艦載無(wú)人直升機(jī)反潛任務(wù)載荷應(yīng)用問(wèn)題研究

門金柱，吳東立，鄂群

（1．海軍大連艦艇學(xué)院水武與防化系，遼寧大連116018; 2．海軍駐安順地區(qū)航空軍事代表室，貴州安順 561000）

1 研究背景和對(duì)象

作為海軍艦載無(wú)人機(jī)發(fā)展的先驅(qū)，艦載無(wú)人直升機(jī)一經(jīng)面世就吸引了全世界的目光。20世紀(jì)60年代，美國(guó)率先開(kāi)發(fā)了第一型艦載無(wú)人機(jī)——QH-50無(wú)人反潛直升機(jī)（DASH），該機(jī)可攜帶2枚MK44輕型魚雷，裝備驅(qū)逐艦用于反潛，美海軍先后接收了4個(gè)型號(hào)約800架QH-50無(wú)人反潛直升機(jī)。雖然由于性能原因該型機(jī)已基本退出現(xiàn)役，但世界各軍事強(qiáng)國(guó)研制、研究艦載無(wú)人直升機(jī)的步伐卻從未停止。相比固定翼等其他類型的艦載無(wú)人機(jī)，艦載無(wú)人直升機(jī)有著起降無(wú)需彈射或火箭助飛和傘降，使用方便安全;可以在空中定點(diǎn)懸停，便于定點(diǎn)偵查和監(jiān)視，作戰(zhàn)用途與方式靈活等特點(diǎn)［1］。隨著不斷發(fā)展，艦載無(wú)人直升機(jī)及其平臺(tái)的研制技術(shù)和作戰(zhàn)應(yīng)用已日臻成熟，這些特點(diǎn)為將艦載無(wú)人直升機(jī)應(yīng)用于反潛作戰(zhàn)提供了極為有利的技術(shù)基礎(chǔ)。

1.1 艦載無(wú)人直升機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界各國(guó)已發(fā)展了多種類型的艦載無(wú)人直升機(jī)，這里僅介紹比較有代表性的2種。一種是美國(guó)最近發(fā)展的MQ-8B“火力偵察兵”艦載無(wú)人偵察機(jī)，最大起飛重量1 430 kg，貨物吊艙總載重可達(dá)360 kg，其攜帶250 kg有效載荷時(shí)留空時(shí)間為5 h，可攜帶8枚MK66火箭彈或2～4枚“海爾法”反坦克彈，具備偵查、攻擊、補(bǔ)給等多種能力;另一種是法、德聯(lián)合發(fā)展的ORKA-1200型艦載無(wú)人直升機(jī)，最大起飛重量680 kg，有效任務(wù)載荷180 kg時(shí)續(xù)航時(shí)間為8 h，其主要搭載光電和雷達(dá)任務(wù)載荷，主要戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用方向?yàn)楹Ｉ媳O(jiān)視、超視距目標(biāo)指示和戰(zhàn)場(chǎng)毀傷評(píng)估。無(wú)論是技術(shù)性能，還是戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用方向，兩型飛機(jī)都代表了目前世界艦載無(wú)人直升機(jī)的先進(jìn)水平和發(fā)展方向。雖然這兩型飛機(jī)都不是專用的艦載無(wú)人反潛直升機(jī)，但由于目前無(wú)人機(jī)任務(wù)載荷模塊化的發(fā)展，無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)和任務(wù)載荷的變更和轉(zhuǎn)換在技術(shù)上幾乎已不存在任何問(wèn)題。因此，本文研究反潛任務(wù)載荷應(yīng)用時(shí)，其所依賴的直升機(jī)搭載平臺(tái)的戰(zhàn)技術(shù)性能，主要以此兩型直升機(jī)為依據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 反潛任務(wù)載荷類型

