太空目標監視裝備效能貢獻率評估研究

宋萬均，馬志昊，徐 燦

（航天工程大學，北京101416）

0 引言

太空態勢感知通過情報收集、目標監視、環境探測等手段獲取外層空間目標與環境信息，從而對太空環境的現狀和變化趨勢進行認知，為分析、評估太空系統所面臨的威脅提供信息支持。

太空態勢感知是其他一切太空活動的基礎，在太空攻防對抗中具有重要的支撐作用，對于獲取太空優勢至關重要。因此，為了保障太空利益和維護太空優勢，世界軍事強國都十分重視太空態勢感知力量的建設和發展[1-3]。太空目標監視能力作為太空態勢感知的核心能力之一，對于太空態勢感知力量的建設和發展至關重要，因此太空目標監視能力一直都是太空態勢感知領域重點關注的內容。太空目標監視裝備對太空目標監視能力起著決定性的作用，直接關系著太空目標監視能力的高低，因此必須科學、有效地建設和發展太空目標監視裝備。太空目標監視裝備的研制通常具有技術難度大、成本高、周期長等特點，因此在太空目標監視新裝備項目立項和研制之前，必須準確分析新裝備在太空目標監視裝備體系中的定位和作用[4-5]。通過衡量新裝備加入太空目標監視裝備體系之后對體系能力提升的大小，評估新裝備對現有太空目標裝備體系的效能貢獻率，有利于促進太空目標監視裝備體系的建設和新型太空目標監視裝備的研制發展的協調統一，從而更好地提升太空目標監視裝備的整體能力。

1 太空目標監視裝備效能貢獻率評估指標

1.1 評估指標的構建

太空目標監視裝備體系主要由光學監視裝備和雷達監視裝備構成，通過多種手段的信息融合，形成綜合太空態勢。為了對新型裝備在太空目標監視裝備體系中的效能貢獻率進行評估，需要對太空目標監視裝備體系的效能指標進行分析，構建太空目標監視裝備效能貢獻率評估指標[6-7]。太空目標監視裝備體系效能指標主要包括目標監視能力、應急響應能力和生存能力。其中，每一項能力指標都無法用單一性能指標來衡量，需要將每一項能力指標分解為相關的性能指標，最后通過對各層次的指標進行聚合，從而完成對新型裝備在太空目標監視裝備體系中的效能貢獻率的評估[8-9]。針對太空目標監視的任務需求，充分考慮指標的全面性、完備性、有效性、獨立性和可測性等原則，通過專家調查法得到如圖1 所示的太空目標監視裝備體系效能的評估指標。

圖1 太空目標監視裝備體系效能評估指標

1.2 評估指標分析

目標監視能力是指搜索、發現、跟蹤和持續監視太空目標和事件，以及對目標進行區分、識別和分類的能力，主要指標包括監視目標數量、編目更新周期、同時多目標指示數量、可探測目標尺寸、識別正確率、定軌精度和識別用時。目標監視能力評估指標如表1所示。

表1 目標監視能力評估指標

應急響應能力是指對太空活動中的突發、重要事件進行及時識別、處理和響應的能力，主要包括發射響應時間、變軌響應時間、變軌識別率。應急響應能力評估指標如表2 所示。

表2 應急響應能力評估指標

生存能力是指太空目標監視裝備體系在受到干擾和被毀傷條件下維持系統功能的能力，主要包括體系能力保持度、體系能力恢復程度、體系能力恢復時間。生存能力評估指標如表3 所示。

1.3 評估指標檢驗

雖然前面給出的太空目標監視裝備體系效能的評估指標是通過征求多位專家的意見構建起來的，并在構建過程中充分考慮了評估指標的全面性、完備性、有效性、獨立性和可測性等原則，但是通過專家調查法構建的評估指標不可避免地存在一定的主觀性，初步構建的評估指標不一定完全滿足需求，因此需要對初步構建的評估指標進行檢驗。

表3 生存能力評估指標

1.3.1 評估指標的有效性檢驗

在構建效能貢獻率評估指標時，由于評估者知識的完備程度不同，即使在構建評估指標時盡可能地遵循獨立、可測、完備性等原則，構建的評估指標也可能存在較大的差異。因此，為了提高評估指標的有效性和評估結果的準確性，有必要對評估指標的有效性進行檢驗。

設評估指標中某層的指標集表示為F={f1,f2,…,fN}（fi（1≤i ≤N）表示該指標層中的某個指標，N 為該指標層中指標的總數），參加評估的專家人數為M，第j（1≤j ≤M）位專家對評估指標的評分集為Xj={X1j,X2j,…,XNj}，定義指標fi的效度系數βi為：

效度系數衡量了專家對某一評估指標認識的偏離程度。評估指標的效度系數的絕對值越小，表明專家對評估指標的認識越趨向一致，評估指標的有效性就越高。

在對太空目標監視裝備體系的各層評估指標進行打分時，共邀請了本領域的10 位專家，專家在對評估指標打分時采用百分制。10 位領域專家對各層評估指標的打分結果如表4 所示。

表4 領域專家對評估指標的評分結果

根據表4 中領域專家對各個評估指標的評分結果，可以計算出各個評估指標的效度系數如表5 所示。從表5 可以看出，每個評估指標的效度系數都小于0.05，從而表明專家對每個評估指標的認識具有較好的一致性，每個評估指標都具有較好的有效性。

