水下自主导航装备作战效能评估技术*

2021-08-12李正阳于旭东

舰船电子工程 2021年7期

李正阳于旭东周全

（国防科技大学前沿交叉学科学院长沙 410073）

1 引言

在军事上，高精度自主导航装备是潜艇完成任务的关键，科学评估其作战效能对潜艇作战能力提升有重要意义。液浮陀螺平台式惯性导航系统首先应用于海军舰船和潜艇［1～2］。随着技术发展，出现了静电陀螺惯性导航系统［3］。1980年，Sperry航海公司研究人员探讨了将激光陀螺用于长时间航海的可能性［4］，发展至今，美军已将AN/WSN-7系列激光陀螺惯性导航系统广泛装备于各种舰船和潜艇。

付东等解释了列举了常用的作战效能评估方法［5］。程恺等分析了各种效能评估方法的优势、不足和需要注意的问题［6］。郭娇等提出了舰载导航装备综合效能评估指标体系［7］。本文利用已有研究成果，建立了水下自主导航装备评估体系，给出计算作战效能的基础模型，并结合算例对评估结果进行分析。

2 评估体系

按照指标体系构建的五项原则，将水下自主导航装备效能评估体系分为五个层次，依次为综合效能层、分系统效能层、装备效能层、KADC模型层和效能指标层［8］。将综合作战效能E分解为位置、航向、速度、姿态、深度等分系统作战效能Ei，并将Ei进一步细化为装备作战效能Eij，采用KADC效能评估模型对Eij进行评估，最后选取影响KADC模型中修正系数K、可用性A、可信性D和导航能力C的关键指标构建效能指标集合。图1以位置分系统效能E3为例，表示该体系的基本结构。

图1 自主导航装备作战效能指标评估体系

3 算法模型

以激光陀螺惯导装备为例给出算法模型，为计算方便，仅选取该装备主要部分进行分析，将其分为激光陀螺组件、加速度计组件和性能提升组件，激光陀螺惯导装备性能提升的典型方案为旋转调制技术。

3.1 可用性矩阵A

激光陀螺、加速度计和旋转调制装置三个部分正常工作的概率表示为

任意部分都存在正常和故障两种状态，则该装备可能存在8种作战状态，可用性矩阵A表示为

其中，ai的表达式如表1所述。

表1 矩阵元ai的表达式

3.2 可靠性矩阵D

若考虑作战过程故障无法修复，则有可靠性矩阵D：

其中，矩阵元dij的表达式如表2所示。

表2 矩阵元dij的表达式

3.3 作战能力C和修正系数K

作战能力C表示为

其中ci表示该装备在状态ai下的作战能力。

依据专家对激光陀螺、加速度计和旋转调制装置三项指标的能力评定值，运用层次分析法对各指标赋权，可以算得8种状态下该装备作战能力。同理，根据依赖性、抗干扰能力和经济性三项指标的评定值对修正系数K进行有效评估。

4 算例分析

4.1 作战效能计算

通过查阅文献、咨询专家等方式，得到惯导装备1、惯导装备2和惯导装备3等典型装备的性能评定值，将不同装备的同一指标中，最高性能评定值设为1，其余按比例赋值，得到3型装备性能指标的评定值如表3所示。

表3 3型装备性能指标评定值

设定虚拟评估背景：一艘作战平台在某海域内航行，对该平台携带的自主导航装备作战效能进行计算评估。由于任务时长对可靠性D产生影响，以20天为间隔，在10天～150天时长内计算，得到3型装备作战效能随时间变化如表4所示。

表4 3型装备作战效能随时间变化

其中，计算作战能力C和修正系数K时，构建的判断矩阵如下：

从表4可以看出，随着任务时间延长，3型装备作战效能逐渐降低，装备2与装备3作战效能比值越来越大。

4.2 计算结果分析

对3型装备作战效能随时间变化的计算结果进行绘图分析，如图2所示。

图2 3型装备作战效能随时间变化曲线

在任务时长增长过程中，指数形式的可信性函数起到关键作用，各型装备作战效能呈指数形式下降，曲线斜率在任务时长等于MTBF时为1。分析发现装备性能将影响作战效能曲线水平位置，以装备1为例，其陀螺精度低、系统对性能提升小，曲线向左平移，即任务时长还未达到MTBF附近时，曲线已下降至较平稳阶段。

随着任务时间延长，装备2相比装备3越来越有优势，为得出装备2作战效能超越装备3的任务时长，对10天～20天内作战效能进行细化计算。

图3 装备2和装备3作战效能对比

图4 装备2和装备3作战效能细化对比

当任务时长超过351h的情况下，装备2作战效能高于装备3，潜艇可以充分根据任务需求选择不同导航装备，有效提升潜艇作战效能。

分析经济性对装备效能影响，在忽略经济性的情况下，绘制装备2和装备3的作战效能曲线图，如图5所示。忽略经济性后，装备3作战效能将有明显提升，在更长时间内高于装备2。部队在采购装备时，若重视任务结果而不考虑成本，可以忽略经济性，列装成本高、效能好的装备；在考虑效费比的情况下，则在满足作战需求的同时减少成本。