當(dāng)前世界航空反潛裝備中，對(duì)潛搜索、跟蹤和攻擊的武器裝備種類繁多，其中應(yīng)用比較廣泛和成熟的主要有對(duì)潛搜索器材（如聲吶浮標(biāo)、吊放聲吶）及對(duì)潛攻擊武器（如航空魚雷、航空深彈）。

雖然世界各國(guó)武器裝備技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)有很大差異，但在裝備重量方面相對(duì)一致。如各國(guó)使用的航空魚雷絕大多數(shù)為324 mm輕型魚雷（如美國(guó)MK46魚雷），其魚雷總重約為200 kg;單個(gè)聲吶浮標(biāo)重量大多在10 kg左右;吊放聲吶的重量較重，單個(gè)重量約為200 kg。

至于航空深彈，由于其單枚命中目標(biāo)概率相對(duì)魚雷較低，且艦載無(wú)人直升機(jī)有效載荷較小，因此，本文研究不將其作為反潛任務(wù)載荷使用。

根據(jù)以上對(duì)艦載無(wú)人直升機(jī)和反潛武器裝備現(xiàn)狀的分析，本文假定有效載荷250 kg的艦載無(wú)人直升機(jī)為適合執(zhí)行對(duì)潛搜索和攻擊任務(wù)的研究對(duì)象，同時(shí)認(rèn)為，適合艦載無(wú)人直升機(jī)使用的反潛任務(wù)載荷類型有搜索型（吊放聲吶1部或聲吶浮標(biāo)25枚）、攻擊型（航空魚雷1枚）及搜攻型（航空魚雷1枚加少量聲吶浮標(biāo)）等。

2 任務(wù)載荷優(yōu)選方法

艦載無(wú)人直升機(jī)執(zhí)行反潛任務(wù)同其他作戰(zhàn)兵力作戰(zhàn)一樣，任務(wù)包括搜索潛艇、驅(qū)離潛艇、打擊潛艇等不同目標(biāo)。因此，在執(zhí)行任務(wù)之前，必須要根據(jù)任務(wù)性質(zhì)選擇合適的任務(wù)載荷。本節(jié)的目的就是要在設(shè)定的戰(zhàn)術(shù)背景下確定優(yōu)選任務(wù)載荷的方法，并且對(duì)該方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 戰(zhàn)術(shù)背景下的任務(wù)載荷選擇方案

根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)及潛艇的威脅程度，本文假定某次反潛作戰(zhàn)目標(biāo)為在我編隊(duì)已發(fā)現(xiàn)潛艇活動(dòng)區(qū)域的前提下，派遣艦載無(wú)人直升機(jī)對(duì)潛定位，并實(shí)施打擊，且由于艦載無(wú)人機(jī)大都采用1個(gè)控制站控制2機(jī)或多機(jī)［2］，設(shè)定為2機(jī)協(xié)同完成該任務(wù)。因目標(biāo)包括搜索定位和打擊2個(gè)行動(dòng)，則必須有1機(jī)裝載搜索器材、1機(jī)裝載魚雷，因此2機(jī)任務(wù)載荷應(yīng)有如下選擇:

方案1:甲機(jī)載吊放聲吶1枚;乙機(jī)載魚雷1枚。方案2:甲機(jī)載聲吶浮標(biāo)25枚;乙機(jī)載魚雷1枚。方案3:甲機(jī)載吊放聲吶1枚;乙機(jī)載魚雷1枚、聲吶浮標(biāo)5枚。

方案4:甲機(jī)載聲吶浮標(biāo)25枚;乙機(jī)載魚雷1枚、聲吶浮標(biāo)5枚。

2.2 優(yōu)選方法

由上述方案可看出，艦載無(wú)人直升機(jī)反潛任務(wù)載荷的選擇是戰(zhàn)術(shù)背景下的多目標(biāo)方案選擇，4種方案包含了搜索時(shí)間、發(fā)現(xiàn)概率、協(xié)同難度、命中概率等，使得決策具有一定的不確定性和模糊性。這種問(wèn)題采用一般經(jīng)典數(shù)學(xué)算法進(jìn)行定量分析比較困難。根據(jù)本問(wèn)題的特點(diǎn)，本文選擇模糊AHP法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析和計(jì)算。

