基于改進ADC模型的天波雷達作戰效能評估

董家隆,李桂祥,陳 輝

(1.空軍預警學院研究生管理大隊,湖北武漢430019;2.空軍預警學院陸基預警監視裝備系,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ADC模型的天波雷達作戰效能評估

董家隆1,3,李桂祥2,陳 輝3

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

天波雷達能夠在防空、反導、對海監視等多個領域發揮重要作用,已成為各大國戰略預警體系中的重要裝備。為全面準確評估天波超視距雷達的作戰效能,結合天波雷達作戰使用特點,系統分析了電離層狀況和電磁環境對天波雷達的影響,建立了天波雷達作戰效能評估指標體系,提出了一種改進的ADC模型。采取定量和定性相結合的評估方法,根據有效探測威力、探測精度、發現概率等指標數據,客觀評定了雷達作戰效能,為作戰運用和裝備論證提供了科學決策依據。

天波超視距雷達;評價指標體系;作戰效能評估;ADC模型

0 引 言

天波超視距雷達作為遠程戰略預警體系中的重要裝備,分析和評估天波雷達作戰效能對指導該雷達的作戰使用、推進該雷達的發展改進具有重要意義[1]。ADC模型是美國工業界武器系統效能咨詢委員會(WSEIAC)提出的面向武器系統效能進行評估的方法,被廣泛應用于系統效能評估。但該方法是基于理想狀態的分析,不能全面地反映裝備在戰場環境中的作戰效能[2-3]。本文結合天波雷達作戰使用特點,針對天波雷達特殊的傳播機理,提出了一種改進ADC模型,并分析驗證了該方法的正確性和有效性,通過大量數據客觀評估該型雷達作戰能力,評估結果更加準確科學。

1 天波雷達作戰使用特點

天波雷達與常規雷達相比,具有探測距離遠、覆蓋范圍廣、空情量大、情報處理要求高、受外部環境影響大、資源調度實時性強以及維修保障要求高等特點[3],其作戰效能評估時應充分考慮這些因素的影響。

1.1 雷達探測距離遠、覆蓋范圍廣,兵力運用難度大

天波雷達借助于電離層對高頻電磁波的折射特性,可實現超視距廣域探測,探測距離達數千公里,覆蓋范圍達數百萬平方公里,兵力運用時,既要全面掌握空中態勢,又要兼顧艦船目標和彈道導彈目標,模式運用、參數設置、波位調整等考慮因素多,難度大。

1.2 雷達體制特殊、空情量大,情報保障能力要求高

天波雷達探測監視區域大,空情量是常規雷達的數倍。情報處理時,不僅涉及到目標真偽、屬性、威脅、活動企圖等常規研判,而且還有天波雷達特有的航跡模式、波峰數、誤關聯等判別,目標研判難度大,對戰勤人員能力素質要求高。

1.3 探測能力受外部環境影響大,資源調度實時性強

天波雷達依靠電離層反射完成對目標的探測,電離層的規則變化和隨機變化特征直接導致不同季節、不同時段、不同地域的雷達探測能力不盡相同。同時,外部環境噪聲變化影響慢速小目標檢測,不同工作頻率,影響程度不同。因此,需要結合實時電離層狀態和外部電磁環境,及時調度資源,才能充分發揮雷達探測能力。

1.4 全系統為一個作戰單元,維修保障要求高

天波雷達系統規模龐大,部署地域分散,分系統設備分布廣,分系統之間關聯性強,單個系統故障可能造成全系統無法正常運行,對裝備可靠性、可維修性和人員保障能力要求高。

2 改進型ADC效能評估模型

2.1 評估模型構建

傳統的ADC模型中,系統效能是預期一個系統滿足一組特定任務要求程度的量度,是系統可用性A、可信性D與能力C的函數,其模型[4-5]為

由于天波雷達作戰效能受外部環境影響大,可把天波雷達作戰效能的決定因素歸納為可用性、可信性、作戰能力、電離層狀態變化和電磁環境影響五個方面。為此,本文對傳統的ADC模型進行了改進,考慮到電離層季變化和日變化影響,構建了春、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)雷達作戰能力,K為電磁環境對作戰效能的影響因子。

2.2 評估指標體系建立

從裝備全系統的角度出發,綜合考慮可用性、可信性、作戰能力以及電磁環境因素影響,構建作戰效能評估指標體系,運用層次分析法對評估總目標進行多層次分解。其中,作戰能力指標的選取是裝備效能評估的難點和關鍵。本文結合天波雷達作戰使用特點,選取快速反應能力、指揮控制能力、預警監視能力和綜合保障能力作為作戰能力評定的二級指標,本著客觀性、完備性、敏感性、可測性和獨立性原則,經過深入研討和廣泛咨詢,確定了三級、四級指標。天波雷達作戰效能評估指標體系如圖1所示。

圖1 天波雷達作戰效能評估指標體系

2.3 評估指標分析

2.3.1 可用性A

武器裝備系統的可用性是裝備在戰場環境下使用時,能根據任務需要投入運行的可能性,可用性向量A是由系統開始執行任務時所有可能狀態的概率組成[6]。天波雷達在開始執行任務時狀態可劃分為正常和故障兩種狀態。a1表示系統開始執行任務時處于正常工作狀態的概率,a2表示系統在開始執行任務時處于故障狀態的概率。

