基于試飛的察打一體無人機任務效能評估方法

杜梓冰，段 亞，陳敬志，張 潔

(中國飛行試驗研究院, 西安 710089)

“捕食者”系列、“彩虹-4”、“翼龍-1”等察打一體無人機在當前國外反恐、局部沖突中發揮了巨大的作用，相比于其他裝備而言有獨特的優勢，各軍事強國都在加強察打一體無人機的研發，可以預見，這類無人機在未來將發揮更多、更重要的作用。“捕食者”等察打一體無人機可配置多種偵察載荷和武器，同一任務場景下，有不同的偵察和打擊方案，不同方案的戰果可能不同，同一種使用方案，在不同的任務場景下的結果也可能不同，需要對每種作戰方案進行評估。為優化任務配置，提高訓練和作戰水平，在每次任務后，都應該進行評估。因此，建立一個有效的察打任務效能評估方法是有必要的，通過效能評估，對無人機在不同時間、空間、態勢環境下執行任務的能力高低進行評價對比，找出差距和不足，改進使用方法，同時在每次執行任務時在眾多的方案中尋找較優的方案，顯得必要[1-4]。

作戰效能評估方法有十余種，當前對于無人機作戰效能評估主要根據仿真的方法，根據固有指標數據分析評價不同無人機的效能或同一無人機不同分系統的效能，最終給出“很好,較好,一般,較差,很差”的評價[1-3]，這些評估方法大多聚焦無人機系統固有設計特性，而較少關注投入不同環境后不同具體任務的效能，對察打一體無人機任務的多樣性考慮不足。也有專家研究評價不同環境、不同載荷配置下的無人機作戰效能，分析不同因素對無人機作戰效能的影響，但是大多基于仿真或定性評價，通過外場試驗檢驗的較少。在試驗鑒定轉型的背景下[5]，部分有人機開展了基于外場試驗的作戰效能評估研究。

本文采用實裝試飛的方法對不同典型任務剖面下察打一體無人機的任務效能進行評估，對實際環境下的試飛結果數據進行處理分析，對比分析同一無人機不同任務下的效能，評價無人機實際能力，尋找典型任務條件下更合適的使用方式，為用戶提供更好的使用建議，同時也提高試飛設計與評估能力。

1 基于試飛的任務效能評估總方案

常見效能評估方法有數學解析法、專家評估法、試驗統計分析法、作戰方案模擬法等幾大類、數十種。數學解析法是通過理性推理分析評價，優點是理論性強、變量關系明了，但是評估對象之間關系過于發散、復雜，對于新型裝備，難以建立合適的模型公式，也不適用于無人機等龐大系統的評價。專家評估法是以專家的經驗為主進行判斷和評估，優點是使用簡單，但是要求專家具有很豐富的閱歷和經驗，主觀性太強，難以選擇合適的專家，也不適用于新裝備的評估。作戰方案模擬法是通過建模仿真的方法進行試驗評估，通過虛擬配置、虛擬布陣達到模擬各種戰場攻防態勢的目的，可充分考慮并檢驗無人機的各種作戰使用方式，可多次重復，但是這種方法對無人機系統的各項戰術技術性能等進行了簡單化處理，很難對無人機系統在真實戰場環境下各個系統之間的協調能力以及處理戰場突發狀況的能力進行檢驗,不適應于復雜大系統。試驗統計法包括試飛、演習等方法，是在真實條件下開展試驗。飛行試驗數據來源真實、可信，受主觀影響較小，通過對每次任務飛行的結果數據進行綜合分析處理，計算效能，就能在功能性能試飛結果基礎上進一步深化數據分析，明確影響系統效能的各項因素，對比同一無人機不同任務效能，為用戶提供建議，該方法的缺點是耗費大，樣本少，在以往是難以用該方法評估的，但是在武器裝備試驗轉型的形勢下[8],越來越強調在典型任務背景下開展試驗，因此相關的樣本量增加，可以實現基于試飛的效能評估。

基于試飛的效能評估，就是根據察打一體無人機作戰特點，研究、設計合適的試飛方案，然后確定試飛評估方法，包括確定評估模型、構建評估指標體系，再利用實際裝備進行飛行試驗，飛行后對機載測試設備記錄的數據進行處理，計算得到效能，然后分析影響因素，改進使用方法，整個效能評估流程框圖如圖1。

