天波超視距雷達作戰能力評估

王晗中，常春賀，鄧剛

(1. 空軍預警學院訓練部，湖北 武漢 430019；2. 中國人民解放軍95980部隊，湖北 襄陽 441021)

0 引言

天波超視距雷達是構建國家戰略預警裝備體系的主戰裝備之一，是戰略預警體系對空(海)情報獲取的重要來源，在未來信息化戰爭中地位顯著。目前，天波超視距雷達已被視為遠程戰略預警理想而又經濟的替代品[1-2]。因此，研究天波超視距雷達作戰能力對裝備的論證使用和規劃部署國防預警探測體系具有重要意義。

近年來，國內對天波超視距雷達作戰能力開展了廣泛研究。文獻[3-5]針對單一性能參數法和評價指標的模糊性特點，分別采用ADC法、邏輯門法以及模糊綜合評判法對天波超視距雷達作戰能力進行了評估；文獻[6]在考慮裝備保障系統的基礎上，研究了天波超視距雷達對海探測能力；文獻[7]采用層次分析法從探測能力和對抗能力2個方面對天波超視距雷達的作戰能力進行了綜合評估。然而，以上文獻所建立的評估指標針對性不強，未有效關聯天波超視距雷達的系統構成和工作原理，大多數僅僅考慮裝備本身的固有能力，而沒有從裝備全系統的角度出發，往往忽視了信號數據處理、指揮控制以及裝備綜合保障性等關鍵因素對雷達作戰能力的影響。鑒于以上問題和不足，本文結合天波超視距雷達的作戰使用特點，綜合考慮不同因素對系統作戰能力的影響，將評估對象由裝備擴展到裝備全系統，并將層次分析法和綜合評判的方法應用到作戰能力評估中，建立一種基于模糊層次決策的天波超視距雷達作戰能力評估模型，對天波超視距雷達作戰能力進行準確評估。

1 天波超視距雷達作戰使用特點

天波超視距雷達具有探測距離遠、覆蓋區域大、雷達空情量多、受電離層影響大以及裝備綜合保障性要求高等特點，其作戰能力的評定較常規雷達也有較大的差異。

(1) 雷達探測距離遠、覆蓋區域大

探測范圍覆蓋幾千公里的扇區，面積達到數百萬平方公里。在作戰使用時，可以根據不同的作戰任務，合理進行規劃使用，提高雷達作戰能力。

(2) 雷達空情量大、情報處理要求高

天波超視距雷達探測監視區域大，空情量是常規雷達的數倍。工作不受地球曲率和目標飛行高度的影響，可探測遠程低空和隱身目標，且探測方式多樣，但也大大增加了情報處理的難度，對作戰人員能力素質要求更高。

(3) 雷達作戰性能受電離層變化影響大

天波超視距雷達是利用電離層對電磁波的反射效應進行目標探測的[1-2,8]，而電離層存在分層結構和多種不規則的變化形式，且不同時域和不同空域的電離層狀態是不盡相同的，這會導致同一時刻不同子區以及同一子區不同時刻的作戰能力不同，嚴重時，甚至會使雷達喪失作戰能力。因此，需要對電離層環境進行實時診斷和管理，及時調度資源，以保障雷達作戰能力發揮。

(4) 雷達系統規模龐大，綜合保障性要求高

與常規雷達相比，天波超視距雷達系統規模龐大，部署地域分散，分系統設備通常分布于多個不同站點，分系統間交聯多，系統正常工作和作戰性能的高效發揮依賴于各站裝備的正常運行，若裝備自身綜合保障性不高，就會影響雷達預警探測性能。因此，天波超視距雷達裝備必須具有較高的綜合保障性。

2 評估指標的建立與分析

2.1 評估指標體系的建立

裝備系統是由主裝備和保障系統組成。天波超視距雷達系統不僅包括天波超視距雷達主裝備，還包括使主裝備能發揮作用的相關保障系統。主裝備和保障系統是一個有機的不可分割的整體。因此，本文從裝備全系統的角度出發，綜合考慮作戰能力評估各種影響因素，運用層次分析法對評估總目標進行多層次分解(分組)，遵照全面完整、層次分明、簡明科學、兼顧可比性和導向性的原則，結合天波超視距雷達的作戰使用特點和工作實際，建立了一套新的天波超視距雷達作戰能力綜合評估指標體系，如圖1所示。

圖1 天波超視距雷達作戰能力評估指標體系層次分析模型Fig.1 Analytic hierarchy model for evaluation index system of sky wave OTHR operational effectiveness

