基于試飛的察打一體無人機(jī)任務(wù)效能評估方法

杜梓冰，段 亞，陳敬志，張 潔

(中國飛行試驗研究院, 西安 710089)

“捕食者”系列、“彩虹-4”、“翼龍-1”等察打一體無人機(jī)在當(dāng)前國外反恐、局部沖突中發(fā)揮了巨大的作用，相比于其他裝備而言有獨特的優(yōu)勢，各軍事強(qiáng)國都在加強(qiáng)察打一體無人機(jī)的研發(fā)，可以預(yù)見，這類無人機(jī)在未來將發(fā)揮更多、更重要的作用?！安妒痴摺钡炔齑蛞惑w無人機(jī)可配置多種偵察載荷和武器，同一任務(wù)場景下，有不同的偵察和打擊方案，不同方案的戰(zhàn)果可能不同，同一種使用方案，在不同的任務(wù)場景下的結(jié)果也可能不同，需要對每種作戰(zhàn)方案進(jìn)行評估。為優(yōu)化任務(wù)配置，提高訓(xùn)練和作戰(zhàn)水平，在每次任務(wù)后，都應(yīng)該進(jìn)行評估。因此，建立一個有效的察打任務(wù)效能評估方法是有必要的，通過效能評估，對無人機(jī)在不同時間、空間、態(tài)勢環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的能力高低進(jìn)行評價對比，找出差距和不足，改進(jìn)使用方法，同時在每次執(zhí)行任務(wù)時在眾多的方案中尋找較優(yōu)的方案，顯得必要[1-4]。

作戰(zhàn)效能評估方法有十余種，當(dāng)前對于無人機(jī)作戰(zhàn)效能評估主要根據(jù)仿真的方法，根據(jù)固有指標(biāo)數(shù)據(jù)分析評價不同無人機(jī)的效能或同一無人機(jī)不同分系統(tǒng)的效能，最終給出“很好,較好,一般,較差,很差”的評價[1-3]，這些評估方法大多聚焦無人機(jī)系統(tǒng)固有設(shè)計特性，而較少關(guān)注投入不同環(huán)境后不同具體任務(wù)的效能，對察打一體無人機(jī)任務(wù)的多樣性考慮不足。也有專家研究評價不同環(huán)境、不同載荷配置下的無人機(jī)作戰(zhàn)效能，分析不同因素對無人機(jī)作戰(zhàn)效能的影響，但是大多基于仿真或定性評價，通過外場試驗檢驗的較少。在試驗鑒定轉(zhuǎn)型的背景下[5]，部分有人機(jī)開展了基于外場試驗的作戰(zhàn)效能評估研究。

本文采用實裝試飛的方法對不同典型任務(wù)剖面下察打一體無人機(jī)的任務(wù)效能進(jìn)行評估，對實際環(huán)境下的試飛結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，對比分析同一無人機(jī)不同任務(wù)下的效能，評價無人機(jī)實際能力，尋找典型任務(wù)條件下更合適的使用方式，為用戶提供更好的使用建議，同時也提高試飛設(shè)計與評估能力。

1 基于試飛的任務(wù)效能評估總方案

常見效能評估方法有數(shù)學(xué)解析法、專家評估法、試驗統(tǒng)計分析法、作戰(zhàn)方案模擬法等幾大類、數(shù)十種。數(shù)學(xué)解析法是通過理性推理分析評價，優(yōu)點是理論性強(qiáng)、變量關(guān)系明了，但是評估對象之間關(guān)系過于發(fā)散、復(fù)雜，對于新型裝備，難以建立合適的模型公式，也不適用于無人機(jī)等龐大系統(tǒng)的評價。專家評估法是以專家的經(jīng)驗為主進(jìn)行判斷和評估，優(yōu)點是使用簡單，但是要求專家具有很豐富的閱歷和經(jīng)驗，主觀性太強(qiáng)，難以選擇合適的專家，也不適用于新裝備的評估。作戰(zhàn)方案模擬法是通過建模仿真的方法進(jìn)行試驗評估，通過虛擬配置、虛擬布陣達(dá)到模擬各種戰(zhàn)場攻防態(tài)勢的目的，可充分考慮并檢驗無人機(jī)的各種作戰(zhàn)使用方式，可多次重復(fù)，但是這種方法對無人機(jī)系統(tǒng)的各項戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能等進(jìn)行了簡單化處理，很難對無人機(jī)系統(tǒng)在真實戰(zhàn)場環(huán)境下各個系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)能力以及處理戰(zhàn)場突發(fā)狀況的能力進(jìn)行檢驗,不適應(yīng)于復(fù)雜大系統(tǒng)。試驗統(tǒng)計法包括試飛、演習(xí)等方法，是在真實條件下開展試驗。飛行試驗數(shù)據(jù)來源真實、可信，受主觀影響較小，通過對每次任務(wù)飛行的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，計算效能，就能在功能性能試飛結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化數(shù)據(jù)分析，明確影響系統(tǒng)效能的各項因素，對比同一無人機(jī)不同任務(wù)效能，為用戶提供建議，該方法的缺點是耗費大，樣本少，在以往是難以用該方法評估的，但是在武器裝備試驗轉(zhuǎn)型的形勢下[8],越來越強(qiáng)調(diào)在典型任務(wù)背景下開展試驗，因此相關(guān)的樣本量增加，可以實現(xiàn)基于試飛的效能評估。

