寇昆湖 劉登攀 錢 峰 鹿珂珂

（海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）

1 引言

無人機(jī)作為一種新質(zhì)作戰(zhàn)力量已在偵察、電子對(duì)抗、通信中繼等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，成為我軍戰(zhàn)斗力新的增長(zhǎng)點(diǎn)，科學(xué)評(píng)估無人機(jī)的作戰(zhàn)效能對(duì)于提升體系作戰(zhàn)能力具有重要意義［1］。以無人偵察機(jī)為例，其作戰(zhàn)效能主要由無人機(jī)的可靠性、生存力、偵察能力等決定［2］。

現(xiàn)階段關(guān)于武器裝備的效能評(píng)估方法主要有［3～7］：灰色評(píng)估法、綜合指數(shù)模型、模糊綜合評(píng)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(tǒng)性和實(shí)用性，靈活簡(jiǎn)便。但是使用層次分析法的過程中，主觀性較強(qiáng)，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(píng)估無人機(jī)的作戰(zhàn)效能，在無人機(jī)的作戰(zhàn)效能與影響因素之間沒有一個(gè)準(zhǔn)確的定量關(guān)系，無法精準(zhǔn)地提升作戰(zhàn)效能。因此，本文在傳統(tǒng)層次分析法的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)型的無人偵察機(jī)作戰(zhàn)效能模型，為以后建立無人機(jī)的作戰(zhàn)效能與影響因素之間的有效映射提供理論依據(jù)。

2 無人機(jī)作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)無人機(jī)結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)影響因素以及演訓(xùn)數(shù)據(jù)等建立無人機(jī)作戰(zhàn)效能的指標(biāo)體系。

2.1 影響無人偵察機(jī)作戰(zhàn)的主要因素

2.1.1 可靠性能

1）可維護(hù)度。無人偵察機(jī)可維護(hù)度是指無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠排除或抑制故障予以修復(fù)，并返回到正常狀態(tài)執(zhí)行任務(wù)的可能性。可維護(hù)度的優(yōu)劣直接影響到無人機(jī)的可靠性能。

2）可靠度。飛機(jī)可靠度是指無人偵察機(jī)在執(zhí)行任務(wù)期間不發(fā)生故障完成任務(wù)的概率。該指標(biāo)與無人偵察機(jī)平均故障間隔時(shí)間（MTBF）和任務(wù)飛行時(shí)間緊密相關(guān)。平均故障間隔時(shí)間是無人偵察機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)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(shí)間［13］。

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

3）可用度。該指標(biāo)是指無人機(jī)在特定載荷下的持續(xù)飛行時(shí)間。與無人機(jī)續(xù)航時(shí)間、燃油存儲(chǔ)、載重量等密切相關(guān)。

2.1.2 生存性能

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

無人機(jī)本身的隱身性與無人機(jī)的幾何尺寸、氣動(dòng)布局、紅外輻射強(qiáng)度、最大雷達(dá)反射截面（RCS）密切相關(guān)。

RCS在三維空間中的計(jì)算為［14］

σ為RCS，Si是在目標(biāo)處測(cè)量的入射功率密度，Ss是遠(yuǎn)處測(cè)量到的散射功率密度，r是目標(biāo)和雷達(dá)之間的距離。

2）機(jī)動(dòng)性。機(jī)動(dòng)性是無人偵察機(jī)的重要戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)，是指無人機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)改變飛行速度、高度以及方向的能力。相應(yīng)地稱為速度機(jī)動(dòng)性、高度機(jī)動(dòng)性以及方向機(jī)動(dòng)性。改變所需的時(shí)間越短，則表示機(jī)動(dòng)性越好。機(jī)動(dòng)性指標(biāo)與無人機(jī)的自身重量、最小轉(zhuǎn)彎半徑、最大爬升率有關(guān)。

但傳統(tǒng)的爬升率概念已經(jīng)不足以衡量飛機(jī)的爬升能力。這時(shí)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(jù)綜合指數(shù)模型，無人偵察機(jī)機(jī)動(dòng)性指標(biāo)可以表示為［12］

