雷达对抗侦察无人机作战效能评估

方棉佳，王东风

(中国人民解放军95899部队，北京 100094)



雷达对抗侦察无人机作战效能评估

方棉佳，王东风

(中国人民解放军95899部队，北京 100094)

摘要：介绍了系统效能的基本概念，提出了完整的雷达对抗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。运用该方法对雷达对抗侦察无人机和有人机的作战效能进行了定量评估，结果验证了该评估准则的可用性。

关键词：雷达对抗侦察；无人机；作战效能；指标体系

0引言

雷达对抗侦察无人机是电子对抗的重要装备，可进行战略、战役和战术侦察，承担对敌防空体系雷达目标的侦察任务，为部队的作战行动提供电子对抗支援情报。雷达对抗侦察无人机起飞后，按程序或遥控指令飞行，到达任务区后执行侦察和监视任务。雷达对抗侦察无人机居高临下，弥补了地面侦察手段的不足，成为侦察卫星和有人侦察飞机的重要补充和增强手段，同时也成为获取战略电磁态势情报的重要手段之一。为了对雷达对抗侦察无人机功能的扩展、作战使用、作战方案制定、模拟训练提供决策依据和参考建议，对其作战效能进行评估意义重大[1-6]。

1效能评估指标体系设计

1.1　系统效能概念

美国空军武器系统效能工业咨询委员会把系统效能定义为：“系统效能是系统能满足一组规定的任务要求之程度的量度，它是可用度、可信赖度、保障度和能力的函数”。该定义可表示为：

(1)

无人机系统较为复杂，牵涉的装备较多，战时其后勤保障是一个突出问题，要充分发挥系统的作战效能，后勤保障是一个不可忽视的指标。为了更充分、有效地评价雷达对抗侦察无人机的作战效能，体现战时保障在作战效能评估中的作用，一般将雷达对抗侦察无人机的效能评估模型修正为：

E=ADCS

(2)

式中，E为系统作战效能；A为可用度，是系统在开始工作时所处状态的量度，通常用该系统在开始执行任务时处于可工作状态或承担任务状态的概率表示，它与整个系统(包括系统部件和操作者之间的接口)的初始状态有关，反映了系统战备情况的优劣；D为可信赖度，已知系统在开始工作时所处的状态，系统在执行任务过程中所处状态的量度，可信赖度常用故障率(故障密度函数)、可信赖性函数和平均故障间隔时间等度量指标进行表示，反映了系统可靠性的好坏；C为作战能力，已知系统在执行任务过程中所处状态，表示系统在该任务状态中完成规定作战任务之能力的量度；S为保障度，是系统持续工作能力的量度，它反映了操作维修人员对系统由故障状态转入正常工作状态的量度。

1.2　作战效能评估指标体系

根据系统效能概念和无人机作战过程，雷达对抗侦察无人机作战效能可主要通过操作水平性系数、可执行侦察任务性系数、侦察能力、系统有效性和系统可信度等5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，驾驭使用无人机系统的能力水平；可执行侦察任务性系数是指在未被击毁条件下执行任务的概率；作战能力主要包括平台能力、任务能力、情报处理能力和生存能力等。系统有效性主要体现在待命、机动可靠性和可维修性等方面，系统可信度主要体现在飞行可靠性和保障性等方面。据此，建立攻防对抗条件下雷达对抗侦察无人机作战效能评估的指标体系，如图1所示。

图1　雷达对抗侦察无人机作战效能评估指标体系

2作战效能评估准则与模型

雷达对抗侦察无人机主要完成对雷达目标的探测、发现、识别和监视等任务，因此对雷达对抗侦察无人机进行作战效能评估时，可建立如下作战效能评估模型：

E=KQCADS

(3)

式中，K为操作水平性系数；Q为可执行侦察任务性系数；C为无人机侦察效能；A为可用度；D为可靠度；S为保障度。其中K值由无人机部队训练和经验取得，Q值由图1模型通过概率分析求得。

对雷达对抗侦察无人机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。公式表示为：

C=(k1lnB+k2ln∑A+k3lnI)Kε2ε3

(4)

式中，C为侦察效能；B为平台能力参数(航程、留空时间、使用升限、巡航速度)；A为侦察任务能力参数；I为情报处理能力参数(信息传输能力、信息处理能力)；k1为平台能力参数权重；k2为侦察能力参数权重；k3为情报处理能力权重；K为操作水平系数(操控人员水平、界面友好化、自动化程度高低等)；ε2为生存力系数(几何尺寸、RCS值和体系支撑能力)；ε3为环境影响系数(自然环境影响和人为环境影响)。

2.1　平台能力

平台能力参数用飞机的巡航速度、实用升限、最大续航时间求得，公式表示为：

(5)

