陳 輝,雷 霆,閆達(dá)亮
(95980部隊,湖北襄陽441021)
天波超視距雷達(dá)利用電離層對電磁波的反射作用,實現(xiàn)對飛機(jī)、艦船和導(dǎo)彈等目標(biāo)的超視距檢測,具有監(jiān)視范圍大、單位面積成本低、防低空突襲、能探測隱身目標(biāo)等突出優(yōu)點,近年來受到廣泛關(guān)注[1]。天波超視距雷達(dá)是實現(xiàn)遠(yuǎn)程戰(zhàn)略預(yù)警最為經(jīng)濟(jì)、有效的手段,已成為各大國戰(zhàn)略預(yù)警體系中的重要裝備[2-3]。因此,研究天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能對裝備的論證使用和規(guī)劃部署國防預(yù)警探測體系具有重要意義。
近年來,國內(nèi)對天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能開展了廣泛研究。文獻(xiàn)[4-5]針對單一性能參數(shù)法和評價指標(biāo)的模糊性特點,分別采用ADC法和模糊綜合評判法對天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能進(jìn)行了評估;文獻(xiàn)[6]在考慮裝備保障系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,研究了天波超視距雷達(dá)對海探測能力;文獻(xiàn)[7]采用層次分析法從探測能力和對抗能力兩個方面對天波超視距雷達(dá)的作戰(zhàn)效能進(jìn)行了綜合評估。然而,以上文獻(xiàn)所建立的評估指標(biāo)針對性不強(qiáng),未有效關(guān)聯(lián)天波超視距雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理,大多數(shù)僅僅考慮裝備本身的固有能力,而沒有從裝備全系統(tǒng)的角度出發(fā),往往忽視了數(shù)據(jù)處理、指揮控制以及裝備綜合保障性等因素對雷達(dá)作戰(zhàn)效能的影響。鑒于以上問題和不足,本文結(jié)合天波超視距雷達(dá)的戰(zhàn)技術(shù)性能特點,綜合考慮不同因素對系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的影響,將評估對象由裝備擴(kuò)展到裝備全系統(tǒng),建立一種基于模糊層次決策的天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估模型,從而對天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能進(jìn)行準(zhǔn)確評估。
天波超視距雷達(dá)系統(tǒng)不僅包括天波超視距雷達(dá)主裝備,還包括使主裝備能發(fā)揮作用的相關(guān)保障系統(tǒng)。因此,本文從裝備全系統(tǒng)的角度出發(fā),綜合考慮作戰(zhàn)效能評估各種影響因素,運用層次分析法對評估總目標(biāo)進(jìn)行多層次分解,依據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)工作實際,通過廣泛的調(diào)查研究和專家咨詢,經(jīng)過多次反復(fù)修改、補(bǔ)充和完善,建立了一套新的天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能綜合評估指標(biāo)體系,如圖1所示。
圖1 天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能綜合評估指標(biāo)體系層次分析模型
由圖1可知,該指標(biāo)體系可分為三個層次:第一層是目標(biāo)層(A層),即天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能總體評估;第二層是準(zhǔn)則層(B層),包括探測性能、數(shù)據(jù)處理能力、生存能力、指揮控制能力和綜合保障性等6個指標(biāo);第三層是指標(biāo)層(C層),包括探測作用距離、有效探測扇區(qū)、探測精度等22個評估指標(biāo),具體分析如下:
1)探測性能(B1)
