中空長航時無人機系統(tǒng)綜合保障體系研究

航天工程大學 張海峰

一、背景

21世紀以來，中空長航時（MALE）無人機系統(tǒng)發(fā)展迅速，其作戰(zhàn)范圍和應用形式越來越廣泛，對戰(zhàn)爭形態(tài)和軍事變革的影響越來越大。世界主要軍事強國紛紛開始研制、發(fā)展、采購、應用大型無人機系統(tǒng)，主要應用于目標指示、軍事測繪、戰(zhàn)場偵察、目標監(jiān)視、目標打擊、毀傷評估、通信中繼、電子偵察、電子對抗、信息攻擊以及定點清除等任務(wù)。

中空長航時無人機系統(tǒng)是一種以動力驅(qū)動、可重復使用的飛行系統(tǒng)，由于無人機系統(tǒng)需要重復使用，并且其應用日益廣泛，作戰(zhàn)使用頻繁，這要求無人機系統(tǒng)能夠保證足夠的使用可用度和戰(zhàn)備完好性，所以需要擁有一套與之匹配并且規(guī)范有效的綜合保障體系。

無人機與傳統(tǒng)的航空產(chǎn)品的裝備特性和使用模式不同，傳統(tǒng)的航空綜合保障體系并不能完全適用于無人機系統(tǒng)，因此，本文研究構(gòu)建一種應用于中空長航時無人機系統(tǒng)的綜合保障體系。

二、無人機系統(tǒng)的組成

中空長航時無人機系統(tǒng)由無人機平臺、測控與信息傳輸分系統(tǒng)、任務(wù)載荷分系統(tǒng)、綜合保障分系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示。

圖1 中空長航時無人機系統(tǒng)的組成

1.無人機平臺

無人機平臺是無人機系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求的基本平臺，用于承載測控與信息傳輸分系統(tǒng)的機載設(shè)備和各類任務(wù)載荷。

2.測控與信息傳輸分系統(tǒng)

測控與信息傳輸分系統(tǒng)主要完成對無人機遙控、遙測以及偵察信息的實時傳輸，由指揮控制站（GCS）、地面數(shù)據(jù)終端（GDT）和機載數(shù)據(jù)終端（ADT）組成。

3.任務(wù)載荷分系統(tǒng)

無人機系統(tǒng)根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)類型，可掛載和換裝多種偵察載荷和武器載荷，包括光電載荷、雷達載荷、通信偵察載荷、航空磁探載荷等偵察載荷，以及導彈、炸彈、子母彈等多種類型武器載荷。

4.綜合保障分系統(tǒng)

綜合保障分系統(tǒng)是為保證以上三種分系統(tǒng)能夠正常使用和任務(wù)成功的綜合保障體系，為無人機系統(tǒng)日常使用、維護維修、備件供應、后勤管理等提供保障，這部分也是本文研究的重點。

三、無人機系統(tǒng)的保障特點

根據(jù)無人機系統(tǒng)的組成，可以看出與傳統(tǒng)有人機的不同之處，其綜合保障體系并不能完全照搬有人機。根據(jù)無人機的系統(tǒng)組成、作戰(zhàn)特點、裝備特性，分析出無人機系統(tǒng)的保障特點有如下幾條：

1.無人機系統(tǒng)組成復雜

根據(jù)上述無人機系統(tǒng)的組成，無人機系統(tǒng)比有人機的組成更為龐雜，分系統(tǒng)之間的協(xié)同工作具有很高的要求。一方面，由于無人機上沒有飛行員，飛機平臺上的計算機之間的信息交聯(lián)、信息控制、信息采集更加復雜，增加了更多的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、自動飛行、自主判斷、自主決策的功能，使得無人機更加自動化、智能化、自主化[1]；另一方面，地面站屬于大型地面電子系統(tǒng)，進行無人機平臺的遙控和遙測，其功能強大、技術(shù)先進、結(jié)構(gòu)復雜。所以，無人機系統(tǒng)覆蓋了控制、通信、指控等眾多技術(shù)領(lǐng)域，技術(shù)集成更為復雜。

