一种直升机通信导航系统效能评估方法

刘文亮 仉树军 司召峰 关珍博 张凯

摘要：针对直升机通信导航系统的效能评估，构建了一套完整的通信导航系统效能评估指标体系，提出了一种考察直升机通信导航系统效能的评估方法并进行了实现。该方法利用层次分析法确定不同指标对系统效能的贡献程度，利用灰色聚类评估算法将现场采集的通信导航数据进行有效的分析计算，定量给出通信导航系统效能并生成系统评估报告。定量评估结果与专家定性分析结果相符，验证了上述评估模型与评估算法的正确性。

关键词：通信导航系统；能力评估；层次分析法；灰色聚类评估法

中图分类号：TN911文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）10-60-4

0引言

直升机通信导航系统为直升机构建可靠的信息通联链路[1]，但其能力评估方法较少。为了对直升机通信导航系统能力进行全面考察，需要进行效能评估[2]。结合直升机飞行实测数据，构建了面向通信导航系统工作原理[3]与能力要求的多层次评估指标体系[4]并以此进行效能评估[5]。

直升机通信导航系统[6]能力评估指标体系中指标项繁多，各指标对系统效能贡献难以确定[7]。采用层次分析法[8]，通过判断矩阵的设计及特征值、特征向量的计算，得到各指标对效能[9]的贡献程度。采用灰色白化权函数聚类评估算法[10]，利用实测值和目标参考值进行计算，定量给出通信导航系统效能。该方法较ADC[11]法更为客观，较模糊评估法[12]运算量小易于实现[13]，故选择灰色白化权函数聚类评估算法。

1构建多层次评估指标体系

多层次评估指标体系的构建是直升机通信导航系统能力评估的第一步，也是最为关键的一个步骤。通过多层次评估指标体系的构建，能够将通信导航系统能力进行多层次和多维度的分解，在此基础上进行分析与研究，科学合理地给出系统评估结果。

1.1评估指标体系的构建原则

构建直升机通信导航系统能力评估指标体系是一个复杂的过程。在该过程中，主要遵循以下原则[14]：

①理论与实践相结合：直升机通信导航系统能力评估研究是一项应用性研究，不但要从理论上进行分析，而且要从系统的实践中寻求系统能力发挥的内在规律。

②定性与定量相结合：评估系统效能需要对其内在的质与量之间的关系和规律进行分析。首先应对各种不同的问题进行定性分析，确定研究问题的思想、方针和原则，然后研究变量的变化方向及程度等运行规律。通过选择恰当的量化方法，准确地反映其客观规律。

③客观性与可行性并重：在构建直升机通信导航系统评估指标体系的过程中，应从客观实际出发，将涉及的语音通信、数据通联及抗干扰等能力纳入指标体系中。同时，指标值的获取方式要切实可行。如在恶劣环境中的抗干扰性能、通信质量等在实际获取时存在危险的情况，可通过查阅历史数据、计算机模拟仿真等方式获取，力求做到安全可行。

1.2多层次评估指标体系

构建多层次的评估指标体系，需要多渠道、多方面从实践和文献中分析直升机通信导航系统能力的构成要素和主要内容，提炼出系统能力评估的一级指标[15]。通过对每一个一级指标进行分析和拆解，得出二级指标，并剔除一些明显重复和相互包含的指标。根据二级指标，从评估方法及评估要点等方面构建直升机通信导航系统能力评估指标体系。

直升机通信导航系统可以将通信能力和导航定位能力的2个方面构建2个一级指标，用以描述直升机通信方面和导航定位方面的能力。随后依次对2个一级指标分解，将通信能力分解为语音通信能力、数据通联能力、通信组网能力和抗干扰能力4个方面；将导航定位能力分解为组合导航能力和定位能力2个方面。同理可将二级指标继续向下分解至三级指标。整个直升机通信导航系统能力评估指标体系如图1所示。

1.3层次分析法确定指标权重

根据多层次评估指标体系[16]，在获取指标值后，需要确定每一个指标值所对应的权重[17]。在计算权重之前，需要首先构建原始评判矩阵。通过向专家咨询，可以得到指标体系中不同指标的重要程度。对指标层次结构中同一分支上不同指标间进行两两对比与分析，运用数字标度法建立相匹配的判断矩阵如下：

