可再入跨介質(zhì)無人飛行器作戰(zhàn)應(yīng)用及效能評估

汲萬峰， 戚學(xué)文， 李 冬

(1.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺 264000； 2.中國人民解放軍91776部隊，北京 100000)

0 引言

可再入跨介質(zhì)無人飛行器是一種具備空中飛行、水面航行、水下航渡以及往復(fù)空中/水面/水下跨域能力的新概念混合型海上無人系統(tǒng)[1]，具備水、空兩棲性、旋翼可折疊性、帶載多樣性、續(xù)航長時性、攻擊突發(fā)性的特點，可用于執(zhí)行載荷投送、情報監(jiān)視偵察(ISR)、反艦和反潛等諸多使命任務(wù)，以適應(yīng)日趨復(fù)雜的海戰(zhàn)場作戰(zhàn)需求[2-4]，其通過組合發(fā)揮空氣和水介質(zhì)中的飛行、突防與毀傷優(yōu)勢，實現(xiàn)對敵方重點目標的高效打擊，必將成為我國海軍現(xiàn)有裝備作戰(zhàn)方式及現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)法的有力補充。

1 可再入跨介質(zhì)無人飛行器作戰(zhàn)應(yīng)用設(shè)想

可再入跨介質(zhì)無人飛行器擔(dān)負遠程突擊/威懾任務(wù)，主要應(yīng)用于遠程目標指示或艦艇目標打擊，應(yīng)用場景類似現(xiàn)有反艦導(dǎo)彈或反艦魚雷。該可再入跨介質(zhì)無人飛行器由潛艇/飛機/水面艦艇等平臺發(fā)射，根據(jù)跨介質(zhì)突擊航路對敵水面目標實施打擊。

1) 在敵艦載末端防空武器射程(2～3 km)外潛入水中，發(fā)起水下攻擊(類似反艦魚雷)，突防敵近程防御區(qū)，與現(xiàn)有反艦手段形成立體和協(xié)同突防，有效增強體系反艦作戰(zhàn)能力。

2) 根據(jù)航路規(guī)劃，在敵方防空導(dǎo)彈射程(10～100 km)范圍內(nèi)反復(fù)跨介質(zhì)航行。敵方組織防空反導(dǎo)抗擊時，擇時轉(zhuǎn)入水下航行；敵方組織反魚雷抗擊時，擇時轉(zhuǎn)入空中航行。由此擾亂敵方連續(xù)的情報跟瞄和火力引導(dǎo)，占用敵方指揮通道形成飽和，大量消耗敵方打擊兵器，增大敵方情報和引導(dǎo)壓力，壓縮其預(yù)警時間和轉(zhuǎn)火效率，使其無法形成有效的指揮決策和準確的抗擊部署，如圖1所示。

圖1 可再入跨介質(zhì)無人飛行器打擊艦艇目標示意圖Fig.1 Schematic diagram of reentry cross-medium unmanned aerial vehicle attacking ship target

具體的跨介質(zhì)時機選擇策略為：

1) 探測到敵方火控雷達照射信號后，可再入跨介質(zhì)無人飛行器入水，根據(jù)航路規(guī)劃偏離原航向一定角度，水下航行一定距離后出水，使其相對于敵方的方位、距離產(chǎn)生較大偏差(大于敵方判定閾值)，被敵方跟蹤雷達判定為新目標，達到遮斷敵方跟瞄線且使敵方不敢輕易釋放原指揮通道的效果；

2) 發(fā)現(xiàn)敵方來襲導(dǎo)彈(反輻射/紫外告警)，可再入跨介質(zhì)無人飛行器入水，轉(zhuǎn)入水下航行，使敵方防衛(wèi)武器制導(dǎo)雷達無法進行目標導(dǎo)引而自毀，達到消耗敵方艦載防御武器的目的。