2.地面站的分布式部署

在無人機系統(tǒng)的部署方面，由于作戰(zhàn)任務(wù)的需要，并非所有的地面站放置到同一站點中，而是分布式部署。例如美國空軍捕食者，在前線基地通過起降控制站和視距鏈路完成無人機的起降控制，起飛后由遠在美國本土的指控站與衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈建立與無人機的鏈路，由本土任務(wù)指揮官、飛行員和載荷操作手完成無人機的任務(wù)指揮。對于無人機而言，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需要在不同基地靈活布置與轉(zhuǎn)運。所以，無人機系統(tǒng)在使用與部署上有很強的分布式部署、配置靈活的特點。

3.任務(wù)載荷靈活換裝

根據(jù)無人機任務(wù)需求的多樣性，使得無人機掛載的任務(wù)載荷可以靈活換裝，比如光電載荷、SAR雷達、通偵載荷、測繪相機、地磁探頭等多種載荷。因此，在操作上，地面站會配置和使用不同的地面軟件對載荷進行操作；在保障上，各類載荷的保障設(shè)備、保障工具、備件耗材、人力人員、技術(shù)資料均應齊全。

4.協(xié)同能力要求高

一方面，無人機系統(tǒng)任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)功能失常，都將破壞天地之間的系統(tǒng)工作，導致任務(wù)失敗，因此在無人機執(zhí)行任務(wù)時，天上的無人機和地上的地面站需要相互高度配合；另一方面，在維護維修無人機系統(tǒng)時，需要空勤和地勤兩組成員協(xié)同進行故障檢測、故障排查、系統(tǒng)測試、維護維修等工作，所以需要人員之間的高度協(xié)同工作。

四、無人機系統(tǒng)的綜合保障體系研究

無人機系統(tǒng)的綜合保障體系是保障人員為確保無人機系統(tǒng)的有效利用，以現(xiàn)代化信息技術(shù)、管理技術(shù)為手段，對無人機系統(tǒng)保障的各個方面實施計劃、組織、指揮、控制和協(xié)調(diào)等管理活動。

（一）無人機系統(tǒng)綜合保障體系頂層設(shè)計

綜合保障體系是具有明確使用和任務(wù)的復雜系統(tǒng)，其根本使命是保證和保持作戰(zhàn)體系中無人機系統(tǒng)執(zhí)行作戰(zhàn)和訓練任務(wù)的能力。具體來說，是為了滿足不同保障任務(wù)的需求，由具有一定功能和相互聯(lián)系的保障要素，按照無人機系統(tǒng)保障規(guī)律和保障原則，通過各種保障業(yè)務(wù)活動交叉和集成的有機整體。[2]

綜合保障體系由保障組織、保障活動、保障資源、保障流程、保障管理等組成。保障活動、保障組織、保障資源是保障流程基礎(chǔ)，保障組織是場地基礎(chǔ)，保障資源是資源基礎(chǔ)，保障活動是工作基礎(chǔ)，通過保障流程將三者建立聯(lián)系并運轉(zhuǎn)起來。而保障管理是在保障流程之上的管理活動，目的是保證保障系統(tǒng)的有效控制和運行。因此，本文目的是全面地描述保障體系的靜態(tài)結(jié)構(gòu)組成關(guān)系與動態(tài)的系統(tǒng)運行行為。[3]

（二）無人機系統(tǒng)的保障組織

保障組織是指裝備保障機構(gòu)的設(shè)置。保障組織由保障站點組成，保障站點是完成保障活動的場所。無人機系統(tǒng)的保障組織按照維修機構(gòu)的級別劃分，可分為兩級基地級和基層級，如圖3所示。

