天波超视距雷达作战能力评估

王晗中，常春贺，邓刚

(1. 空军预警学院训练部，湖北 武汉 430019；2. 中国人民解放军95980部队，湖北 襄阳 441021)

0 引言

天波超视距雷达是构建国家战略预警装备体系的主战装备之一，是战略预警体系对空(海)情报获取的重要来源，在未来信息化战争中地位显著。目前，天波超视距雷达已被视为远程战略预警理想而又经济的替代品[1-2]。因此，研究天波超视距雷达作战能力对装备的论证使用和规划部署国防预警探测体系具有重要意义。

近年来，国内对天波超视距雷达作战能力开展了广泛研究。文献[3-5]针对单一性能参数法和评价指标的模糊性特点，分别采用ADC法、逻辑门法以及模糊综合评判法对天波超视距雷达作战能力进行了评估；文献[6]在考虑装备保障系统的基础上，研究了天波超视距雷达对海探测能力；文献[7]采用层次分析法从探测能力和对抗能力2个方面对天波超视距雷达的作战能力进行了综合评估。然而，以上文献所建立的评估指标针对性不强，未有效关联天波超视距雷达的系统构成和工作原理，大多数仅仅考虑装备本身的固有能力，而没有从装备全系统的角度出发，往往忽视了信号数据处理、指挥控制以及装备综合保障性等关键因素对雷达作战能力的影响。鉴于以上问题和不足，本文结合天波超视距雷达的作战使用特点，综合考虑不同因素对系统作战能力的影响，将评估对象由装备扩展到装备全系统，并将层次分析法和综合评判的方法应用到作战能力评估中，建立一种基于模糊层次决策的天波超视距雷达作战能力评估模型，对天波超视距雷达作战能力进行准确评估。

1 天波超视距雷达作战使用特点

天波超视距雷达具有探测距离远、覆盖区域大、雷达空情量多、受电离层影响大以及装备综合保障性要求高等特点，其作战能力的评定较常规雷达也有较大的差异。

(1) 雷达探测距离远、覆盖区域大

探测范围覆盖几千公里的扇区，面积达到数百万平方公里。在作战使用时，可以根据不同的作战任务，合理进行规划使用，提高雷达作战能力。

(2) 雷达空情量大、情报处理要求高

天波超视距雷达探测监视区域大，空情量是常规雷达的数倍。工作不受地球曲率和目标飞行高度的影响，可探测远程低空和隐身目标，且探测方式多样，但也大大增加了情报处理的难度，对作战人员能力素质要求更高。

(3) 雷达作战性能受电离层变化影响大

天波超视距雷达是利用电离层对电磁波的反射效应进行目标探测的[1-2,8]，而电离层存在分层结构和多种不规则的变化形式，且不同时域和不同空域的电离层状态是不尽相同的，这会导致同一时刻不同子区以及同一子区不同时刻的作战能力不同，严重时，甚至会使雷达丧失作战能力。因此，需要对电离层环境进行实时诊断和管理，及时调度资源，以保障雷达作战能力发挥。

(4) 雷达系统规模庞大，综合保障性要求高

与常规雷达相比，天波超视距雷达系统规模庞大，部署地域分散，分系统设备通常分布于多个不同站点，分系统间交联多，系统正常工作和作战性能的高效发挥依赖于各站装备的正常运行，若装备自身综合保障性不高，就会影响雷达预警探测性能。因此，天波超视距雷达装备必须具有较高的综合保障性。

2 评估指标的建立与分析

2.1 评估指标体系的建立

装备系统是由主装备和保障系统组成。天波超视距雷达系统不仅包括天波超视距雷达主装备，还包括使主装备能发挥作用的相关保障系统。主装备和保障系统是一个有机的不可分割的整体。因此，本文从装备全系统的角度出发，综合考虑作战能力评估各种影响因素，运用层次分析法对评估总目标进行多层次分解(分组)，遵照全面完整、层次分明、简明科学、兼顾可比性和导向性的原则，结合天波超视距雷达的作战使用特点和工作实际，建立了一套新的天波超视距雷达作战能力综合评估指标体系，如图1所示。

图1 天波超视距雷达作战能力评估指标体系层次分析模型Fig.1 Analytic hierarchy model for evaluation index system of sky wave OTHR operational effectiveness

2.2 评估指标分析

指标体系可分为3个层次：第1层是目标层(A层)，即天波超视距雷达作战能力总体评估；第2层是准则层(B层)，包括预警探测性能、信号数据处理能力、系统生存能力、指挥控制能力、综合保障性等5个指标；第3层是指标层(C层)，包括探测作用距离、有效探测扇区、探测精度等22个评估指标。