2.2 評估指標分析

指標體系可分為3個層次：第1層是目標層(A層)，即天波超視距雷達作戰能力總體評估；第2層是準則層(B層)，包括預警探測性能、信號數據處理能力、系統生存能力、指揮控制能力、綜合保障性等5個指標；第3層是指標層(C層)，包括探測作用距離、有效探測扇區、探測精度等22個評估指標。

(1) 預警探測性能(B1)

預警探測性能是指雷達在干擾環境下探測目標的能力，由探測作用距離、探測有效扇區、探測精度、系統可用度和抗干擾能力5個指標進行描述。其中，探測作用距離、有效探測扇區反映了天波超視距雷達的探測威力范圍；探測精度反映雷達探測目標的準確定位能力；抗干擾能力是天波超視距雷達探測性能的一個重要指標，這是因為天波超視距雷達工作在短波波段，工作頻段決定了其干擾背景比常規微波雷達惡劣得多，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。此外，與常規雷達不同，天波超視距雷達的工作機理決定了它具有系統可用度的情況。系統可用度是衡量天波超視距雷達預警探測性能的一個重要指標，系統可用度受電離層影響較大，由于電離層是不斷變化的，存在著許多不穩定現象，會造成天波超視距雷達的不可用或部分性能下降。

(2) 信號數據處理能力(B2)

信號數據處理能力是描述天波超視距雷達作戰能力的一項重要指標，它能反映規定作戰任務下系統對探測的目標信號數據的處理與運用能力，信號數據處理能力的高低直接影響著天波超視距雷達作戰效能的發揮程度。本文選取數據處理容量、數據處理精度、抑制噪聲干擾能力、目標檢測能力和目標跟蹤能力等作為信號數據處理能力指標。其中，數據處理容量、數據處理精度是情報信息處理的基本能力指標，而抑制噪聲干擾能力、目標檢測能力、目標跟蹤能力是天波超視距雷達信號和數據處理，是反映天波超視距雷達作戰能力的關鍵指標。

(3) 系統生存能力(B3)

系統生存能力是指天波超視距雷達在作戰環境下抗軟、硬殺傷的能力。天波超視距雷達天線陣地龐大、無法機動，所以站址選擇一定要合理。另外，天波超視距雷達一般工作在短波頻段，不在反輻射導彈(ARM)的頻率鎖定范圍，而且天波超視距雷達的波束是經由電離層彎曲傳播的，這樣ARM尋的并進行攻擊的成功率會更低。所以，對天波超視距雷達來說，在當前情況下由于其先天的優勢，具有較好的抗摧毀能力，抗ARM攻擊的效能指標一般不予考慮或者權值很低，考慮到科學簡化評估指標體系的原則，天波超視距雷達的系統生存能力由站址選擇合理性、抗毀傷能力和抗偵察能力3個指標聚合而成。

(4) 指揮控制能力(B4)

天波超視距雷達主要承擔對空情報戰略預警探測任務，不僅需要雷達本身具有較好的戰技術性能，而且需要各指戰人員之間的密切協同。因此，本文選取態勢顯示能力、分工協作能力、目標判讀能力、情報傳輸能力、電離層監測能力和信息查證能力6個指標作為指揮控制能力指標。其中，雷達態勢顯示能力和情報傳輸能力指標是指揮控制能力基礎，分工協作能力、目標判讀能力是指揮控制能力得以體現的重要內容，而電離層監測能力和信息查證能力則是保障指揮控制能力有效發揮的重要前提。

(5) 綜合保障性(B5)

天波超視距雷達系統作戰能力的發揮，既取決于系統的戰技術性能，也取決于裝備的綜合保障性。綜合保障工作是一項復雜的系統工程，要做好該項工作，難度很大，涉及問題非常多。但從系統工程的角度來說，裝備綜合保障性的主要來源于其可靠性、維修性和保障性等裝備重要質量特性設計的好壞[9-10]。可靠性是裝備的一種設計特性，它反映了在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的持續能力；維修性也是裝備的一種設計特性，它反映了在規定的維修條件下，裝備保持和恢復到規定狀態的能力；而保障性是裝備系統的一種特性，即包括與保障有關的設計特性，又包括計劃的保障資源，是一種系統屬性，它反映了裝備系統滿足平時和戰時戰備完好性目標的能力，直接反映了裝備的使用要求，具有顯著的軍事特征。因此，選取可靠性、維修性、保障性作為天波超視距雷達的綜合保障性指標。

