侦察无人机作战效能评估准则研究

吕 峰，汪卫华，黄德所

（炮兵学院，安徽 合肥 230031）

侦察无人机作战效能评估准则研究*

摘 要：在对有人驾驶飞机作战效能评估方法的分析研究基础上，提出了完整的侦察无人机作战效能评估指标体系。建立了作战效能的评估准则与数学模型，并对影响侦察效能的参数进行了分析。运用该方法对“全球鹰”和“捕食者”两种无人机的侦察效能指数进行了定量评估，结果验证了该评估准则的可用性。 关键词：侦察无人机；作战效能；评估准则；侦察效能 中图分类号：V279+.3 文献标识码：A

Estimating the Criterion of Operation Efficiency for Unmanned Reconnaissance Aerial Vehicle

LV Feng，WANG Wei-hua, HUANG De-suo (Artillery Academy of PLA, Hefei 230031, China)

Abstract: A complete evaluation indexes system for Unmanned reconnaissance Aerial Vehicle(UAV) operation efficiency is presented. An estimating criterion and specific mathematical estimate model for UAV is established. The overall characteristic parameters which will influence the reconnaissance efficiency of UAV is analyzed, the effectiveness exponents of two types of UAV (the ‘global hawk’ and the ‘predator’) is evaluated by means of this method. The availability of this estimate criterion has been proved by the analysis results.

Key words: UAV; operation efficiency; estimation criterion; reconnaissance efficiency

侦察无人机是无人机中最广泛使用的一种，是航空侦察中的一种重要手段[1]。侦察无人机可进行战略、战役和战术侦察，监视战场，为的作战行动提供情报。机上装有航空照相机、电视摄像机、红外侦察设备和合成孔径雷达等侦察设备。侦察无人机起飞后，按预定航线按程序控制或遥控其飞行，到达目标区后执行监视和侦察任务[2]。在未来战争中，采用侦察无人机航空侦察居高临下，弥补了地面侦察手段的不足，成为侦察卫星和有人驾驶战略侦察飞机的重要补充和增强手段，同时也成为获取战略情报的重要手段之一。目前，对侦察无人机战场应用作战效能的研究还处于初始阶段，国内外对其作战效能的评估还没有系统的评价方法和准则。因此，做好侦察无人机作战效能评估是作战有效使用侦察无人机的前提，具有重要的意义。

(Capability)的函数。其模型为

E=A×D×C （1）

式中，E是作战效能，A是可用度，D是可靠度，C是作战能力[3]。

根据无人机作战过程，其作战效能可通过操作水平性系数、可执行侦察任务性系数、有效性、可信性和能力五个方面来描述。其中，操作水平性系数是指操作人员熟悉、掌握无人机武器系统，驾驭使用武器系统的能力水平；可执行任务性系数，是指在未被击毁条件下执行任务的概率。据此，可以建立攻防对抗下侦察无人机作战效能评估的指标体系。如图1所示。

2 作战效能评估准则

作战过程中侦察无人机主要完成探测、发现、识别和监视目标等任务，因此在对侦察无人机进行效能评估时，可建立如下效能评估模型：

E=K×Q×C×A×D×S （2） 式中，K——操作水平性系数；Q——可执行侦察任务性系数；C——无人机侦察能力；A——可用度；D——可靠度；S——保障度。其中K值由无人机训练和经验取得，Q值由图1模型通过概率分析求得。

侦察无人机主要用于执行侦察任务，对侦察效能评估可选取与侦察有关的5个主要项目来评价。它们是基本性能、机动性、探测/监视能力、生存力、航程和环境影响能力。用公式表示为[4]

C=(lnB1+ln

1 侦察无人机作战效能指标体系设计

ADC效能评估模型能较全面地反映武器系统状态随时间变化的多项战术、技术指标在作战使用中的动态变化与综合作用，因此比较适用于侦察无人机的效能评估。该模型对武器系统效能的定义是：预计系统在规定条件下满足一组特定任务要求程度的度量，是可用度(Availability)、可信度(Dependability)和能力 收稿日期：2006-09-29 修回日期：2006-11-23 *基金项目：无人机装备失效研究（Bz-2006-0063） 作者简介：吕 峰（1980-），男，山东泰安人，硕士研究