2 可再入跨介質(zhì)無人飛行器作戰(zhàn)效能建模

縮小敵方的雷達探測窗口、破壞敵方的穩(wěn)定跟蹤，是降低敵方攔截能力、提高可再入跨介質(zhì)無人飛行器突防效能的有效方法。

2.1 對雷達探測窗口影響模型

雷達探測窗口由目標在雷達探測范圍內(nèi)的航跡長度決定。以編隊3部艦載雷達為例，其最大作用距離分別為R1，R2和R3，折線AB-BC-CD則表示目標在雷達網(wǎng)內(nèi)航跡長度。設(shè)第n1部雷達的威力范圍為Sn1，L表示目標航跡，則目標落入雷達網(wǎng)探測范圍Snet的航線長度Lnet如圖2所示。

圖2 雷達網(wǎng)探測窗口航線長度示意圖Fig.2 Schematic diagram of route length of radar network detecting window

由圖2可知，Lnet可表示為

(1)

可見，Lnet反映了目標在雷達網(wǎng)探測范圍中的暴露航線長度。對于可再入跨介質(zhì)無人飛行器，若根據(jù)作戰(zhàn)需求在某點(如E點)進行空中→水下姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換，則E點之后的航段不可探測，其在雷達探測范圍內(nèi)的航跡縮短，導(dǎo)致雷達網(wǎng)探測窗口相應(yīng)縮小，如圖3所示。

圖3 姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換后雷達網(wǎng)探測窗口航線長度示意圖Fig.3 Schematic diagram of route length of radar network detecting window after attitude (medium) conversion

圖3中，用L′表示新的目標航跡，此時，可再入跨介質(zhì)無人飛行器在雷達網(wǎng)探測范圍中的暴露航線長度L′net可表示為

(2)

分析可知，可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過進行空中→水下姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換，使得雷達網(wǎng)對其探測窗口縮小40%。實際上，簡單分析可知，若可再入跨介質(zhì)無人飛行器在折線AB-BC-CD中的某點進行空中→水下姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換，則必然導(dǎo)致雷達網(wǎng)對其探測中斷，從而使得探測窗口縮小。同理，其通過進行水下→空中姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換，可縮小敵方編隊聲吶網(wǎng)探測窗口。

2.2 對攔截跟蹤影響模型

攔截武器對可再入跨介質(zhì)無人飛行器目標的探測跟蹤問題，可分為制導(dǎo)雷達對目標的探測跟蹤和導(dǎo)引頭對目標的探測跟蹤兩個階段?？稍偃肟缃橘|(zhì)無人飛行器做姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換時，一般距離制導(dǎo)雷達相對較遠，盡管進行了空-水姿態(tài)的轉(zhuǎn)換，但是對距離較遠的制導(dǎo)雷達探測器而言，其在雷達屏幕上的消失往往被視為虛警目標，通常不會導(dǎo)致對方發(fā)射攔截武器(導(dǎo)彈)進行抗擊的行動，因此對作戰(zhàn)影響較小，對敵方不構(gòu)成嚴重威脅。

攔截武器導(dǎo)引頭開始工作時，一般距離目標較近，相對速度較大，且其視場角相對有限，可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換可能脫離導(dǎo)引頭的視角范圍，所以攔截可再入跨介質(zhì)無人飛行器目標要求攔截武器導(dǎo)引頭具有更寬廣的視角和更靈敏的隨動跟蹤能力。即便可再入跨介質(zhì)無人飛行器的姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換過程均在導(dǎo)引頭視場范圍以內(nèi)，也可能會因為其飛行軌跡的非線性變化，使常規(guī)的雷達跟蹤濾波器難以有效跟蹤目標，從而造成攔截武器的跟蹤中斷。結(jié)合導(dǎo)引頭信息處理機搜索跟蹤功能模塊間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對不同跟蹤濾波算法下可再入跨介質(zhì)無人飛行器的姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換機動為攔截武器導(dǎo)引頭跟蹤帶來的挑戰(zhàn)分析如下。

1) 導(dǎo)引頭信息處理機搜索跟蹤模塊由搜索、截獲識別、跟蹤濾波和記憶外推4個部分組成，各模塊間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。

圖4 導(dǎo)引頭信息處理機搜索跟蹤功能模塊轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of conversion relationship between the search and tracking function modules of seeker information processor