圖3 無人機系統(tǒng)的保障組織組成

圖2 無人機系統(tǒng)綜合保障體系頂層設(shè)計

基層級保障組織由無人機系統(tǒng)的使用操作人員和所屬單位的維修人員組成，進行使用和維修保障，只限定完成較短時間的、簡單保障工作，一般承擔無人機的使用保障活動和設(shè)備更換維修活動，是無人機執(zhí)行任務(wù)和維護保障的最前線。基層級保障組織主要包括跑道、機庫、地面站、彈藥間、備件庫、維修間、工具房、油料站、氣象站、指揮大廳等場所。

基地級保障組織具有更高修理能力，承擔系統(tǒng)大修和大部件的修理、備件制造和基層級所不能完成的保障工作，主要包括維修車間、倉庫、發(fā)動機大修車間等場所。

與傳統(tǒng)有人機的不同之處在于，地面站作為無人機系統(tǒng)的重要組成部分，其部署地點要求需要重點考慮，視距鏈路站一般要求視距范圍內(nèi)通視性好、供電穩(wěn)定；衛(wèi)通鏈路站一般要求在衛(wèi)星波束范圍之內(nèi)，并且與衛(wèi)星之間無遮擋。部署形式可以部署在固定的前線基地，也可以進行分布式部署，將多個地面站部署在不同的前線地點，各部署點之間可以進行視距接力，延長無人機的視距作用范圍。

（三）保障資源

保障資源是進行無人機系統(tǒng)使用和維修等保障工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，主要包括保障設(shè)施、保障設(shè)備、保障工具、人力人員、備件、耗材、技術(shù)資料，如圖4所示。

圖4 無人機系統(tǒng)的保障資源組成

保障設(shè)施是使用與維修無人機系統(tǒng)所需的永久性和半永久性的建筑物及其配套設(shè)備，如機庫、廠房、吊車、牽引車、加油車。為了保證在執(zhí)行任務(wù)過程中地面站不間斷通電，除了地面站自身配置UPS之外，還需要為地面站提供發(fā)電機。

保障設(shè)備是系統(tǒng)使用和維修所需要的全部設(shè)備（移動的和固定的），如測試設(shè)備、維修設(shè)備、運輸設(shè)備、校準設(shè)備、試驗設(shè)備等。

保障工具是系統(tǒng)使用和維修所需要的全部工具，如通用工具、專用工具和設(shè)備線纜等。

人力人員是系統(tǒng)使用于維修所需人員的數(shù)量、專業(yè)機技術(shù)等級，無人機系統(tǒng)的人力人員主要分為空勤人員和地勤人員，空勤人員主要包括無人機飛行員、鏈路操作員、載荷操作員等，主要是完成飛行和任務(wù)執(zhí)行。地勤人員包括機械技師、航電技師、武器技師，主要保障無人機的牽引和放飛、進行維護維修工作。

備件耗材是用于系統(tǒng)維修的可替換件和消耗品，備件包括機載備件、地面站備件、載荷備件和保障設(shè)備備件；耗材包括橡膠類、液體類、標準件類等。

技術(shù)資料是使用與維修系統(tǒng)所需的手冊，按照類別可分為技術(shù)類、操作類和維護類手冊。

（四）保障功能

保障功能是指保障體系需要完成的功能，主要包括使用保障功能和維修保障功能，如圖5所示。

圖5 無人機系統(tǒng)的保障功能組成

使用保障功能即在裝備貯存、運輸和使用時，保障系統(tǒng)能夠提供相應的保障功能，以保證裝備能隨時可用，主要包括飛行前檢查、飛行后檢查和再次出動檢查；維修保障功能即在裝備故障時，保障系統(tǒng)能夠為故障的裝備提供維修功能，以保持和恢復裝備完好的技術(shù)狀態(tài)，主要包括修復性維修和預防性維修。其中，修復性維修又分為更換維修、直接維修和故障隔離等；預防性維修根據(jù)維護類型分為發(fā)動機小時維護、飛行小時維護、架次維護和日歷時間維護。