模糊AHP法（Fuzzy Analytic Hierarchical Process）是在層次分析法基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，出發(fā)點(diǎn)是求取各待選方案對(duì)決策目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重問(wèn)題，然后運(yùn)用一定的準(zhǔn)則對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)選或排序，求解出各方案的先后順序，從而選出最優(yōu)的方案。該方法解決了層次分析法分析問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn)的判斷矩陣的一致性難以實(shí)現(xiàn)，判斷矩陣的一致性與人們思維的一致性存在差異等問(wèn)題。因此是對(duì)本文所述問(wèn)題的較好的解決方法。

模糊AHP法的算法在各種著作中均有詳細(xì)論述［3］。本節(jié)不對(duì)算法原理作過(guò)多贅述，僅結(jié)合本問(wèn)題特點(diǎn)簡(jiǎn)單介紹計(jì)算步驟［4］。

2.2.1 建立層次結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)對(duì)問(wèn)題的分析，可以將問(wèn)題中涉及的因素按性質(zhì)分層排列，形成層次結(jié)構(gòu)。第1層為總目標(biāo)層，只有1個(gè)目標(biāo);第2層為中間層，可包含多個(gè)層次，根據(jù)本文問(wèn)題可將其稱為準(zhǔn)則層;最底層由備選方案、待評(píng)估結(jié)果、指標(biāo)等組成，稱為方案層。

2.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

就各上層元素，對(duì)其有邏輯關(guān)系的下層元素作兩兩比較，把判斷的結(jié)果用判斷矩陣來(lái)表示。

在區(qū)間數(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)造A=（αij）n×n為區(qū)間數(shù)判斷矩陣，αij=（α－ij，α+ij），αij=1/αij，αij值越大表示同一準(zhǔn)則下，2個(gè)方案的重要性相比，一個(gè)方案比另一個(gè)方案越重要，將區(qū)間數(shù)判斷矩陣表示為:

由于此問(wèn)題的復(fù)雜性，決策主體認(rèn)識(shí)的局限性，以及主體之間認(rèn)識(shí)的多樣性，使得判斷矩陣的一致性與人們思維的一致性存在差異，為了使決策更加合理，本文采用專家評(píng)定法與環(huán)比評(píng)分法相結(jié)合，最終確定判斷矩陣。

2.2.3 確定各方案相對(duì)于準(zhǔn)則的權(quán)重

對(duì)于給定的區(qū)間數(shù)判斷矩陣A=［A－，A+］，有:

1）求出A－，A+的最大特征值對(duì)應(yīng)的具有正分量的歸一化特征向量x－，x+;

式（2）中的乘法和求和運(yùn)算按區(qū)間數(shù)運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行，獲得最底層各元素關(guān)于最高層的總組合權(quán)重，簡(jiǎn)記為g1，g2，…，gn后，就可以對(duì)區(qū)間數(shù)進(jìn)行排序。

區(qū)間數(shù)是特殊的梯形模糊數(shù)，利用模糊排序法中概率分步法的均勻分布情形對(duì)模糊數(shù)的排序指數(shù)計(jì)算式進(jìn)行排序，得到區(qū)間數(shù)gi=［g－i，g+i］的排序指數(shù)為:

根據(jù)式（3）和式（4）可以對(duì)各待選元素進(jìn)行排序和優(yōu)化。

3 應(yīng)用算例

3.1 要素仿真

將2.1節(jié)中的4種方案分別設(shè)為任務(wù)載荷方案x1，x2，x3，x4，選定表1中的4個(gè)作戰(zhàn)指標(biāo)進(jìn)行分析和比較，并對(duì)4種方案進(jìn)行仿真，一并列入表1。

