劉利軍， 成 玉， 李 曦， 朱時銀

(中國人民解放軍63620部隊，甘肅 酒泉 732750)

綜合效能是指裝備在規(guī)定環(huán)境下，執(zhí)行特定任務(wù)時技術(shù)水平和綜合能力達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的有效程度，效能評估結(jié)果可作為確定裝備戰(zhàn)技指標(biāo)和使用方式的重要依據(jù)[1]。航天發(fā)射場雷達(dá)作為連接航天器和地面指揮控制的運行中樞，主要承擔(dān)運載火箭和航天器等運動目標(biāo)的跟蹤、測量與監(jiān)視任務(wù)，在載人航天和衛(wèi)星發(fā)射、運行、返回等階段起著十分重要的作用，是保障航天發(fā)射和飛行器試驗順利實施的主要手段[2]。開展航天測控雷達(dá)綜合效能評估，為準(zhǔn)確評價雷達(dá)跟蹤測量能力，探尋航天測控任務(wù)中的薄弱環(huán)節(jié)、制定科學(xué)的使用和保障方案提供了有效手段。

隨著測控技術(shù)的快速發(fā)展，雷達(dá)裝備功能越來越復(fù)雜，技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)也越來越多，以往經(jīng)典的單項性能評估方法和性能指標(biāo)窮舉法已不能滿足雷達(dá)測控試驗綜合效能評估的要求。目前航天發(fā)射場進行綜合效能評估主要存在兩點不足：① 需人工長期監(jiān)測雷達(dá)主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的精度和狀態(tài)變化情況，評估過程比較煩瑣；② 采用傳統(tǒng)模糊評價法，以“優(yōu)、良、中、差”等評語集方式給出的效能評估結(jié)果[3]不能精確反映雷達(dá)實戰(zhàn)能力和狀態(tài)的變化情況。

本文針對以上不足，以執(zhí)行航天測控任務(wù)的跟蹤測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，遵循客觀性和可評價性原則，以參數(shù)的重要性為依據(jù)建立了嚴(yán)格多層次的效能評估指標(biāo)體系，在傳統(tǒng)多層次模糊綜合評價法的基礎(chǔ)上進行了改進，采用評價值代替評語集，給出了精確、可信的雷達(dá)綜合效能評估結(jié)果。

1 航天測控數(shù)據(jù)的范疇

航天發(fā)射場雷達(dá)裝備主要獲取目標(biāo)的斜距R、方位角A、俯仰角E和雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section，RCS)序列，實現(xiàn)航天器的空間定位和散射特性測量。其中一些雷達(dá)具有寬帶測量能力，可以實時生成目標(biāo)的一維像，經(jīng)過事后數(shù)據(jù)處理，得到目標(biāo)的二維像，實現(xiàn)目標(biāo)外形和尺寸的測量[4]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)監(jiān)控分系統(tǒng)實現(xiàn)了對分系統(tǒng)主要性能參數(shù)和關(guān)鍵故障節(jié)點的實時監(jiān)測，主控計算機對測量數(shù)據(jù)和監(jiān)測信息進行綜合分析后，將測量、監(jiān)測信息與分析結(jié)果統(tǒng)一記錄到跟蹤測量數(shù)據(jù)中，這就改變了以往獲取裝備技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)與工作狀態(tài)的模式，無須人工長期對雷達(dá)關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)測、記錄再處理，實現(xiàn)了航天器參數(shù)和雷達(dá)狀態(tài)的實時監(jiān)測。

在航天測控任務(wù)中，為實現(xiàn)航天器全程遙測、外測、目標(biāo)特性和景像測量，需配置大量的光學(xué)、雷達(dá)、遙測等不同體制的測控裝備，航天器本身也帶有比較精確的導(dǎo)航測量裝置，航天測控數(shù)據(jù)關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出，光學(xué)、雷達(dá)和遙測等測控裝備的跟蹤測量信息與航天器的理論設(shè)計數(shù)據(jù)經(jīng)任務(wù)中心處理后形成目標(biāo)的遙測、彈道、圖像和目標(biāo)特性等數(shù)據(jù)。在對雷達(dá)進行綜合效能評估時，可以充分利用航天器的理論數(shù)據(jù)與其他測控裝備的綜合處理結(jié)果進行目標(biāo)航跡信息、測元精度等指標(biāo)的精確比對、統(tǒng)計和分析，獲得客觀、準(zhǔn)確的雷達(dá)指標(biāo)值與綜合效能評估結(jié)果。

