有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)效能評(píng)估的綜合指數(shù)模型

董彥非，崔巍，張旺

(南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，江西南昌330063)

0 引言

隨著航空科技的發(fā)展與軍事需求的推動(dòng)，無人機(jī)在戰(zhàn)場上的應(yīng)用范圍已經(jīng)逐漸從監(jiān)視/偵察向空中作戰(zhàn)方向發(fā)展［1-3］。無人作戰(zhàn)飛機(jī)(以下簡稱無人機(jī))不僅能在未來戰(zhàn)場上與有人戰(zhàn)斗機(jī)(以下簡稱有人機(jī))并肩作戰(zhàn)，甚至能在某些情況下替代有人機(jī)，成為未來空中作戰(zhàn)的主力武器裝備之一。人在環(huán)的無人作戰(zhàn)模式將成為未來空中作戰(zhàn)的重要模式［4］，無人戰(zhàn)斗機(jī)將逐漸主導(dǎo)空中作戰(zhàn)，成為空中優(yōu)勢的主力軍。

受限于無人機(jī)的智能化水平，在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，有人機(jī)和無人機(jī)在空中作戰(zhàn)中的關(guān)系仍將是控制與被控制以及功能互補(bǔ)的關(guān)系。美國國防部認(rèn)為，未來有人機(jī)和無人機(jī)及其他無人支援飛機(jī)聯(lián)合編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)將成為一種新的作戰(zhàn)模式［5-7］。有人機(jī)和無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，可以做到優(yōu)勢互補(bǔ)，分工協(xié)作，充分發(fā)揮各自的能力。無人機(jī)的出現(xiàn)必將會(huì)引起空中作戰(zhàn)理論的變革［1］，導(dǎo)致空中作戰(zhàn)方式的改變。當(dāng)前，無人機(jī)與有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的模式已成為無人機(jī)作戰(zhàn)運(yùn)用研究中的一大熱點(diǎn)，引起了世界各國極大的研究興趣［1］。

1 典型作戰(zhàn)模式

有人機(jī)/無人機(jī)混合編隊(duì)由1架到數(shù)架有人機(jī)作為長機(jī)，每架長機(jī)分別指揮控制2～4架無人機(jī)編隊(duì)完成任務(wù)。在混合編隊(duì)中，長機(jī)具有完善的指揮控制功能和對(duì)空作戰(zhàn)能力，主要完成對(duì)無人機(jī)的指揮控制任務(wù)，在作戰(zhàn)需要情況下，長機(jī)也可以對(duì)敵機(jī)實(shí)施攻擊。僚機(jī)具有良好的協(xié)同空戰(zhàn)能力(自主控制等級(jí)≥美國無人機(jī)智能評(píng)級(jí)的第5級(jí)——機(jī)群協(xié)同)。協(xié)同空戰(zhàn)示意圖如圖1所示。

圖1 有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)示意圖Fig.1 Cooperation of manned/unmanned vehicles in air combat

1.1 協(xié)同空戰(zhàn)過程

協(xié)同空戰(zhàn)過程共分為6個(gè)階段，其流程如圖2所示。

圖2 有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)流程Fig.2 Cooperation of manned/unmanned vehicles in air combat

1.1.1 任務(wù)裝訂及戰(zhàn)區(qū)引導(dǎo)

指揮控制中心接受上級(jí)命令截?fù)裟晨沼蛉肭帜繕?biāo)并對(duì)情報(bào)進(jìn)行分析后，決定使用1架有人機(jī)為長機(jī)，3架無人機(jī)為僚機(jī)執(zhí)行截?fù)羧蝿?wù)。

有人機(jī)/無人機(jī)在地面進(jìn)行任務(wù)/路徑的數(shù)據(jù)裝訂后，根據(jù)指揮控制中心的命令起飛，到達(dá)指定空域集結(jié)、編隊(duì)。然后，指揮控制中心將混合編隊(duì)引導(dǎo)至預(yù)定空域。有人機(jī)位于無人機(jī)機(jī)群后方30～50 km處，接收由無人機(jī)、預(yù)警指揮控制中心傳來的實(shí)時(shí)戰(zhàn)場數(shù)據(jù)，指揮控制無人機(jī)機(jī)群。

