艦艇導航系統信息保障效能評估研究?

鄭振宇 徐軒彬 鄭智林

（海軍大連艦艇學院 大連 116018）

1 引言

隨著現代導航技術的發展及現代海戰對導航信息的需求不斷增強，艦艇導航除了擔負傳統的航海保障任務，同時還在作戰系統的指揮與控制、武器制導初始裝訂、信息系統平臺控制與穩定、海洋環境的測繪等方面發揮著重要作用［1］。導航系統不具有直接殺傷力，但能夠給予具有殺傷力的武器系統以全方位的信息支援，是武器系統的作戰效能提高的重要保障。艦載導航系統包含慣性導航、衛星導航、無線電導航等多種導航裝備，各導航裝備輸出信息互為冗余備份，導航信息在發往各作戰系統前期多經過信息融合與處理，因此，傳統的裝備效能評估方法不能直接應用于導航系統作戰效能評估［2］。本文提出以導航系統對艦艇作戰的信息保障能力作為評價導航系統作戰效能的核心內容，構建了評估指標體系的層次結構；針對導航信息保障呈現的“信源多元化”、“信息融合化”等特點，在系統信息保障層構建過程中，對比分析了基于裝備類型與基于系統信息保障能力兩種分解方案，并提出了基于信息融合度的KADC效能評估方法模型，最后對評估模型進行了實例測試，結果表明所建評估模型符合新形勢下導航信息保障的一般規律，具有較強的應用價值。

2 艦艇導航系統的信息保障效能分析

2.1 艦艇導航系統使命任務分析

水面艦艇主要用于攻擊敵方海上和陸地一定縱深內的目標，爭奪制海權，進行海上封鎖、反封鎖作戰，參加登陸、抗登陸作戰，保護和破壞海上交通線等［6］。在聯合作戰背景下，艦艇的使命任務還包括支持載艦協同編隊其他兵力完成反潛、反艦、防空及其為登陸作戰提供火力支援，為護航、海洋作業提供護航保障等作戰任務。根據艦艇的作戰使命，艦艇導航系統的使命任務定位為為各武器系統的作戰行動展開提供導航信息保障的作用，體現為在作戰過程中為各戰位人員、觀測系統及武器系統提供充分、可靠、準確的位置、速度、航向、姿態、氣象等多維度導航信息，具體包括：

1）為保證艦艇出航、進港和航路的安全，準確地沿著預定的航線快速駛往海區，導航系統必須連續、適時、準確地向艦艇提供航向、航速、航位、航跡點、偏航距以及到達目的地時間、方位和距離等導航信息。

2）向艦載海軍戰術數據系統、雷達系統、艦炮和導彈等武器系統直接提供航向、縱搖、橫搖、速度和位置等基準信息，以及為艦載機機載慣性導航系統提供初始對準所需的基準信息。

2.2 艦艇導航系統對作戰的信息保障關系

水面艦艇作戰可分為對海、對空、反潛、對岸、電子戰及布掃雷等6種典型方式，從艦艇作戰過程可以分為準備、接敵、攻擊與撤出四個階段。在準備、接敵與撤出三個階段中，艦艇需要按照航行計劃占領陣位、航行機動，因此需要保證艦艇在時間、位置、航向的準確性。在攻擊階段，導航信息對武器系統的信息保障效能針對不同作戰形式而異。以艦炮武器為例，艦炮武器系統在作戰前期完成搜索、捕獲、跟蹤并測定目標運動要素，并將要素信息傳送給火控設備進行解算；火控設備根據跟蹤器傳送的目標實時坐標以及導航系統測得我艦導航參數（包括：位置、航向、航速和縱橫搖姿態角）以及氣象設備提供的氣象數據（風向、風速、空氣溫度及濕度），以及各種裝訂量和修正量，計算艦炮射擊諸元，傳送到艦炮隨動系統，驅動艦炮指向目標提前點進而對目標射擊，完成系統作戰過程。因此，對于艦炮作戰，導航系統需要向作戰系統提供位置、航向、航速、姿態以及氣象信息服務。