圖1 航天測控數(shù)據(jù)關(guān)系圖

2 效能評估指標(biāo)體系設(shè)計

對航天發(fā)射場雷達(dá)裝備而言，利用測控數(shù)據(jù)評價其綜合效能，歸根結(jié)底是從航天器的跟蹤測量數(shù)據(jù)中挖掘、提取與雷達(dá)自身技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)相關(guān)的信息。雷達(dá)作為一種復(fù)雜的航天發(fā)射場測控裝備，包括發(fā)射、接收、伺服、測距、監(jiān)控、顯示處理等分系統(tǒng)，靠單一技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)無法全面衡量，需要建立一套指標(biāo)的集合，即指標(biāo)體系，才能全面反映當(dāng)前裝備體系及其完成規(guī)定航天測控任務(wù)的總體目標(biāo)和特征。

通過咨詢航天發(fā)射場測控總體、雷達(dá)研制方和數(shù)據(jù)處理相關(guān)專家，并遵循科學(xué)性、可測性、完備性、獨立性和客觀性原則[5]，構(gòu)建了通用場景下雷達(dá)綜合評估指標(biāo)體系框架，如圖2所示。第1層為總體任務(wù)目標(biāo)層E，即航天發(fā)射場測控雷達(dá)綜合效能；第2層為基本任務(wù)準(zhǔn)則功能層，即一級指標(biāo)Ui；第3層為任務(wù)單元指標(biāo)層，即二級指標(biāo)Uij；第4層為任務(wù)單項指標(biāo)層，即三級指標(biāo)Uijk。其中一級指標(biāo)5個，二級指標(biāo)13個，三級指標(biāo)13個，該指標(biāo)體系是一個層次鮮明、遞階結(jié)構(gòu)的指標(biāo)體系。

從圖2可以看出，一級指標(biāo)主要由測量精度、航跡質(zhì)量、探測能力、目標(biāo)特性測量能力、抗干擾能力等五類功能指標(biāo)組成。其中，測量精度由雷達(dá)斜距R、方位角A、俯仰角E的隨機誤差、系統(tǒng)誤差等單項指標(biāo)構(gòu)成。航跡質(zhì)量通過測元的野值點比例、有效跟蹤數(shù)據(jù)率、失鎖次數(shù)等指標(biāo)進行評價；探測能力由主目標(biāo)跟蹤時間比、任務(wù)弧段完成情況、是否副瓣跟蹤、多航跡匹配能力等指標(biāo)組成；目標(biāo)特性測量能力由RCS測量能力、目標(biāo)識別準(zhǔn)確率等指標(biāo)組成；抗干擾能力由連續(xù)航跡數(shù)量得益、抗干擾類型識別率等指標(biāo)進行綜合評價。

圖2 雷測設(shè)備作戰(zhàn)試驗效能評估指標(biāo)體系

在雷達(dá)效能評估指標(biāo)體系建立過程中還需考慮不同的裝備使用環(huán)境和使用對象[6]，即典型測控場景和使用何種類型的雷達(dá)。本文從效能評估的普遍適用性出發(fā)，充分考慮了航天發(fā)射場多種體制雷達(dá)的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和不同測控需求的航天測量環(huán)境，建立了通用場景下雷達(dá)綜合效能評估指標(biāo)體系，其他場景下的效能評估指標(biāo)體系可作為其子集，從通用場景中的指標(biāo)體系衍生得到。

3 改進后的綜合效能評估方法

3.1 綜合效能評估流程

模糊層次分析法是將層次分析法和模糊綜合評價法結(jié)合起來，運用層次分析法確定評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重，用模糊綜合評價法對指標(biāo)進行綜合評定的方法[7-8]。傳統(tǒng)模糊評價法采用評語集合的方式進行評價，需建立隸屬函數(shù)或用專家調(diào)查法建立相應(yīng)的評價矩陣[9]，由于在不同航天測控任務(wù)中的雷達(dá)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)值是動態(tài)變化的，建立評價矩陣具有一定困難，指標(biāo)范圍的合理性、精確性受人為因素影響較大，干擾了綜合效能評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。從另一個角度來講，傳統(tǒng)模糊評價法對雷達(dá)綜合效能的最終評價是評語集中的某個元素(優(yōu)、良、中、差)，不能精確地反映雷達(dá)工作水平和狀態(tài)的變化。

