Situation Analysis for Fighter Aircraft Combat Survivability

162 Pages·2011·4.44 MB·English

Licentiate Thesis
Situation Analysis for Fighter Aircraft Combat
Survivability
Tina Erlandsson
Technology
StudiesfromtheSchoolofScienceandTechnologyatÖrebroUniversity23
örebro2011

Situation Analysis for Fighter Aircraft Combat
Survivability

Studies from the School of Science and Technology
at Örebro University 23
Tina Erlandsson
Situation Analysis for Fighter Aircraft
Combat Survivability
ThisresearchisfundedbyTheSwedishGovernmentalAgencyforInnovation
Systems(Vinnova)throughtheNationalAviationEngineeringResearch
Program(NFFP5-2009-01315)andsupportedbySaabAB.
© Tina Erlandsson, 2011
Title: SituationAnalysisforFighterAircraftCombatSurvivability
Abstract
Fighter pilots operate in environments where an erroneous decision may have
fatal consequences. A tactical decision support system (TDSS) could aid the
pilots to analyze the situation and make correct decisions. The TDSS can, for
instance,highlightimportantinformationandsuggestsuitableactions.Theaim
of this thesis is to provide a situation analysis model of combat survival that
canbeutilizedinaTDSS.
Thefirstpartofthisthesisdescribesananalysisofwhatthemodelneedsto
describeandhowitcanbeused.Itisconcludedthatthemodelshouldevaluate
the outcome of different actions with respect to combat survival. This evalua-
tioncanguidethepilot’sdecisionmaking,sothatactionsleadingtodangerous
situationsareavoided.Theanalysisalsohighlightstheneedofhandlinguncer-
tainties, both measurement precision uncertainty regarding the locations and
capabilities of the threats (enemies) and inference uncertainties regarding the
prediction of how the threats will act. Finally, arguments for focusing the rest
of the work on a single fighter aircraft and threats located on the ground are
presented.
The second part of the thesis suggests a model, which describes the sur-
vivability, i.e., the probability that the aircraft can fly a route without being
hitbyfirefromground-basedthreats.Thus,themodelrepresentstheinference
uncertainty,sinceitdescribestheprobabilityofsurvival.Themodel’scharacter-
isticsarediscussed,e.g.,thatthemodelisimplementableandcanbeadaptedto
describe different kinds of ground-based threats. Uncertainty in terms of mea-
surement precision influences the estimate of the survivability. Two different
ways of representing this is discussed: calculating the worst case scenario or
describing the input as random variables and the resulting survivability as a
random variable with a probability distribution. Monte Carlo simulations are
used for estimating the distribution for survivability in a few illustrative sce-
narios, where the input is represented as random variables. The simulations
show that when the uncertainty in input is large, the survivability distribution
maybebothmultimodalandmixed.Twouncertaintymeasuresareinvestigated
thatcondensetheinformationinthedistributionsintoasinglevalue:standard
deviation and entropy. The simulations show that both of these measures re-
i
ii
flecttheuncertainty.Furthermore,thesimulationsindicatethattheuncertainty
measurescanbeusedforsensormanagement,sincetheypointoutwhichinfor-
mationthatisthemostvaluabletogatherinordertodecreasetheuncertainty
inthesurvivability.
Finally, directions for future work are suggested. A number of TDSS func-
tions that can be developed based on the model are discussed e.g., warnings,
countermeasuremanagement,route-planningandsensormanagement.Thede-
signofthesefunctionscouldrequireextendingthethreatmodeltoincorporate
airborne threats and the effects of countermeasures. Further investigations re-
gardingtheuncertaintyinthemodelarealsosuggested.
Keywords:fighteraircraft,situationanalysis,combatsurvival,decisionsup-
port,uncertainty
Sammanfattning
Stridspiloterflygerisituationerdärettfelaktigtbeslutkanfåödesdigrakonse-
kvenser, till exempel att flygplanet störtar, att målet missas eller att flygplanet
träffas av fiendeeld. Piloterna behöver fokusera både på att utföra sina upp-
drag,attflygapåettsäkertsättochattöverlevastriden.Dennaavhandlingfo-
kuserarpåöverlevnadistriden,vilketinnebärattpilotenmåstevaramedveten
om de hot (fiender) som finns i omgivningen och undvika att träffas av fien-
