太空目标监视装备效能贡献率评估研究
2020-10-16宋万均马志昊
宋万均，马志昊，徐 灿
（航天工程大学，北京101416）
0 引言
太空态势感知通过情报收集、目标监视、环境探测等手段获取外层空间目标与环境信息，从而对太空环境的现状和变化趋势进行认知，为分析、评估太空系统所面临的威胁提供信息支持。
太空态势感知是其他一切太空活动的基础，在太空攻防对抗中具有重要的支撑作用，对于获取太空优势至关重要。因此，为了保障太空利益和维护太空优势，世界军事强国都十分重视太空态势感知力量的建设和发展[1-3]。太空目标监视能力作为太空态势感知的核心能力之一，对于太空态势感知力量的建设和发展至关重要，因此太空目标监视能力一直都是太空态势感知领域重点关注的内容。太空目标监视装备对太空目标监视能力起着决定性的作用，直接关系着太空目标监视能力的高低，因此必须科学、有效地建设和发展太空目标监视装备。太空目标监视装备的研制通常具有技术难度大、成本高、周期长等特点，因此在太空目标监视新装备项目立项和研制之前，必须准确分析新装备在太空目标监视装备体系中的定位和作用[4-5]。通过衡量新装备加入太空目标监视装备体系之后对体系能力提升的大小，评估新装备对现有太空目标装备体系的效能贡献率，有利于促进太空目标监视装备体系的建设和新型太空目标监视装备的研制发展的协调统一，从而更好地提升太空目标监视装备的整体能力。
1 太空目标监视装备效能贡献率评估指标
1.1 评估指标的构建
太空目标监视装备体系主要由光学监视装备和雷达监视装备构成，通过多种手段的信息融合，形成综合太空态势。为了对新型装备在太空目标监视装备体系中的效能贡献率进行评估，需要对太空目标监视装备体系的效能指标进行分析，构建太空目标监视装备效能贡献率评估指标[6-7]。太空目标监视装备体系效能指标主要包括目标监视能力、应急响应能力和生存能力。其中，每一项能力指标都无法用单一性能指标来衡量，需要将每一项能力指标分解为相关的性能指标，最后通过对各层次的指标进行聚合，从而完成对新型装备在太空目标监视装备体系中的效能贡献率的评估[8-9]。针对太空目标监视的任务需求，充分考虑指标的全面性、完备性、有效性、独立性和可测性等原则，通过专家调查法得到如图1 所示的太空目标监视装备体系效能的评估指标。
图1 太空目标监视装备体系效能评估指标
1.2 评估指标分析
目标监视能力是指搜索、发现、跟踪和持续监视太空目标和事件，以及对目标进行区分、识别和分类的能力，主要指标包括监视目标数量、编目更新周期、同时多目标指示数量、可探测目标尺寸、识别正确率、定轨精度和识别用时。目标监视能力评估指标如表1所示。
表1 目标监视能力评估指标
应急响应能力是指对太空活动中的突发、重要事件进行及时识别、处理和响应的能力，主要包括发射响应时间、变轨响应时间、变轨识别率。应急响应能力评估指标如表2 所示。
表2 应急响应能力评估指标
生存能力是指太空目标监视装备体系在受到干扰和被毁伤条件下维持系统功能的能力，主要包括体系能力保持度、体系能力恢复程度、体系能力恢复时间。生存能力评估指标如表3 所示。
1.3 评估指标检验
虽然前面给出的太空目标监视装备体系效能的评估指标是通过征求多位专家的意见构建起来的，并在构建过程中充分考虑了评估指标的全面性、完备性、有效性、独立性和可测性等原则，但是通过专家调查法构建的评估指标不可避免地存在一定的主观性，初步构建的评估指标不一定完全满足需求，因此需要对初步构建的评估指标进行检验。
表3 生存能力评估指标
1.3.1 评估指标的有效性检验
在构建效能贡献率评估指标时，由于评估者知识的完备程度不同，即使在构建评估指标时尽可能地遵循独立、可测、完备性等原则，构建的评估指标也可能存在较大的差异。因此，为了提高评估指标的有效性和评估结果的准确性，有必要对评估指标的有效性进行检验。
设评估指标中某层的指标集表示为F={f1,f2,…,fN}（fi（1≤i ≤N）表示该指标层中的某个指标，N 为该指标层中指标的总数），参加评估的专家人数为M，第j（1≤j ≤M）位专家对评估指标的评分集为Xj={X1j,X2j,…,XNj}，定义指标fi的效度系数βi为：
效度系数衡量了专家对某一评估指标认识的偏离程度。评估指标的效度系数的绝对值越小，表明专家对评估指标的认识越趋向一致，评估指标的有效性就越高。
在对太空目标监视装备体系的各层评估指标进行打分时，共邀请了本领域的10 位专家，专家在对评估指标打分时采用百分制。10 位领域专家对各层评估指标的打分结果如表4 所示。
表4 领域专家对评估指标的评分结果
根据表4 中领域专家对各个评估指标的评分结果，可以计算出各个评估指标的效度系数如表5 所示。从表5 可以看出，每个评估指标的效度系数都小于0.05，从而表明专家对每个评估指标的认识具有较好的一致性，每个评估指标都具有较好的有效性。
