無人機偵察效能研究

王慶江，彭 軍，倪保航，徐學文，單 鑫

（海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001）

無人機偵察效能研究

王慶江，彭 軍，倪保航，徐學文，單 鑫

（海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001）

攜帶偵察設備對指定區(qū)域進行偵察是無人機在現(xiàn)代戰(zhàn)場上的重要應用之一。以無人機為平臺，以CCD攝像機為偵察設備，提供了一種無人機執(zhí)行偵察任務時的效能評估模型。在給出了無人機及偵察設備模型的基礎上，從影響無人機的偵察能力和偵察代價兩個方面著手，建立了對無人機偵察方案進行效能評估的模型，從而解決了偵察方案優(yōu)劣的評價問題，這對無人機高效的執(zhí)行偵察任務提供了理論決策依據(jù)。

無人機，偵察，CCD，效能評估

0 引言

由于偵察時戰(zhàn)場環(huán)境、偵察任務目的不同，無人機的偵察路徑也不同，一般可以分為對相距較遠的、孤立目標進行偵察和大區(qū)域的、不明目標進行偵察兩種情況，文中只針對后一種情況。

對區(qū)域目標偵察有多種方案，每種方案的費效比顯然不同。因此，建立一個有效的偵察任務效能評估模型，從而每次執(zhí)行偵察任務時在眾多備選方案中找出一個較優(yōu)方案，就顯得尤為必要。

1 無人機偵察系統(tǒng)模型

無人機偵察系統(tǒng)的模型主要指無人機模型和偵察設備模型。

1.1 無人機模型

無人機在空間的運動可以用一個六自由度的空間質(zhì)點運動來描述，具體模型見文獻［1］。

反應無人機性能的參數(shù)較多（如速度、飛行高度等），其中較重要的其的過載能力（也可稱為加/減速度能力），它直接決定了無人機的機動轉(zhuǎn)彎性能（用“最小轉(zhuǎn)彎半徑”描述），具體見文獻［2］。

1.2 傳感器模型

無人機執(zhí)行偵察任務時所搭載的傳感器對偵察效果影響很大，文中無人機所搭載的探測用傳感器為CCD攝像機［3］（簡稱為CCD），并假設CCD通過萬向支架（云臺）安裝在無人機機頭下方的半球形轉(zhuǎn)塔內(nèi)。

CCD工作時的瞬時探測區(qū)域是一個很重要的參數(shù)，它與CCD的視場角、俯仰角及無人機的飛行高度和飛行姿態(tài)有關，見圖1所示。設無人機作定高飛行，O點是CCD的安裝位置，OG軸為CCD的光軸在無人機飛行平面上的投影。圖1（a）是CCD對地探測的示意圖，圖1（b）是此示意圖在過OX軸所在的鉛垂面內(nèi)的投影。圖1（a）中，平面Ve表示目標所在的平面，即水平面。一般情況下CCD所能探測到Ve中的區(qū)域Vaim是一個由點A、D、B、C圍成的橢圓，它就是CCD的瞬時探測區(qū)域，稱為CCD的“探測靶面”，簡稱為靶面。在圖中，CO是靶面的中心，直線OCO為CCD的探測距離，rlong（直線段CD）和rshort（直線段AB）分別稱為靶面的長軸和短軸。點C和點D分別稱為長軸的近點和遠點。過O點向目標所在的平面做垂線并與CD或其延長線交于E點，則OE就是無人機的飛行高度H?！螦OB、∠COD分別是CCD的水平和垂直視場角，分別用α、γ表示（兩參數(shù)一般相等）?！螪OX是CCD光軸與機軸所形成的俯仰角，也稱為安裝角，用β表示。

圖1 CCD的瞬時探測區(qū)域

下面計算靶面的rlong與rshort。當無人機作定高飛行時，設CCD的俯仰角為β，CCD的視場角為γ，無人機的飛行高度為H。在無人機的滾轉(zhuǎn)角為零的條件下，由圖1（b）可得靶面的rlong為：

由圖1（a），可得靶面的rshort：

線段OCO是CCD與掃描靶心間的距離。當無人機執(zhí)行偵察任務時，它就是在參數(shù)為H、α、β、γ時無人機的偵察距離Dscout，其值可以通過調(diào)整CCD的α、β、γ角來實現(xiàn)。由圖1可得。

將式（3）代入式（2）中，可得：

在圖中直線EC也是一個很重要的參數(shù)，它表示“從CCD在Ve中的投影點E到此點與靶面長軸的近點C”之間的一段長度，由于CCD的俯仰角和視場角的限制，落在此直線所在區(qū)間的目標并不能被掃描到，因此，被稱作CCD的偵察“盲區(qū)”，用Dfront來表示，其值為：

無人機無論工作在偵察狀態(tài)還是跟蹤狀態(tài)，目標都必須位于靶面內(nèi)。當無人機在一定高度水平飛行，并保持β、γ角不變時，它的靶面掃過的區(qū)域就形成了一條帶狀區(qū)域，稱之為探測帶，此探測帶的寬度為靶面的短軸rshort。在偵察的過程中無人機要想對偵察區(qū)域進行全偵察，則必須使探測帶掃描完全部的偵察區(qū)域。

