李正陽 于旭東 周 全
(國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院 長(zhǎng)沙 410073)
在軍事上,高精度自主導(dǎo)航裝備是潛艇完成任務(wù)的關(guān)鍵,科學(xué)評(píng)估其作戰(zhàn)效能對(duì)潛艇作戰(zhàn)能力提升有重要意義。液浮陀螺平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)首先應(yīng)用于海軍艦船和潛艇[1~2]。隨著技術(shù)發(fā)展,出現(xiàn)了靜電陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[3]。1980年,Sperry航海公司研究人員探討了將激光陀螺用于長(zhǎng)時(shí)間航海的可能性[4],發(fā)展至今,美軍已將AN/WSN-7系列激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛裝備于各種艦船和潛艇。
付東等解釋了列舉了常用的作戰(zhàn)效能評(píng)估方法[5]。程愷等分析了各種效能評(píng)估方法的優(yōu)勢(shì)、不足和需要注意的問題[6]。郭嬌等提出了艦載導(dǎo)航裝備綜合效能評(píng)估指標(biāo)體系[7]。本文利用已有研究成果,建立了水下自主導(dǎo)航裝備評(píng)估體系,給出計(jì)算作戰(zhàn)效能的基礎(chǔ)模型,并結(jié)合算例對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行分析。
按照指標(biāo)體系構(gòu)建的五項(xiàng)原則,將水下自主導(dǎo)航裝備效能評(píng)估體系分為五個(gè)層次,依次為綜合效能層、分系統(tǒng)效能層、裝備效能層、KADC模型層和效能指標(biāo)層[8]。將綜合作戰(zhàn)效能E分解為位置、航向、速度、姿態(tài)、深度等分系統(tǒng)作戰(zhàn)效能Ei,并將Ei進(jìn)一步細(xì)化為裝備作戰(zhàn)效能Eij,采用KADC效能評(píng)估模型對(duì)Eij進(jìn)行評(píng)估,最后選取影響KADC模型中修正系數(shù)K、可用性A、可信性D和導(dǎo)航能力C的關(guān)鍵指標(biāo)構(gòu)建效能指標(biāo)集合。圖1以位置分系統(tǒng)效能E3為例,表示該體系的基本結(jié)構(gòu)。
圖1 自主導(dǎo)航裝備作戰(zhàn)效能指標(biāo)評(píng)估體系
以激光陀螺慣導(dǎo)裝備為例給出算法模型,為計(jì)算方便,僅選取該裝備主要部分進(jìn)行分析,將其分為激光陀螺組件、加速度計(jì)組件和性能提升組件,激光陀螺慣導(dǎo)裝備性能提升的典型方案為旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)。
激光陀螺、加速度計(jì)和旋轉(zhuǎn)調(diào)制裝置三個(gè)部分正常工作的概率表示為
任意部分都存在正常和故障兩種狀態(tài),則該裝備可能存在8種作戰(zhàn)狀態(tài),可用性矩陣A表示為
其中,ai的表達(dá)式如表1所述。
表1 矩陣元ai的表達(dá)式
若考慮作戰(zhàn)過程故障無法修復(fù),則有可靠性矩陣D:
其中,矩陣元dij的表達(dá)式如表2所示。
表2 矩陣元dij的表達(dá)式
作戰(zhàn)能力C表示為
其中ci表示該裝備在狀態(tài)ai下的作戰(zhàn)能力。
依據(jù)專家對(duì)激光陀螺、加速度計(jì)和旋轉(zhuǎn)調(diào)制裝置三項(xiàng)指標(biāo)的能力評(píng)定值,運(yùn)用層次分析法對(duì)各指標(biāo)賦權(quán),可以算得8種狀態(tài)下該裝備作戰(zhàn)能力。同理,根據(jù)依賴性、抗干擾能力和經(jīng)濟(jì)性三項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)定值對(duì)修正系數(shù)K進(jìn)行有效評(píng)估。
通過查閱文獻(xiàn)、咨詢專家等方式,得到慣導(dǎo)裝備1、慣導(dǎo)裝備2和慣導(dǎo)裝備3等典型裝備的性能評(píng)定值,將不同裝備的同一指標(biāo)中,最高性能評(píng)定值設(shè)為1,其余按比例賦值,得到3型裝備性能指標(biāo)的評(píng)定值如表3所示。
表3 3型裝備性能指標(biāo)評(píng)定值