圖1 基于試飛的任務效能評估流程框圖

2 試飛任務想定

飛行試驗相比仿真試驗，常常受限于試驗經費、周期、保障資源等，樣本量遠少于仿真試驗，因此需要在有限的樣本下獲取可靠的數據來客觀的評估系統，因此其試飛剖面要具有典型性和代表性。為制定典型試飛剖面，首先要以用戶使用為出發點制定典型任務想定，它是根據作戰對象結構、無人機系統使用原則和典型案例，將被試無人機系統置于用戶的作戰任務的實際背景中去，如偵察任務、偵察-打擊-毀傷評估任務，根據作戰對象設置相應的戰場環境，人為而又不違背科學地設想戰斗進程，包括任務分配、鏈路、偵察載荷、武器使用進程，并構造出一些戰斗模型。這種想定通過對被試系統的任務使命任務進行分解和分配，展現對抗雙方裝備、實體、環境、目標、事件及關系等隨時間推進的概略設想[6]。每種想定的具體實施方式就是試飛過程剖面，這是效能評估的載體。這種任務想定要具體，具有可操作性。

“捕食者”等無人機可以掛載多種偵察任務設備、多種武器，因此在進行試飛任務想定時，就可以設計不同的偵察設備、武器搭配方式，以及不同的任務策略，因此對同一個任務，可以有多個想定和任務剖面，通過對這些不同的剖面進行試飛驗證，就可以評價在典型任務背景下最合適的作戰方式。

3 效能評估模型

評價效能的模型有很多，當前相關無人機效能評估標準中比較常用的是ADC模型[1]，即

E=A·D·C

(1)

(2)

D=exp(-t/MTBCF)

(3)

其中，E=效能；A=可用度；D=可信度；C=任務能力；MTBF=平均故障間隔時間(h)；MTTR=平均修復時間(h)；t=設備連續工作時間(h)；MTBCF=平均致命故障時間間隔(h)。

飛行試驗后能獲得大量的數據，這些數據既是試驗結果，也是評估的對象和依據。將這些數據通過一定的模型和算法聚合處理，就能獲得系統的效能評估結果。這些數據是根據指標體系聚合的。察打一體無人機一次完整的作戰特別適合用經典的“OODA(Observation,Orientation,Decesion,Action)循環”決策來描述，而OODA環又是用一系列活動實現的，活動體現了無人機的能力，因此可以用活動-能力映射的方式建立無人機的指標體系。首先分析無人機完成作戰任務需要進行的作戰活動，形成活動集，察打一體無人機在察打任務模式下，首選需要根據初步情報描述，對指定任務區域進行分散式搜索。當發現可疑目標后，使用機載偵察設備對可疑目標進行詳細的定位、識別，指揮機構進行打擊決策。在確認目標特性并接到攻擊指令后，察打一體無人機對目標實施打擊，隨后使用偵察設備對打擊效果進行評估，最后在達成任務目標后返航，在這個過程中，涉及平臺飛行、偵察載荷、武器攻擊等多個方面的活動[1-4]，每個方面又有其他下層的活動。然后采用OODA環對作戰活動進行能力映射，形成能力目錄，在此基礎上錄取指標進行分類整理，形成指標體系，各個分能力的效能試驗和解算結果對總任務的貢獻作用就清晰可見，建立效能評估指標體系框圖如圖2。

圖2 效能評估指標體系框圖

該指標體系的第一層為系統效能層指標,是察打任務的總體效能，第二層為作戰過程層指標,是在整個任務過程執行過程中各系統作戰效能的演變，第三層為局部效能層指標,是無人機系統過程層下各方面的分指標。

建立分層次評價指標之后，需要確定各個指標的權重，可以使用層次分析法(Analytic HlerarchyProcess,AHP)計算確定[2]。AHP法基本思想是在各指標之間進行比較、判斷和計算，以獲得不同指標的權重。實施中通過大量的專家對下層各個要素關于上層的重要性按照9級標度法分別打分，在同一個層級中，用aij來表示第i個要素相對于第個要素的比較結果，可知aij=1/aji，則比較矩陣A為

(4)

然后求解比較矩陣的最大特征值和對應特征向量，并進行歸一化處理，最終確定特征向量為權重W=[ω1,ω2,…,ωn]T，且滿足0<ωi<1和ω1+ω2+…+ωn=1。

4 數據采集與效能計算方法

4.1 數據采集

飛行試驗能獲得大量的真實數據，這是相比其他試驗的優勢。需要利用現代化測試設備對試驗系統的試驗全過程提供全方位測量，包括機載測試、外部測試，測試以下參數：

1) 載機飛行數據，包括高度、速度、航向、姿態、航跡等；

2) 載機任務設備控制指令、狀態參數、顯示畫面等；

3) 偵察/打擊目標位置、尺寸、速度等參數；

4) 高精度的基準數據，即在載機上加裝差分GPS接收機，記錄載機高精度的位置、速度信息，為分析和處理系統數據提供基準參數。

4.2 效能計算過程

通過試飛獲取需要的數據后，計算任務效能。指標的建立是從上到下建立指標，而效能結果計算則是從下層往上計算，最終獲取總的效能。計算上層效能時，對于下層的數據有加性、乘性兩種處理方法。對于各個下層指標，雖然某些指標結果為零，但其上層指標不為零，則這些相關指標為加性數學關系，結果如下：

