中国指挥与控制学会会刊 
无人机技术的高速发展,推动无人机在作战领域的广泛应用,“蚁群”、“蜂群”等理念层出不穷,但多数还是针对同一类型、相同功能的无人机组队作战,研究如何进行目标分配[1]和路径规划[2-3]以提高单架无人机的作战效能。对于无人机群作战效能研究,美军曾提出一种基于马尔科夫过程和概率论的方法[4],将无人机群作为整体进行效能分析;很多学者也提出采用指数法[5]或ADC(Availability Dependability Capability,ADC)模型和方法[6-7]分析无人机群的作战效能,但以上方法并没有涉及不同类型无人机协同作战时的相互影响作用,也没有考虑无人机群编成配置不同对作战效能的影响关系。
无人机群协同作战是指两架或两架以上的无人机在同一组织下,根据各自不同的机型、功能,充分发挥自身优势,相互之间协同合作,以完成既定作战任务的作战方式。不同类型无人机组群作战,可以弥补无人机的功能短板,结合具体作战任务,根据任务载荷类型、特性,通过优化机群规模和编配比例,将更充分发挥机群的整体作战效能。
1 评估指标体系
单架无人机协同作战效能(A),即无人机在机群协同作战条件下的单机作战能力,结合无人机的实战过程及特点,为便于分析研究,简单可将其分解为综合火力能力(A1)和多机协同能力(A2),其评估指标体系[7]如图1 所示。
1.1 指标说明
综合火力能力(A1)主要由以下4个性能参数确定:
1)火控解算能力(A11)主要包括武器攻击区计算、火力控制诸元、导弹制导指令和雷达扫描中心的计算等;
2)火力毁伤能力(A12)指无人机载武器对目标的毁伤能力,与机载攻击武器的种类、数量有关;
3)战场生存能力(A13)指无人机不被敌人发现和攻击及抗打击能力,与无人机的雷达反射面积和抗毁性能有关;
4)搜寻打击能力(A14)指无人机自身机载设备发现、跟踪和攻击目标的能力,与机载探测设备侦察性能有关。
多机协同能力(A2)主要由以下5个性能参数确定:
1)信息融合能力(A21)指机群中多源传感器的数据融合能力,取决于各探测器的探测能力和融合处理能力;
2)电子战能力(A22)指无人机自身机载电子设备的电子战性能,与机载电子系统有关;
3)通信信息共享(A23)指无人机进行信息交换与互享的能力,取决于机间通信的保密性和抗干扰能力;
4)协同感知(A24)指通过无人机间协同测量定位目标的能力,受单机传感器的感知能力和机间协同影响;
5)同步攻击(A25)指在约定攻击时间不同无人机武器同时到达目标的能力,受无人机通信、任务规划和计算能力影响。
作战能力指标体系是一个三层体系结构,通过计算各层指标的权重,结合各指标的作战效能评估值,进而加权求和得出。
1.2 任务载荷特性向量
任务载荷是无人机作战系统的重要组成部分[10],结合作战武器平台接口通用化的发展趋势,可通过使无人机装载不同的任务载荷来实现不同作战功能。任务载荷有光电侦察载荷、激光雷达、电子战任务载荷及攻击武器等类型,发展呈多元趋势。
为便于研究分析,这里将无人机任务载荷分为侦察监视载荷、软硬攻击武器载荷和电子战任务载荷[11]三类。侦察监视载荷具有目标搜索、捕获、跟踪以及武器发射后控制和毁伤效果评估等功能;软硬攻击武器载荷具有武器发射和制导功能,根据携带武器不同可担负掩护任务、压制敌防空火力任务和攻击任务,为便于分析这里统称为攻击载荷;电子战任务载荷主要完成电子干扰和电子对抗任务。
无人机携带不同类型任务载荷时其作战性能明显不同。这里使用任务载荷特性向量来描述任务载荷具有的各种作战能力,结合影响作战效能的9项效能评估指标,任务载荷特性向量可表示为
CH={A11,A12,A13,A14,A21,A22,A23,A24,A25}
针对某项能力指标,当任务载荷具备该项能力时将其表示为1,不具备该项能力时将其表示为0。
侦察监视载荷不具备火力打击能力和电子战能力,故其特性向量可表示为
CHS=(chSi)1×9={0,0,1,1,1,0,1,1,1}
软硬武器攻击载荷不具备侦察监视能力和电子战能力,其特性向量为
CHA=(chAi)1×9={1,1,1,0,1,0,1,1,1}
电子战载荷不具备火力打击能力和侦察监视能力,其特性向量为
CHE=(chEi)1×9={0,0,1,0,1,1,1,1,1}
1.3 效能影响因子
