雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)作戰(zhàn)效能評估

方棉佳，王東風(fēng)

(中國人民解放軍95899部隊(duì)，北京 100094)

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雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)作戰(zhàn)效能評估

方棉佳，王東風(fēng)

(中國人民解放軍95899部隊(duì)，北京 100094)

摘要：介紹了系統(tǒng)效能的基本概念，提出了完整的雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系。建立了作戰(zhàn)效能的評估準(zhǔn)則與數(shù)學(xué)模型，并對影響偵察效能的參數(shù)進(jìn)行了分析。運(yùn)用該方法對雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)和有人機(jī)的作戰(zhàn)效能進(jìn)行了定量評估，結(jié)果驗(yàn)證了該評估準(zhǔn)則的可用性。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)對抗偵察；無人機(jī)；作戰(zhàn)效能；指標(biāo)體系

0引言

雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)是電子對抗的重要裝備，可進(jìn)行戰(zhàn)略、戰(zhàn)役和戰(zhàn)術(shù)偵察，承擔(dān)對敵防空體系雷達(dá)目標(biāo)的偵察任務(wù)，為部隊(duì)的作戰(zhàn)行動(dòng)提供電子對抗支援情報(bào)。雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)起飛后，按程序或遙控指令飛行，到達(dá)任務(wù)區(qū)后執(zhí)行偵察和監(jiān)視任務(wù)。雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)居高臨下，彌補(bǔ)了地面?zhèn)刹焓侄蔚牟蛔悖蔀閭刹煨l(wèi)星和有人偵察飛機(jī)的重要補(bǔ)充和增強(qiáng)手段，同時(shí)也成為獲取戰(zhàn)略電磁態(tài)勢情報(bào)的重要手段之一。為了對雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)功能的擴(kuò)展、作戰(zhàn)使用、作戰(zhàn)方案制定、模擬訓(xùn)練提供決策依據(jù)和參考建議，對其作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估意義重大[1-6]。

1效能評估指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

1.1　系統(tǒng)效能概念

美國空軍武器系統(tǒng)效能工業(yè)咨詢委員會(huì)把系統(tǒng)效能定義為：“系統(tǒng)效能是系統(tǒng)能滿足一組規(guī)定的任務(wù)要求之程度的量度，它是可用度、可信賴度、保障度和能力的函數(shù)”。該定義可表示為：

(1)

無人機(jī)系統(tǒng)較為復(fù)雜，牽涉的裝備較多，戰(zhàn)時(shí)其后勤保障是一個(gè)突出問題，要充分發(fā)揮系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，后勤保障是一個(gè)不可忽視的指標(biāo)。為了更充分、有效地評價(jià)雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)的作戰(zhàn)效能，體現(xiàn)戰(zhàn)時(shí)保障在作戰(zhàn)效能評估中的作用，一般將雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)的效能評估模型修正為：

E=ADCS

(2)

式中，E為系統(tǒng)作戰(zhàn)效能；A為可用度，是系統(tǒng)在開始工作時(shí)所處狀態(tài)的量度，通常用該系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)處于可工作狀態(tài)或承擔(dān)任務(wù)狀態(tài)的概率表示，它與整個(gè)系統(tǒng)(包括系統(tǒng)部件和操作者之間的接口)的初始狀態(tài)有關(guān)，反映了系統(tǒng)戰(zhàn)備情況的優(yōu)劣；D為可信賴度，已知系統(tǒng)在開始工作時(shí)所處的狀態(tài)，系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中所處狀態(tài)的量度，可信賴度常用故障率(故障密度函數(shù))、可信賴性函數(shù)和平均故障間隔時(shí)間等度量指標(biāo)進(jìn)行表示，反映了系統(tǒng)可靠性的好壞；C為作戰(zhàn)能力，已知系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中所處狀態(tài)，表示系統(tǒng)在該任務(wù)狀態(tài)中完成規(guī)定作戰(zhàn)任務(wù)之能力的量度；S為保障度，是系統(tǒng)持續(xù)工作能力的量度，它反映了操作維修人員對系統(tǒng)由故障狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)的量度。

