董家隆,李桂祥,陳 輝

(1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊,湖北武漢430019;2.空軍預(yù)警學(xué)院陸基預(yù)警監(jiān)視裝備系,湖北武漢430019;3.中國人民解放軍95980部隊,湖北襄陽441021)

基于改進(jìn)ADC模型的天波雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估

董家隆1,3,李桂祥2,陳 輝3

(1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊,湖北武漢430019;2.空軍預(yù)警學(xué)院陸基預(yù)警監(jiān)視裝備系,湖北武漢430019;3.中國人民解放軍95980部隊,湖北襄陽441021)

天波雷達(dá)能夠在防空、反導(dǎo)、對海監(jiān)視等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,已成為各大國戰(zhàn)略預(yù)警體系中的重要裝備。為全面準(zhǔn)確評估天波超視距雷達(dá)的作戰(zhàn)效能,結(jié)合天波雷達(dá)作戰(zhàn)使用特點,系統(tǒng)分析了電離層狀況和電磁環(huán)境對天波雷達(dá)的影響,建立了天波雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系,提出了一種改進(jìn)的ADC模型。采取定量和定性相結(jié)合的評估方法,根據(jù)有效探測威力、探測精度、發(fā)現(xiàn)概率等指標(biāo)數(shù)據(jù),客觀評定了雷達(dá)作戰(zhàn)效能,為作戰(zhàn)運用和裝備論證提供了科學(xué)決策依據(jù)。

天波超視距雷達(dá);評價指標(biāo)體系;作戰(zhàn)效能評估;ADC模型

0 引 言

天波超視距雷達(dá)作為遠(yuǎn)程戰(zhàn)略預(yù)警體系中的重要裝備,分析和評估天波雷達(dá)作戰(zhàn)效能對指導(dǎo)該雷達(dá)的作戰(zhàn)使用、推進(jìn)該雷達(dá)的發(fā)展改進(jìn)具有重要意義[1]。ADC模型是美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能咨詢委員會(WSEIAC)提出的面向武器系統(tǒng)效能進(jìn)行評估的方法,被廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)效能評估。但該方法是基于理想狀態(tài)的分析,不能全面地反映裝備在戰(zhàn)場環(huán)境中的作戰(zhàn)效能[2-3]。本文結(jié)合天波雷達(dá)作戰(zhàn)使用特點,針對天波雷達(dá)特殊的傳播機(jī)理,提出了一種改進(jìn)ADC模型,并分析驗證了該方法的正確性和有效性,通過大量數(shù)據(jù)客觀評估該型雷達(dá)作戰(zhàn)能力,評估結(jié)果更加準(zhǔn)確科學(xué)。

1 天波雷達(dá)作戰(zhàn)使用特點

天波雷達(dá)與常規(guī)雷達(dá)相比,具有探測距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、空情量大、情報處理要求高、受外部環(huán)境影響大、資源調(diào)度實時性強(qiáng)以及維修保障要求高等特點[3],其作戰(zhàn)效能評估時應(yīng)充分考慮這些因素的影響。

1.1 雷達(dá)探測距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣,兵力運用難度大

天波雷達(dá)借助于電離層對高頻電磁波的折射特性,可實現(xiàn)超視距廣域探測,探測距離達(dá)數(shù)千公里,覆蓋范圍達(dá)數(shù)百萬平方公里,兵力運用時,既要全面掌握空中態(tài)勢,又要兼顧艦船目標(biāo)和彈道導(dǎo)彈目標(biāo),模式運用、參數(shù)設(shè)置、波位調(diào)整等考慮因素多,難度大。

1.2 雷達(dá)體制特殊、空情量大,情報保障能力要求高

天波雷達(dá)探測監(jiān)視區(qū)域大,空情量是常規(guī)雷達(dá)的數(shù)倍。情報處理時,不僅涉及到目標(biāo)真?zhèn)?、屬性、威脅、活動企圖等常規(guī)研判,而且還有天波雷達(dá)特有的航跡模式、波峰數(shù)、誤關(guān)聯(lián)等判別,目標(biāo)研判難度大,對戰(zhàn)勤人員能力素質(zhì)要求高。

