基于改進層次分析法的無人機作戰效能評估方法研究*

寇昆湖 劉登攀 錢 峰 鹿珂珂

（海軍航空大學 煙臺 264001）

1 引言

無人機作為一種新質作戰力量已在偵察、電子對抗、通信中繼等領域發揮了重要作用，成為我軍戰斗力新的增長點，科學評估無人機的作戰效能對于提升體系作戰能力具有重要意義［1］。以無人偵察機為例，其作戰效能主要由無人機的可靠性、生存力、偵察能力等決定［2］。

現階段關于武器裝備的效能評估方法主要有［3～7］：灰色評估法、綜合指數模型、模糊綜合評判法、ADC法等。

相比較于其他方法，層次分析法具有高度的邏輯性、系統性和實用性，靈活簡便。但是使用層次分析法的過程中，主觀性較強，其定性分析存在一定的偶然因素。

目前主要是通過定性分析［8～12］來評估無人機的作戰效能，在無人機的作戰效能與影響因素之間沒有一個準確的定量關系，無法精準地提升作戰效能。因此，本文在傳統層次分析法的基礎上，提出改進型的無人偵察機作戰效能模型，為以后建立無人機的作戰效能與影響因素之間的有效映射提供理論依據。

2 無人機作戰效能評估指標體系構建

根據無人機結構、作戰影響因素以及演訓數據等建立無人機作戰效能的指標體系。

2.1 影響無人偵察機作戰的主要因素

2.1.1 可靠性能

1）可維護度。無人偵察機可維護度是指無人機系統發生故障時能夠排除或抑制故障予以修復，并返回到正常狀態執行任務的可能性。可維護度的優劣直接影響到無人機的可靠性能。

2）可靠度。飛機可靠度是指無人偵察機在執行任務期間不發生故障完成任務的概率。該指標與無人偵察機平均故障間隔時間（MTBF）和任務飛行時間緊密相關。平均故障間隔時間是無人偵察機在規定時間內保持有效功能的一種能力，是相鄰兩次故障之間的平均工作時間［13］。

P為任務完成概率，即飛機可靠度指標。t為無人機飛行時間。MTBF為平均故障間隔時間，一般采用無人機某一部件（最易故障）的平均故障時間。pys為無人偵察機的易損系數。

3）可用度。該指標是指無人機在特定載荷下的持續飛行時間。與無人機續航時間、燃油存儲、載重量等密切相關。

2.1.2 生存性能

1）隱身性。隱身能力對于壓制敵早期預警能力，提高偵察能力性能有著非常重要的作用。

無人機本身的隱身性與無人機的幾何尺寸、氣動布局、紅外輻射強度、最大雷達反射截面（RCS）密切相關。

RCS在三維空間中的計算為［14］

σ為RCS，Si是在目標處測量的入射功率密度，Ss是遠處測量到的散射功率密度，r是目標和雷達之間的距離。

2）機動性。機動性是無人偵察機的重要戰術、技術指標，是指無人機在一定時間內改變飛行速度、高度以及方向的能力。相應地稱為速度機動性、高度機動性以及方向機動性。改變所需的時間越短，則表示機動性越好。機動性指標與無人機的自身重量、最小轉彎半徑、最大爬升率有關。

但傳統的爬升率概念已經不足以衡量飛機的爬升能力。這時我們需要引入單位剩余功率（SEP）這一概念［15］。

SEP=(T-f)*V/G(m/s)

T為推力，f為阻力，V為飛行速度，G為重力。

根據綜合指數模型，無人偵察機機動性指標可以表示為［12］

wp為穩定盤旋過載，表示無人機在做水平盤旋時的最大加速度，Tg為飛機的最大可用加力推力與飛機正常起飛重量，可以表示無人機的加速性能。Ma為飛行馬赫數。

ε為操縱效能系數，取值見文獻［16］。

3）抗摧毀能力。無人偵察機在執行偵察任務時，需要面對各種突發情況以及敵方的攻擊，良好的抗摧毀能力是應對突發情況以及敵方攻擊的重要前提。其中包括抗軟摧毀能力和抗硬摧毀能力。

抗硬摧毀能力指的是無人機實體的抗摧毀能力，與無人機的機身結構、材料等有關，也與無人機機動性密切相關；抗軟摧毀能力指的是無人機指揮系統、通信系統等抗打擊、干擾、屏蔽的能力，與無人機的隱身性能以及電子防御性能等密切相關。

2.1.3 偵察性能

無人偵察機偵察能力與其偵察載荷效能直接相關，根據載荷不同，無人偵察機的偵察能力指標主要包括雷達偵察性能、紅外偵察性能、航空照相偵察、電視偵察等。不同的載荷其信息獲取能力以及信息傳輸與處理能力不同。

