基于任務(wù)協(xié)同的無人機(jī)多偵察載荷使用

張海峰，韓芳林

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

當(dāng)今戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜，運(yùn)用單一偵察載荷獲取大范圍、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的目標(biāo)信息難度增加。無人機(jī)與多偵察載荷結(jié)合，充分發(fā)揮無人機(jī)無人駕駛、性價(jià)比高、控制靈活等特殊優(yōu)勢和各偵察載荷的性能特點(diǎn)，較好地適應(yīng)了戰(zhàn)場變化，滿足了偵察任務(wù)需求。

本文結(jié)合無人機(jī)的作戰(zhàn)特點(diǎn)、偵察方式、載荷性能、航路規(guī)劃等，根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)需求，合理設(shè)計(jì)偵察載荷的協(xié)同使用方案，利用有限的偵察資源，在較短時(shí)間內(nèi)以最大概率發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，獲得最優(yōu)偵察效果。

1 偵察載荷性能及使用分析

從當(dāng)前國內(nèi)外先進(jìn)無人機(jī)裝備的偵察載荷可知，無人機(jī)攜帶的偵察載荷主要有電子信號(hào)偵察設(shè)備（Electronic Signal Reconnaissance Equipment，ESRE）、合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）和CCD（Charge Coupled Device）相機(jī)等光電偵察設(shè)備。

電子信號(hào)偵察設(shè)備利用高靈敏度的探測系統(tǒng)（寬開引導(dǎo)分系統(tǒng)、引導(dǎo)儀測向分系統(tǒng)、高增益探測分系統(tǒng)）搜索目標(biāo)電磁輻射信號(hào)，經(jīng)識(shí)別、分析等得到反映目標(biāo)電磁參數(shù)和位置信息等數(shù)據(jù)；可在遠(yuǎn)距離、大范圍內(nèi)對(duì)電磁信號(hào)進(jìn)行定位，減少了偵察的盲目性，提高了偵察效率，但定位精度一般且不能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測成像。電子信號(hào)偵察設(shè)備的性能指標(biāo)見表1。

SAR通過在無人機(jī)的直線飛行過程中持續(xù)地發(fā)射微波脈沖，并接收目標(biāo)的散射回波來實(shí)現(xiàn)合成孔徑，經(jīng)過放大、混頻等得到目標(biāo)的反射特性、距離信息和相位信息等數(shù)據(jù)。

表1 電子信號(hào)偵察設(shè)備性能指標(biāo)Tab.1 Performance indicators of ESRE

SAR可采用廣域GMTI、GMTI/SAR、條帶SAR和聚束SAR的工作模式。聚束SAR模式可對(duì)小區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行高分辨率SAR成像；條帶SAR模式可對(duì)偵察區(qū)域進(jìn)行大范圍成像；廣域GMTI模式可對(duì)偵察區(qū)域大范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)、長時(shí)間監(jiān)視；SAR/GMTI工作模式既能對(duì)靜止目標(biāo)進(jìn)行成像，又可對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行搜索跟蹤。SAR的性能指標(biāo)見表2。

表2 SAR性能指標(biāo)Tab.2 Performance indicators of SAR

CCD相機(jī)以搜索目標(biāo)的圖像為信息源，通過光學(xué)成像掃描三維空間，獲得目標(biāo)的幾何尺寸、位置信息等，能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行高分辨率成像、檢測、跟蹤和定位，也可將圖像上傳至地面指控站，與原始圖片進(jìn)行比對(duì)。CCD相機(jī)的性能指標(biāo)見表3。各偵察載荷的性能對(duì)比如表4所示。

表3 CCD相機(jī)性能指標(biāo)Tab.3 Performance indicators of CCD camera

表4 偵察載荷性能對(duì)比表Tab.4 Confrontation of reconnaissance load performance

為獲得較好的偵察效果，依據(jù)各偵察載荷的性能特點(diǎn)，無人機(jī)采用的偵察航路有“一字形”、“Z字形”和“8字形”3種。其中，“一字形”可適用于CCD相機(jī)、電子信號(hào)偵察設(shè)備以及SAR的廣域GMTI、聚束SAR和條帶SAR模式的偵察；“Z字形”適用于CCD相機(jī)、電子信號(hào)偵察設(shè)備以及SAR的條帶SAR和廣域GMTI工作模式；“8字形”適用于小區(qū)域內(nèi)CCD相機(jī)和聚束SAR工作模式的高精度偵察。

