无人机协同下远程火箭炮作战效能评估

2020-08-05姜进晶汪民乐汪江鹏

兵器装备工程学报 2020年7期

姜进晶，汪民乐，汪江鹏

(火箭军工程大学，西安 710025)

无人机协同远程火箭炮作战是陆军远程火力打击的重要作战样式，探索两者协同作战的效能评估对推进炮兵新质力量融入联合作战体系、提高部队实战化训练水平以及完善武器装备作战效能评估理论体系都具有十分重要意义[1]。纵观已阅读的文献，从无人机协同炮兵作战的研究现状看，技术性能方面关于无人机和远程火箭炮两种武器装备的研究较多，成果丰硕,战术运用方面对无人机协同火炮作战的协同方法、协同流程、协同安全研究也比较多，但效能评估研究工作仍大都局限于单一武器系统层面，缺乏对两者协同作战的整体效能研究。因此，本文基于ADC效能评估模型，综合运用模糊综合评判和层次分析法，动态评估与静态评估相结合，对无人机协同下远程火箭炮作战效能进行评估。

1 无人机协同下远程火箭炮作战军事概念描述

1.1 无人机协同远程火箭炮作战的需求性分析

远程火箭炮具有射程远、威力大、机动性强等特点，在战场上主要担负远距离火力打击任务。运用炮兵传统侦察手段保障远程火箭炮作战主要存在以下局限性：一是看不远，传统炮兵侦察手段侦察纵深比较有限，夜间侦察纵深更浅，昼间看不远、夜间看不见问题较为普遍，与远程火箭炮作战的大纵深侦察需求差距较大,需要构建空地一体、远近结合的侦察配系，打通侦察盲区。二是辨不清，远程火箭炮打击目标大都位于敌纵深内，传统炮兵侦察手段受侦察纵深地形、不良天候以及夜间等条件影响，导致战场透明度不高，目标辨识度不够，严重影响指挥员的战场判断和决策指挥,需要充分融合光学、雷达、红外等多种侦察方式减少制约因素，消除侦察死角。三是评不快，传统炮兵侦察手段难以实施有效的战场态势监视，尤其对视距外目标打击，毁伤评估不及时、不准确，需要整合优化情报处理力量，建立动态目标状态监控体系，实时获取目标状态，评估毁伤效果，提高远程火箭炮打击效能。战场需求决定作战手段运用。无人机作为陆军新型侦察装备具有看得远、辨得清、效得准等特点[2]。运用无人机协同远程火箭炮作战可以实现由无人机对作战地域进行大纵深、多方位、高精度、全天候的侦察监控，能有效解决远程火箭炮火力远程火力打击过程中目标搜索定位、战场态势观察、毁伤效果评估等现实难题。

1.2 无人机协同下远程火箭炮作战体系构成

构建无人机协同下的远程火箭炮作战体系实质是依托无人机系统构建“侦、控、打、评”闭合回路，整个作战体系主要由情报侦察、指挥控制、火力打击、整体防护、综合保障等分系统组成[3]。情报侦察分系统着眼保障远程火箭炮大纵深、全天候侦察任务的需求，构建以无人机系统为主体的“开放式”侦察评估要素，综合运用无人机、雷达、特种侦察，形成空地一体、远近结合的侦察配系，实现侦察的大范围、无死角。指挥控制分系统作为作战中枢神经系统，是进行作战指挥的大脑。无人机协同下远程火箭炮作战指挥控制系统基于指挥信息系统，重点突出与无人机系统战场信息的实时传输、分发及利用，构建“一键式”指挥控制要素，实现动中实时辅助科学筹划、战中快速精确组织协同、打中协调控制作战行动。火力打击分系统作为核心作战力量，是进行遂行火力打击任务的主体，主要由远程火箭炮以及配套的各类火箭弹组成。整体防护分系统的任务是采取有效措施手段，防敌侦察监视、火力打击、以及电磁攻击等破坏行动，达到保存自己的目的。综合保障分系统任务包括作战保障、装备保障和后勤保障，主要是提供及时有效的气象保障、测地保障、技术保障、维修保障以及物资保障、卫勤保障，保证战斗的连续性和持续性。