以無人機搭載雷達偵察為例，其信息獲取能力指標可由雷達探測領域范圍和雷達識別能力來表征。

雷達探測領域范圍為

TC表示雷達的信探測領域范圍，Rmax為波束最遠傳播距離，θ為波束仰角。

雷達識別能力［14］與其分辨率直接相關，良好的分辨率是雷達識別物體的關鍵。

S表示雷達的分辨率，β表示信號寬度，d表示天線孔徑尺度，k是單位距離內的采樣次數（k=1，2，3…），ηβ為方位角測量誤差加權系數，ηε為比幅測角，Td是目標方向上波束的停留時間，θβ為空間方位角，R0為雷達識別能力的參考距離。

2.2 無人偵察機作戰效能評估指標體系

在構建過程中，本文將評估指標體系劃分為目標層、準則層和指標層。

為了弱化其準則層的定性色彩，在指標層的確定過程中，選取可直接量化的指標，對于不可直接量化的指標，采用線性數據擬合等方法確定其隸屬度函數。如圖1所示。

圖1 無人偵察機效能評估體系

3 改進層次分析法

3.1 經典層次分析法

經典層次分析法一般步驟為

1）首先根據無人機結構、作戰影響因素等建立無人機作戰效能評估指標體系。

2）利用專家打分方式，比較指標體系各層之間兩兩不同指標的相對重要程度。根據1-9 標度力量得到各層指標之間的判斷矩陣，并做相應的歸一化處理。

3）計算各層之間的最大特征值以及相對權重矩陣，并做一致性檢驗。

4）得到無人機作戰總效能表達式。

3.2 改進層次分析法

從經典的層次分析法步驟可以得出傳統的方法具有以下劣勢：

1）主觀因素較大。利用專家打分方式得到的判斷矩陣主觀性較大，不同專家在對無人機系統的判斷上以及各自專業領域、思維的不同，導致得到的數據與實際數據可能存在偏差。

2）計算較為復雜。通過專家打分的方式要想得到較為準確的結果，需要大量的數據，計算較為復雜。

3）可能出現不一致現象。專家的主觀認知若與客觀實際存在較大差異，則判斷矩陣可能不一致，需要進行多次修正，同樣需要大量計算。

針對以上問題，本文提出改進的層次分析法，盡可能地減少計算量，避免出現不一致現象，使實驗結果更加貼近客觀實際。

1）使用最優矩陣減少計算量。

使用最優傳遞矩陣對傳統的層次分析法的判斷矩陣進行改進，設置一個調節器，使得其自動滿足一致性要求，簡化一致性檢驗步驟，大大較少計算量。

2）采用模糊評判增加定量分析。

采用模糊綜合評判對傳統的層次分析法進行改進，可以在定性分析的基礎上，對各指標因素進行定量分析決策。

改進后的層次分析法步驟如圖2所示。

圖2 改進層次分析法步驟圖

4 基于最優的權重系數矩陣確立

對無人機作戰效能評估體系中指標層和準則層的各個元素進行兩兩比較，構造判斷矩陣，確定其對應的權重系數。

以準則層指標重要程度打分結果為例，計算準則層指標的最優判斷矩陣［19］。

1）首先給出準則層指標的判斷矩陣。

2）計算反對稱矩陣J1=lgJ。

3）計算最優傳遞矩陣。

4）構造判斷矩陣擬優一致矩陣。

5）計算相對權重。

至此，得到準則層指標的判斷矩陣和相對權重。

表1 準則層等級表

同理，可得指標層可靠性能、生存性能以及偵察性能的相對權重。

表2 可靠性指標等級表

表4 生存性指標等級表

5 模糊綜合評判

模糊綜合評判有三要素［20］：

1）因素集：表示影響事物評判集的因素；2）判斷集：表示影響事物評判集的等級；3）單因素判斷：即對單個因素Ri的評判，得到模糊映射，從而確立一個模糊關系，得到單因素模糊矩陣：

根據無人機系統的復雜性，本文單因素模糊矩陣的確定采用專家評判方法。

根據圖1 所示的無人機偵察效能評估體系確立模糊評判的因素集U。

將評判優劣等級劃分為優，良，中，差。判斷集為V=｛優，良，中，差｝［21］。

根據專家評判獲得獲得指標層的單因素模糊矩陣RA，RB，RC。

6 綜合評價

綜合評價結果記為B，則B=，則可分別求出設計準則層、可靠性能、生存性能能力以及偵察性能的下層指標綜合評價結果。

可以得到BA，BB，BC的值。

由Bi可得準則層模糊矩陣為

準則層的綜合評價結果為

采用加權平均法對每個等級與權重分數賦值，以便于后續為不同方案進行排序。賦值如下：

V=｛優，良，中，差｝=｛100，80，60，40｝。

得到該無人機偵察效能的總得分為

S=B·V'=79.422

7 結語

本文基于層次分析法構建了無人偵察機偵察系統作戰效能評估指標體系，并對傳統的層次分析法進行改進，增加定量分析，弱化定性色彩。所建立的偵察效能評估模型具有一定的有效性和實用性，通過評估，可以對無人偵察機的作戰效能進行定量評估。

影響無人機作戰的因素很多，盡可能全面、準確地將其融入到作戰效能的評估中來是接下來要努力的方向。