反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能評估

焦士俊，劉 銳，劉劍豪，王冰切

(1.空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019；2.解放軍94860部隊，江蘇 南京 210046)

0 引 言

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)、人工智能、自主系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)也正在由概念變成現(xiàn)實，從理論走向?qū)嵺`。2019年3月14日，伊朗革命衛(wèi)隊在波斯灣海域使用50架國產(chǎn)RQ-170及大批其他型號無人機(jī)進(jìn)行大規(guī)模無人機(jī)編隊實兵演習(xí)，無人機(jī)群飛越1 000 km并成功摧毀預(yù)定目標(biāo)，警示我們必須高度關(guān)注無人機(jī)蜂群即將帶來的安全威脅。

反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)使用的手段多、裝備復(fù)雜，過多手段共同使用必然會造成指揮混亂，資源浪費(fèi)。因此，合理搭配作戰(zhàn)手段、選取最優(yōu)作戰(zhàn)方案既可以提高作戰(zhàn)的效費(fèi)比，又可以降低指揮控制的難度。提高體系作戰(zhàn)效率，是決定戰(zhàn)斗勝負(fù)的關(guān)鍵。因此，本文主要研究反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能評估，重在建立一套反無人機(jī)蜂群電子對抗作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系，提出一種實用的優(yōu)選作戰(zhàn)方案的評估思路。

1 反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能評估指標(biāo)體系

目前，各國都在大力發(fā)展反無人機(jī)技術(shù)手段，主要有電磁干擾、定向能武器、網(wǎng)捕等，根據(jù)特點(diǎn)和效果可分為探測跟蹤型、干擾對抗型、毀傷打擊型等三大類型。反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能評估根據(jù)上述手段，從偵察、欺騙、軟殺傷、硬摧毀4類評估準(zhǔn)則建立指標(biāo)體系，偵察分為雷達(dá)偵察、無線電偵察和光電/紅外偵察，欺騙分為偽裝欺騙和布設(shè)誘餌，軟殺傷分為無線電干擾、導(dǎo)航干擾、鏈路奪控和幕型武器捕控，硬摧毀分為激光打擊、高功率微波攻擊和火力打擊，如圖1所示。

除某些與目標(biāo)有關(guān)的評估指標(biāo)需要通過計算獲取外，大部分指標(biāo)均為已知裝備的內(nèi)置參數(shù)或通過裝備進(jìn)行顯示得到，在此以“大疆”無人機(jī)群為目標(biāo)，對各指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)解釋。

1.1 雷達(dá)偵察

(1) 最大探測距離，是指該雷達(dá)最遠(yuǎn)發(fā)現(xiàn)無人機(jī)蜂群的距離，探測距離越大，對防御越有利。最大探測距離與無人機(jī)的有效截面積有關(guān)，公式為：

(1)

式中：Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；Gt為雷達(dá)發(fā)射天線增益；nσ為n架無人機(jī)有效截面積；Pamin為最小可檢測信號功率。

(2) 目標(biāo)跟蹤數(shù)量，是指該雷達(dá)可以同時跟蹤群目標(biāo)中單機(jī)數(shù)量，通過分析航跡確定，數(shù)量越多，對防御越有利。

