基于察打任务的无人机作战效能评估*

徐冠华，董彦非，岳　源，王　超

（1.南昌航空大学飞行器工程学院，南昌　330063；2.西安航空学院，西安　710077）

基于察打任务的无人机作战效能评估*

徐冠华1，董彦非2，岳源1，王超1

（1.南昌航空大学飞行器工程学院，南昌330063；2.西安航空学院，西安710077）

首先根据时敏目标打击的特点，分析了察打任务模式下的察打一体无人机的作战使用。然后对评估体系中察打一体无人机的侦察能力与打击能力相关性进行了分析，同时将任务可执行度作为无人机效能评估的一项动态权衡标准，建立了基于察打任务的无人机效能评估模型，并基于效能指标体系建立了各分项模型。最后通过算例验证了模型的可行性。

察打任务，察打一体无人机，任务可执行度，效能评估

0　引言

随着现代战场环境日益复杂化，各国着力于发展针对时敏动目标的“发现”即“摧毁”打击能力，其中察打一体无人机（Reconnaissance and Strike Integrated Unmanned Aerial Vehicle,R/S UAV）系统是实施这种“实时”打击最为有效的方式之一。察打任务模式作为察打一体无人机针对时敏目标的一种重要模式，其独特的优越性是许多其他打击平台模式所不可比拟的［1-4］。

在察打任务模式下，首先需要察打一体无人机根据初步情报描述，对指定任务区域进行分散式搜索。当发现可疑目标后，使用机载侦察设备对可疑目标进行定位、识别和打击决策。在确认目标特性并接到攻击指令后，察打一体无人机对目标实施打击，随后使用传感器对打击效果进行评估，最后在达成任务目标后返航。在整个搜索-发现-打击的任务过程中，对察打一体无人机的侦察能力、对地攻击能力等方面的要求与传统作战无人机的对地攻击模式有许多的不同。其任务的有效执行与侦察和打击两个方面密切相关，在进行任务效能评估时需要作密切相关考虑。

现阶段无人机的效能评估大多只考虑无人机本身，而没有考虑无人机所执行的多样化任务。而战场任务是多样化，就察打一体无人机来说，同样是时敏目标察打任务，根据时间、空间的不同，敌我态势的不同，对具体任务的无人机各项指标的要求也会有所不同。例如有两架察打一体无人机“捕食者”MQ-1和WJ-600，在面对时敏目标为恐怖分子卡车时，需要花费大量时间在目标的搜索、跟踪和确认上，这时较长航时MQ-1的时间可执行度优势可以在任务中体现，而WJ-600仅3 h～5 h的续航在时间方面难以执行。但如果在相同任务区域，大国军事对抗的条件下，技侦已明确坐标的敌方时敏卡车目标，此时面对较大的对空威胁，高空、隐身、较强突防能力的WJ-600环境可执行度优势会非常明显。在多变的任务环境条件下，多数时敏打击任务会介于上述两种情况之间，而众多不同型号、载荷、燃油配置的察打一体无人机需要根据具体任务的不同进行效能评估和选择。因此，在效能评估时需要基于任务进行综合考虑［5］。而任务的可执行度（包括时间和环境）可作为评估的一个重要指标。

在评估方法的选择上，由于传统对数评估法在评估无人机效能时会存在一些“自然缺陷”如权重、相关性、规格化等问题。因此，本文采用“综合指数模型”来评估无人机任务效能［6-8］。

1　作战效能评估模型

1.1作战效能评估总模型

对基于察打任务的无人机来说，其作战能力、侦察能力、任务可执行度三者是密切相关的，因此，建立的察打任务效能总模型为：

ES=C×R×S

式中：ES为无人机察打任务效能；C为无人机作战能力，R为无人机侦察能力，S为任务可执行度。其中任务可执行度包括时间可执行度和环境可执行度。

1.2指标体系设计

根据察打任务模式需兼顾侦察和打击两种作战方式同时考虑任务可执行度这一特点，选取无人机作战能力、侦察能力、任务可执行度3个主要项目来评估，如图1所示。

图1　基于察打任务的无人机效能指标体系

1.3作战能力C

察打一体无人机在对时敏目标进行攻击时，一般情况下时敏目标会具有较小的机动能力，对地攻击效果主要取决于无人机的武器打击能力、机动能力。用公式表示为：

式中：下标i为对地攻击的武器种类数，可设有k种，Det为目标瞄准能力系数；W为该种武器载弹量，可根据飞机的重量特性决定；Ran为发射距离；Acc为该武器精度系数，取值准则参考文献［9］；n为这种武器的挂载数量；B为机动性能；

这里对各项能力参数进行了归一化处理，用“—”号表示。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参数值。避免了非线性效能评估公式中，某项性能在特定情况下归零时，可能出现与事实相背离的结论［6］。

