基于任務協同的無人機多偵察載荷使用

張海峰，韓芳林

（海軍航空大學，山東煙臺264001）

當今戰場環境日趨復雜，運用單一偵察載荷獲取大范圍、高風險區域的目標信息難度增加。無人機與多偵察載荷結合，充分發揮無人機無人駕駛、性價比高、控制靈活等特殊優勢和各偵察載荷的性能特點，較好地適應了戰場變化，滿足了偵察任務需求。

本文結合無人機的作戰特點、偵察方式、載荷性能、航路規劃等，根據不同的作戰任務需求，合理設計偵察載荷的協同使用方案，利用有限的偵察資源，在較短時間內以最大概率發現目標，獲得最優偵察效果。

1 偵察載荷性能及使用分析

從當前國內外先進無人機裝備的偵察載荷可知，無人機攜帶的偵察載荷主要有電子信號偵察設備（Electronic Signal Reconnaissance Equipment，ESRE）、合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）和CCD（Charge Coupled Device）相機等光電偵察設備。

電子信號偵察設備利用高靈敏度的探測系統（寬開引導分系統、引導儀測向分系統、高增益探測分系統）搜索目標電磁輻射信號，經識別、分析等得到反映目標電磁參數和位置信息等數據；可在遠距離、大范圍內對電磁信號進行定位，減少了偵察的盲目性，提高了偵察效率，但定位精度一般且不能對目標進行觀測成像。電子信號偵察設備的性能指標見表1。

SAR通過在無人機的直線飛行過程中持續地發射微波脈沖，并接收目標的散射回波來實現合成孔徑，經過放大、混頻等得到目標的反射特性、距離信息和相位信息等數據。

表1 電子信號偵察設備性能指標Tab.1 Performance indicators of ESRE

SAR可采用廣域GMTI、GMTI/SAR、條帶SAR和聚束SAR的工作模式。聚束SAR模式可對小區域內的目標進行高分辨率SAR成像；條帶SAR模式可對偵察區域進行大范圍成像；廣域GMTI模式可對偵察區域大范圍內的運動目標進行連續、長時間監視；SAR/GMTI工作模式既能對靜止目標進行成像，又可對運動目標進行搜索跟蹤。SAR的性能指標見表2。

表2 SAR性能指標Tab.2 Performance indicators of SAR

CCD相機以搜索目標的圖像為信息源，通過光學成像掃描三維空間，獲得目標的幾何尺寸、位置信息等，能夠對目標進行高分辨率成像、檢測、跟蹤和定位，也可將圖像上傳至地面指控站，與原始圖片進行比對。CCD相機的性能指標見表3。各偵察載荷的性能對比如表4所示。

表3 CCD相機性能指標Tab.3 Performance indicators of CCD camera

表4 偵察載荷性能對比表Tab.4 Confrontation of reconnaissance load performance

為獲得較好的偵察效果，依據各偵察載荷的性能特點，無人機采用的偵察航路有“一字形”、“Z字形”和“8字形”3種。其中，“一字形”可適用于CCD相機、電子信號偵察設備以及SAR的廣域GMTI、聚束SAR和條帶SAR模式的偵察；“Z字形”適用于CCD相機、電子信號偵察設備以及SAR的條帶SAR和廣域GMTI工作模式；“8字形”適用于小區域內CCD相機和聚束SAR工作模式的高精度偵察。

在偵察載荷協同工作時，還要考慮無人機姿態的控制。電子信號偵察設備和CCD相機可進行360°全覆蓋偵察，對無人機姿態要求較低；SAR的偵察區域是無人機飛行方向的正側向，只能對無人機的兩側部分區域進行傾斜掃描偵察，且不能夠兩側同時偵察。

2 多偵察載荷協同方案設計

在設計多偵察載荷協同使用方案時，要充分考慮無人機偵察的各種約束條件，包括平臺性能、戰場環境、載荷性能、目標特性、時間要求、航路規劃和姿態控制等，合理配置偵察載荷，充分發揮各偵察載荷的優勢，提高協同偵察的使用效能。

