基于察打任務(wù)的無人機(jī)作戰(zhàn)效能評估*

徐冠華，董彥非，岳　源，王　超

（1.南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌　330063；2.西安航空學(xué)院，西安　710077）

基于察打任務(wù)的無人機(jī)作戰(zhàn)效能評估*

徐冠華1，董彥非2，岳源1，王超1

（1.南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌330063；2.西安航空學(xué)院，西安710077）

首先根據(jù)時(shí)敏目標(biāo)打擊的特點(diǎn)，分析了察打任務(wù)模式下的察打一體無人機(jī)的作戰(zhàn)使用。然后對評估體系中察打一體無人機(jī)的偵察能力與打擊能力相關(guān)性進(jìn)行了分析，同時(shí)將任務(wù)可執(zhí)行度作為無人機(jī)效能評估的一項(xiàng)動態(tài)權(quán)衡標(biāo)準(zhǔn)，建立了基于察打任務(wù)的無人機(jī)效能評估模型，并基于效能指標(biāo)體系建立了各分項(xiàng)模型。最后通過算例驗(yàn)證了模型的可行性。

察打任務(wù)，察打一體無人機(jī)，任務(wù)可執(zhí)行度，效能評估

0　引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜化，各國著力于發(fā)展針對時(shí)敏動目標(biāo)的“發(fā)現(xiàn)”即“摧毀”打擊能力，其中察打一體無人機(jī)（Reconnaissance and Strike Integrated Unmanned Aerial Vehicle,R/S UAV）系統(tǒng)是實(shí)施這種“實(shí)時(shí)”打擊最為有效的方式之一。察打任務(wù)模式作為察打一體無人機(jī)針對時(shí)敏目標(biāo)的一種重要模式，其獨(dú)特的優(yōu)越性是許多其他打擊平臺模式所不可比擬的［1-4］。

在察打任務(wù)模式下，首先需要察打一體無人機(jī)根據(jù)初步情報(bào)描述，對指定任務(wù)區(qū)域進(jìn)行分散式搜索。當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)后，使用機(jī)載偵察設(shè)備對可疑目標(biāo)進(jìn)行定位、識別和打擊決策。在確認(rèn)目標(biāo)特性并接到攻擊指令后，察打一體無人機(jī)對目標(biāo)實(shí)施打擊，隨后使用傳感器對打擊效果進(jìn)行評估，最后在達(dá)成任務(wù)目標(biāo)后返航。在整個(gè)搜索-發(fā)現(xiàn)-打擊的任務(wù)過程中，對察打一體無人機(jī)的偵察能力、對地攻擊能力等方面的要求與傳統(tǒng)作戰(zhàn)無人機(jī)的對地攻擊模式有許多的不同。其任務(wù)的有效執(zhí)行與偵察和打擊兩個(gè)方面密切相關(guān)，在進(jìn)行任務(wù)效能評估時(shí)需要作密切相關(guān)考慮。

現(xiàn)階段無人機(jī)的效能評估大多只考慮無人機(jī)本身，而沒有考慮無人機(jī)所執(zhí)行的多樣化任務(wù)。而戰(zhàn)場任務(wù)是多樣化，就察打一體無人機(jī)來說，同樣是時(shí)敏目標(biāo)察打任務(wù)，根據(jù)時(shí)間、空間的不同，敵我態(tài)勢的不同，對具體任務(wù)的無人機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)的要求也會有所不同。例如有兩架察打一體無人機(jī)“捕食者”MQ-1和WJ-600，在面對時(shí)敏目標(biāo)為恐怖分子卡車時(shí)，需要花費(fèi)大量時(shí)間在目標(biāo)的搜索、跟蹤和確認(rèn)上，這時(shí)較長航時(shí)MQ-1的時(shí)間可執(zhí)行度優(yōu)勢可以在任務(wù)中體現(xiàn)，而WJ-600僅3 h～5 h的續(xù)航在時(shí)間方面難以執(zhí)行。但如果在相同任務(wù)區(qū)域，大國軍事對抗的條件下，技偵已明確坐標(biāo)的敵方時(shí)敏卡車目標(biāo)，此時(shí)面對較大的對空威脅，高空、隱身、較強(qiáng)突防能力的WJ-600環(huán)境可執(zhí)行度優(yōu)勢會非常明顯。在多變的任務(wù)環(huán)境條件下，多數(shù)時(shí)敏打擊任務(wù)會介于上述兩種情況之間，而眾多不同型號、載荷、燃油配置的察打一體無人機(jī)需要根據(jù)具體任務(wù)的不同進(jìn)行效能評估和選擇。因此，在效能評估時(shí)需要基于任務(wù)進(jìn)行綜合考慮［5］。而任務(wù)的可執(zhí)行度（包括時(shí)間和環(huán)境）可作為評估的一個(gè)重要指標(biāo)。

