雷達探測“蜂群”無人機作戰效能評估

焦士俊，劉 銳，王冰切，劉劍豪

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

自2014年美軍第3次抵消戰略首次提及集群式無人機作戰概念以來，“蜂群”無人機憑借其突防能力強、效費比高、智能協同、風險低等優勢，引起世界各軍事強國的高度重視，但從目前的發展程度看，各國反無人機“蜂群”技術、系統的研發仍然處于起步階段，并且相對獨立分散。在眾多應對措施中，探測能力尤為關鍵，因此如何有效評價不同手段對“蜂群”無人機的探測能力是當前需要研究的一個問題[1-2]。

目前對“蜂群”無人機探測手段主要有雷達、無線電和光電探測，其中雷達探測技戰術方面相對成熟，因此本文重點研究利用模糊層次分析法對雷達探測“蜂群”無人機進行作戰效能評估的算法，并對其進行了實兵運用和現場驗證[3]。

1 模糊層次分析法概述

所謂模糊層次分析法，就是先把復雜問題分解成各組成因素；然后再確定各因素之間的因果關系，對決策問題的各種要素建立錯層次遞階結構模型；對同一層次的要素以上一級的要素為準則進行兩兩比較，并根據評定尺度用數值定量地確定其相對重要程度，據此建立模糊判斷矩陣；然后通過一定計算，確定諸要素相對重要性總的排序；通過綜合重要性的計算，對所有的方案進行優先排序，從而為決策者選擇最優方案提供科學、定量的決策依據。它將復雜問題系統化、數學化和模型化，分析得出的結果更具說服力。

2 模糊層次分析法評估模型

模糊層次分析法首先要將所包含的要素分組，每一組作為一個層次，按照最高層、若干有關的中間層和最低層的形式排列起來，并通過向咨詢專家、實踐檢驗等方式，反復推敲、完善，最終得到滿意的綜合評估遞階層次結構。其確定程序如圖1所示。

圖1 評估體系確定過程簡圖

通過分析雷達工作原理，綜合考慮影響其效能發揮的主要因素，根據上述評估體系建立過程，確定了發現能力、定位能力和跟蹤能力3類評估準則。根據“蜂群”無人機的目標特性，發現能力分為最大發現距離、目標發現概率、目標識別概率。定位能力

分為距離定位能力、角度定位能力和速度定位能力。跟蹤能力分為跟蹤目標能力和跟蹤目標數量，如圖2所示。

圖2 探測能力評估遞階層次結構

3 指標體系權重的確定

層次結構模型建立以后，依次確定準則層、中間層和最底層中各指標的權重。權重的確定方法很多，“蜂群”無人機目標的整體探測能力評估采用主觀判斷法中的層次分析法。

首先計算準則層B對目標層A的權重向量。具體步驟如下：

(1) 得出準則層B對目標層A的比較區間判斷矩陣為：

(3) 計算該矩陣的模糊評價值、期望值：

同理，指標層C對準則層的比較區間判斷矩陣分別為：

可求出指標層權重向量分別為：αB1=(0.489 3,0.288 8,0.222 0)，αB2=(0.399 4,0.322 2,0.277 8)，αB3=(0.600 1,0.399 9)。

各指標Ci最終權重為：α=(0.222 3,0.131 2,0.100 9,0.122 1,0.098 5,0.084 9,0.144 0,0.096 0)。

4 子評估指標及其計算方法

4.1 最大發現距離

雷達作用距離的大小取決于雷達本身的性能，其中有發射機、接收機、天線等的參數，同時又和“蜂群”無人機目標的性質、數量和環境因素有關，最大發現距離為：

(1)

式中：Pt為雷達發射功率；Gt為雷達發射天線增益；nσ為n架無人機有效截面積；Pamin為最小可檢測信號功率。

4.2 目標發現概率

對“蜂群”無人機目標進行搜索時，首先劃定搜索區域，然后通過掃描使偵察裝置的視場覆蓋搜索范圍，與目標發生接觸，以探測到目標，發現概率為：

(2)

式中：n為一次掃描中的脈沖積累數；y0為虛警概率為10-6時的檢測門限；SN為雷達單個脈沖接收時線性系統輸出的平均功率信噪比。

4.3 目標識別概率

雷達在搜索發現、探測到目標后，要判斷目標屬性是否是“蜂群”無人機，可采用目標的尺寸、反射面的性質、運動規律等作為目標特征，綜合分析進行評定，識別概率為：

(3)

式中：μ1、μ2為第一、二目標特征值的數學期望；m為特征的數目；n為每個特征測量次數；σ為給定的特征的均方差。

4.4 距離定位能力

距離定位能力是指雷達對“蜂群”無人機目標的測距能力，可通過測時誤差求出測距誤差來衡量，誤差越小，測距能力越強。測距誤差為：

(4)

式中：B為帶寬；E/N0為功率信噪比。

4.5 速度定位能力

速度定位能力是指雷達對“蜂群”無人機目標的測速能力，可通過測頻誤差求出測速誤差來衡量，誤差越小，測距能力越強。測速誤差為：

(5)

式中：E/N0為功率信噪比。

4.6 角度定位能力

角度定位能力是指雷達對“蜂群”無人機目標的角度測量能力，利用最大信號測角法和方向圖求出測角誤差，誤差越小，測角能力越強。測角誤差為：

(6)

式中：E/N0為功率信噪比。

4.7 跟蹤目標能力

根據雷達發現移動目標點時間窗口的信息，建立目標模擬航跡，該航跡與真實目標航跡的擬合量化程度能反映出跟蹤目標的能力：

(7)

式中：(t,t+Δt)表示探測移動目標過程中，第i個時間窗口跟蹤目標的起止時間；xt，yt表示t時刻模擬航跡坐標；Xt,Yt表示t時刻真實航跡坐標。

4.8 跟蹤目標數量

通過多次實驗驗證，取多次雷達成功跟蹤目標數量的平均值，可得跟蹤目標數量能力：

(8)

式中：ai為第i次試驗中成功跟蹤“蜂群”無人機的數量。

5 應用實例分析

為了驗證算法的可行性和有效性，進行了實地驗證。

采用兩型雷達探測由6架大疆“精靈-4A”無人機組成的無人機群，其規劃飛行路線如圖3所示，部分實驗截圖如圖4和圖5所示。

圖3 大疆精靈-4A無人機規劃飛行路線圖

圖4 雷達1探測、發現并跟蹤5架大疆無人機畫面截圖

圖5 雷達2探測、發現并跟蹤3架大疆無人機畫面截圖

根據各評估指標的算法，得出如表1所示的子評估指標值。

表1 子評估指標值

表2 規范化處理結果

再根據C準則層關于目標層A的最終權重α，可得出雷達1的探測性能值為0.724 9，雷達2的探測性能值為0.659 8，由此看出雷達1的探測能力高于雷達2。

6 結束語

文章首次研究、驗證了模糊層次分析法應用到雷達探測“蜂群”無人機作戰效能評估中的可行性，結合雷達性能和目標特性，從發現能力、定位能力和跟蹤能力三方面，對雷達探測“蜂群”無人機的能力進行量化分析，客觀、準確地區分了不同雷達對此類目標的探測能力。

“蜂群”無人機作為一種可能改變未來戰爭形態的作戰力量，各國都高度重視，定量評估各種探測手段尤為關鍵，本文提到的算法對無線電或光電探測“蜂群”無人機同樣具有借鑒價值。今后需進一步改進算法，研究定量評估其他單一手段或不同手段探測“蜂群”無人機的可行性，從而使探測效能評估算法更具重要的現實意義。