1.2　作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系

根據(jù)系統(tǒng)效能概念和無人機(jī)作戰(zhàn)過程，雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)作戰(zhàn)效能可主要通過操作水平性系數(shù)、可執(zhí)行偵察任務(wù)性系數(shù)、偵察能力、系統(tǒng)有效性和系統(tǒng)可信度等5個(gè)方面來描述。其中，操作水平性系數(shù)是指操作人員熟悉、掌握無人機(jī)武器系統(tǒng)，駕馭使用無人機(jī)系統(tǒng)的能力水平；可執(zhí)行偵察任務(wù)性系數(shù)是指在未被擊毀條件下執(zhí)行任務(wù)的概率；作戰(zhàn)能力主要包括平臺能力、任務(wù)能力、情報(bào)處理能力和生存能力等。系統(tǒng)有效性主要體現(xiàn)在待命、機(jī)動(dòng)可靠性和可維修性等方面，系統(tǒng)可信度主要體現(xiàn)在飛行可靠性和保障性等方面。據(jù)此，建立攻防對抗條件下雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)作戰(zhàn)效能評估的指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1　雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系

2作戰(zhàn)效能評估準(zhǔn)則與模型

雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)主要完成對雷達(dá)目標(biāo)的探測、發(fā)現(xiàn)、識別和監(jiān)視等任務(wù)，因此對雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)進(jìn)行作戰(zhàn)效能評估時(shí)，可建立如下作戰(zhàn)效能評估模型：

E=KQCADS

(3)

式中，K為操作水平性系數(shù)；Q為可執(zhí)行偵察任務(wù)性系數(shù)；C為無人機(jī)偵察效能；A為可用度；D為可靠度；S為保障度。其中K值由無人機(jī)部隊(duì)訓(xùn)練和經(jīng)驗(yàn)取得，Q值由圖1模型通過概率分析求得。

對雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)偵察效能評估可選取與偵察有關(guān)的5個(gè)主要項(xiàng)目來評價(jià)。它們是基本性能、機(jī)動(dòng)性、探測/監(jiān)視能力、生存力、航程和環(huán)境影響能力。公式表示為：

C=(k1lnB+k2ln∑A+k3lnI)Kε2ε3

(4)

式中，C為偵察效能；B為平臺能力參數(shù)(航程、留空時(shí)間、使用升限、巡航速度)；A為偵察任務(wù)能力參數(shù)；I為情報(bào)處理能力參數(shù)(信息傳輸能力、信息處理能力)；k1為平臺能力參數(shù)權(quán)重；k2為偵察能力參數(shù)權(quán)重；k3為情報(bào)處理能力權(quán)重；K為操作水平系數(shù)(操控人員水平、界面友好化、自動(dòng)化程度高低等)；ε2為生存力系數(shù)(幾何尺寸、RCS值和體系支撐能力)；ε3為環(huán)境影響系數(shù)(自然環(huán)境影響和人為環(huán)境影響)。

2.1　平臺能力

平臺能力參數(shù)用飛機(jī)的巡航速度、實(shí)用升限、最大續(xù)航時(shí)間求得，公式表示為：

(5)

式中，V巡航為巡航速度；H實(shí)用為飛機(jī)實(shí)用升限；Tmax為最大續(xù)航時(shí)間；Tmax0、H0、V0分別為無人機(jī)的最大巡航時(shí)間、升限、巡航速度。