1.3 探測能力受外部環(huán)境影響大,資源調(diào)度實時性強(qiáng)

天波雷達(dá)依靠電離層反射完成對目標(biāo)的探測,電離層的規(guī)則變化和隨機(jī)變化特征直接導(dǎo)致不同季節(jié)、不同時段、不同地域的雷達(dá)探測能力不盡相同。同時,外部環(huán)境噪聲變化影響慢速小目標(biāo)檢測,不同工作頻率,影響程度不同。因此,需要結(jié)合實時電離層狀態(tài)和外部電磁環(huán)境,及時調(diào)度資源,才能充分發(fā)揮雷達(dá)探測能力。

1.4 全系統(tǒng)為一個作戰(zhàn)單元,維修保障要求高

天波雷達(dá)系統(tǒng)規(guī)模龐大,部署地域分散,分系統(tǒng)設(shè)備分布廣,分系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng),單個系統(tǒng)故障可能造成全系統(tǒng)無法正常運行,對裝備可靠性、可維修性和人員保障能力要求高。

2 改進(jìn)型ADC效能評估模型

2.1 評估模型構(gòu)建

傳統(tǒng)的ADC模型中,系統(tǒng)效能是預(yù)期一個系統(tǒng)滿足一組特定任務(wù)要求程度的量度,是系統(tǒng)可用性A、可信性D與能力C的函數(shù),其模型[4-5]為

由于天波雷達(dá)作戰(zhàn)效能受外部環(huán)境影響大,可把天波雷達(dá)作戰(zhàn)效能的決定因素歸納為可用性、可信性、作戰(zhàn)能力、電離層狀態(tài)變化和電磁環(huán)境影響五個方面。為此,本文對傳統(tǒng)的ADC模型進(jìn)行了改進(jìn),考慮到電離層季變化和日變化影響,構(gòu)建了春、夏、秋、冬四季以及日出、白天、日落、夜間四個時段4×4作戰(zhàn)效能矩陣,即

式中,C(ij)為i季(春、夏、秋、冬)j時段(日出、白天、日落、夜間)雷達(dá)作戰(zhàn)能力,K為電磁環(huán)境對作戰(zhàn)效能的影響因子。

2.2 評估指標(biāo)體系建立

從裝備全系統(tǒng)的角度出發(fā),綜合考慮可用性、可信性、作戰(zhàn)能力以及電磁環(huán)境因素影響,構(gòu)建作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系,運用層次分析法對評估總目標(biāo)進(jìn)行多層次分解。其中,作戰(zhàn)能力指標(biāo)的選取是裝備效能評估的難點和關(guān)鍵。本文結(jié)合天波雷達(dá)作戰(zhàn)使用特點,選取快速反應(yīng)能力、指揮控制能力、預(yù)警監(jiān)視能力和綜合保障能力作為作戰(zhàn)能力評定的二級指標(biāo),本著客觀性、完備性、敏感性、可測性和獨立性原則,經(jīng)過深入研討和廣泛咨詢,確定了三級、四級指標(biāo)。天波雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 天波雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系

2.3 評估指標(biāo)分析

2.3.1 可用性A

武器裝備系統(tǒng)的可用性是裝備在戰(zhàn)場環(huán)境下使用時,能根據(jù)任務(wù)需要投入運行的可能性,可用性向量A是由系統(tǒng)開始執(zhí)行任務(wù)時所有可能狀態(tài)的概率組成[6]。天波雷達(dá)在開始執(zhí)行任務(wù)時狀態(tài)可劃分為正常和故障兩種狀態(tài)。a1表示系統(tǒng)開始執(zhí)行任務(wù)時處于正常工作狀態(tài)的概率,a2表示系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時處于故障狀態(tài)的概率。