(1) 预警探测性能(B1)

预警探测性能是指雷达在干扰环境下探测目标的能力，由探测作用距离、探测有效扇区、探测精度、系统可用度和抗干扰能力5个指标进行描述。其中，探测作用距离、有效探测扇区反映了天波超视距雷达的探测威力范围；探测精度反映雷达探测目标的准确定位能力；抗干扰能力是天波超视距雷达探测性能的一个重要指标，这是因为天波超视距雷达工作在短波波段，工作频段决定了其干扰背景比常规微波雷达恶劣得多，如雷电、海杂波、流星尾迹，尤其是短波电台干扰，其频段密集且功率较强。此外，与常规雷达不同，天波超视距雷达的工作机理决定了它具有系统可用度的情况。系统可用度是衡量天波超视距雷达预警探测性能的一个重要指标，系统可用度受电离层影响较大，由于电离层是不断变化的，存在着许多不稳定现象，会造成天波超视距雷达的不可用或部分性能下降。

(2) 信号数据处理能力(B2)

信号数据处理能力是描述天波超视距雷达作战能力的一项重要指标，它能反映规定作战任务下系统对探测的目标信号数据的处理与运用能力，信号数据处理能力的高低直接影响着天波超视距雷达作战效能的发挥程度。本文选取数据处理容量、数据处理精度、抑制噪声干扰能力、目标检测能力和目标跟踪能力等作为信号数据处理能力指标。其中，数据处理容量、数据处理精度是情报信息处理的基本能力指标，而抑制噪声干扰能力、目标检测能力、目标跟踪能力是天波超视距雷达信号和数据处理，是反映天波超视距雷达作战能力的关键指标。

(3) 系统生存能力(B3)

系统生存能力是指天波超视距雷达在作战环境下抗软、硬杀伤的能力。天波超视距雷达天线阵地庞大、无法机动，所以站址选择一定要合理。另外，天波超视距雷达一般工作在短波频段，不在反辐射导弹(ARM)的频率锁定范围，而且天波超视距雷达的波束是经由电离层弯曲传播的，这样ARM寻的并进行攻击的成功率会更低。所以，对天波超视距雷达来说，在当前情况下由于其先天的优势，具有较好的抗摧毁能力，抗ARM攻击的效能指标一般不予考虑或者权值很低，考虑到科学简化评估指标体系的原则，天波超视距雷达的系统生存能力由站址选择合理性、抗毁伤能力和抗侦察能力3个指标聚合而成。

(4) 指挥控制能力(B4)

天波超视距雷达主要承担对空情报战略预警探测任务，不仅需要雷达本身具有较好的战技术性能，而且需要各指战人员之间的密切协同。因此，本文选取态势显示能力、分工协作能力、目标判读能力、情报传输能力、电离层监测能力和信息查证能力6个指标作为指挥控制能力指标。其中，雷达态势显示能力和情报传输能力指标是指挥控制能力基础，分工协作能力、目标判读能力是指挥控制能力得以体现的重要内容，而电离层监测能力和信息查证能力则是保障指挥控制能力有效发挥的重要前提。

(5) 综合保障性(B5)

天波超视距雷达系统作战能力的发挥，既取决于系统的战技术性能，也取决于装备的综合保障性。综合保障工作是一项复杂的系统工程，要做好该项工作，难度很大，涉及问题非常多。但从系统工程的角度来说，装备综合保障性的主要来源于其可靠性、维修性和保障性等装备重要质量特性设计的好坏[9-10]。可靠性是装备的一种设计特性，它反映了在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的持续能力；维修性也是装备的一种设计特性，它反映了在规定的维修条件下，装备保持和恢复到规定状态的能力；而保障性是装备系统的一种特性，即包括与保障有关的设计特性，又包括计划的保障资源，是一种系统属性，它反映了装备系统满足平时和战时战备完好性目标的能力，直接反映了装备的使用要求，具有显著的军事特征。因此，选取可靠性、维修性、保障性作为天波超视距雷达的综合保障性指标。

3 基于模糊层次决策的作战能力评估模型

天波超视距雷达系统是一个庞大复杂的系统，其作战能力是一个综合性指标，包含多种技术因素和不确定性，对系统的评估也是一项复杂的工作，涉及许多难以量化的因素。在上述评估指标分析中，主要涉及到两类指标：一是定量指标，可以直接进行定量计算；二是定性指标，可以通过专家知识经验进行评定。因而天波超视距雷达作战能力评估的原则是基于定量计算和定性分析相结合的多属性综合决策过程。为此，提出利用层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)与模糊数学相结合的方法对天波超视距雷达作战能力进行综合评估，具体步骤如下。