2.2　偵察能力

偵察能力參數(shù)是指雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)發(fā)現(xiàn)、截獲和識別目標(biāo)的能力。首先必須滿足能量條件。其次偵察系統(tǒng)的前端是一個(gè)在時(shí)域、空域、頻域等多維信號空間中具有一定選擇性的動(dòng)態(tài)子空間，其為在多維信號空間中的搜索窗，被偵察的雷達(dá)目標(biāo)只有落入搜索窗內(nèi)，才能被偵察到，也就是它還必須滿足截獲條件。最后截獲時(shí)間，就是偵察接收機(jī)發(fā)現(xiàn)信號所需時(shí)間，也是一個(gè)體現(xiàn)接收機(jī)探測能力的重要指標(biāo)。所以，偵察能力的性能因素可用偵察作用距離、前端截獲概率以及截獲時(shí)間3個(gè)子因素表達(dá)。

2.2.1偵察距離

偵察距離是衡量雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)作戰(zhàn)效能的一個(gè)重要指標(biāo)。對雷達(dá)信號的偵察必須要同時(shí)滿足能量和直視距離的條件，實(shí)際的偵察作用距離是兩者的最小值。由于在微波頻段以上，電波是近似直線傳播的，地球表面的彎曲對其傳播有遮蔽作用，故無人機(jī)與雷達(dá)之間的直視距離受到限制。假設(shè)雷達(dá)天線和無人機(jī)高度分別為HT、HS,則其間的無線電視距為：

(6)

式中，HT為雷達(dá)天線位置高度；HS為無人機(jī)飛行高度；RS為兩位置的無線電視距。

根據(jù)偵察方程可知，無人機(jī)的偵察距離為：

(7)

式中，Prmin為接收機(jī)靈敏度；Rr為最大偵察距離；PtGt為雷達(dá)等效輻射功率；Gr為接收天線增益；λ為雷達(dá)信號波長；L為附加損耗，包括電磁波大氣損耗、天線罩損耗、接收天線極化失配損耗、接收饋線損耗等。

所以雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)的實(shí)際偵察距離為：

(8)

2.2.2前端的截獲概率

前端的截獲概率是一個(gè)在多維空間的幾何概率問題，可以采用窗口函數(shù)模型描述。首先考慮截獲必須滿足如下條件(截獲事件)：

1)空域截獲：一般指偵察天線的半功率波束寬度指向雷達(dá)、雷達(dá)發(fā)射天線的半功率波束寬度指向偵察天線。全向偵察天線則只需雷達(dá)發(fā)射天線的半功率波束寬度指向偵察天線；可旁瓣偵察時(shí)，只需偵察天線的半功率波束寬度指向雷達(dá)，雷達(dá)天線的主瓣或副瓣指向偵察天線。

2)頻域截獲：指雷達(dá)的發(fā)射脈沖載頻落入偵察無人機(jī)瞬時(shí)測頻帶寬內(nèi)，且其脈寬滿足測頻條件。

3)其它條件：指雷達(dá)發(fā)射信號的其它參數(shù)能夠被偵察無人機(jī)正常檢測和測量。考慮到各次截獲事件滿足獨(dú)立性和無后效性，可采用泊松流描述，根據(jù)該流的性質(zhì)，在T時(shí)間內(nèi)發(fā)生k次重合的事件包括：在起始時(shí)刻即發(fā)生一次重合，在后序時(shí)間又發(fā)生了k-1次重合；在起始時(shí)刻未發(fā)生重合，在后序時(shí)間又發(fā)生了k次重合。

則前端的截獲概率為：

(9)

2.2.3截獲時(shí)間

截獲時(shí)間是指發(fā)現(xiàn)信號所需要的時(shí)間，很顯然，對于偵察接收機(jī)而言，截獲時(shí)間越短越好。與前端的截獲概率一樣，截獲時(shí)間也是一個(gè)在多維空間中的幾何概率問題?？刹捎么翱诤瘮?shù)模型來描述(同截獲概率)。

對于給定的截獲概率Pk(T)，相應(yīng)的截獲時(shí)間為：

(10)