2 無人機偵察效能模型

無人機執(zhí)行偵察任務時可以從偵察能力和偵察代價兩個方面對其效能進行考查。

2.1 系統(tǒng)偵察能力分析

無人機完成任務的能力Wcan（Wcan∈［0，1］）實際上就是無人機在偵察區(qū)域Sre（Sre是一個位于水平面內(nèi)的矩形平面，被偵察目標分布于此區(qū)間）中偵察到目標的能力，它可以用發(fā)現(xiàn)目標的概率Pf（Pf∈［0，1］）、對目標的漏掃率Pm（Pm∈［0，1］）、系統(tǒng)性能概率Pd（Pd∈［0，1］）這3個參數(shù)表示：

無人機在執(zhí)行偵察任務時發(fā)現(xiàn)目標的概率Pf是指當無人機在對偵察區(qū)域Sre進行偵察時，對存在于偵察區(qū)域中被偵察目標的發(fā)現(xiàn)能力。Pf可用下式表示：

其中：Ps（Ps∈［0，1］）表示目標位于無人機探測帶內(nèi)并被偵察到的概率；Pp（Pp∈［0，1］）表示目標落入探測帶內(nèi)，但沒有落在“不能發(fā)現(xiàn)目標的區(qū)域”的概率。

在CCD的分辨率已定的情況下，Ps與落入探測帶內(nèi)目標的大小及目標識別的方法有關。如果目標太小或目標識別的方法不合理，即便是它被CCD偵察到也不會被識別到。Ps是一個描述目標特性及偵察系統(tǒng)后期目標處理能力的參數(shù)。

Pp主要是反映無人機與目標的相對位置關系，并且反映Sre中地貌特征的一個參數(shù)。無人機在對偵察區(qū)域內(nèi)的目標進行偵察時，對于落入探測帶內(nèi)的目標，并不一定能偵察到此目標，見圖2所示。

圖2 在鉛垂面內(nèi)，障礙物對CCD偵察效能影響的示意圖

由圖2可知，由于受到障礙物的影響，對于位于探測帶AB內(nèi)“不能發(fā)現(xiàn)目標的區(qū)域”FG中的目標，CCD并不能偵察到此目標。Pp與無人機相對于障礙物的高度、無人機上CCD的視場角、目標是否在其附近施放了干擾或進行了偽裝等因素有關。

對目標的漏掃率Pm是指在Sre中存在‘無人機根本就沒有掃描到的區(qū)域（即：漏掃區(qū)，見圖3所示）’的概率，它是一個反映偵察方案中偵察模式的參數(shù)。

Pd是個系統(tǒng)性能概率，它指無人機所搭載的偵察設備由于自身的原因、無人機本身性能的原因、無人機沒有嚴格按照規(guī)劃路徑飛行、環(huán)境中有風或有雨或有霧等原因所導致的‘本該被掃描但實際沒有被掃描’的概率。

圖3 無人機‘漏掃區(qū)’示意圖

對于Psc，可以用漏掃區(qū)域Ssc（SscSre）占Sre的比例來表示。

Pd是一個反映偵察設備、無人機性能、環(huán)境因素的參數(shù)，它表明：無人機所搭載的偵察設備性能越好、無人機系統(tǒng)性能越好、環(huán)境條件越好，則無人機的偵察效能也越高。

2.2 系統(tǒng)偵察代價分析

無人機執(zhí)行偵察任務時所付出偵察代價Wcost（Wcost∈［0，1］）包括如下4部分：①整個偵察過程的總飛行路徑長度代價Dpath。Dpath包括在偵察區(qū)內(nèi)飛行的路徑長度、從起點飛到‘進入偵察區(qū)點’的路徑長度、從‘離開偵察區(qū)點’飛到終點的路徑長度；②執(zhí)行偵察任務所費的油料代價Ooil；③完成偵察任務所費的時間代價Ttime；④禁飛區(qū)、障礙物、防空武器（導彈、火炮）、雷達等對無人機執(zhí)行偵察任務的威脅代價Tthreat。因此，可得下式：

設無人機第j條偵察路徑（即第j種偵察方案）由m條航路組成，當無人機作勻速飛行時，其按第i（0≤i≤m）條航路飛行時的耗油量Coil表示為：

其中tj、roil-j、Dj、Vj是無人機按第i條航路飛行時的飛行時間、耗油率、航路長度、飛行速度。

無人機一般情況下作勻速飛行。對于變速飛行，可以認為無人機按平均速度飛行，從而將變速飛行轉(zhuǎn)化為勻速飛行。在某一高度的勻速飛行狀態(tài)下，無人機的耗油率與它的飛行速度成正比。由式（10）可知：無人機在某一高度下作勻速飛行時，它的耗油量、飛行時間都與它所飛過的航路長度成正比，因此，可以認為此時無人的飛行時間和耗油量是其航路長度的函數(shù)。

