艦載無人直升機反潛任務載荷應用問題研究

門金柱，吳東立，鄂群

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

1 研究背景和對象

作為海軍艦載無人機發展的先驅，艦載無人直升機一經面世就吸引了全世界的目光。20世紀60年代，美國率先開發了第一型艦載無人機——QH-50無人反潛直升機（DASH），該機可攜帶2枚MK44輕型魚雷，裝備驅逐艦用于反潛，美海軍先后接收了4個型號約800架QH-50無人反潛直升機。雖然由于性能原因該型機已基本退出現役，但世界各軍事強國研制、研究艦載無人直升機的步伐卻從未停止。相比固定翼等其他類型的艦載無人機，艦載無人直升機有著起降無需彈射或火箭助飛和傘降，使用方便安全;可以在空中定點懸停，便于定點偵查和監視，作戰用途與方式靈活等特點［1］。隨著不斷發展，艦載無人直升機及其平臺的研制技術和作戰應用已日臻成熟，這些特點為將艦載無人直升機應用于反潛作戰提供了極為有利的技術基礎。

1.1 艦載無人直升機發展現狀

目前，世界各國已發展了多種類型的艦載無人直升機，這里僅介紹比較有代表性的2種。一種是美國最近發展的MQ-8B“火力偵察兵”艦載無人偵察機，最大起飛重量1 430 kg，貨物吊艙總載重可達360 kg，其攜帶250 kg有效載荷時留空時間為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、補給等多種能力;另一種是法、德聯合發展的ORKA-1200型艦載無人直升機，最大起飛重量680 kg，有效任務載荷180 kg時續航時間為8 h，其主要搭載光電和雷達任務載荷，主要戰術應用方向為海上監視、超視距目標指示和戰場毀傷評估。無論是技術性能，還是戰術應用方向，兩型飛機都代表了目前世界艦載無人直升機的先進水平和發展方向。雖然這兩型飛機都不是專用的艦載無人反潛直升機，但由于目前無人機任務載荷模塊化的發展，無人機作戰任務和任務載荷的變更和轉換在技術上幾乎已不存在任何問題。因此，本文研究反潛任務載荷應用時，其所依賴的直升機搭載平臺的戰技術性能，主要以此兩型直升機為依據進行分析。

1.2 反潛任務載荷類型

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

雖然世界各國武器裝備技戰術性能指標有很大差異，但在裝備重量方面相對一致。如各國使用的航空魚雷絕大多數為324 mm輕型魚雷（如美國MK46魚雷），其魚雷總重約為200 kg;單個聲吶浮標重量大多在10 kg左右;吊放聲吶的重量較重，單個重量約為200 kg。

至于航空深彈，由于其單枚命中目標概率相對魚雷較低，且艦載無人直升機有效載荷較小，因此，本文研究不將其作為反潛任務載荷使用。

根據以上對艦載無人直升機和反潛武器裝備現狀的分析，本文假定有效載荷250 kg的艦載無人直升機為適合執行對潛搜索和攻擊任務的研究對象，同時認為，適合艦載無人直升機使用的反潛任務載荷類型有搜索型（吊放聲吶1部或聲吶浮標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）等。

2 任務載荷優選方法

艦載無人直升機執行反潛任務同其他作戰兵力作戰一樣，任務包括搜索潛艇、驅離潛艇、打擊潛艇等不同目標。因此，在執行任務之前，必須要根據任務性質選擇合適的任務載荷。本節的目的就是要在設定的戰術背景下確定優選任務載荷的方法，并且對該方法進行簡單介紹。

2.1 戰術背景下的任務載荷選擇方案

根據作戰任務及潛艇的威脅程度，本文假定某次反潛作戰目標為在我編隊已發現潛艇活動區域的前提下，派遣艦載無人直升機對潛定位，并實施打擊，且由于艦載無人機大都采用1個控制站控制2機或多機［2］，設定為2機協同完成該任務。因目標包括搜索定位和打擊2個行動，則必須有1機裝載搜索器材、1機裝載魚雷，因此2機任務載荷應有如下選擇:

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

方案4:甲機載聲吶浮標25枚;乙機載魚雷1枚、聲吶浮標5枚。

2.2 優選方法

由上述方案可看出，艦載無人直升機反潛任務載荷的選擇是戰術背景下的多目標方案選擇，4種方案包含了搜索時間、發現概率、協同難度、命中概率等，使得決策具有一定的不確定性和模糊性。這種問題采用一般經典數學算法進行定量分析比較困難。根據本問題的特點，本文選擇模糊AHP法對問題進行分析和計算。

