防空GAP问题的求解.doc
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1、防空GAP问题的求解摘要本文以关岛作为假想防空要地进行防空系统的部署。首先以关岛上的4个军事基地作为防空要地进行要地防空部署,然后对整个关岛进行区域防空部署。在地面防空火力单元的优化部署过程中,采用了网格离散化的思想。要地防空中以高炮作为火力单元,区域防空中则以霍克导弹系统作为中近程拦截火力单元,爱国者导弹系统作为远程拦截火力单元。在火力单元部署位置的选取中,主要考虑了地形、地貌、社会状况、交通、通信、水源和电源等约束条件,以部署结果的总掩护价值作为优化函数,通过层次分析法确定出各防空要地的重要程度后,再运用领域搜索法计算出网格化后的区域中各格点的部署程度值,依据各格点的部署程度值的大小最终确
2、定火力单元的最优部署位置。在防空部署有效性的检验中,选取空中目标的剩余威胁值作为检验的标准。通过计算空中目标来袭时的可拦截路径距离大小,火力单元的射击次数和防空体系对空中目标的总摧毁概率,得到了三种不同空中目标从不同角度方向针对不同要地实施空袭时的剩余威胁价值。计算结果和图表分析显示,模型中的火力单元部署对各个要地重点方向来袭目标的总摧毁概率均为90%以上,具有良好的防空效能,具有拦截高中低空、远中近程不同来袭目标的能力,同时兼顾了要地重要性,体现了“重点区域重点保护,重点目标重点设防”的思想。关键字:网格离散化,掩护价值,部署程度,剩余威胁值防空体系的报告防空防天系统是由空中防御、临近空间防
3、御、弹道导弹防御和太空防御所组成的综合防御系统。尽管对弹道导弹防御的能力还存在争议,但是海湾战争中世界第一次反导弹的成功历史经验和反导弹武器的高速发展让我们意识到,防御有限的作战飞机和弹道导弹的进攻是必要且可行的。 针对作战飞机和弹道导弹的危胁,必须采取不同的防御模式。对于要地的防御,不仅需要拦截导弹的威慑,更需要考虑来自低空的威胁。因此在要地周围有必要部署一定的射程相对较近的高射炮,同时进行点、线、面的综合一体化防御,能够覆盖高中低空,远中近程的各类威胁。在地形、地貌、社会经济一定的情况下,对于火力单元的部署必须达到最优化。可以利用防区网格离散化方法对部署方案、火力覆盖能力、约束条件以及火力
4、覆盖要求等条件进行表征后,对该防空要地(关岛)部署方案进行了优化,模拟检验结果显示,该部署方案对各个要地重点方向来袭目标的总摧毁概率均为90%以上,具有良好的防空效能,具有拦截高中低空、远中近程不同来袭目标的能力,同时兼顾了要地重要性,实现了“重点区域重点保护,重点目标重点设防”。 一问题的重述在世界各国所建立的防空体系中,因国力、军力和科技实力的不同,均存在着或大或小的漏洞。例如,2011年在巴基斯坦,美军特种兵在夜间驾驶直升飞机,绕过巴方防空预警设备的监视,悄无声息的执行了反恐作战军事行动。若不是飞机因故障坠毁,此事就将不为世人所知。各国防控体系中存在的的漏洞有时间上的探测漏洞,也有空间上
5、的覆盖漏洞,防空体系漏洞相关问题的研究统称为防空GAP问题。以此为背景解决以下问题:1) 查阅相关资料,以某一地域为假想防空要地,遴选量化指标,建立覆盖高中低空、远中近程结合,多兵种联合的防空体系的数学模型。2) 并就该防空体系,检验自己模型的合理性和有效性。3) 就自己的研究成果,给上级写出有效降低防空体系GAP的报告(300字左右)。二问题分析2.1 要地的点防空、面防空和区域防空防空体系按保卫的地面目标性质不同可分为三类:点防空体系、面防控体系和区域防空体系,点防空和面防空又统称为要地防空。其中点目标是指只要有一个空中目标突防,对该目标进行一次空袭就可能使其丧失正常机能并且短时间内不能修
6、复的地面目标。面目标指一个空中目标突防,对该目标进行一次空袭,只能造成一定杀伤,但不会使其丧失正常机能,且范围有限,不能容纳大批空中目标同时空袭的地面目标。在本模型中以关岛为防空地,对关岛相关资料的了解中发现,岛上有美军安德森空军基地、首府阿加尼亚(内有美海军维护设施)、阿加尼亚海军航空站和阿普拉海军基地共4个防空要地,依据上面定义,这些要地的防空均属于面防空。再从全岛防空的角度考虑,关岛作为美军部署在太平洋的重要军事基地,其军事地理意义极为重要,故在防空时仅将美军事基地作为防空要地,对于全岛有必要进行区域防空。2.2 掩护价值的提出区域防空部署与要地防空部署有着较大的区别,它并不是以每个要地