（五）保障流程

保障流程是指保障無人機系統(tǒng)能夠正常執(zhí)行任務(wù)流程所經(jīng)歷的過程，包括使用保障流程、維修保障流程和供應保障流程，如圖6所示。

圖6 無人機系統(tǒng)保障流程示意圖

任務(wù)流程是使用和操作無人機系統(tǒng)的核心，任務(wù)主要包括任務(wù)類型、任務(wù)區(qū)域、完成時限等要求。根據(jù)任務(wù)性質(zhì)可以分為兩種：一種是打擊任務(wù)，任務(wù)執(zhí)行前有情報明確獲知目標精確位置或具體范圍內(nèi)的定點偵察清除任務(wù)；另一種是偵察任務(wù)，在潛在高價值目標活動區(qū)域的廣域偵察任務(wù)，兩種任務(wù)可以相互結(jié)合、實時轉(zhuǎn)換。明確任務(wù)之后，選擇能夠執(zhí)行任務(wù)的無人機系統(tǒng)，包括選擇無人機和地面站，完成飛行前保障后放飛無人機，執(zhí)行偵察或打擊任務(wù)，任務(wù)結(jié)束后降落返回機庫。

使用保障流程是指飛行前保障和飛行后保障，飛行前保障根據(jù)任務(wù)內(nèi)容進行飛行航跡規(guī)劃，根據(jù)任務(wù)類型選配載荷或掛載武器，根據(jù)任務(wù)時間加注燃油，并進行飛前檢查和地面站準備；飛行后保障主要進行飛后檢查、卸載武器以及地面站撤收。

維修保障流程是指無人機無法正常使用，有兩種情況：一是無人機系統(tǒng)發(fā)生故障，在基層級進行LRU更換維修，故障LRU發(fā)到基地級進行直接維修；另一種是預防性維修，也稱定期檢查，當無人機的使用累計到一定的發(fā)動機小時、飛行小時、飛行架次或日歷時間，需要對其進行相應的維護。[4]

供應保障流程是指及時為無人機的維修供應備件和耗材的過程，基地級倉庫為基地級的直接維修和基層級倉庫供應備件和耗材，基地級倉庫為基層級的更換維修提供備件和耗材。

（六）保障管理

保障管理是在保障組織、保障資源、保障活動、保障流程的基礎(chǔ)之上，進行一系列的管理過程，使得整個保障系統(tǒng)能夠有效的執(zhí)行起來，主要包括：保障記錄、維修管理、質(zhì)量監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、承制方保障、庫存管理、組織架構(gòu)、經(jīng)費管理等，如圖7所示。

圖7 無人機系統(tǒng)的保障管理組成

保障記錄是指在無人機的使用和維修過程中產(chǎn)生的保障數(shù)據(jù)，主要有無人機配套表、放飛確認記錄、飛行數(shù)據(jù)、飛行架次統(tǒng)計、維修維護記錄、上電時間記錄、發(fā)動機小時記錄、運輸記錄等。保障記錄能夠有效的監(jiān)控無人機日常使用的各個環(huán)節(jié)的狀態(tài)，使每項工作能夠記錄在案，便于追溯。

維修管理分為故障維修管理和定檢維護管理，故障維修管理是記錄無人機系統(tǒng)因故障進行的更換或直接維修，定檢維護管理是指當無人機累計到特定的定檢周期時，提醒維修人員進行相應的維護操作。

質(zhì)量監(jiān)控是指質(zhì)量責任部門應在無人機的維修和維護過程中進行監(jiān)督和管理作用，進行協(xié)調(diào)相關(guān)資源、提供相應技術(shù)支持、按時按要求完成相關(guān)保障活動。

數(shù)據(jù)分析是指對飛行數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)或設(shè)備進行狀態(tài)分析，及時關(guān)注無人機系統(tǒng)的健康狀態(tài)，通過分析數(shù)據(jù)，可以定位故障、及時發(fā)現(xiàn)潛在故障。

組織架構(gòu)是指使用、維修、管理、監(jiān)督無人機系統(tǒng)的所有職責部門，各部門職責分工明確，合作完成無人機系統(tǒng)的各項工作。

經(jīng)費管理是指在無人機的全壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的費用管理，主要包括人力成本、采購成本、維護成本、供應成本等。

