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有/无人直升机协同攻击任务场景想定和需求分析
 
作者: 潘寒尽 辛冀 高超
104 次浏览     评价:  
 2020-1-14
 
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本文介绍一种在有人直升机-无人直升机的协同模式基础上,攻击型无人直升机发挥自身优势,低空突防、攻击敌防空雷达的战法思考,并进行初步的同种任务装备对比论证。
文章来自微信公众号系统工程,由火龙果软件Luca编辑推荐。

摘要:

基于有/无人机协同作战概念,从高原边境作战实际出发,计算了低空突防武器的被发现概率,对比论证了无人直升机在突防攻击作战中的优势,根据现有技术条件,想定了有/无人直升机协同攻击敌防空雷达的任务场景。采用装备需求论证方法,分析了无人直升机的新增功能、接口和部分性能需求。最后,从充分发挥无人直升机超低空突防这一优势的角度出发,考虑远距离超低空飞行对数据链断路的影响,考虑未来无人直升机的自主技术发展,扩展了有/无人直升机协同程度的等级定义。

1.概述

在现代战场上,虽然海、空军装备发展一日千里,可以在战争中以较短的时间取得显著的火力杀伤与摧毁效能。但海空军仍然不是赢得最后胜利的武装力量,对于控制地面局势仍然不能施加决定性影响,而陆军的地面进攻和占领仍是将暂时优势化为持久优势的主要手段。

远程火力投送、作战目标精确打击和引导打击战是陆上重要战场任务。当前,我国边境地区安全受到严重威胁,在高原边境地区,某国经过长年厉兵秣马,挑衅行为日益增加,不断制造边境矛盾,试探我国底线。中国和某国边境是高原山区,地形极为复杂,且某国军队在边境一侧部署重兵。一旦发生冲突,需要我陆空军密切配合,首要任务是对敌防空网的破坏、联合夺取制空权和确保陆军机动推进能力。

空军在攻击敌大规模有生力量、公路、桥梁和要害部位等任务方面具有决定性作用,但在对敌防空力量密集地区实施的进攻行动中,使用战斗机完成突防任务往往会造成己方较大的损失。在海湾战争和伊拉克战争中,对敌防空网,美军大量使用武装直升机进行先期的超低空突防和攻击,取得了良好效果,说明陆军航空装备可以在此类作战任务中发挥更加突出的作用。因此,应针对边境山区战役中攻击、毁坏敌防空网的任务,探索新的战术战法和技术装备应用。

有/无人机协同作战是指在同一的指挥控制下,综合利用有人机与无人机的特点,充分发挥各自的优势,共享战场信息进行相互支援、保障和掩护,通过整体力量完成作战任务。美英等国针对这一作战模式研制了多款互操作支撑系统,现已进入集成演习验证阶段[1-3],但无人直升机的应用还很少。下面将介绍一种在有人直升机-无人直升机的协同模式基础上,攻击型无人直升机发挥自身优势,低空突防、攻击敌防空雷达的战法思考,并进行初步的同种任务装备对比论证。

2.作战任务介绍

有人机在敌人防区外实施中高空目标指示,无人直升机配合有人机执行突防和攻击任务,主要攻击敌防空导弹阵地的雷达和附近的雷达保障设施,为我方空中力量打开进攻通道;

2.1 同任务竞争装备

可完成同类任务的竞争装备主要有远程巡航导弹、无人固定翼飞机、近程空对面导弹、近程陆对面导弹等。

2.2 无人直升机适用性论证

(1)远程巡航导弹(如战斧、长剑系列)

远程巡航导弹造价高,主要用于执行战略任务;

飞行离地高度仍较高,易受到地面火力打击;

准备时间长、预先侦察信息要求多,还无法打击地面运动目标;

导航精度较低,对临时出现的目标和障碍物应变能力有限;

导弹航迹灵活性有限,在防空导弹密集区容易遭到拦截;

攻击后不能实施毁伤评估,或毁伤评估信息极少,评估准确性差。

(2)无人固定翼飞机携带空对面导弹实施攻击

速度高,高度高,航迹规划灵活性差;

目标大,易被导弹拦截;

高速攻击精度差;

准备时间长、部署场地要求高,不易满足陆军任务的高实时性要求。

(3)有人直升机携带空对面导弹攻击

目标大,极易受到防空导弹或地面攻击;

长时间高空侦察、打击、评估,发射导弹需要进入敌防空导弹射程,飞行员人身危险性高。

(4)近程陆对面导弹

运输目标大,运输必须依靠公路,运输过程中易受到来自空中和地面的攻击;

飞行高度较高,山区超低空突防成功率低,易被拦截;

