無人機協同下遠程火箭炮作戰效能評估

姜進晶，汪民樂，汪江鵬

(火箭軍工程大學， 西安 710025)

無人機協同遠程火箭炮作戰是陸軍遠程火力打擊的重要作戰樣式，探索兩者協同作戰的效能評估對推進炮兵新質力量融入聯合作戰體系、提高部隊實戰化訓練水平以及完善武器裝備作戰效能評估理論體系都具有十分重要意義[1]。縱觀已閱讀的文獻，從無人機協同炮兵作戰的研究現狀看，技術性能方面關于無人機和遠程火箭炮兩種武器裝備的研究較多，成果豐碩,戰術運用方面對無人機協同火炮作戰的協同方法、協同流程、協同安全研究也比較多，但效能評估研究工作仍大都局限于單一武器系統層面，缺乏對兩者協同作戰的整體效能研究。因此，本文基于ADC效能評估模型，綜合運用模糊綜合評判和層次分析法，動態評估與靜態評估相結合，對無人機協同下遠程火箭炮作戰效能進行評估。

1 無人機協同下遠程火箭炮作戰軍事概念描述

1.1 無人機協同遠程火箭炮作戰的需求性分析

遠程火箭炮具有射程遠、威力大、機動性強等特點，在戰場上主要擔負遠距離火力打擊任務。運用炮兵傳統偵察手段保障遠程火箭炮作戰主要存在以下局限性：一是看不遠，傳統炮兵偵察手段偵察縱深比較有限，夜間偵察縱深更淺，晝間看不遠、夜間看不見問題較為普遍，與遠程火箭炮作戰的大縱深偵察需求差距較大,需要構建空地一體、遠近結合的偵察配系，打通偵察盲區。二是辨不清，遠程火箭炮打擊目標大都位于敵縱深內，傳統炮兵偵察手段受偵察縱深地形、不良天候以及夜間等條件影響，導致戰場透明度不高，目標辨識度不夠，嚴重影響指揮員的戰場判斷和決策指揮,需要充分融合光學、雷達、紅外等多種偵察方式減少制約因素，消除偵察死角。三是評不快，傳統炮兵偵察手段難以實施有效的戰場態勢監視，尤其對視距外目標打擊，毀傷評估不及時、不準確，需要整合優化情報處理力量，建立動態目標狀態監控體系，實時獲取目標狀態，評估毀傷效果，提高遠程火箭炮打擊效能。戰場需求決定作戰手段運用。無人機作為陸軍新型偵察裝備具有看得遠、辨得清、效得準等特點[2]。運用無人機協同遠程火箭炮作戰可以實現由無人機對作戰地域進行大縱深、多方位、高精度、全天候的偵察監控，能有效解決遠程火箭炮火力遠程火力打擊過程中目標搜索定位、戰場態勢觀察、毀傷效果評估等現實難題。

1.2 無人機協同下遠程火箭炮作戰體系構成

構建無人機協同下的遠程火箭炮作戰體系實質是依托無人機系統構建“偵、控、打、評”閉合回路，整個作戰體系主要由情報偵察、指揮控制、火力打擊、整體防護、綜合保障等分系統組成[3]。情報偵察分系統著眼保障遠程火箭炮大縱深、全天候偵察任務的需求，構建以無人機系統為主體的“開放式”偵察評估要素，綜合運用無人機、雷達、特種偵察，形成空地一體、遠近結合的偵察配系，實現偵察的大范圍、無死角。指揮控制分系統作為作戰中樞神經系統，是進行作戰指揮的大腦。無人機協同下遠程火箭炮作戰指揮控制系統基于指揮信息系統，重點突出與無人機系統戰場信息的實時傳輸、分發及利用，構建“一鍵式”指揮控制要素，實現動中實時輔助科學籌劃、戰中快速精確組織協同、打中協調控制作戰行動。火力打擊分系統作為核心作戰力量，是進行遂行火力打擊任務的主體，主要由遠程火箭炮以及配套的各類火箭彈組成。整體防護分系統的任務是采取有效措施手段，防敵偵察監視、火力打擊、以及電磁攻擊等破壞行動，達到保存自己的目的。綜合保障分系統任務包括作戰保障、裝備保障和后勤保障，主要是提供及時有效的氣象保障、測地保障、技術保障、維修保障以及物資保障、衛勤保障，保證戰斗的連續性和持續性。

1.3 無人機協同下遠程火箭炮作戰流程分析

無人機分隊配屬給遠程火箭炮分隊后，遠程火箭炮分隊向其介紹有關敵我態勢和火力打擊任務，確定協同方式，隨后區分技術陣地和發射陣地展開戰斗準備。作戰中，無人機飛抵目標區域上空并傳輸電視圖像，當地面控制站發現打擊目標后，立即向無人機發出指令，控制無人機在打擊目標上空盤旋，對目標進行定位，將目標情報數據(坐標、特征、幅員等)傳輸上報作戰指揮所，指揮所對目標信息進行分析處理，決定目標射擊諸元，確定彈藥消耗量及射擊方法，并向下達遠程火箭炮陣地下達射擊命令。遠程火箭炮發射后，無人機觀察炸點，并將目標毀傷情況反饋給指揮所，指揮所根據無人機反饋信息，評估毀傷效果，確定是否對目標進行二次打擊[4]。根據無人機協同條件下遠程火箭炮作戰任務和作戰特點，其作戰效能體現在實施遠程火力突擊的全過程中，協同作戰主要事件和時間節點如圖1所示。

