董家隆1,3,李桂祥2,陈 辉3
(1.空军预警学院研究生管理大队,湖北武汉430019;2.空军预警学院陆基预警监视装备系,湖北武汉430019;3.中国人民解放军95980部队,湖北襄阳441021)
摘 要:天波雷达能够在防空、反导、对海监视等多个领域发挥重要作用,已成为各大国战略预警体系中的重要装备。为全面准确评估天波超视距雷达的作战效能,结合天波雷达作战使用特点,系统分析了电离层状况和电磁环境对天波雷达的影响,建立了天波雷达作战效能评估指标体系,提出了一种改进的ADC模型。采取定量和定性相结合的评估方法,根据有效探测威力、探测精度、发现概率等指标数据,客观评定了雷达作战效能,为作战运用和装备论证提供了科学决策依据。
关键词:天波超视距雷达;评价指标体系;作战效能评估;ADC模型
天波超视距雷达作为远程战略预警体系中的重要装备,分析和评估天波雷达作战效能对指导该雷达的作战使用、推进该雷达的发展改进具有重要意义[1]。ADC模型是美国工业界武器系统效能咨询委员会(WSEIAC)提出的面向武器系统效能进行评估的方法,被广泛应用于系统效能评估。但该方法是基于理想状态的分析,不能全面地反映装备在战场环境中的作战效能[2-3]。本文结合天波雷达作战使用特点,针对天波雷达特殊的传播机理,提出了一种改进ADC模型,并分析验证了该方法的正确性和有效性,通过大量数据客观评估该型雷达作战能力,评估结果更加准确科学。
天波雷达与常规雷达相比,具有探测距离远、覆盖范围广、空情量大、情报处理要求高、受外部环境影响大、资源调度实时性强以及维修保障要求高等特点[3],其作战效能评估时应充分考虑这些因素的影响。
天波雷达借助于电离层对高频电磁波的折射特性,可实现超视距广域探测,探测距离达数千公里,覆盖范围达数百万平方公里,兵力运用时,既要全面掌握空中态势,又要兼顾舰船目标和弹道导弹目标,模式运用、参数设置、波位调整等考虑因素多,难度大。
天波雷达探测监视区域大,空情量是常规雷达的数倍。情报处理时,不仅涉及到目标真伪、属性、威胁、活动企图等常规研判,而且还有天波雷达特有的航迹模式、波峰数、误关联等判别,目标研判难度大,对战勤人员能力素质要求高。
天波雷达依靠电离层反射完成对目标的探测,电离层的规则变化和随机变化特征直接导致不同季节、不同时段、不同地域的雷达探测能力不尽相同。同时,外部环境噪声变化影响慢速小目标检测,不同工作频率,影响程度不同。因此,需要结合实时电离层状态和外部电磁环境,及时调度资源,才能充分发挥雷达探测能力。
天波雷达系统规模庞大,部署地域分散,分系统设备分布广,分系统之间关联性强,单个系统故障可能造成全系统无法正常运行,对装备可靠性、可维修性和人员保障能力要求高。
传统的ADC模型中,系统效能是预期一个系统满足一组特定任务要求程度的量度,是系统可用性A、可信性D与能力C的函数,其模型[4-5]为
由于天波雷达作战效能受外部环境影响大,可把天波雷达作战效能的决定因素归纳为可用性、可信性、作战能力、电离层状态变化和电磁环境影响五个方面。为此,本文对传统的ADC模型进行了改进,考虑到电离层季变化和日变化影响,构建了春、夏、秋、冬四季以及日出、白天、日落、夜间四个时段4×4作战效能矩阵,即
式中,C(ij)为i季(春、夏、秋、冬)j时段(日出、白天、日落、夜间)雷达作战能力,K为电磁环境对作战效能的影响因子。
从装备全系统的角度出发,综合考虑可用性、可信性、作战能力以及电磁环境因素影响,构建作战效能评估指标体系,运用层次分析法对评估总目标进行多层次分解。其中,作战能力指标的选取是装备效能评估的难点和关键。本文结合天波雷达作战使用特点,选取快速反应能力、指挥控制能力、预警监视能力和综合保障能力作为作战能力评定的二级指标,本着客观性、完备性、敏感性、可测性和独立性原则,经过深入研讨和广泛咨询,确定了三级、四级指标。天波雷达作战效能评估指标体系如图1所示。
图1 天波雷达作战效能评估指标体系
武器装备系统的可用性是装备在战场环境下使用时,能根据任务需要投入运行的可能性,可用性向量A是由系统开始执行任务时所有可能状态的概率组成[6]。天波雷达在开始执行任务时状态可划分为正常和故障两种状态。a1表示系统开始执行任务时处于正常工作状态的概率,a2表示系统在开始执行任务时处于故障状态的概率。
式中,MTBF为系统无故障工作时间,MTTR为系统故障平均修复时间。
可信性矩阵D为系统在完成执行任务时将进入或处于任一有效状态的概率,与系统故障率、修复率及执行任务平均时间有关。按正常和故障两种状态,则系统可信性矩阵为
式中,dij表示该装备在执行任务中由状态i转到状态j的概率。假定组成该装备的各分系统故障及修复时间服从指数分布。取λ表示系统故障率,μ表示系统修复率,T表示系统执行任务平均时间,则d11=e-λT,d12=1-e-λT,d21=e-μT,d22=1-e-μT。
1)快速反应能力C1
快速反应能力是指作战单元能够在规定的时间内完成战斗等级转换、各类设施设备完成状态转换,能够在规定时间内担负作战任务、有效处置各类突发情况,可用等级转进、状态转换和突发情况处置等几个关键指标来衡量。
2)指挥控制能力C2
指挥控制能力是指受领作战任务后,能够对敌情、我情和战场环境进行准确研判,组织筹划作战行动,并能对部队作战行动进行有效的指挥控制,可用情况研判能力、作战筹划能力和行动控制能力等指标来衡量。
3)预警监视能力C3