在偵察載荷協(xié)同工作時(shí)，還要考慮無人機(jī)姿態(tài)的控制。電子信號(hào)偵察設(shè)備和CCD相機(jī)可進(jìn)行360°全覆蓋偵察，對(duì)無人機(jī)姿態(tài)要求較低；SAR的偵察區(qū)域是無人機(jī)飛行方向的正側(cè)向，只能對(duì)無人機(jī)的兩側(cè)部分區(qū)域進(jìn)行傾斜掃描偵察，且不能夠兩側(cè)同時(shí)偵察。

2 多偵察載荷協(xié)同方案設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)多偵察載荷協(xié)同使用方案時(shí)，要充分考慮無人機(jī)偵察的各種約束條件，包括平臺(tái)性能、戰(zhàn)場環(huán)境、載荷性能、目標(biāo)特性、時(shí)間要求、航路規(guī)劃和姿態(tài)控制等，合理配置偵察載荷，充分發(fā)揮各偵察載荷的優(yōu)勢，提高協(xié)同偵察的使用效能。

2.1 電子信號(hào)偵察設(shè)備與SAR協(xié)同

該方案主要利用電子信號(hào)偵察設(shè)備提供粗略定位信息，再運(yùn)用SAR進(jìn)行高精度偵察。電子信號(hào)偵察設(shè)備在遠(yuǎn)距離、大范圍探測到目標(biāo)輻射源，將目標(biāo)信息發(fā)至數(shù)據(jù)處理器，經(jīng)處理后傳輸至無人機(jī)控制終端，重新規(guī)劃無人機(jī)航路并采用電子信號(hào)偵察和條帶SAR模式協(xié)同，對(duì)目標(biāo)精確定位；飛行至聚束SAR作用距離時(shí)，聚束SAR開始工作，以提高對(duì)目標(biāo)的凝視時(shí)間，增強(qiáng)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)目標(biāo)的高分辨率成像觀測能力。電子信號(hào)偵察設(shè)備與SAR協(xié)同偵察過程如圖1所示。

圖1 電子信號(hào)偵察設(shè)備與SAR協(xié)同偵察示意圖Fig.1 Collaborative scouting diagrams for ESRE and SAR

2.2 電子信號(hào)偵察設(shè)備與CCD相機(jī)協(xié)同

該方案主要用于對(duì)偵察區(qū)域進(jìn)行即時(shí)可視偵察或采集高分辨率目標(biāo)圖像。電子信號(hào)偵察設(shè)備在遠(yuǎn)距離、大范圍探測到目標(biāo)輻射源，控制終端操縱無人機(jī)規(guī)劃航路抵近目標(biāo)區(qū)域，當(dāng)無人機(jī)抵近至CCD相機(jī)工作距離時(shí)，CCD相機(jī)同電子信號(hào)偵察設(shè)備協(xié)同觀測目標(biāo)；到達(dá)目標(biāo)規(guī)定距離后，拍攝高分辨率圖像或進(jìn)行即時(shí)可視偵察。電子信號(hào)偵察設(shè)備與CCD相機(jī)協(xié)同偵察過程如圖2所示。

圖2 電子信號(hào)偵察設(shè)備與CCD相機(jī)協(xié)同偵察示意圖Fig.2 Collaborative scouting diagrams for ESRE and CCD camera

2.3 SAR與CCD相機(jī)協(xié)同

SAR開啟廣域GMTI模式或GMTI/SAR模式，在較大范圍內(nèi)對(duì)偵察區(qū)域進(jìn)行掃描搜索，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的搜索和跟蹤。鑒于SAR圖像判讀的復(fù)雜性，為提高對(duì)目標(biāo)的探測或?qū)\(yùn)動(dòng)目標(biāo)即時(shí)可視偵察能力，無人機(jī)規(guī)劃航路到達(dá)目標(biāo)區(qū)域規(guī)定距離后，開啟CCD相機(jī)偵察模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測成像、定位和跟蹤。SAR和CCD協(xié)同偵察過程如圖3所示。