(3) 裝備數(shù)量，是指防御一方配備的雷達(dá)數(shù)量，數(shù)量越大，偵察效果越好，對防御越有利。

1.2 無線電偵察

(1) 測向精度，是無線電偵察裝備主要的性能參數(shù)之一，精度越大，對防御越有利。

(2) 測頻范圍，是指該裝備可以覆蓋的頻段范圍，范圍越大，對防御越有利。

(3) 裝備數(shù)量，是指防御一方配備的同功能裝備的數(shù)量，數(shù)量越大，偵察效果越好，對防御越有利。

1.3 光電/紅外偵察

(1) 最大探測距離，是指針對“小精靈”無人機(jī)的最大告警距離，距離越大，對防御越有利。

(2) 裝備數(shù)量，是指防御一方配備的同功能光電/紅外偵察裝備的數(shù)量，數(shù)量越大，偵察效果越好，對防御越有利。

1.4 偽裝欺騙

主要指物理偽裝，如偽裝網(wǎng)、假目標(biāo)、煙幕遮障等等，針對無人機(jī)的探測性能，大致區(qū)分為紅外、可見光、微波等類型的偽裝或欺騙。

(1) 偽裝面積，是指偽裝設(shè)備可以掩護(hù)的有效面積，面積越大，對防御越有利。

(2) 欺騙類型數(shù)量，使用的欺騙裝備可以防護(hù)的敵偵察類型的數(shù)量，數(shù)量越多，偽裝、欺騙效果越好，對防御越有利。

1.5 布設(shè)誘餌

主要是電子偽裝，如雷達(dá)誘餌、模擬信號發(fā)射器等等。

(1) 誘餌數(shù)量，是指布設(shè)誘餌的種類及數(shù)量，數(shù)量越大，對防御越有利。

(2) 頻段范圍，是指誘餌可以覆蓋的頻段范圍，范圍越大，誘騙效果越好，對防御越有利。

1.6 無線電干擾

(1) 裝備數(shù)量，是指防御一方配備的同功能裝備的數(shù)量，數(shù)量越大，干擾效果越好，對防御越有利。

(2) 干擾距離，是指無線電干擾裝備可以干擾無人機(jī)指揮通信的最大距離，距離越大，對防御越有利。根據(jù)公式：

(2)

式中：Pj、Gj為干擾機(jī)發(fā)射功率、發(fā)射天線增益；Pt、Gt為敵通信發(fā)射功率、發(fā)射天線增益；Rj、Rt為干擾機(jī)干擾距離和敵通信距離；Kj為干擾壓制系數(shù)。

(3) 干擾頻段，是指無線電的頻率覆蓋范圍，范圍越大，對防御越有利。

(4) 干擾功率，是指該裝備的發(fā)射功率，功率越大，效果越好，對防御越有利。

1.7 導(dǎo)航干擾

(1) 裝備數(shù)量，是指防御一方配備的同功能裝備的數(shù)量，數(shù)量越大，干擾效果越好，對防御越有利。

(2) 干擾距離，是指導(dǎo)航干擾裝備可以干擾無人機(jī)導(dǎo)航信號的最大距離，距離越大，對防御越有利。

(3) 干擾類型數(shù)量，常見的導(dǎo)航系統(tǒng)有GPS系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、“伽利略”系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)等，導(dǎo)航干擾裝備可以干擾的類型越多，對防御越有利。

(4) 干擾功率，是指該裝備的發(fā)射功率，功率越大，效果越好，對防御越有利。

1.8 鏈路奪控

在獲取敵無人機(jī)詳細(xì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過干擾切斷其與敵通信聯(lián)系，并向其注入假命令，達(dá)到迫降或為我所用的目的。

(1) 裝備數(shù)量，是指防御一方配備的同功能裝備的數(shù)量，數(shù)量越大，對防御越有利。

(2) 奪控架次，是指該裝備可以同時奪控的無人機(jī)的數(shù)量，數(shù)量越大，對防御越有利。

(3) 奪控模式，是指該裝備要使敵無人機(jī)達(dá)到的目的，區(qū)分為迫降和控制2種模式，控制對我防御更有利。

1.9 幕型武器捕控

這種武器采用攜帶紅外近距離傳感器的管型發(fā)射裝置，可噴射泡沫或網(wǎng)罩，破壞其飛行，從而使無人機(jī)迫降。

(1) 裝備數(shù)量，是指防御一方配備的同功能裝備的數(shù)量，數(shù)量越大，對防御越有利。

(2) 作用距離，是指該裝備可以將網(wǎng)或泡沫發(fā)射出去的最大距離，距離越大，對防御越有利。

(3) 作用面積，是指發(fā)射出的網(wǎng)或泡沫可以防御的面積大小，面積越大，對防御越有利。

1.10 激光打擊

激光武器受天氣影響較大，在此研究理想條件下的武器性能參數(shù)。

(1) 有效打擊距離，是指激光武器可以對無人機(jī)形成有效殺傷的最大距離，距離越大，對防御越有利。

(2) 單次出光時長，是指激光武器每次發(fā)射激光最長持續(xù)時間，時間越長，打擊成功率越高，對防御越有利。

(3) 火力轉(zhuǎn)移時間，是指激光武器兩次打擊間隔的最短時間，時間越短，單位時間內(nèi)打擊無人機(jī)數(shù)量越多，對防御越有利。

(4) 裝備數(shù)量，是指防御一方配備的同功能裝備的數(shù)量，數(shù)量越大，打擊效果越好，對防御越有利。

1.11 高功率微波攻擊

發(fā)射大功率電磁脈沖，通過天線進(jìn)入目標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部擊穿和燒毀電子元器件，從而毀傷無人機(jī)，與激光武器相比，作用距離更遠(yuǎn)，受天氣影響更小，具備大面積殺傷能力。