2.1 電子信號偵察設備與SAR協同

該方案主要利用電子信號偵察設備提供粗略定位信息，再運用SAR進行高精度偵察。電子信號偵察設備在遠距離、大范圍探測到目標輻射源，將目標信息發至數據處理器，經處理后傳輸至無人機控制終端，重新規劃無人機航路并采用電子信號偵察和條帶SAR模式協同，對目標精確定位；飛行至聚束SAR作用距離時，聚束SAR開始工作，以提高對目標的凝視時間，增強在復雜環境下對目標的高分辨率成像觀測能力。電子信號偵察設備與SAR協同偵察過程如圖1所示。

圖1 電子信號偵察設備與SAR協同偵察示意圖Fig.1 Collaborative scouting diagrams for ESRE and SAR

2.2 電子信號偵察設備與CCD相機協同

該方案主要用于對偵察區域進行即時可視偵察或采集高分辨率目標圖像。電子信號偵察設備在遠距離、大范圍探測到目標輻射源，控制終端操縱無人機規劃航路抵近目標區域，當無人機抵近至CCD相機工作距離時，CCD相機同電子信號偵察設備協同觀測目標；到達目標規定距離后，拍攝高分辨率圖像或進行即時可視偵察。電子信號偵察設備與CCD相機協同偵察過程如圖2所示。

圖2 電子信號偵察設備與CCD相機協同偵察示意圖Fig.2 Collaborative scouting diagrams for ESRE and CCD camera

2.3 SAR與CCD相機協同

SAR開啟廣域GMTI模式或GMTI/SAR模式，在較大范圍內對偵察區域進行掃描搜索，實現對運動目標的搜索和跟蹤。鑒于SAR圖像判讀的復雜性，為提高對目標的探測或對運動目標即時可視偵察能力，無人機規劃航路到達目標區域規定距離后，開啟CCD相機偵察模式，實現對目標的探測成像、定位和跟蹤。SAR和CCD協同偵察過程如圖3所示。

圖3 SAR與CCD相機協同偵察示意圖Fig.3 Collaborative scouting diagrams for SAR and CCD camera

2.4 電子信號偵察設備、SAR與CCD相機協同

該方案主要用于對目標的精確定位、觀測成像和特征檢測。電子信號偵察設備在遠距離探測到目標輻射源的位置時，控制無人機規劃航路抵近目標區域。偵察靜止目標時，采用條帶、聚束SAR或CCD相機分別在作用距離范圍內對目標進行觀測成像或即時可視偵察；偵察運動目標時，則運用GMTI、GMTI/SAR或CCD相機分別在作用距離范圍內對目標進行跟蹤和即時可視偵察。若電子信號偵察設備未偵察到目標，可采用SAR工作模式再規劃其他偵察方案。電子信號偵察設備、SAR和CCD相機三者協同偵察過程如圖4所示。

圖4 電子信號偵察設備、SAR與CCD相機協同偵察示意圖Fig.4 Collaborative scouting diagrams for ESRE，SAR and CCD camera

3 多偵察載荷協同效能評估

無人機的偵察能力主要取決于無人機平臺的導航能力、偵察載荷協同能力和寬帶數據鏈的信息傳輸能力。計算公式可表示為[7]：

式（1）中：N為無人機的導航能力；∑A為偵察載荷協同能力；T為數據鏈的信息傳輸能力；ε1、ε2、ε3為各能力指標的權重系數，依據文獻[7]分別取值0.15、0.65、0.2。

當無人機開啟偵察載荷協同搜索目標時，后期偵察載荷的參數，如發現目標概率、目標定位精度等會受到前期偵察載荷搜索結果的影響。偵察載荷協同能力可由偵察載荷的能力與其相應的權重系數計算得：

式（2）中：A1為前期偵察載荷的能力指標；A12、A13為后期偵察載荷的能力指標；ω1、ω12、ω13為各項能力指標的權重系數。

電子信號偵察設備、SAR和CCD相機的偵察能力具體算法參考文獻[1]。

SAR偵察能力算式為：

式（3）中：ξr為電磁環境對SAR偵察效果的影響系數；L為偵察作用距離；θ為最大搜索方位角；Pr為發現目標的概率；Kr為SAR的體制衡量系數；m為同時跟蹤目標數量；Δr為目標的定位精度；ρr為SAR的分辨率。

