汲萬峰， 戚學文， 李 冬

(1.海軍航空大學，山東 煙臺 264000； 2.中國人民解放軍91776部隊，北京 100000)

0 引言

可再入跨介質(zhì)無人飛行器是一種具備空中飛行、水面航行、水下航渡以及往復空中/水面/水下跨域能力的新概念混合型海上無人系統(tǒng)[1]，具備水、空兩棲性、旋翼可折疊性、帶載多樣性、續(xù)航長時性、攻擊突發(fā)性的特點，可用于執(zhí)行載荷投送、情報監(jiān)視偵察(ISR)、反艦和反潛等諸多使命任務，以適應日趨復雜的海戰(zhàn)場作戰(zhàn)需求[2-4]，其通過組合發(fā)揮空氣和水介質(zhì)中的飛行、突防與毀傷優(yōu)勢，實現(xiàn)對敵方重點目標的高效打擊，必將成為我國海軍現(xiàn)有裝備作戰(zhàn)方式及現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)法的有力補充。

1 可再入跨介質(zhì)無人飛行器作戰(zhàn)應用設(shè)想

可再入跨介質(zhì)無人飛行器擔負遠程突擊/威懾任務，主要應用于遠程目標指示或艦艇目標打擊，應用場景類似現(xiàn)有反艦導彈或反艦魚雷。該可再入跨介質(zhì)無人飛行器由潛艇/飛機/水面艦艇等平臺發(fā)射，根據(jù)跨介質(zhì)突擊航路對敵水面目標實施打擊。

1) 在敵艦載末端防空武器射程(2～3 km)外潛入水中，發(fā)起水下攻擊(類似反艦魚雷)，突防敵近程防御區(qū)，與現(xiàn)有反艦手段形成立體和協(xié)同突防，有效增強體系反艦作戰(zhàn)能力。

2) 根據(jù)航路規(guī)劃，在敵方防空導彈射程(10～100 km)范圍內(nèi)反復跨介質(zhì)航行。敵方組織防空反導抗擊時，擇時轉(zhuǎn)入水下航行；敵方組織反魚雷抗擊時，擇時轉(zhuǎn)入空中航行。由此擾亂敵方連續(xù)的情報跟瞄和火力引導，占用敵方指揮通道形成飽和，大量消耗敵方打擊兵器，增大敵方情報和引導壓力，壓縮其預警時間和轉(zhuǎn)火效率，使其無法形成有效的指揮決策和準確的抗擊部署，如圖1所示。

圖1 可再入跨介質(zhì)無人飛行器打擊艦艇目標示意圖Fig.1 Schematic diagram of reentry cross-medium unmanned aerial vehicle attacking ship target

具體的跨介質(zhì)時機選擇策略為：

1) 探測到敵方火控雷達照射信號后，可再入跨介質(zhì)無人飛行器入水，根據(jù)航路規(guī)劃偏離原航向一定角度，水下航行一定距離后出水，使其相對于敵方的方位、距離產(chǎn)生較大偏差(大于敵方判定閾值)，被敵方跟蹤雷達判定為新目標，達到遮斷敵方跟瞄線且使敵方不敢輕易釋放原指揮通道的效果；

2) 發(fā)現(xiàn)敵方來襲導彈(反輻射/紫外告警)，可再入跨介質(zhì)無人飛行器入水，轉(zhuǎn)入水下航行，使敵方防衛(wèi)武器制導雷達無法進行目標導引而自毀，達到消耗敵方艦載防御武器的目的。

2 可再入跨介質(zhì)無人飛行器作戰(zhàn)效能建模

縮小敵方的雷達探測窗口、破壞敵方的穩(wěn)定跟蹤，是降低敵方攔截能力、提高可再入跨介質(zhì)無人飛行器突防效能的有效方法。

2.1 對雷達探測窗口影響模型

雷達探測窗口由目標在雷達探測范圍內(nèi)的航跡長度決定。以編隊3部艦載雷達為例，其最大作用距離分別為R1，R2和R3，折線AB-BC-CD則表示目標在雷達網(wǎng)內(nèi)航跡長度。設(shè)第n1部雷達的威力范圍為Sn1，L表示目標航跡，則目標落入雷達網(wǎng)探測范圍Snet的航線長度Lnet如圖2所示。

