天波超視距雷達作戰(zhàn)能力評估

王晗中，常春賀，鄧剛

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

近年來，國內(nèi)對天波超視距雷達作戰(zhàn)能力開展了廣泛研究。文獻[3-5]針對單一性能參數(shù)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(zhàn)能力進行了評估；文獻[6]在考慮裝備保障系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(zhàn)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(guān)聯(lián)天波超視距雷達的系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，大多數(shù)僅僅考慮裝備本身的固有能力，而沒有從裝備全系統(tǒng)的角度出發(fā)，往往忽視了信號數(shù)據(jù)處理、指揮控制以及裝備綜合保障性等關(guān)鍵因素對雷達作戰(zhàn)能力的影響。鑒于以上問題和不足，本文結(jié)合天波超視距雷達的作戰(zhàn)使用特點，綜合考慮不同因素對系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的影響，將評估對象由裝備擴展到裝備全系統(tǒng)，并將層次分析法和綜合評判的方法應(yīng)用到作戰(zhàn)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(zhàn)能力評估模型，對天波超視距雷達作戰(zhàn)能力進行準確評估。

1 天波超視距雷達作戰(zhàn)使用特點

天波超視距雷達具有探測距離遠、覆蓋區(qū)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(zhàn)能力的評定較常規(guī)雷達也有較大的差異。

(1) 雷達探測距離遠、覆蓋區(qū)域大

探測范圍覆蓋幾千公里的扇區(qū)，面積達到數(shù)百萬平方公里。在作戰(zhàn)使用時，可以根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，合理進行規(guī)劃使用，提高雷達作戰(zhàn)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(jiān)視區(qū)域大，空情量是常規(guī)雷達的數(shù)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(zhàn)人員能力素質(zhì)要求更高。

(3) 雷達作戰(zhàn)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(yīng)進行目標探測的[1-2,8]，而電離層存在分層結(jié)構(gòu)和多種不規(guī)則的變化形式，且不同時域和不同空域的電離層狀態(tài)是不盡相同的，這會導(dǎo)致同一時刻不同子區(qū)以及同一子區(qū)不同時刻的作戰(zhàn)能力不同，嚴重時，甚至會使雷達喪失作戰(zhàn)能力。因此，需要對電離層環(huán)境進行實時診斷和管理，及時調(diào)度資源，以保障雷達作戰(zhàn)能力發(fā)揮。

(4) 雷達系統(tǒng)規(guī)模龐大，綜合保障性要求高

與常規(guī)雷達相比，天波超視距雷達系統(tǒng)規(guī)模龐大，部署地域分散，分系統(tǒng)設(shè)備通常分布于多個不同站點，分系統(tǒng)間交聯(lián)多，系統(tǒng)正常工作和作戰(zhàn)性能的高效發(fā)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(yù)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(tǒng)是由主裝備和保障系統(tǒng)組成。天波超視距雷達系統(tǒng)不僅包括天波超視距雷達主裝備，還包括使主裝備能發(fā)揮作用的相關(guān)保障系統(tǒng)。主裝備和保障系統(tǒng)是一個有機的不可分割的整體。因此，本文從裝備全系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜合考慮作戰(zhàn)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(dǎo)向性的原則，結(jié)合天波超視距雷達的作戰(zhàn)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(zhàn)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(zhàn)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(zhàn)能力總體評估；第2層是準則層(B層)，包括預(yù)警探測性能、信號數(shù)據(jù)處理能力、系統(tǒng)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(qū)、探測精度等22個評估指標。

(1) 預(yù)警探測性能(B1)

預(yù)警探測性能是指雷達在干擾環(huán)境下探測目標的能力，由探測作用距離、探測有效扇區(qū)、探測精度、系統(tǒng)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(qū)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(guī)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(guī)雷達不同，天波超視距雷達的工作機理決定了它具有系統(tǒng)可用度的情況。系統(tǒng)可用度是衡量天波超視距雷達預(yù)警探測性能的一個重要指標，系統(tǒng)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(wěn)定現(xiàn)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(shù)據(jù)處理能力(B2)

