一種直升機通信導航系統(tǒng)效能評估方法

劉文亮 仉樹軍 司召峰 關珍博 張凱

摘要：針對直升機通信導航系統(tǒng)的效能評估，構建了一套完整的通信導航系統(tǒng)效能評估指標體系，提出了一種考察直升機通信導航系統(tǒng)效能的評估方法并進行了實現。該方法利用層次分析法確定不同指標對系統(tǒng)效能的貢獻程度，利用灰色聚類評估算法將現場采集的通信導航數據進行有效的分析計算，定量給出通信導航系統(tǒng)效能并生成系統(tǒng)評估報告。定量評估結果與專家定性分析結果相符，驗證了上述評估模型與評估算法的正確性。

關鍵詞：通信導航系統(tǒng)；能力評估；層次分析法；灰色聚類評估法

中圖分類號：TN911文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）10-60-4

0引言

直升機通信導航系統(tǒng)為直升機構建可靠的信息通聯鏈路[1]，但其能力評估方法較少。為了對直升機通信導航系統(tǒng)能力進行全面考察，需要進行效能評估[2]。結合直升機飛行實測數據，構建了面向通信導航系統(tǒng)工作原理[3]與能力要求的多層次評估指標體系[4]并以此進行效能評估[5]。

直升機通信導航系統(tǒng)[6]能力評估指標體系中指標項繁多，各指標對系統(tǒng)效能貢獻難以確定[7]。采用層次分析法[8]，通過判斷矩陣的設計及特征值、特征向量的計算，得到各指標對效能[9]的貢獻程度。采用灰色白化權函數聚類評估算法[10]，利用實測值和目標參考值進行計算，定量給出通信導航系統(tǒng)效能。該方法較ADC[11]法更為客觀，較模糊評估法[12]運算量小易于實現[13]，故選擇灰色白化權函數聚類評估算法。

1構建多層次評估指標體系

多層次評估指標體系的構建是直升機通信導航系統(tǒng)能力評估的第一步，也是最為關鍵的一個步驟。通過多層次評估指標體系的構建，能夠將通信導航系統(tǒng)能力進行多層次和多維度的分解，在此基礎上進行分析與研究，科學合理地給出系統(tǒng)評估結果。

1.1評估指標體系的構建原則

構建直升機通信導航系統(tǒng)能力評估指標體系是一個復雜的過程。在該過程中，主要遵循以下原則[14]：

①理論與實踐相結合：直升機通信導航系統(tǒng)能力評估研究是一項應用性研究，不但要從理論上進行分析，而且要從系統(tǒng)的實踐中尋求系統(tǒng)能力發(fā)揮的內在規(guī)律。

②定性與定量相結合：評估系統(tǒng)效能需要對其內在的質與量之間的關系和規(guī)律進行分析。首先應對各種不同的問題進行定性分析，確定研究問題的思想、方針和原則，然后研究變量的變化方向及程度等運行規(guī)律。通過選擇恰當的量化方法，準確地反映其客觀規(guī)律。

③客觀性與可行性并重：在構建直升機通信導航系統(tǒng)評估指標體系的過程中，應從客觀實際出發(fā)，將涉及的語音通信、數據通聯及抗干擾等能力納入指標體系中。同時，指標值的獲取方式要切實可行。如在惡劣環(huán)境中的抗干擾性能、通信質量等在實際獲取時存在危險的情況，可通過查閱歷史數據、計算機模擬仿真等方式獲取，力求做到安全可行。

1.2多層次評估指標體系

構建多層次的評估指標體系，需要多渠道、多方面從實踐和文獻中分析直升機通信導航系統(tǒng)能力的構成要素和主要內容，提煉出系統(tǒng)能力評估的一級指標[15]。通過對每一個一級指標進行分析和拆解，得出二級指標，并剔除一些明顯重復和相互包含的指標。根據二級指標，從評估方法及評估要點等方面構建直升機通信導航系統(tǒng)能力評估指標體系。

直升機通信導航系統(tǒng)可以將通信能力和導航定位能力的2個方面構建2個一級指標，用以描述直升機通信方面和導航定位方面的能力。隨后依次對2個一級指標分解，將通信能力分解為語音通信能力、數據通聯能力、通信組網能力和抗干擾能力4個方面；將導航定位能力分解為組合導航能力和定位能力2個方面。同理可將二級指標繼續(xù)向下分解至三級指標。整個直升機通信導航系統(tǒng)能力評估指標體系如圖1所示。

1.3層次分析法確定指標權重

根據多層次評估指標體系[16]，在獲取指標值后，需要確定每一個指標值所對應的權重[17]。在計算權重之前，需要首先構建原始評判矩陣。通過向專家咨詢，可以得到指標體系中不同指標的重要程度。對指標層次結構中同一分支上不同指標間進行兩兩對比與分析，運用數字標度法建立相匹配的判斷矩陣如下：