探測性能是指雷達(dá)在干擾環(huán)境下探測目標(biāo)的能力,由探測作用距離、探測有效扇區(qū)、探測精度、系統(tǒng)可用度和抗干擾能力進(jìn)行描述。其中,探測作用距離、有效探測扇區(qū)反映了天波超視距雷達(dá)的探測威力范圍;探測精度反映雷達(dá)探測目標(biāo)的定位能力;抗干擾能力是天波超視距雷達(dá)探測性能的一個重要指標(biāo),這是因為天波超視距雷達(dá)工作在短波波段,工作頻段決定了其干擾背景比常規(guī)微波雷達(dá)惡劣得多,如雷電、海雜波、流星尾跡,尤其是短波電臺干擾,其頻段密集且功率較強(qiáng)。系統(tǒng)可用度是衡量天波超視距雷達(dá)探測性能的一個重要指標(biāo)。在作戰(zhàn)上,系統(tǒng)可用度越高越好。系統(tǒng)可用度受電離層影響較大,由于電離層是變化的,存在著許多不穩(wěn)定現(xiàn)象,會造成天波超視距雷達(dá)系統(tǒng)的不可用或部分性能下降。
2)數(shù)據(jù)處理能力(B2)
數(shù)據(jù)處理能力是描述天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能的重要指標(biāo),它能反映規(guī)定作戰(zhàn)任務(wù)下系統(tǒng)對探測的目標(biāo)信號與數(shù)據(jù)的處理與運用能力,數(shù)據(jù)處理能力的高低直接影響著天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮程度。因此本文選取數(shù)據(jù)處理容量、數(shù)據(jù)處理速度、數(shù)據(jù)處理精度、目標(biāo)識別能力和目標(biāo)跟蹤能力等作為數(shù)據(jù)處理能力指標(biāo)。其中,數(shù)據(jù)處理容量、數(shù)據(jù)處理速度、數(shù)據(jù)處理精度是情報信息處理的基本能力指標(biāo),而目標(biāo)識別能力和目標(biāo)跟蹤能力是天波超視距雷達(dá)情報數(shù)據(jù)處理的重要功能,也是反映天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵指標(biāo)。
3)生存能力(B3)
生存能力是指天波超視距雷達(dá)在作戰(zhàn)環(huán)境下抗軟、硬殺傷的能力。天波超視距雷達(dá)天線陣地一般很大且是固定的,沒有機(jī)動性可言,所以站址選擇一定要合理。對天波超視距雷達(dá)來說,抗ARM攻擊具有先天的優(yōu)勢,因此,抗ARM攻擊的效能指標(biāo)一般不予考慮或者權(quán)值很低,考慮到科學(xué)簡化評估指標(biāo)體系的原則,本文認(rèn)為天波超視距雷達(dá)的系統(tǒng)生存能力由站址選擇合理性、抗毀能力和抗偵察能力三個指標(biāo)聚合而成。
4)指揮控制能力(B4)
天波超視距雷達(dá)的指揮控制能力指標(biāo)主要由態(tài)勢顯示能力、指令控制能力、輔助決策能力、情報分發(fā)能力、電離層監(jiān)控能力和信息查證能力六個指標(biāo)聚合而成。其中,態(tài)勢顯示能力指標(biāo)是基礎(chǔ),指令控制能力、輔助決策能力以及情報分發(fā)能力是指揮控制能力得以體現(xiàn)的重要內(nèi)容,而電離層監(jiān)控能力和信息查證能力是體現(xiàn)指揮控制能力的重要前提,也是天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能得以有效發(fā)揮的關(guān)鍵。
5)綜合保障性(B5)
天波超視距雷達(dá)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮,既取決于系統(tǒng)的戰(zhàn)技術(shù)性能,也取決于裝備的綜合保障性。從系統(tǒng)工程的角度來說,裝備綜合保障性主要來源于其可靠性、維修性和保障性等裝備重要質(zhì)量特性設(shè)計的好壞[8]。因此,本文選取可靠性、維修性、保障性作為天波超視距雷達(dá)的綜合保障性指標(biāo)。
