對抗條件下的雷達系統(tǒng)效能評估*

王 勇 趙登攀 馮志強

(解放軍炮兵學(xué)院 合肥 230031)

1 引言

現(xiàn)代高技術(shù)條件下作戰(zhàn),電子對抗作為一種攻防兼?zhèn)涞男滦妥鲬?zhàn)樣式,已成為影響作戰(zhàn)進程乃至戰(zhàn)爭勝負的重要因素,被敵我雙方越來越頻繁和廣泛的使用。雷達系統(tǒng)具有發(fā)現(xiàn)目標距離遠,測定目標位置準和測量的速度快、精度高、能全天候使用等特點,是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中一種重要的技術(shù)裝備,被譽為“戰(zhàn)場千里眼”。然而,隨著電子對抗技術(shù)的發(fā)展,其生存能力和作戰(zhàn)效能正受到惡劣的電磁環(huán)境、隱身技術(shù)在內(nèi)的復(fù)雜目標特性的挑戰(zhàn)和威脅。本文從武器系統(tǒng)效能模型出發(fā),分析討論了在對抗條件下雷達系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能問題。

2 對雷達系統(tǒng)的干擾分析

雷達系統(tǒng)利用電磁波工作,向空間某一區(qū)域發(fā)射具有一定能量的電磁波,同時接收目標反射的電磁波。雷達利用目標對電磁波的反射特性探測發(fā)現(xiàn)目標并測量目標的距離、方向、速度等參數(shù)[1]。按產(chǎn)生的機理,通常把雷達干擾分為有源干擾和無源干擾,其中有源干擾又分為壓制性干擾和欺騙性干擾兩類[3]:

1)壓制性干擾:壓制性干擾是使雷達在接收目標回波的同時,也接收頻率相同的干擾信號,增加雷達接收到的噪聲,增大雷達檢測和測量有用信號的不確定性,達到淹沒目標回波,使接收機飽和,失去探測能力,擴大測量和跟蹤誤差,從而破壞雷達的正常工作。

2)欺騙性干擾:欺騙性干擾是模擬雷達目標回波,改變其有用信息,使雷達操作員或自動判別跟蹤系統(tǒng)得到虛假信息,做出錯誤判斷,增大武器控制系統(tǒng)的誤差,破壞雷達的正常工作。

3)無源干擾:無源干擾是利用干擾器材對電磁波的散射或吸收特性產(chǎn)生雜亂的回波,或改變和減弱目標的回波特性,從而達到破壞雷達對目標發(fā)現(xiàn)和跟蹤的目的。

3 WSEIAC模型介紹

WSEIAC武器系統(tǒng)效能分析模型,是美國的“武器系統(tǒng)效能工業(yè)界咨詢委(Weapon System Effectiveness Industry Advisory Committee)”在 60年代中期為美國空軍建立的,由于該模型層次清晰,易為人們所理解和接受,因而得到了較廣泛的應(yīng)用[4]。其對系統(tǒng)效能的定義為[5]:

系統(tǒng)效能指預(yù)計系統(tǒng)滿足一組特定任務(wù)要求之程度的量度,是有效性、可信賴性和能力的函數(shù),由這3個指標來定量地描述武器系統(tǒng)在平時、戰(zhàn)時及作戰(zhàn)能力等方面的特征。

1)有效性,即可用度(戰(zhàn)備狀態(tài)),指武器系統(tǒng)在任意時刻開始執(zhí)行任務(wù)時所處狀態(tài)的量度(戰(zhàn)備完好率),反映武器系統(tǒng)的平時保養(yǎng)、例行維修等因素對武器系統(tǒng)效能的影響。

2)可信賴性(可靠性)指武器系統(tǒng)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)期間,系統(tǒng)工作狀態(tài)變化(各工作狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化)的量度,反映武器系統(tǒng)各子系統(tǒng)的工作可靠程度和連續(xù)工作能力。

3)能力(作戰(zhàn)性能)指武器系統(tǒng)在作戰(zhàn)過程中處于正常工作狀態(tài)的條件下,該系統(tǒng)完成作戰(zhàn)任務(wù)的能力,反映作戰(zhàn)過程中完成預(yù)定任務(wù)的情況。

戰(zhàn)備狀態(tài)、可靠性、作戰(zhàn)理論稱為系統(tǒng)效能的三大要素,將三要素相結(jié)合,綜合地反映了武器中諸多不同量綱的性能指標,給出能代表武器全系統(tǒng)綜合性能的效能值。則武器系統(tǒng)的效能E為可用度向量A(戰(zhàn)備狀態(tài))、可信賴矩陣D(可靠性)和能力向量C(作戰(zhàn)性能)三者的函數(shù),其基本數(shù)學(xué)計算模型為:E=A?D?C。

4 模型建立

我們以WSEIAC模型為基礎(chǔ),結(jié)合作戰(zhàn)中實際的對抗情況,得出雷達系統(tǒng)在對抗條件下的效能模型為:

式中:E為雷達系統(tǒng)在對抗條件下的效能;A為可用度,是雷達系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)開始時刻可用程度的量度;D為可信賴度,表示已知雷達系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時所處的狀態(tài),其在執(zhí)行任務(wù)過程中所處狀態(tài)的概率;C為雷達系統(tǒng)的固有能力。

4.1 雷達系統(tǒng)效能模型

4.1.1 可用度向量計算

為簡化問題,在開始執(zhí)行任務(wù)時,不考慮雷達偵察系統(tǒng)的降功能使用狀態(tài),系統(tǒng)只處于正?；蚬收蠣顟B(tài)[2],有效性為:

式中:a1,a2分別為系統(tǒng)處于正常和故障狀態(tài)的概率 ;則有

式中:MTBF,MTTR分別為雷達系統(tǒng)平均無故障時間和平均修復(fù)時間;λ,μ分別為雷達系統(tǒng)的故障率和修復(fù)率;其中平均修復(fù)時間MTTR是修復(fù)時間T的數(shù)學(xué)期望。

4.1.2 可信賴度向量矩陣計算

執(zhí)行任務(wù)過程中,雷達系統(tǒng)的狀況會發(fā)生變化,用可信賴矩陣D描述為:

dij是系統(tǒng)開始時處于狀態(tài)i,而執(zhí)行任務(wù)過程中時刻t時處于狀態(tài)j的概率。系統(tǒng)處于正常工作時的狀態(tài)為0,故障時狀態(tài)為1。設(shè)系統(tǒng)正常工作時間和故障修復(fù)時間是一負指數(shù)分布的隨機變量,其平均正常工作時間為1/λ,平均修復(fù)時間為1/μ,在 Δ t時間內(nèi)系統(tǒng)從正常工作狀態(tài)變?yōu)楣收蠣顟B(tài)的概率為:

反之,如果系統(tǒng)處于故障狀態(tài),在 Δ t時間內(nèi)系統(tǒng)從故障狀態(tài)恢復(fù)為正常工作狀態(tài)的概率為:

把系統(tǒng)狀態(tài)變化看成是時間連續(xù)狀態(tài)離散的馬氏鏈,根據(jù)隨機過程理論,時刻t系統(tǒng)由狀態(tài)i轉(zhuǎn)變成狀態(tài)j的轉(zhuǎn)移概率函數(shù)Pij(t)滿足柯莫哥洛夫前進方程[2]:

q稱為跳躍強度,并構(gòu)成跳躍強度矩陣,可表達為:

4.1.3 固有能力向量計算

雷達系統(tǒng)的固有能力向量可以表示為C=[c1,c2]T,其中:c1,c2分別表示系統(tǒng)正常狀態(tài)、故障狀態(tài)時的固有能力量化值。顯然故障時c2=0。能力向量是系統(tǒng)性能的集中體現(xiàn)了多層次、多指標的雷達系統(tǒng)固有能力評估體系,也是求解效能的關(guān)鍵所在。本文構(gòu)建指標體系如圖1所示。

圖1 雷達系統(tǒng)固有能力指標體系

其中,各指標的權(quán)重可通過專家打分利用層次分析法確定,其評估方式采取由下至上逐級集成的順序進行。首先從二級指標入手,按照評估模型進行評估,評估分值作為上一級指標評估依據(jù),得出一級指標的評估分值,根據(jù)一級指標的評估分值,可以得出雷達系統(tǒng)固有能力的總分值。

4.2 算例

為對模型進行驗證,現(xiàn)給出算例。以某次試驗中在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下使用的某型炮位偵察校射雷達為例,對效能評估模型進行驗證。根據(jù)該炮位偵察校射雷達系統(tǒng)的技術(shù)數(shù)據(jù)和參數(shù)進行計算,可得:

通過在實驗中現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)及專家打分,可得出指標權(quán)重及效能值如表1所示。

通過計算可得固有能力向量c=[0.68,0]T。

根據(jù)雷達系統(tǒng)作戰(zhàn)過程中任意時刻所處的實際狀態(tài),利用E=A?D?C,可求出對抗條件下雷達系統(tǒng)的效能值。

表1 雷達系統(tǒng)固有能力效能

文章以WSEIAC模型為基礎(chǔ),結(jié)合實戰(zhàn)中復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境特點,給出了在對抗條件下雷達系統(tǒng)效能評估模型,為全面評估雷達系統(tǒng)提供了一種定量方法,通過此模型可分析作戰(zhàn)過程中影響雷達系統(tǒng)效能的各個因素,對于提高雷達系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能有一定的意義。

[1]邵國培,等.電子對抗作戰(zhàn)效能分析[M].北京:解放軍出版社,1998

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[3]岳宏偉,羅景青,劉有軍.星載電子對抗偵察系統(tǒng)作戰(zhàn)效能分析模型[J].解放軍電子工程學(xué)院學(xué)報,2004,23(2):32～34

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[5]裴云,劉利利.對雷達對抗反輻射導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能是的評估[J].現(xiàn)代雷達,2004,26(9):26～29