信號數(shù)據(jù)處理能力是描述天波超視距雷達作戰(zhàn)能力的一項重要指標，它能反映規(guī)定作戰(zhàn)任務(wù)下系統(tǒng)對探測的目標信號數(shù)據(jù)的處理與運用能力，信號數(shù)據(jù)處理能力的高低直接影響著天波超視距雷達作戰(zhàn)效能的發(fā)揮程度。本文選取數(shù)據(jù)處理容量、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理能力指標。其中，數(shù)據(jù)處理容量、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理，是反映天波超視距雷達作戰(zhàn)能力的關(guān)鍵指標。

(3) 系統(tǒng)生存能力(B3)

系統(tǒng)生存能力是指天波超視距雷達在作戰(zhàn)環(huán)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(dǎo)彈(ARM)的頻率鎖定范圍，而且天波超視距雷達的波束是經(jīng)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(yōu)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(quán)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(tǒng)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(zhàn)略預(yù)警探測任務(wù)，不僅需要雷達本身具有較好的戰(zhàn)技術(shù)性能，而且需要各指戰(zhàn)人員之間的密切協(xié)同。因此，本文選取態(tài)勢顯示能力、分工協(xié)作能力、目標判讀能力、情報傳輸能力、電離層監(jiān)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(tài)勢顯示能力和情報傳輸能力指標是指揮控制能力基礎(chǔ)，分工協(xié)作能力、目標判讀能力是指揮控制能力得以體現(xiàn)的重要內(nèi)容，而電離層監(jiān)測能力和信息查證能力則是保障指揮控制能力有效發(fā)揮的重要前提。

(5) 綜合保障性(B5)

天波超視距雷達系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的發(fā)揮，既取決于系統(tǒng)的戰(zhàn)技術(shù)性能，也取決于裝備的綜合保障性。綜合保障工作是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要做好該項工作，難度很大，涉及問題非常多。但從系統(tǒng)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(zhì)量特性設(shè)計的好壞[9-10]。可靠性是裝備的一種設(shè)計特性，它反映了在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的持續(xù)能力；維修性也是裝備的一種設(shè)計特性，它反映了在規(guī)定的維修條件下，裝備保持和恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力；而保障性是裝備系統(tǒng)的一種特性，即包括與保障有關(guān)的設(shè)計特性，又包括計劃的保障資源，是一種系統(tǒng)屬性，它反映了裝備系統(tǒng)滿足平時和戰(zhàn)時戰(zhàn)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(zhàn)能力評估模型

天波超視距雷達系統(tǒng)是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，其作戰(zhàn)能力是一個綜合性指標，包含多種技術(shù)因素和不確定性，對系統(tǒng)的評估也是一項復(fù)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(jīng)驗進行評定。因而天波超視距雷達作戰(zhàn)能力評估的原則是基于定量計算和定性分析相結(jié)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(shù)學相結(jié)合的方法對天波超視距雷達作戰(zhàn)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(jié)構(gòu)

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(gòu)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(xiàn)預(yù)定總目標所涉及到的中間環(huán)節(jié)；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(xiàn)的各種評判結(jié)果為元素組成的集合。設(shè)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(jié)果。

3.3 確定指標權(quán)重集

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

(1) 構(gòu)造比較判斷矩陣

根據(jù)圖1所建立的指標體系結(jié)構(gòu)，使用成對比較和專家咨詢法來構(gòu)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(quán)重

指標權(quán)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(yīng)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(quán)重。

(1)

(2)

(3) 一致性檢驗

由于天波超視距雷達作戰(zhàn)能力評估過程中影響因素的復(fù)雜性和決策者對這些因素主觀判斷具有不穩(wěn)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(jù)矩陣階數(shù)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(guān)系表Table 1 Correspondence table of RI and n

3.4 構(gòu)建模糊評判矩陣

由于天波超視距雷達作戰(zhàn)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(gòu)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(zhàn)能力評價是是一個多級因素構(gòu)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(shè)所得的模糊綜合評價集分別為

?