7、为中心分别独立部署,而是要将要地所在区域作为一个整体进行部署。区域防空部署优化问题的困难在于部署优化目标函数的确定。一般认为“火力纵深”越大越好,“杀伤区的重叠次数越多越好”,“火力密度”越密越好。但这些都是对防空火力单元的掩护能力的单方面衡量,与要地的重要程度无关,如果以掩护能力作为目标函数进行优化,则将违背“重点区域重点保护,重点目标重点设防”的原则。要全面、合理地度量防空作战部署的优劣,就要克服将掩护能力作为目标函数带来的不足,故引入掩护价值的概念。掩护价值是掩护能力与掩护目标重要程度的综合。假设在掩护区域内有个需要保护的目标,重要程度分别为,有个防空火力单元,火力单元对要地的掩护能力为
8、,则部署对保卫目标的掩护价值为:这样在部署火力单元时,以掩护价值为目标函数进行优化部署既体现了火力单元掩护能力,同时也兼顾了掩护目标的重要性。2.3 剩余威胁值为了定量评价防空导弹体系的防空效能,需要评估空中目标对地面目标的威胁值。一个空中目标在没有受到防空兵器拦截的条件下,对给定的地面目标可能造成的杀伤程度,为这个空中目标对该地面目标的威胁值,当受到地面防空兵器拦截后,仍然具有的威胁值,称为该空中目标的剩余威胁值。本模型以空中目标经过防空体系后的剩余威胁值作为防空体系有效性的评价标准,剩余威胁值越小则说明防空体系越有效。空中目标的剩余威胁值可按下式计算:其中为空中目标经过防控体系时,防控体系
9、对它的杀伤概率。三模型假设3.1 模型假设1) 同一类型的火力单元其单次拦截空中目标的概率相同。2) 导弹和飞机在其内部不区分型号,认为它们具有相同的威胁值。3) 不考虑探测雷达的探测发现的概率和时间,认为空中目标一旦进入地面火力单元的拦截范围即可进行拦截。4) 不考虑火力单元内部各种类型作战车(导弹发射车、指控车、雷达车)的分布情况,以整个火力单元进行防空体系的部署。5) 不考虑在具体的火力单元部署地是否存在较大的地势落差。6) 空中目标在对要地的空袭中均为直线飞行,不考虑空中目标为躲避地面防空武器而进行机动飞行。7) 不考虑来袭飞机在完成攻击任务返航途中被地面火力单元才摧毁的概率,即飞机与
10、导弹按统一来袭方式进行求解。8) 关岛地区的主要威胁来自俄罗斯,即主要威胁方向来自关岛的正北方向。四 符号说明 第个保护目标的重要程度 火力单元对要地的掩护能力 空中目标对地面目标的威胁值 空中目标经过防空体系后的剩余威胁值 防空体系对空中目标的杀伤概率 火力单元部署地的总约束矩阵 第个火力单元对第个要地相对威胁方向上的掩护能力的贡献 第个火力单元对第个要地相对距离上的掩护能力的贡献 第行第列格点部署火力单元时的部署程度值 要地间重要程度的比较矩阵 区域网格化时网格正方形的边长 在第种相对位置关系中可拦截路径的长度 表示火力单元与要地间的距离 表示火力单元和要地间连线与来袭方向间的夹角 拦截射
11、击次数 表示第类空中来袭目标的飞行速度 表示第类地面火力单元的射击时间间隔五模型的建立与求解5.1防空体系的建立模型 防空系统是由空中防御,临近空间防御,弹道导弹防御和太空防御所组合的综合防御系统。防区内受到的威胁主要是作战飞机,巡航导弹和弹道导弹。对于不同的威胁,分别部署高射炮和防空导弹进行防御。5.1.1高射炮的部署1) 防区网格化 本文提出了网格离散化的思想,即用一定大小的网格对防区进行分割,将网格的交叉点作为实际防区的备选部署位置采样点和评价点. 要地防空中,来袭目标没有有明确的攻击位置或攻击范围,所以部署时通常采取全方位圆环形的防御的形式, 圆环的大小可根据战场实际情况调整. 离散化