圖1 無人機協同下遠程火箭炮作戰組織流程框圖

2 無人機協同下遠程火箭炮作戰效能評估指標體系構建

影響武器系統作戰效能主要包括：系統性能、作戰適用性、固有能力、作戰能力、作戰效果等因素，在實際效能評估中，依據評估目標不同，可選用上述因素中的一個或幾個因素組合來表示武器系統效能[5]。依據對無人機協同下遠程火箭炮作戰體系構成、作戰流程的分析，考慮到全面評價武器系統作戰效能的需求以及評估的可操作性，本文采取“作戰能力”+“作戰適用性”的模式作為作戰系統效能的綜合指標[6]。首先通過對作戰能力和作戰適用性的分解得到初步的指標體系，然后通過專家咨詢進一步優化指標體系，最終構建的評估指標體系，如圖2所示。

圖2 無人機協同下遠程火箭炮作戰效能評估指標體系框圖

從本質上看，這種指標體系構建的方法，充分借鑒了美國工業界武器系統效能咨詢委員會WSEIAC提出的ADC(Availability，Dependability,Capability)效能評估計算模型。其中，作戰能力就是C，作戰適用性則包含了可用性A和可信性D。該模型綜合考慮了作戰系統的可用性、可信性和作戰能力，把這三大要素有效組合成一個表示作戰系統總效能的量度，將作戰系統的效能評估與具體的作戰任務結合起來，能夠以定量指標反映完成既定作戰任務的情況。

3 無人機協同下遠程火箭炮作戰效能評估模型

3.1 作戰系統的可用性模型

無人機協同遠程火箭炮作戰由多個分系統組成，每一個分系統又由多個武器單元構成，整個作戰系統復雜而龐大。其中，情報偵察分系統、指揮控制分系統、火力打擊分系統與武器系統作戰效能“強相關”，即：在一般情況下，如果任一子系統不能工作，則整個系統就不能正常工作[7]。本文為了研究方便，在評估作戰效能時，對系統組成結構進行簡化，不考慮綜合保障系統、防護系統的影響，將作戰系統組成結構抽象為如圖3所示。

圖3 作戰系統組成結構框圖

1) 作戰系統的初始狀態分析

無人機協同遠程火箭炮作戰時，通常由1架無人機協同保障一個遠程火箭炮群，圖4作戰系統結構包括無人機為主的情報偵察分系統，指揮控制分系統、以及n門遠程火箭炮組成的火力打擊分系統，整個結構中包含串聯和并聯兩種模式。顯然，除了結構精簡優化是不夠的，整個作系統的狀態種類和評估計算數據依然很龐大，所以，在情況合理，且不影響評估科學性的前提下，作如下假設：

① 無人機系統不可用時，作戰系統處于降級使用狀態，即：整個作戰過程中，至少有一種偵察手段始終能保障遠程火箭炮射擊；

② 至少有1門遠程火箭炮可用，則火力打擊分系統正常使用；

③ 假設各分系統及武器單元只有正常(Normal)和故障(Failure)兩種情況[8]。

綜上所述，本文將整個作戰系統分為正常使用、降級使用和系統故障3種狀態，根據可用性的定義，列出整個作戰系統狀態，如表1所示。

表1 無人協同下遠程火箭炮作戰系統狀態

2) 作戰系統的可用性向量分析

當系統狀態確定后，若分系統及各武器單元在開始執行任務時能得到及時維修，則可用性取決于武器系統的可靠性和維修性，因此，無人機的可用度aw、指揮控制系統可用度ak、遠程火箭炮可用度ay，分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：MTBFi為平均無故障工作的時間；MTTRi為平均修復的時間；λ為系統故障率；μ為系統修復率。

如表1所示，在開始執行任務時，系統的X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8八種狀態構成了整個武器系統所有可能的狀態樣本空間，即：A=[e1，e2，e3，e4，e5，e6，e7，e8]，將系統的在開始時的8種狀態按照同類狀態歸并進行約減，則可用性向量為：A=(a1,a2,a3),式中a1、a2、a3分別代表正常、降級、故障3種狀態，且a1=e1,a2=32,a3=1-a1-a2。

