vw、Vm对各项作战能力指标的影响也比较大,以k=Vw/Vm为变量,假定Vw、Vm均从亚声速到超声速变化,即Vw、Vm∈[300,750]m/s,则k∈[0.4,2.5],综合RE∈[50,150]km的变化对各项作战能力指标进行分析。由于存在2个自变量,相互影响,分析比较复杂。
图 8为k、RE与Ssyj的关系图,图 9为k、RE与Ssjj的关系图。由图 8、图 9可知,随着RE与k的不断增大,Ssyj与Ssjj也不断增大,即对目标所需的探测距离增大,为有效完成作战任务,杀伤区远界也需增大来满足作战需求;但对Ssjj而言,当k一定时,Ssjj并不随着RE的变化而变化,因为Ssjj主要与己方舰空导弹的性能有关;由图 9可知k=1是Ssjj的一个拐点,当k<1时,Ssjj为定值,k>1时,Ssjj随着k的增大而增大,说明在此情况下Vw成为Ssjj变化的主要因素。
 |
| 图 8 k、RE与Ssyj的关系Fig. 8 Relationships between k,RE and Ssyj |
| 图选项 |
 |
| 图 9 k、RE与Ssjj的关系Fig. 9 Relationships between k,RE and Ssjj |
| 图选项 |
图 10为k、RE与Sfyj的关系图,图 11为k、RE与Sfjj的关系图。从图 10、图 11可知,Sfyj随RE的变化比较大,Sfjj随k的变化比较明显。当k < 1时,随着k的增大,Sfyj变化有些突兀;k>1以后,Sfyj变化很小,说明Vw < Vm对Sfyj有一定影响。k=1是Sfjj的一个凹点,以凹点为分界线,k越小或越大都会对Sfjj产生较大影响。k越大,即Vw远大于Vm,Ssyj会增大,故Sfyj也会不断增大;Rs越小,即Vm越大,已知Ssjj是定值,则敌来袭目标在杀伤区域中经过的距离就比较大,因此Sfjj就会随之增大。Ssjj与Sfjj关联较大,因此RE对Sfjj的影响较小。发射区是在杀伤区的基础上建立起来的,综上分析,发射区界限的变化趋势同杀伤区基本一致。
 |
| 图 10 k、RE与Sfyj的关系Fig. 10 Relationships between k,RE and Sfyj |
| 图选项 |
 |
| 图 11 k、RE与Sfjj的关系Fig. 11 Relationships between k,RE and Sfjj |
| 图选项 |
图 12为k、RE与Dqc的关系图,图 13为k、RE与hE的关系图。一定的Dqc与hE能够保证舰艇的预警距离,由图 12可知,k越大,Dqc越小,k=1为分界线,当k<1时,Dqc增长的速度近似于呈指数增长,要达到一定的预警距离,只有靠增加Dqc来实现。由图 13可知,hE的变化与k无关,RE的提高必然伴随着hE的增大。因此在作战中,使预警机的前出距离在一定的安全范围内,增大预警机的高度,可使预警距离显著增大。
 |
| 图 12 k、RE与Dqc的关系Fig. 12 Relationships between k,RE and Dqc |
| 图选项 |
 |
| 图 13 k、RE与hE的关系Fig. 13 Relationships between k,Ri>E and hE |
| 图选项 |
图 14为k、RE与Rs的关系图。Rs主要受RE的影响比较大,当k>1时,k的变化对Rs几乎没有影响,而当k<1时,很明显随着k的减小,Rs呈增大趋势。在作战中,当敌方目标的飞行速度比己方导弹速度要大且大很多时,这时必须增大预警距离才能满足作战需求。
 |
| 图 14 k、RE与Rs的关系Fig. 14 Relationships between k,RE and Rs |
| 图选项 |
hm、αd和ym等对各作战能力指标的取值也有一定的影响,分析方法相同,在此不再赘述。
综合考虑上述作战需求,为完成基于舰空导弹区域防空作战任务,舰艇需具备的作战能力指标如表 2所示。
表 2 作战能力指标生成Table 2 Combat capability indexes generation
| 能力指标 | 区间值 |
| Dqc/km | [20.36,53.97] |
| hE/m | [90.89,1 409.61] |
| Rs/km | [69.38,201.48] |
| Rt/km | [35,105] |
| Ssyj/km | [16.01,120.09] |
| Ssjj/km | [3.32,8.29] |
| Sfyj/km | [56.04,173.21] |
| Sfjj/km | [6.63,11.60] |
| n | [1,2] |
| nd/枚 | [16,44] |
| p/% | [43.77,90] |
表选项
用区间数度量能力指标,可以有效表示出对敌方作战需求在一定范围内变化时,己方所必备的战术技术指标水平,使需求生成更具准确性。
4 结 论本文通过对单舰区域防空作战任务分析,重点研究舰空导弹作战中“元任务—能力指标”之间的解析规则,提出了能力需求生成定量化的方法,经仿真验证表明:
1) 模型框架的可用性。通过对预警侦察、指挥决策、武器打击以及毁伤评估等作战任务建立相应的数学模型,解析与之相关的能力指标,模型简单实用。
2) 根据需求到能力,层层推进。由所需探测敌目标距离入手,分析得到各项能力指标,并结合敌我双方速度的影响因素对各项能力指标进行分析,表明k=1基本上为指标变化的拐点。
3) 作战要求越高,对舰艇需求也越高。但需求也受舰艇技术发展水平的限制,如预警机的前出距离Dqc及高度hE并不能随着对敌所需探测距离一直增大而不符合实际情况。
本文最终得到需求指标的数值区间解,量化的仿真结果使模型更具有效性,可以理清现有武器装备在完成使命任务方面的不足,明确今后发展方向的重点。
参考文献
| [1] | 赵新爽,彭志明,陈忠宽.基于DoDAF 2.0的武器装备体系需求分析[J].空军预警学院学报,2013,27(5):370-373. ZHAO X S,PENG Z M,CHEN Z K.Analysis of weapon equipment system of systems requirements based on DoDAF 2.0[J].Journal of Air Force Early Warning Academy,2013,27(5):370-373(in Chinese). |
| Cited By in Cnki | |
| [2] | 耿青霞,杨秀月.基于作战功能模块设计的武器装备体系需求生成方法框架研究[J].装甲兵工程学院学报,2011,25(4):10-14. GENG Q X,YANG X Y.Research on the method frame of requirements generation of weapon equipment system based on the design of operational function module[J].Journal of Academy of Armored Force Engineering,2011,25(4):10-14(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (1) | |
| [3] | 郭齐胜,张猛,王晓丹,等.基于活动方法的武器装备型号论证需求分析[J].装甲兵工程学院学报,2011,25(1):8-11. GUO Q S,ZHANG M,WANG X D,et al.Requirement analysis of weapon and equipment type demonstration based on activity methodology[J].Journal of Academy of Armored Force Engineering,2011,25(1):8-11(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (2) | |