在評估方法的選擇上，由于傳統(tǒng)對數(shù)評估法在評估無人機(jī)效能時(shí)會存在一些“自然缺陷”如權(quán)重、相關(guān)性、規(guī)格化等問題。因此，本文采用“綜合指數(shù)模型”來評估無人機(jī)任務(wù)效能［6-8］。

1　作戰(zhàn)效能評估模型

1.1作戰(zhàn)效能評估總模型

對基于察打任務(wù)的無人機(jī)來說，其作戰(zhàn)能力、偵察能力、任務(wù)可執(zhí)行度三者是密切相關(guān)的，因此，建立的察打任務(wù)效能總模型為：

ES=C×R×S

式中：ES為無人機(jī)察打任務(wù)效能；C為無人機(jī)作戰(zhàn)能力，R為無人機(jī)偵察能力，S為任務(wù)可執(zhí)行度。其中任務(wù)可執(zhí)行度包括時(shí)間可執(zhí)行度和環(huán)境可執(zhí)行度。

1.2指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

根據(jù)察打任務(wù)模式需兼顧偵察和打擊兩種作戰(zhàn)方式同時(shí)考慮任務(wù)可執(zhí)行度這一特點(diǎn)，選取無人機(jī)作戰(zhàn)能力、偵察能力、任務(wù)可執(zhí)行度3個(gè)主要項(xiàng)目來評估，如圖1所示。

圖1　基于察打任務(wù)的無人機(jī)效能指標(biāo)體系

1.3作戰(zhàn)能力C

察打一體無人機(jī)在對時(shí)敏目標(biāo)進(jìn)行攻擊時(shí)，一般情況下時(shí)敏目標(biāo)會具有較小的機(jī)動能力，對地攻擊效果主要取決于無人機(jī)的武器打擊能力、機(jī)動能力。用公式表示為：

式中：下標(biāo)i為對地攻擊的武器種類數(shù)，可設(shè)有k種，Det為目標(biāo)瞄準(zhǔn)能力系數(shù)；W為該種武器載彈量，可根據(jù)飛機(jī)的重量特性決定；Ran為發(fā)射距離；Acc為該武器精度系數(shù)，取值準(zhǔn)則參考文獻(xiàn)［9］；n為這種武器的掛載數(shù)量；B為機(jī)動性能；

這里對各項(xiàng)能力參數(shù)進(jìn)行了歸一化處理，用“—”號表示。處理后各分項(xiàng)數(shù)值都處于在0和1之間，使分項(xiàng)能力之間數(shù)值匹配，具備一致性，并以此值作為該項(xiàng)指標(biāo)的參數(shù)值。避免了非線性效能評估公式中，某項(xiàng)性能在特定情況下歸零時(shí)，可能出現(xiàn)與事實(shí)相背離的結(jié)論［6］。

機(jī)動性能參數(shù)B可以用操縱性能、最大過載和最大單位重量剩余功率求得［10-11］。公式為：式中為無人機(jī)操縱效能系數(shù)；為最大法向過載；nyp為最大盤旋過載；為單位重力剩余功率。