圖3 SAR與CCD相機(jī)協(xié)同偵察示意圖Fig.3 Collaborative scouting diagrams for SAR and CCD camera

2.4 電子信號(hào)偵察設(shè)備、SAR與CCD相機(jī)協(xié)同

該方案主要用于對(duì)目標(biāo)的精確定位、觀測成像和特征檢測。電子信號(hào)偵察設(shè)備在遠(yuǎn)距離探測到目標(biāo)輻射源的位置時(shí)，控制無人機(jī)規(guī)劃航路抵近目標(biāo)區(qū)域。偵察靜止目標(biāo)時(shí)，采用條帶、聚束SAR或CCD相機(jī)分別在作用距離范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測成像或即時(shí)可視偵察；偵察運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，則運(yùn)用GMTI、GMTI/SAR或CCD相機(jī)分別在作用距離范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和即時(shí)可視偵察。若電子信號(hào)偵察設(shè)備未偵察到目標(biāo)，可采用SAR工作模式再規(guī)劃其他偵察方案。電子信號(hào)偵察設(shè)備、SAR和CCD相機(jī)三者協(xié)同偵察過程如圖4所示。

圖4 電子信號(hào)偵察設(shè)備、SAR與CCD相機(jī)協(xié)同偵察示意圖Fig.4 Collaborative scouting diagrams for ESRE，SAR and CCD camera

3 多偵察載荷協(xié)同效能評(píng)估

無人機(jī)的偵察能力主要取決于無人機(jī)平臺(tái)的導(dǎo)航能力、偵察載荷協(xié)同能力和寬帶數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸能力。計(jì)算公式可表示為[7]：

式（1）中：N為無人機(jī)的導(dǎo)航能力；∑A為偵察載荷協(xié)同能力；T為數(shù)據(jù)鏈的信息傳輸能力；ε1、ε2、ε3為各能力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，依據(jù)文獻(xiàn)[7]分別取值0.15、0.65、0.2。

當(dāng)無人機(jī)開啟偵察載荷協(xié)同搜索目標(biāo)時(shí)，后期偵察載荷的參數(shù)，如發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率、目標(biāo)定位精度等會(huì)受到前期偵察載荷搜索結(jié)果的影響。偵察載荷協(xié)同能力可由偵察載荷的能力與其相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)計(jì)算得：

式（2）中：A1為前期偵察載荷的能力指標(biāo)；A12、A13為后期偵察載荷的能力指標(biāo)；ω1、ω12、ω13為各項(xiàng)能力指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

電子信號(hào)偵察設(shè)備、SAR和CCD相機(jī)的偵察能力具體算法參考文獻(xiàn)[1]。

SAR偵察能力算式為：

式（3）中：ξr為電磁環(huán)境對(duì)SAR偵察效果的影響系數(shù)；L為偵察作用距離；θ為最大搜索方位角；Pr為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率；Kr為SAR的體制衡量系數(shù)；m為同時(shí)跟蹤目標(biāo)數(shù)量；Δr為目標(biāo)的定位精度；ρr為SAR的分辨率。

電子信號(hào)偵察設(shè)備偵察能力算式為：

CCD相機(jī)偵察能力算式為：

式（5）中，C0為環(huán)境對(duì)CCD相機(jī)偵察效果的影響系數(shù)。

多偵察載荷協(xié)同使用狀態(tài)下，后期使用的偵察載荷的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率P12和目標(biāo)定位精度Δ12的計(jì)算公式為：

式（6）中：P1為前期偵察載荷發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率；Δ1為前期偵察載荷對(duì)目標(biāo)的定位精度；為前期偵察載荷的同時(shí)跟蹤目標(biāo)數(shù)目；P2為后期偵察載荷自身發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率；Δ2為后期偵察載荷自身對(duì)目標(biāo)的定位精度；λ為偵察性能參數(shù)影響系數(shù)。

