基于战场环境的UCAV空战效能评估

王光辉,徐光达,谢宇鹏,吕 超

(海军航空大学,山东 烟台 264001)

随着现代空战模式的不断变化与无人机技术的快速发展,无人作战飞机(UCAV)将更加频繁地在空战对抗中“亮相”。未来空战中,UCAV将会与有人战斗机协同作战或者完全替代有人机编队进行自主空战,成为主要的空中作战力量。但是现有UCAV的自主控制等级和自主攻击能力还有待提升,使得UCAV存在着防御能力薄弱、操控难度较大、协同作战能力受限等问题,这些显然与复杂多变的战场环境不相适应[1]。同时目前关于无人作战飞机系统(整体)作战效能评估研究的文献较多,这些文献中虽然有的也考虑到了战场环境因素,但是在构建效能评估指标体系时将环境因素专门提取出来的独立研究的还比较少。因此,深入研究基于战场环境的UCAV空战效果评估问题具有重要的军事价值和现实意义。

1 UCAV空战效能评估指标体系

现代空战是一个动态对抗的过程[2]。UCAV在遂行任务时随时会受到来自敌方和战场的电磁干扰,同时气象、空域等自然条件也会影响UCAV的作战效能。为贴近实战,在构建UCAV空战效能评估模型时应引入空战环境因素。因此结合UCAV空战特点与系统工程理论,将UCAV空战效能指标主要分为空战能力C、生存能力S、可用性A以及空战环境因素W,指标体系如图1所示。

根据评估指标体系,UCAV的空战效能可表示为

E=C·S·A·W

(1)

2 UCAV空战效能评估模型

根据上面构建的评估指标体系,分别对UCAV的空战能力、生存能力、可用性和空战环境进行评估后,由式(1)便能得出最终的评估结果。

2.1 空战能力评估

由图1可知,UCAV的空战能力包括以下五个指标:机动能力C1、火力C2、态势感知能力C3、操控能力C4以及电子干扰能力C5。这五个指标在实际作战中对UCAV空战能力的影响程度不同,即指标在空战中的重要性就不同,所以在评估中所占权重也就不同。本文采用层次分析法确定各指标权重,根据军事专家的专业知识和经验将上述五个指标之间两两对比之后,按T.L.Saaty提出的9分位比率排定各指标的相对优劣顺序[3],并构造判断矩阵M如表1所示。

表1 效能评估指标评价值

由表1中数据得

在Matlab中输入矩阵M后,利用[V,D]=eig(A)语句求出特征方程(M-λmaxI)=0的最大特征根λmax=5.144,所对应的特征向量W′为

W′=(0.620,0.620,0.448,0.147,0.093)

对W′归一化处理后得到各指标构成的权重向量为

W=(0.322,0.322,0.232,0.076,0.048)

5个指标权重依次为:机动能力ω1=0.322,火力ω2=0.322,态势感知能力ω3=0.232,操控能力ω4=0.076,电子干扰能力ω5=0.048。

对判断矩阵A进行一致性检验,步骤如下:

Step 1 计算一致性检验指标CI:(这里矩阵阶数n=5)

Step 2 根据矩阵阶数n从表2中确定平均随机一致性指标。

表2 平均随机一致性指标

当n=5时,RI=1.12。

Step 3 计算一致性指标CR,进行一致性检验:

故满足一致性要求。

2.2 生存能力评估

生存能力是UCAV避免和经受住人为的敌对空战环境,保持工作状态的能力[4]。根据现有资料分析,UCAV的生存能力主要受敏感性、易损性以及战机隐身性这三方面影响。但UCAV的研发尚处于起步阶段,某些技术参数无法精确获得,同时瞬息万变的空战态势使得战机的生存概率无法准确掌握。鉴于以上原因,笔者根据已有的文献和经验,选取战机的尺寸系数用作评估参数来评估UCAV的生存能力。只要获得某型战机的外形尺寸参数,便可大概计算出该战机的相对生存能力。设尺寸系数55m2的战机的生存能力为1,并以此为基准,则UCAV的相对生存能力可表示为[5]

(2)

(3)

2.3 可用性评估

UCAV的可用性主要包括战机的可靠性、维修性和保障性三方面指标,它与战机的完好率、战时生产能力以及后勤保障能力密切相关,能够反映出战机的战备情况[6]。目前,对UCAV的可用性评估缺少简单有效的方法。这里主要采用专家打分法确定影响UCAV可用性的各因素权重,再利用线性加权求和的计算出可用性指标A:

(4)

2.4 空战环境影响评估

对UCAV空战环境存在影响的因素主要有自然环境和电磁环境[7]。UCAV在不同的空战环境中发挥出的作战效能不同,并且同一环境下不同环境因素对UCAV遂行空战的影响程度也不尽相同。通过将层次分析法与专家调查法相结合,对各影响因素进行打分并求出权重,最后得到空战环境影响指标W的表达式为