1.4偵察能力R

無人機(jī)在對時(shí)敏目標(biāo)進(jìn)行搜索時(shí)，首先會跟據(jù)初步目標(biāo)情報(bào)描述，導(dǎo)航進(jìn)入指定任務(wù)區(qū)域，開啟偵察載荷對任務(wù)區(qū)域進(jìn)行搜索。根據(jù)有效載荷的不同，無人機(jī)偵察載荷主要可分為電子信號偵察設(shè)備、SAR（Synthetic Aperture Radar合成孔徑雷達(dá)）和CCD傳感器設(shè)備3類。多變的戰(zhàn)場環(huán)境和任務(wù)的不同使得無人機(jī)在偵察時(shí)通常采用不同偵察設(shè)備間協(xié)同的方式來完成。首先使用電子信號偵察設(shè)備可以在遠(yuǎn)距離、大范圍內(nèi)為整個(gè)系統(tǒng)提前對電磁目標(biāo)進(jìn)行定位，減少偵察的盲目性，提高偵察效率；SAR為整個(gè)偵察系統(tǒng)的主要偵察手段，對地進(jìn)行偵察和監(jiān)視對固定目標(biāo)成像和對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行檢測、跟蹤和定位；CCD傳感器設(shè)備能夠在成像圖像上清晰地分辨目標(biāo)，可對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行即時(shí)人眼可識別的快視偵察。這些偵察設(shè)備的性能、種類、協(xié)同方式直接影響整個(gè)系統(tǒng)的偵察效能［10-11］，如下頁圖2所示。

在整個(gè)搜索、定位、識別的過程中，還需要無人機(jī)將傳感器數(shù)據(jù)回傳給地面站進(jìn)行目標(biāo)的檢測和辨識。

因此，偵察能力主要取決于無人機(jī)的導(dǎo)航能力、偵察載荷協(xié)同性能、以及寬帶數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸能力。用公式表示為：

式中：εn為無人機(jī)導(dǎo)航能力；∑A為偵察載荷協(xié)同性能；為信息傳輸能力。

圖2　機(jī)載3種偵察設(shè)備協(xié)同偵察示意圖

1.5任務(wù)可執(zhí)行度S

任務(wù)可執(zhí)行度的提出主要是為基于具體任務(wù)條件，動態(tài)化效能的權(quán)衡標(biāo)準(zhǔn)。一方面無人機(jī)飛抵任務(wù)區(qū)域后，需要根據(jù)初步任務(wù)情報(bào)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行偵察、搜索，如果可用時(shí)間過短將導(dǎo)致無人機(jī)在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)之前因燃油問題被迫返航。另一方面無人機(jī)性能如生存能力、突防能力等未達(dá)到任務(wù)環(huán)境指標(biāo)要求的話，其任務(wù)效能也會大幅受到影響。任務(wù)可執(zhí)行度S與時(shí)間可執(zhí)行度Ts和環(huán)境可執(zhí)行度Es密切相關(guān)。用公式表示為：

1.5.1時(shí)間可執(zhí)行度Ts

時(shí)間可執(zhí)行度Ts是評估無人機(jī)執(zhí)行該任務(wù)在時(shí)間方面的可行程度，主要依據(jù)的是任務(wù)開始前情報(bào)中心給出的基本任務(wù)信息所估算出的無人機(jī)抵達(dá)任務(wù)區(qū)域后的可用任務(wù)時(shí)間和時(shí)敏定位時(shí)間決定的。其中時(shí)敏定位時(shí)間是無人機(jī)飛抵任務(wù)區(qū)域后巡航偵察、傳感器搜索、定位，直到發(fā)現(xiàn)時(shí)敏目標(biāo)所需要花費(fèi)的一個(gè)時(shí)間的估值，如圖3所示。