設(shè)定虛擬評(píng)估背景:一艘作戰(zhàn)平臺(tái)在某海域內(nèi)航行,對(duì)該平臺(tái)攜帶的自主導(dǎo)航裝備作戰(zhàn)效能進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。由于任務(wù)時(shí)長(zhǎng)對(duì)可靠性D產(chǎn)生影響,以20天為間隔,在10天~150天時(shí)長(zhǎng)內(nèi)計(jì)算,得到3型裝備作戰(zhàn)效能隨時(shí)間變化如表4所示。
表4 3型裝備作戰(zhàn)效能隨時(shí)間變化
其中,計(jì)算作戰(zhàn)能力C和修正系數(shù)K時(shí),構(gòu)建的判斷矩陣如下:
從表4可以看出,隨著任務(wù)時(shí)間延長(zhǎng),3型裝備作戰(zhàn)效能逐漸降低,裝備2與裝備3作戰(zhàn)效能比值越來越大。
對(duì)3型裝備作戰(zhàn)效能隨時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行繪圖分析,如圖2所示。
圖2 3型裝備作戰(zhàn)效能隨時(shí)間變化曲線
在任務(wù)時(shí)長(zhǎng)增長(zhǎng)過程中,指數(shù)形式的可信性函數(shù)起到關(guān)鍵作用,各型裝備作戰(zhàn)效能呈指數(shù)形式下降,曲線斜率在任務(wù)時(shí)長(zhǎng)等于MTBF時(shí)為1。分析發(fā)現(xiàn)裝備性能將影響作戰(zhàn)效能曲線水平位置,以裝備1為例,其陀螺精度低、系統(tǒng)對(duì)性能提升小,曲線向左平移,即任務(wù)時(shí)長(zhǎng)還未達(dá)到MTBF附近時(shí),曲線已下降至較平穩(wěn)階段。
隨著任務(wù)時(shí)間延長(zhǎng),裝備2相比裝備3越來越有優(yōu)勢(shì),為得出裝備2作戰(zhàn)效能超越裝備3的任務(wù)時(shí)長(zhǎng),對(duì)10天~20天內(nèi)作戰(zhàn)效能進(jìn)行細(xì)化計(jì)算。
圖3 裝備2和裝備3作戰(zhàn)效能對(duì)比
圖4 裝備2和裝備3作戰(zhàn)效能細(xì)化對(duì)比
當(dāng)任務(wù)時(shí)長(zhǎng)超過351h的情況下,裝備2作戰(zhàn)效能高于裝備3,潛艇可以充分根據(jù)任務(wù)需求選擇不同導(dǎo)航裝備,有效提升潛艇作戰(zhàn)效能。
分析經(jīng)濟(jì)性對(duì)裝備效能影響,在忽略經(jīng)濟(jì)性的情況下,繪制裝備2和裝備3的作戰(zhàn)效能曲線圖,如圖5所示。忽略經(jīng)濟(jì)性后,裝備3作戰(zhàn)效能將有明顯提升,在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)高于裝備2。部隊(duì)在采購裝備時(shí),若重視任務(wù)結(jié)果而不考慮成本,可以忽略經(jīng)濟(jì)性,列裝成本高、效能好的裝備;在考慮效費(fèi)比的情況下,則在滿足作戰(zhàn)需求的同時(shí)減少成本。
圖5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)裝備2和裝備3效能的影響
若不考慮其可靠性對(duì)作戰(zhàn)效能的影響,將裝備3的MTBF上調(diào)至2500h,繪制作戰(zhàn)效能曲線如圖6所示。由于裝備3中陀螺精度高,在忽略可靠性后,作戰(zhàn)效能主要由陀螺精度決定,裝備3作戰(zhàn)效能有明顯提升。由此可見,MTBF是裝備效能評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo),與它直接相關(guān)的可靠性對(duì)裝備效能的影響極大。
圖6 可靠性對(duì)裝備3作戰(zhàn)效能的影響
本文采用對(duì)作戰(zhàn)效能分層的方法構(gòu)建了水下自主導(dǎo)航裝備作戰(zhàn)效能評(píng)估體系,基于依賴性、抗干擾性和經(jīng)濟(jì)性提出修正系數(shù)K,給出了該效能評(píng)估體系的算法模型,并通過實(shí)例計(jì)算和結(jié)果分析,得出了影響自主導(dǎo)航裝備作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素。
本文提出的評(píng)估體系和對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析方法可以推廣至裝備試驗(yàn)、戰(zhàn)前評(píng)估、演習(xí)復(fù)盤等多個(gè)領(lǐng)域,有助于部隊(duì)加強(qiáng)對(duì)裝備的認(rèn)識(shí)、充分發(fā)揮裝備性能、提升部隊(duì)的戰(zhàn)斗力。