1.1.2 戰(zhàn)場偵察和目標(biāo)搜索

混合編隊(duì)到達(dá)預(yù)定空域后，根據(jù)敵機(jī)目標(biāo)的大致方位和距離等信息，有人機(jī)指揮無人機(jī)沿規(guī)劃戰(zhàn)術(shù)航線編隊(duì)飛行，無人機(jī)編隊(duì)雷達(dá)開機(jī)對(duì)戰(zhàn)場進(jìn)行偵察，搜索敵機(jī)目標(biāo)。

無人機(jī)將獲得的戰(zhàn)場態(tài)勢信息通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)傳輸給有人機(jī)，有人機(jī)實(shí)時(shí)接收由無人機(jī)、預(yù)警指揮控制中心傳來的實(shí)時(shí)戰(zhàn)場數(shù)據(jù)，控制無人機(jī)對(duì)指定區(qū)域的目標(biāo)搜索。

當(dāng)無人機(jī)搜索到可疑目標(biāo)后，自動(dòng)進(jìn)行敵我識(shí)別過程。當(dāng)確認(rèn)是敵機(jī)后，將敵機(jī)信息通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)傳輸給有人機(jī)。

1.1.3 攻擊準(zhǔn)備(戰(zhàn)場數(shù)據(jù)信息處理)

有人機(jī)綜合無人機(jī)、預(yù)警指揮控制中心和本機(jī)的情報(bào)，實(shí)時(shí)進(jìn)行空戰(zhàn)態(tài)勢評(píng)估和威脅評(píng)估，并進(jìn)行目標(biāo)分配和火力分配，然后將分配結(jié)果通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)傳輸給無人機(jī)。無人機(jī)完成對(duì)威脅目標(biāo)實(shí)施超視距(BVR)攻擊占位。同時(shí)，有人機(jī)將評(píng)估結(jié)果傳輸給指揮控制中心。

本階段結(jié)束時(shí)，無人機(jī)編隊(duì)具備執(zhí)行BVR攻擊的條件。該階段有人機(jī)主要任務(wù)有:接收各方情報(bào)信息，進(jìn)行信息融合，完成態(tài)勢分析、威脅評(píng)估等，并對(duì)無人機(jī)群進(jìn)行目標(biāo)分配和火力分配，將分配結(jié)果以命令形式發(fā)送給無人機(jī);指揮控制無人機(jī)對(duì)威脅目標(biāo)實(shí)施BVR攻擊占位;對(duì)戰(zhàn)場進(jìn)行監(jiān)視。無人機(jī)主要任務(wù)有:基于機(jī)載或外部信息跟蹤威脅目標(biāo)、繼續(xù)搜索潛在威脅目標(biāo);對(duì)威脅目標(biāo)實(shí)施BVR攻擊占位。

1.1.4 超視距攻擊

有人機(jī)下達(dá)超視距攻擊指令。無人機(jī)判斷敵機(jī)是否進(jìn)入中距攻擊包線。當(dāng)敵機(jī)進(jìn)入無人機(jī)的中/遠(yuǎn)距空空導(dǎo)彈發(fā)射包線后，無人機(jī)完成火控諸元解算，進(jìn)入第一輪BVR導(dǎo)彈攻擊。

該階段有人機(jī)的主要任務(wù)是進(jìn)行戰(zhàn)場監(jiān)視。無人作戰(zhàn)飛機(jī)的主要任務(wù)為:判斷敵機(jī)是否進(jìn)入中距攻擊包線，完成火控諸元結(jié)算;實(shí)施攻擊。