机动性能参数B可以用操纵性能、最大过载和最大单位重量剩余功率求得［10-11］。公式为：式中为无人机操纵效能系数；为最大法向过载；nyp为最大盘旋过载；为单位重力剩余功率。

1.4侦察能力R

无人机在对时敏目标进行搜索时，首先会跟据初步目标情报描述，导航进入指定任务区域，开启侦察载荷对任务区域进行搜索。根据有效载荷的不同，无人机侦察载荷主要可分为电子信号侦察设备、SAR（Synthetic Aperture Radar合成孔径雷达）和CCD传感器设备3类。多变的战场环境和任务的不同使得无人机在侦察时通常采用不同侦察设备间协同的方式来完成。首先使用电子信号侦察设备可以在远距离、大范围内为整个系统提前对电磁目标进行定位，减少侦察的盲目性，提高侦察效率；SAR为整个侦察系统的主要侦察手段，对地进行侦察和监视对固定目标成像和对运动目标进行检测、跟踪和定位；CCD传感器设备能够在成像图像上清晰地分辨目标，可对目标区域进行即时人眼可识别的快视侦察。这些侦察设备的性能、种类、协同方式直接影响整个系统的侦察效能［10-11］，如下页图2所示。

在整个搜索、定位、识别的过程中，还需要无人机将传感器数据回传给地面站进行目标的检测和辨识。

因此，侦察能力主要取决于无人机的导航能力、侦察载荷协同性能、以及宽带数据链的信息传输能力。用公式表示为：

式中：εn为无人机导航能力；∑A为侦察载荷协同性能；为信息传输能力。

图2　机载3种侦察设备协同侦察示意图

1.5任务可执行度S

任务可执行度的提出主要是为基于具体任务条件，动态化效能的权衡标准。一方面无人机飞抵任务区域后，需要根据初步任务情报对目标区域进行侦察、搜索，如果可用时间过短将导致无人机在发现目标之前因燃油问题被迫返航。另一方面无人机性能如生存能力、突防能力等未达到任务环境指标要求的话，其任务效能也会大幅受到影响。任务可执行度S与时间可执行度Ts和环境可执行度Es密切相关。用公式表示为：

1.5.1时间可执行度Ts

时间可执行度Ts是评估无人机执行该任务在时间方面的可行程度，主要依据的是任务开始前情报中心给出的基本任务信息所估算出的无人机抵达任务区域后的可用任务时间和时敏定位时间决定的。其中时敏定位时间是无人机飞抵任务区域后巡航侦察、传感器搜索、定位，直到发现时敏目标所需要花费的一个时间的估值，如图3所示。

时间可执行度可用以下公式计算：

这里假定当Tm=Td的时间可执行度Ts为0.5，Ts随Tm增大而增大，随Td增大而减小。

抵达任务区域后的可用任务时间Tm由无人机任务起飞重量Wm、任务燃油Wf、任务巡航速度Vm、任务半径Rm等决定；

其中，Cf为任务巡航速度下的燃油单位时间消耗率；η为发动机效率；Lu为巡航速度下升力；Du为巡航速度下受到的阻力。关于Tm的公式推导参考文献［12］。

时敏定位时间Td由情报可靠度、情报定位精度、搜索区域范围、天气情况、地形复杂程度、目标暴露程度、无人机与其他侦察平台的情报协同能力等决定。

1.5.2环境可执行度Es

如图3所示，无人机在执行任务时，需面对任务范围内的各种威胁，环境可执行度Es是评估无人机在环境威胁方面的任务可行程度。

图3　察打任务环境示意图

主要依据的是任务开始前情报中心给出的基本任务信息所估算出全任务飞行区域范围内的空空威胁THA、地空威胁THG、电磁干扰Jam指数，以及无人机自身的生存能力εs、突防能力Pe共同决定。环境可执行度可由公式：

其中突防能力Pe与装甲系数Ar、突防高度Hp以及突防速度Vp等有关,根据察打一体无人机特点突防能力Pe可表示为：

生存能力εs与雷达反射截面（RCS）、电子对抗能力εs、无人机几何尺寸有关［7］。计算模型为：

式中：RCS（m2）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；S为机翼面积（m2）；Lall为无人机全长（不含空速管的长度，m）。

2　算例和分析

2.1任务情况假定

根据察打任务一般作战流程，假定3种不同的任务情况如表1所示。其中，任务情况2与情况1相比，在环境方面威胁方面有明显的增加；任务情况3与情况1相比，任务半径增加较为明显。

