基于改进ADC模型的系留升空中继通信系统作战效能评估.pdf

2023年第7期基于改进 ADC 模型的系留升空中继通信系统作战效能评估郎为民，安海燕，廖非凡，王振义，邹力（国防科技大学信息通信学院，湖北省武汉市 430010）摘要科学评估系统和装备的作战效能，对合理使用系统和装备、充分发挥系统和装备作战能力有着重要的实践意义和指导作用。文章分析系留升空中继通信系统作战效能的影响因素，构建包括可用性、可信性、信息通信保障能力和战场环境因子在内的改进 ADC评估模型，最后通过实例评估验证改进 ADC 模型的可行性。评估结果表明，通过增加战场环境因子，系留升空中继通信系统作战效能评估更加贴近实战。关键词系留升空中继通信系统；改进 ADC 模型；作战效能；评估模型0引言系留升空中继通信系统是一种复杂通信系统，它基于无人直升机或多旋翼无人机，由地面电源和系留线缆负责供电，搭载无线电台或通信基站，使无人机不受电池电量的限制而实现长时间滞空飞行，不间断地执行中继通信任务。也就是说，系留升空中继通信系统的升空载体通常是无人直升机或多旋翼无人机，配装的载荷是无线电台或通信基站，充当中继站，可与地面、海上、空中用户建立通信联络。系留升空中继通信系统特别适用于长时间机动或丛林、山地等特殊情形下的通信，可提供动中通、中远距离和复杂地形环境等特殊情况下的中继通信1-3。对系留升空中继通信系统的作战效能进行评估，有助于量化分析系统中的通信装备组网实效，可为系统的科学部署和合理运用提供理论支撑，具有重要的指导意义4-6。1指标体系构建通常，系留升空中继通信系统由系留多旋翼无人机升空平台、数据链、系留升空通信载荷和地面设备等部分组成。1.1影响因素分析总体来看，系留升空中继通信系统作战效能既受主观内因的影响，又受客观外因的影响；既受制于系统固有能力，又受制于外部环境。在梳理影响系留升空中继通信系统作战效能的主要因素时，可从系留多旋翼无人机升空平台和系留升空通信载荷两方面进行分析。影响系留升空中继通信系统作战效能的主要因素如图 1 所示。影响系留多旋翼无人机升空平台作战效能的主要因素包括基本性能、环境适应性和生存能力等。其中，基本性能体现在升空高度、有效载荷、滞空工作时间、展开时间和撤收时间等方面；环境适应性体现在地理环境适应性、气候条件适应性和电磁环境适应性等方面；生存能力体现在伪装效果、机动性、抗摧毁能力、抗风能力、可靠性、维修性等方面。影响系留升空通信载荷作战效能的主要因素包括基本性能、互联互通性能和安全防护等。其中，基基金项目：装备综合研究计划2021年度研究类项目“系留升空中继通信系统组织运用研究”（ZBKY-ZH-2117），国家自然科学基金资助项目“节能无线认知传感器网络协同频谱感知安全研究”（61100240）。技 术 交 流2023年第7期本性能体现在工作频段、通信距离、信息速率、接入用户数和无线信道数量等方面；互联互通性能体现在组网模式、路由性能和组网控制等方面；安全防护体现在密钥注入、一键毁钥和密码保密等方面。1.2确立指标体系通过分析系留升空中继通信系统作战效能影响因素，采取分类和聚合的方法，从可用性（A）、可信性（D）、信息通信保障能力（C）和战场环境因子（B）四个层面出发，层层分解得到系留升空中继通信系统作战效能评估指标体系，如图 2 所示。其中，可用性包括平均无故障工作时间和平均修复时间；可信性包括可靠性和修复率；信息通信保障能力包括平台生存能力、载荷互通能力、服务提供能力和安全防护能力；战场环境因子包括地理环境、气候条件和电磁环境。1.3指标权重确定在进行作战效能评估时，可用性、可信性、信息通信保障能力和战场环境因子的指标权重需要确定，可采用层次分析法来构建两级评估指标体系，并根据德尔菲法，基于专家意见来完成比较矩阵的构建，并开展一致性检验，得到比较矩阵的特征向量作为各级指标权重向量。