水下自主導(dǎo)航裝備作戰(zhàn)效能評估技術(shù)*

李正陽 于旭東 周 全

（國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院 長沙 410073）

1 引言

在軍事上，高精度自主導(dǎo)航裝備是潛艇完成任務(wù)的關(guān)鍵，科學(xué)評估其作戰(zhàn)效能對潛艇作戰(zhàn)能力提升有重要意義。液浮陀螺平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)首先應(yīng)用于海軍艦船和潛艇［1～2］。隨著技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了靜電陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)［3］。1980年，Sperry航海公司研究人員探討了將激光陀螺用于長時間航海的可能性［4］，發(fā)展至今，美軍已將AN/WSN-7系列激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛裝備于各種艦船和潛艇。

付東等解釋了列舉了常用的作戰(zhàn)效能評估方法［5］。程愷等分析了各種效能評估方法的優(yōu)勢、不足和需要注意的問題［6］。郭嬌等提出了艦載導(dǎo)航裝備綜合效能評估指標(biāo)體系［7］。本文利用已有研究成果，建立了水下自主導(dǎo)航裝備評估體系，給出計算作戰(zhàn)效能的基礎(chǔ)模型，并結(jié)合算例對評估結(jié)果進(jìn)行分析。

2 評估體系

按照指標(biāo)體系構(gòu)建的五項原則，將水下自主導(dǎo)航裝備效能評估體系分為五個層次，依次為綜合效能層、分系統(tǒng)效能層、裝備效能層、KADC模型層和效能指標(biāo)層［8］。將綜合作戰(zhàn)效能E分解為位置、航向、速度、姿態(tài)、深度等分系統(tǒng)作戰(zhàn)效能Ei，并將Ei進(jìn)一步細(xì)化為裝備作戰(zhàn)效能Eij，采用KADC效能評估模型對Eij進(jìn)行評估，最后選取影響KADC模型中修正系數(shù)K、可用性A、可信性D和導(dǎo)航能力C的關(guān)鍵指標(biāo)構(gòu)建效能指標(biāo)集合。圖1以位置分系統(tǒng)效能E3為例，表示該體系的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 自主導(dǎo)航裝備作戰(zhàn)效能指標(biāo)評估體系

3 算法模型

以激光陀螺慣導(dǎo)裝備為例給出算法模型，為計算方便，僅選取該裝備主要部分進(jìn)行分析，將其分為激光陀螺組件、加速度計組件和性能提升組件，激光陀螺慣導(dǎo)裝備性能提升的典型方案為旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)。

3.1 可用性矩陣A

激光陀螺、加速度計和旋轉(zhuǎn)調(diào)制裝置三個部分正常工作的概率表示為

任意部分都存在正常和故障兩種狀態(tài)，則該裝備可能存在8種作戰(zhàn)狀態(tài)，可用性矩陣A表示為

其中，ai的表達(dá)式如表1所述。

表1 矩陣元ai的表達(dá)式

3.2 可靠性矩陣D

若考慮作戰(zhàn)過程故障無法修復(fù)，則有可靠性矩陣D：

其中，矩陣元dij的表達(dá)式如表2所示。

表2 矩陣元dij的表達(dá)式

3.3 作戰(zhàn)能力C和修正系數(shù)K

作戰(zhàn)能力C表示為

其中ci表示該裝備在狀態(tài)ai下的作戰(zhàn)能力。

依據(jù)專家對激光陀螺、加速度計和旋轉(zhuǎn)調(diào)制裝置三項指標(biāo)的能力評定值，運用層次分析法對各指標(biāo)賦權(quán)，可以算得8種狀態(tài)下該裝備作戰(zhàn)能力。同理，根據(jù)依賴性、抗干擾能力和經(jīng)濟(jì)性三項指標(biāo)的評定值對修正系數(shù)K進(jìn)行有效評估。

4 算例分析

4.1 作戰(zhàn)效能計算

通過查閱文獻(xiàn)、咨詢專家等方式，得到慣導(dǎo)裝備1、慣導(dǎo)裝備2和慣導(dǎo)裝備3等典型裝備的性能評定值，將不同裝備的同一指標(biāo)中，最高性能評定值設(shè)為1，其余按比例賦值，得到3型裝備性能指標(biāo)的評定值如表3所示。