特征向量中的分量即該分量所對應指標的權重值，權重值即該指標對通信導航系統(tǒng)效能貢獻的大小。權重值越大說明指標對效能的貢獻越大，越小說明指標對效能的貢獻越小。此外通過對不同專家給出的指標體系中各元素進行合理整合，形成專家組集體智慧的結晶，使分析結果更科學可靠。

2灰色聚類的系統(tǒng)評估算法

灰色聚類[18]的系統(tǒng)評估算法由灰色理論與數據挖掘中的聚類算法相結合形成，有灰色關聯聚類和灰色白化權聚類2種方式。本項目中采用灰色白化權函數聚類評估算法。

灰色白化權函數聚類評估算法的基本原理[18]是結合構建的層次評估指標體系及各指標的表征方式，根據評估系統(tǒng)的用戶需求，設定各指標目標參考值，對系統(tǒng)各指標實際值進行數據處理并劃分灰類，最后利用白化權函數計算灰色評估權矩陣，計算出通信導航系統(tǒng)效能。

灰色白化權函數聚類評估算法的具體實施步驟如下：

①確定效能指標體系中各指標的權重：可以通過層次分析法利用判斷矩陣求得權重的方法來實現。

②確定灰類：根據無量綱歸一化后的各指標數據，結合項目情況，可以劃分出5個灰類，分別為{極差、差、一般、良好、優(yōu)秀}。對取值范圍[0，1]向左、右各延拓為（-0.15，1.15]，則可以得到白化權函數區(qū)間：

（-0.85， 0.35]，（0.05， 0.55]，（0.25， 0.75]，（0.45， 0.95]，（0.65， 1.15]

同理，將其他層次結構中葉子節(jié)點的指標值按上述方法計算得到其父節(jié)點指標的效能值，通過分析各個節(jié)點的效能值，即可以得到整個通信導航系統(tǒng)的效能值。

3通信導航效能評估系統(tǒng)實現

從理論角度提出了一種考察直升機通信導航系統(tǒng)效能的評估方法后，對其進行了計算機編程實現[19]，給出了系統(tǒng)評估效能并生成評估報告。在實現的通信導航效能評估系統(tǒng)中，不僅從定性角度給出了各層次每種指標的等級評價，也從定量的角度詳細給出了具體數值，據此以比較不同直升機通信導航系統(tǒng)在相同評價等級的情況下孰優(yōu)孰劣。此外，在指標選取、算法設計及計算機實現等過程中設計選取科學可行的方案以實現效能評估系統(tǒng)。

以往的效能評估系統(tǒng)，重點在于對被考察系統(tǒng)效能給出評價，如優(yōu)、良等；而實現的通信導航效能評估系統(tǒng)，不僅給出通信導航系統(tǒng)各考察指標定性定量評價，還可根據評估結果生成評估報告。

通信導航效能評估系統(tǒng)主要由指標體系管理、效能評估模型設置、數據預處理[20]、數據回放與分析研判[21]及評估報告生成[22]等5個功能模塊組成，如圖2所示。

①指標體系管理：不同專家[23]使用該模塊對直升機通信導航的評估指標根據理論數據及自身經驗等給出重要程度的評價，系統(tǒng)對不同專家的意見進行整合，形成通信導航的多層次評估指標體系。

②效能評估模型構建：根據圖1構建的指標體系，對通信導航系統(tǒng)的效能評估模型進行構建與展示。

③數據預處理：對直升機通信導航系統(tǒng)采集到的不同來源和不同指標的數據進行分組、過濾、歸并、去量綱及歸一化等操作，獲得供效能評估模型使用的數據。

④數據回放與分析研判：通過設置時間段及消息類型等選項，回放已采集數據的內容，并在統(tǒng)計圖和消息列表上進行顯示。通過對采集到的如傳輸時延、組網建鏈時間等試驗數據，結合天氣、溫度及電磁環(huán)境等外部數據，給出指標體系中相應指標的評估結果。

⑤評估報告生成：根據最終指標體系的權重，通過相關算法算出整個指標體系或者某一個分枝的評價指標。對考核數據與歷史數據的分析評估結果通過圖形、圖表等方式形象化展示，生成直升機通信導航系統(tǒng)能力評估報告。

通信導航效能評估系統(tǒng)界面如圖3所示，通過該界面可以對指標體系進行管理。

系統(tǒng)給出的定量評估結果所在的等級多次同通信導航系統(tǒng)使用人員主觀給出的定性結果進行了比對，比對結果均一致，驗證了通信導航系統(tǒng)評估方法設計的正確性。

4結束語

構建直升機通信導航效能評估指標體系，使用層次分析法和灰色聚類的評估算法進行系統(tǒng)效能評估并實現。然而，上述做法僅在運輸直升機通信導航系統(tǒng)評估中進行了試驗與驗證，存在一定的局限性。今后需進一步研究對多種型號直升機通信導航系統(tǒng)的適用性，使評估指標體系更為科學完善、評估算法更為精準高效、評估系統(tǒng)更為靈活可靠。

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