搜索信號過門限截獲識別確認為目標后，由跟蹤濾波模塊對目標連續(xù)跟蹤。當(dāng)瞬時目標丟失且信息被記憶時，通過記憶外推可以很快截獲目標，或者確認目標丟失重新進入搜索；當(dāng)目標丟失而不記憶信息時則直接進入搜索。

2) 當(dāng)導(dǎo)引頭與可再入跨介質(zhì)無人飛行器目標的相對距離過小或相對速度過大，且目標做姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換機動造成運動參數(shù)劇烈變化時，導(dǎo)引頭更容易丟失目標而必須重新搜索，且更不容易搜索到目標，最終體現(xiàn)為可再入跨介質(zhì)無人飛行器目標的姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換機動導(dǎo)致了攔截武器導(dǎo)引頭丟失目標。

因此，面對可再入跨介質(zhì)無人飛行器目標時，攔截武器導(dǎo)引頭信息處理機的跟蹤濾波算法和記憶外推方法設(shè)計將面臨著巨大的壓力，傳統(tǒng)的基于勻速直線運動目標的濾波算法和記憶外推方法的導(dǎo)引頭將很容易丟失目標，使得攔截武器的攔截跟蹤效能大大降低。

2.3 突防效能模型

主要針對可再入跨介質(zhì)無人飛行器突破敵方近程防御區(qū)突防效能進行分析。

敵方近程防御武器為某艦炮武器系統(tǒng)，設(shè)其射擊遠界為1 828.8 m，射擊近界為91.4 m，則其對傳統(tǒng)來襲武器的一次攔截有效射擊時間可表示為

(3)

式中，vd為來襲武器的平均速度。

來襲武器的結(jié)構(gòu)決定了其不同部位受到攔截打擊時的毀傷效果不同，將命中即摧毀的部位稱為“致命部位”，“致命部位”對應(yīng)的面積稱為“致命面積”，而將來襲武器可受到攔截打擊部位對應(yīng)的面積稱為“總面積”。由此，“該艦炮武器系統(tǒng)成功攔截來襲武器”等價為“該艦炮武器系統(tǒng)在來襲武器致命面積至少命中1枚”，其相應(yīng)的總面積命中數(shù)稱為“該艦炮武器系統(tǒng)成功攔截來襲武器的平均命中數(shù)”，用ω表示。設(shè)來襲武器的總面積為S，致命面積為Q，為便于研究，不妨假設(shè)來襲武器受到攔截打擊的全部命中部位在其總面積均勻分布，則ω可表示為

(4)

設(shè)該艦炮武器系統(tǒng)單發(fā)炮彈命中概率為P0，則來襲武器被成功攔截的概率P攔為

(5)

式中，N2=n2·Tk，為敵方發(fā)射的艦炮武器數(shù)量，n2為該艦炮武器系統(tǒng)的射速，通常取n2=50發(fā)/s。

則來襲武器突防概率P突為

(6)

可再入跨介質(zhì)無人飛行器在近程突防過程中，通過空中、水下介質(zhì)之間的反復(fù)跨越，導(dǎo)致艦炮武器系統(tǒng)無法對其水下航路部分進行有效攔截，縮短了該艦炮武器系統(tǒng)的一次攔截有效射擊航路，從而縮短其攔截有效射擊時間Tk。

在近程突防過程中，可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過反復(fù)水-空介質(zhì)跨越，空中航程占該艦炮武器系統(tǒng)一次攔截有效射擊區(qū)間總航程的比例為x(x∈[0,1])，則可再入跨介質(zhì)無人飛行器的突防概率與x的關(guān)系如圖5所示。

圖5 可再入跨介質(zhì)無人飛行器的突防概率Fig.5 Penetration probability of reentry cross-medium unmanned aerial vehicle

由圖5可知，可再入跨介質(zhì)無人飛行器的突防概率隨其空中航程的增大而減小?？稍偃肟缃橘|(zhì)無人飛行器通過反復(fù)介質(zhì)轉(zhuǎn)換，提高了其對該艦炮武器系統(tǒng)近程突防概率。

設(shè)x=0.6，則當(dāng)傳統(tǒng)來襲武器、可再入跨介質(zhì)無人飛行器的平均速度在150～250 km/h(即vd∈[41.7,69.4]，單位為m/s)之間時，其突防概率對比如圖6所示。

