屈高敏，董彥非，符凌云，李繼廣

(1.西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077；2.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，西安 710038)

0 引言

隨著航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類作戰(zhàn)飛機(jī)性能在快速提升的同時(shí)，其系統(tǒng)的復(fù)雜度也不斷增加，這導(dǎo)致整機(jī)采購(gòu)和使用等費(fèi)用也急劇攀升。為了解決新型作戰(zhàn)飛機(jī)各項(xiàng)費(fèi)用上漲過(guò)快的問(wèn)題，美國(guó)在20世紀(jì)60年代針對(duì)性地提出了效能和壽命周期費(fèi)用的概念，建立了效費(fèi)分析方法。使用效費(fèi)分析方法在飛機(jī)系統(tǒng)的整個(gè)壽命周期內(nèi)，全過(guò)程實(shí)時(shí)跟蹤和控制，分階段進(jìn)行評(píng)審，并做出相應(yīng)的決策，取得了顯著的效果[1-2]。

21世紀(jì)，以無(wú)人偵察機(jī)為代表的軍用無(wú)人機(jī)得到快速發(fā)展[3-6]，其研發(fā)過(guò)程中對(duì)效費(fèi)分析的需求也越來(lái)越迫切。對(duì)無(wú)人偵察機(jī)進(jìn)行效費(fèi)分析具有層次性要求，除了整機(jī)級(jí)的效費(fèi)分析，還要進(jìn)行系統(tǒng)/分系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)的效費(fèi)分析。

無(wú)人機(jī)效能評(píng)估在國(guó)內(nèi)開(kāi)展的研究較多，劉大成等人[7]采用改進(jìn)ADC模型綜合評(píng)估了反輻射無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)輻射源(雷達(dá))能力、突防能力和毀傷能力等分項(xiàng)能力；張旺等人[8]針對(duì)電子信號(hào)偵察設(shè)備、合成孔徑雷達(dá)和長(zhǎng)焦距傾斜CCD相機(jī)3種機(jī)載偵察載荷計(jì)算了協(xié)同偵察能力，在各分項(xiàng)模型評(píng)估的基礎(chǔ)上，采用線性加權(quán)算法建立了無(wú)人機(jī)多偵察載荷的協(xié)同偵察效能模型。這類以分項(xiàng)能力綜合建立的模型目前是無(wú)人機(jī)效能評(píng)估研究的主要方法[9-14]。此類效能評(píng)估方法沒(méi)有以系統(tǒng)/分系統(tǒng)和設(shè)備等實(shí)體為基礎(chǔ)建立評(píng)估模型，其主要問(wèn)題，一是整機(jī)級(jí)以下的效能評(píng)估無(wú)法與壽命周期費(fèi)用分析相匹配進(jìn)行效費(fèi)分析；二是不能從設(shè)備的角度分析整機(jī)效能，不利于費(fèi)用數(shù)據(jù)的搜集和處理。因此，出于對(duì)多級(jí)效費(fèi)分析以及相關(guān)費(fèi)用分析的需求，必須以設(shè)備和系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立無(wú)人偵察機(jī)各級(jí)效能評(píng)估模型。

綜合以上分析，本文首先基于系統(tǒng)/分系統(tǒng)建立整機(jī)級(jí)效能評(píng)估指標(biāo)體系框架，再針對(duì)各系統(tǒng)/分系統(tǒng)分別建立評(píng)估指標(biāo)體系，然后基于不同層級(jí)建立相應(yīng)的效能評(píng)估模型。

1 指標(biāo)體系

效能評(píng)估指標(biāo)體系是建立評(píng)估模型的基礎(chǔ)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)效能評(píng)估指標(biāo)要能夠保證針對(duì)具體的無(wú)人機(jī)進(jìn)行效能評(píng)估時(shí)，能根據(jù)實(shí)際需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)裁剪(在圖中可用虛線和虛框標(biāo)示)，以適應(yīng)數(shù)據(jù)資源和評(píng)估任務(wù)的特點(diǎn)和需求，滿足效能評(píng)估和效費(fèi)分析的要求。