生，研究方向为军事仿真与作战模拟。

汪卫华（1965-），男，副教授，硕士生导师。 黄德所（1963-），男，教授，硕士生导师。

∑A)εεεε1

1234

（3）

式中，B1——机动性参数；A1——侦察能力参数；ε1——生存力系数；ε2——航程系数；ε3——基本性能

第3期 指挥控制与仿真 79

系数；ε4——环境影响系数。

机动性参数B1用飞机最大允许过载、最大盘旋过载和最大单位重量剩余功率求得。公式为

B1=nymax+ny盘+SEP×330 （4） 式中，nymax——最大法向过载；ny盘——最大盘旋过载；SEP——单位重力剩余功率。

侦察无人机的主要侦察任务设备是合成孔径雷达、光电/红外传感器等，它们的性能对其侦察效能的影响尤为重要。侦察能力参数(A1)可由合成孔径雷达探测能力参数(A)和光电、红外传感器探测能力参数(AEOIR)求得，公式为

r

一项来考虑在其它性能相同情况下雷达自身重量对探测能力的参数Ar的影响；l——作用距离；θ——总搜索方位角；合成孔径雷达的分辨率可由式（7）计算：

ρsr=0.5l （7）

式中，l——天线的方向孔径（m）。

雷达发现概率公式为

rrP发现=(θ0360)×P目标 （8）

r

式中，θ0——雷达搜索方位角；P目标——雷达发现目

∑A1=Ar+AEOIR （5）

合成孔径雷达探测能力参数Ar包括最大发现距

离(RCS为2m2)、最大搜索总方位角(°)、发现目标概

r

、同时跟踪目标数量m、合率、雷达衡量系数K2

标概率。

为了对比不同飞机效能必须规定一个“标准发现距离”，双方都以此距离为决定雷达的发现目标概率。雷达性能好的飞机在同样距离时其发现概率将比性能差的雷达高。设D为规定的对比用标准距离，雷达已修正目标RCS值(一律以2m2为基准)的最大发现距离为D0。这样在距离D的发现概率为

(r

P目标=e

−0.1625DD0)成孔径雷达对目标的定位精度∆(m)、合成孔径雷达的分辨率ρsr(m)等。计算公式可表示为

r

（9）

光电、红外传感器探测能力参数包括最大发现距离M (RCS为2m2单位km)、最大搜索总方位角Φ(°)、

（6）

EOIR发现目标概率P发现、光电/红外衡量系数K2EOIR、

Ar=(G1G雷达)×L24×

rr

(θ360)×P发现×K2×m0.05∆r×ρsr

α()()目标对比度C0、同时跟踪目标数量m、光电/红外传

α式中，G1——发现距离在100km左右的单目标跟踪雷达平均重量；G雷达——雷达重量，用(G1G雷达)这

操作水平性系数感器对目标的定位精度∆EOIR(单位：m)、光电/红外传感器的分辨率ρsEOIR(单位：m)。计算参见公式（10）。

侦察无人机作战效能可执行侦察任务性系数 人 员 素 质训练水平系统人机界面系统自动化程度 系 统 抗 干 扰 能 力系统反应时间基本性能巡航速度实用升限最大续航时间全天候侦察能力 系统有效性 侦战待机察 可术命动目维的可可标 修应靠靠特性用 性性性 生存能力侦察能力 发定识信 战现位别息场易敏隐目目目传 抢损感身标标标输修性性性 能能能能性力力力力 图1 侦察无人机作战效能指标体系

能 力系统可信性发射可靠性飞行可靠性保障性突防能力火力对抗能力规避机动性电子对抗能力

A

EOIR

=G2GEOIR

(EOIRP发现×K2EOIR×C0

)×(M4)×(Φ360)×（10）

×m(∆×ρ)2

0.05

EOIR

EOIR

s

β式中，G2为发现距离在100km左右的单目标跟踪光电/红外设备的平均重量；GEOIR——光电/红外设备重

量，用G2GEOIR这一项来考虑在其他性能相同情况下，光电/红外设备自身重量对探测能力的参数AEOIR的影响；目标的对比度对传感器探测目标的能力也有很大影响。对于依靠反射光(可见光和近红外)工作的传感器，对比度的定义如下：