2.2.4情報(bào)處理能力

偵察無人機(jī)對截獲到的信號進(jìn)行參數(shù)測量，而測量值的好壞將直接影響到接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力。所以測量精度和分辨率兩個(gè)指標(biāo)可作為數(shù)據(jù)處理能力的兩個(gè)子因素。具有對同時(shí)多信號檢測、測量能力的接收機(jī)，對于發(fā)生在重合窗口內(nèi)的多信號可以同時(shí)、準(zhǔn)確地測量和分辨。而沒有同時(shí)多信號檢測處理能力的接收機(jī)則會(huì)造成丟失或檢測、測量錯(cuò)誤。所以選擇脈沖丟失概率作為數(shù)據(jù)處理能力的一個(gè)子因素。偵察無人機(jī)的信號處理部分還要完成的一個(gè)重要功能是對前端輸入的密集信號進(jìn)行分選，而不同的分選方法，最主要的差別體現(xiàn)在能夠分選的信號類型和分選時(shí)間上，所以選擇分選能力作為衡量接收機(jī)的一個(gè)子因素，其中考慮了能夠分選的信號類型和分選所需時(shí)間。目標(biāo)的識別也是偵察無人機(jī)信號處理部分的重要功能，可用識別能力來進(jìn)行度量。

1)測量精度

接收機(jī)主要完成對脈沖的到達(dá)時(shí)間、到達(dá)角、頻率、脈寬以及振幅的測量，而這些參數(shù)測量結(jié)果的好壞將直接影響到偵察機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力。測量精度主要用五維測量誤差體積的倒數(shù)表示：

(11)

式中，δθRF、δθAOA、δθPW、δθPA、δθTOA分別表示頻率、到達(dá)角、脈寬、脈幅以及達(dá)到時(shí)間的測量誤差(方差)。

2)分辨率

接收機(jī)的分辨率主要是指它在方向上和頻率上選擇信號和區(qū)分信號的能力，是測頻系統(tǒng)和測向系統(tǒng)所能分開的兩個(gè)同時(shí)到達(dá)信號的最小值。分辨率可用二維分辨單元的倒數(shù)來表示：

(12)

式中，θRF、θAOA分別表示頻率、達(dá)到角的分辨單元的大小。

3)脈沖丟失概率(信號環(huán)境的適應(yīng)能力)

有很多情況會(huì)造成接收機(jī)丟失雷達(dá)脈沖，如由于信號處理對同時(shí)達(dá)到信號的處理能力、信號處理速度造成的脈沖丟失等，這里主要考慮了由于信號交迭而造成的脈沖丟失?？紤]到接收機(jī)所截獲的脈沖信號流滿足獨(dú)立性和無后效性，可采用泊松流描述，其公式如下：

(13)

式中，Pn為在取樣時(shí)間τ內(nèi)出現(xiàn)n個(gè)脈沖的概率；λ為脈沖密度；τ為取樣時(shí)間。

則在處理時(shí)間內(nèi)多于一個(gè)脈沖到達(dá)的概率為：

(14)

由式(14)可知，在密集的信號環(huán)境下，當(dāng)信號處理時(shí)間比脈沖到達(dá)時(shí)間的間隔長時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)在前面的脈沖還未處理完而后面的脈沖就已到達(dá)的情況，后來的脈沖就會(huì)因得不到處理而丟失。顯然，在密集信號環(huán)境下縮短處理機(jī)的處理時(shí)間，同樣可以有效地降低脈沖的重合概率。

4)分選能力

信號的分選能力主要體現(xiàn)在它能夠分選的信號類型及信號分選所需的時(shí)間，分選能力為：

E=k1N+k2T

(15)

式中，k1，k2為加權(quán)系數(shù)，k1+k2=1；N為能夠分選的信號類型；T為完成分選所需時(shí)間。

5)識別能力

目標(biāo)識別能力可用識別概率來描述：

(16)