天波超視距雷達(dá)系統(tǒng)是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng),其作戰(zhàn)效能是一個綜合性指標(biāo),包含多種技術(shù)因素和不確定性,對系統(tǒng)的評估也是一項復(fù)雜的工作,涉及許多難以量化的因素。在上述評估指標(biāo)分析中,主要涉及到兩類指標(biāo):一是定量指標(biāo),可以直接進(jìn)行定量計算;二是定性指標(biāo),可以通過專家知識經(jīng)驗進(jìn)行評定。因而天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估的原則是基于定量計算和定性分析相結(jié)合的多屬性綜合決策評估過程。為此,本文提出層次分析法(AHP)與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法對天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能進(jìn)行綜合評估,具體步驟如下。
利用AHP對評價因素進(jìn)行分析時,首先要將其分組,每組作為一個層次,由左至右按最頂層、中間層和最低層的形式排列,構(gòu)建層次模型如圖1所示。其中,最頂層為目標(biāo)層,表示要解決問題的目標(biāo);中間層為準(zhǔn)則層,表示采取某種措施來實現(xiàn)預(yù)定總目標(biāo)所涉及到的中間環(huán)節(jié);最底層為指標(biāo)層,它是最終影響天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)能力的評價指標(biāo)集。
評語集是以判斷者對評判對象可能出現(xiàn)的各種評判結(jié)果為元素組成的集合。設(shè)評語集V={V1,V2,…,V n},V j(j=1,2,…,n)代表各種可能的總評判結(jié)果。
在天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估中,各級評估指標(biāo)權(quán)重的確定是至關(guān)重要的,其反映了各個因素對天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能影響的程度。確定權(quán)重的方法很多,如專家評判法、層次分析法和相關(guān)系數(shù)法等。本文在結(jié)合專家意見的條件下,通過AHP的方法確定各評估因素的權(quán)重。
1)構(gòu)造比較判斷矩陣
根據(jù)圖1所建立的評估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu),使用成對比較和專家咨詢法來構(gòu)造判斷矩陣A=[a ij](表示同一層各指標(biāo)相對重要性的標(biāo)度值,判斷標(biāo)準(zhǔn)采用層次分析法常用的1~9標(biāo)度法)。
2)計算指標(biāo)權(quán)重
指標(biāo)權(quán)重的計算可歸納為求解判斷矩陣A最大特征值λmax對應(yīng)的特征向量,即AW=λmaxW的特征向量W=(w1,w2,…,w n)T。在 AHP方法中,計算特征向量常用的近似方法有求和法、平方根法等,本文采用判斷矩陣首行求和并歸一化來求解特征向量,從而得到各指標(biāo)的權(quán)重。
3)一致性檢驗
由于天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估過程中影響因素的復(fù)雜性和決策者對這些因素主觀判斷具有不穩(wěn)定性,以及不同決策者偏好也不同,因此難以將同一準(zhǔn)則下的因素差異度量的十分準(zhǔn)確,通過兩兩比較的判斷矩陣不一定滿足一致性條件。因而實際操作時,引入變量一致性比例CR=CI/RI來檢驗一致性,當(dāng)CR<0.1時,判斷矩陣具有一致性,否則就不滿足一致性。其中CI=(λmax-n)/(n-1)為一致性指標(biāo),RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),根據(jù)矩陣階數(shù)而取值。
由于天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)多為定性評估指標(biāo),具有較強(qiáng)的模糊性和不確定性,因此,采用專家打分的方法來確定各評估指標(biāo)的對評語集的隸屬度。專家打分法的基本原理為:聘請n名專家對各指標(biāo)進(jìn)行評定,假如對指標(biāo)u i有m名專家評定為v1,則模糊隸屬度r i1=m/n,所有r ij值即構(gòu)成模糊評判矩陣R。
為確保專家打分的客觀性和可靠性,擬選定的專家應(yīng)包括科研院所的裝備設(shè)計人員、廠方的制作人員、部隊作戰(zhàn)使用人員、院校教學(xué)人員以及駐廠軍代表等。
式中,r ij為第i個評價指標(biāo)對第j級評語的隸屬度。