(5)

式中,μi(i=1,2)分别为自然环境和电磁环境两个指标的权重系数;wi(i=1,2)为专家打分值。

3 实例分析

本文主要对X-47B无人作战飞机进行效能评估,同时与有人战斗机(这里选取F-16、F-18两型战机)相比较,以验证该评估方法的可行性。

X-47B战机是美军的一型能够进行自主攻击的无人作战飞机,具有良好的隐身性和机动能力,可挂载先进的空空导弹执行空战任务,通常会与有人战斗机协同作战,能够为美军实现全天候作战提供支持[8]。

F-16战机是20世纪70年代美军开始使用的空中优势战斗机,具备突出的空中格斗能力[9]。从1981年贝卡谷地空战至今,F-16几乎参与了历次大规模战争,其优异的性能也经受住了实战考验。

F-18战机具备优秀的对空、对地和对海攻击能力,且机载武器先进、态势感知能力强,是美海军最重要的舰载战斗机[10]。

3.1 作战能力评估

利用上面的评估方法,从机动能力、火力、态势感知能力、操控能力、电子干扰能力5个方面分别对X-47B、F-16和F-18战机进行两两比较。表3中,X代表X-47B、F1代表F-16、F2代表F-18。

使用本文中的方法计算可得到表4。

表3 空战能力评价表

表4 空战能力评价结果

对表4中数据进行线性加权求和处理,由

(6)

求出3型战机的空战能力评估值:

CX-47B=0.200×0.323+0.122×0.323+0.630×

0.228+0.516×0.077+0.163×0.049=0.295

CF-16=0.400×0.323+0.320×0.323+0.152×

0.228+0.224×0.077+0.297×0.049=0.300

CF-18=0.400×0.323+0.558×0.323+0.218×

0.228+0.260×0.077+0.540×0.049=0.406。

3.2 生存能力评估

查阅相关机型资料,列出X-47B无人作战飞机、F-16和F-18战斗机的外观参数,根据式(3)算出3型战机的尺寸系数,如表5所示。

表5 3型战机外观参数

将表中尺寸系数代入式(2)得:

3.3 可用性评估

由于可用性指标的影响因素复杂多变,目前尚无较好评估方法。所以,假设3型战机的完好出勤,无任何故障,可知A=1。

3.4 空战环境影响评估

根据军事专家对空战环境的两个主要影响因素进行打分,得到打分表如表6所示,进而求出各因素权重。

表6 空战环境影响因素打分表

由表6中数据计算得:

λmax=2,μ=[0.25,0.75],C.I=0,C.R=0，

通过了一致性检验。

再根据专家经验评定的空战环境因素表(表7)最终求出空战环境影响指标H。

表7 空战环境影响因素权值表

3.5 综合评估

根据前面求出的3型战机的各方面指标值,用式(1)进行计算得到最终的综合评估结果:

EX-47B=0.295×1.84×1×0.675=0.366

EF-16=0.300×1.09×1×0.675=0.220

EF-18=0.406×1.17×1×0.675=0.321

若以F-16战斗机为准,设它的作战效能为1,则F-18战斗机的作战效能为1.46,X-47B无人作战飞机的作战效能为1.66。

3.6 评估结果分析

综合分析评估结果可以得出以下结论:

1)X-47B无人作战飞机整体空战效能要优于美军现役的经典战斗机。

2)具体分析各项指标可以看出,X-47B的空战能力与生存能力较为突出,优秀的空战能力得益于该机良好的态势感知能力与自主操控能力,而较强的生存能力归因于该机飞翼式的外形布局与较高的隐身性能,该结论与实际情况相符。

3)X-47B与有人战斗机相比的缺陷在于机动能力与空战火力的发挥受到限制,且容易被敌方干扰,这与实际中UCAV自身防御能力弱等情况相吻合。因此,提高机动性能与增加空战武器携带量应是今后UCAV发展中的重点需要解决的问题。

4 结束语

当今的空战模式与空战环境与以往相比发生了深刻的变化,研究空战效能评估问题也应与时俱进,不能脱离实战背景与战场环境。本文在分析影响UCAV空战效能的主要指标时,考虑了空战中自然环境与电磁环境的影响,基于此构建并完善了评估指标体系。在对具体指标进行定量分析的基础上,通过实例计算来验证该评估模型的可行性与适用性。实例分析结果能够反映出现有UCAV的优势与缺陷,能够为UCAV的发展提出切实可行的需求建议。但某些UCAV还处于装备论证或试验阶段,尚未经历实战使用和战争检验。因此,某些评估指标的量化模型和评估方法还须进一步改进与完善。