12、后的防区称为防区网格, 如图所示.图1 网格化示意图假设防区是以被保护要地为圆心的圆环形区域,在极坐标系下,使用等极角的射线和等长度的极径对防区进行分割,分割的网格大小依据防区的大小以及部署的需求而定.显然,网格越密、备选的部署位置越多,越有可能达到实际最优的效果, 但是也带来计算量的增加和计算速度的降低.所以应根据实际情况决定网格的大小,在计算量和存储量允许的情况下,还需要考虑火力单元展开的占地范围和安全射击范围,备选位置之间的距离应大于各个火力单元的安全射击距离2) 火力点约束矩阵火力点的部署受到众多因素的影响,主要是地形、地貌、社会状况、交通、通信、水源、电源等影响。地形状况主要考虑遮蔽
13、情况是否满足设计要求,地形开阔、平坦状况;地貌状况主要考虑阵地的土质情况、自然伪装条件和自然标定物;社会状况主要考虑治安情况和经济的发展情况。交通状况主要考虑公路、铁路、水路和航空交通情况,看是否满足部队机动的需要;通信状况主要考虑有线、无线通信情况,同时考虑通信干扰情况;水源状况主要考虑自来水供给情况和自给水情况;电源状况主要考虑市电供给和自发电情况;根据地空导弹部队阵地选择的基本要求,着重从7个方面进行综合评价。本文根据这七个因素,建立每个因素的约束矩阵,分别然后对火力点的分析进行综合考虑。其中地形对于火力点的部署影响最大,对能否部署几乎具有决定性作用。若火力点所处的地形是山川和河流时,我
14、们认为该点不能进行部署,该点的标度为,否则为。其他的约束矩阵元素的标度为,对部署影响越大,标度越接近1。表1 标度的含义标度含义0.1影响一般0.3影响稍大0.5影响很大0.7影响非常大0.9影响极端大0.2,0.4,0.6,0.8表示上述相邻判断的中间值则总约束矩阵3) 火力点掩护能力i) 火力单元相对威胁方向对掩护能力的贡献保卫要地的方向一般分为四种: 重要、次要、一般和非重要保卫方向。保卫方向的权重取决于敌方目标的进袭情况。比如, 某要地处于敌主要进袭方向上, 那么该要地处于重要保卫方向。下面的值是通过对专家的调查得到的。表2 标度的含义标度含义1若第个火力单元处于第个要地的重要保卫方向
15、0.5若第个火力单元处于第个要地的次重要保卫方向0.175若第个火力单元处于第个要地的一般保卫方向0.045若第个火力单元处于第个要地的非重要保卫方向ii) 火力单元相对要地的距离对掩护能力的贡献在研究距离对掩护能力的影响前, 先给出一个相关的概念, 即空袭完成任务线。空袭完成任务线是一个专用名词, 是传统投弹线的扩展。完成任务线由两条( 种) 线组成,即临空轰炸(包括普通炸弹和精确制导炸弹) 完成任务线和发射空地导弹完成任务线, 我们分别将其叫做完成任务内线和完成任务外线。若第个火力单元的火力处于空袭第个要地的敌完成任务内线内,则=0.71;若第个火力单元的火力处于空袭第个要地的敌完成任务内
16、线与外线中间,则=0.9。若第个火力单元的火力处于空袭第个要地的敌完成任务外线之外, 则每向外外推公里( 取值可根据火力单元的类型不同而具体对待) , 射程就减小一半。这里的值是通过对专家调查得到的。掩护能力是指防空部署对其保卫目标的掩护程度的度量, 它与防空部署有关, 与要地的几何分布有关, 与主要来袭方向有关。则掩护能力 为了全面系统的分析每一个火力点,本文提出了部署程度的概念即在该点部署火力点的需要程度 部署程度的值越大,表示该点的重要程度越大,在该点部署火力单元的可能性就越大。当大于某一个值时,就在该点部署火力单元。5.1.2拦截导弹的部署相比于高射炮,近程拦截导弹的射程远而且火力猛。
17、对于一些非重点的地区,只需要拦截导弹的防御。所以对于拦截导弹的部署,本文采用了不同的部署方案。1) 要地的权重分析在整个区域内不同要地的重要程度不同。在防空系统中,需要根据不同的重要程度进行部署火力。首先,对要地的重要程度对比,得到比较矩阵。求出比较矩阵的各行元素之和 对进行正规化,即将相加之和再除,得到权重值2) 整个地区的网格化将整个地区以边长为的正方形网格化,正方形的顶点为火力单元。如图所示图2整个地区网格化示意图3) 拓展部署程度4) 由于拦截导弹的射程远,防御面积很大,能够对多个要地进行防御。假设防御的区域是半径为的圆,是拦截导弹的射程。如果要地在防御面积内,则该要地能够受到该火力点
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