攻击后不能实施毁伤评估,或毁伤评估信息极少,评估准确性差。

(5)无人直升机携带空对面导弹攻击

有人机位于敌防区外实施高空目标指示,无人直升机携带空对面导弹进入敌防空导弹射程内实施突防和攻击,具有如下优点:

无人直升机雷达反射面积小,能远程传播的噪声小、可在60m以下超低空雷达盲区内低空突防,隐身性能良好,适合山区复杂地形使用(这也正是防空导弹系统常见的隐藏位置)。

可在遇到地面火力和雷达锁定时临时垂直隐蔽,遇到攻击可立即重新规划航迹,被拦截几率低。

实施攻击时可采用更为灵活的垂直跃升-下降攻击方式,易于实施攻击后毁伤评估和二次攻击。

无人员伤亡风险。

单机价格低廉,近程空对面导弹或激光制导炸弹价格低廉,攻击成本低,适合战术使用,甚至适合与敌方伪装类装备进行交换性试探。

准备时间短,起降场地要求低,可配备边境前线附近哨所,部署范围广,战场适用性好,应有人机召唤即可从最近基地飞来。

以500-1000kg量级无人直升机的小巧和机动能力、及其无人特性,可以灵活转弯、低空突防到十分抵近目标的位置实施隐蔽精确打击。

综上,该项任务较适合由有人机与无人直升机配合,以无人直升机实施突防、攻击行动,最终得以完成。

2.3 地面防空预警雷达对低空突防装备的有效探测距离对比

这一节将给出地面防空预警雷达对上述不同装备的探测距离。其中,固定翼飞机、有人机直升机的飞行高度和雷达反射面积均大于无人直升机,因而其飞行中被有效探测距离必然更大。这里将主要对比亚音速巡航导弹和无人直升机在山区飞行中飞行被敌方雷达探测几率。亚音速巡航导弹飞行高度略高于无人直升机,但雷达反射面积较小,速度比直升机快得多。应采用理论公式对这两者的被探测距离做详细对比。

因无人直升机依靠实时航迹调整来规避威胁,因此与巡航导弹相比,二者的毁伤概率很难比较,以给定探测概率下防空雷达对二者的预警探测距离来评估其航线生存力是较好的评价办法。

巡航导弹参数为:雷达反射面积RCS=0.3㎡,飞行高度150m,飞行速度880km/h;

无人直升机参数为:雷达反射面积RCS=0.5㎡,飞行高度60m,飞行速度100km/h。

首先,假设防空雷达天线离地5m,则根据雷达视距计算公式,它对巡航导弹的探测距离为60km,对无人直升机的探测距离为41km。

在此距离内,按照累计探测概率为0.99的要求,使用下面公式计算防空雷达对目标的期望有效探测距离和为满足要求的探测概率而需要实施的扫描次数可使用下面方程组计算。

式中各变量的含义和值参考文献[4]定义为:雷达功率,天线增益,多普勒滤波器宽度,系统噪声系数,系统损耗,大气温度,雷达工作波长,玻尔兹曼常数,虚警概率,雷达半功率天线方位波束,脉冲重复频率,天线扫描速度是雷达检测概率,是单次扫描发现目标概率,是N次扫描的累积发现概率,也是计算的一个目标值。是目标从进入雷达探测范围到在处被发现之前,雷达扫描周期数。

经过仿真计算,巡航导弹和无人直升机两种装备的有效雷达探测距离如表1所示。在此距离内需继续降低高度,或依靠地形实施隐蔽,不能长时间暴露于敌雷达范围内。

表1 导弹和无人机被探测距离仿真结果

可见,无人直升机的有效探测距离仍较小,这应该是因为亚音速飞行并未使巡航导弹飞越雷达感知环的时间相比雷达扫描时间有量级上的缩减,而低空上目标高度的变化则对雷达探测概率影响很大[5]。表1中的结果从定量的角度敌证前文对无人直升机高原突防作用的适用性。

3.任务场景想定

3.1 任务背景和使命任务

我边境爆发冲突,敌军大量越过边境。在正面防御的同时,为延迟敌军攻势,为支援到来争取时间,我军指挥部决定对敌军后方实施大规模空中打击,切断敌军补给线。但边境线敌方一侧部署的密级防空网对我军开展大规模行动构成巨大威胁。经过作战方案权衡,我军指挥部决定,首先根据各方面情报,以有人直升机-无人直升机协同作战的方式,攻击敌防空导弹阵地雷达,瘫痪敌防空导弹系统。