本文選擇“無(wú)人偵察機(jī)系統(tǒng)效能”作為一級(jí)指標(biāo)。根據(jù)無(wú)人偵察機(jī)系統(tǒng)任務(wù)功能種類和效能評(píng)估需要，在一級(jí)能力指標(biāo)下以系統(tǒng)/分系統(tǒng)/設(shè)備為中心進(jìn)行分解，形成二級(jí)效能指標(biāo)：無(wú)人機(jī)平臺(tái)、數(shù)據(jù)鏈、任務(wù)載荷(雷達(dá)、光電等)、地面站、情報(bào)分發(fā)等。指標(biāo)體系中無(wú)人機(jī)平臺(tái)指標(biāo)雖然是必選項(xiàng)，但是在效能評(píng)估時(shí)，其后續(xù)的二級(jí)或者三級(jí)指標(biāo)均可根據(jù)需要剪裁。二級(jí)效能指標(biāo)確定后，各項(xiàng)效能向下再分解形成系統(tǒng)級(jí)/分系統(tǒng)級(jí)能力指標(biāo)，即三級(jí)能力指標(biāo)。無(wú)人偵察機(jī)效能評(píng)估指標(biāo)體系框架示意圖如圖1所示。

圖1 無(wú)人偵察機(jī)效能評(píng)估指標(biāo)體系框架示意圖

二級(jí)指標(biāo)中，無(wú)人機(jī)平臺(tái)和數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)潜剡x指標(biāo)。無(wú)人機(jī)平臺(tái)效能評(píng)估指標(biāo)體系如圖2所示，數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估指標(biāo)體系如圖3所示。所有無(wú)人機(jī)系統(tǒng)都要包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)的評(píng)估，其他二級(jí)指標(biāo)則要根據(jù)無(wú)人機(jī)類型和功能、評(píng)估任務(wù)需要以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備情況等合理剪裁選擇?？尚哦群涂捎枚雀鶕?jù)數(shù)據(jù)可用情況和評(píng)估需要決定取舍。

圖2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)效能評(píng)估指標(biāo)體系

圖3 數(shù)據(jù)鏈效能評(píng)估指標(biāo)體系

無(wú)人偵察機(jī)的偵察設(shè)備主要包括合成孔徑雷達(dá)(SAR)和機(jī)載光電偵察設(shè)備等(如電視攝像設(shè)備、熱成像儀、相機(jī)和激光設(shè)備等)。雷達(dá)效能評(píng)估指標(biāo)體系如圖4所示。

實(shí)際評(píng)估中，數(shù)據(jù)鏈路的機(jī)載終端和地面終端是聯(lián)合使用的，可以僅在數(shù)據(jù)鏈評(píng)估時(shí)考慮。地面控制站效能評(píng)估指標(biāo)體系如圖5所示。此外，根據(jù)需要，情報(bào)處理也可以在專門的情報(bào)處理與分發(fā)評(píng)估中考慮。

圖4 雷達(dá)效能評(píng)估指標(biāo)體系

圖5 地面控制站效能評(píng)估指標(biāo)體系

二級(jí)能力指標(biāo)還可以繼續(xù)分解。根據(jù)不同的系統(tǒng)/分系統(tǒng)，可以分解到相應(yīng)的系統(tǒng)/分系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

2 分級(jí)建模

2.1 整機(jī)評(píng)估模型

根據(jù)實(shí)際使用，將無(wú)人偵察機(jī)各分系統(tǒng)/設(shè)備能力進(jìn)行相關(guān)性分析，進(jìn)而判斷各分系統(tǒng)/設(shè)備能力之間是“加性”數(shù)學(xué)關(guān)系還是“乘性”數(shù)學(xué)關(guān)系。將相關(guān)的能力指標(biāo)之間處理為相乘的關(guān)系，不相關(guān)的能力指標(biāo)處理為相加的關(guān)系。

無(wú)人偵察機(jī)的整機(jī)效能主要由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、地面控制站、任務(wù)載荷和數(shù)據(jù)鏈四部分組成。根據(jù)評(píng)估任務(wù)需求，可以選擇是否加入第五部分“綜合保障”。

無(wú)人機(jī)平臺(tái)效能EF、地面控制站效能EC和任務(wù)載荷效能ER之間無(wú)關(guān)，處理為加權(quán)和關(guān)系，數(shù)據(jù)鏈效能ED和綜合保障效能Ez與以上分項(xiàng)效能相關(guān)，處理為相乘的關(guān)系，建立分項(xiàng)能力綜合的混合數(shù)學(xué)模型：

E=(WEFEF+WECEC+WERER)EDEZ(1)

式中：無(wú)人機(jī)平臺(tái)效能權(quán)重值WEF取值0.45；地面控制站效能權(quán)重值WEC取值0.10；偵察任務(wù)載荷權(quán)重值WER取值0.45。

模型中權(quán)重取值參考GJB 6704-2009中數(shù)據(jù)，其中未涉及的采用專家打分以及層次分析法確定，以下的評(píng)估模型采用類似方法處理。