deeld.Etttaktisktbeslutstödssystemkanunderlättaförpiloternaattanalysera
situationenmedavseendepåöverlevnad,vilketskulletillåtademattriktamer
uppmärksamhetmotsittuppdrag.Ettsådantsystemkanexempelvisprioritera
vilken information som behöver visas för piloten, hjälpa piloten att utvärde-
ra olika handlingsalternativ och/eller rekommendera lämpligt åtgärder. Målet
medforskningenidennaavhandlingäratttaframenmodellförsituationsana-
lysföröverlevnadsomkanutgöraenkomponentiettsådantbeslutstödssystem
förpiloter.
Denförstadelenavavhandlingenbeskriverenproblemanalyssomgörsför
attförståbådevadsomskamodelleras,menocksåhurmodellenskaanvändas
och vilka krav detta ställer på den. Analysen baseras på både litteraturstudi-
er och intervjuer med stridspiloter. En slutsats är att modellen ska utvärdera
olika åtgärder som piloten kan utföra genom att beräkna hur dessa åtgärder
påverkan pilotens möjligheter att överleva. Det föreslås också att beslutstöds-
systembörlevereraettkonfidensmåttpåhursäkradessrekommendationerär.
Eftersom modellen är tänkt att vara del av ett sådant system är det viktigt att
modellen kan hantera och representera osäkerhet. Denna osäkerhet rör både
hotenspositionochförmågasamtosäkerhetkringhurhotenkommerattagera.
Resultatetavproblemanalysenärenfördjupadproblembeskrivning.Dessutom
motiveras de avgränsningar som görs för resterande arbete, exempelvis att fo-
kusera på markbaserade hot och att inte ta hänsyn till samverkan mellan flera
piloter.
Denandradelenavavhandlingenföreslårenmodellsomberäknaröverlev-
nadsmöjligheten, dvs. sannolikheten att piloten kan flyga en viss rutt utan att
flygplanetblirträffatavfiendeeld.Iavhandlingenföreslåsenenkelbeskrivning
av hoten som tar hänsyn till sannolikheten att de upptäcker flygplanet, risken
iii
iv
för att de väljer att avfyra missiler och sannolikheten att dessa missiler träffar
flygplanet.Någraavmodellensegenskaperdiskuteras,exempelvisattmodellen
ärimplementerbarochkanhanteraolikabeskrivningaravmarkbaseradehot.
Modellen använder information om var hoten befinner sig och vilken för-
måga de besitter. Eftersom denna information oftast är osäker, så blir beräk-
ningarna av överlevnadsmöjligheten osäkra. Två sätt föreslås för att represen-
teradetta.Genomatträknapåvärstamöjligafall,fårmanenundregränsför
överlevnadsmöjligheten. Ett annat sätt är att representera indata som stokas-
tiskavariabler,vilketinnebärattävenöverlevnadsmöjlighetenärenstokastisk
variabelmedenfördelning.Detvisarsigvarasvårtattanalytisktbeskrivaden-
na fördelning och därför används simuleringar för att skatta den och för att
analyseramodellensbeteendeiettparillustrativascenarier.Simuleringarnavi-
sarattöverlevnadsmöjlighetenbeskrivsavenmixadfördelning,dvs.enfördel-
ning som innehåller både kontinuerliga och diskreta delar. När osäkerheten i
indataärstorochruttenpasserarnäraflerahot,fårfördelningenettkomplext
utseende.
Istället för att representera osäkerheten i överlevnadsmöjligheten med en
fördelning,såärdetönskvärtatttaframettmåttsomsammanfattarosäkerhe-
teniettendavärde.Dettamåttkananvändasföratttaframkonfidensmåttför
derekommendationersombeslutstödssystemetger.Tvåmöjligamåttstuderas:
standardavvikelseochentropi.Simuleringarnavisarattbådadessamåttverkar
beskriva osäkerheten i fördelningarna, även om de fokuserar på delvis olika
aspekteravosäkerheten.Ettmöjligtanvändningsområdeförettsådantmåttär
sensorstyrning, där sensorerna skulle kunna samla in den information som är
mest värdefull för att minska osäkerheten angående överlevnadsmöjligheten. I
ett scenario där hotens positioner är osäkra visar simuleringar att båda måt-
tenkananvändasförattidentifieravilkethotsommestbidrartillosäkerheten.
Genomattstyrainhämtningenavinformationsåattdettahotprioriteras,kan
osäkerhetenminskas.
Avhandlingen avslutas med förslag på fortsatt arbete. Det diskuteras hur
modellen kan utökas till att hantera exempelvis flygande hot och hur den kan
användas som grund för ett beslutsstödssystem. Olika beslutstödsfunktioner
föreslås, såsom varningar, ruttplanering, motmedelshantering och sensorstyr-
ning. Det föreslås även att andra sorters osäkerhetsrepresentationer kan vara
intressanta att studera. Dessutom pekas andra möjliga användningsområden
för modellen ut, såsom automation i obemannade flygande farkoster och da-
torgenereradeagenterisimulatorer.