雷達組網(wǎng)系統(tǒng)效能評估指標體系設計

朱興樂

(解放軍91336部隊，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中戰(zhàn)場環(huán)境日益復雜，從而對防空預警的探測及情報信息質(zhì)量提出了越來越高的要求。為獲得更加準確完善的探測信息，通過將多部不同功能、體制、頻段、精度的雷達合理布站組網(wǎng)，采用融合控制中心對點航跡進行融合處理，實現(xiàn)空域、時域和頻域的功能互補，形成具有系統(tǒng)探測優(yōu)勢的雷達組網(wǎng)系統(tǒng)。雷達組網(wǎng)系統(tǒng)克服了各單部雷達獨自探測所帶來的性能局限和資源浪費，其探測能力和情報質(zhì)量都有了較大的提高。為尋求雷達組網(wǎng)的最佳組合方案，發(fā)揮組網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)性能，需要在探測、情報及四抗等方面進行全面系統(tǒng)的效能評估，以求能夠找到組網(wǎng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)及不足之處，并對其組網(wǎng)方案進行改進和完善，為此需建立相適應的效能評估指標體系。

針對雷達組網(wǎng)效能評估，相關學者進行了大量研究，文獻[1]從網(wǎng)絡化作戰(zhàn)需求出發(fā)構(gòu)建了組網(wǎng)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能評估指標體系，并提出了分項指標概念內(nèi)涵和計算模型與方法；文獻[2]結(jié)合任務和具體的對抗態(tài)勢，進行了雷達組網(wǎng)作戰(zhàn)效能評估，真實地反映了雷達組網(wǎng)在對抗過程中的作戰(zhàn)效能；文獻[3]將雷達組網(wǎng)探測能力分解為中高空目標、低空/超低空目標、隱身目標探測能力和電子干擾條件下探測能力，建立了指標體系結(jié)構(gòu)，定義了底層指標的計算模型。由于雷達組網(wǎng)系統(tǒng)本身構(gòu)成裝備多樣，組合方式靈活，功能體制不同，沒有一個通用的評估體系可適用，因此需要針對性地重新構(gòu)建合理的評估指標，以對不同的組網(wǎng)系統(tǒng)進行合理完善的評估。本文首先明確了構(gòu)建評估體系的基本原則，并分別在雷達組網(wǎng)的探測性能、情報保障能力及抗隱身與抗干擾等方面進行設計評估指標體系，為體現(xiàn)組網(wǎng)前后的性能改善，采用提升率定義各分項指標的計算模型，為組網(wǎng)系統(tǒng)評估的具體實施提供了重要的技術支撐。

1 構(gòu)建原則

評估指標體系是對雷達組網(wǎng)體系評估的依據(jù)和基礎，為能全面、真實、客觀地反映出雷達組網(wǎng)的探測效能，在構(gòu)建組網(wǎng)雷達評估體系時需要遵循以下基本原則[4]：

(1) 完備性

從組網(wǎng)雷達系統(tǒng)的整體性能出發(fā)，建立評估指標體系，應充分考慮組網(wǎng)系統(tǒng)的各項能力，并定義對應各項能力的指標，形成完善可靠的性能指標體系，以全面反映組網(wǎng)系統(tǒng)的整體性能。

(2) 針對性

組網(wǎng)雷達系統(tǒng)組成部分多樣，構(gòu)成方式靈活，效能評估對象豐富，而對不同的組網(wǎng)系統(tǒng)，其功能使命及作戰(zhàn)任務截然不同，若對每項能力進行評估則涵蓋范圍太大，在具體指標設計時要突出重點、分清主次，依據(jù)組網(wǎng)系統(tǒng)的主要實現(xiàn)目的構(gòu)建評估體系，體現(xiàn)組網(wǎng)系統(tǒng)主要功能的改善程度。

(3) 準確性

從不同角度和關鍵性能上進行指標設計，建立的評估指標體系能夠準確反映裝備組網(wǎng)后的性能改善變化，并為組網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及方案部署的改進提供數(shù)據(jù)支撐。

(4) 可靠性

對組網(wǎng)系統(tǒng)的評估結(jié)果真實可靠，其指標結(jié)果能夠真實體現(xiàn)雷達組網(wǎng)相對單部雷達設備的性能改善及變化。

(5) 可操作性

依據(jù)評估指標定義設計試驗方案，指標實現(xiàn)過程條理清晰，有具體的試驗步驟及評估方法，可得出定量的指標結(jié)論并便于定量分析，具備可重復操作性。

2 評估指標體系構(gòu)成

構(gòu)建詳細合理的評估指標體系，是對雷達組網(wǎng)系統(tǒng)進行正確評估的核心。本文對組網(wǎng)系統(tǒng)的評估指標體系進行了詳細設計，根據(jù)評估體系構(gòu)建的原則采用層次結(jié)構(gòu)模型建立體系，考慮評估指標進行分類處理，建立了3層指標結(jié)構(gòu)對指標進行闡述，具體如圖1所示。