然后，对权重进行加权平均，再次向专家征求意见，调整后即可得到各级指标的权重。2评估模型构建对系留升空中继通信系统作战效能进行评估是一项复杂艰巨的任务，它与地理环境适应能力、气候图 1影响系留升空中继通信系统作战效能的主要因素技 术 交 流2023年第7期图 2系留升空中继通信系统作战效能评估指标体系条件和电磁环境等因素密不可分。在传统 ADC 模型的基础上，增加环境因子（B）进行优化和改进，改进后的系留升空中继通信系统作战效能评估模型为E=%A D C （1-B）（1）2.1可用性向量可用性向量 A 表示系留升空中继通信系统在开始执行任务时的状态，它是一个行向量，用于对工作状态进行衡量。如果系留升空中继通信系统存在着 n 种状态，那么 A 就是一个 n 维向量（1%n 阶矩阵）。显而易见，可用性向量 A 可表示为A=a1a2an（2）式中，n 表示初始状态数量，ai表示系留升空中继通信系统在初始时状态为 i 的概率，此时有（3）对于系留升空中继通信系统来说，其构成要素之间可以看作是串联关系，即当某个构成要素处于故障状态时，整个系留升空中继通信系统就处于故障状态。因此，系留升空中继通信系统仅存在两种状态：正常状态和故障状态。所以可用性向量 A 可简化为（4）式中，a1、a2分别为系留升空中继通信系统开始执行任务时处于正常状态和故障状态的概率，a1%+a2=1，a1可表示为（5）式中，MTBF 为平均无故障工作时间，是用于衡量系留升空中继通信系统可靠性的指标；MTTR 为平均修复时间，用于表示系留升空中继通信系统由故障状态转为工作状态时的修理时间平均值；为故障率，用于表示系留升空中继通信系统在单位时间内发生故障的概率；为修复率，是用于衡量系留升空中继通信系统维修性的指标。2.2可信性矩阵可信性是用于衡量系留升空中继通信系统稳定性的指标，可描述系留升空中继通信系统能否持续工作、圆满完成信息通信保障任务。它是一种动态过程，系留升空中继通信系统因系统自己的变化或者修复维护，在正常运行时的某种状态可以转化为其他状态。考虑到系留升空中继通信系统只有正常状态和故障状态，其可信性矩阵 D 可表示为（6）式中，dij表示系留升空中继通信系统在开始执行任务时处于 i 状态，而在任务完成时处于 j 状态的概率。假设系留升空中继通信系统的故障率和修复率均服从指数分布，且任务持续时间为 T，则可信性矩阵 D 可表示为（7）技 术 交 流2023年第7期2.3信息通信保障能力矩阵信息通信保障能力矩阵 C 是系留升空中继通信系统能力的集中体现，用于衡量系统在已知状态条件下圆满完成信息通信保障任务的能力。考虑到系留升空中继通信系统只有正常状态和故障状态，信息通信保障能力矩阵 C 可表示为（8）式中，C为系留升空中继通信系统在正常状态下的固有信息保障能力值。根据已确立的系留升空中继通信系统作战效能评估指标体系，能力可分为平台生存能力、载荷互通能力、服务提供能力和安全防护能力等 4 个二级指标。采用层次分析法，可以得到各个指标的权重。2.4战场环境因子战场环境因子与地理环境、气候条件和电磁环境密切相关，各个指标权重仍采用层次分析法得到，指标数值由作战指挥人员、系统操作人员、维修保障人员和系统开发人员等 4 个层次的人员打分取平均值的方式得到，取值范围为 01。战场环境因子 B 的计算模型为（9）式中，vj为子指标权重；bj为指标数值。3实例验证评估为验证评估模型的可行性，下面以系留升空中继通信系统执行高寒山地通信保障任务为评估实例，应用上述评估模型进行作战效能评估。3.1评估过程1）计算可用性向量 A根据历史统计数据，系留升空中继通信系统的平均无故障工作时间（MTBF）为 72%h，平均修复时间（MTTR）为 0.5%h，在执行信息通信保障任务时，持续时间为 1%h。