基于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的UCAV空戰(zhàn)效能評(píng)估

王光輝,徐光達(dá),謝宇鵬,呂 超

(海軍航空大學(xué),山東 煙臺(tái) 264001)

隨著現(xiàn)代空戰(zhàn)模式的不斷變化與無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)(UCAV)將更加頻繁地在空戰(zhàn)對(duì)抗中“亮相”。未來(lái)空戰(zhàn)中,UCAV將會(huì)與有人戰(zhàn)斗機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)或者完全替代有人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行自主空戰(zhàn),成為主要的空中作戰(zhàn)力量。但是現(xiàn)有UCAV的自主控制等級(jí)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(xié)同作戰(zhàn)能力受限等問(wèn)題,這些顯然與復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境不相適應(yīng)[1]。同時(shí)目前關(guān)于無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)系統(tǒng)(整體)作戰(zhàn)效能評(píng)估研究的文獻(xiàn)較多,這些文獻(xiàn)中雖然有的也考慮到了戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素,但是在構(gòu)建效能評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)將環(huán)境因素專(zhuān)門(mén)提取出來(lái)的獨(dú)立研究的還比較少。因此,深入研究基于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的UCAV空戰(zhàn)效果評(píng)估問(wèn)題具有重要的軍事價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 UCAV空戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系

現(xiàn)代空戰(zhàn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)對(duì)抗的過(guò)程[2]。UCAV在遂行任務(wù)時(shí)隨時(shí)會(huì)受到來(lái)自敵方和戰(zhàn)場(chǎng)的電磁干擾,同時(shí)氣象、空域等自然條件也會(huì)影響UCAV的作戰(zhàn)效能。為貼近實(shí)戰(zhàn),在構(gòu)建UCAV空戰(zhàn)效能評(píng)估模型時(shí)應(yīng)引入空戰(zhàn)環(huán)境因素。因此結(jié)合UCAV空戰(zhàn)特點(diǎn)與系統(tǒng)工程理論,將UCAV空戰(zhàn)效能指標(biāo)主要分為空戰(zhàn)能力C、生存能力S、可用性A以及空戰(zhàn)環(huán)境因素W,指標(biāo)體系如圖1所示。

根據(jù)評(píng)估指標(biāo)體系,UCAV的空戰(zhàn)效能可表示為

E=C·S·A·W

(1)

2 UCAV空戰(zhàn)效能評(píng)估模型

根據(jù)上面構(gòu)建的評(píng)估指標(biāo)體系,分別對(duì)UCAV的空戰(zhàn)能力、生存能力、可用性和空戰(zhàn)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估后,由式(1)便能得出最終的評(píng)估結(jié)果。

2.1 空戰(zhàn)能力評(píng)估

由圖1可知,UCAV的空戰(zhàn)能力包括以下五個(gè)指標(biāo):機(jī)動(dòng)能力C1、火力C2、態(tài)勢(shì)感知能力C3、操控能力C4以及電子干擾能力C5。這五個(gè)指標(biāo)在實(shí)際作戰(zhàn)中對(duì)UCAV空戰(zhàn)能力的影響程度不同,即指標(biāo)在空戰(zhàn)中的重要性就不同,所以在評(píng)估中所占權(quán)重也就不同。本文采用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重,根據(jù)軍事專(zhuān)家的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)將上述五個(gè)指標(biāo)之間兩兩對(duì)比之后,按T.L.Saaty提出的9分位比率排定各指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)劣順序[3],并構(gòu)造判斷矩陣M如表1所示。

表1 效能評(píng)估指標(biāo)評(píng)價(jià)值

由表1中數(shù)據(jù)得

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

W′=(0.620,0.620,0.448,0.147,0.093)

對(duì)W′歸一化處理后得到各指標(biāo)構(gòu)成的權(quán)重向量為

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

5個(gè)指標(biāo)權(quán)重依次為:機(jī)動(dòng)能力ω1=0.322,火力ω2=0.322,態(tài)勢(shì)感知能力ω3=0.232,操控能力ω4=0.076,電子干擾能力ω5=0.048。

對(duì)判斷矩陣A進(jìn)行一致性檢驗(yàn),步驟如下:

Step 1 計(jì)算一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI:(這里矩陣階數(shù)n=5)

Step 2 根據(jù)矩陣階數(shù)n從表2中確定平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)n=5時(shí),RI=1.12。

Step 3 計(jì)算一致性指標(biāo)CR,進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