式中,MTBF為系統(tǒng)無故障工作時間,MTTR為系統(tǒng)故障平均修復(fù)時間。

2.3.2 可信性D

可信性矩陣D為系統(tǒng)在完成執(zhí)行任務(wù)時將進(jìn)入或處于任一有效狀態(tài)的概率,與系統(tǒng)故障率、修復(fù)率及執(zhí)行任務(wù)平均時間有關(guān)。按正常和故障兩種狀態(tài),則系統(tǒng)可信性矩陣為

式中,d ij表示該裝備在執(zhí)行任務(wù)中由狀態(tài)i轉(zhuǎn)到狀態(tài)j的概率。假定組成該裝備的各分系統(tǒng)故障及修復(fù)時間服從指數(shù)分布。取λ表示系統(tǒng)故障率,μ表示系統(tǒng)修復(fù)率,T表示系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)平均時間,則d11=e-λT,d12=1-e-λT,d21=e-μT,d22=1-e-μT。

2.3.3 作戰(zhàn)能力C

1)快速反應(yīng)能力C1

快速反應(yīng)能力是指作戰(zhàn)單元能夠在規(guī)定的時間內(nèi)完成戰(zhàn)斗等級轉(zhuǎn)換、各類設(shè)施設(shè)備完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換,能夠在規(guī)定時間內(nèi)擔(dān)負(fù)作戰(zhàn)任務(wù)、有效處置各類突發(fā)情況,可用等級轉(zhuǎn)進(jìn)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換和突發(fā)情況處置等幾個關(guān)鍵指標(biāo)來衡量。

2)指揮控制能力C2

指揮控制能力是指受領(lǐng)作戰(zhàn)任務(wù)后,能夠?qū)城?、我情和?zhàn)場環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確研判,組織籌劃作戰(zhàn)行動,并能對部隊作戰(zhàn)行動進(jìn)行有效的指揮控制,可用情況研判能力、作戰(zhàn)籌劃能力和行動控制能力等指標(biāo)來衡量。

3)預(yù)警監(jiān)視能力C3

預(yù)警監(jiān)視能力是天波雷達(dá)的核心指標(biāo)。一是裝備本身探測能力,可用探測威力、探測精度、發(fā)現(xiàn)概率和抗干擾能力來綜合衡量。其中,雷達(dá)的探測威力包括有效探測距離和有效探測扇面;探測精度包括距離探測精度和方位探測精度,探測精度、發(fā)現(xiàn)概率可通過查詢雷達(dá)設(shè)計的指標(biāo)參數(shù)和電離層的實時變化統(tǒng)計來獲得;抗干擾能力與雷達(dá)所采取的技術(shù)措施有關(guān),天波雷達(dá)由于采用了自適應(yīng)頻率選擇、自適應(yīng)空域濾波、抗瞬態(tài)干擾、抗地海雜波干擾等技術(shù),具有較強(qiáng)的抗干擾能力,可通過業(yè)內(nèi)專家定性評定。二是情報保障能力,是人、裝備、環(huán)境有機(jī)結(jié)合。其中,資源調(diào)度能力反映兵力運用是否合理,情報搜集、整理、報知能力是影響情報質(zhì)量的關(guān)鍵因素,與戰(zhàn)勤人員水平密切相關(guān)。

4)綜合保障能力C4

綜合保障能力是作戰(zhàn)能力的重要組成部分,構(gòu)成影響綜合保障能力的因素主要包括通信保障能力、機(jī)要保障能力、后勤保障能力和裝備保障能力。

2.3.4 電磁環(huán)境因素K

天波雷達(dá)工作在短波波段,在這個頻段內(nèi),人為無線電噪聲干擾(電臺、各種工業(yè)、電氣設(shè)備及輸電線路等)分布密集、功率強(qiáng)且隨時間變化,工作的電磁環(huán)境比微波雷達(dá)惡劣得多。本文以環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù),通過統(tǒng)計雷達(dá)頻率使用情況及其對應(yīng)干擾監(jiān)測值,客觀評定環(huán)境因素對天波雷達(dá)作戰(zhàn)效能的影響K:

式中,N i為第i個工作頻率對應(yīng)的環(huán)境干擾監(jiān)測值,N B為干擾影響門限值,n為數(shù)據(jù)統(tǒng)計量。

3 實例應(yīng)用與分析

3.1 指標(biāo)歸一化

1)對于值越大越有利且無標(biāo)準(zhǔn)值的指標(biāo),其歸一化公式為

式中,x i為指標(biāo)值,m i為指標(biāo)可取的最小值,M i為指標(biāo)可取的最大值。

2)對于值越大越有利且有標(biāo)準(zhǔn)值的指標(biāo),其歸一化公式為

式中,B i為指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

3)對于值越小越有利且無標(biāo)準(zhǔn)值的指標(biāo),其歸一化公式為

4)對于值越小越有利且有標(biāo)準(zhǔn)值的指標(biāo),其歸一化公式為

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定

本文采取層次分析法(AHP)的方法確定作戰(zhàn)能力C各級指標(biāo)權(quán)重值。首先,通過將各因素之間相對于其上一層次因素的重要性進(jìn)行兩兩比較,并按Satty提出的比率標(biāo)度法進(jìn)行賦值建立判斷矩陣;其次,求解比較矩陣的特征向量,并進(jìn)行一致性檢驗,得到相對于上一級指標(biāo)的權(quán)重值。

表1 比較矩陣賦值標(biāo)準(zhǔn)參考表

3.2.1 二級指標(biāo)權(quán)重確定

對于作戰(zhàn)能力的二級指標(biāo)快速反應(yīng)能力、指揮控制能力、預(yù)警監(jiān)視能力、綜合保障能力,采用專家打分法構(gòu)造兩兩比較矩陣A:

指標(biāo)權(quán)重的計算實際上可歸納為求解判斷矩陣最大特征值對應(yīng)的特征向量。由此,可計算出最大特征值及其對應(yīng)特征向量分別為λmax=4.073 5,W=(0.062 3,0.151 5,0.634 7,0.151 5)T,且CI=(λmax-n)/(n-1)=0.024 5,則CR=CI/RI=0.024 5/0.9=0.027＜0.1,判斷矩陣滿足一致性要求。

3.2.2 三、四級指標(biāo)權(quán)重確定

二級指標(biāo)快速反應(yīng)能力、指揮控制能力、預(yù)警監(jiān)視能力、綜合保障能力及三級指標(biāo)裝備保障能力的下一級指標(biāo)權(quán)重,采用專家打分法構(gòu)造兩兩比較矩陣為

可分別計算出判斷矩陣的最大特征值對應(yīng)的特征向量W1=(0.163 5,0.296 9,0.539 6)T,W2=(0.163 5,0.539 6,0.296 9)T,W3=(0.587 6,0.133 7,0.133 7,0.072 5,0.072 5)T,W4=(0.098 9,0.098 9,0.283 9,0.518 3)T,W51=(0.490 6,0.287 8,0.161 5,0.060 1)T,經(jīng)驗證均滿足一致性要求。其余四級指標(biāo)基本已細(xì)化到末端,其重要程度基本相當(dāng),權(quán)重可考慮采用平均值。

3.3 指標(biāo)值獲取

指標(biāo)值獲取通過兩種方式:一是統(tǒng)計數(shù)據(jù);二是裝備固有(專家評定)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)中有些指標(biāo)與各季節(jié)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān),諸如電磁環(huán)境因素;有些與不同時節(jié)的電離層環(huán)境有關(guān),諸如有效探測扇面、發(fā)現(xiàn)概率、探測精度等。裝備固有的指標(biāo)值通過專家評定來確定,諸如抗干擾能力、情報綜合能力、情報記錄能力等。