針對以上不足，本文對傳統(tǒng)模糊綜合評價法進行了改進，采用評價值代替評語集進行綜合效能評估，建立評價值與評價因素(指標(biāo)值)之間的函數(shù)關(guān)系。這種方法的優(yōu)點是省去了利用專家調(diào)查法建立評價矩陣，且評價值可精確反映綜合效能的大小變化。根據(jù)改進后綜合評價法的思想，綜合效能分析評估流程如圖3所示，主要可歸納為指標(biāo)體系建立、單項指標(biāo)計算、確定指標(biāo)權(quán)重和進行綜合效能評估這4個基本步驟。

圖3 綜合效能分析評估流程框圖

3.2 單項指標(biāo)計算方法

為精確反映雷達(dá)綜合效能，對單項指標(biāo)(評價值)的計算可采用比例法，以雷達(dá)參加多次航天測控任務(wù)指標(biāo)的最佳值或理論設(shè)計最優(yōu)值作為基準(zhǔn)值，如果指標(biāo)值越小反映的參試效果越好，則該項指標(biāo)的評價值按照下式計算：

指標(biāo)評價值E=(基準(zhǔn)值/指標(biāo)值)×指標(biāo)權(quán)重×100

如果指標(biāo)值越大反映的參試效果越好，則該項指標(biāo)的評價值按照下式計算：

指標(biāo)評價值E=(指標(biāo)值/基準(zhǔn)值)×指標(biāo)權(quán)重×100

用這種方法可操作性較強，只需要用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)確定各項指標(biāo)的權(quán)重[10]，就可以根據(jù)各單項指標(biāo)的計算值對綜合效能做出評估，最后的評價值是具體數(shù)值，可以精確反映出雷達(dá)工作性能和參試狀態(tài)的變化。在理想狀態(tài)下，雷達(dá)執(zhí)行航天測控任務(wù)的綜合效能最大值為100分，實際效能評估值越接近該理論值，雷達(dá)的工作性能和狀態(tài)就越好，完成下次航天測控任務(wù)的可能性就越高。

需要注意的是，在對雷達(dá)綜合效能評估的過程中，可能會出現(xiàn)某個單項指標(biāo)計算值優(yōu)于理論最佳值的情況。例如某雷達(dá)在反射跟蹤狀態(tài)下測距隨機誤差理論指標(biāo)為7 m，實際跟蹤測量時測距隨機誤差值僅為2 m，遇到這種實際測量值優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)值的時候，應(yīng)先將歷次統(tǒng)計的指標(biāo)最優(yōu)值設(shè)置為基準(zhǔn)值，然后再進行單項指標(biāo)的計算和后續(xù)評估。

3.3 指標(biāo)權(quán)重確定方法

指標(biāo)權(quán)重用來描述該指標(biāo)在同級指標(biāo)中的重要程度，是對上層指標(biāo)值影響力度的體現(xiàn)。每項指標(biāo)在計算上層指標(biāo)值時所表現(xiàn)出來的重要程度不一樣，也就是說指標(biāo)之間要區(qū)分側(cè)重點[11]。本文采用AHP法計算權(quán)重向量w并進行一致性檢驗，具體步驟如下。

① 從已建立的雷達(dá)綜合效能評估指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)模型的第2層開始直到最下層，對于從屬于上層每個因素的同一層諸因素，建立并填寫專家權(quán)重調(diào)查表，用成對比較法和1～9比較尺度構(gòu)造成對比較矩陣A。

③ 對矩陣A進行一致性檢驗，因為它是采用因素兩兩比較法得到的，對于多個因素，可能出現(xiàn)評價矛盾的情況。如果能通過一致性檢驗就表明各因素的評價結(jié)果是一致的。

對于每一個成對比較陣，計算最大特征根及對應(yīng)特征向量，利用一致性指標(biāo)、隨機一致性指標(biāo)和一致性比率進行一致性檢驗。若檢驗通過，特征向量即為權(quán)向量。若不通過，需重新構(gòu)造成對比較陣。檢驗成對比較矩陣A一致性的步驟如下[13-14]。