基于試飛的效能評估，就是根據(jù)察打一體無人機(jī)作戰(zhàn)特點，研究、設(shè)計合適的試飛方案，然后確定試飛評估方法，包括確定評估模型、構(gòu)建評估指標(biāo)體系，再利用實際裝備進(jìn)行飛行試驗，飛行后對機(jī)載測試設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算得到效能，然后分析影響因素，改進(jìn)使用方法，整個效能評估流程框圖如圖1。

圖1 基于試飛的任務(wù)效能評估流程框圖

2 試飛任務(wù)想定

飛行試驗相比仿真試驗，常常受限于試驗經(jīng)費、周期、保障資源等，樣本量遠(yuǎn)少于仿真試驗，因此需要在有限的樣本下獲取可靠的數(shù)據(jù)來客觀的評估系統(tǒng)，因此其試飛剖面要具有典型性和代表性。為制定典型試飛剖面，首先要以用戶使用為出發(fā)點制定典型任務(wù)想定，它是根據(jù)作戰(zhàn)對象結(jié)構(gòu)、無人機(jī)系統(tǒng)使用原則和典型案例，將被試無人機(jī)系統(tǒng)置于用戶的作戰(zhàn)任務(wù)的實際背景中去，如偵察任務(wù)、偵察-打擊-毀傷評估任務(wù)，根據(jù)作戰(zhàn)對象設(shè)置相應(yīng)的戰(zhàn)場環(huán)境，人為而又不違背科學(xué)地設(shè)想戰(zhàn)斗進(jìn)程，包括任務(wù)分配、鏈路、偵察載荷、武器使用進(jìn)程，并構(gòu)造出一些戰(zhàn)斗模型。這種想定通過對被試系統(tǒng)的任務(wù)使命任務(wù)進(jìn)行分解和分配，展現(xiàn)對抗雙方裝備、實體、環(huán)境、目標(biāo)、事件及關(guān)系等隨時間推進(jìn)的概略設(shè)想[6]。每種想定的具體實施方式就是試飛過程剖面，這是效能評估的載體。這種任務(wù)想定要具體，具有可操作性。

“捕食者”等無人機(jī)可以掛載多種偵察任務(wù)設(shè)備、多種武器，因此在進(jìn)行試飛任務(wù)想定時，就可以設(shè)計不同的偵察設(shè)備、武器搭配方式，以及不同的任務(wù)策略，因此對同一個任務(wù)，可以有多個想定和任務(wù)剖面，通過對這些不同的剖面進(jìn)行試飛驗證，就可以評價在典型任務(wù)背景下最合適的作戰(zhàn)方式。

3 效能評估模型

評價效能的模型有很多，當(dāng)前相關(guān)無人機(jī)效能評估標(biāo)準(zhǔn)中比較常用的是ADC模型[1]，即

E=A·D·C

(1)

(2)

D=exp(-t/MTBCF)

(3)

其中，E=效能；A=可用度；D=可信度；C=任務(wù)能力；MTBF=平均故障間隔時間(h)；MTTR=平均修復(fù)時間(h)；t=設(shè)備連續(xù)工作時間(h)；MTBCF=平均致命故障時間間隔(h)。