()β80 吕峰，等：侦察无人机作战效能评估准则研究 第29卷

C0=(Bt−Bb)Bb （11）

升限(km)；Tmax——最大续航时间(h)；常数V0、H0、

Tmax0分别代表典型侦察无人机的巡航速度(km/h)、升

式中，C0——目标对比度；Bt——目标的亮度；Bb——背景的亮度。

光电/红外传感器的发现概率的计算公式与（8）~（9）式类似。

生存力系数(ε1)可用飞机的几何尺寸（翼展L1和全长L2）与雷达反射面积(RCS)为主要代表，计算公式为

限(km)、最大续航时间(h)。

环境影响系数ε4比较难以确定。包括自然环境N和人为环境H两个方面(N主要是指风、霜、雨、雪等不良气候以及地形、地貌等自然作战环境对作战效能的影响[5]，H是指侦察无人机对电子对抗、电子干扰等因素的抗干扰能力)。H的取值可按照文献[4]中电子对抗能力系数表取值。

可用度、任务可靠度、保障度的计算具体公式见参考文献[4]。

ε1=⎡⎣(L3L1)×(L4L2)×(2RCS)⎤⎦

0.0625

（12）

执行侦察任务时，航程对侦察效能是十分重要

的。由于飞机的机内有最大航程数据(机内油最大航程H1)较易查找，故可用下式计算航程系数(ε2)：

3 算例分析

以侦察无人机(高空长航时无人机“全球鹰”和中空长航时无人机“捕食者”)为研究对象，对它们的作战效能进行了对比。

1）作战效能评估对比 已知条件[6]如表1所示。

ε2=(H1,kmH2)最大续航时间求得，公式为

0.25

（13）

基本性能系数ε3用飞机的巡航速度、实用升限、

⎤ε3=⎡⎣(V巡航V0)×(H实用H0)×(TmaxTmax0)⎦（14）

13式中，V巡航——巡航速度(km/h)；H实用——飞机实用

表1 已知参数数值

参数 数值

G1

G2

α

β

L3

L4

V0

H0

Tmax0

H2 18000

221 180 0.25 0.25 30 15 600 18 40

lnB1依据公式(4)求得；ln∑A1依据公式(5~11)

计算；ε1、ε2、ε3分别依据公式（12~14）求得；C、

E分别依据式（3）、式（2）求得。计算结果如表2

所示。

表2 “全球鹰”和“捕食者”作战效能对比

机型 全球鹰 捕食者

K Q lnB1 ln∑A1

ε1

ε2

ε3

ε4 C E

0.90 0.80 2.01 6.67 1.04 1.10 1.08 1.05 11.26 8.11 0.90 0.80 1.70 1.09 1.13 0.73 0.44 1.05 1.06 0.77

2）结果分析

通过对两种侦察无人机的效能评估，验证了所建立公式的可用性。由具体的计算可以得出：飞机总体性能、机动性、机载任务设备对飞机的效能具有一定的影响，其中机载设备的性能对侦察无人机的侦察性能影响更大。

传感器的分辨率越高、对目标的定位越准、侦察效能越大。

参考文献：

[1] 吴汉平, 等. 无人机系统导论[M]. 北京：电子工业出版

社, 2003.

[2] 汪卫华. 无人机及任务设备原理[M]. 合肥：炮

兵学院，2001.

[3] A Methodology to Find Overall System Effectiveness in a

Multi-criterion Environment Using Surface to Air Missile Weapon Systems as an Example[D]. AD. A1099,1981. [4] 朱宝鎏, 朱荣昌, 熊笑非. 作战飞机效能评估[M]. 北

京：航空工业出版社，1993.

[5] 汪民乐. 作战飞机效能分析研究综述[J].飞行力学,2001,

19(4)：1-5.

[6] 张毅. 高空长航时无人机系统的总体方案评价准则研

究[A]. 计算机仿真, 2006, 23(5)：1006-9348.

4 结束语

本文基于改进的ADC模型建立了侦察无人机作战效能评估准则，通过对两种侦察无人机的效能评估验证了所建立的评估公式的可用性。主要结论为：升限越高、巡航速度越大、续航时间越长、完成任务的效能越大，减轻结构重量效能随之提高；雷达传感器、光电/红外传感器的发现距离越大、搜索方位角越大、