圖1 雷達組網(wǎng)性能評估指標體系

由圖1可知，將探測性能指標分解為發(fā)現(xiàn)概率提高量、發(fā)現(xiàn)距離提高量、跟蹤精度提高量、探測范圍提高量；信息保障能力分為航跡關聯(lián)成功率、情報數(shù)據(jù)率提高量、目標識別準確率、目標航跡處理容量；四抗能力分為抗干擾能力、抗隱身能力、抗反輻射能力、抗低空突防能力。

3 評估指標內(nèi)容及計算方法

3.1 組網(wǎng)探測能力

雷達裝備進行組網(wǎng)探測，系統(tǒng)的整體探測性能并不是各單部雷達或組網(wǎng)雷達與融控中心能力的簡單相加，其能力在目標探測概率、及時性、準確度上都會有較大提高，為清晰表達組網(wǎng)系統(tǒng)相比組網(wǎng)前單部雷達性能的提升程度，采用性能的提高量或提升率定義評估指標。

3.1.1 發(fā)現(xiàn)概率提高量

在目標探測過程中單部雷達對空間某一點的發(fā)現(xiàn)概率為Pdi，則定義組網(wǎng)前的發(fā)現(xiàn)概率為各單部雷達發(fā)現(xiàn)的最大值：

P=max(Pd1，Pd2，…Pdn)

(1)

組網(wǎng)后經(jīng)融控中心得出的目標發(fā)現(xiàn)概率為PD，相對組網(wǎng)前的發(fā)現(xiàn)概率提高量為：

(2)

3.1.2 發(fā)現(xiàn)距離提高量

各單部雷達對飛行目標的發(fā)現(xiàn)距離為Ri，將其中發(fā)現(xiàn)距離最大值Rmax作為組網(wǎng)前的發(fā)現(xiàn)距離，雷達組網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)融控中心進行數(shù)據(jù)融合后得出探測目標的發(fā)現(xiàn)距離具體值Rnet，則雷達組網(wǎng)系統(tǒng)相對組網(wǎng)前的發(fā)現(xiàn)距離提高量ΔR為：

(3)

3.1.3 探測范圍提高量

采用探測范圍提高率來表示組網(wǎng)前后探測范圍的改善程度。設定組網(wǎng)前探測范圍是各單部雷達發(fā)現(xiàn)概率大于0.8的探測面積Si的集合并集[5]：

(4)

雷達組網(wǎng)后通過融控中心得出探測區(qū)域內(nèi)的目標發(fā)現(xiàn)概率，并定義組網(wǎng)后探測面積為發(fā)現(xiàn)概率大于0.8的單元集合Sh。組網(wǎng)后通過數(shù)據(jù)融合提高了發(fā)現(xiàn)概率，對應探測面積的提高量為：

(5)

3.1.4 定位精度提高量

假設Xi(k)=[xi(k),yi(k),zi(k)]T是單部雷達第i次(i=1,…，M)試驗下第k時刻得到的目標點跡，X(k)=[x(k),y(k),z(k)]T是第k時刻目標的真實位置，則此雷達的定位誤差為[6-7]：

(6)

(7)

3.2 信息保障能力

信息保障能力反映了雷達組網(wǎng)系統(tǒng)對探測目標的情報信息處理能力，可以用航跡關聯(lián)成功率、情報數(shù)據(jù)率提高量、目標融合識別能力、目標航跡處理容量等分項指標來描述。

3.2.1 航跡關聯(lián)成功率

航跡關聯(lián)成功率體現(xiàn)了組網(wǎng)系統(tǒng)正確識別出目標屬性的能力。在探測重疊區(qū)內(nèi)多目標進行探測，設定真實航跡數(shù)量為n，各單部雷達對飛行目標探測產(chǎn)生多條航跡，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后進行航跡關聯(lián)，其中部分航跡會關聯(lián)失效，或關聯(lián)不充分，經(jīng)與真實航跡進行比較，航跡成功關聯(lián)數(shù)量為m，定義組網(wǎng)雷達數(shù)據(jù)融合后航跡關聯(lián)成功率為:

(8)

3.2.2 情報數(shù)據(jù)率提高量

情報數(shù)據(jù)率提高量體現(xiàn)了組網(wǎng)雷達系統(tǒng)對飛行目標發(fā)現(xiàn)的即時性與快速性。在探測范圍重疊區(qū)內(nèi)各雷達對飛行目標進行探測，定義情報數(shù)據(jù)的平均更新時間[8]為：

(9)

式中：N為目標飛行試驗次數(shù)；Tj為第j次飛行在重疊區(qū)的時間；Mj為經(jīng)融合后的目標探測點數(shù)。

定義組網(wǎng)前單部雷達的情報數(shù)據(jù)率為T0b，組網(wǎng)后相對組網(wǎng)前的情報數(shù)據(jù)率提高量為ΔT：

(10)

3.2.3 目標識別準確率

目標融合識別能力是指組網(wǎng)系統(tǒng)能夠在規(guī)定時間內(nèi)對飛行目標的屬性進行正確識別，其實時性體現(xiàn)了作戰(zhàn)環(huán)境的客觀需求，在具體評估時采用目標識別準確率進行描述。定義組網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標的數(shù)量為B，正確識別目標屬性的數(shù)量為A，則目標識別準確率ρ為：