1.3.2 评估指标的重要性检验
对于评估指标的重要性，可以采用专家检验法进行分析。对需要征求专家意见的评估指标制作相应的重要性检验专家咨询表，如表6 所示。专家对评估指标重要性的评价意见可以分为5 级：极重要、很重要、重要、一般、不重要，如果用数值可以表示为：5、4、3、2、1。专家评价时在相应的意见栏内打“√”。对获得的重要性评价数据进行统计分析，其内容主要包括重要度、集中度、协调程度三个方面。
表5 评估指标的效度系数
表6 评估指标重要性专家咨询表
2）集中度用标准差δi反映，即：
式中，δi为专家对第i 个评估指标重要程度评价的集中程度，δi的值越小，表明专家对第i 个评估指标重要程度的评价越集中。
3）协调程度分析可以用变异系数Vi来反映，即：
变异系数Vi反映了评价专家意见的相对波动程度，Vi越小，表明专家的协调程度越大。
通过统计分析评估指标重要性专家咨询表（在此略去每个专家给出的咨询表的结果），可以得出每个评估指标的重要度均值、重要度标准差和重要度变异系数如表7 所示。从表7 可以看出，各个指标的重要度均值都较大，从而表明评估专家认为每个指标都具有较好的重要度；每个指标的重要度标准差和变异系数都较小，从而表明评估专家对每个指标的重要度的评价比较集中，专家的协调程度也比较大。
1.3.3 评估指标的完整性检验
完整性是指评估指标是否已全面地、毫无遗漏地反映了最初的描述评估目的与任务，即能够全面反映装备体系效能的状况。
本文通过领域专家的经验来对评估指标的完整性进行检验。在前述的专家对评估指标的有效性和重要性进行评分时，利用“附加意见”栏收集有关专家对指标完整性的补充意见。通过收集整理专家对评估指标完整性的补充意见，本文建立的太空目标监视装备体系的评估指标具有较好的完整性，适合于效能贡献率的评估。
表7 评估指标重要性指标
2 效能贡献率计算
2.1 权重系数的计算
要得到新装备对太空目标监视装备体系的效能贡献率，需要将新装备对各层级的每个指标的贡献率进行综合，因此，需要确定每个指标的权重系数。层次分析法（AHP）是一种定性与定量相结合的方法，适合于解决那些难以完全用定量方法进行分析的决策问题，是系统工程中对复杂大系统做定量分析的一种有效方法。因此，本文采用层次分析法来确定各个指标的权重系数。
层次分析法在确定指标的权重系数时，由相关领域专家对每一层次的各个指标的相对重要性进行评判，并用数值来对各个指标的相对重要性进行量化，然后构建判断矩阵，最终通过判断矩阵确定各个指标的权重系数。层次分析法中的判断矩阵表示针对上一层次某一指标而言，本层次与之有关联的各个指标之间的相对重要性，也可以看作是对上一级指标的贡献程度。对于相对重要性的评判，通常采用Satty 标度来进行量化[5]。
对于目标监视能力下面的7 个二级指标，通过专家根据Satty 标度量化规则打分得到的判断矩阵如下：
从而可得目标监视能力下面的7 个二级指标的权重系数为:
下面对判断矩阵的一致性进行检验。由式(6)可得判断矩阵的最大特征根为:
通过查表可得7 阶矩阵的平均随机一致性指标为RI=1.32，从而可得一致性检验指标:
采用类似的过程，可得应急响应能力下面3 个二级指标的权重系数为:
目标监视能力、应急响应能力和生存能力3 个一级指标的权重系数为:
2.2 效能贡献率的计算
新装备在太空目标监视装备体系中对各个指标的贡献率可以采用如下公式进行计算:
式中，Con 表示新装备对某个指标的贡献率，C装备体系中有新装备表示在太空目标监视装备体系中有新装备时某个指标的能力值，C装备体系中无新装备表示在太空目标监视装备体系中无新装备时某个指标的能力值。
将新装备对太空目标监视装备体系中各个指标的贡献率按照权重逐级进行综合，最终就可以得到新装备对太空目标监视装备体系的效能贡献率。
对于各个评估指标，本文采用仿真系统进行计算，由仿真系统提供底层的数据，然后基于仿真数据计算各个评估指标的能力值。根据仿真系统得出的评估指标的能力值和相应的贡献率如表8 所示。
表8 仿真系统得出的评估指标的能力结果和相应的贡献率
3 结束语
为了促进太空目标监视装备体系的协调发展，为太空目标监视装备体系中新型装备的研制和发展提供依据，本文给出了一种太空目标监视装备体系效能贡献率评估的方法。首先根据太空目标监视装备功能的特点，构建了效能贡献率评估的指标，并对指标的内涵和度量方法进行了分析。然后对构建的评估指标的有效性、重要性和完整性进行了检验和分析，保证了构建的指标满足评估的需求和最终评估结果的科学性。最后通过层次分析法给出了指标的权重系数，并根据仿真系统给出的指标能力值计算了新装备在太空目标监视装备体系中的效能贡献率。本文给出的效能贡献率评估方法也可以应用于其他装备体系的效能贡献率的评估，为其他装备体系中新型装备的研制和发展提供依据，具有较好的通用性。■