圖6 可再入跨介質(zhì)無人飛行器與傳統(tǒng)來襲武器突防概率對比Fig.6 Comparison of penetration probability between reentry cross-medium UAV and conventional weapons

圖6表明，隨著平均速度增大，可再入跨介質(zhì)無人飛行器與傳統(tǒng)來襲武器突防概率均有不同程度增大，但當(dāng)空中平均速度在150～250 km/h之間時，可再入跨介質(zhì)無人飛行器的突防概率恒大于傳統(tǒng)來襲武器的突防概率，由此表明，可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過反復(fù)介質(zhì)轉(zhuǎn)換，增大了突防概率。

2.4 對作戰(zhàn)資源影響模型

假設(shè)敵方編隊共攜帶n3種攔截武器(導(dǎo)彈)，第i(i=1,2,…,n3)種攔截武器(導(dǎo)彈)的數(shù)量為N3，i，其單枚毀傷概率為Pi。若以敵方編隊對我毀傷概率P來度量其在作戰(zhàn)過程中的整體毀傷效能，則敵方編隊整體毀傷效能為

(7)

通常情況下，當(dāng)敵方雷達探測到可再入跨介質(zhì)無人飛行器并進行識別后，往往會組織作戰(zhàn)通道發(fā)射攔截武器(導(dǎo)彈)對其進行攔截，如圖7所示。

作戰(zhàn)通道是指在探測發(fā)現(xiàn)目標、跟蹤目標、處理目標數(shù)據(jù)、決策及目標指示、發(fā)射武器，直到最后引導(dǎo)武器命中目標的過程中，所形成的指揮控制武器的信息通道?？稍偃肟缃橘|(zhì)無人飛行器通過空中、水下介質(zhì)之間的反復(fù)轉(zhuǎn)換、跨越，迫使敵方不斷轉(zhuǎn)換作戰(zhàn)通道及其工作模式，從而大大增加其指控系統(tǒng)的工作負荷，對其指控系統(tǒng)及作戰(zhàn)決策產(chǎn)生較大干擾，擾亂并降低其指揮決策的順暢性。

此外，在從探測發(fā)現(xiàn)目標至武器命中目標過程中，若敵方攔截武器(導(dǎo)彈)已發(fā)射且可再入跨介質(zhì)無人飛行器進行空中→水下姿態(tài)轉(zhuǎn)換，則將直接導(dǎo)致敵方攔截武器(導(dǎo)彈)的失效，且在此過程中敵方相應(yīng)作戰(zhàn)通道被占用，造成其作戰(zhàn)資源浪費，從而使得敵方抗擊我方其他作戰(zhàn)力量的有效作戰(zhàn)通道和攔截武器(導(dǎo)彈)數(shù)量減少。

由式(7)可知，敵方編隊任何一種攔截武器(導(dǎo)彈)數(shù)量N3，i(i=1,2,…,n3)的減少將導(dǎo)致其對我方整體毀傷效能的降低。可見，可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過占用敵方作戰(zhàn)資源，消耗敵方火力，起到降低敵方整體作戰(zhàn)效能的作用。為便于計算，假設(shè)敵方編隊攜帶1種(n3=1種)艦空導(dǎo)彈共計N3，1枚(N3，1≥4枚)，其單枚毀傷概率P′0=0.6。此時，敵方編隊對我方整體毀傷效能P為

P=1-(1-P′0)N3，1。

(8)

為保證以較大概率擊毀，敵方編隊艦載雷達發(fā)現(xiàn)可再入跨介質(zhì)無人飛行器后，即對其進行防空攔截，發(fā)射艦空導(dǎo)彈進行飽和攻擊。假設(shè)對于可再入跨介質(zhì)無人飛行器，敵方發(fā)射2枚艦空導(dǎo)彈進行攔截，則敵方編隊對我方整體毀傷效能P′為

P′=1-(1-P′0)N′

(9)

顯然，N′=N3，1-2，代入式(9)可得

P′=1-(1-P′0)N′=1-(1-P′0)N3，1-2

(10)

