基于SEA法的水下无人航行器侦察效能评估*

何希盈 黄 凡 朱 璟 林为传

(1.海军指挥学院 南京 211800)(2.海军驻昆明地区军事代表办事处 昆明 650051)

基于SEA法的水下无人航行器侦察效能评估*

何希盈1黄 凡2朱 璟1林为传1

(1.海军指挥学院 南京 211800)(2.海军驻昆明地区军事代表办事处 昆明 650051)

水下无人航行器(UUV)可以代替有人平台执行侦察任务,其效能评估的科学性、合理性将直接影响水下无人平台的作战使用。基于SEA方法,根据UUV系统的特点构建了侦察效能评估指标,提出了针对UUV侦察效能的三个主要性能度量,研究了UUV侦察效能评估模型,结合具体实例对UUV系统的侦察效能进行评估。

水下无人航行器; SEA方法; 侦察效能; 性能度量

(1. Naval Command Collage, Nanjing 211800)

(2. Navy Representative Office in Kunming Area, Kunming 650051)

Class Number TN911.7

1 引言

水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)作为新型的无人水下平台,具有尺度小、隐蔽性好、造价低、无人员伤亡等特点,适于执行对人员有高度危险的任务,延伸有人平台的探测和作战范围[1～2]。使用UUV进行侦察,具有抵近隐蔽、长期持续的特点,侦察数据准确性比较强。UUV侦察主要是UUV为获取海上军事斗争所需情报而采取的行动。因此,随着海上作战思想的不断发展和无人水下平台技术的成熟,UUV在水下侦察中的使用会越来越多,其效能评估特别是结合战场环境的动态评估就显得尤为重要。

系统有效性分析(System Effectiveness Analysis,SEA)是一种评估武器系统效能的方法,它首先将武器系统置于敌对环境,然后确定两个相互独立的系统属性空间和使命属性空间,最后将系统能力与使命要求进行空间比较,即可得到系统动态的效能值,在许多军用系统中得到广泛应用[3～5]。本文应用SEA方法综合研究了UUV无人水下平台的系统、环境、使命等要素,对UUV在情报侦察中的作战效能进行动态评估。

2 UUV侦察过程分析

UUV系统一般由水下无人航行器本体(即通常指的UUV)和位于母平台的支持系统组成[6]。UUV通常由载体结构、控制系统、导航系统、能源系统、推进系统和任务载荷等组成。支持系统通常由保障对UUV实施布放回收、能源补给、指挥控制、数据处理等作业的功能系统组成。

UUV在执行侦察时,一般会由母平台在安全距离外布放,然后穿过敌方掌控区域进行有价值的数据搜集[7]。UUV执行侦察任务的过程可描述为:UUV准备完成后实施布放,入水后由程序控制自主航渡,在关键点可上浮进行精度校准或发送状态信息和接收遥控指令,到达目标区后执行侦察任务,完成任务后返航到回收点进行回收及处理。因此,UUV从准备到回收可以分为七个阶段:布放准备、布放、航渡、侦察、返航、回收和综合处理,如图1所示。其中,布放准备、布放及回收和综合处理等四个阶段主要由支持系统完成;航渡、侦察、返航等三个阶段由UUV自主完成。

图1 UUV单次侦察行动

3 UUV侦察效能SEA评估模型

3.1 侦察任务使命与性能度量

为实现对UUV侦察效能的动态评估,本文在一定的战术背景下基于SEA方法进行效能评估。其中,UUV系统、环境、使命要素如图2所示。性能度量(Measure of Performs,MOP)集合由三个指标构成:系统可靠性指标MOP1、系统生存力指标MOP2和系统侦察能力指标MOP3。

图2 UUV系统侦察效能评估指标

3.2 系统映射

1) 可靠性指标MOP1的系统映射

可靠性指标MOP1的系统映射是指UUV、支持系统及侦察器材全部处于可靠状态,对应的可靠概率为PHX、PMP、PZC。系统的可靠概率可以通过系统无故障工作时间与任务时间的指数来描述,具体关系如式(1)所示:

(1)

式中,THXBF、TMPBF、TZCBF分别为UUV、支持系统及侦察器材无故障工作时间,T为UUV执行侦察任务的时间。

2) 生存力指标MOP2的系统映射

系统的生存力主要与UUV的性能、隐身能力及战场环境有关[8]。具体关系如式(2)所示:

MOP2=ε1·ε2·P

(2)

