王慶江，彭 軍，倪保航，徐學(xué)文，單 鑫

（海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001）

無(wú)人機(jī)偵察效能研究

王慶江，彭 軍，倪保航，徐學(xué)文，單 鑫

（海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001）

攜帶偵察設(shè)備對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行偵察是無(wú)人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上的重要應(yīng)用之一。以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，以CCD攝像機(jī)為偵察設(shè)備，提供了一種無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)的效能評(píng)估模型。在給出了無(wú)人機(jī)及偵察設(shè)備模型的基礎(chǔ)上，從影響無(wú)人機(jī)的偵察能力和偵察代價(jià)兩個(gè)方面著手，建立了對(duì)無(wú)人機(jī)偵察方案進(jìn)行效能評(píng)估的模型，從而解決了偵察方案優(yōu)劣的評(píng)價(jià)問(wèn)題，這對(duì)無(wú)人機(jī)高效的執(zhí)行偵察任務(wù)提供了理論決策依據(jù)。

無(wú)人機(jī)，偵察，CCD，效能評(píng)估

0 引言

由于偵察時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、偵察任務(wù)目的不同，無(wú)人機(jī)的偵察路徑也不同，一般可以分為對(duì)相距較遠(yuǎn)的、孤立目標(biāo)進(jìn)行偵察和大區(qū)域的、不明目標(biāo)進(jìn)行偵察兩種情況，文中只針對(duì)后一種情況。

對(duì)區(qū)域目標(biāo)偵察有多種方案，每種方案的費(fèi)效比顯然不同。因此，建立一個(gè)有效的偵察任務(wù)效能評(píng)估模型，從而每次執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)在眾多備選方案中找出一個(gè)較優(yōu)方案，就顯得尤為必要。

1 無(wú)人機(jī)偵察系統(tǒng)模型

無(wú)人機(jī)偵察系統(tǒng)的模型主要指無(wú)人機(jī)模型和偵察設(shè)備模型。

1.1 無(wú)人機(jī)模型

無(wú)人機(jī)在空間的運(yùn)動(dòng)可以用一個(gè)六自由度的空間質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)描述，具體模型見文獻(xiàn)［1］。

反應(yīng)無(wú)人機(jī)性能的參數(shù)較多（如速度、飛行高度等），其中較重要的其的過(guò)載能力（也可稱為加/減速度能力），它直接決定了無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎性能（用“最小轉(zhuǎn)彎半徑”描述），具體見文獻(xiàn)［2］。

1.2 傳感器模型

無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)所搭載的傳感器對(duì)偵察效果影響很大，文中無(wú)人機(jī)所搭載的探測(cè)用傳感器為CCD攝像機(jī)［3］（簡(jiǎn)稱為CCD），并假設(shè)CCD通過(guò)萬(wàn)向支架（云臺(tái)）安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)頭下方的半球形轉(zhuǎn)塔內(nèi)。

CCD工作時(shí)的瞬時(shí)探測(cè)區(qū)域是一個(gè)很重要的參數(shù)，它與CCD的視場(chǎng)角、俯仰角及無(wú)人機(jī)的飛行高度和飛行姿態(tài)有關(guān)，見圖1所示。設(shè)無(wú)人機(jī)作定高飛行，O點(diǎn)是CCD的安裝位置，OG軸為CCD的光軸在無(wú)人機(jī)飛行平面上的投影。圖1（a）是CCD對(duì)地探測(cè)的示意圖，圖1（b）是此示意圖在過(guò)OX軸所在的鉛垂面內(nèi)的投影。圖1（a）中，平面Ve表示目標(biāo)所在的平面，即水平面。一般情況下CCD所能探測(cè)到Ve中的區(qū)域Vaim是一個(gè)由點(diǎn)A、D、B、C圍成的橢圓，它就是CCD的瞬時(shí)探測(cè)區(qū)域，稱為CCD的“探測(cè)靶面”，簡(jiǎn)稱為靶面。在圖中，CO是靶面的中心，直線OCO為CCD的探測(cè)距離，rlong（直線段CD）和rshort（直線段AB）分別稱為靶面的長(zhǎng)軸和短軸。點(diǎn)C和點(diǎn)D分別稱為長(zhǎng)軸的近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)。過(guò)O點(diǎn)向目標(biāo)所在的平面做垂線并與CD或其延長(zhǎng)線交于E點(diǎn)，則OE就是無(wú)人機(jī)的飛行高度H。∠AOB、∠COD分別是CCD的水平和垂直視場(chǎng)角，分別用α、γ表示（兩參數(shù)一般相等）?！螪OX是CCD光軸與機(jī)軸所形成的俯仰角，也稱為安裝角，用β表示。