飛行試驗后能獲得大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)既是試驗結(jié)果，也是評估的對象和依據(jù)。將這些數(shù)據(jù)通過一定的模型和算法聚合處理，就能獲得系統(tǒng)的效能評估結(jié)果。這些數(shù)據(jù)是根據(jù)指標(biāo)體系聚合的。察打一體無人機(jī)一次完整的作戰(zhàn)特別適合用經(jīng)典的“OODA(Observation,Orientation,Decesion,Action)循環(huán)”決策來描述，而OODA環(huán)又是用一系列活動實現(xiàn)的，活動體現(xiàn)了無人機(jī)的能力，因此可以用活動-能力映射的方式建立無人機(jī)的指標(biāo)體系。首先分析無人機(jī)完成作戰(zhàn)任務(wù)需要進(jìn)行的作戰(zhàn)活動，形成活動集，察打一體無人機(jī)在察打任務(wù)模式下，首選需要根據(jù)初步情報描述，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)行詳細(xì)的定位、識別，指揮機(jī)構(gòu)進(jìn)行打擊決策。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)實施打擊，隨后使用偵察設(shè)備對打擊效果進(jìn)行評估，最后在達(dá)成任務(wù)目標(biāo)后返航，在這個過程中，涉及平臺飛行、偵察載荷、武器攻擊等多個方面的活動[1-4]，每個方面又有其他下層的活動。然后采用OODA環(huán)對作戰(zhàn)活動進(jìn)行能力映射，形成能力目錄，在此基礎(chǔ)上錄取指標(biāo)進(jìn)行分類整理，形成指標(biāo)體系，各個分能力的效能試驗和解算結(jié)果對總?cè)蝿?wù)的貢獻(xiàn)作用就清晰可見，建立效能評估指標(biāo)體系框圖如圖2。

圖2 效能評估指標(biāo)體系框圖

該指標(biāo)體系的第一層為系統(tǒng)效能層指標(biāo),是察打任務(wù)的總體效能，第二層為作戰(zhàn)過程層指標(biāo),是在整個任務(wù)過程執(zhí)行過程中各系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的演變，第三層為局部效能層指標(biāo),是無人機(jī)系統(tǒng)過程層下各方面的分指標(biāo)。

建立分層次評價指標(biāo)之后，需要確定各個指標(biāo)的權(quán)重，可以使用層次分析法(Analytic HlerarchyProcess,AHP)計算確定[2]。AHP法基本思想是在各指標(biāo)之間進(jìn)行比較、判斷和計算，以獲得不同指標(biāo)的權(quán)重。實施中通過大量的專家對下層各個要素關(guān)于上層的重要性按照9級標(biāo)度法分別打分，在同一個層級中，用aij來表示第i個要素相對于第個要素的比較結(jié)果，可知aij=1/aji，則比較矩陣A為

(4)

然后求解比較矩陣的最大特征值和對應(yīng)特征向量，并進(jìn)行歸一化處理，最終確定特征向量為權(quán)重W=[ω1,ω2,…,ωn]T，且滿足0<ωi<1和ω1+ω2+…+ωn=1。

4 數(shù)據(jù)采集與效能計算方法

4.1 數(shù)據(jù)采集

飛行試驗?zāi)塬@得大量的真實數(shù)據(jù)，這是相比其他試驗的優(yōu)勢。需要利用現(xiàn)代化測試設(shè)備對試驗系統(tǒng)的試驗全過程提供全方位測量，包括機(jī)載測試、外部測試，測試以下參數(shù)：

1) 載機(jī)飛行數(shù)據(jù)，包括高度、速度、航向、姿態(tài)、航跡等；

2) 載機(jī)任務(wù)設(shè)備控制指令、狀態(tài)參數(shù)、顯示畫面等；

3) 偵察/打擊目標(biāo)位置、尺寸、速度等參數(shù)；

4) 高精度的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，即在載機(jī)上加裝差分GPS接收機(jī)，記錄載機(jī)高精度的位置、速度信息，為分析和處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供基準(zhǔn)參數(shù)。

4.2 效能計算過程

通過試飛獲取需要的數(shù)據(jù)后，計算任務(wù)效能。指標(biāo)的建立是從上到下建立指標(biāo)，而效能結(jié)果計算則是從下層往上計算，最終獲取總的效能。計算上層效能時，對于下層的數(shù)據(jù)有加性、乘性兩種處理方法。對于各個下層指標(biāo)，雖然某些指標(biāo)結(jié)果為零，但其上層指標(biāo)不為零，則這些相關(guān)指標(biāo)為加性數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)果如下：

(5)

如果只要有某個相關(guān)指標(biāo)為零，則其上層指標(biāo)為零，那么這些相關(guān)指標(biāo)為乘性數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)果為

(6)

式(6)中，y為某上層效能值，xi為第i個下層數(shù)據(jù)或效能值，ωi為第i個下層指標(biāo)權(quán)重值，n為下層數(shù)據(jù)或效能數(shù)目。

對于察打任務(wù)而言，平臺飛行、偵察載荷、對地打擊任何一項沒有完成，整個任務(wù)都不算完成，因此第一級效能的計算采用乘性函數(shù)，對于二級指標(biāo)而言，部分可采用加性函數(shù)，如偵察設(shè)備各模式下的效能。

察打一體無人機(jī)總體效能由式(7)給出

(7)