式中:ε1指航行器的基本性能参数;ε2指航行器的隐身能力;P指战场环境影响概率。

航行器的主要性能参数ε1可用下潜深度、导航精度、避障声纳最大探测距离求得,公式为

(3)

式中:LXQ为最大工作深度(单位:m);δDH为UUV的导航精度(单位:m);DGB为避障声纳最大探测距离(单位:m);常数L0、δ0、D0分别代表典型UUV的工作深度、导航精度和避障声纳探测距离。

UUV的隐身能力ε2指可以用辐射噪声级、磁感应强度和红外辐射强度求得,公式为

(4)

式中:SAC为UUV辐射噪声级(单位:dB);PMA为UUV磁感应强度(单位:T);χHW为UUV红外辐射强度(单位:W/m2)。常数S0、P0、χ0分别代表典型UUV的辐射噪声级、磁感应强度和红外辐射强度。

战场环境[9]影响概率P=PN·PZ,其中PN、PZ分别为UUV在自然环境、军事环境影响下成功完成任务的概率。自然环境主要是指连接陆地的海区,如边缘海、海湾、港口等水域及海岸等,航行水深较浅,过往船只较多,水中会有不明障碍物(如渔网),加之缺乏精细的海底地图,这些都会对UUV的作战效能产生影响;自然环境的影响概率可以根据经验估计得到。军事环境指敌方的反潜兵力和水下监视系统。结合具体的作战想定和敌方反潜手段,如得到UUV突破敌人反潜巡逻区时被发现的概率为PFX,由于UUV航速低、智能程度有限,被发现就意味着被摧毁,因此航行器被摧毁的概率亦为PFX;航行器被敌水声站发现的概率为PSS,敌反潜体系做出反应并发现UUV的概率为PTX,所以此时航行器被摧毁的概率PSXTX=PSSPTX;因此,UUV成功到达任务区的概率PQ为

PQ=(1-PFX)(1-PSSPTX)

(5)

考虑到UUV在完成任务后仍须返回预定海域进行回收作业,所以PZ=PQ·PQ。

3) 侦察能力指标MOP3的系统映射

航行器的侦察能力与UUV侦察器材性能、作战环境和作业方法密切相关。UUV在水下能够利用水声装备和光学仪器对海底进行侦察,一般会有两种侦察方式:一是以固定航速沿直线方向侦察;二是按“梳”字形机动侦察。因此,UUV在水下的侦察能力可以用MOP3=SD/S表示。其中SD是UUV实际侦察到的区域面积;S是军事想定中要侦察区域的总面积。

3.3 使命映射

对UUV进行抵近侦察的要求是:结合使命任务和战场环境,选择合适的侦察器材和方法,获得准确、全面的情报,为指挥决策提供依据。最好的态势是UUV能够安全地完成对指定区域的侦察任务,采集的数据质量高,定位误差较小。最差的态势是UUV受自身因素或敌人的毁伤无法按计划完成对指定区域的侦察任务,或者从UUV下载的数据不能提供任何有价值的信息。

1)MOP1的使命映射

针对UUV系统执行侦察任务的使命,对于MOP1的使命范围,UUV系统在执行任务时,最好的情况是没有出现任何故障,将MOP1G限定为1.00。最差的情况就是UUV在执行侦察任务时,系统的航行器、母船(艇)支持系统及侦察器材都发生致命性故障,任务不能完成,此时,保底能完成使命任务的可靠性指标为

(6)

式中THXBXF,TMPBCF,TZCBCF分别是UUV、母船(艇)支持系统及侦察器材发生致命性故障的平均时间。所以将可靠性指标MOP1的使命映射的值域限定在[MOP1B,1.00]。

2)MOP2的使命映射

结合UUV系统执行侦察任务的具体使命和战场环境,UUV的生存力指标必须不低于一定的阈值,低于这个值UUV就可能被敌反潜力量摧毁或在航行过程中沉没,完成任务的机会很小,所以将MOP2的值域限定在[ε,1]。

3)MOP3的使命映射

UUV系统在执行任务时要求能顺利地按要求对指定侦察区域进行侦察,最差也要在重点侦察区域经过。所以MOP3的值域为[SZ/S,1],其中SZ为重点侦察区域的面积。

3.4 效能度量

根据SEA方法思路,下面将MOP1、MOP2、MOP3综合得出系统的作战效能。由于系统可靠性、生存力和侦察能力是整个UUV系统执行侦察任务的必要环节,符合基本串联系统的特征[10],可以利用以下公式评估系统的侦察效能:

MOP=MOP1·MOP2·MOP3

(7)

4 实例分析

以执行侦察任务的某型UUV系统为例进行分析。具体的计算过程如下:

1) 该UUV由水面舰布放回收,任务时间共72h。UUV、母平台支持系统及侦察器材无故障工作时间分别为1440h、8640h、720h,因此MOP1=0.854。

2) UUV的最大工作深度为280m,导航精度为18m,避障声纳最大探测距离190m;选取的典型UUV的工作深度为300m,导航精度为16m,避障声纳最大探测距离为200m,因此ε1=0.928。UUV的辐射噪声级为100dB,磁感应强度为10-2Gs,红外辐射强度为10-3W/m2;选取的典型UUV的辐射噪声级为98dB,磁感应强度为0.9×10-2Gs,红外辐射强度为0.9×10-3W/m2,因此ε1=0.890。根据UUV在执行任务前的海战场信息可估计自然环境对UUV的影响概率为0.98;在UUV突破敌反潜巡逻区时被敌巡逻艇发现的概率PFX为0.05,被敌水声站发现的概率PSS为0.05,敌反潜体系做出反应并发现UUV的概率PTX为0.5,因此UUV成功到达任务海区的概率PQ为0.926,成功到达并返回的概率PZ为PZ=0.856。所以MOP2=0.707。

3) UUV在进行侦察时,水声器材在海底可覆盖的有效宽度为200m,UUV在任务区共航行40h,航速为4kn,因此侦察面积为17.279n mile2。如在本次军事想定中,UUV的侦察区域总面积为20n mile2,则UUV的侦察能力MOP3=0.863。

综上根据式(7),UUV系统的侦察效能为0.52。

5 结语

本文针对UUV系统侦察效能评估问题,运用SEA方法进行了建模与求解。要想具体准确评估UUV系统的侦察效能,需要建立更加完善的指标体系和更全面、精确的性能度量,特别是要基于战场环境参数、系统原始参数及使命的原始参数进行计算。本文在选取性能度量的过程中,作了一定程度的简化,选取了影响UUV系统侦察效能较大的因素,构建了侦察效能评估指标及系统映射和使命映射的数学模型,并结合具体实例进行了求解,评估的结果能从一定程度反映出了UUV系统的侦察能力。

[1] 陈强,袁思鸣.水下无人航行器总体论证方法研究[J].论证与研究,2013(4):30-33.

[2] 胡必文,程彬彬.浅析水下无人作战平台现状及未来作战使命[J].水雷战与舰船防护,2013,21(4):67-71.

[3] 郭齐胜,张磊.武器装备系统效能评估方法研究综述[J].计算机仿真,2013,30(8):1-4.

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[5] 薛向锋,侯智斌,孙彦飞.基于SEA的炮兵空中力量侦察效能动态评估[J].现代电子技术,2012,35(11):52-57.

[6] 陈强.水下无人航行器[M].北京:国防工业出版社,2014:44-54.

[7] 王光荣.无人潜航器任务构想[M].北京:海潮出版社,2010:61-70.

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[9] 池亚军,薛兴林.战场环境与信息化战争[M].北京:国防大学出版社,2010:82-104.

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Reconnaissance Efficiency of Unmanned Underwater Vehicle Based on SEA

HE Xiying1HUANG Fan2ZHU Jing1LIN Weichuan1

As a new type of unmanned operational platform, the UUV can carry out reconnaissance missions in place of submarines, and the scientificalness and rationality of its effectiveness evaluations will have a direct effect on the operational use of the unmanned undersea platform. Based on SEA and the system features of UUV, the reconnaissance index of effectiveness evaluation is established, and three main measures of performance aiming at UUV are also proposed. Finally, the dynamic evaluation model of the UUV reconnaissance effectiveness is researched, and the operational effectiveness of UUV system is evaluated.

unmanned underwater vehicle, SEA method, reconnaissance efficiency, measures of performance

2016年6月8日,

2016年7月26日

何希盈,男,博士,讲师,研究方向:无人水下信息作战。黄凡,男,博士,工程师,研究方向:装备监造与军用目标特性。朱璟,男,硕士,讲师,研究方向:模式识别与智能系统。林为传,男,硕士,讲师,研究方向:无人装备保障。

TN911.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.036