圖1 CCD的瞬時(shí)探測(cè)區(qū)域

下面計(jì)算靶面的rlong與rshort。當(dāng)無(wú)人機(jī)作定高飛行時(shí)，設(shè)CCD的俯仰角為β，CCD的視場(chǎng)角為γ，無(wú)人機(jī)的飛行高度為H。在無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)角為零的條件下，由圖1（b）可得靶面的rlong為：

由圖1（a），可得靶面的rshort：

線段OCO是CCD與掃描靶心間的距離。當(dāng)無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)，它就是在參數(shù)為H、α、β、γ時(shí)無(wú)人機(jī)的偵察距離Dscout，其值可以通過(guò)調(diào)整CCD的α、β、γ角來(lái)實(shí)現(xiàn)。由圖1可得。

將式（3）代入式（2）中，可得：

在圖中直線EC也是一個(gè)很重要的參數(shù)，它表示“從CCD在Ve中的投影點(diǎn)E到此點(diǎn)與靶面長(zhǎng)軸的近點(diǎn)C”之間的一段長(zhǎng)度，由于CCD的俯仰角和視場(chǎng)角的限制，落在此直線所在區(qū)間的目標(biāo)并不能被掃描到，因此，被稱作CCD的偵察“盲區(qū)”，用Dfront來(lái)表示，其值為：

無(wú)人機(jī)無(wú)論工作在偵察狀態(tài)還是跟蹤狀態(tài)，目標(biāo)都必須位于靶面內(nèi)。當(dāng)無(wú)人機(jī)在一定高度水平飛行，并保持β、γ角不變時(shí)，它的靶面掃過(guò)的區(qū)域就形成了一條帶狀區(qū)域，稱之為探測(cè)帶，此探測(cè)帶的寬度為靶面的短軸rshort。在偵察的過(guò)程中無(wú)人機(jī)要想對(duì)偵察區(qū)域進(jìn)行全偵察，則必須使探測(cè)帶掃描完全部的偵察區(qū)域。

2 無(wú)人機(jī)偵察效能模型

無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)可以從偵察能力和偵察代價(jià)兩個(gè)方面對(duì)其效能進(jìn)行考查。

2.1 系統(tǒng)偵察能力分析

無(wú)人機(jī)完成任務(wù)的能力Wcan（Wcan∈［0，1］）實(shí)際上就是無(wú)人機(jī)在偵察區(qū)域Sre（Sre是一個(gè)位于水平面內(nèi)的矩形平面，被偵察目標(biāo)分布于此區(qū)間）中偵察到目標(biāo)的能力，它可以用發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率Pf（Pf∈［0，1］）、對(duì)目標(biāo)的漏掃率Pm（Pm∈［0，1］）、系統(tǒng)性能概率Pd（Pd∈［0，1］）這3個(gè)參數(shù)表示：

無(wú)人機(jī)在執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率Pf是指當(dāng)無(wú)人機(jī)在對(duì)偵察區(qū)域Sre進(jìn)行偵察時(shí)，對(duì)存在于偵察區(qū)域中被偵察目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力。Pf可用下式表示：

其中：Ps（Ps∈［0，1］）表示目標(biāo)位于無(wú)人機(jī)探測(cè)帶內(nèi)并被偵察到的概率；Pp（Pp∈［0，1］）表示目標(biāo)落入探測(cè)帶內(nèi)，但沒(méi)有落在“不能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的區(qū)域”的概率。

在CCD的分辨率已定的情況下，Ps與落入探測(cè)帶內(nèi)目標(biāo)的大小及目標(biāo)識(shí)別的方法有關(guān)。如果目標(biāo)太小或目標(biāo)識(shí)別的方法不合理，即便是它被CCD偵察到也不會(huì)被識(shí)別到。Ps是一個(gè)描述目標(biāo)特性及偵察系統(tǒng)后期目標(biāo)處理能力的參數(shù)。

Pp主要是反映無(wú)人機(jī)與目標(biāo)的相對(duì)位置關(guān)系，并且反映Sre中地貌特征的一個(gè)參數(shù)。無(wú)人機(jī)在對(duì)偵察區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行偵察時(shí)，對(duì)于落入探測(cè)帶內(nèi)的目標(biāo)，并不一定能偵察到此目標(biāo)，見圖2所示。

圖2 在鉛垂面內(nèi)，障礙物對(duì)CCD偵察效能影響的示意圖

由圖2可知，由于受到障礙物的影響，對(duì)于位于探測(cè)帶AB內(nèi)“不能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的區(qū)域”FG中的目標(biāo)，CCD并不能偵察到此目標(biāo)。Pp與無(wú)人機(jī)相對(duì)于障礙物的高度、無(wú)人機(jī)上CCD的視場(chǎng)角、目標(biāo)是否在其附近施放了干擾或進(jìn)行了偽裝等因素有關(guān)。