| [4] | 黄金才,陈洒然,程光权.舰艇编队防空过程建模及分析[J].国防科技大学学报,2014,36(3):184-190. HUANG J C,CHEN S R,CHENG G Q.Modeling and analysis of air defense process for warship formation[J].Journal of National University of Defense Technology,2014,36(3):184-190(in Chinese). |
| Cited By in Cnki | |
| [5] | 沈治河,朴成日.航母编队在对空防御中歼击机空域配置方法[J].指挥信息系统与技术,2012,3(3):29-34. SHEN Z H,PIAO C R.Fighter airspace disposition method for carrier formation in air defense[J].Command Information System and Technology,2012,3(3):29-34(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (3) | |
| [6] | 沈晓军,鞠鸿彬,张慧慧,等.基于舰载直升机的舰艇编队对空预警性能配置研究[J].指挥控制与仿真,2007,29(2):51-53. SHEN X J,JU H B,ZHANG H H,et al.Research on disposition of air early warning ability for carrier helicopters on warship formation[J].Command Control & Simulation,2007,29(2):51-53(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (7) | |
| [7] | 周晓光,赵仁厚,冯百胜,等.舰载预警机防空预警探测距离需求分析[J].指挥控制与仿真,2014,36(2):14-17. ZHOU X G,ZHAO R H,FENG B S,et al.Analysis of required radar range for carrier-based early warning aircraft[J].Command Control & Simulation,2014,36(2):14-17(in Chinese). |
| Cited By in Cnki | |
| [8] | 董银文,石章松,李云,等.舰空导弹协同制导杀伤区建立研究[J].指挥控制与仿真,2010,32(6):16-19. DONG Y W,SHI Z S,LI Y,et al.Research on damage zone of surface-to-air missile in the mode of collaborative guidance[J].Command Control & Simulation,2010,32(6):16-19(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (3) | |
| [9] | 杜彦强,李相民,代进进.舰空导弹杀伤空域分析与仿真[J].舰船电子工程,2008,28(9):129-131. DU Y Q,LI X M,DAI J J.Analysis and simulation for killing scope of ship-to-air missile[J].Ship Electronic Engineering,2008,28(9):129-131(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (5) | |
| [10] | 钟志通,徐德民,周州.舰载防空导弹发射区解算模型[J].火力与指挥控制,2009,34(5):160-162. ZHONG Z T,XU D M,ZHOU Z.Research on intercepting possibility's calculating model of ship-to-air missile weapon[J].Fire Control & Command Control,2009,34(5):160-162(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (5) | |
| [11] | 聂心东,帅鹏,姜文志.舰舰协同制导下舰空导弹水平发射区研究[J].指挥控制与仿真,2009,31(3):29-31. NIE X D,SHUAI P,JIANG W Z.Study of ship-to-air missile horizontal launch envelops guided by ship-by-ship[J].Command Control & Simulation,2009,31(3):29-31(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (6) | |
| [12] | 赵建军,王毅,杨利斌.舰艇编队协同防空射击次数[J].兵工自动化,2012,31(9):15-17. ZHAO J J,WANG Y,YANG L B.Firing time of warship formation in coordination air defense[J].Ordnance Industry Automation,2012,31(9):15-17(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (3) | |
| [13] | 栗飞,曲朋飞,闫艳坤.舰空导弹武器系统反导作战拦截次数建模与仿真[J].弹箭与制导学报,2012,32(2):32-34. SU F,QU P F,YAN Y K.Modeling and simulation of anti-missile interception frequency for ship-to-air missile weapon system[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2012,32(2):32-34(in Chinese). |
| Cited By in Cnki | |
| [14] | 荆发标,康晓予.编队防空反导作战拦截次数模型[J].舰船科学技术,2011,33(3):120-122. JING F B,KANG X Y.Research on the firing times model of the anti-missile interception for surface ship formation[J].Ship Science and Technology,2011,33(3):120-122(in Chinese). |
| Cited By in Cnki (5) | |
| [15] | 邢昌风,李敏勇,吴玲.舰载武器系统效能分析[M].北京:国防工业出版社,2007:109-114. XING C F,LI M Y,WU L.Effectiveness analysis of shipborne weapon system[M].Beijing:National Defense Industry Press,2007:109-114(in Chinese). |
