基于無人機的艦船對海上快速小目標取證能力評估

回亞立，王光源，毛世超 ，3

（1.遼寧海警第二支隊司令部，遼寧丹東118000；2.海軍航空大學，山東煙臺264001；3.92852部隊，浙江寧波315033）

隨著世界全球化發(fā)展與國際戰(zhàn)略環(huán)境的不斷變化，對我國的海上安全、海洋權益和國家利益帶來了一系列新的影響。我國面臨的海洋主權與海洋安全的諸多威脅，中遠海區(qū)對國家的經(jīng)濟與貿易安全等帶來的諸多挑戰(zhàn)，特別是我國近海和中遠海部分熱點水域，如亞丁灣等重要能源戰(zhàn)略通道，面臨著一些小型快速船艇的非法海上活動和安全威脅，這類目標神出鬼沒，具有預警時間短、機動速度快、識別取證難的特點，是目前非戰(zhàn)爭軍事行動中遇到的新課題。為此，我國正在探討以海警、海軍等多方力量協(xié)同開展行動，海警主要承擔沿海水域的非作戰(zhàn)行動，海軍則以中遠海為主。無人機具有成本低、體積小、用途廣泛、消費比高、零傷亡等特點，廣泛應用于空中偵察、搜索、監(jiān)視、警戒、通信中繼、打擊等戰(zhàn)斗和保障活動[1]。隨著無人機技術的快速發(fā)展應用，對現(xiàn)有艦船平臺加裝艦載無人機將是提升艦船識別與取證海上快速機動小目標的有效手段[2]。因此，針對無人機對海上快速小目標的取證效能開展評估研究，將為后續(xù)的海上非戰(zhàn)爭行動提供有效的決策支撐。

1 無人機對海上快速小目標取證能力評估指標體系

艦載無人機對海上快速小目標取證是一個復雜的、系統(tǒng)的使用過程，通常要根據(jù)獲取可疑目標情報、敵我雙方態(tài)勢、氣象環(huán)境等信息確定出動的無人機型號、數(shù)量及其配置的載荷，對可疑目標展開偵察搜索、跟蹤監(jiān)視、識別與信息處理等行動[3]。對海上快速小目標取證能力包括艦船指控能力、平臺出動能力、平臺載荷能力、搜索跟蹤能力以及信息處理能力。因此，其效能評估是典型的涉及多指標體系和多屬性的復雜問題。

1）艦船指控能力。主要由艦載導航系統(tǒng)、無人機起飛和降落系統(tǒng)、無人機操作員、艦載導航系統(tǒng)、無人機航路規(guī)劃及任務規(guī)劃和分配等部分組成。艦面指控系統(tǒng)作為無人機的指控中心，須綜合考慮各方情報資料及艦載無人機的性能狀況，對無人機的任務、航路進行規(guī)劃。無人機飛行員等相關工作人員負責無人機的發(fā)射、回收以及對任務飛行中的無人機及載荷進行操控，對無人機傳回的遙測數(shù)據(jù)、圖像信息進行處理[4-6]。

2）平臺出動能力。無人機對海上可疑快速小目標取證能力很大程度上取決于無人機平臺的出動能力。平臺出動能力主要取決于無人機在緊急出動、高峰出動、持續(xù)出動[7]3種出動狀態(tài)下的架次率，執(zhí)行任務的可用度，架次任務的完成能力，以及載艦的維修保障能力和無人機的環(huán)境適應能力。

3）平臺載荷能力。無人機可攜帶的用于海上監(jiān)視取證的裝備主要有光學照相機、電視攝像機、紅外掃描儀、前視紅外設備以及激光雷達等[8]。隨著多/超光譜、焦平面陣列、高清電視等關鍵技術的不斷發(fā)展，圖像采集設備的體積更小、質量更輕、功耗更低、靈敏度更高、壽命更長、使用維護更簡便，且采集圖像的質量和分辨率有顯著提升，使無人機在復雜的海上環(huán)境中對可疑目標進行監(jiān)視取證的能力得到了很大提升。

4）搜索跟蹤能力。無人機對海搜索方式的選擇，應根據(jù)目標散布區(qū)域大小、任務的緊迫程度、編隊艦載無人機數(shù)量和當時的戰(zhàn)場環(huán)境等因素綜合考慮。基本的搜索方式有縱飛推掃、縱飛側掃、縱飛橫掃、扇掃和環(huán)掃。而其跟蹤能力主要由無人機的機動方式、飛行方式、飛行高度以及續(xù)航能力共同決定。

5）信息處理能力。無人機在取證過程中，對載荷獲得的圖像等信息進行即時處理和目標識別。數(shù)據(jù)控制模塊控制有效信息儲存及發(fā)送，根據(jù)需要可以設置無人機與指揮艦之間上、下行通信鏈路的帶寬。指揮艦對無人機傳送來的數(shù)據(jù)信息進行圖像處理、目標識別，并提供戰(zhàn)術輔助決策。

定義評估指標集合U={Ui,i=1,2,…,5} ；一級評估指標，其中，Uij為二級指標[9-10]。無人機對海上快速小目標的取證能力評估指標體系如圖1所示。

圖1 無人機對海上快速小目標取證能力評估指標體系Fig.1 Evaluation index system for evidence capability of unmanned aerial vehicles for fast-small targets at sea

2 取證能力評估模型

針對艦船利用無人機對海上快速小目標取證能力構建的復雜指標體系，采用層次分析法構建評估模型對取證效能開展研究。

2.1 指標權重判斷矩陣

根據(jù)無人機對海上快速小目標取證能力評估指標體系，邀請經(jīng)驗豐富的專家應用1～9的比較標度法，分別對第2層、第3層指標的重要性進行交叉比較[11-12]。表1為評分標準及含義，判斷矩陣為：