對(duì)目標(biāo)的漏掃率Pm是指在Sre中存在‘無(wú)人機(jī)根本就沒(méi)有掃描到的區(qū)域（即：漏掃區(qū)，見圖3所示）’的概率，它是一個(gè)反映偵察方案中偵察模式的參數(shù)。

Pd是個(gè)系統(tǒng)性能概率，它指無(wú)人機(jī)所搭載的偵察設(shè)備由于自身的原因、無(wú)人機(jī)本身性能的原因、無(wú)人機(jī)沒(méi)有嚴(yán)格按照規(guī)劃路徑飛行、環(huán)境中有風(fēng)或有雨或有霧等原因所導(dǎo)致的‘本該被掃描但實(shí)際沒(méi)有被掃描’的概率。

圖3 無(wú)人機(jī)‘漏掃區(qū)’示意圖

對(duì)于Psc，可以用漏掃區(qū)域Ssc（SscSre）占Sre的比例來(lái)表示。

Pd是一個(gè)反映偵察設(shè)備、無(wú)人機(jī)性能、環(huán)境因素的參數(shù)，它表明：無(wú)人機(jī)所搭載的偵察設(shè)備性能越好、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)性能越好、環(huán)境條件越好，則無(wú)人機(jī)的偵察效能也越高。

2.2 系統(tǒng)偵察代價(jià)分析

無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)所付出偵察代價(jià)Wcost（Wcost∈［0，1］）包括如下4部分：①整個(gè)偵察過(guò)程的總飛行路徑長(zhǎng)度代價(jià)Dpath。Dpath包括在偵察區(qū)內(nèi)飛行的路徑長(zhǎng)度、從起點(diǎn)飛到‘進(jìn)入偵察區(qū)點(diǎn)’的路徑長(zhǎng)度、從‘離開偵察區(qū)點(diǎn)’飛到終點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度；②執(zhí)行偵察任務(wù)所費(fèi)的油料代價(jià)Ooil；③完成偵察任務(wù)所費(fèi)的時(shí)間代價(jià)Ttime；④禁飛區(qū)、障礙物、防空武器（導(dǎo)彈、火炮）、雷達(dá)等對(duì)無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)的威脅代價(jià)Tthreat。因此，可得下式：

設(shè)無(wú)人機(jī)第j條偵察路徑（即第j種偵察方案）由m條航路組成，當(dāng)無(wú)人機(jī)作勻速飛行時(shí)，其按第i（0≤i≤m）條航路飛行時(shí)的耗油量Coil表示為：

其中tj、roil-j、Dj、Vj是無(wú)人機(jī)按第i條航路飛行時(shí)的飛行時(shí)間、耗油率、航路長(zhǎng)度、飛行速度。

無(wú)人機(jī)一般情況下作勻速飛行。對(duì)于變速飛行，可以認(rèn)為無(wú)人機(jī)按平均速度飛行，從而將變速飛行轉(zhuǎn)化為勻速飛行。在某一高度的勻速飛行狀態(tài)下，無(wú)人機(jī)的耗油率與它的飛行速度成正比。由式（10）可知：無(wú)人機(jī)在某一高度下作勻速飛行時(shí)，它的耗油量、飛行時(shí)間都與它所飛過(guò)的航路長(zhǎng)度成正比，因此，可以認(rèn)為此時(shí)無(wú)人的飛行時(shí)間和耗油量是其航路長(zhǎng)度的函數(shù)。

對(duì)于禁飛區(qū)、障礙物、防空武器、雷達(dá)等所構(gòu)成的威脅，無(wú)人機(jī)一般采取規(guī)避和突防兩種手段。對(duì)于禁飛區(qū)、障礙物等威脅，無(wú)人機(jī)只能采用規(guī)避的方法。對(duì)于防空武器和雷達(dá)采用突防是不合理的（因?yàn)橐阎湮恢茫瑳](méi)必要在冒險(xiǎn)），因此，一般也是采取規(guī)避的方法（當(dāng)然，如果是為了獲知防空武器和雷達(dá)的信息而必需采用突防的方法則另當(dāng)別論）。當(dāng)無(wú)人機(jī)對(duì)威脅采用規(guī)避的手段時(shí)，會(huì)在其規(guī)劃的航路的路程長(zhǎng)度上反應(yīng)出來(lái)。

因此，如果無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)規(guī)劃了k種方案，其某方案由i（0≤i≤m）條航路組成，則無(wú)人機(jī)按第j（0≤j≤k）種方案執(zhí)行任務(wù)所付出的代價(jià)Wcost-j可以表示為：

2.3 偵察效能評(píng)估模型

無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)進(jìn)行效能評(píng)估的目的是在備選方案中按照某種規(guī)則找出一個(gè)最優(yōu)方案，從而使無(wú)人機(jī)付出代價(jià)最小的情況下，以最高的效率完成偵察任務(wù)，它的評(píng)估模型如下：