圖2 雷達網(wǎng)探測窗口航線長度示意圖Fig.2 Schematic diagram of route length of radar network detecting window

由圖2可知，Lnet可表示為

(1)

可見，Lnet反映了目標在雷達網(wǎng)探測范圍中的暴露航線長度。對于可再入跨介質(zhì)無人飛行器，若根據(jù)作戰(zhàn)需求在某點(如E點)進行空中→水下姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換，則E點之后的航段不可探測，其在雷達探測范圍內(nèi)的航跡縮短，導致雷達網(wǎng)探測窗口相應縮小，如圖3所示。

圖3 姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換后雷達網(wǎng)探測窗口航線長度示意圖Fig.3 Schematic diagram of route length of radar network detecting window after attitude (medium) conversion

圖3中，用L′表示新的目標航跡，此時，可再入跨介質(zhì)無人飛行器在雷達網(wǎng)探測范圍中的暴露航線長度L′net可表示為

(2)

分析可知，可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過進行空中→水下姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換，使得雷達網(wǎng)對其探測窗口縮小40%。實際上，簡單分析可知，若可再入跨介質(zhì)無人飛行器在折線AB-BC-CD中的某點進行空中→水下姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換，則必然導致雷達網(wǎng)對其探測中斷，從而使得探測窗口縮小。同理，其通過進行水下→空中姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換，可縮小敵方編隊聲吶網(wǎng)探測窗口。

2.2 對攔截跟蹤影響模型

攔截武器對可再入跨介質(zhì)無人飛行器目標的探測跟蹤問題，可分為制導雷達對目標的探測跟蹤和導引頭對目標的探測跟蹤兩個階段?？稍偃肟缃橘|(zhì)無人飛行器做姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換時，一般距離制導雷達相對較遠，盡管進行了空-水姿態(tài)的轉(zhuǎn)換，但是對距離較遠的制導雷達探測器而言，其在雷達屏幕上的消失往往被視為虛警目標，通常不會導致對方發(fā)射攔截武器(導彈)進行抗擊的行動，因此對作戰(zhàn)影響較小，對敵方不構(gòu)成嚴重威脅。

攔截武器導引頭開始工作時，一般距離目標較近，相對速度較大，且其視場角相對有限，可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換可能脫離導引頭的視角范圍，所以攔截可再入跨介質(zhì)無人飛行器目標要求攔截武器導引頭具有更寬廣的視角和更靈敏的隨動跟蹤能力。即便可再入跨介質(zhì)無人飛行器的姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換過程均在導引頭視場范圍以內(nèi)，也可能會因為其飛行軌跡的非線性變化，使常規(guī)的雷達跟蹤濾波器難以有效跟蹤目標，從而造成攔截武器的跟蹤中斷。結(jié)合導引頭信息處理機搜索跟蹤功能模塊間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對不同跟蹤濾波算法下可再入跨介質(zhì)無人飛行器的姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換機動為攔截武器導引頭跟蹤帶來的挑戰(zhàn)分析如下。

1) 導引頭信息處理機搜索跟蹤模塊由搜索、截獲識別、跟蹤濾波和記憶外推4個部分組成，各模塊間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。

圖4 導引頭信息處理機搜索跟蹤功能模塊轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram of conversion relationship between the search and tracking function modules of seeker information processor

搜索信號過門限截獲識別確認為目標后，由跟蹤濾波模塊對目標連續(xù)跟蹤。當瞬時目標丟失且信息被記憶時，通過記憶外推可以很快截獲目標，或者確認目標丟失重新進入搜索；當目標丟失而不記憶信息時則直接進入搜索。

