基于AHP灰色效能法的同步軌道通信衛星綜合能力評估

胥偉 徐慨 鐘帥

(1. 海軍工程大學，武漢 430033；2. 海軍出版社，天津300450)

0 引言

同步軌道通信衛星對地覆蓋范圍大，保障區域固定，通信持續時間長，少量衛星即可完成組網通信，因此現有的大多數通信衛星部署在同步軌道。這些同步軌道通信衛星中，由于作戰區域的不同，衛星部署的位置、衛星功能等重要指標不同，各顆衛星對于某一特定區域的綜合能力不盡相同。準確地對衛星綜合能力進行評估排序對于研究星座組網和衛星的防護具有重要的價值。本文根據同步軌道通信衛星的特點，在考慮衛星基本能力的同時，通過劃分作戰區域等級考慮衛星綜合運用能力等，更加完整地考慮了影響衛星綜合能力的各類因素。

1 同步軌道通信衛星綜合能力評估過程

1.1 評估過程

對同步軌道通信衛星進行綜合能力評估時，首先要分析評估對象，根據評估對象的特點建立合理的評估指標體系。由于同步軌道通信衛星系統綜合能力的評估指標體系中既有定量指標，又有定性指標。因而采取定量計算和定性分析相結合的方法獲取指標值。而后運用AHP法和灰色系統理論確定各項指標權重系數，對衛星綜合能力進行評估排序。評估過程如圖1所示。

1.2 構建評估指標體系

構建評估指標體系是衛星評估的重要一環。根據建立指標體系依據的基本原則，全面考慮各種因素，確定通信系統功能和指標度量，采用自頂向下法與自適應漸進法相結合的方法，并在參考相關文獻的基礎上建立如圖2所示的同步軌道通信衛星綜合能力評估指標體系。

圖1 衛星綜合能力評估過程

同步軌道通信衛星綜合能力評估指標體系[1]主要包括衛星覆蓋能力、通信服務能力、生存能力和衛星綜合運用能力。

衛星的覆蓋能力包括衛星對一類作戰區域、二類作戰區域的覆蓋率和覆蓋頻段。一類作戰區域是指重點、核心地區，衛星能夠直接形成信息支援的區域；二類作戰區域是指雖不能形成信息支援，但卻具有潛在支援能力的區域。根據不同的作戰任務劃分的作戰區域等級不同。覆蓋頻段主要使用衛星擁有的通信頻段個數。

圖2 同步軌道通信衛星綜合能力評估指標體系

衛星的通信服務能力[2]包括通信容量、通信速率和通信質量；衛星通信的生存能力包括抗摧毀能力、抗干擾方式種類和信息安全與保密能力。

2 基于AHP灰色效能評估模型的建立

多層次灰色評價法是以灰色理論為基礎，以層次分析法、ADC效能評估模型為指導的定量計算與定性分析相結合的評估方法[3]。其具體步驟如下：

1) 確定層次結構。根據AHP原理，將效能評估指標體系按最高層（系統效能 W）、中間層（一級指標 Fi，i=1，2，…，m）和基本層（二級指標Fij，i=1，2，…，m；j=1，2，…，ni）的形式排列的三層評價指標體系層次結構。設被評估對象序號為 s，s=1，2，…，q；W(s)為第 s個系統的綜合評估值；一級指標Ui所組成的集合為U，記為 U={U1，U2，…，Um}；二級指標 Vij所組成的集合為Vi，i=1，2，…，m，記為Vi={Vi1，Vi2, …,Vim}。

2) 計算權重系數。利用層次分析法，獲得在某一準則下任意兩元素 Ai和 Aj的兩兩比較矩陣，采用AHP的根法求解AY=λ maxY的最大特征根對應的特征向量，并將之歸一化作為在該標準下的排序權重。