1.3.2 評估指標的重要性檢驗

對于評估指標的重要性，可以采用專家檢驗法進行分析。對需要征求專家意見的評估指標制作相應的重要性檢驗專家咨詢表，如表6 所示。專家對評估指標重要性的評價意見可以分為5 級：極重要、很重要、重要、一般、不重要，如果用數值可以表示為：5、4、3、2、1。專家評價時在相應的意見欄內打“√”。對獲得的重要性評價數據進行統計分析，其內容主要包括重要度、集中度、協調程度三個方面。

表5 評估指標的效度系數

表6 評估指標重要性專家咨詢表

2）集中度用標準差δi反映，即：

式中，δi為專家對第i 個評估指標重要程度評價的集中程度，δi的值越小，表明專家對第i 個評估指標重要程度的評價越集中。

3）協調程度分析可以用變異系數Vi來反映，即：

變異系數Vi反映了評價專家意見的相對波動程度，Vi越小，表明專家的協調程度越大。

通過統計分析評估指標重要性專家咨詢表（在此略去每個專家給出的咨詢表的結果），可以得出每個評估指標的重要度均值、重要度標準差和重要度變異系數如表7 所示。從表7 可以看出，各個指標的重要度均值都較大，從而表明評估專家認為每個指標都具有較好的重要度；每個指標的重要度標準差和變異系數都較小，從而表明評估專家對每個指標的重要度的評價比較集中，專家的協調程度也比較大。

1.3.3 評估指標的完整性檢驗

完整性是指評估指標是否已全面地、毫無遺漏地反映了最初的描述評估目的與任務，即能夠全面反映裝備體系效能的狀況。

本文通過領域專家的經驗來對評估指標的完整性進行檢驗。在前述的專家對評估指標的有效性和重要性進行評分時，利用“附加意見”欄收集有關專家對指標完整性的補充意見。通過收集整理專家對評估指標完整性的補充意見，本文建立的太空目標監視裝備體系的評估指標具有較好的完整性，適合于效能貢獻率的評估。

表7 評估指標重要性指標

2 效能貢獻率計算

2.1 權重系數的計算

要得到新裝備對太空目標監視裝備體系的效能貢獻率，需要將新裝備對各層級的每個指標的貢獻率進行綜合，因此，需要確定每個指標的權重系數。層次分析法（AHP）是一種定性與定量相結合的方法，適合于解決那些難以完全用定量方法進行分析的決策問題，是系統工程中對復雜大系統做定量分析的一種有效方法。因此，本文采用層次分析法來確定各個指標的權重系數。

層次分析法在確定指標的權重系數時，由相關領域專家對每一層次的各個指標的相對重要性進行評判，并用數值來對各個指標的相對重要性進行量化，然后構建判斷矩陣，最終通過判斷矩陣確定各個指標的權重系數。層次分析法中的判斷矩陣表示針對上一層次某一指標而言，本層次與之有關聯的各個指標之間的相對重要性，也可以看作是對上一級指標的貢獻程度。對于相對重要性的評判，通常采用Satty 標度來進行量化[5]。

對于目標監視能力下面的7 個二級指標，通過專家根據Satty 標度量化規則打分得到的判斷矩陣如下：

從而可得目標監視能力下面的7 個二級指標的權重系數為:

下面對判斷矩陣的一致性進行檢驗。由式(6)可得判斷矩陣的最大特征根為:

通過查表可得7 階矩陣的平均隨機一致性指標為RI=1.32，從而可得一致性檢驗指標:

采用類似的過程，可得應急響應能力下面3 個二級指標的權重系數為:

目標監視能力、應急響應能力和生存能力3 個一級指標的權重系數為:

2.2 效能貢獻率的計算

新裝備在太空目標監視裝備體系中對各個指標的貢獻率可以采用如下公式進行計算:

式中，Con 表示新裝備對某個指標的貢獻率，C裝備體系中有新裝備表示在太空目標監視裝備體系中有新裝備時某個指標的能力值，C裝備體系中無新裝備表示在太空目標監視裝備體系中無新裝備時某個指標的能力值。

將新裝備對太空目標監視裝備體系中各個指標的貢獻率按照權重逐級進行綜合，最終就可以得到新裝備對太空目標監視裝備體系的效能貢獻率。

對于各個評估指標，本文采用仿真系統進行計算，由仿真系統提供底層的數據，然后基于仿真數據計算各個評估指標的能力值。根據仿真系統得出的評估指標的能力值和相應的貢獻率如表8 所示。

表8 仿真系統得出的評估指標的能力結果和相應的貢獻率

3 結束語

為了促進太空目標監視裝備體系的協調發展，為太空目標監視裝備體系中新型裝備的研制和發展提供依據，本文給出了一種太空目標監視裝備體系效能貢獻率評估的方法。首先根據太空目標監視裝備功能的特點，構建了效能貢獻率評估的指標，并對指標的內涵和度量方法進行了分析。然后對構建的評估指標的有效性、重要性和完整性進行了檢驗和分析，保證了構建的指標滿足評估的需求和最終評估結果的科學性。最后通過層次分析法給出了指標的權重系數，并根據仿真系統給出的指標能力值計算了新裝備在太空目標監視裝備體系中的效能貢獻率。本文給出的效能貢獻率評估方法也可以應用于其他裝備體系的效能貢獻率的評估，為其他裝備體系中新型裝備的研制和發展提供依據，具有較好的通用性?！?/p>