1.1.5 再次BVR/視距內(nèi)(WVR)攻擊

首輪BVR攻擊后，有人機(jī)需進(jìn)行如下判斷:如果敵機(jī)群被殲滅，則轉(zhuǎn)入返回基地;如果未全部殲滅敵方機(jī)群，有人機(jī)則要根據(jù)敵我雙方的戰(zhàn)損情況判斷是否實(shí)施再次攻擊。如果需要再次攻擊，有人機(jī)再次進(jìn)行目標(biāo)分配和火力分配，并下達(dá)攻擊指令后，無人機(jī)進(jìn)入再次攻擊階段。如果作戰(zhàn)需要，有人機(jī)也可以進(jìn)入攻擊行動(dòng)。

1.1.6 返回基地

經(jīng)過BVR攻擊或再次攻擊/WVR攻擊之后，有人機(jī)分別向無人機(jī)下達(dá)返航指令，指揮剩余無人機(jī)集結(jié)編隊(duì)并按照預(yù)定航路返回基地。

1.2 協(xié)同作戰(zhàn)特點(diǎn)

根據(jù)典型的有人機(jī)/無人機(jī)混合編隊(duì)協(xié)同空戰(zhàn)模式可知，與有人機(jī)或者無人機(jī)單機(jī)空戰(zhàn)效能評(píng)估相比，有人機(jī)和無人機(jī)協(xié)同的機(jī)群效能具有以下特點(diǎn):

(1)有人機(jī)指揮控制能力的重要性突出;

(2)無人機(jī)自主智能有重要影響;

(3)對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)抗干擾和穩(wěn)定性有較高要求;

(4)機(jī)群中飛機(jī)數(shù)量與整體作戰(zhàn)能力正相關(guān);

(5)多機(jī)協(xié)同會(huì)降低單機(jī)能力優(yōu)勢。

基于以上特點(diǎn)，混合機(jī)群效能評(píng)估可以考慮構(gòu)建基于各能力之間相關(guān)性的加權(quán)和模型。模型中的有人機(jī)能力除了常規(guī)戰(zhàn)斗機(jī)的評(píng)估方法外，注重指揮和控制能力相關(guān)參數(shù)在模型中的突出體現(xiàn)。無人機(jī)能力中的智能化程度需要重點(diǎn)考慮，要特別重視數(shù)據(jù)鏈的能力。

2 空戰(zhàn)效能評(píng)估指數(shù)模型

根據(jù)有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)典型作戰(zhàn)模式知，有人機(jī)的指揮控制能力與無人機(jī)的自主智能(智能化水平)相關(guān)，數(shù)據(jù)鏈能力與有人機(jī)的指揮控制能力相關(guān)，而起輔助攻擊作用的有人機(jī)單機(jī)空戰(zhàn)能力與以上能力無相關(guān)性。由此，建立有人機(jī)/無人機(jī)混合編隊(duì)協(xié)同空戰(zhàn)能力數(shù)學(xué)模型為:

2016年和2017年水稻季各處理平均滲漏量分別為220.3 mm和169.7 mm，2016年水稻季比2017年多50.6 mm。一是因?yàn)榻涤贻^多，田面水層長時(shí)間維持在較高水平，下滲速率較大；二是經(jīng)過2016年水稻季的種植，2017年水稻季試驗(yàn)小區(qū)耕作層的致密性較2016年好，下滲速率減弱。從不同灌溉模式來看，W1模式的滲漏量明顯小于W0模式，特別是降雨較少的2017年水稻季。在田間沒有水層或土壤含水率較低的情況下滲漏量明顯減少。

