水下自主導航裝備作戰效能評估技術*

李正陽 于旭東 周 全

（國防科技大學前沿交叉學科學院 長沙 410073）

1 引言

在軍事上，高精度自主導航裝備是潛艇完成任務的關鍵，科學評估其作戰效能對潛艇作戰能力提升有重要意義。液浮陀螺平臺式慣性導航系統首先應用于海軍艦船和潛艇［1～2］。隨著技術發展，出現了靜電陀螺慣性導航系統［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］，發展至今，美軍已將AN/WSN-7系列激光陀螺慣性導航系統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效能評估方法［5］。程愷等分析了各種效能評估方法的優勢、不足和需要注意的問題［6］。郭嬌等提出了艦載導航裝備綜合效能評估指標體系［7］。本文利用已有研究成果，建立了水下自主導航裝備評估體系，給出計算作戰效能的基礎模型，并結合算例對評估結果進行分析。

2 評估體系

按照指標體系構建的五項原則，將水下自主導航裝備效能評估體系分為五個層次，依次為綜合效能層、分系統效能層、裝備效能層、KADC模型層和效能指標層［8］。將綜合作戰效能E分解為位置、航向、速度、姿態、深度等分系統作戰效能Ei，并將Ei進一步細化為裝備作戰效能Eij，采用KADC效能評估模型對Eij進行評估，最后選取影響KADC模型中修正系數K、可用性A、可信性D和導航能力C的關鍵指標構建效能指標集合。圖1以位置分系統效能E3為例，表示該體系的基本結構。

圖1 自主導航裝備作戰效能指標評估體系

3 算法模型

以激光陀螺慣導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，激光陀螺慣導裝備性能提升的典型方案為旋轉調制技術。

3.1 可用性矩陣A

激光陀螺、加速度計和旋轉調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，則該裝備可能存在8種作戰狀態，可用性矩陣A表示為

其中，ai的表達式如表1所述。

表1 矩陣元ai的表達式

3.2 可靠性矩陣D

若考慮作戰過程故障無法修復，則有可靠性矩陣D：

其中，矩陣元dij的表達式如表2所示。

表2 矩陣元dij的表達式

3.3 作戰能力C和修正系數K

作戰能力C表示為

其中ci表示該裝備在狀態ai下的作戰能力。

依據專家對激光陀螺、加速度計和旋轉調制裝置三項指標的能力評定值，運用層次分析法對各指標賦權，可以算得8種狀態下該裝備作戰能力。同理，根據依賴性、抗干擾能力和經濟性三項指標的評定值對修正系數K進行有效評估。

4 算例分析

4.1 作戰效能計算

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

表3 3型裝備性能指標評定值

設定虛擬評估背景：一艘作戰平臺在某海域內航行，對該平臺攜帶的自主導航裝備作戰效能進行計算評估。由于任務時長對可靠性D產生影響，以20天為間隔，在10天～150天時長內計算，得到3型裝備作戰效能隨時間變化如表4所示。

表4 3型裝備作戰效能隨時間變化

其中，計算作戰能力C和修正系數K時，構建的判斷矩陣如下：

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

4.2 計算結果分析

對3型裝備作戰效能隨時間變化的計算結果進行繪圖分析，如圖2所示。

圖2 3型裝備作戰效能隨時間變化曲線

在任務時長增長過程中，指數形式的可信性函數起到關鍵作用，各型裝備作戰效能呈指數形式下降，曲線斜率在任務時長等于MTBF時為1。分析發現裝備性能將影響作戰效能曲線水平位置，以裝備1為例，其陀螺精度低、系統對性能提升小，曲線向左平移，即任務時長還未達到MTBF附近時，曲線已下降至較平穩階段。

隨著任務時間延長，裝備2相比裝備3越來越有優勢，為得出裝備2作戰效能超越裝備3的任務時長，對10天～20天內作戰效能進行細化計算。

圖3 裝備2和裝備3作戰效能對比

圖4 裝備2和裝備3作戰效能細化對比

當任務時長超過351h的情況下，裝備2作戰效能高于裝備3，潛艇可以充分根據任務需求選擇不同導航裝備，有效提升潛艇作戰效能。

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

圖5 經濟性對裝備2和裝備3效能的影響

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

圖6 可靠性對裝備3作戰效能的影響

5 結語

本文采用對作戰效能分層的方法構建了水下自主導航裝備作戰效能評估體系，基于依賴性、抗干擾性和經濟性提出修正系數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果分析，得出了影響自主導航裝備作戰效能的關鍵因素。

本文提出的評估體系和對計算結果的分析方法可以推廣至裝備試驗、戰前評估、演習復盤等多個領域，有助于部隊加強對裝備的認識、充分發揮裝備性能、提升部隊的戰斗力。