(5)

如果只要有某個相關指標為零，則其上層指標為零，那么這些相關指標為乘性數學關系，結果為

(6)

式(6)中，y為某上層效能值，xi為第i個下層數據或效能值，ωi為第i個下層指標權重值，n為下層數據或效能數目。

對于察打任務而言，平臺飛行、偵察載荷、對地打擊任何一項沒有完成，整個任務都不算完成，因此第一級效能的計算采用乘性函數，對于二級指標而言，部分可采用加性函數，如偵察設備各模式下的效能。

察打一體無人機總體效能由式(7)給出

(7)

式(7)中，E為察打一體無人機總體系統效能，E1、E2、E3分別為無人機平臺飛行效能、偵察監視效能、武器打擊效能，由ADC方法計算得到，WEi為各部分相應權重值。

平臺飛行效能E1：

E1=A1·D1·C1

(8)

平臺飛行可用度A1：

(9)

平臺飛行可信度D1：

D1=exp(-t1/MTBCF1)

(10)

平臺飛行工作能力C1：

(11)

C11、C12、C13、C14分別為作戰半徑、機動能力、鏈路通信能力、導航能力。其他E2、E3效能也按上述方法得到。通過上述方法從最下層計算，逐步遞推得到上層效能，最終得到總的效能。

4.3 數據歸一化處理

實際計算過程中，無人機任務結果中有一部分是定量的直觀數字，如探測距離、識別距離、識別概率、命中率等，但是還有一部分是難以直觀用數字表達的，比如滿意度、舒適性等人機工效方面的評價，這類結果只能通過使用人員的認識和使用經驗給出主觀定性評價，這類定性因素，其評價的量化由專家打分給出，其值在0～100。

由于各個判斷指標的試飛結果大部分的量綱和數量級是不同的，而且對于結果優劣的判斷也是不同的，有的結果是數值越小越好，有的越大越好，還有的是在某一個區間為好，因此各個結果之間不具有公度性，不能直接計算效能，為了保證評估結果的可靠性，評價之前必須將各個結果進行無量綱初始化處理，處理后各分項數值都處于在0和1之間，使分項能力之間數值匹配，具備一致性，并以此值作為該項指標的指數值。比如對指標的結果進行歸一化處理，共需對Q個任務結果進行比對，可采用以下方法進行歸一化處理,令

L=[l1,l2…lq…lQ]

(12)

當要求的結果越大越好時，表明相應數值越大則目標能力越好，如探測距離越大表示載荷工作能力越強，即所求結果為正向數據，此時數據歸一化處理函數為

(13)

當要求的指標越小越好時，表明相應數值越小則目標屬性值越好，如彈藥落地誤差越小表示武器工作越好，即所求結果為反向數據，此時數據歸一化處理函數為

(14)

5 試飛驗證

借鑒張旺、張海峰等人經驗[6-8]，在一種無人機試飛過程中，根據載荷使用方式的不同，設計了2種不同的對地攻擊作戰想定，一種是無人機攜帶光電吊艙、武器，由光電吊艙完成對目標的偵察，確認后進行打擊；一種是無人機攜帶光電吊艙、SAR雷達和武器，由SAR雷達進行廣域偵察后，再由光電吊艙進行小范圍偵察，開展光電吊艙和SAR雷達協同使用，確認后進行打擊。每種方式各飛行2架次，對飛行后的數據進行處理，效能評估結果表明，方式2發現目標的距離更遠、定位時間更短，總體飛行距離更少，而且能更快的打擊目標，同時由于目標信息更多樣，錯誤攻擊的概率更低，因此整體作戰效能也優于方式1，因此推薦用戶按方式2使用，同時也建議后續飛行試驗中增加多偵察載荷協同使用的科目，能更充分的發掘系統使用潛力。

6 結論

基于試飛的察打一體無人機任務效能評估方法，是通過真實飛行結果評定，相比于數學解析、專家評估、建模仿真等方法而言更有實際意義，更有說服力，通過對比分析試飛數據，使無人機效能最大發揮，優化使用方式，促進研發與使用。但同時也應主要到其樣本的局限性，應與其他方法結合使用，綜合評估。