電子信號偵察設備偵察能力算式為：

CCD相機偵察能力算式為：

式（5）中，C0為環境對CCD相機偵察效果的影響系數。

多偵察載荷協同使用狀態下，后期使用的偵察載荷的發現目標概率P12和目標定位精度Δ12的計算公式為：

式（6）中：P1為前期偵察載荷發現目標的概率；Δ1為前期偵察載荷對目標的定位精度；為前期偵察載荷的同時跟蹤目標數目；P2為后期偵察載荷自身發現目標的概率；Δ2為后期偵察載荷自身對目標的定位精度；λ為偵察性能參數影響系數。

4 實例仿真

以規劃好的偵察任務為前提，在獲取目標的初步情況描述后，無人機導航進入相應的任務區域，無人機開啟偵察載荷對目標區域進行搜索任務，偵察航路規劃一般采用“Z字形”。假設對無人機攜帶4種不同的偵察載荷協同使用方案進行仿真分析。結合2.1、2.2、2.3和2.4小節，電子信號偵察設備和SAR的協同使用為方案A，電子信號偵察設備和CCD相機的協同使用為方案B，SAR和CCD相機的協同使用為方案C，電子信號偵察設備、SAR與CCD相機協同使用為方案D。依據式（1）～（6），對4種偵察載荷的協同使用方案進行評估。各方案偵察效能的計算結果如表5所示。

表5 各偵察載荷效能對比表Tab.5 Effectiveness confrontation of reconnaissance loads

根據無人機偵察任務的作戰環境，假定4種不同的電磁、天氣情況如表6所示。其中，任務情況一與情況二相比，電磁環境威脅增加；任務情況三與情況一相比，天氣條件較為惡劣；任務情況四與情況一相比，電磁環境威脅和天氣惡劣條件都有所增強。

表6 無人機不同作戰環境Tab.6 Different operational environment of UAV

依據式（1）～（6），無人機處于不同的偵察作戰環境中的偵察效能如表7所示。

表7 無人機不同作戰環境下的偵察效能Tab.7 Reconnaissance effectiveness in different operational environment of UAV

無人機處于不同的偵察作戰環境中的偵察效能對比如圖5所示。

圖5 無人機偵察效能對比圖Fig.5 Reconnaissance effectiveness confrontation of UAV

仿真結果分析：

1）由表5、7和圖5可知，當電磁環境和天氣條件較好時，方案D中的電子信號偵察設備、SAR和CCD相機3種偵察載荷的偵察距離遠近結合，且定位精度和分辨率較高，其偵察效能最優；方案C和A偵察效能次之；方案B的電子信號偵察設備和CCD相機協同偵察時，前者偵察距離雖遠，但定位精度一般，而CCD相機只可在小范圍進行探測成像，不便于協同偵察，故其偵察效能最低。

2）由表7和圖5可知，在復雜電磁環境下，電子信號偵察設備和SAR受影響較大，各方案的偵察效能隨電磁環境影響增加而降低，尤其在協同使用電子信號偵察設備和SAR的方案A中，協同的2種偵察載荷都會受到電子干擾影響，因而方案A的偵察效能最低，方案C的偵察效能最優；

3）在惡劣天氣條件下，CCD相機的偵察效能受影響較大，方案B和C因為使用CCD相機，其偵察效能下降幅度最大，偵察效能最低；方案D采用電子信號偵察設備和SAR，受影響較小，偵察效能最優；方案A次之。

5 結束語

本文在分析無人機偵察載荷性能特點和偵察作戰使用的基礎上，設計了多偵察載荷協同使用方案，構建無人機多載荷協同偵察效能評估模型，并對無人機在不同作戰環境下的多載荷協同使用方案進行了仿真評估，檢驗了各方案在復雜電磁環境和惡劣氣象條件下的偵察能力；為無人機的偵察載荷的協同作戰使用提供了參考依據。