2) 當導引頭與可再入跨介質(zhì)無人飛行器目標的相對距離過小或相對速度過大，且目標做姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換機動造成運動參數(shù)劇烈變化時，導引頭更容易丟失目標而必須重新搜索，且更不容易搜索到目標，最終體現(xiàn)為可再入跨介質(zhì)無人飛行器目標的姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換機動導致了攔截武器導引頭丟失目標。

因此，面對可再入跨介質(zhì)無人飛行器目標時，攔截武器導引頭信息處理機的跟蹤濾波算法和記憶外推方法設(shè)計將面臨著巨大的壓力，傳統(tǒng)的基于勻速直線運動目標的濾波算法和記憶外推方法的導引頭將很容易丟失目標，使得攔截武器的攔截跟蹤效能大大降低。

2.3 突防效能模型

主要針對可再入跨介質(zhì)無人飛行器突破敵方近程防御區(qū)突防效能進行分析。

敵方近程防御武器為某艦炮武器系統(tǒng)，設(shè)其射擊遠界為1 828.8 m，射擊近界為91.4 m，則其對傳統(tǒng)來襲武器的一次攔截有效射擊時間可表示為

(3)

式中，vd為來襲武器的平均速度。

來襲武器的結(jié)構(gòu)決定了其不同部位受到攔截打擊時的毀傷效果不同，將命中即摧毀的部位稱為“致命部位”，“致命部位”對應的面積稱為“致命面積”，而將來襲武器可受到攔截打擊部位對應的面積稱為“總面積”。由此，“該艦炮武器系統(tǒng)成功攔截來襲武器”等價為“該艦炮武器系統(tǒng)在來襲武器致命面積至少命中1枚”，其相應的總面積命中數(shù)稱為“該艦炮武器系統(tǒng)成功攔截來襲武器的平均命中數(shù)”，用ω表示。設(shè)來襲武器的總面積為S，致命面積為Q，為便于研究，不妨假設(shè)來襲武器受到攔截打擊的全部命中部位在其總面積均勻分布，則ω可表示為

(4)

設(shè)該艦炮武器系統(tǒng)單發(fā)炮彈命中概率為P0，則來襲武器被成功攔截的概率P攔為

(5)

式中，N2=n2·Tk，為敵方發(fā)射的艦炮武器數(shù)量，n2為該艦炮武器系統(tǒng)的射速，通常取n2=50發(fā)/s。

則來襲武器突防概率P突為

(6)

可再入跨介質(zhì)無人飛行器在近程突防過程中，通過空中、水下介質(zhì)之間的反復跨越，導致艦炮武器系統(tǒng)無法對其水下航路部分進行有效攔截，縮短了該艦炮武器系統(tǒng)的一次攔截有效射擊航路，從而縮短其攔截有效射擊時間Tk。

在近程突防過程中，可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過反復水-空介質(zhì)跨越，空中航程占該艦炮武器系統(tǒng)一次攔截有效射擊區(qū)間總航程的比例為x(x∈[0,1])，則可再入跨介質(zhì)無人飛行器的突防概率與x的關(guān)系如圖5所示。

圖5 可再入跨介質(zhì)無人飛行器的突防概率Fig.5 Penetration probability of reentry cross-medium unmanned aerial vehicle

由圖5可知，可再入跨介質(zhì)無人飛行器的突防概率隨其空中航程的增大而減小。可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過反復介質(zhì)轉(zhuǎn)換，提高了其對該艦炮武器系統(tǒng)近程突防概率。

設(shè)x=0.6，則當傳統(tǒng)來襲武器、可再入跨介質(zhì)無人飛行器的平均速度在150～250 km/h(即vd∈[41.7,69.4]，單位為m/s)之間時，其突防概率對比如圖6所示。

