[論文レビュー] Armoured Fighting Vehicle Team Performance Prediction against Missile Attacks with Directed Energy Weapons

Graham V. Weinberg, Mitchell Kracman|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、対戦車戦闘車両（AFV）チームのミサイル攻撃下における生存確率を記述する離散時間モデルを、撃墜ミサイル数を追跡するジャンプ確率過程を用いて連続時間へ拡張する。高エネルギー線形レーザー（HEL）指向エネルギー兵器（HEL-DEW）の留在時間効果をモデル化することで、単発および二発のミサイル攻撃に対する正確な性能予測が可能となり、典型的なしきい値を想定した場合、1 km以内の到達距離で両ミサイルが撃墜可能であることが示された。

ABSTRACT

A recent study has introduced a procedure to quantify the survivability of a team of armoured fighting vehicles when it is subjected to a single missile attack. In particular this study investigated the concept of collaborative active protection systems, focusing on the case where vehicle defence is provided by high power radio frequency directed energy weapons. The purpose of the current paper is to demonstrate how this analysis can be extended to account for more than one missile threat. This is achieved by introducing a jump stochastic process whose states represent the number of missiles defeated at a given time instant. Analysis proceeds through consideration of the sojourn times of this stochastic process, and it is shown how consideration of these jump times can be related to transition probabilities of the auxiliary stochastic process. The latter probabilities are then related to the probabilities of detection and disruption of missile threats. The sum of these sojourn times can then be used to quantify the survivability of the team at any given time instant. Due to the fact that there is much interest in the application of high energy lasers in the context of this paper, the numerical examples will thus focus on such directed energy weapons for armoured fighting vehicle team defence.

研究の動機と目的

• 従来のAFVチームのミサイル攻撃下における離散時間モデルを、連続時間フレームワークに拡張すること。
• 時間経過に伴う撃墜ミサイル数を追跡する確率過程を構築し、リアルタイムでの性能予測を可能にすること。
• 高エネルギー線形レーザー（HEL）指向エネルギー兵器がミサイル脅威に与える影響を、留在時間効果を考慮してモデル化すること。
• 複数ミサイル攻撃下における協働型アクティブ防衛システム（C-APS）の評価に適したスケーラブルな数学的枠組みを提供すること。
• HEL-DEWによる対抗措置を焦点に、数値例を通じてモデルの適用可能性を示すこと。

提案手法

• 時間 t における撃墜ミサイル数を、状態 {0,1,2} を有する連続時間ジャンプ確率過程 Z(t) でモデル化し、撃墜された脅威の数を表す。
• 到達時間（sojourn times）を分析し、検出および遮断成功確率と関連する遷移確率を導出する。
• 幾何学的および運動学的関係に基づいて導出された、標的の留在時間に依存するHEL-DEW効果を表す新規な式を導入する。
• コサイン定理を用いて、ミサイルから潜在的撃墜車両までの距離を計算し、迎撃の可能性を評価する。
• 方程式 (34)–(35) および (43)–(46) を用いて、ミサイルの到達距離とプラットフォームの幾何配置に基づく検出および遮断確率を計算する。
• 時間依存確率分布 P(τ₀ < t) および P(τ₀ + τ₁ < t) を用いて、衝突直前までに1発または両ミサイルが撃墜される確率を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AFVチームの生存確率を記述する離散時間モデルを、より正確な性能予測を可能にする連続時間へどのように拡張できるか？
• RQ2 協働型アクティブ防衛システムにおける高エネルギー線形レーザーの留在時間効果が、迎撃ミサイルの確率に与える影響は何か？
• RQ3 二発のミサイル攻撃シナリオにおいて、検出および遮断確率はミサイルの到達距離と車両の配置にどのように依存するか？
• RQ4 HEL-DEWを装備したC-APSチームが、独立して発射された同一の二発のミサイルに対してどのように性能を示すか？
• RQ5 複数ミサイル攻撃シナリオにおいて、遮断しきい値を引き上げると、ミサイル撃墜の成功確率にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 到達時間の分析を用いたジャンプ確率過程の連続時間への拡張により、従来の離散時間解析が成功裏に拡張された。
• 遮断しきい値 U = 10 の場合、両ミサイルが想定される標的到達点から1 km以内で撃墜されると予測され、典型的なHEL-DEW性能と整合的である。
• 遮断しきい値を1000に引き上げると、撃墜確率が著しく低下し、システムのしきい値設定に対する感受性が示された。
• 幾何的制約および車両固有の迎撃能力（例：B₁およびB₄はB₂を防衛できない）をモデルが適切に反映している。
• 数値結果により、C-APSフレームワークがHEL-DEWを用いた現実的な迎撃条件下でも高い撃墜率を達成可能であることが確認された。
• フレームワークは三発以上のミサイルに対しても拡張可能であるが、条件付き確率解析の複雑性が著しく増加する。