3.1 建立评估因素层次结构

利用AHP对评价因素进行分析时，首先要将其分组，每组作为一个层次，由左至右按最顶层、中间层和最低层的形式排列，构建层次模型如图1所示。其中，最顶层为目标层，表示要解决问题的目标；中间层为准则层，表示采取某种措施来实现预定总目标所涉及到的中间环节；最底层为指标层，它是最终影响天波超视距雷达作能力的评价指标集。

3.2 确定评语集

评语集是以判断者对评判对象可能出现的各种评判结果为元素组成的集合。设评语集V={V1,V2,…,Vn}，各元素Vj(j=1,2,…,n)代表各种可能的总评判结果。

3.3 确定指标权重集

在天波超视距雷达作能力评估中，各级评估指标权重的确定是至关重要的，其反映了各个因素对天波超视距雷达作战能力影响的程度。确定权重的方法很多，如专家评判法、层次分析法、相关系数法等。本文在结合专家意见的条件下，通过AHP的方法确定各评估因素的权重。

(1) 构造比较判断矩阵

根据图1所建立的指标体系结构，使用成对比较和专家咨询法来构造判断矩阵A=[aij](表示同一层各指标相对重要性的标度值，判断标准采用层次分析法常用的1～9标度)。

(2) 计算指标权重

指标权重的计算实际上可归纳为求解判断矩阵A最大特征值λmax对应的特征向量，即AW=λmaxW的特征向量W=(w1,w2,…,wn)T。在AHP方法中，计算特征向量常用的近似方法有求和法、平方根法等，采用判断矩阵首行求和并归一化来求解特征向量，从而得到各级指标的权重。

(1)

(2)

(3) 一致性检验

由于天波超视距雷达作战能力评估过程中影响因素的复杂性和决策者对这些因素主观判断具有不稳定性，以及不同决策者偏好也不同，因此难以将同一准则下的因素差异度量的十分准确，通过两两比较的判断矩阵不一定满足一致性条件。因而实际操作时，引入变量一致性比例CR=CI/RI来检验一致性，当CR<0.1时，判断矩阵具有一致性，否则就不满足一致性。其中CI=(λmax-n)/(n-1)为一致性指标，RI为平均随机一致性指标，根据矩阵阶数取值，表1给出了1～12阶矩阵的平均随机一致性指标[11]。

表1 RI与n的对照关系表Table 1 Correspondence table of RI and n

3.4 构建模糊评判矩阵

由于天波超视距雷达作战能力评估指标多为定性评估指标，具有较强的模糊性和不确定性，因此，采用专家打分的方法来确定各评估指标的对评语集的隶属度。专家打分法的基本原理[12]：聘请n名专家对各指标进行评定，假如对指标ui有m名专家评定为v1，则模糊隶属度ri1=m/n，所有rij值即构成模糊评判矩阵为

(3)

式中：rij为第i个评价指标对第j级评语的隶属度。

3.5 确定综合评估模型

天波超视距雷达作战能力评价是是一个多级因素构成的评判指标体系，采用多级评判的方法，对每一级因素子集从不同的角度分别进行一级综合评判，设所得的模糊综合评价集分别为

⋮

(4)

根据层次分析法得出上一级各指标的权重向量W=w1,w2,…,ws和评判矩阵R0，利用复合运算便可求出综合评判结果，即

B=WR0=(b1,b2,…,bn),

(5)

式中：B为模糊综合评判向量;bi(i=1,2,…,n)为综合考虑所有因素的影响时评判对象对应于评语集中第i个元素的隶属度。

4 实例应用与分析

以美国的某型天波超视距雷达为例，采用本文模型对该天波超视距雷达作战能力进行综合评估，具体如下。

4.1 建立层次分析模型

经分析，可以得到影响因素集，其层次结构参见图1的天波超视距雷达作战能力评估层次分析模型。

4.2 确定评语集

评语集的确定可以用定性评语法和定量评分法给出，本文将评语等级分为4级，即评语集V={V1,V2,V3,V4}={优，良，一般，差}。

4.3 构建比较判断矩阵并确定指标权重

表2 准则层B相对于目标层A的判断矩阵Table 2 Judgment matrix of criteria layer B relative to objective layer A