其中：F（F∈［-1，+1］）是無(wú)人機(jī)執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)的效能；K1、K2是大于零的常系數(shù)，主要是根據(jù)要求來(lái)調(diào)整代價(jià)與能力之間的權(quán)重。

3 常用偵察方案

對(duì)于大區(qū)域內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行偵察的方案常用的有掃描線模式和螺旋模式等多種［4］，見圖4所示，文中不詳述。

4 仿真分析

假設(shè)偵察區(qū)域Sre為一塊50 km×50 km的海域。無(wú)人機(jī)偵察時(shí)高度為1 km，速度也為100 m/s，最小轉(zhuǎn)彎半徑為1 km。CCD的俯仰角β為30°，通過(guò)控制云臺(tái)的左右轉(zhuǎn)動(dòng)，使偏航角α可達(dá)0°～180°，CCD的視場(chǎng)角α和γ相等，無(wú)人機(jī)按圖4（a）的方案執(zhí)行偵察任務(wù)，進(jìn)入和退出Sre的路徑長(zhǎng)度不計(jì)。無(wú)人機(jī)偵察的目標(biāo)為艦船，因此，只要目標(biāo)在靶面內(nèi)必被偵察到；考慮到在海面上可能受到隨機(jī)海風(fēng)、定位精度和飛控系統(tǒng)的影響，取Pd=0.95。按式（12）計(jì)算時(shí)，取K1=K2=0.5。

無(wú)人機(jī)按圖4（a）飛行時(shí)分為兩種方案：①使‘漏掃區(qū)’最小，即：所有的轉(zhuǎn)彎部分和部分直飛路徑都在Sre外；②使路徑最短，即：所有的轉(zhuǎn)彎部分和直飛路徑都在Sre內(nèi)。仿真結(jié)果見表1所示。

通過(guò)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

表1 仿真結(jié)果

①由于兩種方案的假設(shè)條件相同，Pf、Pd相同、Pm不同，因此，‘漏掃區(qū)’對(duì)Wcan的影響較大；

②通過(guò)兩種方案的原理可知，兩者在路徑長(zhǎng)度方面相關(guān)不大（這主要是因?yàn)閮煞N方案的區(qū)別不大），因此，Wcost的值相差不大；

③由于K1、K2的值相同、Wcost的值相差不大，因此，Wcan對(duì)效能F的影響較大；

④根據(jù)偵察環(huán)境和戰(zhàn)術(shù)要求，可以通過(guò)調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)，得到一個(gè)合理的偵察方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中從執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)的能力和執(zhí)行偵察任務(wù)時(shí)所付出的代價(jià)兩種方面考慮，提出了一種用于評(píng)估無(wú)人機(jī)偵察效能的模型。該模型為規(guī)劃無(wú)人機(jī)偵察任務(wù)方案提供了一種評(píng)估指標(biāo)，從而為其根據(jù)戰(zhàn)術(shù)要求找出一個(gè)較優(yōu)的偵察方案，提供了理論依據(jù)。

［1］高曉光.航空軍用飛行器導(dǎo)論［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002：93-121.

［2］王慶江，高曉光，符小衛(wèi).無(wú)威脅情況下任意兩點(diǎn)間的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31（9）：2157-2162.

［3］石嵐.外軍無(wú)人機(jī)光電偵查監(jiān)視載荷研究［J］.紅外與激光工程，2007，36（9）：103-106.

［4］彭輝，王林，沈林成.區(qū)域目標(biāo)搜索中基于改進(jìn)RRT的UAV實(shí)時(shí)航跡規(guī)劃［J］.國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（5）：86-91.

Research on Effectiveness for UAV to Execute Reconnaissance Mission

WANG Qing-jiang，PENG Jun，NI Bao-hang，XU Xue-wen，SHAN Xin
（Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

To reconnoiter a specified area is one of the important applications for UAV with reconnaissance equipment in modern battle field.Using UAV as implementation platform and CCD as reconnaissance equipment，this paper proposes an effectiveness evaluation model for UAV that is executed the reconnoiter mission.Based on the model of UAV and reconnaissance equipment，the capability and the cost of reconnaissance of UAV were analyzed Based on which，a model is built for evaluating reconnaissance scheme，thus the problem of how evaluate a reconnaissance scheme is solved. This model provides theoretic guidance for the UAV to execute reconnaissance mission effectively.

UAV，reconnaissance，CCD，effectiveness evaluation mode

V216.7

A

1002-0640（2015）05-0167-04

2014-03-15

2014-04-26

王慶江（1974- ），男，山東梁山人，博士。研究方向：系統(tǒng)工程。