由于此問(wèn)題中所有方案均使用相同魚雷實(shí)施單雷攻擊，因此設(shè)定在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)實(shí)施攻擊時(shí)，所有方案命中概率相同。若問(wèn)題擴(kuò)展，艦載無(wú)人直升機(jī)可攜載多枚魚雷，該項(xiàng)數(shù)值應(yīng)按不同方案進(jìn)行計(jì)算。

3.2 運(yùn)用模糊AHP法

1）建立層次模型結(jié)構(gòu)

決策目標(biāo):反潛任務(wù)載荷最優(yōu)應(yīng)用方式;

準(zhǔn)則層:{搜索時(shí)間，發(fā)現(xiàn)概率，協(xié)同難度，命中概率};

方案層:{方案x1，方案x2，方案x3，方案x4};層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1Model of layer structure

2）構(gòu)造判斷矩陣

準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的區(qū)間數(shù)判斷矩陣由專家根據(jù)準(zhǔn)則層的4個(gè)目標(biāo)對(duì)于最優(yōu)方案的重要性程度兩兩比較給出，列于表2。

在準(zhǔn)則層各指標(biāo)的約束下，根據(jù)模擬仿真結(jié)果，對(duì)4種方案進(jìn)行兩兩比較構(gòu)造出在準(zhǔn)則層下的區(qū)間數(shù)判斷矩陣列于表3～表6。

3）確定權(quán)重

對(duì)各區(qū)間數(shù)判斷矩陣，求出相應(yīng)的權(quán)重向量，列于相應(yīng)表內(nèi)。

4）排序

利用式（2）求得4種方案關(guān)于最高層的總組合權(quán)重分別為:

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)比較可以看出，反潛載荷應(yīng)用4個(gè)方案中對(duì)于總目標(biāo)排序結(jié)果為:方案x1＞方案x2＞方案x4＞方案x3。因此，反潛載荷應(yīng)用方案1，即甲機(jī)載吊放聲吶1枚，乙機(jī)載魚雷1枚，在文中設(shè)定的戰(zhàn)術(shù)背景下是最優(yōu)的。對(duì)照表1，此結(jié)論在該戰(zhàn)術(shù)背景下與人們的直觀思維比較接近。

4 結(jié)語(yǔ)

艦載無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)載荷應(yīng)用問(wèn)題是無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)使用研究的重要內(nèi)容之一，本文在分析目前世界艦載無(wú)人直升機(jī)反潛作戰(zhàn)與訓(xùn)練現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入模糊AHP法對(duì)艦載無(wú)人直升機(jī)的反潛載荷應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了初步研究，對(duì)在設(shè)定戰(zhàn)術(shù)背景下的4種反潛作戰(zhàn)載荷進(jìn)行了優(yōu)化選擇。值得注意的是，在實(shí)際訓(xùn)練和作戰(zhàn)中，海區(qū)情況、敵潛艇作戰(zhàn)效能等因素并不確定，因此，艦載無(wú)人直升機(jī)的搜索效率、采用不同方式對(duì)潛進(jìn)行攻擊效果等在反潛作戰(zhàn)中所占的權(quán)重會(huì)有很大不同，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。這也是該問(wèn)題進(jìn)一步的研究方向。

［1］徐明，周磊．艦載無(wú)人機(jī)需求分析及若干問(wèn)題研究［A］．無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)及啟示論壇文集［C］，2008．183－195．

［2］鄭金華．無(wú)人機(jī)戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用初探［M］．北京:軍事誼文出版社，2006．93－95．

［3］李登峰．海軍運(yùn)籌分析教程［M］．北京:海潮出版社，2004，121－157．

［4］王義濤，門金柱，等．模糊AHP的艦機(jī)協(xié)同對(duì)潛搜索方式優(yōu)選［J］．火力與指揮控制，2010，（4）:167－170．