特征向量中的分量即该分量所对应指标的权重值，权重值即该指标对通信导航系统效能贡献的大小。權重值越大说明指标对效能的贡献越大，越小说明指标对效能的贡献越小。此外通过对不同专家给出的指标体系中各元素进行合理整合，形成专家组集体智慧的结晶，使分析结果更科学可靠。

2灰色聚类的系统评估算法

灰色聚类[18]的系统评估算法由灰色理论与数据挖掘中的聚类算法相结合形成，有灰色关联聚类和灰色白化权聚类2种方式。本项目中采用灰色白化权函数聚类评估算法。

灰色白化权函数聚类评估算法的基本原理[18]是结合构建的层次评估指标体系及各指标的表征方式，根据评估系统的用户需求，设定各指标目标参考值，对系统各指标实际值进行数据处理并划分灰类，最后利用白化权函数计算灰色评估权矩阵，计算出通信导航系统效能。

灰色白化权函数聚类评估算法的具体实施步骤如下：

①确定效能指标体系中各指标的权重：可以通过层次分析法利用判断矩阵求得权重的方法来实现。

②确定灰类：根据无量纲归一化后的各指标数据，结合项目情况，可以划分出5个灰类，分别为{极差、差、一般、良好、优秀}。对取值范围[0，1]向左、右各延拓为（-0.15，1.15]，则可以得到白化权函数区间：

（-0.85， 0.35]，（0.05， 0.55]，（0.25， 0.75]，（0.45， 0.95]，（0.65， 1.15]

同理，将其他层次结构中叶子节点的指标值按上述方法计算得到其父节点指标的效能值，通过分析各个节点的效能值，即可以得到整个通信导航系统的效能值。

3通信导航效能评估系统实现

从理论角度提出了一种考察直升机通信导航系统效能的评估方法后，对其进行了计算机编程实现[19]，给出了系统评估效能并生成评估报告。在实现的通信导航效能评估系统中，不仅从定性角度给出了各层次每种指标的等级评价，也从定量的角度详细给出了具体数值，据此以比较不同直升机通信导航系统在相同评价等级的情况下孰优孰劣。此外，在指标选取、算法设计及计算机实现等过程中设计选取科学可行的方案以实现效能评估系统。

以往的效能评估系统，重点在于对被考察系统效能给出评价，如优、良等；而实现的通信导航效能评估系统，不仅给出通信导航系统各考察指标定性定量评价，还可根据评估结果生成评估报告。

通信导航效能评估系统主要由指标体系管理、效能评估模型设置、数据预处理[20]、数据回放与分析研判[21]及评估报告生成[22]等5个功能模块组成，如图2所示。

①指标体系管理：不同专家[23]使用该模块对直升机通信导航的评估指标根据理论数据及自身经验等给出重要程度的评价，系统对不同专家的意见进行整合，形成通信导航的多层次评估指标体系。

②效能评估模型构建：根据图1构建的指标体系，对通信导航系统的效能评估模型进行构建与展示。

③数据预处理：对直升机通信导航系统采集到的不同来源和不同指标的数据进行分组、过滤、归并、去量纲及归一化等操作，获得供效能评估模型使用的数据。

④数据回放与分析研判：通过设置时间段及消息类型等选项，回放已采集数据的内容，并在统计图和消息列表上进行显示。通过对采集到的如传输时延、组网建链时间等试验数据，结合天气、温度及电磁环境等外部数据，给出指标体系中相应指标的评估结果。

⑤评估报告生成：根据最终指标体系的权重，通过相关算法算出整个指标体系或者某一个分枝的评价指标。对考核数据与历史数据的分析评估结果通过图形、图表等方式形象化展示，生成直升机通信导航系统能力评估报告。

通信导航效能评估系统界面如图3所示，通过该界面可以对指标体系进行管理。

系统给出的定量评估结果所在的等级多次同通信导航系统使用人员主观给出的定性结果进行了比对，比对结果均一致，验证了通信导航系统评估方法设计的正确性。

4结束语

构建直升机通信导航效能评估指标体系，使用层次分析法和灰色聚类的评估算法进行系统效能评估并实现。然而，上述做法仅在运输直升机通信导航系统评估中进行了试验与验证，存在一定的局限性。今后需进一步研究对多种型号直升机通信导航系统的适用性，使评估指标体系更为科学完善、评估算法更为精准高效、评估系统更为灵活可靠。

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