五、中空長航時無人機系統(tǒng)綜合保障體系評價指標

可從無人機綜合保障系統(tǒng)的6類特性分別提出保障系統(tǒng)的評價指標。

1.及時性

綜合保障系統(tǒng)的及時性是對保障過程時間特性的描述，包含及時開始和及時完成兩方面的含義。這些保障時間類的要求描述了保障系統(tǒng)及時性特性。

（1）再次出動準備時間（TAT）是指在預定的使用及維修保障條件下，無人機連續(xù)執(zhí)行任務(wù)的裝備從結(jié)束上次任務(wù)返回到再次出動執(zhí)行下一次任務(wù)所需要的準備時間。

（2）備件周轉(zhuǎn)時間，是指可修備件從送修到恢復到可用狀態(tài)所消耗的時間，即可修的故障備件經(jīng)歷倉儲、運輸、維修及管理延誤等保障活動后，恢復最初完好狀態(tài)所經(jīng)歷的時間。

2.部署性

部署性常采用保障規(guī)模來表征。保障規(guī)模是單次運輸人力人員、備件消耗品、設(shè)備和技術(shù)資料所需的某型運輸工具的數(shù)量。在保障規(guī)模中，通常考慮保障資源的包裝體積和包裝重量，運輸工具的尺寸以及允許承載的最大體積。若采用多次運輸，則保障規(guī)模實際是指單次運輸所需運輸工具的數(shù)量與往返次數(shù)的乘積。

圖8 綜合保障體系評價指標

3.經(jīng)濟性

按照保障功能要素的分類，可將保障系統(tǒng)的經(jīng)濟性參數(shù)分為五類：使用保障費用、預防性維修保障費用、修復性維修保障費用、供應保障費用和訓練與訓練保障費用。

前三類經(jīng)濟性參數(shù)主要包括保障過程中保障設(shè)備與設(shè)施、技術(shù)資料使用時產(chǎn)生的折舊費用和消耗性費用（如電力、燃料等），人員的工時費用，以及站點（或子站點）間的運輸費用等。供應保障費用是指保障系統(tǒng)進行供應保障活動所消耗的費用，包括對備件和消耗品的籌措、分配、供應和儲運等活動的費用。訓練與訓練保障費用是指進行人員訓練與訓練保障活動所消耗的費用。

4.通用性

與及時性、部署性和經(jīng)濟性不同的是，通用性的影響因素主要是保障系統(tǒng)內(nèi)部的因素，包括保障資源要素、保障組織要素和保障功能要素。關(guān)于通用性的要求，一般以百分比的形式提出，如：設(shè)備、設(shè)施的沿用程度、消耗品的通用程度等。

5.生存性

保障系統(tǒng)的生存性包括保障資源的生存性與保障流程的抗打擊能力，主要包括隱蔽性與自身抗毀性。

6.有效性

保障系統(tǒng)的有效性主要用于描述保障過程的特性，其參數(shù)包括：①對配置的保障資源使用效率高低的描述，如保障資源的利用率等；②對配置的保障資源滿足保障需求的效率高低的描述，如保障資源的滿足率等。

六、結(jié)論

本文首先闡述了無人機系統(tǒng)的四大組成部分，剖析和提煉出無人機系統(tǒng)組成復雜、地面站的分布式部署、任務(wù)載荷靈活換裝、協(xié)同能力要求高四個保障特點。然后建立了無人機系統(tǒng)的綜合保障體系，描述了構(gòu)成保障體系的五大要素：保障組織、保障資源、保障功能、保障流程和保障管理。最后，提出了用于評價綜合保障體系的指標參數(shù)。通過以上研究，形成了靜態(tài)結(jié)構(gòu)組成和動態(tài)系統(tǒng)運行的無人機系統(tǒng)綜合保障體系，可有效地指導無人機系統(tǒng)的綜合保障體系的建立。