3 基于模糊層次決策的作戰能力評估模型

天波超視距雷達系統是一個龐大復雜的系統，其作戰能力是一個綜合性指標，包含多種技術因素和不確定性，對系統的評估也是一項復雜的工作，涉及許多難以量化的因素。在上述評估指標分析中，主要涉及到兩類指標：一是定量指標，可以直接進行定量計算；二是定性指標，可以通過專家知識經驗進行評定。因而天波超視距雷達作戰能力評估的原則是基于定量計算和定性分析相結合的多屬性綜合決策過程。為此，提出利用層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)與模糊數學相結合的方法對天波超視距雷達作戰能力進行綜合評估，具體步驟如下。

3.1 建立評估因素層次結構

利用AHP對評價因素進行分析時，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，構建層次模型如圖1所示。其中，最頂層為目標層，表示要解決問題的目標；中間層為準則層，表示采取某種措施來實現預定總目標所涉及到的中間環節；最底層為指標層，它是最終影響天波超視距雷達作能力的評價指標集。

3.2 確定評語集

評語集是以判斷者對評判對象可能出現的各種評判結果為元素組成的集合。設評語集V={V1,V2,…,Vn}，各元素Vj(j=1,2,…,n)代表各種可能的總評判結果。

3.3 確定指標權重集

在天波超視距雷達作能力評估中，各級評估指標權重的確定是至關重要的，其反映了各個因素對天波超視距雷達作戰能力影響的程度。確定權重的方法很多，如專家評判法、層次分析法、相關系數法等。本文在結合專家意見的條件下，通過AHP的方法確定各評估因素的權重。

(1) 構造比較判斷矩陣

根據圖1所建立的指標體系結構，使用成對比較和專家咨詢法來構造判斷矩陣A=[aij](表示同一層各指標相對重要性的標度值，判斷標準采用層次分析法常用的1～9標度)。

(2) 計算指標權重

指標權重的計算實際上可歸納為求解判斷矩陣A最大特征值λmax對應的特征向量，即AW=λmaxW的特征向量W=(w1,w2,…,wn)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，采用判斷矩陣首行求和并歸一化來求解特征向量，從而得到各級指標的權重。

(1)

(2)

(3) 一致性檢驗

由于天波超視距雷達作戰能力評估過程中影響因素的復雜性和決策者對這些因素主觀判斷具有不穩定性，以及不同決策者偏好也不同，因此難以將同一準則下的因素差異度量的十分準確，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，RI為平均隨機一致性指標，根據矩陣階數取值，表1給出了1～12階矩陣的平均隨機一致性指標[11]。

表1 RI與n的對照關系表Table 1 Correspondence table of RI and n

3.4 構建模糊評判矩陣

由于天波超視距雷達作戰能力評估指標多為定性評估指標，具有較強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的對評語集的隸屬度。專家打分法的基本原理[12]：聘請n名專家對各指標進行評定，假如對指標ui有m名專家評定為v1，則模糊隸屬度ri1=m/n，所有rij值即構成模糊評判矩陣為

(3)

式中：rij為第i個評價指標對第j級評語的隸屬度。

3.5 確定綜合評估模型

天波超視距雷達作戰能力評價是是一個多級因素構成的評判指標體系，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行一級綜合評判，設所得的模糊綜合評價集分別為

?

(4)

根據層次分析法得出上一級各指標的權重向量W=w1,w2,…,ws和評判矩陣R0，利用復合運算便可求出綜合評判結果，即

B=WR0=(b1,b2,…,bn),

(5)

式中：B為模糊綜合評判向量;bi(i=1,2,…,n)為綜合考慮所有因素的影響時評判對象對應于評語集中第i個元素的隸屬度。

4 實例應用與分析

以美國的某型天波超視距雷達為例，采用本文模型對該天波超視距雷達作戰能力進行綜合評估，具體如下。

4.1 建立層次分析模型

經分析，可以得到影響因素集，其層次結構參見圖1的天波超視距雷達作戰能力評估層次分析模型。

4.2 確定評語集

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，良，一般，差}。

4.3 構建比較判斷矩陣并確定指標權重

表2 準則層B相對于目標層A的判斷矩陣Table 2 Judgment matrix of criteria layer B relative to objective layer A

計算可得λAmax=5.118 0，CI=0.029 5，CR=0.026 3<0.1滿足一致性。

指標層C相對于準則層B1的權重向量以及相應的最大特征值λB1max、一致性指標CI1和一致性比例CR1，見表3。

表3 指標層C相對于準則層B1的判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of index layer C relative to criteria layer B1

計算可得λB1max=5.014 6，CI=0.003 6，CR=0.003 3<0.1滿足一致性。

同理，可分別計算指標層C相對于準則層B2,B3，B4，B5層次排序向量以及相應的最大特征值、一致性指標和一致性比例，如下：

0.133 8)，

λB2max=5.230 0，CI=0.057 5，CR=0.051 3<0.1；

λB3max=3.018 3，CI=0.009 2，CR=0.015 8<0.1；

λB4max=6.064 8，CI=0.013 0，CR=0.010 4<0.1；

λB5max=3.053 7，CI=0.026 8，CR=0.046 3<0.1.

