Analyzing Defense Capability of a Fleet of Military Aircraft Through Simulation
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2018-11-06
Department
Major/Subject
Mathematics and Operations Research
Mcode
SCI3055
Degree programme
Master’s Programme in Mathematics and Operations Research
Language
en
Pages
68
Series
Abstract
This thesis studies the air defense capability of a fleet of military aircraft with respect to the attributes of force fulfillment and engagement frontier. The force fulfillment measures the ability to deploy a number of assets consecutively to an operation area for a prolonged period of time. The analyzing of the force fulfillment is essentially an allocation and scheduling problem. Each asset has a limited amount of fuel, and the asset needs to return to base before fuel runs out. A replacing asset is needed at the operation area when the previous asset needs to return to base. After being refueled the asset is allocated again to some operation area. The replacement is done just in time whenever possible, and this sets up a problem where the flight schedules of assets are dictated by earlier allocations bit by bit. The engagement frontier measures the capability to counter the first enemy attack using assets on alert and stationed at the bases. The airspace may be restricted by zones which must be circumvented. The assets carry missiles which reach far ahead of the asset and thus form a missile envelope. It might be wanted that the assets are gathered such that the engagement would happen with two assets present. The engagement frontier is formed where the opposing assets engage at the earliest. This thesis presents two simulation models; one for computing measures of the force fulfillment, and one for computing the engagement frontier. The first model includes an allocation algorithm that uses a heuristic for controlling the use of ground resources and for allocating the aircraft to the operation areas. The allocation algorithm produces a flight and maintenance schedule from which the measures of the force fulfillment can be deduced. The simulation model for computing the engagement frontier is built upon network optimization where the earliest possible arrival times to each node in a grid are calculated. The simulation models enable versatile analyses, e.g., the force fulfillment over a spatial area. With the simulation model for the engagement frontier, the use of assets and their standby times can be determined such that the desired engagement frontier is achieved without excessive high alert.Tässä diplomityössä tarkastellaan lentokoneosastojen tuottaman ilmapuolustuskyvyn mittaamista kahdella eri attribuutilla; voiman riittävyydellä ja kohtaustasalla. Voiman riittävyys mittaa kykyä ylläpitää tietty määrä lentokoneosastoja peräjälkeen toiminta-alueella pitkällä aikavälillä. Voiman riittävyyden tarkastelu on pohjimmiltaan allokaatio ja aikataulutustehtävä. Kullakin lentokoneosastolla on rajallinen määrä polttoainetta, ja osaston täytyy palata tukikohtaan polttoaineen loppuessa. Korvaava osasto tarvitaan toiminta-alueelle, kun edellisen osaston täytyy kääntyä toiminta-alueelta pois. Tankkauksen jälkeen osasto allokoidaan jälleen jollekin toiminta-alueelle. Vaihto tapahtuu milloin mahdollista, ja tämä johtaa tehtävään, jossa osaston lennätysaikataulu määräytyy aiempien allokaatioiden perusteella pala palalta. Kohtaustasa mittaa kykyä vastata ensihyökkäykseen lentokoneosastoilla, jotka ovat tukikohdissa määrätyssä valmiudessa. Ilmatilaa saattaa rajoittaa lentokieltoalueet, jotka täytyy kiertää. Lentokoneosastoilla on käytössään ilmatorjuntaohjuksia, jotka muodostavat ohjuskuoren lentokoneen edelle. Voimaa voidaan keskittää siten, että torjuntaan halutaan käyttää kahta lentokoneosastoa. Kohtaustasa muodostuu siihen kohtaan, jossa vastakkaisten osapuolien osastot kohtaavat aikaisimmillaan. Tässä työssä esitellään kaksi erillistä simulaatiomallia; yksi voiman riittävyyden laskentaan, ja toinen kohtaustasan laskentaan. Voiman riittävyyden simulaatiomalli sisältää allokaatioalgoritmin, joka käyttää heuristiikkaa tukikohtaresurssien hallintaan ja lentokoneiden allokointiin toiminta-alueille. Allokaatioalgoritmi tuottaa lennätys- ja huoltoaikataulun, jonka perusteella voidaan mitata voiman riittävyyttä. Simulaatiomalli kohtaustasan laskentaan perustuu verkko-optimointitehtävän ratkaisemiseen, jossa lasketaan aikaisin mahdollinen saapumisaika kuhunkin hilapisteen solmuun. Simulointimallit mahdollistavat erilaisia analyysejä liittyen esimerkiksi voiman riittävyyteen maantieteellisellä alueella. Kohtaustasan simulaatiomallin avulla pystytään määräämään lentokoneosastojen valmiuksia siten, että haluttu kohtaustasa saavutetaan, mutta osastot eivät joudu turhaan olemaan korkeassa valmiudessa.Description
Supervisor
Virtanen, KaiThesis advisor
Virtanen, KaiKeywords
air defense capability, force fulfillment, engagement frontier, simulation, heuristic, network optimization