時(shí)間可執(zhí)行度可用以下公式計(jì)算：

這里假定當(dāng)Tm=Td的時(shí)間可執(zhí)行度Ts為0.5，Ts隨Tm增大而增大，隨Td增大而減小。

抵達(dá)任務(wù)區(qū)域后的可用任務(wù)時(shí)間Tm由無人機(jī)任務(wù)起飛重量Wm、任務(wù)燃油Wf、任務(wù)巡航速度Vm、任務(wù)半徑Rm等決定；

其中，Cf為任務(wù)巡航速度下的燃油單位時(shí)間消耗率；η為發(fā)動機(jī)效率；Lu為巡航速度下升力；Du為巡航速度下受到的阻力。關(guān)于Tm的公式推導(dǎo)參考文獻(xiàn)［12］。

時(shí)敏定位時(shí)間Td由情報(bào)可靠度、情報(bào)定位精度、搜索區(qū)域范圍、天氣情況、地形復(fù)雜程度、目標(biāo)暴露程度、無人機(jī)與其他偵察平臺的情報(bào)協(xié)同能力等決定。

1.5.2環(huán)境可執(zhí)行度Es

如圖3所示，無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需面對任務(wù)范圍內(nèi)的各種威脅，環(huán)境可執(zhí)行度Es是評估無人機(jī)在環(huán)境威脅方面的任務(wù)可行程度。

圖3　察打任務(wù)環(huán)境示意圖

主要依據(jù)的是任務(wù)開始前情報(bào)中心給出的基本任務(wù)信息所估算出全任務(wù)飛行區(qū)域范圍內(nèi)的空空威脅THA、地空威脅THG、電磁干擾Jam指數(shù)，以及無人機(jī)自身的生存能力εs、突防能力Pe共同決定。環(huán)境可執(zhí)行度可由公式：

其中突防能力Pe與裝甲系數(shù)Ar、突防高度Hp以及突防速度Vp等有關(guān),根據(jù)察打一體無人機(jī)特點(diǎn)突防能力Pe可表示為：

生存能力εs與雷達(dá)反射截面（RCS）、電子對抗能力εs、無人機(jī)幾何尺寸有關(guān)［7］。計(jì)算模型為：

式中：RCS（m2）為迎頭或尾后方位120°左右之內(nèi)的對應(yīng)3 cm波長雷達(dá)的平均值；S為機(jī)翼面積（m2）；Lall為無人機(jī)全長（不含空速管的長度，m）。

2　算例和分析

2.1任務(wù)情況假定

根據(jù)察打任務(wù)一般作戰(zhàn)流程，假定3種不同的任務(wù)情況如表1所示。其中，任務(wù)情況2與情況1相比，在環(huán)境方面威脅方面有明顯的增加；任務(wù)情況3與情況1相比，任務(wù)半徑增加較為明顯。

圖4　時(shí)敏作戰(zhàn)任務(wù)流程圖

表1　任務(wù)情況假定

2.2任務(wù)無人機(jī)假定

根據(jù)假定任務(wù)情況，這里給出的4種察打一體無人機(jī)進(jìn)行評估，無人機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

2.3作戰(zhàn)效能評估

根據(jù)模型，對3種任務(wù)條件下的4架察打一體無人機(jī)進(jìn)行了評估，結(jié)果如表3所示。

從評估結(jié)果可以看出：

①無人機(jī)A在偵察載荷方面只攜帶了光電轉(zhuǎn)塔，導(dǎo)致其偵察能力相對較低，根據(jù)本文偵察、打擊能力緊密相關(guān)的評估方式，影響了無人機(jī)A在3個(gè)任務(wù)中的效能。

②在任務(wù)半徑小、環(huán)境威脅程度較低的任務(wù)情況1中，偵察和對地攻擊能力較強(qiáng)的無人機(jī)C效能評估值較高；

③在環(huán)境威脅程度較高的任務(wù)情況2中，生存、突防能力稍好的無人機(jī)B與偵察、對地攻擊能力較強(qiáng)的無人機(jī)C任務(wù)效能相對較高；

