無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)海域艦船目標(biāo)偵察方法研究

李昭奕 劉嘉駒 劉念 楊鵬輝

當(dāng)前，各國(guó)在研及列裝的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)多采用預(yù)先規(guī)劃和臨機(jī)規(guī)劃相結(jié)合的任務(wù)規(guī)劃模式。無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)前，任務(wù)規(guī)劃員預(yù)先規(guī)劃飛行航線。無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，任務(wù)規(guī)劃員根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息實(shí)時(shí)調(diào)整飛行航線。當(dāng)前世界各軍事強(qiáng)國(guó)聚力發(fā)展高自主性的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)，但受機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)發(fā)展限制，目前高自主性的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)仍停留在概念機(jī)階段?；诋?dāng)前無(wú)人機(jī)裝備實(shí)際運(yùn)用的技術(shù)實(shí)際考慮，半自主模式的預(yù)先規(guī)劃與實(shí)時(shí)規(guī)劃相結(jié)合的方式，對(duì)提升無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)的作戰(zhàn)能力具有重要現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)海上廣域偵察

無(wú)人機(jī)搭載合成孔徑雷達(dá)在海上進(jìn)行偵察，可以獲取到艦船的遙感圖像。無(wú)人機(jī)獲取海上遙感圖像的過(guò)程為：指揮控制中心發(fā)送艦船位置信息至地面指揮控制站，地面指揮控制站通過(guò)上行鏈路發(fā)送飛行控制信號(hào)至無(wú)人機(jī)紅外遙感圖像攝像平臺(tái)，無(wú)人機(jī)將獲取的圖像、視頻和GPS定位信息經(jīng)下行鏈路傳送回地面指揮控制站，地面指揮控制站將圖像、視頻、GPS定位信息傳送給指揮控制中心，指揮控制中心的判讀人員對(duì)比艦船目標(biāo)信息對(duì)遙感圖像進(jìn)行判讀。無(wú)人機(jī)航拍得到的艦船遙感圖像清晰度高、比例尺度大、空間信息豐富，有利于艦船目標(biāo)的識(shí)別。但小型海島等與艦船相似的目標(biāo)會(huì)對(duì)識(shí)別工作造成干擾。

無(wú)人機(jī)遂行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，要結(jié)合任務(wù)和目標(biāo)特點(diǎn)，精心選擇載荷，靈活運(yùn)用各種戰(zhàn)法。無(wú)人機(jī)通常配備多種載荷，針對(duì)不同的偵察目標(biāo)，選擇合適的載荷，能獲取更高質(zhì)量的目標(biāo)圖像。面對(duì)不同的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，選擇合適的偵察方法，能夠更大程度提升偵察效果。因此，按照“精選載荷，活用戰(zhàn)法”的原則，需要熟悉各種載荷的戰(zhàn)技性能指標(biāo)和功能特點(diǎn)，根據(jù)任務(wù)類型選擇最適合的載荷。例如，偵察監(jiān)視某海域，則應(yīng)選擇廣域偵察能力強(qiáng)的掛載設(shè)備。根據(jù)海上聯(lián)合作戰(zhàn)的作戰(zhàn)指導(dǎo)、無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)能力、敵作戰(zhàn)部署和作戰(zhàn)目標(biāo)，要針對(duì)性選取戰(zhàn)法，并根據(jù)敵情變化靈活變換戰(zhàn)法，爭(zhēng)取作戰(zhàn)主動(dòng)權(quán)。

本文基于海上廣域偵察特征，提出了“圍棋”網(wǎng)格法，結(jié)合多源情報(bào)信息，劃設(shè)偵察區(qū)域邊界，推算目標(biāo)可能出現(xiàn)的區(qū)域，突出偵察重點(diǎn)區(qū)域，提高了偵察搜索的時(shí)效性。采取棋格點(diǎn)位“盤旋”、棋盤“切點(diǎn)”跳圈偵察的方法，能夠避免因敵活動(dòng)艦船目標(biāo)相對(duì)較小，無(wú)人機(jī)大角度機(jī)動(dòng)易丟失目標(biāo)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定跟蹤監(jiān)視，以及敵防空火力系統(tǒng)對(duì)我機(jī)構(gòu)成威脅，確保了無(wú)人機(jī)的飛行安全。

預(yù)先規(guī)劃，構(gòu)建“棋盤”網(wǎng)格偵察航線

“大視場(chǎng)”任務(wù)區(qū)域全掃描，最快速度發(fā)現(xiàn)“可疑點(diǎn)”