1.3 无人机协同下远程火箭炮作战流程分析

无人机分队配属给远程火箭炮分队后，远程火箭炮分队向其介绍有关敌我态势和火力打击任务，确定协同方式，随后区分技术阵地和发射阵地展开战斗准备。作战中，无人机飞抵目标区域上空并传输电视图像，当地面控制站发现打击目标后，立即向无人机发出指令，控制无人机在打击目标上空盘旋，对目标进行定位，将目标情报数据(坐标、特征、幅员等)传输上报作战指挥所，指挥所对目标信息进行分析处理，决定目标射击诸元，确定弹药消耗量及射击方法，并向下达远程火箭炮阵地下达射击命令。远程火箭炮发射后，无人机观察炸点，并将目标毁伤情况反馈给指挥所，指挥所根据无人机反馈信息，评估毁伤效果，确定是否对目标进行二次打击[4]。根据无人机协同条件下远程火箭炮作战任务和作战特点，其作战效能体现在实施远程火力突击的全过程中，协同作战主要事件和时间节点如图1所示。

图1 无人机协同下远程火箭炮作战组织流程框图

2 无人机协同下远程火箭炮作战效能评估指标体系构建

影响武器系统作战效能主要包括：系统性能、作战适用性、固有能力、作战能力、作战效果等因素，在实际效能评估中，依据评估目标不同，可选用上述因素中的一个或几个因素组合来表示武器系统效能[5]。依据对无人机协同下远程火箭炮作战体系构成、作战流程的分析，考虑到全面评价武器系统作战效能的需求以及评估的可操作性，本文采取“作战能力”+“作战适用性”的模式作为作战系统效能的综合指标[6]。首先通过对作战能力和作战适用性的分解得到初步的指标体系，然后通过专家咨询进一步优化指标体系，最终构建的评估指标体系，如图2所示。

图2 无人机协同下远程火箭炮作战效能评估指标体系框图

从本质上看，这种指标体系构建的方法，充分借鉴了美国工业界武器系统效能咨询委员会WSEIAC提出的ADC(Availability，Dependability,Capability)效能评估计算模型。其中，作战能力就是C，作战适用性则包含了可用性A和可信性D。该模型综合考虑了作战系统的可用性、可信性和作战能力，把这三大要素有效组合成一个表示作战系统总效能的量度，将作战系统的效能评估与具体的作战任务结合起来，能够以定量指标反映完成既定作战任务的情况。

3 无人机协同下远程火箭炮作战效能评估模型

3.1 作战系统的可用性模型

无人机协同远程火箭炮作战由多个分系统组成，每一个分系统又由多个武器单元构成，整个作战系统复杂而庞大。其中，情报侦察分系统、指挥控制分系统、火力打击分系统与武器系统作战效能“强相关”，即：在一般情况下，如果任一子系统不能工作，则整个系统就不能正常工作[7]。本文为了研究方便，在评估作战效能时，对系统组成结构进行简化，不考虑综合保障系统、防护系统的影响，将作战系统组成结构抽象为如图3所示。

图3 作战系统组成结构框图

1) 作战系统的初始状态分析

无人机协同远程火箭炮作战时，通常由1架无人机协同保障一个远程火箭炮群，图4作战系统结构包括无人机为主的情报侦察分系统，指挥控制分系统、以及n门远程火箭炮组成的火力打击分系统，整个结构中包含串联和并联两种模式。显然，除了结构精简优化是不够的，整个作系统的状态种类和评估计算数据依然很庞大，所以，在情况合理，且不影响评估科学性的前提下，作如下假设：

① 无人机系统不可用时，作战系统处于降级使用状态，即：整个作战过程中，至少有一种侦察手段始终能保障远程火箭炮射击；

② 至少有1门远程火箭炮可用，则火力打击分系统正常使用；

③ 假设各分系统及武器单元只有正常(Normal)和故障(Failure)两种情况[8]。

综上所述，本文将整个作战系统分为正常使用、降级使用和系统故障3种状态，根据可用性的定义，列出整个作战系统状态，如表1所示。

表1 无人协同下远程火箭炮作战系统状态

2) 作战系统的可用性向量分析

当系统状态确定后，若分系统及各武器单元在开始执行任务时能得到及时维修，则可用性取决于武器系统的可靠性和维修性，因此，无人机的可用度aw、指挥控制系统可用度ak、远程火箭炮可用度ay，分别为：

(1)

(2)

(3)