式中,MTBF為系統無故障工作時間,MTTR為系統故障平均修復時間。

2.3.2 可信性D

可信性矩陣D為系統在完成執行任務時將進入或處于任一有效狀態的概率,與系統故障率、修復率及執行任務平均時間有關。按正常和故障兩種狀態,則系統可信性矩陣為

式中,d ij表示該裝備在執行任務中由狀態i轉到狀態j的概率。假定組成該裝備的各分系統故障及修復時間服從指數分布。取λ表示系統故障率,μ表示系統修復率,T表示系統執行任務平均時間,則d11=e-λT,d12=1-e-λT,d21=e-μT,d22=1-e-μT。

2.3.3 作戰能力C

1)快速反應能力C1

快速反應能力是指作戰單元能夠在規定的時間內完成戰斗等級轉換、各類設施設備完成狀態轉換,能夠在規定時間內擔負作戰任務、有效處置各類突發情況,可用等級轉進、狀態轉換和突發情況處置等幾個關鍵指標來衡量。

2)指揮控制能力C2

指揮控制能力是指受領作戰任務后,能夠對敵情、我情和戰場環境進行準確研判,組織籌劃作戰行動,并能對部隊作戰行動進行有效的指揮控制,可用情況研判能力、作戰籌劃能力和行動控制能力等指標來衡量。

3)預警監視能力C3

預警監視能力是天波雷達的核心指標。一是裝備本身探測能力,可用探測威力、探測精度、發現概率和抗干擾能力來綜合衡量。其中,雷達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、發現概率可通過查詢雷達設計的指標參數和電離層的實時變化統計來獲得;抗干擾能力與雷達所采取的技術措施有關,天波雷達由于采用了自適應頻率選擇、自適應空域濾波、抗瞬態干擾、抗地海雜波干擾等技術,具有較強的抗干擾能力,可通過業內專家定性評定。二是情報保障能力,是人、裝備、環境有機結合。其中,資源調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量的關鍵因素,與戰勤人員水平密切相關。

4)綜合保障能力C4

綜合保障能力是作戰能力的重要組成部分,構成影響綜合保障能力的因素主要包括通信保障能力、機要保障能力、后勤保障能力和裝備保障能力。

2.3.4 電磁環境因素K

天波雷達工作在短波波段,在這個頻段內,人為無線電噪聲干擾(電臺、各種工業、電氣設備及輸電線路等)分布密集、功率強且隨時間變化,工作的電磁環境比微波雷達惡劣得多。本文以環境監測數據為依據,通過統計雷達頻率使用情況及其對應干擾監測值,客觀評定環境因素對天波雷達作戰效能的影響K:

式中,N i為第i個工作頻率對應的環境干擾監測值,N B為干擾影響門限值,n為數據統計量。

3 實例應用與分析

3.1 指標歸一化

1)對于值越大越有利且無標準值的指標,其歸一化公式為

式中,x i為指標值,m i為指標可取的最小值,M i為指標可取的最大值。

2)對于值越大越有利且有標準值的指標,其歸一化公式為

式中,B i為指標的標準值。

3)對于值越小越有利且無標準值的指標,其歸一化公式為

4)對于值越小越有利且有標準值的指標,其歸一化公式為

3.2 指標權重確定

本文采取層次分析法(AHP)的方法確定作戰能力C各級指標權重值。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行兩兩比較,并按Satty提出的比率標度法進行賦值建立判斷矩陣;其次,求解比較矩陣的特征向量,并進行一致性檢驗,得到相對于上一級指標的權重值。

表1 比較矩陣賦值標準參考表

3.2.1 二級指標權重確定

對于作戰能力的二級指標快速反應能力、指揮控制能力、預警監視能力、綜合保障能力,采用專家打分法構造兩兩比較矩陣A:

指標權重的計算實際上可歸納為求解判斷矩陣最大特征值對應的特征向量。由此,可計算出最大特征值及其對應特征向量分別為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、四級指標權重確定

二級指標快速反應能力、指揮控制能力、預警監視能力、綜合保障能力及三級指標裝備保障能力的下一級指標權重,采用專家打分法構造兩兩比較矩陣為

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,經驗證均滿足一致性要求。其余四級指標基本已細化到末端,其重要程度基本相當,權重可考慮采用平均值。

3.3 指標值獲取

指標值獲取通過兩種方式:一是統計數據;二是裝備固有(專家評定)。統計數據中有些指標與各季節的環境監測數據相關,諸如電磁環境因素;有些與不同時節的電離層環境有關,諸如有效探測扇面、發現概率、探測精度等。裝備固有的指標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

現以某型天波超視距雷達為例,設系統MTBF=500.65 h,MTTR=11.87 h,連續工作時間=12.86 h,假定系統故障時間服從指數分布,則

以春季、日出階段為例,依據公開的具體指標參數和專家評定結果,裝備探測能力C31=快速能力0.946 8、指揮控制能力=0.950 3、預警監視能力=0.663 1、綜合保障能力=0.936 0,則作戰能力0.765 6,雷達作戰效能E11=ADC(11)K=[0.977,

同理,可得

從評估結果看,日出、日落階段,電離層電子濃度變化較快,探測效果一般,雷達作戰效能發揮受到一定的影響,指標值在0.7左右;白天,電離層電子濃度較強,回波能量強,探測效果好,能較好發揮雷達作戰效能,指標值在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,雷達作戰效能發揮受限,指標值在0.6左右。從季變化看,春、秋、冬三季探測效果相當,整體作戰效能發揮較好。

4 結束語

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

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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作戰效能評估。

李桂祥男,1968年生,湖北漢川人,副教授、碩士生導師,主要研究方向為遠程預警探測系統建模與仿真。

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作戰效能評估。

E-mail:qingfengchen_wuhan@126.com