基于戰場環境的UCAV空戰效能評估

王光輝,徐光達,謝宇鵬,呂 超

(海軍航空大學,山東 煙臺 264001)

隨著現代空戰模式的不斷變化與無人機技術的快速發展,無人作戰飛機(UCAV)將更加頻繁地在空戰對抗中“亮相”。未來空戰中,UCAV將會與有人戰斗機協同作戰或者完全替代有人機編隊進行自主空戰,成為主要的空中作戰力量。但是現有UCAV的自主控制等級和自主攻擊能力還有待提升,使得UCAV存在著防御能力薄弱、操控難度較大、協同作戰能力受限等問題,這些顯然與復雜多變的戰場環境不相適應[1]。同時目前關于無人作戰飛機系統(整體)作戰效能評估研究的文獻較多,這些文獻中雖然有的也考慮到了戰場環境因素,但是在構建效能評估指標體系時將環境因素專門提取出來的獨立研究的還比較少。因此,深入研究基于戰場環境的UCAV空戰效果評估問題具有重要的軍事價值和現實意義。

1 UCAV空戰效能評估指標體系

現代空戰是一個動態對抗的過程[2]。UCAV在遂行任務時隨時會受到來自敵方和戰場的電磁干擾,同時氣象、空域等自然條件也會影響UCAV的作戰效能。為貼近實戰,在構建UCAV空戰效能評估模型時應引入空戰環境因素。因此結合UCAV空戰特點與系統工程理論,將UCAV空戰效能指標主要分為空戰能力C、生存能力S、可用性A以及空戰環境因素W,指標體系如圖1所示。

根據評估指標體系,UCAV的空戰效能可表示為

E=C·S·A·W

(1)

2 UCAV空戰效能評估模型

根據上面構建的評估指標體系,分別對UCAV的空戰能力、生存能力、可用性和空戰環境進行評估后,由式(1)便能得出最終的評估結果。

2.1 空戰能力評估

由圖1可知,UCAV的空戰能力包括以下五個指標:機動能力C1、火力C2、態勢感知能力C3、操控能力C4以及電子干擾能力C5。這五個指標在實際作戰中對UCAV空戰能力的影響程度不同,即指標在空戰中的重要性就不同,所以在評估中所占權重也就不同。本文采用層次分析法確定各指標權重,根據軍事專家的專業知識和經驗將上述五個指標之間兩兩對比之后,按T.L.Saaty提出的9分位比率排定各指標的相對優劣順序[3],并構造判斷矩陣M如表1所示。

表1 效能評估指標評價值

由表1中數據得

在Matlab中輸入矩陣M后,利用[V,D]=eig(A)語句求出特征方程(M-λmaxI)=0的最大特征根λmax=5.144,所對應的特征向量W′為

W′=(0.620,0.620,0.448,0.147,0.093)

對W′歸一化處理后得到各指標構成的權重向量為

W=(0.322,0.322,0.232,0.076,0.048)

5個指標權重依次為:機動能力ω1=0.322,火力ω2=0.322,態勢感知能力ω3=0.232,操控能力ω4=0.076,電子干擾能力ω5=0.048。

對判斷矩陣A進行一致性檢驗,步驟如下:

Step 1 計算一致性檢驗指標CI:(這里矩陣階數n=5)

Step 2 根據矩陣階數n從表2中確定平均隨機一致性指標。

表2 平均隨機一致性指標

當n=5時,RI=1.12。

Step 3 計算一致性指標CR,進行一致性檢驗:

故滿足一致性要求。

2.2 生存能力評估

生存能力是UCAV避免和經受住人為的敵對空戰環境,保持工作狀態的能力[4]。根據現有資料分析,UCAV的生存能力主要受敏感性、易損性以及戰機隱身性這三方面影響。但UCAV的研發尚處于起步階段,某些技術參數無法精確獲得,同時瞬息萬變的空戰態勢使得戰機的生存概率無法準確掌握。鑒于以上原因,筆者根據已有的文獻和經驗,選取戰機的尺寸系數用作評估參數來評估UCAV的生存能力。只要獲得某型戰機的外形尺寸參數,便可大概計算出該戰機的相對生存能力。設尺寸系數55m2的戰機的生存能力為1,并以此為基準,則UCAV的相對生存能力可表示為[5]

(2)

(3)

2.3 可用性評估

UCAV的可用性主要包括戰機的可靠性、維修性和保障性三方面指標,它與戰機的完好率、戰時生產能力以及后勤保障能力密切相關,能夠反映出戰機的戰備情況[6]。目前,對UCAV的可用性評估缺少簡單有效的方法。這里主要采用專家打分法確定影響UCAV可用性的各因素權重,再利用線性加權求和的計算出可用性指標A:

(4)

2.4 空戰環境影響評估

對UCAV空戰環境存在影響的因素主要有自然環境和電磁環境[7]。UCAV在不同的空戰環境中發揮出的作戰效能不同,并且同一環境下不同環境因素對UCAV遂行空戰的影響程度也不盡相同。通過將層次分析法與專家調查法相結合,對各影響因素進行打分并求出權重,最后得到空戰環境影響指標W的表達式為