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

ε為操縱效能系數(shù)，取值見文獻(xiàn)［16］。

3）抗摧毀能力。無人偵察機(jī)在執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)，需要面對(duì)各種突發(fā)情況以及敵方的攻擊，良好的抗摧毀能力是應(yīng)對(duì)突發(fā)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(jī)實(shí)體的抗摧毀能力，與無人機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)、材料等有關(guān)，也與無人機(jī)機(jī)動(dòng)性密切相關(guān)；抗軟摧毀能力指的是無人機(jī)指揮系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等抗打擊、干擾、屏蔽的能力，與無人機(jī)的隱身性能以及電子防御性能等密切相關(guān)。

2.1.3 偵察性能

無人偵察機(jī)偵察能力與其偵察載荷效能直接相關(guān)，根據(jù)載荷不同，無人偵察機(jī)的偵察能力指標(biāo)主要包括雷達(dá)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(jī)搭載雷達(dá)偵察為例，其信息獲取能力指標(biāo)可由雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域范圍和雷達(dá)識(shí)別能力來表征。

雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域范圍為

TC表示雷達(dá)的信探測(cè)領(lǐng)域范圍，Rmax為波束最遠(yuǎn)傳播距離，θ為波束仰角。

雷達(dá)識(shí)別能力［14］與其分辨率直接相關(guān)，良好的分辨率是雷達(dá)識(shí)別物體的關(guān)鍵。

S表示雷達(dá)的分辨率，β表示信號(hào)寬度，d表示天線孔徑尺度，k是單位距離內(nèi)的采樣次數(shù)（k=1，2，3…），ηβ為方位角測(cè)量誤差加權(quán)系數(shù)，ηε為比幅測(cè)角，Td是目標(biāo)方向上波束的停留時(shí)間，θβ為空間方位角，R0為雷達(dá)識(shí)別能力的參考距離。

2.2 無人偵察機(jī)作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系

在構(gòu)建過程中，本文將評(píng)估指標(biāo)體系劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。

為了弱化其準(zhǔn)則層的定性色彩，在指標(biāo)層的確定過程中，選取可直接量化的指標(biāo)，對(duì)于不可直接量化的指標(biāo)，采用線性數(shù)據(jù)擬合等方法確定其隸屬度函數(shù)。如圖1所示。

圖1 無人偵察機(jī)效能評(píng)估體系

3 改進(jìn)層次分析法

3.1 經(jīng)典層次分析法

經(jīng)典層次分析法一般步驟為

1）首先根據(jù)無人機(jī)結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)影響因素等建立無人機(jī)作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系。

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

3）計(jì)算各層之間的最大特征值以及相對(duì)權(quán)重矩陣，并做一致性檢驗(yàn)。

4）得到無人機(jī)作戰(zhàn)總效能表達(dá)式。

3.2 改進(jìn)層次分析法

從經(jīng)典的層次分析法步驟可以得出傳統(tǒng)的方法具有以下劣勢(shì)：

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(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的判斷上以及各自專業(yè)領(lǐng)域、思維的不同，導(dǎo)致得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)可能存在偏差。

2）計(jì)算較為復(fù)雜。通過專家打分的方式要想得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，需要大量的數(shù)據(jù)，計(jì)算較為復(fù)雜。

3）可能出現(xiàn)不一致現(xiàn)象。專家的主觀認(rèn)知若與客觀實(shí)際存在較大差異，則判斷矩陣可能不一致，需要進(jìn)行多次修正，同樣需要大量計(jì)算。

針對(duì)以上問題，本文提出改進(jìn)的層次分析法，盡可能地減少計(jì)算量，避免出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加貼近客觀實(shí)際。