计算可得λAmax=5.118 0，CI=0.029 5，CR=0.026 3<0.1满足一致性。

指标层C相对于准则层B1的权重向量以及相应的最大特征值λB1max、一致性指标CI1和一致性比例CR1，见表3。

表3 指标层C相对于准则层B1的判断矩阵Table 3 Judgment matrix of index layer C relative to criteria layer B1

计算可得λB1max=5.014 6，CI=0.003 6，CR=0.003 3<0.1满足一致性。

同理，可分别计算指标层C相对于准则层B2,B3，B4，B5层次排序向量以及相应的最大特征值、一致性指标和一致性比例，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 构造模糊评判矩阵

模糊评判矩阵(R)的确定采用专家打分的方法确定各评估指标的对评语集的隶属度。聘请20位评审专家对22个三级指标进行评定。设该雷达作战能力评估的第2级模糊评判矩阵为R0，第3级模糊评判矩阵为Ri(i=1,2,…，5)。各指标因素的评价采用“优、良、一般、差”4级划分法，各等级都看成一个模糊向量，然后对各指标评判结果进行统计并规范化处理，得到模糊评判矩阵为

4.5 模糊综合评判

(6)

0.046 6).

按照最大隶属度法，该雷达作战能力综合评估结果应取b0=max(0.203 0，0.378 5，0.371 8，0.046 6)=0.378 5，即该天波超视距雷达作战能力的综合评估结果为良好。

4.6 评估结果分析

式(6)中R0的第1行到第5行数据分别表示预警探测性能、信号数据处理能力、系统生存能力、指挥控制能力、综合保障性等指标的评估结果。根据最大隶属度原则，可知该天波超视距雷达预警探测性能方面的评估结果为“良”，信号数据处理能力方面的评估结果为“一般”，系统生存能力方面的评估结果为“优”，指挥控制能力方面的评估结果为“一般”，综合保障性方面的评估结果为“良”。同时，由4.5节计算结果可知，综合评估结果“良”与“一般”对应的隶属度值分别为0.378 5和0.371 8，二者相差很小，这说明该天波超视距雷达作战能力勉强达到良好的标准，因此还需要对其进行一定的改进优化，才能达到更好的作战水平。综上分析，对该雷达的改进，建议重点从以下几个方面进行：

(1) 加强对雷达选频及信道特性预测技术的研究，优化电波环境自适应诊断相关算法，实时准确监测电离层状态，提高系统可用度，并增强自适应选频的精确度，从而提高雷达探测发现目标的能力；

(2) 进一步提高雷达的抗干扰能力，从频域、空域及时域单方面或同时采取相应抗干扰措施，并利用现代抗干扰技术、计算机技术及信号处理技术等先进技术增强雷达系统的抗干扰性能，从而提高复杂电磁环境下天波超视距雷达的预警探测能力；

(3) 改进优化天波超视距雷达信号与数据处理相关算法，并在软件上优化信号处理和数据处理过程，提高目标识别、目标跟踪以及情报信息处理的精度，从而增强雷达的信号和数据处理能力；

(4) 升级改进雷达的指挥控制终端系统，增强不同情报信息之间的作战协调与辅助决策能力，提高系统指挥控制工作效率，同时提高作战人员的指挥协作能力，增强对目标的研判能力，从而提高雷达的作战指挥控制能力；

(5) 提高装备综合保障性能，即在雷达研制阶段全面考虑可靠性、维修性、保障性等关键的综合保障要素，突出综合保障性地位，开展综合保障性分析与设计，并在装备定型或验收阶段进行综合保障性鉴定，投入使用后做好综合保障信息的收集与反馈工作，为及时改进和提高装备综合保障性提供依据，最终确保雷达具有较高的综合保障性，从而保障雷达作战效能的顺利发挥。

5 结束语

本文从装备全系统的角度出发，结合天波超视距雷达作战使用特点，建立了以预警探测性能、信号数据处理能力、系统生存能力、指挥控制能力、综合保障性为指标的天波超视距雷达作战能力综合评估指标体系。在此基础上，通过层次分析法和模糊综合评判法相结合的方法对天波超视距雷达的作战能力进行综合评估，使评估更加全面、合理、准确。该方法不仅充分发挥了专家的作用，而且尽可能地减少了主观认识差异所带来的决策片面性，为天波超视距雷达作战能力的评估提供了理论基础和决策依据，并对天波超视距雷达的研制、改进、优化部署以及作战使用等方面具有重要的指导意义。

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