对地攻击型无人机作战效能评估*

屈高敏，董彦非，岳　源

（1.南昌航空大学，南昌　330063；2.西安航空学院，西安　710077）

对地攻击型无人机作战效能评估*

屈高敏1，董彦非2，岳源1

（1.南昌航空大学，南昌330063；2.西安航空学院，西安710077）

摘要：由于对地攻击型无人机与有人机在性能参数和作战方式等方面存在诸多不同，为了评估其作战效能，首先建立了对地攻击型无人机作战效能评估的指标体系，然后在此基础上建立了对地攻击型无人机的综合指标模型，同时对效能模型中各分项能力的评估模型进行了完善。最后以6种无人机综合作战效能评估为例计算并检验了模型的可用性。

关键词：对地攻击型无人机，效能评估，综合指数模型

0　引言

随着航空科技的发展和军事需求的推动，对地攻击型无人机应运而生。使用无人机进行进攻作战、非常规作战、高价值目标打击成为无人机发展的一个重要趋势［1］。而且随着无人机的智能化发展，这一趋势将改变对地打击方式和未来空中作战体系。因此，研究无人机对地攻击效能对未来无人机的论证和研制有着重要意义。

对地攻击型无人机与有人机相比，其智能化水平、数据链能力和雷达能力对无人机对地打击效能的作用更加重要［1-4］。未来可以自主执行空地攻击任务的无人机在构造、控制方式、智能化水平、性能参数和作战方式等方面都与有人机存在诸多不同。建立对地攻击型无人机效能评估模型时要针对无人机对地攻击的特点和未来无人机发展趋势，建立相应的指标体系和评估模型。

1　对地攻击型无人机特点

对地攻击型无人机因为不考虑人的因素，从而可挖掘出更大的作战潜能。相对于有人机，对地攻击型无人机可以设计更大的过载，拥有更强的续航能力，具有更大的挂载能力、更快的反应速度、更小的尺寸以及携带载荷灵活，能够胜任执行多种任务［5］等特点。

未来可以自主执行空地攻击任务的无人机相对于有人作战飞机存在许多差异。

首先是要具备良好的自主能力和机动能力。无人作战飞机通常对战场实时性要求高，特别是对无人驾驶战斗机来说，一旦发生空战，决定胜负往往只在一瞬间，单纯依靠地面操控站进行指挥显然不能满足作战要求，因此，具备一定的自主能力显得尤为重要［6］。当前自主技术的研制焦点集中在容错飞行控制系统（FCS）、飞行中任务管理、协同交战、分布式数据融合以及自动目标识别/交火等［7］。

同时，地面操控站亦需进行相应的技术革新来应对空战当中集群火力所带来的信息数据量大和操控人员实施操控困难的问题。另外，先进的发动机技术为无人作战飞机带来了较高的飞行速度；高强度的机身设计也为其带来较高的抗过载能力，这些都为无人作战飞机实施机动成功突防对手的防控网络提供了一定的技术保障［8］。

其次数据链、网络技术与协同作战为主要特征的系统技术更加重要［5］。对地攻击型无人机作为一种重要的未来信息化战争的直接作战武器装备，需要在空-天-地（海）一体化信息网络的支持下实施作战。这不仅意味着它能从信息网络获得信息支持完成自身的作战使命，同时也能通过信息网络，实现与其他信息平台和武器平台的信息互通、互联、互操作。无人作战飞机的网络运行能力的实现，需要一个带宽更宽、性能更可靠、抗干扰能力更强和互用性要求更高的数据通信网络的支持，同时必须全面突破传统的数据链技术，实现时空一致的网络实时信息管理、传输与控制。另一方面，无人机要实现智能的自主控制飞行，最关键的技术是数据链传输的安全和可靠问题［9］。宽带、大数据量的传输是无人机的发展趋势和必然要求。目前，无人机主要采用Ku/Ka波段、C/X波段和L波段进行通信［10］。因此，数据链、网络技术与协同作战研究应该在无人作战飞机系统研究过程中受到高度重视。

再次，随着无人机有效载荷的增加和雷达小型化技术的提高，无人机载雷达逐渐成为无人机载荷的重要组成部分，提高了无人机的作战性能，并在战场上发挥着重要的作用。机载雷达是无人机获取态势感知能力的重要手段［11］。20世纪90年代初，随着雷达技术的不断进步，新体制、小型化雷达逐渐安装在无人机上，例如美国“全球鹰”（Global Hawk）、“捕食者”（Predator），以色列的“赫尔姆斯”（Hermes）、“搜索者”（Searcher）等主要无人机型都装载新型雷达，使无人机可以进行长航时战场侦察，战场监视和战场毁伤评估。无人机载SAR成像分辨率高，探测距离远，可以全雷达作为任务载荷安装在无人机上［12］。