式中，V巡航为巡航速度；H实用为飞机实用升限；Tmax为最大续航时间；Tmax0、H0、V0分别为无人机的最大巡航时间、升限、巡航速度。

2.2　侦察能力

侦察能力参数是指雷达对抗侦察无人机发现、截获和识别目标的能力。首先必须满足能量条件。其次侦察系统的前端是一个在时域、空域、频域等多维信号空间中具有一定选择性的动态子空间，其为在多维信号空间中的搜索窗，被侦察的雷达目标只有落入搜索窗内，才能被侦察到，也就是它还必须满足截获条件。最后截获时间，就是侦察接收机发现信号所需时间，也是一个体现接收机探测能力的重要指标。所以，侦察能力的性能因素可用侦察作用距离、前端截获概率以及截获时间3个子因素表达。

2.2.1侦察距离

侦察距离是衡量雷达对抗侦察无人机作战效能的一个重要指标。对雷达信号的侦察必须要同时满足能量和直视距离的条件，实际的侦察作用距离是两者的最小值。由于在微波频段以上，电波是近似直线传播的，地球表面的弯曲对其传播有遮蔽作用，故无人机与雷达之间的直视距离受到限制。假设雷达天线和无人机高度分别为HT、HS,则其间的无线电视距为：

(6)

式中，HT为雷达天线位置高度；HS为无人机飞行高度；RS为两位置的无线电视距。

根据侦察方程可知，无人机的侦察距离为：

(7)

式中，Prmin为接收机灵敏度；Rr为最大侦察距离；PtGt为雷达等效辐射功率；Gr为接收天线增益；λ为雷达信号波长；L为附加损耗，包括电磁波大气损耗、天线罩损耗、接收天线极化失配损耗、接收馈线损耗等。

所以雷达对抗侦察无人机的实际侦察距离为：

(8)

2.2.2前端的截获概率

前端的截获概率是一个在多维空间的几何概率问题，可以采用窗口函数模型描述。首先考虑截获必须满足如下条件(截获事件)：

1)空域截获：一般指侦察天线的半功率波束宽度指向雷达、雷达发射天线的半功率波束宽度指向侦察天线。全向侦察天线则只需雷达发射天线的半功率波束宽度指向侦察天线；可旁瓣侦察时，只需侦察天线的半功率波束宽度指向雷达，雷达天线的主瓣或副瓣指向侦察天线。

2)频域截获：指雷达的发射脉冲载频落入侦察无人机瞬时测频带宽内，且其脉宽满足测频条件。

3)其它条件：指雷达发射信号的其它参数能够被侦察无人机正常检测和测量。考虑到各次截获事件满足独立性和无后效性，可采用泊松流描述，根据该流的性质，在T时间内发生k次重合的事件包括：在起始时刻即发生一次重合，在后序时间又发生了k-1次重合；在起始时刻未发生重合，在后序时间又发生了k次重合。

则前端的截获概率为：

(9)

2.2.3截获时间

截获时间是指发现信号所需要的时间，很显然，对于侦察接收机而言，截获时间越短越好。与前端的截获概率一样，截获时间也是一个在多维空间中的几何概率问题。可采用窗口函数模型来描述(同截获概率)。

对于给定的截获概率Pk(T)，相应的截获时间为：

(10)

2.2.4情报处理能力

侦察无人机对截获到的信号进行参数测量，而测量值的好坏将直接影响到接收机的数据处理能力。所以测量精度和分辨率两个指标可作为数据处理能力的两个子因素。具有对同时多信号检测、测量能力的接收机，对于发生在重合窗口内的多信号可以同时、准确地测量和分辨。而没有同时多信号检测处理能力的接收机则会造成丢失或检测、测量错误。所以选择脉冲丢失概率作为数据处理能力的一个子因素。侦察无人机的信号处理部分还要完成的一个重要功能是对前端输入的密集信号进行分选，而不同的分选方法，最主要的差别体现在能够分选的信号类型和分选时间上，所以选择分选能力作为衡量接收机的一个子因素，其中考虑了能够分选的信号类型和分选所需时间。目标的识别也是侦察无人机信号处理部分的重要功能，可用识别能力来进行度量。

1)测量精度

接收机主要完成对脉冲的到达时间、到达角、频率、脉宽以及振幅的测量，而这些参数测量结果的好坏将直接影响到侦察机的数据处理能力。测量精度主要用五维测量误差体积的倒数表示：

(11)

式中，δθRF、δθAOA、δθPW、δθPA、δθTOA分别表示频率、到达角、脉宽、脉幅以及达到时间的测量误差(方差)。

2)分辨率

接收机的分辨率主要是指它在方向上和频率上选择信号和区分信号的能力，是测频系统和测向系统所能分开的两个同时到达信号的最小值。分辨率可用二维分辨单元的倒数来表示：

(12)

式中，θRF、θAOA分别表示频率、达到角的分辨单元的大小。

3)脉冲丢失概率(信号环境的适应能力)

有很多情况会造成接收机丢失雷达脉冲，如由于信号处理对同时达到信号的处理能力、信号处理速度造成的脉冲丢失等，这里主要考虑了由于信号交迭而造成的脉冲丢失。考虑到接收机所截获的脉冲信号流满足独立性和无后效性，可采用泊松流描述，其公式如下：