式中，aij為第i項指標與第j項指標的比值。

表1 評分標準及含義Tab.1 Scoring criteria and meaning

2.2 評估指標權重

由于指標體系中下級指標對上級指標的影響程度不同，為加強可比性并盡量消除專家打分對評估指標權重的主觀性影響，使評估的結果更合理。本文采用熵值法確定評估指標的權重[13]，計算模型如下。

1）采用熵權法確定A中各指標的權重，第i個子指標的熵為：

2）第i個子指標的權重為：

2.3 構造評估樣本矩陣

根據(jù)艦船、無人機平臺和可用載荷、相關工作人員及保障設備的情況，邀請p位相關領域的專家依據(jù)表2制定的評估準則對圖1所建立的取證能力評估指標體系進行評估打分[14]。

表2 評估準則Tab.2 Evaluation criteria

本文以構造第1層指標U的評估樣本矩陣為例，第j名專家對U的下級指標Ui的評分結果記為dij，構造出U的評估樣本矩陣：

2.4 取證能力的灰色系統(tǒng)評估模型

1）確定評估灰類。評估灰類是一個用來比較的類別或概念，主要包括灰數(shù)和灰數(shù)對應的白化權函數(shù)[15]。灰數(shù)通常是在某個區(qū)間內取值而不知其確切值的數(shù)，用“?”來表示。白化權函數(shù)是用來定量描述一個評估指標在取值范圍內隸屬于某一灰類的可能性或偏愛程度。根據(jù)表2的評價準則設定評價灰類等級為4級，其序號用k(k=1,2,3,4）表示，各級灰類對應的灰數(shù)如表3所示。

表3 各級灰類灰數(shù)對應表Tab.3 Gray number correspondence table of grades

各灰類對應的灰數(shù)和白化權函數(shù)[16]如下。

第一級灰類(k=1)。令灰數(shù)?1∈[0,9,∞)，則相應的白化權函數(shù)為：

第二級灰類(k=2 )，令灰數(shù)?2∈[0,7,14]，則相應的白化權函數(shù)為：

第三級灰類(k=3) ，令灰數(shù)?3∈[0,5,10]，則相應的白化權函數(shù)為：

第四級灰類(k=4 )，令灰數(shù)?4∈[0,2,4]，則相應的白化權函數(shù)為：

2）確定灰色評價權向量。計算在各白化權函數(shù)下的dij的灰色評價系數(shù)，處理得到灰色評價權矩陣：

式（9）中：rik為n位專家給出的指標U在第k等級灰類下的灰色評價權值；fk(dij)表示第k等級灰類下，第j個專家對于第i個評價指標所對應的白化權函數(shù)值。

3）建立灰色系統(tǒng)評估模型。根據(jù)本文確定的無人機對海上快速小目標取證能力評估指標的權重W和灰色評價權矩陣R，計算出取證能力評估指標的灰色系統(tǒng)評估結果為：

結合制定的評價準則，將取證能力的灰色系統(tǒng)評估結果進行量化得到無人機對海上快速小目標的取證能力值為[17-18]：

式中，F(xiàn)=[9 7 5 2]T為灰度評價的最優(yōu)值向量。

采用該模型可分別對艦船指控能力、平臺出動能力、平臺載荷能力、無人機搜索跟蹤能力及信息處理能力進行評估分析。

3 算例分析

本文以搭載了3種型號、數(shù)量各為2架的海警某型執(zhí)法船為例進行分析說明。5位專家組成評估小組，通過評審指標體系各指標，應用1～9的比較標度法，給出無人機對海上快速小目標取證能力的比較判斷矩陣：

根據(jù)式（2）、（3）計算出判斷矩陣A的權重向量：

然后，專家根據(jù)該執(zhí)法船現(xiàn)有裝備及相關人員的訓練情況，對該船運用無人機對海上快速小目標的取證能力進行評分，得各二級指標的評估樣本矩陣為：

根據(jù)式（5）～（8），計算求得各指標在不同灰類等級下白化權函數(shù)值之和，見表4。

表4 各指標在不同灰類等級下白化權函數(shù)值之和Tab.4 Sum of function value at different grey class for all indexes

根據(jù)式（9）可得無人機對海上快速小目標取證能力評估的灰色評價權向量為：

根據(jù)式（10）計算得：

根據(jù)式（11）和本文制定的評價準則對灰色評估結果進行定量化得U=E?F=7.041 6。

由此可見，該執(zhí)法船搭載無人機對海上快速小目標的取證能力的灰色估值為7.041 6，對應評估結果為“良好”。

4 結束語

本文提出了運用加載無人機協(xié)同艦船進行執(zhí)法取證的使用方法，根據(jù)取證過程和影響因子，運用層次分析法建立了無人機對海上快速移動可疑目標取證能力的評估指標體系。采用專家打分法和熵權法量化評估指標的權重，利用灰色理論對評估樣本進行分析處理，確定了評估灰類等級、灰數(shù)值及白化權函數(shù)，求得灰色評估權向量，進而建立了無人機對海上小目標取證能力評估模型，并通過實例進行了仿真分析。運用該模型不僅能夠有效地評估出艦船加載無人機對海上快速小目標的取證能力，為指揮員執(zhí)行行動計劃提供參考依據(jù)，還能夠進一步量化分析影響其取證能力的主要因素，找出存在短板，為艦船無人機裝備的系統(tǒng)建設，提高海上執(zhí)法能力提供了理論支撐。