圖6 可再入跨介質(zhì)無人飛行器與傳統(tǒng)來襲武器突防概率對比Fig.6 Comparison of penetration probability between reentry cross-medium UAV and conventional weapons

圖6表明，隨著平均速度增大，可再入跨介質(zhì)無人飛行器與傳統(tǒng)來襲武器突防概率均有不同程度增大，但當空中平均速度在150～250 km/h之間時，可再入跨介質(zhì)無人飛行器的突防概率恒大于傳統(tǒng)來襲武器的突防概率，由此表明，可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過反復介質(zhì)轉(zhuǎn)換，增大了突防概率。

2.4 對作戰(zhàn)資源影響模型

假設(shè)敵方編隊共攜帶n3種攔截武器(導彈)，第i(i=1,2,…,n3)種攔截武器(導彈)的數(shù)量為N3，i，其單枚毀傷概率為Pi。若以敵方編隊對我毀傷概率P來度量其在作戰(zhàn)過程中的整體毀傷效能，則敵方編隊整體毀傷效能為

(7)

通常情況下，當敵方雷達探測到可再入跨介質(zhì)無人飛行器并進行識別后，往往會組織作戰(zhàn)通道發(fā)射攔截武器(導彈)對其進行攔截，如圖7所示。

作戰(zhàn)通道是指在探測發(fā)現(xiàn)目標、跟蹤目標、處理目標數(shù)據(jù)、決策及目標指示、發(fā)射武器，直到最后引導武器命中目標的過程中，所形成的指揮控制武器的信息通道。可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過空中、水下介質(zhì)之間的反復轉(zhuǎn)換、跨越，迫使敵方不斷轉(zhuǎn)換作戰(zhàn)通道及其工作模式，從而大大增加其指控系統(tǒng)的工作負荷，對其指控系統(tǒng)及作戰(zhàn)決策產(chǎn)生較大干擾，擾亂并降低其指揮決策的順暢性。

此外，在從探測發(fā)現(xiàn)目標至武器命中目標過程中，若敵方攔截武器(導彈)已發(fā)射且可再入跨介質(zhì)無人飛行器進行空中→水下姿態(tài)轉(zhuǎn)換，則將直接導致敵方攔截武器(導彈)的失效，且在此過程中敵方相應作戰(zhàn)通道被占用，造成其作戰(zhàn)資源浪費，從而使得敵方抗擊我方其他作戰(zhàn)力量的有效作戰(zhàn)通道和攔截武器(導彈)數(shù)量減少。

由式(7)可知，敵方編隊任何一種攔截武器(導彈)數(shù)量N3，i(i=1,2,…,n3)的減少將導致其對我方整體毀傷效能的降低?？梢?，可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過占用敵方作戰(zhàn)資源，消耗敵方火力，起到降低敵方整體作戰(zhàn)效能的作用。為便于計算，假設(shè)敵方編隊攜帶1種(n3=1種)艦空導彈共計N3，1枚(N3，1≥4枚)，其單枚毀傷概率P′0=0.6。此時，敵方編隊對我方整體毀傷效能P為

P=1-(1-P′0)N3，1。

(8)

為保證以較大概率擊毀，敵方編隊艦載雷達發(fā)現(xiàn)可再入跨介質(zhì)無人飛行器后，即對其進行防空攔截，發(fā)射艦空導彈進行飽和攻擊。假設(shè)對于可再入跨介質(zhì)無人飛行器，敵方發(fā)射2枚艦空導彈進行攔截，則敵方編隊對我方整體毀傷效能P′為

P′=1-(1-P′0)N′

(9)

顯然，N′=N3，1-2，代入式(9)可得

P′=1-(1-P′0)N′=1-(1-P′0)N3，1-2

(10)