将其代入式（5）中可得：A=0.9948%0.0052（10）2）计算可信性矩阵 D系留升空中继通信系统的平均无故障工作时间（MTBF）为 96%h，平均修复时间（MTTR）为 0.5%h，持续时间为 8%h。将其代入式（7）中可得：（11）3）计算信息通信保障能力矩阵 C使用数据采集的办法，得到信息通信保障能力C 的指标数值见表 1。表 1信息通信保障能力指标值采用层次分析法，得到指标的权重向量分别为V=（0.3266,0.2793,0.1832,0.2109）（12）于是，有（13）能力矩阵可表示为：（14）4）计算战场环境因子 B通过专家打分，得到战场环境因子 B 的指标数值见表 2。表 2战场环境因子指标值采用层次分析法，得到指标的权重向量分别为W=（0.3792,%0.2263,%0.3945）（15）根据公式（9），计算得出：技 术 交 流指标平台生存能力数值90载荷互通能力97服务提供能力95安全防护能力92指标地理环境数值0.34气候环境0.19电磁环境0.472023年第7期技 术 交 流!下 期 要 目 预 告白话6G应用场景杭州亚运会消防安保系统设计和实现基于云网融合的新型城域网组网架构研究电信运营商SD-WAN部署实践运营商多渠道协同平台的建设与应用研究互联网交换中心跨地区远程对等互联的研究（16）5）计算评估结果基于上述各因子的计算结果，可以得到系留升空中继通信系统作战效能为E=%ADC（1-B）=53.7895%（17）如果采用传统 ADC 模型进行计算，则系留升空中继通信系统作战效能为E=%ADC=%83.6930（18）3.2评估结果分析从最终评估结果看，由于在传统 ADC 模型中加入了战场环境因子，使用改进 ADC 模型计算出的系留升空中继通信系统作战效能评估值，低于采用传统 ADC 模型得到的系留升空中继通信系统作战效能评估值。但是，考虑到系留升空中继通信系统作战效能需要将无人机部署在真实战场环境中，因而优化改进后的作战效能评估模型更加贴近实战。从评估结果的数值波动范围来看，战场环境因子对系留升空中继通信系统作战效能影响较大。这意味着，科学部署、正确操作并及时维修系留升空中继通信系统，提升其环境适应能力，可以大幅提升其作战效能。4结束语作战效能评估对于科学合理地部署系统和充分发挥系统作战能力有着重要的理论意义和指导作用。本文在分析系留升空中继通信系统作战效能影响因素的基础上，构建起作战效能评估指标体系，优化了传统 ADC 效能评估模型，增加了战场环境这一影响因子，既弥补了传统 ADC 模型的缺陷，又提升了效能评估的实战性。但是，在战场环境因子的指标赋值上，采取的是人工打分方式，主观性较强。下一步，需要对此进行改进，以提升指标赋值的科学性。参考文献1郎为民，田尚保，邹力，等.%系留升空中继通信系统组网模式研究 J.%电信快报，2022（2）：1-4.2郎为民，田尚保，李宇鸽，等.%升空中继通信系统研究 J.%电信快报，2022（3）：1-5.3郎为民，李宇鸽，王振义，等.%系留无人机通信问题研究 J.%电信快报，2023（1）：1-4，13.4罗杰，苏兵，迟铭，等.%改进 ADC 模型的空中无人通信平台作战效能评估 J.%火力与指挥控制，2022，47（5）：124-129.%5方勇.%基于 ADC 和 AHP 的 UUV 装备作战效能分析 J.%兵工自动化，2022，41（10）：84-87.6胡昌栋，滑楠，杨琪，等.%基于改进 ADC 法的高原信息通信装备作战效能评估 J.%火力与指挥控制，2021，46（8）：26-33,39.郎为民（1976），男，研究员，硕士生导师，博士，主要研究方向为无人通信、智能与无人系统和大数据。收稿日期：2023-06-07