對于禁飛區(qū)、障礙物、防空武器、雷達等所構(gòu)成的威脅，無人機一般采取規(guī)避和突防兩種手段。對于禁飛區(qū)、障礙物等威脅，無人機只能采用規(guī)避的方法。對于防空武器和雷達采用突防是不合理的（因為已知其位置，沒必要在冒險），因此，一般也是采取規(guī)避的方法（當然，如果是為了獲知防空武器和雷達的信息而必需采用突防的方法則另當別論）。當無人機對威脅采用規(guī)避的手段時，會在其規(guī)劃的航路的路程長度上反應出來。

因此，如果無人機執(zhí)行偵察任務時規(guī)劃了k種方案，其某方案由i（0≤i≤m）條航路組成，則無人機按第j（0≤j≤k）種方案執(zhí)行任務所付出的代價Wcost-j可以表示為：

2.3 偵察效能評估模型

無人機執(zhí)行偵察任務時進行效能評估的目的是在備選方案中按照某種規(guī)則找出一個最優(yōu)方案，從而使無人機付出代價最小的情況下，以最高的效率完成偵察任務，它的評估模型如下：

其中：F（F∈［-1，+1］）是無人機執(zhí)行偵察任務時的效能；K1、K2是大于零的常系數(shù)，主要是根據(jù)要求來調(diào)整代價與能力之間的權(quán)重。

3 常用偵察方案

對于大區(qū)域內(nèi)目標進行偵察的方案常用的有掃描線模式和螺旋模式等多種［4］，見圖4所示，文中不詳述。

4 仿真分析

假設偵察區(qū)域Sre為一塊50 km×50 km的海域。無人機偵察時高度為1 km，速度也為100 m/s，最小轉(zhuǎn)彎半徑為1 km。CCD的俯仰角β為30°，通過控制云臺的左右轉(zhuǎn)動，使偏航角α可達0°～180°，CCD的視場角α和γ相等，無人機按圖4（a）的方案執(zhí)行偵察任務，進入和退出Sre的路徑長度不計。無人機偵察的目標為艦船，因此，只要目標在靶面內(nèi)必被偵察到；考慮到在海面上可能受到隨機海風、定位精度和飛控系統(tǒng)的影響，取Pd=0.95。按式（12）計算時，取K1=K2=0.5。

無人機按圖4（a）飛行時分為兩種方案：①使‘漏掃區(qū)’最小，即：所有的轉(zhuǎn)彎部分和部分直飛路徑都在Sre外；②使路徑最短，即：所有的轉(zhuǎn)彎部分和直飛路徑都在Sre內(nèi)。仿真結(jié)果見表1所示。

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

表1 仿真結(jié)果

①由于兩種方案的假設條件相同，Pf、Pd相同、Pm不同，因此，‘漏掃區(qū)’對Wcan的影響較大；

②通過兩種方案的原理可知，兩者在路徑長度方面相關不大（這主要是因為兩種方案的區(qū)別不大），因此，Wcost的值相差不大；

③由于K1、K2的值相同、Wcost的值相差不大，因此，Wcan對效能F的影響較大；

④根據(jù)偵察環(huán)境和戰(zhàn)術(shù)要求，可以通過調(diào)整模型中的相關參數(shù)，得到一個合理的偵察方案。

5 結(jié)束語

文中從執(zhí)行偵察任務時的能力和執(zhí)行偵察任務時所付出的代價兩種方面考慮，提出了一種用于評估無人機偵察效能的模型。該模型為規(guī)劃無人機偵察任務方案提供了一種評估指標，從而為其根據(jù)戰(zhàn)術(shù)要求找出一個較優(yōu)的偵察方案，提供了理論依據(jù)。

［1］高曉光.航空軍用飛行器導論［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2002：93-121.

［2］王慶江，高曉光，符小衛(wèi).無威脅情況下任意兩點間的無人機路徑規(guī)劃［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31（9）：2157-2162.

［3］石嵐.外軍無人機光電偵查監(jiān)視載荷研究［J］.紅外與激光工程，2007，36（9）：103-106.

［4］彭輝，王林，沈林成.區(qū)域目標搜索中基于改進RRT的UAV實時航跡規(guī)劃［J］.國防科技大學學報，2009，31（5）：86-91.

Research on Effectiveness for UAV to Execute Reconnaissance Mission

WANG Qing-jiang，PENG Jun，NI Bao-hang，XU Xue-wen，SHAN Xin
（Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

To reconnoiter a specified area is one of the important applications for UAV with reconnaissance equipment in modern battle field.Using UAV as implementation platform and CCD as reconnaissance equipment，this paper proposes an effectiveness evaluation model for UAV that is executed the reconnoiter mission.Based on the model of UAV and reconnaissance equipment，the capability and the cost of reconnaissance of UAV were analyzed Based on which，a model is built for evaluating reconnaissance scheme，thus the problem of how evaluate a reconnaissance scheme is solved. This model provides theoretic guidance for the UAV to execute reconnaissance mission effectively.

UAV，reconnaissance，CCD，effectiveness evaluation mode

V216.7

A

1002-0640（2015）05-0167-04

2014-03-15

2014-04-26

王慶江（1974- ），男，山東梁山人，博士。研究方向：系統(tǒng)工程。