(11)

3.2.4 目標航跡處理容量

雷達組網(wǎng)系統(tǒng)在進行空情觀察時觀測到的最大航跡數(shù)目，定義為目標航跡處理容量，體現(xiàn)了組網(wǎng)雷達同時觀測的最大能力。當空中目標航跡數(shù)目逼近目標航跡處理容量時，能夠最大限度地發(fā)揮組網(wǎng)雷達的探測能力，觀測效益也達到最大，超過目標航跡處理容量時，觀測性能飽和，不利于空情觀察。

3.3 組網(wǎng)四抗能力

雷達組網(wǎng)系統(tǒng)的四抗能力包括抗干擾、抗隱身目標、抗低空突防和抗反輻射4個方面，其中抗干擾和抗隱身能力為研究的熱點，本文對此進行描述。

3.3.1 抗干擾能力

組網(wǎng)雷達抗干擾能力度量公式綜合考慮了組網(wǎng)雷達本身的抗干擾能力對整個系統(tǒng)的主要貢獻，仿照單部雷達抗干擾管理度量公式，定量計算了組網(wǎng)雷達的抗干擾能力。組網(wǎng)雷達的綜合抗干擾能力由兩部分組成：一部分是網(wǎng)內(nèi)雷達本身的抗干擾能力；另一部分是組網(wǎng)技術帶來的附加因子。組網(wǎng)雷達的抗干擾能力(CJ)可以由下式計算[9]：

CJ=N·Kk1·(2-η)k2·(1+J)k3·

(12)

式中：N為雷達數(shù)；K為雷達網(wǎng)平均空域重疊系數(shù)；η為雷達網(wǎng)頻域重疊系數(shù)；J為雷達網(wǎng)極化類型系數(shù)；S為雷達網(wǎng)信號類型系數(shù)；ηe為雷達網(wǎng)信息綜合(融合)處理能力；CJi為第i部雷達的抗干擾能力；ri為第i部雷達的探測距離；rav為雷達網(wǎng)平均探測距離；ki為各參數(shù)對雷達網(wǎng)抗干擾能力貢獻大小的因子。

3.3.2 抗隱身能力

組網(wǎng)雷達抗隱身能力的強弱不僅取決于網(wǎng)內(nèi)單部雷達抗隱身能力，還與組網(wǎng)雷達采取的各種抗隱身戰(zhàn)術技術措施有關。單部雷達的抗隱身能力度量因子為[10]：

(13)

式中：Pt為發(fā)射功率；Gt為天線增益；F為噪聲系數(shù)；T為目標駐留時間；τ為脈沖寬度。

組網(wǎng)系統(tǒng)的抗隱身能力大體為各單部雷達的反隱身能力之和，考慮反隱身度量因子，則組網(wǎng)雷達的抗隱身能力度量公式為：

(14)

式中：N為雷達的組網(wǎng)數(shù)目；Sf為頻域抗隱身因子；Ss為空域抗隱身因子；Si為信息融合抗隱身因子。

4 效能評估試驗流程

雷達組網(wǎng)系統(tǒng)效能評估主要分為3個階段：首先是準備階段，構(gòu)建雷達探測組網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)評估任務進行指標體系設計，建立評估模型及計算公式；其次是試驗階段，根據(jù)評估指標設計試驗步驟并進行仿真模擬，獲取評估結(jié)果；最后是分析及反饋階段，分析評估結(jié)果及數(shù)據(jù)，并對組網(wǎng)系統(tǒng)及評估體系進行改進。

圖2 雷達組網(wǎng)性能評估流程圖

雷達組網(wǎng)效能評估的流程如圖2所示，具體步驟為：

(1) 首先根據(jù)作戰(zhàn)任務實際需求，明確效能評估的主要內(nèi)容及對象；

(2) 構(gòu)建評估體系，定義評估指標及計算模型，設計相應的評估仿真系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫；

(3) 根據(jù)指標內(nèi)容構(gòu)建態(tài)勢，并設計試驗的具體實施步驟；

(4) 進行多次仿真試驗，計算評估指標并獲取多次評估結(jié)果；

(5) 對結(jié)果進行分析校驗，若結(jié)果不能充分體現(xiàn)組網(wǎng)系統(tǒng)性能，可對指標體系進行重新修正及改進。

5 結(jié)束語

雷達組網(wǎng)系統(tǒng)效能評估指標體系的建立對雷達組網(wǎng)具有重要意義。本文在評估體系構(gòu)建原則基礎上，對評估指標體系的具體構(gòu)成及指標內(nèi)容進行了詳細設計，提出采用提高量的方法進行表征組網(wǎng)前后的效能提升程度，并對試驗流程中的實施步驟進行了說明。由于組網(wǎng)系統(tǒng)評估較為復雜，需要進行較多的試驗對其進行準確的評估，并根據(jù)評估結(jié)果不斷修正，具體可在今后的實踐中進一步完善。