在无人机群协同作战行动中,由于不同任务载荷的参与协同作战,会使其他无人机充分发挥作战效能,机群整体作战效能将明显增强。这里使用效能影响因子描述任务载荷的使用对无人机作战能力的影响程度。
如侦察监视载荷的作战使用将可增强系统情报信息获取能力,有效提升攻击载荷的命中概率,提升火力打击效能,火力打击能力受影响程度可用侦察监视效能影响因子(ξS)表示;电子战任务载荷的使用可对敌进行电子干扰,降低无人机被发现概率,提高无人机作战平台的生存能力,其影响效果可用电子战效能影响因子(ξE)表示。效能因子计算方法将在下节单独介绍。经效能影响因子修正后,各任务载荷特性向量分别为:
C =(c )1×9={0,0,ξE,1,1,0,1,1,1}
C =(c )1×9={1,ξS,ξE,0,1,0,1,1,1}
C =(c )1×9={0,0,ξE,0,1,1,1,1,1}
2 效能影响因子计算
多架无人机协同作战过程可分解为若干子过程,每个子过程受很多因素影响,包含不确定性。在子过程j中,将其影响因素i满足作战任务需求的程度用隶属度Ri来表示(Ri∈[0,1]),影响因素完全满足任务时值隶属度为1,基本满足作战任务时为0.8,几乎不满足此次作战任务需求时为0.5,完全不能满足任务时隶属度为0,其余值表示介于其中。
用-ln(Ri)来度量该影响因素给作战系统带来的不确定性,用权重wi来衡量影响因素i对子过程j的重要程度。进而可得受n个因素影响的第j个子过程的不确定性为
ISPj=- wi×ln(Ri)
包含m个子过程的全过程不确定性为
I= ISPj
假设无人机作战效能为P,则其包含的不确定性为
I=-ln(P)
得
P=exp(-I)=exp
机群协同作战行动中,由于不同任务载荷的协同配合,将使整体打击效果增强。定义效能影响因子为
ξ= =
其中:P*为协同作战时无人机作战效能,P为单独作战时无人机作战效能,I*为协同作战过程的不确定性,I为单独作战过程的不确定性。
2.1 侦察监视效能影响因子
火力打击过程可分解为情报信息获取和火力毁伤两个子过程,下面分别求出无人机单独作战和协同作战时的不确定性。
2.1.1 单独作战时,打击能力不确定性
仅由携带攻击载荷的无人机单独作战时,其情报信息获取(SC)性能有指标侦察距离、分辨率、飞行高度、天候对信息获取影响程度[12],隶属度取值为rsc1,rsc2,rsc3,rsc4,权重分别为wsc1,wsc2,wsc3,wsc4,则由此带来的不确定性为
ISC= ln(rsci)×wsci
火力系统的摧毁能力(DG)性能指标是武器系统效能、环境因子、操作人员[13],隶属度为rdg1,rdg2,rdg3,权重为wdg1,wdg2,wdg3,由此带来的不确定性为
IDG= ln(rdgi)×wdgi
火力系统的摧毁能力(DG)和情报信息获取性能(SC)构成串联信息,则打击能力不确定性总和为
IA=IDG+ISC
2.1.2 协同作战时,打击能力不确定性
当有携带侦察监视载荷的无人机协同获取情报信息时,其性能指标侦察距离、分辨率、飞行高度、天候对信息获取影响程度的隶属度取值为 , , , ,权重分别为wsc1,wsc2,wsc3,wsc4,则由此带来的不确定性为
= ln()×wsci
当有ns个携带侦察监视载荷无人机参与协同作战时,其情报信息获取能力之间可以相互补充、相互核实,因此合成后的不确定性应该用并联公式求解。则其由情报信息带来的不确定性为
=
由串联公式可得协同作战时打击能力不确定性总和为
= +IDG
综上可得,有ns个携带侦察监视载荷无人机协同作战的效能影响因子为
ξs= =
2.2 电子战效能影响因子
无人机战场生存能力可分解为电子战性能和无人机生存性能两个子节点。
2.2.1 单独作战时,生存能力不确定性
IEW= ln(rewi)×wewi
生存能力(SU)性能指标有无人机被地面雷达探测到的概率,目标防御系统向无人机发射或射击出威胁体概率,无人机单发被击毁概率,其隶属度分别为rsu1,rsu2,rsu3,权重分别为wsu1,wsu2,wsu3,由此带来的不确定性为
ISU= ln(rsui)×wsui
由串联公式得系统不确定性总和为
IS=IEW+ISU
2.2.2 协同作战时,生存能力不确定性