4 實(shí)例仿真

以規(guī)劃好的偵察任務(wù)為前提，在獲取目標(biāo)的初步情況描述后，無人機(jī)導(dǎo)航進(jìn)入相應(yīng)的任務(wù)區(qū)域，無人機(jī)開啟偵察載荷對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行搜索任務(wù)，偵察航路規(guī)劃一般采用“Z字形”。假設(shè)對(duì)無人機(jī)攜帶4種不同的偵察載荷協(xié)同使用方案進(jìn)行仿真分析。結(jié)合2.1、2.2、2.3和2.4小節(jié)，電子信號(hào)偵察設(shè)備和SAR的協(xié)同使用為方案A，電子信號(hào)偵察設(shè)備和CCD相機(jī)的協(xié)同使用為方案B，SAR和CCD相機(jī)的協(xié)同使用為方案C，電子信號(hào)偵察設(shè)備、SAR與CCD相機(jī)協(xié)同使用為方案D。依據(jù)式（1）～（6），對(duì)4種偵察載荷的協(xié)同使用方案進(jìn)行評(píng)估。各方案偵察效能的計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 各偵察載荷效能對(duì)比表Tab.5 Effectiveness confrontation of reconnaissance loads

根據(jù)無人機(jī)偵察任務(wù)的作戰(zhàn)環(huán)境，假定4種不同的電磁、天氣情況如表6所示。其中，任務(wù)情況一與情況二相比，電磁環(huán)境威脅增加；任務(wù)情況三與情況一相比，天氣條件較為惡劣；任務(wù)情況四與情況一相比，電磁環(huán)境威脅和天氣惡劣條件都有所增強(qiáng)。

表6 無人機(jī)不同作戰(zhàn)環(huán)境Tab.6 Different operational environment of UAV

依據(jù)式（1）～（6），無人機(jī)處于不同的偵察作戰(zhàn)環(huán)境中的偵察效能如表7所示。

表7 無人機(jī)不同作戰(zhàn)環(huán)境下的偵察效能Tab.7 Reconnaissance effectiveness in different operational environment of UAV

無人機(jī)處于不同的偵察作戰(zhàn)環(huán)境中的偵察效能對(duì)比如圖5所示。

圖5 無人機(jī)偵察效能對(duì)比圖Fig.5 Reconnaissance effectiveness confrontation of UAV

仿真結(jié)果分析：

1）由表5、7和圖5可知，當(dāng)電磁環(huán)境和天氣條件較好時(shí)，方案D中的電子信號(hào)偵察設(shè)備、SAR和CCD相機(jī)3種偵察載荷的偵察距離遠(yuǎn)近結(jié)合，且定位精度和分辨率較高，其偵察效能最優(yōu)；方案C和A偵察效能次之；方案B的電子信號(hào)偵察設(shè)備和CCD相機(jī)協(xié)同偵察時(shí)，前者偵察距離雖遠(yuǎn)，但定位精度一般，而CCD相機(jī)只可在小范圍進(jìn)行探測成像，不便于協(xié)同偵察，故其偵察效能最低。

2）由表7和圖5可知，在復(fù)雜電磁環(huán)境下，電子信號(hào)偵察設(shè)備和SAR受影響較大，各方案的偵察效能隨電磁環(huán)境影響增加而降低，尤其在協(xié)同使用電子信號(hào)偵察設(shè)備和SAR的方案A中，協(xié)同的2種偵察載荷都會(huì)受到電子干擾影響，因而方案A的偵察效能最低，方案C的偵察效能最優(yōu)；

3）在惡劣天氣條件下，CCD相機(jī)的偵察效能受影響較大，方案B和C因?yàn)槭褂肅CD相機(jī)，其偵察效能下降幅度最大，偵察效能最低；方案D采用電子信號(hào)偵察設(shè)備和SAR，受影響較小，偵察效能最優(yōu)；方案A次之。

5 結(jié)束語

本文在分析無人機(jī)偵察載荷性能特點(diǎn)和偵察作戰(zhàn)使用的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多偵察載荷協(xié)同使用方案，構(gòu)建無人機(jī)多載荷協(xié)同偵察效能評(píng)估模型，并對(duì)無人機(jī)在不同作戰(zhàn)環(huán)境下的多載荷協(xié)同使用方案進(jìn)行了仿真評(píng)估，檢驗(yàn)了各方案在復(fù)雜電磁環(huán)境和惡劣氣象條件下的偵察能力；為無人機(jī)的偵察載荷的協(xié)同作戰(zhàn)使用提供了參考依據(jù)。