预警监视能力是天波雷达的核心指标。一是装备本身探测能力,可用探测威力、探测精度、发现概率和抗干扰能力来综合衡量。其中,雷达的探测威力包括有效探测距离和有效探测扇面;探测精度包括距离探测精度和方位探测精度,探测精度、发现概率可通过查询雷达设计的指标参数和电离层的实时变化统计来获得;抗干扰能力与雷达所采取的技术措施有关,天波雷达由于采用了自适应频率选择、自适应空域滤波、抗瞬态干扰、抗地海杂波干扰等技术,具有较强的抗干扰能力,可通过业内专家定性评定。二是情报保障能力,是人、装备、环境有机结合。其中,资源调度能力反映兵力运用是否合理,情报搜集、整理、报知能力是影响情报质量的关键因素,与战勤人员水平密切相关。
4)综合保障能力C4
综合保障能力是作战能力的重要组成部分,构成影响综合保障能力的因素主要包括通信保障能力、机要保障能力、后勤保障能力和装备保障能力。
天波雷达工作在短波波段,在这个频段内,人为无线电噪声干扰(电台、各种工业、电气设备及输电线路等)分布密集、功率强且随时间变化,工作的电磁环境比微波雷达恶劣得多。本文以环境监测数据为依据,通过统计雷达频率使用情况及其对应干扰监测值,客观评定环境因素对天波雷达作战效能的影响K:
式中,Ni为第i个工作频率对应的环境干扰监测值,NB为干扰影响门限值,n为数据统计量。
1)对于值越大越有利且无标准值的指标,其归一化公式为
式中,xi为指标值,mi为指标可取的最小值,Mi为指标可取的最大值。
2)对于值越大越有利且有标准值的指标,其归一化公式为
式中,Bi为指标的标准值。
3)对于值越小越有利且无标准值的指标,其归一化公式为
4)对于值越小越有利且有标准值的指标,其归一化公式为
本文采取层次分析法(AHP)的方法确定作战能力C各级指标权重值。首先,通过将各因素之间相对于其上一层次因素的重要性进行两两比较,并按Satty提出的比率标度法进行赋值建立判断矩阵;其次,求解比较矩阵的特征向量,并进行一致性检验,得到相对于上一级指标的权重值。
表1 比较矩阵赋值标准参考表
对于作战能力的二级指标快速反应能力、指挥控制能力、预警监视能力、综合保障能力,采用专家打分法构造两两比较矩阵A:
指标权重的计算实际上可归纳为求解判断矩阵最大特征值对应的特征向量。由此,可计算出最大特征值及其对应特征向量分别为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,则CR=CI/RI=0.024 5/0.9=0.027＜0.1,判断矩阵满足一致性要求。
二级指标快速反应能力、指挥控制能力、预警监视能力、综合保障能力及三级指标装备保障能力的下一级指标权重,采用专家打分法构造两两比较矩阵为
可分别计算出判断矩阵的最大特征值对应的特征向量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,经验证均满足一致性要求。其余四级指标基本已细化到末端,其重要程度基本相当,权重可考虑采用平均值。
指标值获取通过两种方式:一是统计数据;二是装备固有(专家评定)。统计数据中有些指标与各季节的环境监测数据相关,诸如电磁环境因素;有些与不同时节的电离层环境有关,诸如有效探测扇面、发现概率、探测精度等。装备固有的指标值通过专家评定来确定,诸如抗干扰能力、情报综合能力、情报记录能力等。
现以某型天波超视距雷达为例,设系统MTBF=500.65 h,MTTR=11.87 h,连续工作时间=12.86 h,假定系统故障时间服从指数分布,则
以春季、日出阶段为例,依据公开的具体指标参数和专家评定结果,装备探测能力C31=
快速能力
0.946 8、指挥控制能力
=0.950 3、预警监视能力
=0.663 1、综合保障能力
=0.936 0,则作战能力
0.765 6,雷达作战效能E11=ADC(11)K=[0.977,
同理,可得
从评估结果看,日出、日落阶段,电离层电子浓度变化较快,探测效果一般,雷达作战效能发挥受到一定的影响,指标值在0.7左右;白天,电离层电子浓度较强,回波能量强,探测效果好,能较好发挥雷达作战效能,指标值在0.75左右;夜间,电离层电子浓度低,回波能量较弱,探测效果不如白天,雷达作战效能发挥受限,指标值在0.6左右。从季变化看,春、秋、冬三季探测效果相当,整体作战效能发挥较好。
本文采用改进ADC模型对天波雷达的作战效能进行了评估,该模型考虑了电离层季变化、日变化及外部环境噪声的影响,在计算作战能力时采用了层次分析法,评估结果具有一定科学性和指导意义,为兵力运用和装备论证提供了一定的参考依据。
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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)
Abstract: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.
Key words:sky-wave over-the-horizon radar(SWO-THR);evaluation index system;operational efficiency evaluation;ADC model
中图分类号:TN958.93
文献标志码:A
文章编号:1672-2337(2017)02-0126-05
DOI:10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.003
收稿日期:2016-04-12;
修回日期:2016-09-07
作者简介:
董家隆男,1974年生,江西婺源人,硕士研究生,主要研究方向为天波超视距雷达作战效能评估。
李桂祥男,1968年生,湖北汉川人,副教授、硕士生导师,主要研究方向为远程预警探测系统建模与仿真。
陈 辉男,1985年生,江苏东台人,硕士,主要研究方向为天波超视距雷达作战效能评估。
E-mail:qingfengchen_wuhan@126.com