当有携带电子战载荷的无人机协同作战时,其电子战性能指标电磁干扰、电子欺骗、定向能摧毁、反干扰的隶属度取值为 , , , ,权重分别为wew1,wew2,wew3,wew4,不确定性为
= ln()×wewi
由并联公式可得,有ne个携带电子战载荷无人机参与协同作战时,不确定性为
=
综上可得,有ne个携带电子战载荷无人机协同作战的效能影响因子为
ξE=
3 作战效能计算
3.1 单机协同作战效能计算
单架无人机协同作战效能是指在协同作战条件下的单机作战效能,即其所携带任务载荷在其他任务载荷协同下的作战能力值(P)。单机作战效能计算区别于单独作战时的作战效能,需综合考虑任务载荷特性向量、效能影响因子、各个指标的作战效能估值和指标权重。本文采用改进的层次分析法进行效能评估,具体求解步骤如下:
1)计算底层指标权重
将各指标分为“重要”、“中等”和“一般”3个等级尺度,分别用3、2和1表示,由专家判断下层指标对相邻上层指标的重要性等级尺度。下层指标权重等于其重要性尺度除以同一隶属关系指标的重要性尺度之和。假设底层指标A11,A12,A13,A14,A21,A22,A23,A24,A25重要性等级尺度依次为ui,权重依次为wi(i=1-9),则
wi= (i=1,2,3,4)
wi= (i=5,6,7,8,9)
2)计算作战效能评估值
假设作战能力的效能满分值1,则指标所占的分值由该指标准则等级下的权重乘以作战能力的效能满分值。各指标在空战能力效能评估中所起到的效果分别为强、中等、一般、差4个等级,其等级分别为1、3/4、2/4、1/4。将各指标的等级分和效能满分值相乘,求出各个作战指标的作战效能评估值:
PINi=1×Si(i=1到9)
式中Si为等级分,其取值为1、3/4、2/4、1/4。
3)计算单机协同作战效能
根据经效能影响因子修正后的任务载荷特性向量,结合各个指标权重,对作战效能评估值进行加权求和,即可得出携带不同任务载荷无人机的作战能力值:
PS= wi×PINi×c
PA= wi×PINi×c
PE= wi×PINi×c
式中PS为携带侦察监视载荷无人机的作战能力值,PA为携带攻击载荷无人机作战能力估值,PE为携带电子战载荷无人机的作战能力估值,wi为对应指标权重,PINi为指标能力估值。
3.2 多机协同作战效能计算
多机协同作战效能(PN)是指在作战行动中,携带不同任务载荷的无人机相互协同作战条件下,机群整体完成作战任务的能力。由于单机协同作战效能(P)是在效能满分值为1的条件下评估得出的,其作战效能表示无人机完成作战任务的能力,即成功完成作战任务的概率,无人机群作战效能可分解为集群成功侦察发现目标、保证自身安全条件下成功摧毁目标的概率,进而可根据改进的条件概率公式求得N架无人机集群协同作战效能为
PN=[1-(1-PS ]·[1-(1-PE ]·[1-(1-PA ]
式中ns为携带侦察监视载荷的无人机数量,na为携带攻击武器载荷的无人机数量,ne为携带电子战任务载荷的无人机数量,且满足ns+na+ne=N。
3.3 模型求解
通过调整机群中不同任务载荷的编配数量,可使机群整体作战效能达到最优。由以上分析可知,无人机群作战效能问题,是一个整数规划问题,通过指派不同数量的无人机携带不同数量任务载荷,即可实现多机协同作战能力的优化。对于N架无人机组成的机群,有
max PN=[1-(1-PS ]·[1-(1-PE ]·[1-(1-PA ]
式中,N为定值,ns和ne为变量,na=N-ns-ne。
观察发现,该整数规划问题约束条件是非线性函数,不能简单应用整数线性规划方法求解,结合实际作战情况,机群中无人机数目N不会太大,且方程中仅有2个变量,可采用启发式整数规划方法,即使用枚举法通过Matlab工具进行求解。
4 算例与分析
4.1 算例
假设某次作战行动中,无人机群(由20架无人机组成)对敌某一重要机场跑道进行攻击。
4.1.1 侦察监视效能影响因子相关参数
(rsc1,rsc2,rsc3,rsc4)=(0.5,0.4,1,0.9)
(wsc1,wsc2,wsc3,wsc4)=(0.3,0.3,0.2,0.2)
(rdg1,rdg2,rdg3)=(0.8,0.9,0.95)
(wdg1,wdg2,wdg3)=(0.5,0.2,0.3)
(, , , )=(0.9,0.7,1,0.9)