表3 3型裝備性能指標(biāo)評定值

設(shè)定虛擬評估背景：一艘作戰(zhàn)平臺在某海域內(nèi)航行，對該平臺攜帶的自主導(dǎo)航裝備作戰(zhàn)效能進(jìn)行計算評估。由于任務(wù)時長對可靠性D產(chǎn)生影響，以20天為間隔，在10天～150天時長內(nèi)計算，得到3型裝備作戰(zhàn)效能隨時間變化如表4所示。

表4 3型裝備作戰(zhàn)效能隨時間變化

其中，計算作戰(zhàn)能力C和修正系數(shù)K時，構(gòu)建的判斷矩陣如下：

從表4可以看出，隨著任務(wù)時間延長，3型裝備作戰(zhàn)效能逐漸降低，裝備2與裝備3作戰(zhàn)效能比值越來越大。

4.2 計算結(jié)果分析

對3型裝備作戰(zhàn)效能隨時間變化的計算結(jié)果進(jìn)行繪圖分析，如圖2所示。

圖2 3型裝備作戰(zhàn)效能隨時間變化曲線

在任務(wù)時長增長過程中，指數(shù)形式的可信性函數(shù)起到關(guān)鍵作用，各型裝備作戰(zhàn)效能呈指數(shù)形式下降，曲線斜率在任務(wù)時長等于MTBF時為1。分析發(fā)現(xiàn)裝備性能將影響作戰(zhàn)效能曲線水平位置，以裝備1為例，其陀螺精度低、系統(tǒng)對性能提升小，曲線向左平移，即任務(wù)時長還未達(dá)到MTBF附近時，曲線已下降至較平穩(wěn)階段。

隨著任務(wù)時間延長，裝備2相比裝備3越來越有優(yōu)勢，為得出裝備2作戰(zhàn)效能超越裝備3的任務(wù)時長，對10天～20天內(nèi)作戰(zhàn)效能進(jìn)行細(xì)化計算。

圖3 裝備2和裝備3作戰(zhàn)效能對比

圖4 裝備2和裝備3作戰(zhàn)效能細(xì)化對比

當(dāng)任務(wù)時長超過351h的情況下，裝備2作戰(zhàn)效能高于裝備3，潛艇可以充分根據(jù)任務(wù)需求選擇不同導(dǎo)航裝備，有效提升潛艇作戰(zhàn)效能。

分析經(jīng)濟(jì)性對裝備效能影響，在忽略經(jīng)濟(jì)性的情況下，繪制裝備2和裝備3的作戰(zhàn)效能曲線圖，如圖5所示。忽略經(jīng)濟(jì)性后，裝備3作戰(zhàn)效能將有明顯提升，在更長時間內(nèi)高于裝備2。部隊在采購裝備時，若重視任務(wù)結(jié)果而不考慮成本，可以忽略經(jīng)濟(jì)性，列裝成本高、效能好的裝備；在考慮效費比的情況下，則在滿足作戰(zhàn)需求的同時減少成本。

圖5 經(jīng)濟(jì)性對裝備2和裝備3效能的影響

若不考慮其可靠性對作戰(zhàn)效能的影響，將裝備3的MTBF上調(diào)至2500h，繪制作戰(zhàn)效能曲線如圖6所示。由于裝備3中陀螺精度高，在忽略可靠性后，作戰(zhàn)效能主要由陀螺精度決定，裝備3作戰(zhàn)效能有明顯提升。由此可見，MTBF是裝備效能評估的關(guān)鍵指標(biāo)，與它直接相關(guān)的可靠性對裝備效能的影響極大。

圖6 可靠性對裝備3作戰(zhàn)效能的影響

5 結(jié)語

本文采用對作戰(zhàn)效能分層的方法構(gòu)建了水下自主導(dǎo)航裝備作戰(zhàn)效能評估體系，基于依賴性、抗干擾性和經(jīng)濟(jì)性提出修正系數(shù)K，給出了該效能評估體系的算法模型，并通過實例計算和結(jié)果分析，得出了影響自主導(dǎo)航裝備作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素。

本文提出的評估體系和對計算結(jié)果的分析方法可以推廣至裝備試驗、戰(zhàn)前評估、演習(xí)復(fù)盤等多個領(lǐng)域，有助于部隊加強(qiáng)對裝備的認(rèn)識、充分發(fā)揮裝備性能、提升部隊的戰(zhàn)斗力。