最后，受天气影响很大，在地形复杂区域使用困难。在暴风雨雪、大雾、沙尘暴等恶劣天气条件，操作人员作战飞机的操控难度加大，无人作战飞机的操纵性能大大降低，不但出勤率要低于有人驾驶作战飞机，而且即使飞临目标上空也基本无法正常执行任务，因而有人称其为“好天气才能使用”的攻击机［13］。况且，无人作战飞机主要由无线电遥控或自主程序控制，易受地形地势的影响，特别是高山、峡谷等复杂地形对飞行和操控的影响较大。

2　综合指数模型

2.1效能指标体系

基于以上分析，参考有人机空对地作战效能指标体系［14］，建立对地攻击型无人机作战效能评估指标体系如图1所示。

图1　对地攻击型无人机效能指标体系图

2.2综合指数模型的建立

根据对地攻击型无人机的效能指标体系，采用参数计算法的建模思想，并以权值体现智能化等对无人机作战效能影响的重要性，可以建立对地攻击型无人机效能评估的综合指数模型：

式中，Att为攻击能力系数；Pe为突防系数；εn为导航能力系数；r为作战半径系数，可根据无人机的作战半径确定；T为态势感知能力；w1，w2，～w5为各个分项能力的权重。ε1为系统的可靠性，它与作战系统的可靠度及其保障维护情况有关；ε2为环境影响因子，包括自然环境N和人为环境H两个方面（N主要是指风、霜、雨、雪等不良气候以及地形、地貌等自然作战环境对作战效能的影响［15］，H是指对地攻击型无人机对电子对抗、电子干扰等因素的抗干扰能力）；ε3为无人战斗机操作员的影响因子。一方面，同样的武器系统，在不同操作员的操纵下会表现出不同的效能；另一方面，“以人为中心”的设计思想越来越受到人们的重视，比如，系统的自动化程度并不是越高越好，而是在综合考虑操作员的操作习惯和生理习惯所设计出的自动化系统［16］才能使“人-机”系统表现出最佳的效能［16-17］；ε4为指挥控制系统影响因子，是指导航卫星、预警飞机、雷达等对地攻击型无人机作战效能的影响。

指标公度化：各分项能力指数上面的“一”表示进行公度化处理［18］（以下同），处理后各分项数值都处于在0和1之间，使分项能力之间数值匹配，具备一致性，并以此值作为该项指标的指数值。在无人机对地攻击指标体系中，有的指标为极大型指标，有的指标有单位，有的指标没有单位。因此，在对生存力进行评价之前，必须对指标进行公度化处理。按照当指标Uj为极大型时，其无量纲指标为：

当指标Uj为极小型，其无量纲指标为：

2.3各分项能力模型

攻击能力模型：攻击能力系数与发现目标能力系数Det、武器载弹量W（可根据无人机的重量特性决定）、武器的发射距离Ran、武器精度系数Acc以及这种武器的挂载数量n有关，取值准则参考文献［19］。计算公式为：

突防能力模型：突防系数Pe与生存力系数Sur、装甲系数Ar、突防机动能力（用最大允许过载nymax代表）、突防最低高度Hp和突防速度Vp等有关，计算公式为：

具体参数变化如下：由于对地攻击型无人机，操作人员在地面上相对安全的地方，所以不设置装甲，可以考虑为座舱有装甲，根据参考文献［19］，取装甲系数为座舱有装甲0.7。相对于有人作战飞机，无人机可以有较大的过载。对地攻击型无人机的生存力系数可用雷达反射截面（RCS）、电子对抗能力和无人机的几何尺寸为主要代表因素。计算模型为：

式中，RCS为迎头或尾后方位120°左右之内的对应3 cm波长雷达的平均值（m2）；S为机翼面积（m2）；Lall为飞机全长（不含空速管的长度，m）。

导航能力模型：导航能力系数的取值标准参考文献［19］。

态势感知能力模型：态势感知能力由智能化水平、数据链能力和雷达能力3部分构成。计算模型为：

智能化水平（IUAV）为无人机的智能化主要体现在计算机辅助决策系统中。其计算依据美国海军研究办公室和美国空军研究实验室共同提出的自主作战（Autonomous Operations，AO）能力，并定义了自主控制等级（Autonomous Control Level，ACL）的10个等级，作为标准衡量无人机在自主程度方面的水平［20］。

数据链能力（Sj）由信息接收能力、信息处理能力和数据共享能力3部分组成。信息接收能力（Xj）指单位时间内信息获取的度量可用以下公式表述：

式中，Qxl为有效数据率，Qmax为系统允许的最大数据率，Qkx为损失数据率，tf为单位接收时隙持续时间，tp为单位信息传播时间。信息处理能力（Xc）指信息处理部分是由信息识别和信息分选组成的。将接收到的密集信息进行分选，分选信息由数据类型（N）和分选时间（T）决定，故选取分选能力对信息处理能力进行评估是切实可行的。信息识别在信息处理过程中也处于相当重要的地位，这里可以用信息识别概率来描述：