3.2 作戰系統的可信性模型

為了研究方便，結合無人機協同下遠程火箭炮作戰運用的實際，對研究內容作如下假設：

1) 作戰系統各分系統及武器單元的狀態只區分為正常和故障，由于采用機動射擊戰術，系統出現故障后，在一定作戰時間內無法修復；

2) 無人機偵察系統、指揮控制系統、火力打擊系統故障概率密度函數均服從指數分布[9]。

3.3 作戰系統的能力模型

作戰能力是無人機協同下遠程火箭炮作戰效能評估的一項重要內容。縱觀已閱文獻，ADC模型能力向量C在能力指標體系建立以及能力指標之間相關系用求積還是求和關系式表示沒有給出一個比較規范、統一的模型，文獻[10-13]利用層次分析法和模糊綜合評判法構建了能力向量C的評價模型；文獻[14]采用層次分析法加權求和的方式計算了能力向量C。對于火炮武器系統在利用ADC模型進行效能評估時，通常建立發現概率模型、命中概率模型、毀傷概率模型，經過求積計算得到綜合性能指標，這種方法的出發點是將火炮作戰能力規定為對目標的火力打擊能力[15-16]。本文研究的是無人機協同下遠程火箭炮作戰效能評估，如果系統作戰能力向量C用傳統概率求積方法計算，存在以下3點不足：一是由于系統的綜合能力不僅包含火力打擊能力，還包括生存能力、指揮控制能力、綜合保障能力，因此用傳統概率模型方法評價系統能力不夠全面；二是計算結果不能充分反映無人機對遠程火箭作戰能力的影響，尤其是對偵、控、打、評、保等作戰體系要素的影響；三是各項概率值的計算大都以一定條件設定作為前提，難以得到準確有效的數據作為支撐，所以計算結果缺乏廣泛性和可用性。基于上述分析，本文對能力向量C建模的思路是：首先利用層次分析法，計算無人機協同下遠程火箭炮作戰能力評估指標體系各層指標相對權重，然后模糊綜合評判相關理論，分別計算定量和定性指標的隸屬度向量，最后選擇合適的合成算子計算得出綜合能力。關于層次分析法與模糊綜合評判法的介紹文獻資料比較多，在此不做贅述[17]。

4 無人機協同下遠程火箭炮作戰效能評估實踐

假設某型無人機協同遠程火箭炮群(12門)作戰，作戰時間持續4 h，各分系統及武器單元的MTBF和MTTR，如表2所示[18]。

表2 各分系統及武器單元的MTBF和MTTR

1) 可用性向量A的計算

無人機協同下遠程火箭炮作戰，系統在開始執行任務時共有正常、降級、故障3種狀態，其可用性向量表示為：A=(a1,a2,a3)。根據表2各分系統及武器單元的平均故障時間和平均修復時間，由式(1)～式(3)，可得作戰系統可用性向量為：

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

2) 可信性矩陣D的計算

3) 作戰能力向量C的計算

為了保證評估結果的科學性和準確性，本文邀請10名專家進行咨詢，他們分別為炮兵旅指揮員3名、機關作訓參謀2名、作戰分隊指揮員3名、院校及科研單位專家2名。

① 層次分析法計算權重

利用層次分析法，對作戰能力評估準則層和指標層各組成因素的進行權重計算，整理得出指標體系權重如表3所示。

表3 指標體系各指標權重

② 作戰能力模糊綜合評估

根據系統3種狀態，作戰能力C為3×1的矩陣，即：C=[C1,C2,C3]T。其中，C1為作戰系統正常時的作戰能力；C2為無人機故障，作戰系統處于降級使用時的作戰能力；C3為系統故障時的作戰能力，且C3=0。因此，只需分別求解系統正常使用和降級使用時的綜合能力。由表1可知，正常使用和降級使用的區別在于無人機是否正常工作，即：只需區分無人機協同和無人機系統故障兩種情況，對遠程火箭炮作戰能力進行評價。

本文采用算子M(·,⊕)進行模糊算法的復合運算，評語等級量化向量為V=(0.95，0.85，0.75，0.65，0.3)。利用模糊層次分析法得出作戰能力各分能力和綜合能力分別為：

1) 作戰能力各分能力得分值，如表4所示。

表4 作戰能力各分能力得分值

通過對比系統作戰各分能力數據，可以得到圖4。

圖4 系統作戰能力各分能力

2) 當系統處于正常使用狀態時,系統作戰能力為：

C1=A·VT=(0.37,0.39,0.15,0.06,0.03)·

3) 當系統處于降級使用狀態時，即無人機故障，系統作戰能力為：

C2=A·VT=(0.22,0.36,0.34,0.05,0.03)·

綜上所述，作戰系統能力向量C=[C1,C2,C3]=[0.843 5,0.761 5,0]

5 結論

1) 無人機協同，作戰系統處于正常工作狀態時，作戰能力值為0.843 5，處于良好水平；當無人機系統故障，作戰系統處于降級使用狀態時，作戰能力值為0.761 5，處于一般水平，前者比后者綜合作戰能力提高了約10.7%，說明無人機協同下，遠程火箭炮綜合作戰能力得到顯著提升。

2) 無人機協同條件下，作戰系統目標獲取能力、火力打擊能力、戰場防護能力有了明顯提升；但同時增加了作戰系統指揮控制與綜合保障的難度。

3) 無人機協同時，在考慮到整個作戰系統的可用性和可信性之后，當作戰系統連續工作4 h，無人機協同下遠程火箭炮作戰效能為0.815，處于良好水平。

4) 無人機協同遠程火箭炮作戰是目前戰役炮兵現有裝備的最佳組合，能夠最大限度地發揮兩種武器系統的作戰效能。