1）使用最優(yōu)矩陣減少計(jì)算量。

使用最優(yōu)傳遞矩陣對(duì)傳統(tǒng)的層次分析法的判斷矩陣進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)器，使得其自動(dòng)滿足一致性要求，簡(jiǎn)化一致性檢驗(yàn)步驟，大大較少計(jì)算量。

2）采用模糊評(píng)判增加定量分析。

采用模糊綜合評(píng)判對(duì)傳統(tǒng)的層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，可以在定性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)各指標(biāo)因素進(jìn)行定量分析決策。

改進(jìn)后的層次分析法步驟如圖2所示。

圖2 改進(jìn)層次分析法步驟圖

4 基于最優(yōu)的權(quán)重系數(shù)矩陣確立

對(duì)無人機(jī)作戰(zhàn)效能評(píng)估體系中指標(biāo)層和準(zhǔn)則層的各個(gè)元素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，確定其對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

以準(zhǔn)則層指標(biāo)重要程度打分結(jié)果為例，計(jì)算準(zhǔn)則層指標(biāo)的最優(yōu)判斷矩陣［19］。

1）首先給出準(zhǔn)則層指標(biāo)的判斷矩陣。

2）計(jì)算反對(duì)稱矩陣J1=lgJ。

3）計(jì)算最優(yōu)傳遞矩陣。

4）構(gòu)造判斷矩陣擬優(yōu)一致矩陣。

5）計(jì)算相對(duì)權(quán)重。

至此，得到準(zhǔn)則層指標(biāo)的判斷矩陣和相對(duì)權(quán)重。

表1 準(zhǔn)則層等級(jí)表

同理，可得指標(biāo)層可靠性能、生存性能以及偵察性能的相對(duì)權(quán)重。

表2 可靠性指標(biāo)等級(jí)表

表4 生存性指標(biāo)等級(jí)表

5 模糊綜合評(píng)判

模糊綜合評(píng)判有三要素［20］：

1）因素集：表示影響事物評(píng)判集的因素；2）判斷集：表示影響事物評(píng)判集的等級(jí)；3）單因素判斷：即對(duì)單個(gè)因素Ri的評(píng)判，得到模糊映射，從而確立一個(gè)模糊關(guān)系，得到單因素模糊矩陣：

根據(jù)無人機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，本文單因素模糊矩陣的確定采用專家評(píng)判方法。

根據(jù)圖1 所示的無人機(jī)偵察效能評(píng)估體系確立模糊評(píng)判的因素集U。

將評(píng)判優(yōu)劣等級(jí)劃分為優(yōu)，良，中，差。判斷集為V=｛優(yōu)，良，中，差｝［21］。

根據(jù)專家評(píng)判獲得獲得指標(biāo)層的單因素模糊矩陣RA，RB，RC。

6 綜合評(píng)價(jià)

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果記為B，則B=，則可分別求出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則層、可靠性能、生存性能能力以及偵察性能的下層指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

可以得到BA，BB，BC的值。

由Bi可得準(zhǔn)則層模糊矩陣為

準(zhǔn)則層的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

采用加權(quán)平均法對(duì)每個(gè)等級(jí)與權(quán)重分?jǐn)?shù)賦值，以便于后續(xù)為不同方案進(jìn)行排序。賦值如下：

V=｛優(yōu)，良，中，差｝=｛100，80，60，40｝。

得到該無人機(jī)偵察效能的總得分為

S=B·V'=79.422

7 結(jié)語

本文基于層次分析法構(gòu)建了無人偵察機(jī)偵察系統(tǒng)作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系，并對(duì)傳統(tǒng)的層次分析法進(jìn)行改進(jìn)，增加定量分析，弱化定性色彩。所建立的偵察效能評(píng)估模型具有一定的有效性和實(shí)用性，通過評(píng)估，可以對(duì)無人偵察機(jī)的作戰(zhàn)效能進(jìn)行定量評(píng)估。

影響無人機(jī)作戰(zhàn)的因素很多，盡可能全面、準(zhǔn)確地將其融入到作戰(zhàn)效能的評(píng)估中來是接下來要努力的方向。