式中：MTBFi为平均无故障工作的时间；MTTRi为平均修复的时间；λ为系统故障率；μ为系统修复率。

如表1所示，在开始执行任务时，系统的X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8八种状态构成了整个武器系统所有可能的状态样本空间，即：A=[e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8]，将系统的在开始时的8种状态按照同类状态归并进行约减，则可用性向量为：A=(a1,a2,a3),式中a1、a2、a3分别代表正常、降级、故障3种状态，且a1=e1,a2=32,a3=1-a1-a2。

3.2 作战系统的可信性模型

为了研究方便，结合无人机协同下远程火箭炮作战运用的实际，对研究内容作如下假设：

1) 作战系统各分系统及武器单元的状态只区分为正常和故障，由于采用机动射击战术，系统出现故障后，在一定作战时间内无法修复；

2) 无人机侦察系统、指挥控制系统、火力打击系统故障概率密度函数均服从指数分布[9]。

3.3 作战系统的能力模型

作战能力是无人机协同下远程火箭炮作战效能评估的一项重要内容。纵观已阅文献，ADC模型能力向量C在能力指标体系建立以及能力指标之间相关系用求积还是求和关系式表示没有给出一个比较规范、统一的模型，文献[10-13]利用层次分析法和模糊综合评判法构建了能力向量C的评价模型；文献[14]采用层次分析法加权求和的方式计算了能力向量C。对于火炮武器系统在利用ADC模型进行效能评估时，通常建立发现概率模型、命中概率模型、毁伤概率模型，经过求积计算得到综合性能指标，这种方法的出发点是将火炮作战能力规定为对目标的火力打击能力[15-16]。本文研究的是无人机协同下远程火箭炮作战效能评估，如果系统作战能力向量C用传统概率求积方法计算，存在以下3点不足：一是由于系统的综合能力不仅包含火力打击能力，还包括生存能力、指挥控制能力、综合保障能力，因此用传统概率模型方法评价系统能力不够全面；二是计算结果不能充分反映无人机对远程火箭作战能力的影响，尤其是对侦、控、打、评、保等作战体系要素的影响；三是各项概率值的计算大都以一定条件设定作为前提，难以得到准确有效的数据作为支撑，所以计算结果缺乏广泛性和可用性。基于上述分析，本文对能力向量C建模的思路是：首先利用层次分析法，计算无人机协同下远程火箭炮作战能力评估指标体系各层指标相对权重，然后模糊综合评判相关理论，分别计算定量和定性指标的隶属度向量，最后选择合适的合成算子计算得出综合能力。关于层次分析法与模糊综合评判法的介绍文献资料比较多，在此不做赘述[17]。

4 无人机协同下远程火箭炮作战效能评估实践

假设某型无人机协同远程火箭炮群(12门)作战，作战时间持续4 h，各分系统及武器单元的MTBF和MTTR，如表2所示[18]。

表2 各分系统及武器单元的MTBF和MTTR

1) 可用性向量A的计算

无人机协同下远程火箭炮作战，系统在开始执行任务时共有正常、降级、故障3种状态，其可用性向量表示为：A=(a1,a2,a3)。根据表2各分系统及武器单元的平均故障时间和平均修复时间，由式(1)～式(3)，可得作战系统可用性向量为：

A=(a1,a2,a3)=(0.976 6, 0.009 9, 0.135)

2) 可信性矩阵D的计算

3) 作战能力向量C的计算

为了保证评估结果的科学性和准确性，本文邀请10名专家进行咨询，他们分别为炮兵旅指挥员3名、机关作训参谋2名、作战分队指挥员3名、院校及科研单位专家2名。

① 层次分析法计算权重

利用层次分析法，对作战能力评估准则层和指标层各组成因素的进行权重计算，整理得出指标体系权重如表3所示。

表3 指标体系各指标权重

② 作战能力模糊综合评估

根据系统3种状态，作战能力C为3×1的矩阵，即：C=[C1,C2,C3]T。其中，C1为作战系统正常时的作战能力；C2为无人机故障，作战系统处于降级使用时的作战能力；C3为系统故障时的作战能力，且C3=0。因此，只需分别求解系统正常使用和降级使用时的综合能力。由表1可知，正常使用和降级使用的区别在于无人机是否正常工作，即：只需区分无人机协同和无人机系统故障两种情况，对远程火箭炮作战能力进行评价。

本文采用算子M(·,⊕)进行模糊算法的复合运算，评语等级量化向量为V=(0.95，0.85，0.75，0.65，0.3)。利用模糊层次分析法得出作战能力各分能力和综合能力分别为：

1) 作战能力各分能力得分值，如表4所示。