4.4 構造模糊評判矩陣

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的對評語集的隸屬度。聘請20位評審專家對22個三級指標進行評定。設該雷達作戰能力評估的第2級模糊評判矩陣為R0，第3級模糊評判矩陣為Ri(i=1,2,…，5)。各指標因素的評價采用“優、良、一般、差”4級劃分法，各等級都看成一個模糊向量，然后對各指標評判結果進行統計并規范化處理，得到模糊評判矩陣為

4.5 模糊綜合評判

(6)

0.046 6).

按照最大隸屬度法，該雷達作戰能力綜合評估結果應取b0=max(0.203 0，0.378 5，0.371 8，0.046 6)=0.378 5，即該天波超視距雷達作戰能力的綜合評估結果為良好。

4.6 評估結果分析

式(6)中R0的第1行到第5行數據分別表示預警探測性能、信號數據處理能力、系統生存能力、指揮控制能力、綜合保障性等指標的評估結果。根據最大隸屬度原則，可知該天波超視距雷達預警探測性能方面的評估結果為“良”，信號數據處理能力方面的評估結果為“一般”，系統生存能力方面的評估結果為“優”，指揮控制能力方面的評估結果為“一般”，綜合保障性方面的評估結果為“良”。同時，由4.5節計算結果可知，綜合評估結果“良”與“一般”對應的隸屬度值分別為0.378 5和0.371 8，二者相差很小，這說明該天波超視距雷達作戰能力勉強達到良好的標準，因此還需要對其進行一定的改進優化，才能達到更好的作戰水平。綜上分析，對該雷達的改進，建議重點從以下幾個方面進行：

(1) 加強對雷達選頻及信道特性預測技術的研究，優化電波環境自適應診斷相關算法，實時準確監測電離層狀態，提高系統可用度，并增強自適應選頻的精確度，從而提高雷達探測發現目標的能力；

(2) 進一步提高雷達的抗干擾能力，從頻域、空域及時域單方面或同時采取相應抗干擾措施，并利用現代抗干擾技術、計算機技術及信號處理技術等先進技術增強雷達系統的抗干擾性能，從而提高復雜電磁環境下天波超視距雷達的預警探測能力；

(3) 改進優化天波超視距雷達信號與數據處理相關算法，并在軟件上優化信號處理和數據處理過程，提高目標識別、目標跟蹤以及情報信息處理的精度，從而增強雷達的信號和數據處理能力；

(4) 升級改進雷達的指揮控制終端系統，增強不同情報信息之間的作戰協調與輔助決策能力，提高系統指揮控制工作效率，同時提高作戰人員的指揮協作能力，增強對目標的研判能力，從而提高雷達的作戰指揮控制能力；

(5) 提高裝備綜合保障性能，即在雷達研制階段全面考慮可靠性、維修性、保障性等關鍵的綜合保障要素，突出綜合保障性地位，開展綜合保障性分析與設計，并在裝備定型或驗收階段進行綜合保障性鑒定，投入使用后做好綜合保障信息的收集與反饋工作，為及時改進和提高裝備綜合保障性提供依據，最終確保雷達具有較高的綜合保障性，從而保障雷達作戰效能的順利發揮。

5 結束語

本文從裝備全系統的角度出發，結合天波超視距雷達作戰使用特點，建立了以預警探測性能、信號數據處理能力、系統生存能力、指揮控制能力、綜合保障性為指標的天波超視距雷達作戰能力綜合評估指標體系。在此基礎上，通過層次分析法和模糊綜合評判法相結合的方法對天波超視距雷達的作戰能力進行綜合評估，使評估更加全面、合理、準確。該方法不僅充分發揮了專家的作用，而且盡可能地減少了主觀認識差異所帶來的決策片面性，為天波超視距雷達作戰能力的評估提供了理論基礎和決策依據，并對天波超視距雷達的研制、改進、優化部署以及作戰使用等方面具有重要的指導意義。

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