采用相對一致性指標(biāo)CR=CI/RI來衡量判斷矩陣的一致性，其中CI=(λmax(A)-n)/(n-1)為一致性指標(biāo)，λmax為矩陣A的最大特征值，RI為平均隨機一致性指數(shù)，它只與矩陣A的階數(shù)n有關(guān),如表1所示。

表1 平均隨機一致性指標(biāo)RI標(biāo)準(zhǔn)值

當(dāng)CR<0.1時，判定成對比較矩陣A具有滿意的一致性；否則就調(diào)整成對比較矩陣A，直到達(dá)到滿意的一致性為止[15]。

④ 按照上述方法進行層次總排序求得每個指標(biāo)相對總目標(biāo)的權(quán)值，即可得到評估指標(biāo)體系中各單項指標(biāo)的權(quán)重向量。

通過咨詢多位測控領(lǐng)域技術(shù)專家，填寫了航天發(fā)射場通用場景下雷達(dá)綜合效能評估指標(biāo)權(quán)重調(diào)查表，由此得到指標(biāo)權(quán)重的成對比較矩陣，進行一致性性檢驗，并運用和積法進行歸一化，得到專家評估的指標(biāo)權(quán)重。將多位專家評估的指標(biāo)權(quán)重取算術(shù)平均，最后得到通用場景下雷達(dá)綜合效能評估的各層指標(biāo)權(quán)重(平均權(quán)重)。此處以一級指標(biāo)中的測量精度為例，分別給出通用場景下第2～4層指標(biāo)的權(quán)重，如表2～表5所示。

表2 第2層指標(biāo)權(quán)重(上層指標(biāo)：雷達(dá)綜合效能)

表3 第3層指標(biāo)權(quán)重(上層指標(biāo)：測量精度)

表4 第4層指標(biāo)權(quán)重(上層指標(biāo)：隨機誤差)

表5 第4層指標(biāo)權(quán)重(上層指標(biāo)：系統(tǒng)誤差)

通用場景下雷達(dá)跟蹤測量環(huán)境最為復(fù)雜，需要考慮的指標(biāo)最為全面，其他場景僅是通用場景下的特殊情況，是通用場景的組成部分。對于從通用場景指標(biāo)體系中衍生的其他場景的雷達(dá)綜合效能評估指標(biāo)的歸一化處理方法為

(1)

3.4 評估結(jié)果計算方法

綜上所述，根據(jù)多層次綜合評估模型，按照效能評估指標(biāo)體系從下至上，逐層計算雷達(dá)執(zhí)行航天測控任務(wù)的各項指標(biāo)評價值和權(quán)重，最后可得到雷達(dá)執(zhí)行當(dāng)前航天測控任務(wù)的綜合效能評估分。具體計算步驟如下。

① 對于效能評估體系U={u1,u2,…,un}，按指標(biāo)體系的樹形結(jié)構(gòu)將單項指標(biāo)分成k個子集：ui={ui1,ui2,…,uim}(i=1,2,…,k)。

② 對于最底層的指標(biāo)因素集ui，分別計算指標(biāo)評價值。若該層指標(biāo)集ui中各因素的權(quán)重為bi={bi1,bi2,…,bim} (i=1,2,…,k),∑bij=1，當(dāng)指標(biāo)值越小表示雷達(dá)測控能力越強時可得指標(biāo)因素集ui評價值(采用百分制)為

(2)

當(dāng)指標(biāo)值越大表示雷達(dá)測控能力越高時可得指標(biāo)因素集ui評價值(采用百分制)為

(3)

③ 計算雷達(dá)綜合效能評估結(jié)果為

(4)

式中:E為雷達(dá)綜合效能評估結(jié)果;Ei為指標(biāo)體系中第2層的指標(biāo)計算值;bi為該層對應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重;n為第2層的指標(biāo)總數(shù)。

通過對綜合效能評估結(jié)果進行統(tǒng)計分析，一方面可以掌握該裝備是否具備執(zhí)行航天測控任務(wù)的能力；另一方面可以盡早發(fā)現(xiàn)裝備設(shè)計缺陷和使用、維護中的問題，并可提出優(yōu)化改進方法，持續(xù)提高裝備實戰(zhàn)能力。