(1) 波束寬度，是指發(fā)射微波的波束寬度，決定了防御面積的大小。同等發(fā)射功率下，寬度越大，對防御越有利。

(2) 發(fā)射功率，是指發(fā)射電磁脈沖的功率，功率越大，對防御越有利。

(3) 頻段范圍，是指該武器設(shè)定的打擊頻段范圍，范圍越大，對防御越有利。

(4) 裝備數(shù)量，是指防御一方配備的同功能裝備的數(shù)量，數(shù)量越大，對防御越有利。

1.12 火力打擊

火力打擊是反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的最末端的防護(hù)手段，分為精準(zhǔn)打擊火力和密集攔截火力。

(1) 打擊效費(fèi)比，是指防御一方成本消耗與打掉的無人機(jī)成本的比值，效費(fèi)比越高，對防御一方越有利。

(2) 火力轉(zhuǎn)移時間，是指火力打擊武器兩次打擊間隔的最短時間，與裝備性能、操作熟練程度等有關(guān)，時間越短，單位時間內(nèi)打擊無人機(jī)數(shù)量越多，對防御越有利。

(3) 裝備數(shù)量，是指防御一方配備的同功能裝備的數(shù)量，數(shù)量越大，對防御越有利。

2 評估體系中各指標(biāo)權(quán)重的確定

目前常用的權(quán)重確定方法有：層次分析法(AHP)、模糊層次分析法(FAHP)、專家調(diào)查法(德爾菲法)、環(huán)比評分法、關(guān)聯(lián)矩陣法(古林法)和直接打分法等[1]，它們都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在不同領(lǐng)域的評估問題中具有廣泛的應(yīng)用。對于反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能的評估，由于其評估指標(biāo)體系采用分層結(jié)構(gòu)，對評估指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行量化處理時需要較高的精度，用戶無法精確地給出自己的需求等，因此優(yōu)先使用模糊層次分析法。具體確定過程如下[2]：

首先計算準(zhǔn)則層B對目標(biāo)層A的權(quán)重向量。

(1) 建立準(zhǔn)則層的三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣：

(2) 計算期望值矩陣、正反判斷矩陣：

最大實特征根λmax=4.072 5

(3) 對正反判斷矩陣H進(jìn)行一致性檢驗：

IC=(λmax-k)/(k-1)=(4.072 5-4)/(4-1)=0.009 1，IR=0.9，RC=IC/IR=0.026 9<0.1，因此矩陣H滿足一致性檢驗。

(4) 計算該矩陣的模糊評價值、期望值：

(5) 對期望值矩陣歸一化處理，可得準(zhǔn)則層權(quán)重向量：

αA=(0.324 8,0.175 2,0.285 8,0.137 0)

(6) 同理可求出指標(biāo)層B的權(quán)重向量分別為：

αB1=(0.489 3,0.288 8,0.222 0)

αB2=(0.549 9,0.450 1)

αB3=(0.287 4,0.362 2,0.212 6,0.137 8)

αB4=(0.311 2,0.410 9,0.277 9)

各指標(biāo)Ci最終權(quán)重為：αB=(0.158 9,0.093 8,0.072 1,0.096 3,0.078 9,0.082 1,0.103 5,0.060 8,0.039 4,0.042 6,0.056 3,0.038 1)

(7) 同理可求出指標(biāo)層C的權(quán)重向量分別為：

αC1=(0.410 9,0.311 2,0.277 9)

αC2=(0.483 9,0.288 8,0.222 0)

αC3=(0.525 0,0.475 0)

αC4=(0.549 9,0.450 1)

αC5=(0.599 9,0.400 1)

αC6=(0.237 5,0.337 3,0.137 8,0.287 4)

αC7=(0.175 2,0.324 8,0.137 0,0.285 8)

αC8=(0.277 8,0.399 4,0.322 2)

αC9=(0.277 9,0.410 9,0.311 2)

αC10=(0.362 2,0.287 4,0.212 6,0.137 8)