式中:DL為編隊(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈能力;ACC為有人機(jī)指揮決策能力;IUAV為無人機(jī)自主智能;CM為有人機(jī)空戰(zhàn)能力;CUAV為無人機(jī)空戰(zhàn)能力;n和m分別為混合編隊(duì)中無人機(jī)和有人機(jī)的數(shù)量;η為飛機(jī)數(shù)量對(duì)單機(jī)效能的影響因素(當(dāng)我方飛機(jī)總數(shù)為2時(shí)，η=1;當(dāng)我方飛機(jī)總數(shù)為3時(shí)，η=0.9;當(dāng)我方飛機(jī)總數(shù)為4時(shí)，η=0.8)。式(1)中各分項(xiàng)能力指數(shù)上邊的“_”號(hào)表示進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(以下同)，并以此值作為該項(xiàng)指標(biāo)的指數(shù)值?；趯?duì)武器裝備性能參數(shù)物理意義上的考慮［8-11］，標(biāo)準(zhǔn)化可以采用非線性S型可導(dǎo)函數(shù)歸一法。

有人機(jī)單機(jī)空戰(zhàn)能力包括:火力、態(tài)勢感知能力、機(jī)動(dòng)能力、操縱性、生存力(含電子對(duì)抗能力)和作戰(zhàn)半徑。如果把“火力×態(tài)勢感知能力”看作一個(gè)單項(xiàng)Att(衡量攻擊能力)，把“機(jī)動(dòng)能力×操縱能力”作為一個(gè)單項(xiàng)Mane(衡量機(jī)動(dòng)性)，Sur表示生存能力，Radius表示續(xù)航能力，則有人機(jī)和無人機(jī)的單機(jī)空戰(zhàn)能力都可以表示為［9］:

有人機(jī)和無人機(jī)單機(jī)作戰(zhàn)能力中武器系統(tǒng)能力、作戰(zhàn)飛機(jī)生存力、電子對(duì)抗能力系數(shù)εe、機(jī)動(dòng)性以及其他未說明的參數(shù)計(jì)算與取值方法均可參見文獻(xiàn)［8-13］，并根據(jù)現(xiàn)代作戰(zhàn)實(shí)際和空戰(zhàn)攻擊武器形態(tài)的發(fā)展合理修正。

數(shù)據(jù)鏈的性能是對(duì)平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)運(yùn)用環(huán)境條件下數(shù)據(jù)鏈發(fā)揮的戰(zhàn)術(shù)信息采集、數(shù)據(jù)處理能力的度量;或者說是衡量數(shù)據(jù)鏈將規(guī)定的戰(zhàn)術(shù)信息，在規(guī)定的時(shí)間按照規(guī)定的收發(fā)規(guī)則，以規(guī)定的信息格式發(fā)送到規(guī)定的地方，并采用規(guī)定的算法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理的能力。數(shù)據(jù)鏈性能指數(shù)DL可以由節(jié)點(diǎn)連通性、有效網(wǎng)絡(luò)容量、時(shí)效指標(biāo)最終體現(xiàn)。

式中:nr為接收節(jié)點(diǎn)數(shù)目;nt為發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)目;Mt為節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息;Mr為節(jié)點(diǎn)接收的消息;Qeff為有效數(shù)據(jù)傳輸速率;tp為單位傳播時(shí)間;pi為第i條信息傳遞的時(shí)效性的度量。

有人機(jī)的指揮控制能力可表示為:

式中:α為接收信息中正確發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)數(shù)量;α0為客觀態(tài)勢中實(shí)際的目標(biāo)數(shù)量，則α/α0可表征為信息完備性指標(biāo);Vi為接收信息中的單個(gè)目標(biāo)特征與客觀態(tài)勢中相應(yīng)目標(biāo)特征的偏離程度，即(1－Vi)為單個(gè)目標(biāo)感知態(tài)勢的準(zhǔn)確性指標(biāo);qi為作戰(zhàn)需求時(shí)限內(nèi)信息處理融合的時(shí)效性;εj為第j個(gè)從決策作戰(zhàn)行動(dòng)采取后實(shí)際完成任務(wù)的程度;tj為單個(gè)任務(wù)決策周期;tmax為決策允許時(shí)間。

3 算例與分析

設(shè)有10種型號(hào)的有人機(jī)(M1，…，M10)和7種型號(hào)的無人機(jī)(U1，…，U7)均可以混合編隊(duì)?；旌暇庩?duì)由1架有人機(jī)指揮控制3架無人機(jī)實(shí)施空戰(zhàn)任務(wù)。