天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能評價是一個多級因素構(gòu)成的評判指標(biāo)體系,采用多級評判的方法,對每一級因素子集從不同的角度分別進(jìn)行一級綜合評判,設(shè)所得的模糊綜合評價集分別為
由于僅僅由~B1,~B2,…,~B s的其中之一作為評判指標(biāo)可能有片面性,因此記為二級評判指標(biāo),也作為上一級各指標(biāo)的模糊綜合評價矩陣:
根據(jù)層次分析法得出上一級各指標(biāo)權(quán)重向量W=(w1,w2,…,w s)和評判矩陣R0,利用復(fù)合運算便可求出綜合評判結(jié)果,即
式中,B為模糊綜合評判向量,b i為綜合考慮所有影響因素的影響時評判對象對應(yīng)于評語集中第i個元素的隸屬度大小。
以某型天波超視距雷達(dá)為例進(jìn)行實例驗證。采用本文模型對該天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能進(jìn)行綜合評估,具體如下。
經(jīng)分析,可以得到影響因素集,其層次結(jié)構(gòu)如圖1所示的天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能綜合評估層次分析模型。
評語集的確定可以用定性評語法和定量評分法給出,本文將評語等級分為4級,即評語集V={V1,V2,V3,V4}={優(yōu),良,一般,差}。
通過對準(zhǔn)則層影響因素進(jìn)行兩兩比較可以得到準(zhǔn)則層B相對于目標(biāo)層A的判斷矩陣,并由前述的方法求得相對權(quán)重向量、最大特征值λAmax以及一致性指標(biāo)CI和一致性比例CR,計算結(jié)果如表1所示。
表1 準(zhǔn)則層B相對于目標(biāo)層A的判斷矩陣
指標(biāo)層C相對于準(zhǔn)則層B1的權(quán)重向量以及相應(yīng)的最大特征值λB1max、一致性指標(biāo)CI1和一致性比例CR1,如表2所示。
表2 指標(biāo)層C相對于準(zhǔn)則層B1的判斷矩陣
同理,可分別計算指標(biāo)層C相對于準(zhǔn)則層B2,B3,B4,B5層次排序向量以及相應(yīng)的最大特征值、一致性指標(biāo)和一致性比例,如下:
模糊評判矩陣(R)的確定采用專家打分的方法確定各評估指標(biāo)的對評語集的隸屬度。聘請20位評審專家對20個三級指標(biāo)進(jìn)行了評定。設(shè)該雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估的第二級模糊評判矩陣為R0,第三級模糊評判矩陣為R i(i=1,2,3,4,5)。對于各指標(biāo)因素的評價采用“優(yōu)、良、一般、差”四級劃分法,各等級都看成一個模糊向量,然后對各指標(biāo)評判結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計并規(guī)范化處理,得到模糊評判矩陣如下:
采用常規(guī)矩陣乘法規(guī)則,計算單級指標(biāo)綜合評估值(i=1,2,3,4,5)。首先對指標(biāo)B1計算其綜合評估值,即0.2905,0.0398)。
同理,再分別對B2,B3,B4,B5二級指標(biāo)計算綜合評估值形成二級模糊評估的隸屬關(guān)系矩陣R0,即
根據(jù)上述求得的和R0可以計算得出該天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能綜合評估隸屬度向量B,即
按照最大隸屬度法,該雷達(dá)作戰(zhàn)效能綜合評估結(jié)果應(yīng)取b0=max(0.203 0,0.378 5,0.371 8,0.046 6)=0.378 5,即該雷達(dá)作戰(zhàn)效能的綜合評估結(jié)果為良好。
式(7)中R0的第一行到第五行數(shù)據(jù)分別表示探測性能、數(shù)據(jù)處理能力、生存能力、指揮控制能力和綜合保障性等指標(biāo)的評估結(jié)果。根據(jù)最大隸屬度原則,可知該天波超視距雷達(dá)探測性能方面的評估結(jié)果為“良”,數(shù)據(jù)處理能力方面的評估結(jié)果為“一般”,生存能力方面的評估結(jié)果為“優(yōu)”,指揮控制能力方面的評估結(jié)果為“一般”,綜合保障性方面的評估結(jié)果為“良”。同時,由上述計算結(jié)果可知,綜合評估結(jié)果“良”與“一般”對應(yīng)的隸屬度值分別為0.378 5和0.371 8,二者相差很小,這說明該天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能勉強(qiáng)達(dá)到良好的標(biāo)準(zhǔn),因此還需要對其進(jìn)行一定的改進(jìn)優(yōu)化,才能達(dá)到更好的作戰(zhàn)水平,這也與實際情況相符。綜上分析,建議從以下幾個方面進(jìn)行雷達(dá)改進(jìn),將對雷達(dá)的綜合作戰(zhàn)效能有很大的提升。