图4　时敏作战任务流程图

表1　任务情况假定

2.2任务无人机假定

根据假定任务情况，这里给出的4种察打一体无人机进行评估，无人机各项参数如表2所示。

2.3作战效能评估

根据模型，对3种任务条件下的4架察打一体无人机进行了评估，结果如表3所示。

从评估结果可以看出：

①无人机A在侦察载荷方面只携带了光电转塔，导致其侦察能力相对较低，根据本文侦察、打击能力紧密相关的评估方式，影响了无人机A在3个任务中的效能。

②在任务半径小、环境威胁程度较低的任务情况1中，侦察和对地攻击能力较强的无人机C效能评估值较高；

③在环境威胁程度较高的任务情况2中，生存、突防能力稍好的无人机B与侦察、对地攻击能力较强的无人机C任务效能相对较高；

④在任务半径显著增加的任务情况3中，抵达任务区域后可用任务时间明显不足的无人机C效能下降明显，而续航能力较强的无人机D和无人机B依旧保持相对较好的任务效能。

表2　察打一体无人机假定

表3　基于任务的察打一体无人机效能对比

3　结论

①研究表明，在察打任务模式下无人机的作战效能中，无人机的侦察能力、打击能力、任务可执行度三者密切相关。

②不同的察打一体无人机携带不同载荷在不同作战环境条件下执行察打任务时，其任务作战效能是不同的。本文根据察打任务模式下的无人机作战使用特点，综合考虑这些可变因素，提出了基于任务的无人机效能评估体系，建立了基于察打任务的无人机效能评估的计算模型，这种评估方法具有一定的实际意义，可以为作战指挥人员更合理和科学地调配无人机和武器资源完成特定任务提供一定的参考和依据。

③通过对3种任务条件下的4架察打一体无人机进行效能评估，其结果验证了所建立模型的可用性。在实际使用中，模型、权重、各常数项参数和相关系数的具体取值应综合考虑具体任务和所获得的数据情况，进一步调整和修正。

［1］韩伟.无人机对地时敏多目标攻击决策技术研究［D］.南京：南京航空航天大学，2013.

［2］黄长强，翁兴伟，土勇，等.多无人机协同作战技术［M］.北京：国防工业出版社，2012.

［3］许晓平，周洲，范锐军，等.基于察/打一体无人机平台的导弹发射模拟［J］.空军工程大学学报（自然科学版），2010，11（5）：11-15.

［4］岳源，董彦非，徐冠华，等.面向任务的有人机/无人机协同对地攻击概率模型［J］.火力与指挥控制，2015，40（2）：53-57.

［5］张建康，程龙，黄俊，等.基于任务的作战飞机效能评估模型［J］.北京航空航天大学学报，2005，50（12）：1279-1283.

［6］董彦非，王礼沅，张恒喜.战斗机空战效能评估的综合指数模型［J］.航空学报，2006，27（6）：1084-1087.

［7］董彦非，王礼沅，张恒喜.空-地攻击作战效能评估的综合指数模型［J］.航空学报，2007，28（6）：1374-1377.

［8］董彦非，崔巍，张旺.有人机/无人机协同空战效能评估的综合指数模型［J］.飞行力学，2014，39（5）：472-476.

［9］朱宝鎏，朱荣昌，熊笑非.作战飞机效能评估［M］.北京：航空工业出版社，2006.

［10］张旺，申洋，陈伟.无人机多侦察载荷协同侦察效能评估［J］.电光与控制，2014，21（3）：1-4.

［11］张旺.无人机载电子/光学传感器协同侦察技术研究［D］.南昌：南昌航空大学，2014.

［12］丛书全，王成军，姜杨.无人机航程与续航时间的实时估算方法研究［J］.宇航计测技术，32（2）：62-65.

The R/S-mission of UAV Operational Effectiveness Assessment

XU Guan-hua1，DONG Yan-fei2，YUE Yuan1，WANG Chao1
（1.School of Aircraft Engineering NanChang HangKong University，Nanchang 330063，China；2.Xi'an Aeronautical University，Xi'an 710077，China）

At first，according to the characteristics of time-sensitive targets strike，the use of R/S UAV in R/S-mission is analyzed.Second，by analyzing the correlation between reconnaissance capability and strike capability in the R/S UAV Assessment System，and adopting the executable degree of mission as a variable standard in UAV effectiveness assessment，a UAV Effectiveness Assessment Model based on the R/S-mission and sub-model based on the Effectiveness Assessment System are established.Finally，there is a set of examples to verify the feasibility of the model.

R/S-mission，R/S UAV，executable degree of mission，operational effectiveness

V271.4；E926

A

1002-0640（2016）07-0060-04

2015-06-12

2015-07-10
*

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）

徐冠华（1988-），男，江西南昌人，硕士研究生。研究方向：飞行器总体设计与无人机作战。