戰(zhàn)場(chǎng)偵搜范圍大是海上艦船偵察任務(wù)的主要特征。全范圍偵掃作戰(zhàn)海域，并在最短時(shí)限內(nèi)完成，是首要任務(wù)目標(biāo)。無(wú)人機(jī)偵察載荷的偵照范圍是重要限制條件。具體而言就是，在任務(wù)計(jì)劃所設(shè)定的飛行高度下，無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷偵照目標(biāo)，任務(wù)載荷監(jiān)控員通過(guò)指揮控制站監(jiān)視實(shí)時(shí)下傳顯示的視頻信息，任務(wù)載荷監(jiān)控員能夠清晰發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)的“小黑點(diǎn)”。無(wú)人機(jī)執(zhí)行“盤旋”指令進(jìn)行偵察，無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷的傾斜偵察角度決定了偵照?qǐng)D像內(nèi)容，無(wú)人機(jī)的盤旋半徑也是決定偵照?qǐng)D像內(nèi)容的關(guān)鍵影響因素。

先手布局，劃定“棋盤”方格最小間距

假設(shè)無(wú)人機(jī)處于“盤旋狀態(tài)”，飛行高度為H，無(wú)人機(jī)傾斜角度為θ，無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷設(shè)定最小焦距時(shí)，處于最大視場(chǎng)狀態(tài)，此時(shí)在地面指揮控制站的監(jiān)控畫面中，可以清晰看到“小黑點(diǎn)”。據(jù)此，可以推算出無(wú)人機(jī)在“盤旋”狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的偵察半徑理論最大值Rmax，即Rmax=H tan θmax，如圖1所示。無(wú)人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，飛行安全是首要因素。假設(shè)無(wú)人機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為R，第一種情況，若無(wú)人機(jī)在盤旋狀態(tài)下，可發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的半徑理論最大值Rmax小于無(wú)人機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑R，無(wú)法保證無(wú)人機(jī)的飛行安全。在此情況下，為保證無(wú)人機(jī)的飛行安全，無(wú)人機(jī)盤旋偵察識(shí)別目標(biāo)半徑理論最大值Rmax，取值為無(wú)人機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑R值，即令Rmax=R。第二種情況，若無(wú)人機(jī)在盤旋狀態(tài)下，可發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的半徑理論最大值Rmax大于或等于無(wú)人機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑R，能夠保證無(wú)人機(jī)的飛行安全，則無(wú)人機(jī)盤旋偵察識(shí)別目標(biāo)半徑理論最大值Rmax，取值理論計(jì)算值，即Rmax。本文劃設(shè)“棋盤”方格，“棋盤”方格最大間距，即為無(wú)人機(jī)盤旋偵察可識(shí)別目標(biāo)半徑理論最大值Rmax，如圖2所示。

圈“地”圍域，劃設(shè)偵察范圍邊界

首先，根據(jù)敵我雙方攻守關(guān)系，結(jié)合海上探測(cè)預(yù)警雷達(dá)等多源情報(bào)信息綜合研判，預(yù)判敵方艦船航行方向及最大可能性出現(xiàn)區(qū)域，采取主動(dòng)出擊、劃設(shè)重點(diǎn)區(qū)域的方式。情況一：若敵方艦船意圖抵進(jìn)我方海域，并企圖登陸我海岸線，則根據(jù)敵方艦船可能抵進(jìn)偵察的最大范圍，甚至敵方艦船抵進(jìn)打擊我方陸基兵力或基礎(chǔ)設(shè)施的最遠(yuǎn)距離，劃設(shè)為偵察范圍邊界。情況二：若我方艦船于近?；蛏钏{(lán)遠(yuǎn)海遂行海上任務(wù)，敵方艦船闖入我方雷達(dá)探測(cè)識(shí)別區(qū)，則根據(jù)我方艦船或編隊(duì)的最小安全距離，劃設(shè)為偵察范圍邊界。

橫經(jīng)縱緯，自內(nèi)向外劃設(shè)“棋盤”

劃設(shè)偵察區(qū)域邊界，對(duì)海上偵察任務(wù)區(qū)域進(jìn)行柵格化處理。影響因素為最小偵察區(qū)域邊界，以及無(wú)人機(jī)盤旋偵察可識(shí)別目標(biāo)半徑理論最大值R_max。具體過(guò)程為：多源情報(bào)信息綜合研判結(jié)果為偵察區(qū)域中心位置點(diǎn)，自中心向邊界展開，建立同間距網(wǎng)格點(diǎn)。實(shí)際作戰(zhàn)運(yùn)用中，依據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息經(jīng)驗(yàn)，通常海上艦船目標(biāo)出沒于距陸地較遠(yuǎn)的海洋深處，一般周邊存在大型海島的可能性較小，但也在此提及，若艦船周邊明顯存在不必要?jiǎng)澰O(shè)為偵察區(qū)域，則可不再拘泥于矩形“棋盤”設(shè)定，在此僅為理想化假設(shè)。具體實(shí)施作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，不可生搬硬套，應(yīng)結(jié)合具體戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)及地理環(huán)境信息做以取舍。本文總體思路為確保偵察區(qū)域全覆蓋，在無(wú)人機(jī)確定高度的前提下，保證任務(wù)載荷可有效清晰識(shí)別監(jiān)控圖像中最小影像信息，圖3為輔助偵察航路點(diǎn)“棋盤”概念圖。

