[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文将先前针对装甲战斗车辆（AFV）编队在导弹攻击下的离散时间生存能力模型，通过使用追踪被击落导弹数量的跳跃随机过程，扩展至连续时间框架。通过建立高能激光定向能武器（HEL-DEW）的驻留时间效应模型，实现了对单枚与双枚导弹威胁的精确性能预测，表明在典型阈值条件下，两枚导弹均能在距离目标1公里内被击落。

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.

研究动机与目标

• 将先前针对装甲战斗车辆（AFV）编队在导弹攻击下生存能力的离散时间模型，扩展至连续时间框架。
• 开发一种追踪随时间推移被击落导弹数量的随机过程，以实现性能的实时预测。
• 建立高能激光（HEL）定向能武器对导弹威胁的影响模型，考虑驻留时间效应。
• 提供一个可扩展的数学框架，用于评估在多重导弹攻击下协同主动防护系统（C-APS）的性能。
• 通过数值示例展示模型的应用性，重点聚焦于HEL-DEW对抗措施的性能。

提出的方法

• 使用连续时间跳跃随机过程 Z(t)，其状态为 {0,1,2}，表示被击落威胁的数量，以建模时间 t 时被击落的导弹数量。
• 分析该过程的逗留时间，推导与探测和干扰成功率相关的转移概率。
• 提出一种新颖的HEL-DEW效能表达式，考虑目标驻留时间，其推导基于几何与运动学关系。
• 应用余弦定理计算导弹到潜在拦截车辆的距离，以判断拦截可行性。
• 使用公式 (34)–(35) 和 (43)–(46) 根据导弹距离与平台几何关系计算探测与干扰概率。
• 采用时变概率分布 P(τ₀ < t) 和 P(τ₀ + τ₁ < t)，量化在撞击前击落一枚或两枚导弹的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将装甲战斗车辆（AFV）编队生存能力的离散时间模型扩展至连续时间，以实现更精确的性能预测？
• RQ2 高能激光驻留时间对协同主动防护系统中击落来袭导弹概率的影响是什么？
• RQ3 在双导弹交战场景中，探测与干扰概率如何随导弹距离与车辆位置而变化？
• RQ4 当防御系统使用HEL-DEW应对两枚独立发射的相同类型导弹时，C-APS编队的性能如何？
• RQ5 在多导弹场景中，提高干扰阈值对成功击落导弹概率的影响是什么？

主要发现

• 该模型通过利用跳跃随机过程的逗留时间来表示导弹被击落事件，成功将先前的离散时间分析扩展至连续时间。
• 当干扰阈值 U = 10 时，预测两枚导弹均能在距离目标1公里内被击落，与预期的HEL-DEW性能一致。
• 将干扰阈值提高至1000会显著降低击落概率，表明系统对阈值设定高度敏感。
• 该模型考虑了几何约束及车辆特定的交战能力，例如 B₁ 和 B₄ 无法防御 B₂。
• 数值结果证实，在真实交战条件下，C-APS框架结合HEL-DEW可实现高击落率。
• 该框架可扩展至三枚或更多导弹，但条件概率分析的复杂性随之显著增加。