4.1.2 电子战效能影响因子相关参数
(rew1,rew2,rew3,rew4)=(0.7,0.6,0.5,0.6)
(wew1,wew2,wew3,wew4)=(0.3,0.2,0.2,0.3)
(rsu1,rsu2,rsu3)=(0.8,0.8,0.9)
(wsu1,wsu2,wsu3)=(0.5,0.3,0.2)
(, , , )=(0.8,0.7,0.6,0.7)
4.1.3 确定各指标权重值和作战效能估值(表1)
表1 各指标的权重值 |
| 指标 | 火控 解算 能力 | 火力 毁伤 能力 | 战场 生存 能力 | 搜寻 打击 能力 | 信息 融合 能力 | 电子 干扰 能力 | 通信 信息 共享 | 协同 感知 | 同步 攻击 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| w | 4/45 | 2/15 | 4/45 | 4/45 | 1/10 | 1/10 | 3/20 | 1/10 | 3/20 |
| PIN | 1 | 3/4 | 2/4 | 3/4 | 2/4 | 3/4 | 1/4 | 2/4 | 3/4 |
4.2 结果分析
经计算发现,当20架无人机协同对机场进行攻击时,编配2个侦察载荷、2个电子战载荷、16个攻击载荷整体作战效能可达到最优。整体作战效能随任务载荷的编配数量不同有明显变化。与不携带电子战载荷和侦察监视载荷(即仅由20个攻击载荷单独完成作战任务)相比,机群整体作战效能提升了49.6%。
结果表明,无人机群协同完成作战任务时,侦察载荷的使用可帮助获取更准确、全面的目标信息,提升攻击载荷命中概率和毁伤效果,电子战载荷的使用可有效增强无人机生存能力,充分发挥攻击载荷的作战效能。通过合理编配任务载荷,整体作战效能可达到最佳。
4.2.1 载荷编配数量随机群规模变化而变化
求解发现,当机群规模在5架以内时,携带1个侦察载荷和1个电子战载荷整体作战效能可达到最佳;当机群规模在6-8架时,携带1个侦察载荷和2个电子战载荷;当机群规模在9-24架时,携带2个侦察载荷和2个电子战载荷;当机群规模在25-49架时,携带2个侦察载荷和3个电子战载荷,当机群规模在50-92架时,携带3个侦察载荷和3个电子战载荷;当机群规模在92架以上时,携带3个侦察载荷和4个电子战载荷。结果表明,使用3个侦察监视载荷可基本掌握目标信息满足打击需求,使用4个电子战载荷可实现对目标的饱和电子攻击。载荷编配数量与机群规模关系如图2 所示。
根据作战任务,结合预期作战效果,通过分析敌方防空能力和我方作战效能,可初步估算攻击能力需求,灵活选用大机群或小机群进行攻击,辅助制定作战计划,最终达到完成攻击效果需要的作战能力值。
4.2.2 载荷编配数量随载荷类型不同而变化
求解发现,当任务载荷种类不同时,其效能影响因子也不同,最终影响机群中载荷的编配数量。无人机限于体积重量等影响,其载荷量受限,这就导致无人机在携带任务载荷时必须有所取舍,根据不同作战任务和敌方作战特点,科学配置任务载荷类型。如作战中发现敌对可见光及红外频段干扰较弱,则侦察监视载荷应选用光电\红外载荷;若敌对ka波段反干扰能力弱,则选用合成孔径雷达作为侦察监视载荷[10]。针对敌作战特点,通过分析不同类型任务载荷对作战效能的影响,科学配置任务载荷类型,才能充分发挥攻击任务载荷打击能力,有效提升机群整体作战效能。
4.2.3 载荷编配数量随作战任务不同而变化
当作战任务不同时,敌作战能力和作战特点不同,也会影响任务载荷的作战效能发挥。如作战任务中敌方防空力量加强,侦察监视载荷的侦察距离就会受到制约,其情报获取能力减弱,要达到相同的侦察监视效果需编配更多的侦察监视载荷。所以,针对不同作战任务和敌作战特点,合理配置任务载荷数量,才能充分发挥机群整体作战效能。
5 结束语
本文通过对无人机群协同作战进行分析,确立了协同作战效能评估指标体系,对不同任务载荷之间的协同影响作用,使用效能影响因子进行了量化计算,最后使用启发式整数规划方法对无人机群协同作战效能问题进行了求解。结合具体算例,讨论了如何根据作战任务,科学编配任务载荷,以及不同规模无人机群的编配方案和攻击策略。本文提出将无人机群作战编配组成向多类型、多功能、多任务载荷方向发展的理念,对于无人机群在作战领域的应用发展具有重要意义。