則當(dāng)敵方編隊攜帶艦空導(dǎo)彈數(shù)量N3，1不同時，其在攔截跨介質(zhì)無人飛行器前后，對我方整體毀傷概率對比如圖8所示。

圖8 敵方對我方整體毀傷概率對比Fig.8 Comparison of the damage probability

圖8表明，敵方編隊發(fā)現(xiàn)并攔截可再入跨介質(zhì)無人飛行器后，其對我方整體毀傷效能顯著降低，且分析可知：1)敵方發(fā)射的攔截武器數(shù)量越大，可再入跨介質(zhì)無人飛行器對敵方整體毀傷效能的影響程度也越大；2)敵方編隊所攜帶的艦空導(dǎo)彈數(shù)量越少，其對我方整體毀傷效能的降低越顯著。

2.5 戰(zhàn)場生存能力模型

對于可再入跨介質(zhì)無人飛行器，其戰(zhàn)場生存能力可表示為其躲避和承受敵對環(huán)境或外力破壞的能力[6]，可用“在一定的敵對環(huán)境中，遭受具體攻擊或破壞情況下，可再入跨介質(zhì)無人飛行器憑借其自身的敏感性和易損性，抵抗外力沖擊的生存概率Ps”來度量，即

Ps=1-PD·PT·PH·PK/H

(11)

式中：PH為敵方發(fā)射或預(yù)置的武器成功瞄準、發(fā)射并成功擊中我方可再入跨介質(zhì)無人飛行器的概率；PK/H為可再入跨介質(zhì)無人飛行器被擊中條件下的損毀概率，其數(shù)值應(yīng)取決于敵方武器裝備的威力及效能，還應(yīng)取決于可再入跨介質(zhì)無人飛行器自身的易損性；PD，PT分別為可再入跨介質(zhì)無人飛行器被發(fā)現(xiàn)概率和被跟蹤概率，其數(shù)值應(yīng)取決于敵方偵測系統(tǒng)探測能力，還應(yīng)取決于其躲避敵方雷達、聲吶、水下監(jiān)聽設(shè)備等探測設(shè)備以及人為環(huán)境因素的能力。由上文分析可知，可再入跨介質(zhì)無人飛行器可通過姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換縮小敵方探測設(shè)備的探測窗口，破壞敵方探測設(shè)備的穩(wěn)定跟蹤，從而降低PD，PT值，增大戰(zhàn)場生存能力Ps。

為便于比較，假設(shè)PH=0.6，PK/H=0.8，PD=PT?？稍偃肟缃橘|(zhì)無人飛行器通過介質(zhì)轉(zhuǎn)換縮小敵方探測設(shè)備的探測窗口、破壞敵方探測設(shè)備的穩(wěn)定跟蹤后，將敵方發(fā)現(xiàn)概率降低30%(即P′D=0.7·PD)，跟蹤概率降低40%(即P′T=0.6·PT)。則由式(11)可知，在PD(PT)取不同數(shù)值時，傳統(tǒng)無人作戰(zhàn)平臺與可再入跨介質(zhì)無人飛行器的戰(zhàn)場生存能力對比如圖9所示。

圖9表明，在敵方發(fā)現(xiàn)(跟蹤)概率相同的情況下，可再入跨介質(zhì)無人飛行器的戰(zhàn)場生存能力要高于傳統(tǒng)無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)場生存能力。

圖9 傳統(tǒng)無人作戰(zhàn)平臺與可再入跨介質(zhì)無人飛行器的戰(zhàn)場生存能力對比Fig.9 Comparison of battlefield survivability between traditional unmanned combat platform and reentry cross-medium UAV

3 結(jié)束語

可再入跨介質(zhì)無人飛行器具有水、空兩棲往復(fù)跨域航行的能力，可降低敵方攔截跟蹤效能、縮小敵方探測窗口、占用并消耗敵方有限的作戰(zhàn)資源，能夠大幅提高我方海上作戰(zhàn)能力及智能化程度，具有良好的海戰(zhàn)場作戰(zhàn)應(yīng)用前景。因此，可再入跨介質(zhì)無人飛行器將成為未來混合型海上無人系統(tǒng)的重點研究方向與發(fā)展趨勢之一。