(5)

式中,μi(i=1,2)分別為自然環境和電磁環境兩個指標的權重系數;wi(i=1,2)為專家打分值。

3 實例分析

本文主要對X-47B無人作戰飛機進行效能評估,同時與有人戰斗機(這里選取F-16、F-18兩型戰機)相比較,以驗證該評估方法的可行性。

X-47B戰機是美軍的一型能夠進行自主攻擊的無人作戰飛機,具有良好的隱身性和機動能力,可掛載先進的空空導彈執行空戰任務,通常會與有人戰斗機協同作戰,能夠為美軍實現全天候作戰提供支持[8]。

F-16戰機是20世紀70年代美軍開始使用的空中優勢戰斗機,具備突出的空中格斗能力[9]。從1981年貝卡谷地空戰至今,F-16幾乎參與了歷次大規模戰爭,其優異的性能也經受住了實戰考驗。

F-18戰機具備優秀的對空、對地和對海攻擊能力,且機載武器先進、態勢感知能力強,是美海軍最重要的艦載戰斗機[10]。

3.1 作戰能力評估

利用上面的評估方法,從機動能力、火力、態勢感知能力、操控能力、電子干擾能力5個方面分別對X-47B、F-16和F-18戰機進行兩兩比較。表3中,X代表X-47B、F1代表F-16、F2代表F-18。

使用本文中的方法計算可得到表4。

表3 空戰能力評價表

表4 空戰能力評價結果

對表4中數據進行線性加權求和處理,由

(6)

求出3型戰機的空戰能力評估值:

CX-47B=0.200×0.323+0.122×0.323+0.630×

0.228+0.516×0.077+0.163×0.049=0.295

CF-16=0.400×0.323+0.320×0.323+0.152×

0.228+0.224×0.077+0.297×0.049=0.300

CF-18=0.400×0.323+0.558×0.323+0.218×

0.228+0.260×0.077+0.540×0.049=0.406。

3.2 生存能力評估

查閱相關機型資料,列出X-47B無人作戰飛機、F-16和F-18戰斗機的外觀參數,根據式(3)算出3型戰機的尺寸系數,如表5所示。

表5 3型戰機外觀參數

將表中尺寸系數代入式(2)得:

3.3 可用性評估

由于可用性指標的影響因素復雜多變,目前尚無較好評估方法。所以,假設3型戰機的完好出勤,無任何故障,可知A=1。

3.4 空戰環境影響評估

根據軍事專家對空戰環境的兩個主要影響因素進行打分,得到打分表如表6所示,進而求出各因素權重。

表6 空戰環境影響因素打分表

由表6中數據計算得:

λmax=2,μ=[0.25,0.75],C.I=0,C.R=0，

通過了一致性檢驗。

再根據專家經驗評定的空戰環境因素表(表7)最終求出空戰環境影響指標H。

表7 空戰環境影響因素權值表

3.5 綜合評估

根據前面求出的3型戰機的各方面指標值,用式(1)進行計算得到最終的綜合評估結果:

EX-47B=0.295×1.84×1×0.675=0.366

EF-16=0.300×1.09×1×0.675=0.220

EF-18=0.406×1.17×1×0.675=0.321

若以F-16戰斗機為準,設它的作戰效能為1,則F-18戰斗機的作戰效能為1.46,X-47B無人作戰飛機的作戰效能為1.66。

3.6 評估結果分析

綜合分析評估結果可以得出以下結論:

1)X-47B無人作戰飛機整體空戰效能要優于美軍現役的經典戰斗機。

2)具體分析各項指標可以看出,X-47B的空戰能力與生存能力較為突出,優秀的空戰能力得益于該機良好的態勢感知能力與自主操控能力,而較強的生存能力歸因于該機飛翼式的外形布局與較高的隱身性能,該結論與實際情況相符。

3)X-47B與有人戰斗機相比的缺陷在于機動能力與空戰火力的發揮受到限制,且容易被敵方干擾,這與實際中UCAV自身防御能力弱等情況相吻合。因此,提高機動性能與增加空戰武器攜帶量應是今后UCAV發展中的重點需要解決的問題。

4 結束語

當今的空戰模式與空戰環境與以往相比發生了深刻的變化,研究空戰效能評估問題也應與時俱進,不能脫離實戰背景與戰場環境。本文在分析影響UCAV空戰效能的主要指標時,考慮了空戰中自然環境與電磁環境的影響,基于此構建并完善了評估指標體系。在對具體指標進行定量分析的基礎上,通過實例計算來驗證該評估模型的可行性與適用性。實例分析結果能夠反映出現有UCAV的優勢與缺陷,能夠為UCAV的發展提出切實可行的需求建議。但某些UCAV還處于裝備論證或試驗階段,尚未經歷實戰使用和戰爭檢驗。因此,某些評估指標的量化模型和評估方法還須進一步改進與完善。