式中：Mj为识别出的信息数；M为客观存在的信息数。最后得出信息处理能力评估模型为：

数据共享能力（Gx）指对于处理过后的信息可将其回传给系统各节点，即有无人机平台中的各单位，其度量指标为：

式中，C为数据共享能力，nr是节点的接收数目，nt为节点的发送数目，Mt是消息节点的发送，Mr为消息节点的接收。

对地攻击型无人机的数据链能力可量化表示为：

式中：Sj为对地攻击型无人机的数据链能力；Xj为信息接收能力；Xc为信息处理能力；Gx为数据共享能力；δ1、δ2、δ3为比例系数。

雷达能力是对地攻击型无人机一般装备合成孔径雷达作为的机载雷达。合成孔径雷达能力主要是指雷达的分辨能力［21］（L），它包括距离分辨力和方位分辨力。采用脉冲压缩技术后，雷达的距离分辨力Sr为：

这里c为光速；B为信号带宽。根据合成孔径雷达探测原理，其方位分辨力δcr为：

其中，θB为合成孔径阵天线的等效波束宽度；R为目标所在位置的距离；D为天线实际孔径。从式中可以看出，在合成孔径情况下，雷达的方位分辨力与目标所在位置的距离R无关，仅由天线实际孔径决定D决定，数值是实际天线孔径的一半。

对地攻击型无人机的雷达能力可量化表示为：

式中，δ1、δ2为比例系数。

3　算例与分析

算例中取6架作战无人机的参数计算，权重系数分别取值为0.25，0.35，0.1，0.2，0.1。仅考虑作战能力时，指挥系统ε1、可靠性ε2、使用环境ε3、操作人员等因素ε4都可设为最佳状态，取值为1。采用综合指数模型的评估结果如表1所示。

表1　对地攻击型无人机系统效能评估结果

则从表1中可以看出，U3、U4的作战效能最高；U1、U2、U6的作战效能次之；U5的作战效能最低。评估结果较好地反映了不同机型的对地攻击能力。

U2、U3、U4这3种无人机虽然在设计之初就考虑了对地攻击功能，但它们的首要任务依然是战场的监测和侦察，兼顾对重要目标的打击。因此，这3种无人机共同的弱点是突防能力不足、所载武器效能差以及自主智能水平差的缺点。U1和U2拥有更大的载弹量，这使得U1、U2的对地攻击效能高于U5、U6。同时由于较弱的载弹能力，U5的对地攻击能力最差。U3和U4两种无人机的对地攻击效能明显高于其他4种无人机。这种优势的获得很大一方面是因为这两种无人机就是专门针对对地攻击设计的，它们具有性能先进的雷达，完善的数据通信能力，高度的智能化决策能力。特别是U4还拥有高隐身性能带来的强突防能力以及大载弹量带来的强攻击能力。因此，U4的对地攻击能力评估值较U3略高。

4　结论

根据对地攻击型无人机的特点和战场环境，本文提出了针对对地攻击型无人机的作战效能评估的综合指标体系，并建立了一种无人机作战效能综合评估模型，算例表明，运用该方法得出的评估结论合理，并具有较强的可操作性和实用性。在具体使用中应该在该建模思想的指导下，综合考虑具体可获得的数据情况，并结合参数敏感性分析以及课题任务等因素合理调整具体的计算模型。

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中图分类号：V271.4；E926

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）04-0145-05

收稿日期：2015-03-28修回日期：2015-04-29

*基金项目：航空科学基金（2011ZA56001）；江西省研究生创新专项基金资助项目（YC2014-S396）

作者简介：屈高敏（1990-），女，陕西渭南人，硕士研究生。研究方向：飞行器总体设计与系统仿真研究。

Operational Effectiveness Evaluation of Ground Attack UCAV

QU Gao-min1，DONG Yan-fei2，YUE Yuan1
（1.Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.Xi'an Aerotechnical College，Xi'an 710077，China）

Abstract：There are many differences in terms of performance parameters and operational methods between the ground-attack UCAV and the manned aircraft.In order to assess the operational effectiveness，operational effectiveness assessment index system of ground-attack UCAV is established firstly.Then the ground-attack UCAV comprehensive index model is established on this basis，while the model to assess the effectiveness of the various sub-capacity are perfected.Finally，the usability is verified through the calculation examples of 6 kinds of UCAV.

Key words：ground-attack UCAV，effectiveness evaluation，index model