式中，Ri為識別出的輻射源數(shù)；R為試驗(yàn)時(shí)信號環(huán)境中輻射源數(shù)。

2.2.5偵察能力綜合評估模型

從以上偵察能力評估指標(biāo)的量化公式可知，各評估指標(biāo)間的相關(guān)性較小，因此宜用加權(quán)合成綜合評估模型，但考慮到各評估指標(biāo)的量綱不同，無法進(jìn)行加權(quán)，所以需針對不同的偵察系統(tǒng)(ELINT、ESM、RHAW)建立其理想化模型，得到在不同偵察系統(tǒng)中的各評估指標(biāo)的理想值作為參考值，將實(shí)際值與參考值的比值作為無量綱的評估指標(biāo)值，再進(jìn)行加權(quán)。則雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)綜合性能表達(dá)式為：

(17)

加權(quán)系數(shù)應(yīng)按各性能因子的重要程度進(jìn)行合理選取，按ELINT、ESM、RHAW建立三套加權(quán)系數(shù)，其確定方法可采用專家評分法。

2.3　生存能力

生存能力系數(shù)用飛機(jī)的幾何尺寸(翼展L1、全長L2與雷達(dá)的反射截面積來計(jì)算)，公式為：

(18)

2.4　其他能力

環(huán)境影響系數(shù)、可用度、任務(wù)可靠度、保障度分別依據(jù)不同情況查閱資料給出，具體計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[3]。

3實(shí)例分析

以具有雷達(dá)對抗偵察能力的有人機(jī)和無人機(jī)為研究對象，對它們的作戰(zhàn)效能進(jìn)行分析。

3.1　評估對比

將有人偵察機(jī)和無人偵察機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)按上述相關(guān)公式計(jì)算，其綜合偵察效能對比如表1所示。

表1　航空雷達(dá)對抗偵察裝備的偵察效能對比

3.2　計(jì)算結(jié)果分析

有限的偵察載荷質(zhì)量限制了高空長航時(shí)雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)的應(yīng)用，但較長的巡航時(shí)間和良好的隱身性能提升了它的偵察效能。同時(shí)有人偵察機(jī)的雷達(dá)對抗偵察能力、情報(bào)處理能力相對于采用了新一代數(shù)字波束形成技術(shù)的雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)而言還有一定差距?？紤]以上因素，高空長航時(shí)雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)綜合偵察效能高于雷達(dá)對抗偵察有人機(jī)。

4結(jié)束語

綜上所述，在未來高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭中，雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)以其自身的突出特點(diǎn)將在戰(zhàn)爭中發(fā)揮重要作用，合理運(yùn)用有限的雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)發(fā)揮其最大的作戰(zhàn)效能是我們應(yīng)該重點(diǎn)研究的問題。分析雷達(dá)對抗偵察無人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能，不僅要選擇合理的指標(biāo)體系，同時(shí)也要構(gòu)建恰當(dāng)?shù)姆治瞿Ｐ?，只有這樣得出的評價(jià)結(jié)果才能與實(shí)際作戰(zhàn)使用相符，才能為偵察無人機(jī)裝備的論證、研制、生產(chǎn)及改造提供一定的參考?！?/p>

參考文獻(xiàn)：

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Combat effectiveness evaluation of UAV for radar

countermeasure reconnaissance

Fang Mianjia, Wang Dongfeng

(Unit 95899 of PLA, Beijing 100094, China)

Abstract：The basic concept of system effectiveness is introduced，and the integrated operational effectiveness evaluations indexes system of the UAV for radar countermeasure reconnaissance is proposed.The evaluation rule and mathematical model of the combat effectiveness are built up,and the parameters which influenced reconnaissance effectiveness are analyzed.The method can be used to achieve quantitative evaluation of the combat effectiveness of the UAV for radar countermeasure reconnaissance and the manned vehicles. The results prove the availability of the evaluation rule.

Key words：radar countermeasure reconnaissance; UAV; combat effectiveness; indexes system

中圖分類號：TN95

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：方棉佳(1978-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)殡娮訉埂?/p>

收稿日期：2015-08-26；2015-10-28修回。