2.3 基于信息保障能力的評估指標體系層次結構

根據圖1的信息保障關系，本文將導航系統效能指標體系分為四個層次：綜合作戰效能層、單項作戰效能層、系統信息保障效能層和單裝信息保障效能層，如圖1所示。

圖1 導航系統作戰效能層次結構

其中，綜合作戰效能表征艦艇導航系統整體的綜合作戰效能，是導航系統對整艦艇作戰系統信息保障效能的體現。單項作戰效能是指導航系統對艦炮、導彈、反潛、布雷等各類單項作戰系統作戰效能保障效能的體現，根據層次分析原則結合權重模型共同支撐綜合作戰效能，權重參數既可根據不同作戰響應下各作戰模塊對作戰結果的影響程度分配，也可采用專家評判方法確定［10］。系統信息保障效能是指導航系統保證作戰系統在規定條件下完成規定任務的信息保障能力，是系統效能向作戰效能轉換的關鍵環節，如導航系統對艦炮作戰提供信息保障效能（單項作戰效能層）由位置、航向與氣象信息保障效能共同支撐，其權重關系應結合實際作戰條件確定。單裝保障效能是指某一導航裝備輸出某類導航信息的能力，這與傳統的裝備系統效能評估存在一定差別。由于艦艇導航系統配置具有高冗余、多信源等特點，各信息在送入信息共享服務設備經過信息融合后，信息質量不但與各信源輸出導航信息的精度相關，還與信息處理的水平相關。如慣導系統與衛導設備都可提供定位功能，二者都為上層位置信息保障效能層服務，然而，當慣導系統轉換組合模式時，慣導的位置精度將由二者以及所采用的組合模式共同決定。因此，在對信息保障效能層的進行效能分解時應體現組合模式對效能的影響。

3 基于信息融合度的KADC評估模型

文獻［5］針對艦載導航裝備效能評估問題，引入了自主能力和生存能力修正的KADC修正模型。其中，自主能力修正系數反映了導航裝備在執行任務過程中可自主工作的能力以及抗干擾能力。生存能力修正系數反映了裝備在戰場環境中受到攻擊、出現故障或發生意外事故時，依然能完成其任務的能力，主要包括防護能力和抗毀恢復兩大能力。這種修正評估方式綜合考慮了導航裝備適應戰場環境的能力，具有一定積極性，但僅適用于獨立裝備的效能評估，不適合系統級的信息保障評估。本文針對信息保障層分解中引入ADC分解模型的形式，提出兩種效能分解模式，并探討兩種分解方案在信息保障效能分解中的適用性。

3.1 系統信息保障層分解模式分析

美國工業界武器系統效能咨詢委員會WSEIAC（Weapon System Efficiency Industry Advisory Committee）提出將系統效能定義為系統可用性、可信性及固有能力的函數，是目前針對裝備效能評估的常用模型［7］。函數分解后在能力層采用層次分析方法建立評價指標的指標體系。然而，本文在對系統信息保障層進行ADC模型中將面臨兩種分解方案，以位置信息保障效能分解為例兩種方案分解示意如圖2、3所示。

圖2 裝備類型直接分解方案

3.1.1 裝備類型直接分解方案

對于某單項導航信息保障效能分解最簡單的方法就是直接按照裝備類型進行分解，再對各分裝備進行ADC模型分解。如圖2所示，可以將位置信息保障效能直接分解為慣導位置信息保障效能、衛導位置信息保障效能、羅蘭C位置信息保障效能。其中，ADC評估模型的可用性與可靠性指標可直接通過裝備平均故障時間與平均修復時間計算，能力指標可根據裝備性能指標依據相關模型獲得，具有指標解析性好、量化容易等優點，是單一裝備效能評估的常用方法。然而，該方案在導航信息保障效能評估體系建立時將存在一定不足。首先，從信息保障角度分析，雖然信息來源于不同裝備，但信息本質上一致的，因此各裝備效能的能力指標存在重復性、相關性；另外，這種分解模式不能體現裝備數量或信源備份對于提高信息保障可用性與可靠性的積極作用。

3.1.2 基于系統信息保障能力的分解方案

基于系統信息保障能力的分解方案如圖3所示，即對位置信息保障效能直接按照ADC模型分解，分解后對能力指標按照裝備的類型進行分解。該分解模型相對按裝備類型分解方法具有一定優勢。首先，將導航系統分解為若干信息保障子系統，以該子系統效能作為效能評估的分解層，符合頂層效能分解要求。其次，可靠性與可用性計算采用多系統分解模型，更符合實際信息保障特點，同時，建立裝備數量與可靠性的量化模型可以為艦艇出航準備提供所攜裝備類型、數量提供參考指導，具有一定的實際應用價值。隨著艦載綜合導航系統信息集成與融合程度的提高，同類信息融合后對可有效提高信息的質量（導航精度、更新頻率等），然而上述兩種分解方式均不能體現綜導系統信息處理能力對系統保障效能的影響，為此本文在基于系統信息保障能力分解方案的基礎上，提出了基于信息融合度的KADC修正模型。