模糊AHP法（Fuzzy Analytic Hierarchical Process）是在層次分析法基礎上發展而來，出發點是求取各待選方案對決策目標的相對權重問題，然后運用一定的準則對方案進行優選或排序，求解出各方案的先后順序，從而選出最優的方案。該方法解決了層次分析法分析問題經常出現的判斷矩陣的一致性難以實現，判斷矩陣的一致性與人們思維的一致性存在差異等問題。因此是對本文所述問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論述［3］。本節不對算法原理作過多贅述，僅結合本問題特點簡單介紹計算步驟［4］。

2.2.1 建立層次結構圖

根據對問題的分析，可以將問題中涉及的因素按性質分層排列，形成層次結構。第1層為總目標層，只有1個目標;第2層為中間層，可包含多個層次，根據本文問題可將其稱為準則層;最底層由備選方案、待評估結果、指標等組成，稱為方案層。

2.2.2 構造判斷矩陣

就各上層元素，對其有邏輯關系的下層元素作兩兩比較，把判斷的結果用判斷矩陣來表示。

在區間數基礎上構造A=（αij）n×n為區間數判斷矩陣，αij=（α－ij，α+ij），αij=1/αij，αij值越大表示同一準則下，2個方案的重要性相比，一個方案比另一個方案越重要，將區間數判斷矩陣表示為:

由于此問題的復雜性，決策主體認識的局限性，以及主體之間認識的多樣性，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，本文采用專家評定法與環比評分法相結合，最終確定判斷矩陣。

2.2.3 確定各方案相對于準則的權重

對于給定的區間數判斷矩陣A=［A－，A+］，有:

1）求出A－，A+的最大特征值對應的具有正分量的歸一化特征向量x－，x+;

式（2）中的乘法和求和運算按區間數運算規則進行，獲得最底層各元素關于最高層的總組合權重，簡記為g1，g2，…，gn后，就可以對區間數進行排序。

區間數是特殊的梯形模糊數，利用模糊排序法中概率分步法的均勻分布情形對模糊數的排序指數計算式進行排序，得到區間數gi=［g－i，g+i］的排序指數為:

根據式（3）和式（4）可以對各待選元素進行排序和優化。

3 應用算例

3.1 要素仿真

將2.1節中的4種方案分別設為任務載荷方案x1，x2，x3，x4，選定表1中的4個作戰指標進行分析和比較，并對4種方案進行仿真，一并列入表1。

由于此問題中所有方案均使用相同魚雷實施單雷攻擊，因此設定在發現目標實施攻擊時，所有方案命中概率相同。若問題擴展，艦載無人直升機可攜載多枚魚雷，該項數值應按不同方案進行計算。

3.2 運用模糊AHP法

1）建立層次模型結構

決策目標:反潛任務載荷最優應用方式;

準則層:{搜索時間，發現概率，協同難度，命中概率};

方案層:{方案x1，方案x2，方案x3，方案x4};層次結構模型如圖1所示。

圖1 層次結構模型Fig.1Model of layer structure

2）構造判斷矩陣

準則層相對于目標層的區間數判斷矩陣由專家根據準則層的4個目標對于最優方案的重要性程度兩兩比較給出，列于表2。

在準則層各指標的約束下，根據模擬仿真結果，對4種方案進行兩兩比較構造出在準則層下的區間數判斷矩陣列于表3～表6。

3）確定權重

對各區間數判斷矩陣，求出相應的權重向量，列于相應表內。

4）排序

利用式（2）求得4種方案關于最高層的總組合權重分別為:

3.3 結果分析

通過比較可以看出，反潛載荷應用4個方案中對于總目標排序結果為:方案x1＞方案x2＞方案x4＞方案x3。因此，反潛載荷應用方案1，即甲機載吊放聲吶1枚，乙機載魚雷1枚，在文中設定的戰術背景下是最優的。對照表1，此結論在該戰術背景下與人們的直觀思維比較接近。

4 結語

艦載無人機作戰載荷應用問題是無人機作戰使用研究的重要內容之一，本文在分析目前世界艦載無人直升機反潛作戰與訓練現狀的基礎上，通過引入模糊AHP法對艦載無人直升機的反潛載荷應用問題進行了初步研究，對在設定戰術背景下的4種反潛作戰載荷進行了優化選擇。值得注意的是，在實際訓練和作戰中，海區情況、敵潛艇作戰效能等因素并不確定，因此，艦載無人直升機的搜索效率、采用不同方式對潛進行攻擊效果等在反潛作戰中所占的權重會有很大不同，需要根據實際情況進行具體分析。這也是該問題進一步的研究方向。

［1］徐明，周磊．艦載無人機需求分析及若干問題研究［A］．無人作戰平臺發展趨勢及啟示論壇文集［C］，2008．183－195．

［2］鄭金華．無人機戰術運用初探［M］．北京:軍事誼文出版社，2006．93－95．

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

［4］王義濤，門金柱，等．模糊AHP的艦機協同對潛搜索方式優選［J］．火力與指揮控制，2010，（4）:167－170．