3.2 作战节点

作战节点是能完成一系列作战任务的一类作战人员、装备的总称。本文将考虑将有人机和无人机系统整体看成一个节点,分析其任务并。

3.2.1 己方作战节点

(1)空中攻击雷达任务作战节点

子节点一:有人直升机

子节点二:无人直升机平台

子节点三:无人直升机地面控制站

(2)机场单位

(3)哨所单位

在本任务场景中,根据当前国内技术条件,假设有人机-无人机为2级协同程度。在起飞后,无人机接受有人机情报和指令,但在转发给地面站后由地面站对无人机进行任务载荷与航迹的操控。无人机信息直接通过数据链发送到有人机上。

3.2.2敌方作战节点

(1)防空导弹车

(2)防空雷达

(3)携带轻武器的敌军巡逻队

3.3 作战环境

目标防空导弹和雷达部署于国境线敌方一侧纵深50km处的山谷中。

3.4 使命任务逻辑图

根据上面对无人直升机协同有人直升机实施雷达攻击这一使命任务的作战优势和环境出发,想定使命任务的作战逻辑如下图所示。

图1 有/无人直升机协同突防攻击任务逻辑图

3.5任务场景时序想定:

根据使命任务逻辑图,以有人机-无人机系统作战节点为中心,想定一典型的任务场景。对后续功能任务的分析,也将基于此整体过程进行分解抽样得到。战场态势简图如下所示。

图2 有/无人直升机协同攻击作战态势简图

(1)有人直升机从后方机场起飞,作战任务半径约200km,飞赴敌边境附近的近程防空导弹阵地,在其射程(50km)范围外,在必要高度盘旋(刚刚能直线探测到敌雷达波的高度,离地约100m,应借助地形尽量隐蔽),以机载雷达实施电子侦察,根据敌方防空雷达辐射信息定位敌防空雷达位置,并保证与无人直升机的通信;

图3 有人直升机对敌防空雷达实施电子侦察

(2)无人直升机装载近距离空地导弹、或小型反辐射导弹,从距离敌约100km的国境线内前沿哨所或基于车辆的临时部署点起飞,飞行约50km后,按预定时间飞临有人机附近区域,与有人机建立联系;

图4 无人直升机从前沿哨所起飞

图5 无人直升机与有人直升机建立数据链联系

(3)靠近敌防空导弹阵地时,无人直升机根据有人机指示的目标位置规划航迹,实施离地60m高度的超低空山区飞行;

(4)无人直升机显示被雷达锁定,立即转入人工指令操作模式,减速下降高度,待锁定解除后,在保持与有人机数据链畅通的条件下,继续超低空飞行;

图6 无人直升机被敌雷达锁定后降低高度飞行

(5)无人直升机在山谷中遭到不明攻击,立即转入人工指令操作模式,下降高度,掉头,待安全后重新设置航线,可从丘陵另一侧绕过;

(a)无人直升机遭到地面轻武器攻击

(b)无人直升机改变航迹

图7 无人直升机遭到地面武器打击后改变航迹

(6)敌防空雷达进入无人直升机机载对地导弹射程(假设约10km),无人直升机减速、隐蔽,打开导弹导引头;

图8 无人直升机接近敌防空雷达后隐蔽

(7)无人直升机跃升,发射导弹后垂直下降;

图9 无人直升机垂直跃起发射导弹

(8)待导弹战斗部爆破时间过后,无人直升机打开第二枚导弹导引头,再次垂直跃起,短暂悬停,使用光电设备进行毁伤评估,将信息发回有人机,有人机决策是否进行第2轮攻击,指示无人直升机再次发射导弹或返航。

图10 无人直升机对目标实施毁伤评估

图11 无人直升机攻击任务完成,返航

据此绘制任务场景时序图如下图所示。

图12 任务场景时序图

3.5系统节点功能需求分析

下面按照时序图中的每一项运行使用阶段任务,改进文献[6]中的任务-功能映射矩阵,设计形成如下表格,补充相应装备的功能需求信息。限于篇幅,这里仅展示无人机系统的部分功能要求。

表2 功能任务-功能映射矩阵表

3.6性能指标分析

下面采用任务-性能矩阵判断法,以对有人机数据链通信功能和航线飞行功能的部分功能任务为例,分析任务场景中各系统的功能任务所应达到的性能指标。有/无人直升机协同攻击场景的本意是固定目标空袭作战,以取得偷袭效果为主,对战场时效性的要求较弱,部分性能指标无法单纯从场景中反映,需要参考各种标准的指标库和规范初步建立。本文以方法研究为主,技术指标经过销密处理,读者可不必在意其准确性。