(4)

根據(jù)層次分析法得出上一級各指標的權(quán)重向量W=w1,w2,…,ws和評判矩陣R0，利用復(fù)合運算便可求出綜合評判結(jié)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(yīng)于評語集中第i個元素的隸屬度。

4 實例應(yīng)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(zhàn)能力進行綜合評估，具體如下。

4.1 建立層次分析模型

經(jīng)分析，可以得到影響因素集，其層次結(jié)構(gòu)參見圖1的天波超視距雷達作戰(zhàn)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(yōu)，良，一般，差}。

4.3 構(gòu)建比較判斷矩陣并確定指標權(quán)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(quán)重向量以及相應(yīng)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(yīng)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(gòu)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(shè)該雷達作戰(zhàn)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(yōu)、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(jié)果進行統(tǒng)計并規(guī)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(zhàn)能力綜合評估結(jié)果應(yīng)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(zhàn)能力的綜合評估結(jié)果為良好。

4.6 評估結(jié)果分析

式(6)中R0的第1行到第5行數(shù)據(jù)分別表示預(yù)警探測性能、信號數(shù)據(jù)處理能力、系統(tǒng)生存能力、指揮控制能力、綜合保障性等指標的評估結(jié)果。根據(jù)最大隸屬度原則，可知該天波超視距雷達預(yù)警探測性能方面的評估結(jié)果為“良”，信號數(shù)據(jù)處理能力方面的評估結(jié)果為“一般”，系統(tǒng)生存能力方面的評估結(jié)果為“優(yōu)”，指揮控制能力方面的評估結(jié)果為“一般”，綜合保障性方面的評估結(jié)果為“良”。同時，由4.5節(jié)計算結(jié)果可知，綜合評估結(jié)果“良”與“一般”對應(yīng)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(zhàn)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(yōu)化，才能達到更好的作戰(zhàn)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(yù)測技術(shù)的研究，優(yōu)化電波環(huán)境自適應(yīng)診斷相關(guān)算法，實時準確監(jiān)測電離層狀態(tài)，提高系統(tǒng)可用度，并增強自適應(yīng)選頻的精確度，從而提高雷達探測發(fā)現(xiàn)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(yīng)抗干擾措施，并利用現(xiàn)代抗干擾技術(shù)、計算機技術(shù)及信號處理技術(shù)等先進技術(shù)增強雷達系統(tǒng)的抗干擾性能，從而提高復(fù)雜電磁環(huán)境下天波超視距雷達的預(yù)警探測能力；

(3) 改進優(yōu)化天波超視距雷達信號與數(shù)據(jù)處理相關(guān)算法，并在軟件上優(yōu)化信號處理和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理能力；

(4) 升級改進雷達的指揮控制終端系統(tǒng)，增強不同情報信息之間的作戰(zhàn)協(xié)調(diào)與輔助決策能力，提高系統(tǒng)指揮控制工作效率，同時提高作戰(zhàn)人員的指揮協(xié)作能力，增強對目標的研判能力，從而提高雷達的作戰(zhàn)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(guān)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(shè)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(jù)，最終確保雷達具有較高的綜合保障性，從而保障雷達作戰(zhàn)效能的順利發(fā)揮。

5 結(jié)束語

本文從裝備全系統(tǒng)的角度出發(fā)，結(jié)合天波超視距雷達作戰(zhàn)使用特點，建立了以預(yù)警探測性能、信號數(shù)據(jù)處理能力、系統(tǒng)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(zhàn)能力綜合評估指標體系。在此基礎(chǔ)上，通過層次分析法和模糊綜合評判法相結(jié)合的方法對天波超視距雷達的作戰(zhàn)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(fā)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(zhàn)能力的評估提供了理論基礎(chǔ)和決策依據(jù)，并對天波超視距雷達的研制、改進、優(yōu)化部署以及作戰(zhàn)使用等方面具有重要的指導(dǎo)意義。

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