首先分別計(jì)算出有人機(jī)和無人機(jī)單機(jī)作戰(zhàn)效能;然后，計(jì)算出各有人機(jī)指揮控制能力和數(shù)據(jù)鏈能力，以及無人機(jī)自主智能水平;最后評(píng)估混合編隊(duì)協(xié)同空戰(zhàn)效能。計(jì)算結(jié)果分別如表1～表3所示。

表1 有人機(jī)單機(jī)空戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果Table 1 Results of air combat effectiveness for manned vehicles

表2 無人機(jī)單機(jī)空戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果Table 2 Results of air combat effectiveness for UCAVs

表3 不同混合編隊(duì)方案綜合空戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果Table 3 Assessment results of air combat effectiveness for different mixed formations

表3中數(shù)值為1架有人機(jī)指揮控制3架無人機(jī)的空戰(zhàn)效能評(píng)估結(jié)果(如M1，U1對(duì)應(yīng)的2.087 3即為1架M1指揮控制3架U1的空戰(zhàn)效能值)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:

(1)M1的單機(jī)綜合作戰(zhàn)能力、指揮控制能力、數(shù)據(jù)鏈效能都是最大的，與7架無人機(jī)中的任意一架配對(duì)，都取得了較高的編隊(duì)協(xié)同空戰(zhàn)效能。

(2)M4有良好的指揮控制能力和數(shù)據(jù)鏈能力，使得M4與其他無人機(jī)相配能取得較好的作戰(zhàn)效能。

(3)M3與M4作戰(zhàn)能力、數(shù)據(jù)鏈效能接近，但M3的指揮控制能力很弱，使得M3與其他無人機(jī)相配的作戰(zhàn)效能很低。

(4)M6與M7的空戰(zhàn)能力、指揮控制能力接近，但M7的數(shù)據(jù)鏈效能比較低，使得M7與其他無人機(jī)相配的作戰(zhàn)效能都低于M6與其他無人機(jī)相配的作戰(zhàn)效能。

(5)U1和U2性能優(yōu)良，與多數(shù)有人機(jī)進(jìn)行編隊(duì)空戰(zhàn)都能達(dá)到理想的攻擊效果;U7的單機(jī)綜合作戰(zhàn)能力和自主控制能力都是最低的，因而它與有人機(jī)中任意一架配對(duì)的空戰(zhàn)效能都是最低的。

(6)有人機(jī)的作用主要為飛機(jī)編隊(duì)提供指揮控制作用，其單機(jī)作戰(zhàn)能力對(duì)混合編隊(duì)效能影響不如指揮控制能力的影響。有人機(jī)/無人機(jī)混合編隊(duì)空戰(zhàn)能力的大小主要取決于無人機(jī)的單機(jī)作戰(zhàn)效能和自主智能。

4 結(jié)論

(1)有人機(jī)/無人機(jī)混合編隊(duì)協(xié)同空戰(zhàn)效能評(píng)估的綜合指數(shù)模型較好地處理了有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)各子系統(tǒng)、分系統(tǒng)能力之間的關(guān)系，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，模型合理、可行，符合協(xié)同作戰(zhàn)的規(guī)律和數(shù)學(xué)原理。

(2)有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)效能評(píng)估的綜合指數(shù)模型提供了合理的構(gòu)建混合編隊(duì)空戰(zhàn)效能評(píng)估的思想和基礎(chǔ)模型。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在該建模思想指導(dǎo)下，綜合考慮具體可獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)情況，并結(jié)合參數(shù)敏感性分析以及課題任務(wù)等因素合理調(diào)整具體的計(jì)算模型。

(3)給出的有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)效能評(píng)估數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果只用于計(jì)算模型的驗(yàn)證，僅供參考。具體使用時(shí)可以根據(jù)研究目的不同選擇不同機(jī)型的集合，從不同角度運(yùn)用該指數(shù)模型。

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