則當敵方編隊攜帶艦空導彈數(shù)量N3，1不同時，其在攔截跨介質(zhì)無人飛行器前后，對我方整體毀傷概率對比如圖8所示。

圖8 敵方對我方整體毀傷概率對比Fig.8 Comparison of the damage probability

圖8表明，敵方編隊發(fā)現(xiàn)并攔截可再入跨介質(zhì)無人飛行器后，其對我方整體毀傷效能顯著降低，且分析可知：1)敵方發(fā)射的攔截武器數(shù)量越大，可再入跨介質(zhì)無人飛行器對敵方整體毀傷效能的影響程度也越大；2)敵方編隊所攜帶的艦空導彈數(shù)量越少，其對我方整體毀傷效能的降低越顯著。

2.5 戰(zhàn)場生存能力模型

對于可再入跨介質(zhì)無人飛行器，其戰(zhàn)場生存能力可表示為其躲避和承受敵對環(huán)境或外力破壞的能力[6]，可用“在一定的敵對環(huán)境中，遭受具體攻擊或破壞情況下，可再入跨介質(zhì)無人飛行器憑借其自身的敏感性和易損性，抵抗外力沖擊的生存概率Ps”來度量，即

Ps=1-PD·PT·PH·PK/H

(11)

式中：PH為敵方發(fā)射或預置的武器成功瞄準、發(fā)射并成功擊中我方可再入跨介質(zhì)無人飛行器的概率；PK/H為可再入跨介質(zhì)無人飛行器被擊中條件下的損毀概率，其數(shù)值應取決于敵方武器裝備的威力及效能，還應取決于可再入跨介質(zhì)無人飛行器自身的易損性；PD，PT分別為可再入跨介質(zhì)無人飛行器被發(fā)現(xiàn)概率和被跟蹤概率，其數(shù)值應取決于敵方偵測系統(tǒng)探測能力，還應取決于其躲避敵方雷達、聲吶、水下監(jiān)聽設(shè)備等探測設(shè)備以及人為環(huán)境因素的能力。由上文分析可知，可再入跨介質(zhì)無人飛行器可通過姿態(tài)(介質(zhì))轉(zhuǎn)換縮小敵方探測設(shè)備的探測窗口，破壞敵方探測設(shè)備的穩(wěn)定跟蹤，從而降低PD，PT值，增大戰(zhàn)場生存能力Ps。

為便于比較，假設(shè)PH=0.6，PK/H=0.8，PD=PT。可再入跨介質(zhì)無人飛行器通過介質(zhì)轉(zhuǎn)換縮小敵方探測設(shè)備的探測窗口、破壞敵方探測設(shè)備的穩(wěn)定跟蹤后，將敵方發(fā)現(xiàn)概率降低30%(即P′D=0.7·PD)，跟蹤概率降低40%(即P′T=0.6·PT)。則由式(11)可知，在PD(PT)取不同數(shù)值時，傳統(tǒng)無人作戰(zhàn)平臺與可再入跨介質(zhì)無人飛行器的戰(zhàn)場生存能力對比如圖9所示。

圖9表明，在敵方發(fā)現(xiàn)(跟蹤)概率相同的情況下，可再入跨介質(zhì)無人飛行器的戰(zhàn)場生存能力要高于傳統(tǒng)無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)場生存能力。

圖9 傳統(tǒng)無人作戰(zhàn)平臺與可再入跨介質(zhì)無人飛行器的戰(zhàn)場生存能力對比Fig.9 Comparison of battlefield survivability between traditional unmanned combat platform and reentry cross-medium UAV

3 結(jié)束語

可再入跨介質(zhì)無人飛行器具有水、空兩棲往復跨域航行的能力，可降低敵方攔截跟蹤效能、縮小敵方探測窗口、占用并消耗敵方有限的作戰(zhàn)資源，能夠大幅提高我方海上作戰(zhàn)能力及智能化程度，具有良好的海戰(zhàn)場作戰(zhàn)應用前景。因此，可再入跨介質(zhì)無人飛行器將成為未來混合型海上無人系統(tǒng)的重點研究方向與發(fā)展趨勢之一。