圖3 基于系統信息保障能力的分解方案

3.2 基于信息融合度的KADC修正模型

經典的ADC模型在評估武器裝備系統效能時存在一定的局限性，相關領域學者在不同系統作戰效能評估的實踐應用中，針對不同應用環境提出了有效的修正模型，如ARC模型、QADC模型、KADC模型等［5］。隨著當前水面艦艇導航系統導航信息網絡化信息化層次的提高，多傳感器信息融合的深度和廣度也不斷增強，根據裝備類型對系統信息效能分解無法體現綜合導航系統或某一導航系統本身對信息的綜合處理能力。以位置信息保障效能評估為例，水面艦艇位置信息可來源于慣導、衛導、羅蘭C接收機，衛導信息又包含GPS、北斗與GLONASS三個單元。目前，衛導、羅蘭C導航儀由原有的獨立設備逐步演變為組合導航一體機，組合導航算法內嵌于上位組合機中，向外可輸出組合導航后的位置信息。同時，慣導系統接收衛導信息后，可以實現衛導/慣導組合，進一步提高慣導的定位精度。因此，組合導航方式、導航信息融合程度將成為導航信息保障能力中重要的組成部分，該指標獨立于各裝備的能力指標及可靠性、可用性指標，因此，本文將信息融合度作為修正系數指標K，以表征某一項信息保障效能中對信息處理的程度，以此構建KADC修正模型，并根據現有的信息融合模型，可以將導航參數融合程度分為無組合、一般組合、松組合、緊組合四個等級，這樣其分解模型如圖4所示。在系統效能分析中，引入信息融合度修正參數，體現了導航信息保障的特點，反映了系統對信息應用的效率與信息處理的質量，充分體現了信息融合技術在導航系統作戰效能評估中的重要性。

圖4 系統信息保障效能KADC分解結構

4 實例評估測試

本文結合所建立指標體系，采用層次分析法及模糊綜合評判法建立綜合模型對某型艦導航系統進行評估［8～10］，評估過程中系統信息保障效能層采用基于信息融合度的KADC模型。為了檢驗所提分解方案與評估模型的有效性，對案例艦艇的導航裝備的性能參數進行參數調整測試與數量調整測試，即在原性能指標基礎上對某單一指標參數進行人為調整，調整后分別計算導航信息保障效能、單一作戰效能以及綜合作戰效能結果，分析調整變化量與效能變化量的定性關系。

4.1 信息融合度影響測試

列取衛星組合機定位精度、慣導定位精度以及位置信息融合度參數調整對艦炮作戰效能和綜合作戰效能計算的結果變化如表1所示。不難發現，衛星組合機定位與慣導定位誤差增大后位置信息保障效能、艦炮作戰效能及綜合作戰效能降低，但程度不一。由于本艦位置精度對艦炮射擊精度影響較小，效能分解中位置信息保障權重較小，因此分項作戰效能影響不大，定位誤差增大50m，艦炮作戰效能降低0.03。但綜合其它分項作戰效能影響，定位精度變化對導航系統綜合作戰效能影響比較可觀，定位誤差增大50m，綜合作戰效能減小0.08。因此，提高導航系統的定位精度始終是艦艇導航技術發展重要方向。測試中位置信息融合度由松組合調至緊組合后，位置信息保障效能增加0.14，其影響程度要大于對衛星導航定位精度提高50m的效能變化值，一定程度反映了信息處理水平對提高導航信息保障效能的重要性，同時也表明了開展艦艇導航信息融合算法研究的必要性與緊迫性［11～12］。

4.2 裝備數量影響測試

針對導航儀配備數量對效能的影響情況進行了測試分析，為裝備保障機關在艦艇出航準備中導航裝備配備提供決策參考［13］。測試中在原有衛星組合機的基礎上分別增加1臺衛星導航儀和羅蘭C導航儀，并計算效能變化，結果如表2所示。結果表明導航儀數量的增加一定程度可提高信息保障效能值，但效果并不明顯，增加1臺衛星導航儀綜合作戰效能只增加了0.004。因此，在導航裝備種類齊全、同類信息冗余備份的基礎上，再增加導航裝備的數量對于提高保障效能作用不大，這也符合艦艇出航裝備攜行的基本特征。

5 結語

本文以艦艇作戰任務對導航信息的需求為牽引，建立了艦艇導航系統對作戰行動的信息保障關系，基于此構建了導航系統評估指標體系層次結構。針對系統信息保障效能評估的特殊要求，在系統信息保障層構建過程中，綜合了基于裝備類型分解與基于系統信息保障能力分解方案的特點，提出了基于信息融合度的KADC效能評估方法模型，并對評估模型進行了評估測試。測試結果與作戰系統信息保障規律相符合，與艦艇導航裝備配備原則相一致，指標設置符合科學性、完備性、可測性等要求，已應用于某型艦導航系統作戰效能評估系統中。