落“子”為棋，規(guī)劃全域偵察航線

在預(yù)先規(guī)劃中，可載入的任務(wù)規(guī)劃航路點(diǎn)數(shù)量受數(shù)據(jù)存儲(chǔ)限制。但基于前文思路，在確保偵察區(qū)域全覆蓋的情況下，根據(jù)多源信息劃設(shè)的網(wǎng)格，往往會(huì)過(guò)于密集，因而造成航路點(diǎn)數(shù)量過(guò)多。一方面，航路點(diǎn)可能由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)限制，無(wú)法全部加載。另一方面，無(wú)人機(jī)在航行過(guò)程中，飛行操控席的監(jiān)控屏幕上的態(tài)勢(shì)點(diǎn)位過(guò)于密集，飛行操控員視覺上會(huì)產(chǎn)生額外負(fù)擔(dān)和干擾，影響飛行操控員有效監(jiān)控?zé)o人機(jī)的飛行狀態(tài)，降低飛行的安全性。因此，建議采取四等分、八等分等切分方式，在任務(wù)航線中，僅輸入偵察區(qū)域關(guān)鍵點(diǎn)位信息，確保飛行航線絕對(duì)精簡(jiǎn)，在無(wú)人機(jī)飛抵任務(wù)區(qū)域前，為飛行操控員提供態(tài)勢(shì)參考。

具體過(guò)程為：任務(wù)前，加載“精簡(jiǎn)版”“棋盤”網(wǎng)格航線至任務(wù)航線，作以態(tài)勢(shì)輔助；任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)無(wú)人機(jī)抵進(jìn)偵察區(qū)域邊界，加載“任務(wù)版”“棋盤”網(wǎng)格偵察航線，無(wú)人機(jī)抵進(jìn)重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤﹤刹?，此時(shí)可結(jié)合多源情報(bào)信息，預(yù)判艦船航行方向，順向搜索偵察。

實(shí)時(shí)規(guī)劃，持續(xù)穩(wěn)定跟蹤監(jiān)視艦船目標(biāo)

綜合多方情報(bào)信息，確定“火力威脅圈”

無(wú)人機(jī)抵進(jìn)執(zhí)行航空偵察任務(wù)，須首要保證無(wú)人機(jī)的飛行安全，進(jìn)而確保無(wú)人機(jī)有效完成作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)。任務(wù)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)從偵察區(qū)域邊界進(jìn)入，沿預(yù)判艦船航行方向順向搜尋，當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)時(shí)，或者臨近重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域時(shí)，無(wú)人機(jī)需要立即調(diào)整飛行探測(cè)位置，及時(shí)切點(diǎn)“外跳”，確保無(wú)人機(jī)處于安全的偵察位置，隨后無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偵照，地面情報(bào)人員綜合研判，判斷目標(biāo)是否為艦船，判斷艦船所屬國(guó)別、類型等基本信息，判斷艦船上是否搭載防空武器、反無(wú)人機(jī)裝備等火力裝備，進(jìn)而判斷敵方的火力打擊范圍。

無(wú)人機(jī)根據(jù)“棋盤”信息，確定最近偵察點(diǎn)位，無(wú)人機(jī)依托航路點(diǎn)，盤旋偵察目標(biāo)。綜合多源情報(bào)信息，劃設(shè)敵防空武器火力打擊范圍，根據(jù)“棋盤”信息，確認(rèn)無(wú)人機(jī)當(dāng)前偵察位置是否安全。飛行操控員操控?zé)o人機(jī)，快速做出反應(yīng)動(dòng)作，向“棋格”外圈機(jī)動(dòng)，確保無(wú)人機(jī)飛行安全。

根據(jù)激光測(cè)距確定敵我位置距離，靈活機(jī)動(dòng)確保安全

計(jì)算敵防空火力圈和無(wú)人機(jī)的相對(duì)距離，當(dāng)無(wú)人機(jī)處于安全位置時(shí)，載荷監(jiān)控員向艦船目標(biāo)發(fā)射激光，測(cè)定無(wú)人機(jī)與艦船目標(biāo)的直線距離，持續(xù)穩(wěn)定跟蹤監(jiān)視敵方艦船目標(biāo)，動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)澄椅恢镁嚯x，判斷無(wú)人機(jī)當(dāng)前是否存在安全威脅，適時(shí)采取機(jī)動(dòng)“跳圈”方式應(yīng)對(duì)。