αC11=(0.287 4,0.337 3,0.237 5,0.137 8)

αC12=(0.483 9,0.288 8,0.222 0)

各指標(biāo)Di最終權(quán)重為：

αB=(0.065 3,0.049 4,0.044 2,0.045 4,0.027 1,0.020 8,0.037 9,0.034 2,0.053 0,0.043 3,0.047 3,0.031 6,0.019 5,0.027 7,0.011 3,0.023 6,0.018 1,0.033 6,0.014 2,0.029 6,0.016 9,0.024 3,0.019 6,0.010 9,0.016 2,0.012 3,0.015 4,0.012 2,0.009 1,0.005 9,0.016 2,0.019 0,0.013 4,0.007 8,0.018 4,0.011 0,0.008 5)

3 算例分析

反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)體系中手段組合多樣，可選方案復(fù)雜，計算工作量大，如果通過人或輔助軟件來計算難以滿足作戰(zhàn)快、穩(wěn)、準(zhǔn)的需求，因此該模型的實現(xiàn)需要依靠云計算、大數(shù)據(jù)等智能化的指揮系統(tǒng)，可以根據(jù)戰(zhàn)場情況，作戰(zhàn)目標(biāo)利用上述評估體系智能地從幾百種組合中提供幾種最優(yōu)作戰(zhàn)方案，供指揮員決策。隨著科技的快速發(fā)展，這種智能化指揮系統(tǒng)的出現(xiàn)不會很遙遠(yuǎn)。

本文為了驗證這種方法的結(jié)果是否可靠，是否具有使用價值，假設(shè)在具備智能化指揮系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將實兵模擬演練中參加試驗的17型裝備按照功能組合為幾百種方案，我們選取其中3種，以10架“大疆”無人機(jī)群模擬無人機(jī)群目標(biāo)，利用建立的指標(biāo)體系和求出的指標(biāo)權(quán)重，通過評估、比較3種方案的作戰(zhàn)能力值，選取3種方案中的最優(yōu)作戰(zhàn)方案。各指標(biāo)取值如表1所示。

表1 各指標(biāo)實兵驗證值

再根據(jù)最終權(quán)重，可以求出每種方案的評估值如表3所示。

通過評估值的綜合比較，選取的3種方案中，方案1的作戰(zhàn)效果最好，其次是方案3、方案2，與實兵驗證結(jié)果基本相符。需要強(qiáng)調(diào)的是方案1僅是這3種方案的最優(yōu)方案，不一定是幾百種方案中的最優(yōu)方案，還需要通過智能指揮系統(tǒng)通過高科技手段對所有方案進(jìn)行綜合選擇。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合目前的反無人機(jī)作戰(zhàn)手段和無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)特點(diǎn)，從偵察、欺騙、軟殺傷和硬摧毀4個方面構(gòu)建了反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)效能評估體系，依托智能指揮系統(tǒng)，優(yōu)選作戰(zhàn)方案，提供指揮決策效率，并結(jié)合訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行了實兵驗證。本文中模型構(gòu)建較理想，在實際作戰(zhàn)過程中，受目標(biāo)類型、戰(zhàn)場環(huán)境等影響，評估體系可能需要進(jìn)一步完善。

按照目前無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢，無人機(jī)蜂群對未來戰(zhàn)爭的影響可能遠(yuǎn)不止襲擾、偵察等單項任務(wù)，未來可能融入所有武器系統(tǒng)之中，既可以無人機(jī)之間組網(wǎng)，也可以無人機(jī)與有人機(jī)組網(wǎng)，甚至實現(xiàn)無人機(jī)與衛(wèi)星、地面裝備、艦船組網(wǎng)，科幻電影中的星球大戰(zhàn)也可能隨著無人機(jī)蜂群的發(fā)展逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，并且現(xiàn)代科技發(fā)展日新月異，感覺遙不可及的事情可能很快就會發(fā)生。因此，我軍要立足長遠(yuǎn)，盡早謀劃，加快反無人機(jī)蜂群技術(shù)裝備研究，構(gòu)建一體化聯(lián)合防御體系，尤其是提高武器裝備的智能化水平，通過各種模型、算法為指揮機(jī)構(gòu)提供最優(yōu)的作戰(zhàn)方案，提高作戰(zhàn)效率。

表2 各指標(biāo)規(guī)范化處理值

表3 不同作戰(zhàn)方案評估值