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(xué) 張海峰

一、背景

21世紀(jì)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(yīng)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(yīng)用大型無人機系統(tǒng)，主要應(yīng)用于目標(biāo)指示、軍事測繪、戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)監(jiān)視、目標(biāo)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(fù)使用的飛行系統(tǒng)，由于無人機系統(tǒng)需要重復(fù)使用，并且其應(yīng)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(yīng)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(dá)載荷、通信偵察載荷、航空磁探載荷等偵察載荷，以及導(dǎo)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(hù)維修、備件供應(yīng)、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(fù)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(fù)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(jìn)行無人機平臺的遙控和遙測，其功能強大、技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)復(fù)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(fù)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(yuǎn)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(dá)、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(jìn)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(yīng)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(dǎo)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(hù)維修無人機系統(tǒng)時，需要空勤和地勤兩組成員協(xié)同進(jìn)行故障檢測、故障排查、系統(tǒng)測試、維護(hù)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(fù)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(xùn)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(jìn)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(dān)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(hù)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(dān)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(hù)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(yīng)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(fù)裝備完好的技術(shù)狀態(tài)，主要包括修復(fù)性維修和預(yù)防性維修。其中，修復(fù)性維修又分為更換維修、直接維修和故障隔離等；預(yù)防性維修根據(jù)維護(hù)類型分為發(fā)動機小時維護(hù)、飛行小時維護(hù)、架次維護(hù)和日歷時間維護(hù)。

（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(yīng)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(biāo)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(biāo)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(jìn)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(jìn)行飛前檢查和地面站準(zhǔn)備；飛行后保障主要進(jìn)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(jìn)行LRU更換維修，故障LRU發(fā)到基地級進(jìn)行直接維修；另一種是預(yù)防性維修，也稱定期檢查，當(dāng)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(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)。[4]

供應(yīng)保障流程是指及時為無人機的維修供應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(rèn)記錄、飛行數(shù)據(jù)、飛行架次統(tǒng)計、維修維護(hù)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?zé)o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(hù)管理，故障維修管理是記錄無人機系統(tǒng)因故障進(jìn)行的更換或直接維修，定檢維護(hù)管理是指當(dāng)無人機累計到特定的定檢周期時，提醒維修人員進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)操作。

質(zhì)量監(jiān)控是指質(zhì)量責(zé)任部門應(yīng)在無人機的維修和維護(hù)過程中進(jìn)行監(jiān)督和管理作用，進(jìn)行協(xié)調(diào)相關(guān)資源、提供相應(yīng)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(jìn)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(zé)部門，各部門職責(zé)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(hù)成本、供應(yīng)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(biāo)

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(biāo)。

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(zhǔn)備時間（TAT）是指在預(yù)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(zhǔn)備時間。

（2）備件周轉(zhuǎn)時間，是指可修備件從送修到恢復(fù)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(fù)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?？紤]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(biāo)

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(yù)防性維修保障費用、修復(fù)性維修保障費用、供應(yīng)保障費用和訓(xùn)練與訓(xùn)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(yīng)保障費用是指保障系統(tǒng)進(jìn)行供應(yīng)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(yīng)和儲運等活動的費用。訓(xùn)練與訓(xùn)練保障費用是指進(jìn)行人員訓(xùn)練與訓(xùn)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(fù)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(biāo)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(dǎo)無人機系統(tǒng)的綜合保障體系的建立。