故滿足一致性要求。

2.2 生存能力評(píng)估

生存能力是UCAV避免和經(jīng)受住人為的敵對(duì)空戰(zhàn)環(huán)境,保持工作狀態(tài)的能力[4]。根據(jù)現(xiàn)有資料分析,UCAV的生存能力主要受敏感性、易損性以及戰(zhàn)機(jī)隱身性這三方面影響。但UCAV的研發(fā)尚處于起步階段,某些技術(shù)參數(shù)無(wú)法精確獲得,同時(shí)瞬息萬(wàn)變的空戰(zhàn)態(tài)勢(shì)使得戰(zhàn)機(jī)的生存概率無(wú)法準(zhǔn)確掌握。鑒于以上原因,筆者根據(jù)已有的文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn),選取戰(zhàn)機(jī)的尺寸系數(shù)用作評(píng)估參數(shù)來(lái)評(píng)估UCAV的生存能力。只要獲得某型戰(zhàn)機(jī)的外形尺寸參數(shù),便可大概計(jì)算出該戰(zhàn)機(jī)的相對(duì)生存能力。設(shè)尺寸系數(shù)55m2的戰(zhàn)機(jī)的生存能力為1,并以此為基準(zhǔn),則UCAV的相對(duì)生存能力可表示為[5]

(2)

(3)

2.3 可用性評(píng)估

UCAV的可用性主要包括戰(zhàn)機(jī)的可靠性、維修性和保障性三方面指標(biāo),它與戰(zhàn)機(jī)的完好率、戰(zhàn)時(shí)生產(chǎn)能力以及后勤保障能力密切相關(guān),能夠反映出戰(zhàn)機(jī)的戰(zhàn)備情況[6]。目前,對(duì)UCAV的可用性評(píng)估缺少簡(jiǎn)單有效的方法。這里主要采用專(zhuān)家打分法確定影響UCAV可用性的各因素權(quán)重,再利用線性加權(quán)求和的計(jì)算出可用性指標(biāo)A:

(4)

2.4 空戰(zhàn)環(huán)境影響評(píng)估

對(duì)UCAV空戰(zhàn)環(huán)境存在影響的因素主要有自然環(huán)境和電磁環(huán)境[7]。UCAV在不同的空戰(zhàn)環(huán)境中發(fā)揮出的作戰(zhàn)效能不同,并且同一環(huán)境下不同環(huán)境因素對(duì)UCAV遂行空戰(zhàn)的影響程度也不盡相同。通過(guò)將層次分析法與專(zhuān)家調(diào)查法相結(jié)合,對(duì)各影響因素進(jìn)行打分并求出權(quán)重,最后得到空戰(zhàn)環(huán)境影響指標(biāo)W的表達(dá)式為

(5)

式中,μi(i=1,2)分別為自然環(huán)境和電磁環(huán)境兩個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù);wi(i=1,2)為專(zhuān)家打分值。

3 實(shí)例分析

本文主要對(duì)X-47B無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)進(jìn)行效能評(píng)估,同時(shí)與有人戰(zhàn)斗機(jī)(這里選取F-16、F-18兩型戰(zhàn)機(jī))相比較,以驗(yàn)證該評(píng)估方法的可行性。

X-47B戰(zhàn)機(jī)是美軍的一型能夠進(jìn)行自主攻擊的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī),具有良好的隱身性和機(jī)動(dòng)能力,可掛載先進(jìn)的空空導(dǎo)彈執(zhí)行空戰(zhàn)任務(wù),通常會(huì)與有人戰(zhàn)斗機(jī)協(xié)同作戰(zhàn),能夠?yàn)槊儡妼?shí)現(xiàn)全天候作戰(zhàn)提供支持[8]。

F-16戰(zhàn)機(jī)是20世紀(jì)70年代美軍開(kāi)始使用的空中優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)斗機(jī),具備突出的空中格斗能力[9]。從1981年貝卡谷地空戰(zhàn)至今,F-16幾乎參與了歷次大規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng),其優(yōu)異的性能也經(jīng)受住了實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)。

F-18戰(zhàn)機(jī)具備優(yōu)秀的對(duì)空、對(duì)地和對(duì)海攻擊能力,且機(jī)載武器先進(jìn)、態(tài)勢(shì)感知能力強(qiáng),是美海軍最重要的艦載戰(zhàn)斗機(jī)[10]。

3.1 作戰(zhàn)能力評(píng)估

利用上面的評(píng)估方法,從機(jī)動(dòng)能力、火力、態(tài)勢(shì)感知能力、操控能力、電子干擾能力5個(gè)方面分別對(duì)X-47B、F-16和F-18戰(zhàn)機(jī)進(jìn)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(jì)算可得到表4。