3.4 模型求解

現(xiàn)以某型天波超視距雷達(dá)為例,設(shè)系統(tǒng)MTBF=500.65 h,MTTR=11.87 h,連續(xù)工作時間=12.86 h,假定系統(tǒng)故障時間服從指數(shù)分布,則

以春季、日出階段為例,依據(jù)公開的具體指標(biāo)參數(shù)和專家評定結(jié)果,裝備探測能力C31=快速能力0.946 8、指揮控制能力=0.950 3、預(yù)警監(jiān)視能力=0.663 1、綜合保障能力=0.936 0,則作戰(zhàn)能力0.765 6,雷達(dá)作戰(zhàn)效能E11=ADC(11)K=[0.977,

同理,可得

從評估結(jié)果看,日出、日落階段,電離層電子濃度變化較快,探測效果一般,雷達(dá)作戰(zhàn)效能發(fā)揮受到一定的影響,指標(biāo)值在0.7左右;白天,電離層電子濃度較強(qiáng),回波能量強(qiáng),探測效果好,能較好發(fā)揮雷達(dá)作戰(zhàn)效能,指標(biāo)值在0.75左右;夜間,電離層電子濃度低,回波能量較弱,探測效果不如白天,雷達(dá)作戰(zhàn)效能發(fā)揮受限,指標(biāo)值在0.6左右。從季變化看,春、秋、冬三季探測效果相當(dāng),整體作戰(zhàn)效能發(fā)揮較好。

4 結(jié)束語

本文采用改進(jìn)ADC模型對天波雷達(dá)的作戰(zhàn)效能進(jìn)行了評估,該模型考慮了電離層季變化、日變化及外部環(huán)境噪聲的影響,在計算作戰(zhàn)能力時采用了層次分析法,評估結(jié)果具有一定科學(xué)性和指導(dǎo)意義,為兵力運用和裝備論證提供了一定的參考依據(jù)。

[1]陳輝,雷霆,閆達(dá)亮.天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能綜合評估研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2014,12(2):127-132.CHEN Hui,LEI Ting,YAN Daliang.Comprehensive Evaluation of Combat Efficiency of Sky Wave OTHR[J].Radar Science and Technology,2014,12(2):127-132.(in Chinese)

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Operational Effectiveness Evaluation of Sky-Wave Over-the-Horizon Radar Based on Improved ADC Model

DONG Jialong1,3,LI Guixiang2,CHEN Hui3
(1.Department of Graduate Management,Air Force Early Warning Academy,Wuhan430019,China;2.Department of Land-based Early Warning Surveillance Equipment,Air Force Early Warning Academy,Wuhan430019,China;3.Unit95980of PLA,Xiangyang441021,China)

Sky-wave over-the-horizon radar(SWO-THR)can play an important role in air defense,antimissile and surface surveillance.In order to evalute comprehensively and accurately the combat efficiency of SWO-THR,the impact of ionosphere state and electromagnetic environment for SWO-THR are analyzed according to operational characteristics of SWO-THR.The operational efficiency evaluation index system for SWO-THR is established.An improved ADC model is put forward.Adopting the quantitative and qualitative assessment method,the operational effectiveness of SWO-THR is objectively evaluated according to index data of detection coverage,detection accuracy and detection probability.The method provides a scientific decision-making reference for the operational application and equipment demonstration.

sky-wave over-the-horizon radar(SWO-THR);evaluation index system;operational efficiency evaluation;ADC model

TN958.93

A

1672-2337(2017)02-0126-05

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.003

2016-04-12;

2016-09-07

董家隆男,1974年生,江西婺源人,碩士研究生,主要研究方向為天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估。

李桂祥男,1968年生,湖北漢川人,副教授、碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為遠(yuǎn)程預(yù)警探測系統(tǒng)建模與仿真。

陳 輝男,1985年生,江蘇東臺人,碩士,主要研究方向為天波超視距雷達(dá)作戰(zhàn)效能評估。

E-mail:qingfengchen_wuhan@126.com