2.2 系統(tǒng)/分系統(tǒng)評(píng)估模型

無(wú)人機(jī)平臺(tái)由機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)、飛控設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備和智能化設(shè)備組成。

CF=0.36Cb+e+0.23Cng+0.21Cfc+0.20Ci1(2)

式中：Cb+e為機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)能力；Cng為導(dǎo)航能力；Cfc為飛行控制能力；Ci1為智能化水平。

無(wú)人機(jī)機(jī)體與發(fā)動(dòng)機(jī)工作能力由飛行性能(包括機(jī)動(dòng)性能參數(shù)、基本性能參數(shù))和生存力組成：

式中：機(jī)動(dòng)能力參數(shù)Man、基本性能指標(biāo)Bp和生存力參數(shù)Sur上面的橫杠表示要進(jìn)行歸一化或公度化處理(以下同)；權(quán)重系數(shù)wMan、wBp、wSur分別為0.35、0.28、0.37。

機(jī)動(dòng)性能參數(shù)Man用無(wú)人偵察機(jī)最大允許過(guò)載、最大盤旋過(guò)載和最大單位重量剩余功率求得：

式中：εc為操縱性能系數(shù)；nymax為最大法向過(guò)載量；nyp為最大盤旋過(guò)載量；SEP為單位重力剩余功率；權(quán)重系數(shù)wB1、wB2、wB3分別取0.35、0.35、0.3。

數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的工作能力為：

式中：CD1為通信能力，通信能力權(quán)重值WcD1取值0.2；CD2為遙控指令傳輸能力，遙控指令傳輸能力權(quán)重值WCD2取值0.3；CD3為遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸能力，遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸能力權(quán)重值WCD3取值0.3；CD4為偵察信息傳輸能力，偵察信息傳輸能力權(quán)重值WCD4取值0.2。

任務(wù)載荷中，SAR工作能力為：

式中：CR11為SAR條帶工作模式能力，SAR條帶工作模式權(quán)重值WCR11取值0.35；CR12為SAR聚束工作模式偵察能力，SAR聚束工作模式偵察能力權(quán)重值WCR12取值0.35；CR13為GMTI工作模式偵察能力，GMTI工作模式偵察能力權(quán)重值WCR13取值0.3。

地面控制站工作能力：

式中：CC1為無(wú)人機(jī)控制能力歸一化值，無(wú)人機(jī)控制能力權(quán)重值WCC1取值0.35；CC2為任務(wù)載荷控制能力歸一化值，任務(wù)載荷控制能力權(quán)重值WCC2取值0.25；CC3為情報(bào)處理與分發(fā)設(shè)備控制能力歸一化值，情報(bào)處理與分發(fā)設(shè)備控制能力權(quán)重值WCC3取值0.20；CC4為設(shè)備余度歸一化值，設(shè)備余度權(quán)重值WCC4取值0.20。

3 效能評(píng)估分析

選取國(guó)外七種無(wú)人偵察機(jī)URA1至URA7，分別計(jì)算無(wú)人機(jī)平臺(tái)、數(shù)據(jù)鏈、偵察任務(wù)設(shè)備、地面站等分系統(tǒng)效能，再綜合計(jì)算整機(jī)系統(tǒng)效能評(píng)估。

為了驗(yàn)證模型，選擇GJB 6704-2009無(wú)人偵察機(jī)效能分析方法中的效能評(píng)估總模型[15]。不同的建模思想或方法得到的效能值會(huì)存在差異，但是如果建模和計(jì)算合理，總體結(jié)果(如效能排序)應(yīng)該一致或略有差異，可以相互印證。七種無(wú)人偵察機(jī)效能評(píng)估計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，本文的效能評(píng)估模型計(jì)算結(jié)果與GJB模型計(jì)算結(jié)果在效能排序上基本一致，僅在第5名與第6名排序上，URA5與URA4有位置交換。可以說(shuō)明建模方法的合理性。

表1 七種無(wú)人偵察機(jī)效能評(píng)估計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)無(wú)人偵察機(jī)指標(biāo)體系可以全面反映效能的層次性和面向設(shè)備的要求。

(2)無(wú)人偵察機(jī)整機(jī)級(jí)和系統(tǒng)/分系統(tǒng)評(píng)估建模思路和方法合理、可用，可以滿足多級(jí)效費(fèi)分析要求。

(3)本文的評(píng)估方法以及效能評(píng)估結(jié)果僅具參考作用，具體評(píng)估需要根據(jù)評(píng)估目的、數(shù)據(jù)完整度等因素，結(jié)合參數(shù)敏感性分析，參考本文評(píng)估方法，最終確定符合項(xiàng)目需求的評(píng)估模型和方法。