④在任務(wù)半徑顯著增加的任務(wù)情況3中，抵達(dá)任務(wù)區(qū)域后可用任務(wù)時(shí)間明顯不足的無人機(jī)C效能下降明顯，而續(xù)航能力較強(qiáng)的無人機(jī)D和無人機(jī)B依舊保持相對較好的任務(wù)效能。

表2　察打一體無人機(jī)假定

表3　基于任務(wù)的察打一體無人機(jī)效能對比

3　結(jié)論

①研究表明，在察打任務(wù)模式下無人機(jī)的作戰(zhàn)效能中，無人機(jī)的偵察能力、打擊能力、任務(wù)可執(zhí)行度三者密切相關(guān)。

②不同的察打一體無人機(jī)攜帶不同載荷在不同作戰(zhàn)環(huán)境條件下執(zhí)行察打任務(wù)時(shí)，其任務(wù)作戰(zhàn)效能是不同的。本文根據(jù)察打任務(wù)模式下的無人機(jī)作戰(zhàn)使用特點(diǎn)，綜合考慮這些可變因素，提出了基于任務(wù)的無人機(jī)效能評估體系，建立了基于察打任務(wù)的無人機(jī)效能評估的計(jì)算模型，這種評估方法具有一定的實(shí)際意義，可以為作戰(zhàn)指揮人員更合理和科學(xué)地調(diào)配無人機(jī)和武器資源完成特定任務(wù)提供一定的參考和依據(jù)。

③通過對3種任務(wù)條件下的4架察打一體無人機(jī)進(jìn)行效能評估，其結(jié)果驗(yàn)證了所建立模型的可用性。在實(shí)際使用中，模型、權(quán)重、各常數(shù)項(xiàng)參數(shù)和相關(guān)系數(shù)的具體取值應(yīng)綜合考慮具體任務(wù)和所獲得的數(shù)據(jù)情況，進(jìn)一步調(diào)整和修正。

［1］韓偉.無人機(jī)對地時(shí)敏多目標(biāo)攻擊決策技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2013.

［2］黃長強(qiáng)，翁興偉，土勇，等.多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

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［7］董彥非，王禮沅，張恒喜.空-地攻擊作戰(zhàn)效能評估的綜合指數(shù)模型［J］.航空學(xué)報(bào)，2007，28（6）：1374-1377.

［8］董彥非，崔巍，張旺.有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)效能評估的綜合指數(shù)模型［J］.飛行力學(xué)，2014，39（5）：472-476.

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［11］張旺.無人機(jī)載電子/光學(xué)傳感器協(xié)同偵察技術(shù)研究［D］.南昌：南昌航空大學(xué)，2014.

［12］叢書全，王成軍，姜楊.無人機(jī)航程與續(xù)航時(shí)間的實(shí)時(shí)估算方法研究［J］.宇航計(jì)測技術(shù)，32（2）：62-65.

The R/S-mission of UAV Operational Effectiveness Assessment

XU Guan-hua1，DONG Yan-fei2，YUE Yuan1，WANG Chao1
（1.School of Aircraft Engineering NanChang HangKong University，Nanchang 330063，China；2.Xi'an Aeronautical University，Xi'an 710077，China）

At first，according to the characteristics of time-sensitive targets strike，the use of R/S UAV in R/S-mission is analyzed.Second，by analyzing the correlation between reconnaissance capability and strike capability in the R/S UAV Assessment System，and adopting the executable degree of mission as a variable standard in UAV effectiveness assessment，a UAV Effectiveness Assessment Model based on the R/S-mission and sub-model based on the Effectiveness Assessment System are established.Finally，there is a set of examples to verify the feasibility of the model.

R/S-mission，R/S UAV，executable degree of mission，operational effectiveness

V271.4；E926

A

1002-0640（2016）07-0060-04

2015-06-12

2015-07-10
*

航空科學(xué)基金（2011ZA56001），江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（YC2014-S396）

徐冠華（1988-），男，江西南昌人，碩士研究生。研究方向：飛行器總體設(shè)計(jì)與無人機(jī)作戰(zhàn)。