4 實例分析

4.1 實例1

根據(jù)本文提出的綜合效能評估方法，對航天發(fā)射場3臺不同雷達(dá)連續(xù)執(zhí)行3次航天測控任務(wù)的情況進行總體效能評估，發(fā)現(xiàn)新配備的雷達(dá)1裝備綜合評估值相比其他2臺雷達(dá)得分值較低，3臺雷達(dá)綜合效能統(tǒng)計結(jié)果如表6所示，其中綜合效能滿分為100分。

表6 3臺雷達(dá)綜合效能統(tǒng)計結(jié)果

逐層分析3臺雷達(dá)指標(biāo)體系中的各層指標(biāo)值，認(rèn)為雷達(dá)1主要有2個三級指標(biāo)與其他2臺雷達(dá)存在差距。一是該雷達(dá)測距存在40～52 m的較大系統(tǒng)誤差；二是航跡唯一率指標(biāo)得分不足50分，說明該雷達(dá)在進行多目標(biāo)跟蹤時，雖然測量到了多個目標(biāo)的航跡，但許多航跡屬于同一個目標(biāo)，即該雷達(dá)存在著目標(biāo)航跡重復(fù)測量的現(xiàn)象。

針對問題一，技術(shù)人員采用精軌衛(wèi)星標(biāo)校的方法估計出該雷達(dá)測距存在約-26 ms的時間誤差，在監(jiān)控軟件模塊中將數(shù)據(jù)采集時間統(tǒng)一減去該誤差值，問題得到了解決。針對問題二，與雷達(dá)研制方聯(lián)系修改監(jiān)控軟件目標(biāo)航跡實時濾波算法，增加了航跡去重復(fù)代碼。完成上述工作后，利用修正后的測量數(shù)據(jù)對雷達(dá)1執(zhí)行上述3次航天任務(wù)的綜合效能評估結(jié)果和單項指標(biāo)值重新進行計算，效果改善明顯。雷達(dá)1的綜合效能評估結(jié)果與2個三級單項指標(biāo)修正前后得分情況，如表7所示，其中各項指標(biāo)滿分均為100分，測距系統(tǒng)誤差理論設(shè)計值為7 m。

表7 雷達(dá)1數(shù)據(jù)修正前后綜合效能及部分指標(biāo)比對結(jié)果

從表7可以看出，對雷達(dá)1的測距系統(tǒng)誤差和航跡唯一率這2個三級指標(biāo)修正后，雷達(dá)1的單項指標(biāo)分值得到大幅提高，其綜合效能得分與雷達(dá)2、雷達(dá)3的分值基本相同。

4.2 實例2

在對航天發(fā)射場雷達(dá)歷史測控數(shù)據(jù)進行長期綜合效能評估結(jié)果分析中發(fā)現(xiàn)，多臺雷達(dá)工作狀態(tài)比較穩(wěn)定，各單項指標(biāo)基本滿足裝備技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求，綜合效能評估值也較高。但存在一個普遍現(xiàn)象，即在每年的11月至次年2月的時間段內(nèi)，雷達(dá)綜合效能和部分單項指標(biāo)得分值較每年其他時間均有下降的情況。對該周期現(xiàn)象進行深入分析，首先調(diào)查裝備工作環(huán)境，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)均布設(shè)在室內(nèi)空調(diào)機房，氣溫恒定，可以排除冬季低溫對裝備的影響；其次，從裝備維護保養(yǎng)周期考慮，此時間段正好處于年維護保養(yǎng)末期，較長時間未進行保養(yǎng)維護可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，部分技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)不在最佳狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，對技術(shù)人員提出每半年進行一次裝備維護保養(yǎng)的建議，從后續(xù)評估結(jié)果觀察，雷達(dá)在每年冬季的綜合效能和部分單項指標(biāo)得分較維護保養(yǎng)前有明顯提高。

5 結(jié)束語

通過對雷達(dá)執(zhí)行不同場景航天測控任務(wù)的跟蹤測量數(shù)據(jù)進行處理、分析和深度挖掘，構(gòu)建了嚴(yán)格、準(zhǔn)確的效能評估指標(biāo)體系，采用改進的多層次模糊綜合評價方法對雷達(dá)綜合效能進行了準(zhǔn)確評估，為監(jiān)測雷達(dá)長期和短期執(zhí)行航天測控任務(wù)的能力提供了統(tǒng)計分析方法和可信賴的結(jié)果，并為裝備進行性能維護和技術(shù)改進提供了可靠依據(jù)，具有較好的經(jīng)濟效益和推廣應(yīng)用前景。