(1)加強(qiáng)對自適應(yīng)選頻及信道特性預(yù)測技術(shù)的研究,優(yōu)化電波環(huán)境自適應(yīng)診斷相關(guān)算法,實時準(zhǔn)確預(yù)測電離層狀態(tài),提高系統(tǒng)可用度,并增強(qiáng)自適應(yīng)選頻的精確度,從而提高雷達(dá)探測性能,對雷達(dá)作戰(zhàn)效能綜合評估結(jié)果具有一定的提高。
(2)進(jìn)一步提高雷達(dá)的抗干擾能力,從頻域、空域及時域單方面或同時采取相應(yīng)抗干擾措施,并利用現(xiàn)代抗干擾技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及信號處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)增強(qiáng)雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾性能,從而提高復(fù)雜電磁環(huán)境下天波超視距雷達(dá)的預(yù)警探測能力,以此增大探測性能的權(quán)重。
(3)改進(jìn)優(yōu)化天波超視距雷達(dá)信號與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計,在軟件上優(yōu)化信號處理和數(shù)據(jù)處理過程,提高目標(biāo)識別、目標(biāo)跟蹤以及情報信息處理的精度,從而增強(qiáng)雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理能力。
(4)升級改進(jìn)指揮控制終端系統(tǒng),增強(qiáng)不同情報信息之間的作戰(zhàn)協(xié)調(diào)與輔助決策能力,提高系統(tǒng)指揮控制工作效率,同時加強(qiáng)作戰(zhàn)指揮人員的組織訓(xùn)練工作,增強(qiáng)對目標(biāo)的研判能力,從而提高雷達(dá)的作戰(zhàn)指揮控制能力,以此將促進(jìn)雷達(dá)作戰(zhàn)效能綜合評估結(jié)果的提高。
(5)提高裝備綜合保障性能,即在雷達(dá)研制階段全面考慮可靠性、維修性、保障性等關(guān)鍵的綜合保障要素,突出綜合保障性地位,開展綜合保障性分析與設(shè)計,并在裝備定型或驗收階段進(jìn)行綜合保障性鑒定,投入使用后做好綜合保障信息的收集與反饋工作,為及時改進(jìn)和提高裝備綜合保障性提供依據(jù),最終確保雷達(dá)具有較高的綜合保障性,對提高雷達(dá)作戰(zhàn)效能綜合評估結(jié)果具有決定性貢獻(xiàn)。
本文從裝備全系統(tǒng)的角度出發(fā),結(jié)合天波超視距雷達(dá)戰(zhàn)技術(shù)性能特點,建立了以探測性能、數(shù)據(jù)處理能力、生存能力、指揮控制能力和綜合保障性為指標(biāo)的天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能綜合評估指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上,通過層次分析法和模糊綜合評判法相結(jié)合的方法對天波超視距雷達(dá)的作戰(zhàn)效能進(jìn)行綜合評估,使評估更加全面、合理、準(zhǔn)確。該方法不僅充分發(fā)揮了專家的作用,而且盡可能地減少了主觀認(rèn)識差異所帶來的決策片面性,為天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能的評估提供了理論基礎(chǔ)和決策依據(jù),并對天波超視距雷達(dá)的研制、改進(jìn)、優(yōu)化部署以及作戰(zhàn)使用等方面具有重要的指導(dǎo)意義。
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