表3 地面站发送指令类功能任务性能指标分析

表4 地面站航迹规划类功能任务性能指标分析

表5 无人机平台功能任务性能指标分析

综合地面站各项功能任务性能指标,在视距内起飞操控中,始终以指令方式操控起飞的无人直升机可以放宽地面站指令发送要求。对于完成一次航迹操控设置任务,按要求最高的功能任务进行决策,每次规划航迹点数应不少于5个,每个航迹点的操控手规划时间不多于10s,单次发送的航线数据在地面站计算机内的处理生成时间不应多于10s,在航迹点位置的高精度规划中,应有手段使规划精度不少于0.1m。

综合航线飞行功能的各项功能任务指标,可得到在任务场景中,飞行航程不应小于200km,其中超低空的突防和撤出航程不应少于100km。

需要注意的是,在型号研制中,从任务场景中得到的性能指标值通常不能直接写入直升机型号的《研制总要求》或《系统规范》中,型号战技指标必须在经过考虑技术水平、研制周期、费用和国外同类技术装备战技指标后,综合权衡获得。

3.7 任务场景新增典型需求捕获

(1)功能和接口需求

通过任务场景的功能任务分析,对比于国内现有100kg以上的无人直升机型号,与有人直升机配合实施攻击的目标无人直升机平台和地面站将会增加如下功能和接口需求:

平台功能新增需求:

①无人直升机平台应能与有人直升机和地面站同时进行数据链通信;

②数据链路应能将有人直升机通信转发给地面站;

③无人直升机的航线信息、任务载荷状态信息和毁伤图像信息应与有人直升机实时共享;

④无人直升机平台能够根据地面站操控指令,保持对有人直升机探测侦察类航线的跟随飞行;

⑤无人直升机平台应能够根据地面站操控指令,在高原山区战场实施超低空靠近雷达目标的航线飞行;

⑥无人直升机平台应能够根据地面站不断修正的操控指令,在导弹攻击中实施超低空垂直跃升-下降型航线飞行;

⑦无人直升机应能够根据地面站指令,打开导弹导引头;

⑧无人直升机应能够根据地面站指令,在飞行中发射导弹;

⑨无人直升机应能具有雷达锁定预警功能;

⑩无人直升机应具备自主规避雷达功能。

地面站功能新增需求:

①地面站应能规划无人直升机对有人直升机的跟随航迹;

②地面站应能规划无人直升机在高原山区战场超低空接近雷达目标的航迹;

③地面站应能规划无人直升机的超低空垂直跃升-下降的导弹攻击或毁伤评估航迹;

④地面站应能展示无人直升机附近地形环境,以供指挥员评估是否适合实施雷达攻击;

⑤地面站应能精细展示无人直升机姿态变化,以供操控人员评估是否遭到攻击。

平台接口新增需求:

①平台应具有接收有人直升机的航迹、目标位置和任务指令信息的接口;

②平台应具有向有人直升机发送呼叫信息、航迹信息、飞行状态信息、任务载荷状态信息和毁伤评估信息的接口;

③平台应具有接收地面站航迹操控指令、任务载荷操控指令的接口;

④平台应具有向地面站转发有人直升机目标信息、指令信息和航迹信息的接口。

(2)典型性能需求

①无人直升机最大航程不小于200km,其中在高原边境山区的超低空航程不少于100km;

②无人直升机应在15s内完成一次垂直跃升-下降;

③无人直升机每次垂直跃升-下降高度不小于3m;

④无人直升机每次垂直跃升后稳定悬停最短时间不高于2s。

4.无人直升机与有人机协同作战的未来展望

上述场景是考虑到国内目前的无人直升机以侦察监视任务为主的技术现状,仅以2级有/无人机协同程度进行了想定,有人直升机和无人直升机之间不存在直接互操作关系。而美军规定并实现了更高协同等级[1],包括有人机对无人机直接的任务载荷操控、航迹操控等。

但对于无人直升机,美军该规定的任务适用性可能并不强,或者仍需增补能力需求,主要因为以下两点:

(1)在与有人机的配合中,无人直升机必将以前出执行任务,这决定其任务以突防为主,对于以低空低速飞行为主要特点的无人直升机,在复杂地形中其突防优势表现为良好的超低空地形跟随飞行能力,但在这种航迹中,数据链极易被地形隔断,这就无法保证与有人机的互操纵能力;

(2)在直升机专有任务科目如垂直攻击、近距毁伤评估当中,无人直升机的航迹十分复杂,与无人直升机协同的武装直升机、战斗机通常空间有限,需要由飞行员或武器手担任无人直升机操控手任务负荷重,甚至可能无法完成。

综上,为实现有人机/无人直升机的协同作战任务优势,无人直升机需要提升自身在数据链断路情况下的自主任务和航迹规划能力。据此,本文初步将专用于有人机/无人直升机协同的等级划分如下表所示。

表6 有/无人直升机协同作战互操作等级扩展表

   
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