表3 空戰(zhàn)能力評(píng)價(jià)表

表4 空戰(zhàn)能力評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性加權(quán)求和處理,由

(6)

求出3型戰(zhàn)機(jī)的空戰(zhàn)能力評(píng)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(píng)估

查閱相關(guān)機(jī)型資料,列出X-47B無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)、F-16和F-18戰(zhàn)斗機(jī)的外觀參數(shù),根據(jù)式(3)算出3型戰(zhàn)機(jī)的尺寸系數(shù),如表5所示。

表5 3型戰(zhàn)機(jī)外觀參數(shù)

將表中尺寸系數(shù)代入式(2)得:

3.3 可用性評(píng)估

由于可用性指標(biāo)的影響因素復(fù)雜多變,目前尚無(wú)較好評(píng)估方法。所以,假設(shè)3型戰(zhàn)機(jī)的完好出勤,無(wú)任何故障,可知A=1。

3.4 空戰(zhàn)環(huán)境影響評(píng)估

根據(jù)軍事專(zhuān)家對(duì)空戰(zhàn)環(huán)境的兩個(gè)主要影響因素進(jìn)行打分,得到打分表如表6所示,進(jìn)而求出各因素權(quán)重。

表6 空戰(zhàn)環(huán)境影響因素打分表

由表6中數(shù)據(jù)計(jì)算得:

λmax=2,μ=[0.25,0.75],C.I=0,C.R=0，

通過(guò)了一致性檢驗(yàn)。

再根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)評(píng)定的空戰(zhàn)環(huán)境因素表(表7)最終求出空戰(zhàn)環(huán)境影響指標(biāo)H。

表7 空戰(zhàn)環(huán)境影響因素權(quán)值表

3.5 綜合評(píng)估

根據(jù)前面求出的3型戰(zhàn)機(jī)的各方面指標(biāo)值,用式(1)進(jìn)行計(jì)算得到最終的綜合評(píng)估結(jié)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(zhàn)斗機(jī)為準(zhǔn),設(shè)它的作戰(zhàn)效能為1,則F-18戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)效能為1.46,X-47B無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)的作戰(zhàn)效能為1.66。

3.6 評(píng)估結(jié)果分析

綜合分析評(píng)估結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

1)X-47B無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)整體空戰(zhàn)效能要優(yōu)于美軍現(xiàn)役的經(jīng)典戰(zhàn)斗機(jī)。

2)具體分析各項(xiàng)指標(biāo)可以看出,X-47B的空戰(zhàn)能力與生存能力較為突出,優(yōu)秀的空戰(zhàn)能力得益于該機(jī)良好的態(tài)勢(shì)感知能力與自主操控能力,而較強(qiáng)的生存能力歸因于該機(jī)飛翼式的外形布局與較高的隱身性能,該結(jié)論與實(shí)際情況相符。

3)X-47B與有人戰(zhàn)斗機(jī)相比的缺陷在于機(jī)動(dòng)能力與空戰(zhàn)火力的發(fā)揮受到限制,且容易被敵方干擾,這與實(shí)際中UCAV自身防御能力弱等情況相吻合。因此,提高機(jī)動(dòng)性能與增加空戰(zhàn)武器攜帶量應(yīng)是今后UCAV發(fā)展中的重點(diǎn)需要解決的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今的空戰(zhàn)模式與空戰(zhàn)環(huán)境與以往相比發(fā)生了深刻的變化,研究空戰(zhàn)效能評(píng)估問(wèn)題也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn),不能脫離實(shí)戰(zhàn)背景與戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。本文在分析影響UCAV空戰(zhàn)效能的主要指標(biāo)時(shí),考慮了空戰(zhàn)中自然環(huán)境與電磁環(huán)境的影響,基于此構(gòu)建并完善了評(píng)估指標(biāo)體系。在對(duì)具體指標(biāo)進(jìn)行定量分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)例計(jì)算來(lái)驗(yàn)證該評(píng)估模型的可行性與適用性。實(shí)例分析結(jié)果能夠反映出現(xiàn)有UCAV的優(yōu)勢(shì)與缺陷,能夠?yàn)閁CAV的發(fā)展提出切實(shí)可行的需求建議。但某些UCAV還處于裝備論證或試驗(yàn)階段,尚未經(jīng)歷實(shí)戰(zhàn)使用和戰(zhàn)爭(zhēng)檢驗(yàn)。因此,某些評(píng)估指標(biāo)的量化模型和評(píng)估方法還須進(jìn)一步改進(jìn)與完善。