(13)

式中，Pn为在取样时间τ内出现n个脉冲的概率；λ为脉冲密度；τ为取样时间。

则在处理时间内多于一个脉冲到达的概率为：

(14)

由式(14)可知，在密集的信号环境下，当信号处理时间比脉冲到达时间的间隔长时，就会出现在前面的脉冲还未处理完而后面的脉冲就已到达的情况，后来的脉冲就会因得不到处理而丢失。显然，在密集信号环境下缩短处理机的处理时间，同样可以有效地降低脉冲的重合概率。

4)分选能力

信号的分选能力主要体现在它能够分选的信号类型及信号分选所需的时间，分选能力为：

E=k1N+k2T

(15)

式中，k1，k2为加权系数，k1+k2=1；N为能够分选的信号类型；T为完成分选所需时间。

5)识别能力

目标识别能力可用识别概率来描述：

(16)

式中，Ri为识别出的辐射源数；R为试验时信号环境中辐射源数。

2.2.5侦察能力综合评估模型

从以上侦察能力评估指标的量化公式可知，各评估指标间的相关性较小，因此宜用加权合成综合评估模型，但考虑到各评估指标的量纲不同，无法进行加权，所以需针对不同的侦察系统(ELINT、ESM、RHAW)建立其理想化模型，得到在不同侦察系统中的各评估指标的理想值作为参考值，将实际值与参考值的比值作为无量纲的评估指标值，再进行加权。则雷达对抗侦察无人机综合性能表达式为：

(17)

加权系数应按各性能因子的重要程度进行合理选取，按ELINT、ESM、RHAW建立三套加权系数，其确定方法可采用专家评分法。

2.3　生存能力

生存能力系数用飞机的几何尺寸(翼展L1、全长L2与雷达的反射截面积来计算)，公式为：

(18)

2.4　其他能力

环境影响系数、可用度、任务可靠度、保障度分别依据不同情况查阅资料给出，具体计算公式见参考文献[3]。

3实例分析

以具有雷达对抗侦察能力的有人机和无人机为研究对象，对它们的作战效能进行分析。

3.1　评估对比

将有人侦察机和无人侦察机的相关数据按上述相关公式计算，其综合侦察效能对比如表1所示。

表1　航空雷达对抗侦察装备的侦察效能对比

3.2　计算结果分析

有限的侦察载荷质量限制了高空长航时雷达对抗侦察无人机的应用，但较长的巡航时间和良好的隐身性能提升了它的侦察效能。同时有人侦察机的雷达对抗侦察能力、情报处理能力相对于采用了新一代数字波束形成技术的雷达对抗侦察无人机而言还有一定差距。考虑以上因素，高空长航时雷达对抗侦察无人机综合侦察效能高于雷达对抗侦察有人机。

4结束语

综上所述，在未来高技术条件下的局部战争中，雷达对抗侦察无人机以其自身的突出特点将在战争中发挥重要作用，合理运用有限的雷达对抗侦察无人机发挥其最大的作战效能是我们应该重点研究的问题。分析雷达对抗侦察无人机系统作战效能，不仅要选择合理的指标体系，同时也要构建恰当的分析模型，只有这样得出的评价结果才能与实际作战使用相符，才能为侦察无人机装备的论证、研制、生产及改造提供一定的参考。■

参考文献：

[1]王国宏,方棉佳,徐勇波.电子战无人机的应用与发展[C]∥空军无人机系统发展研讨会论文集,2009.

[2]候印鸣,李德成,孔宪正,等.综合电子战——现代战争的杀手锏[M].北京:国防工业出版社,2001.

[3]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．

[4]王国玉,肖顺平,汪连栋.电子系统建模仿真与评估[M]．长沙：国防科技大学出版社,1999.

[5]王鹤磊.一种雷达系统效能的综合评估模型[J].系统工程与电子技术,2001(3):40-42.

[6]张永顺,童宁宁,赵国庆.雷达电子战原理[M].北京:国防工业出版社,2010.

Combat effectiveness evaluation of UAV for radar

countermeasure reconnaissance

Fang Mianjia, Wang Dongfeng

(Unit 95899 of PLA, Beijing 100094, China)

Abstract：The basic concept of system effectiveness is introduced，and the integrated operational effectiveness evaluations indexes system of the UAV for radar countermeasure reconnaissance is proposed.The evaluation rule and mathematical model of the combat effectiveness are built up,and the parameters which influenced reconnaissance effectiveness are analyzed.The method can be used to achieve quantitative evaluation of the combat effectiveness of the UAV for radar countermeasure reconnaissance and the manned vehicles. The results prove the availability of the evaluation rule.

Key words：radar countermeasure reconnaissance; UAV; combat effectiveness; indexes system

中图分类号：TN95

文献标识码：A

作者简介：方棉佳(1978-)，男，工程师，主要研究方向为电子对抗。

收稿日期：2015-08-26；2015-10-28修回。