切換“盤旋”點(diǎn)位，確保任務(wù)載荷平臺(tái)畫面穩(wěn)定

無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)無(wú)相對(duì)大角度機(jī)動(dòng)，保證了無(wú)人機(jī)的飛行安全。同時(shí)保證了任務(wù)載荷平臺(tái)獲取到的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，能夠持續(xù)穩(wěn)定鎖定目標(biāo)，將目標(biāo)圈定在視線范圍內(nèi)。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)執(zhí)行區(qū)域偵察任務(wù)，通常采取“直線往復(fù)偵察法”“光柵偵察法”以及“掃雪偵察法”。

基于上述三類偵察方法，采取壓縮直線偵察距離的方式，即“壓縮柵格高度”。根據(jù)柵格單向平移特征，相對(duì)目標(biāo)距離會(huì)增大或減小，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)逐漸遠(yuǎn)離或抵進(jìn)目標(biāo)。一是無(wú)人機(jī)的飛行安全可能出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，二是會(huì)導(dǎo)致監(jiān)視畫面中的目標(biāo)圖像“忽大忽小”，造成監(jiān)控不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致目標(biāo)丟失。

目前，無(wú)人機(jī)執(zhí)行跟蹤監(jiān)視任務(wù)，飛行操控手段通常采取“左盤旋”“右盤旋”“8字盤旋”等方式，無(wú)人機(jī)小角度盤旋，確保任務(wù)載荷平臺(tái)畫面相對(duì)穩(wěn)定，目標(biāo)圖像大小變化較小，且目標(biāo)可始終圈定在監(jiān)控畫面內(nèi)。

棋盤“切點(diǎn)”偵察，確保持續(xù)穩(wěn)定跟蹤監(jiān)視

無(wú)人機(jī)根據(jù)與敵艦船相對(duì)距離、敵防空打擊范圍等關(guān)鍵信息，采取“盤旋”偵察方式，對(duì)敵方艦船持續(xù)穩(wěn)定跟蹤監(jiān)視，如圖6所示。若敵艦船目標(biāo)與我機(jī)距離不斷增大，目標(biāo)圖像逐漸縮小，結(jié)合當(dāng)前所處“棋盤”網(wǎng)格位置，綜合分析周邊網(wǎng)格情況，敵防空火力打擊圈和最小偵察半徑等限制因素，遴選最佳切換航路點(diǎn)。

實(shí)施規(guī)劃平行敵艦船航行，臨機(jī)調(diào)整“棋盤”

持續(xù)穩(wěn)定監(jiān)控?cái)撤脚灤繕?biāo)一段時(shí)間后，可實(shí)施臨機(jī)規(guī)劃，規(guī)劃平行于艦船航行方向的偵察航線，依據(jù)艦船當(dāng)前概略位置劃定威脅區(qū)，無(wú)人機(jī)與敵方艦船目標(biāo)始終保持安全距離，無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)敵方艦船目標(biāo)后，使用激光測(cè)距測(cè)定目標(biāo)位置信息，對(duì)敵方艦船目標(biāo)持續(xù)跟蹤。

結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，海上廣域偵察任務(wù)面臨兩大現(xiàn)實(shí)難題，一是海上任務(wù)區(qū)域廣闊，正所謂“滄海一粟”，即便無(wú)人機(jī)偵察載荷平臺(tái)切換至“大視場(chǎng)”模式，想要在茫茫大海上尋找相對(duì)微小的艦船目標(biāo)，也需要大量的時(shí)間。通過(guò)“圍棋”網(wǎng)格法，結(jié)合多源情報(bào)信息，劃設(shè)偵察區(qū)域邊界，預(yù)判中心區(qū)域，計(jì)算最大棋格間距，突出偵察重點(diǎn)，根據(jù)線索，有序搜尋，提高了偵察搜索的時(shí)效性。二是無(wú)人機(jī)高空狀態(tài)下，敵方艦船目標(biāo)相對(duì)較小，無(wú)人機(jī)大角度機(jī)動(dòng)，采取“柵格法”偵察，易丟失目標(biāo)，無(wú)法持續(xù)穩(wěn)定跟蹤監(jiān)視目標(biāo)，以及敵方艦船搭載防空火力系統(tǒng)，對(duì)我機(jī)構(gòu)成安全威脅。采取依托棋格點(diǎn)位“盤旋”，棋盤“切點(diǎn)”跳圈偵察，確保安全，穩(wěn)定追蹤，有效監(jiān)視。本文針對(duì)海上廣域艦船目標(biāo)偵察任務(wù)背景，提出的構(gòu)建“棋盤”、切點(diǎn)偵察方法，對(duì)無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)海域作戰(zhàn)運(yùn)用具有重要實(shí)戰(zhàn)意義，可為從事本專業(yè)人員提供參考思路。