式(7)中，E為察打一體無人機(jī)總體系統(tǒng)效能，E1、E2、E3分別為無人機(jī)平臺飛行效能、偵察監(jiān)視效能、武器打擊效能，由ADC方法計算得到，WEi為各部分相應(yīng)權(quán)重值。

平臺飛行效能E1：

E1=A1·D1·C1

(8)

平臺飛行可用度A1：

(9)

平臺飛行可信度D1：

D1=exp(-t1/MTBCF1)

(10)

平臺飛行工作能力C1：

(11)

C11、C12、C13、C14分別為作戰(zhàn)半徑、機(jī)動能力、鏈路通信能力、導(dǎo)航能力。其他E2、E3效能也按上述方法得到。通過上述方法從最下層計算，逐步遞推得到上層效能，最終得到總的效能。

4.3 數(shù)據(jù)歸一化處理

實際計算過程中，無人機(jī)任務(wù)結(jié)果中有一部分是定量的直觀數(shù)字，如探測距離、識別距離、識別概率、命中率等，但是還有一部分是難以直觀用數(shù)字表達(dá)的，比如滿意度、舒適性等人機(jī)工效方面的評價，這類結(jié)果只能通過使用人員的認(rèn)識和使用經(jīng)驗給出主觀定性評價，這類定性因素，其評價的量化由專家打分給出，其值在0～100。

由于各個判斷指標(biāo)的試飛結(jié)果大部分的量綱和數(shù)量級是不同的，而且對于結(jié)果優(yōu)劣的判斷也是不同的，有的結(jié)果是數(shù)值越小越好，有的越大越好，還有的是在某一個區(qū)間為好，因此各個結(jié)果之間不具有公度性，不能直接計算效能，為了保證評估結(jié)果的可靠性，評價之前必須將各個結(jié)果進(jìn)行無量綱初始化處理，處理后各分項數(shù)值都處于在0和1之間，使分項能力之間數(shù)值匹配，具備一致性，并以此值作為該項指標(biāo)的指數(shù)值。比如對指標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，共需對Q個任務(wù)結(jié)果進(jìn)行比對，可采用以下方法進(jìn)行歸一化處理,令

L=[l1,l2…lq…lQ]

(12)

當(dāng)要求的結(jié)果越大越好時，表明相應(yīng)數(shù)值越大則目標(biāo)能力越好，如探測距離越大表示載荷工作能力越強(qiáng)，即所求結(jié)果為正向數(shù)據(jù)，此時數(shù)據(jù)歸一化處理函數(shù)為

(13)

當(dāng)要求的指標(biāo)越小越好時，表明相應(yīng)數(shù)值越小則目標(biāo)屬性值越好，如彈藥落地誤差越小表示武器工作越好，即所求結(jié)果為反向數(shù)據(jù)，此時數(shù)據(jù)歸一化處理函數(shù)為

(14)

5 試飛驗證

借鑒張旺、張海峰等人經(jīng)驗[6-8]，在一種無人機(jī)試飛過程中，根據(jù)載荷使用方式的不同，設(shè)計了2種不同的對地攻擊作戰(zhàn)想定，一種是無人機(jī)攜帶光電吊艙、武器，由光電吊艙完成對目標(biāo)的偵察，確認(rèn)后進(jìn)行打擊；一種是無人機(jī)攜帶光電吊艙、SAR雷達(dá)和武器，由SAR雷達(dá)進(jìn)行廣域偵察后，再由光電吊艙進(jìn)行小范圍偵察，開展光電吊艙和SAR雷達(dá)協(xié)同使用，確認(rèn)后進(jìn)行打擊。每種方式各飛行2架次，對飛行后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，效能評估結(jié)果表明，方式2發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離更遠(yuǎn)、定位時間更短，總體飛行距離更少，而且能更快的打擊目標(biāo)，同時由于目標(biāo)信息更多樣，錯誤攻擊的概率更低，因此整體作戰(zhàn)效能也優(yōu)于方式1，因此推薦用戶按方式2使用，同時也建議后續(xù)飛行試驗中增加多偵察載荷協(xié)同使用的科目，能更充分的發(fā)掘系統(tǒng)使用潛力。

6 結(jié)論

基于試飛的察打一體無人機(jī)任務(wù)效能評估方法，是通過真實飛行結(jié)果評定，相比于數(shù)學(xué)解析、專家評估、建模仿真等方法而言更有實際意義，更有說服力，通過對比分析試飛數(shù)據(jù)，使無人機(jī)效能最大發(fā)揮，優(yōu)化使用方式，促進(jìn)研發(fā)與使用。但同時也應(yīng)主要到其樣本的局限性，應(yīng)與其他方法結(jié)合使用，綜合評估。