3) 制定評分等級標準。評價指標Vij一般為定性指標，需將其轉化成定量指標。定性指標的定量化可通過制定評分等級來實現。

4) 建立評價樣本矩陣。根據評價者的評價結果，即第 k個評價者的評分 dijk(s)求得其評價樣本矩陣D(s)，即

式中：i=1，2，…，m；j=1，2，…，ni；k=1，2，…，p。

5) 確定評估灰類。確定評估灰類就是要確定評估灰類的等級數、灰類的灰數及灰類的白化函數。可根據實際評價的系統的情況來確定。設評估灰類的序號為e，e=1，2，…，g，即有g個評價灰類[4]。

6) 計算灰色評價系數。對于評價指標Vij，第s個受評系統屬于第e個評價灰色的評價數稱為灰色評價系數，記為xijk(s),其計算公式為

第s個受評系統屬于各個評價灰類的總灰色評價數記為xij(s),其計算公式為

7) 計算灰色評價向量及評價矩陣。灰色評價數

第s個受評系統對于評價指標Vij的各個灰類總評價向量

將第 s個受評系統的 Vi所屬指標 Vij對各評價灰類的灰色評價向量綜合后，可得第s個受評系統的 Vi所屬指標 Vij對于各評價灰類的灰色評價矩陣

8) 對Vi綜合評價。對第s個受評系統的Vi進行綜合評價，其綜合評價結果記為

9) 對U綜合評價。對第s個受評系統的U作綜合評估，其評估結果記為B(s)則有

計算綜合評估值并排序。

3 實例分析

3.1 指標建立

文中建立的評價因素集合為：同步軌道通信衛星綜合能力評估指標體系效能E={覆蓋能力B1，通信服務能力B2，生存能力B3，綜合運用能力B4}；覆蓋能力B1={衛星對一類作戰區域的覆蓋率C1，衛星對一類作戰區域的覆蓋率C2，覆蓋頻段數量C3}；通信服務能力B2={通信容量C4，通信速率C5，通信質量C6}；生存能力B3={抗摧毀能力C7，抗干擾方式種類C8，信息安全與保密能力C9}；綜合運用能力B4={衛星調度支援能力C10，衛星運用率C11，衛星戰術性C12}。

3.2 計算分析過程

采用根值計算得評價指標Ui的權重系數為

二級指標Vij的權重系數為

通過咨詢作戰指揮專家、通信總體技術專家、系統研制人員共5位專家按照優劣等級劃分了7級。給出4，3，2，1分標準，當指標介于兩者之間時，響應分數為3.5，2.5，1.5分。具體標準如表1。求得評估樣本矩陣為D。設g=4，確定響應的灰數及白化函數[8]。如第1灰類的白化函數為

表1 評價標準

分別計算各評價指標的灰色評價權向量、權矩陣、各層指標的綜合評價，得到通信系統的綜合評價結果

各評價灰類等級值向量

綜合評價值W為

通過把計算所得的綜合評價值與表1中的評價標準相比較，可得出系統處于偏好與較好水平之間，是滿足需求的。

4 結束語

在深入分析研究同步軌道通信衛星自身屬性及綜合能力特性的基礎上，對其系統效能進行分解，建立較為科學合理的綜合效能指標體系，應用AHP法評定各指標的權重，為減少專家打分的主觀影響,提高評估結果的客觀性，運用灰色關聯理論，構造同步軌道通信衛星的綜合評估模型，獲得了客觀的評判結果，與實際情況相符，因此具有一定的參考價值。

[1]尹江麗, 王莉. 軍用衛星通信系統效能評估指標體系[J]. 兵工自動化, 2008, 27(6): 9-11.

[2]曹加勇. 基于 TOPSIS的同步軌道通信衛星綜合能力評估[J]. 指揮控制與仿真, 2011, 33(1): 61-63.

[3]Noels. Coming to grips with measures of effectiveness[J]. SystEng, 2000(3): 50-58.

[4]Kai Su, Jie Zhang, Quan Yu. Research on military intelligence decision support system based on object-oriented simulation[R]. GSIS2007.