基于ABMS的無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同制空任務(wù)效能評估

劉文金，崔玉偉

（中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛行自動控制研究所，陜西西安 710000）

0 引言

隨著無人機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其作戰(zhàn)能力得到不斷增強(qiáng)，在現(xiàn)代戰(zhàn)場上發(fā)揮著重要作用。近年來，美軍先后進(jìn)行了X-47B 隱身艦載無人機(jī)、XQ-58A 隱身無人機(jī)以及“空中力量編組系統(tǒng)”（Airpower Teaming System，ATS）無人機(jī)等項(xiàng)目的研發(fā)，用于應(yīng)對未來復(fù)雜戰(zhàn)場中嚴(yán)峻的威脅挑戰(zhàn)[1-2]。

在作戰(zhàn)需求的牽引下，國內(nèi)外開展了大量多機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)研究工作，如美國開發(fā)的“忠誠僚機(jī)”“分布式作戰(zhàn)管理”和“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”項(xiàng)目等，對不同任務(wù)背景下無人機(jī)協(xié)同技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。除無人機(jī)項(xiàng)目外，相關(guān)研究還對多無人機(jī)作戰(zhàn)體系概念、作戰(zhàn)流程、關(guān)鍵技術(shù)需求和發(fā)展趨勢等方面開展定性討論和分析[3-7]。在此基礎(chǔ)上，對多無人機(jī)在偵察監(jiān)視、空對地打擊等任務(wù)場景下的作戰(zhàn)效能進(jìn)行研究，但對于制空作戰(zhàn)場景下的研究還相對較少。

在無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評估方法上，目前多采用解析方法進(jìn)行評估。文獻(xiàn)[8]分析了有人/無人機(jī)的協(xié)同模式和運(yùn)用規(guī)則，基于指數(shù)模型對多種編隊(duì)形式進(jìn)行評估。文獻(xiàn)[9]采用多層次指標(biāo)和灰色理論結(jié)合的方法，對有人/無人機(jī)協(xié)同反艦作戰(zhàn)效能進(jìn)行評估。文獻(xiàn)[10]在ADC方法的基礎(chǔ)上增加作戰(zhàn)保障能力指標(biāo)，研究了艦載無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同對海作戰(zhàn)效能。采用該類方法能夠快速得出評估結(jié)果，但對指標(biāo)的評價(jià)大多基于專家經(jīng)驗(yàn)，或是根據(jù)無人機(jī)平臺戰(zhàn)技指標(biāo)給出某種函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，主觀性較強(qiáng)。

而基于仿真的裝備和任務(wù)效能評估方法受主觀影響小。其中，基于Agent 的建模與仿真（Agent based modeling and simulation，ABMS）方法可有效構(gòu)造具有自主性、反應(yīng)性、交互性等特點(diǎn)的作戰(zhàn)實(shí)體，并通過自底向上的方式對復(fù)雜系統(tǒng)的演化過程進(jìn)行推演，在作戰(zhàn)效能評估和裝備方案頂層論證中已得到廣泛應(yīng)用[11-12]。如文獻(xiàn)[13-14]采用有限狀態(tài)機(jī)對Agent行為進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)，對無人機(jī)在搜救任務(wù)、突防任務(wù)開展了仿真。文獻(xiàn)[15]將ABMS方法用于多無人機(jī)海域監(jiān)視的任務(wù)效能分析。文獻(xiàn)[16]將ABMS與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合，研究了多無人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制效能。文獻(xiàn)[17]構(gòu)建了綜合規(guī)劃架構(gòu)并采用ABMS方法評估了空空導(dǎo)彈效能。

因此，本文基于ABMS 方法，通過分析無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同制空任務(wù)作戰(zhàn)樣式，構(gòu)建以任務(wù)狀態(tài)機(jī)為核心的Agent 模型結(jié)構(gòu)，在此結(jié)構(gòu)下，結(jié)合“觀察—判斷—決策—行動”（Observe-Orient-Decide-Act，OODA）循環(huán)思想對Agent 的功能和行為模型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。最后，通過仿真得出評估結(jié)果，并對該任務(wù)場景下多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)效能進(jìn)行分析和討論。

1 無人機(jī)協(xié)同制空任務(wù)構(gòu)想

1.1 任務(wù)構(gòu)想

制空作戰(zhàn)是未來先進(jìn)艦載隱身無人機(jī)的1項(xiàng)重要任務(wù)[18-19]。任務(wù)構(gòu)想為紅方艦載預(yù)警雷達(dá)、預(yù)警機(jī)發(fā)現(xiàn)來襲的藍(lán)方目標(biāo)或情報(bào)表明藍(lán)方可能發(fā)動空中攻擊后，由航母指揮無人機(jī)編隊(duì)前往來襲方向執(zhí)行空中截?fù)舻娜蝿?wù)。其作戰(zhàn)目標(biāo)通常是掛載各類反艦導(dǎo)彈的轟炸機(jī)、掛載空空導(dǎo)彈/反艦導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗機(jī)、隱身戰(zhàn)斗機(jī)以及無人機(jī)等。此類空中目標(biāo)對紅方水面作戰(zhàn)力量、空中防御力量構(gòu)成嚴(yán)重威脅。特別是隱身戰(zhàn)斗機(jī)和隱身無人機(jī)，其利用自身低可探測性優(yōu)勢深入紅方防區(qū)進(jìn)行隱蔽偵察、目標(biāo)識別等任務(wù)，可為后方作戰(zhàn)力量提供大量戰(zhàn)場情報(bào)信息，以便開展遠(yuǎn)程反艦火力投送等作戰(zhàn)行動。因此，使用多架無人機(jī)組成編隊(duì)，即時(shí)采取制空攔截行動，將對方戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)等進(jìn)行驅(qū)離或擊毀，將是未來?？兆鲬?zhàn)中非常重要的任務(wù)。無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同執(zhí)行制空任務(wù)場景如圖1所示。

圖1 無人機(jī)協(xié)同制空任務(wù)構(gòu)想Fig.1 Conception of multi-UAVs cooperative air combat mission

在編隊(duì)組成上，可由多架同構(gòu)型的攻擊型無人機(jī)組成編隊(duì)，也可由不同數(shù)量的預(yù)警型無人機(jī)和攻擊型無人機(jī)組成無人機(jī)編隊(duì)，以適應(yīng)不同目標(biāo)類型、不同強(qiáng)度下的制空作戰(zhàn)任務(wù)。

1.2 作戰(zhàn)過程

多無人機(jī)協(xié)同制空作戰(zhàn)過程可通過OODA 循環(huán)過程進(jìn)行描述[20]。根據(jù)這一理論，無人機(jī)協(xié)同制空作戰(zhàn)過程可分為目標(biāo)探測、戰(zhàn)場態(tài)勢感知、任務(wù)規(guī)劃和分配、任務(wù)執(zhí)行、戰(zhàn)效評估5個(gè)作戰(zhàn)行動。為梳理各作戰(zhàn)行動的具體內(nèi)容、輸入輸出及關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用層次結(jié)構(gòu)對協(xié)同制空作戰(zhàn)行動樣式進(jìn)行分解，得到作戰(zhàn)行動循環(huán)分解如圖2所示。

圖2 無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同制空作戰(zhàn)過程Fig.2 Collaborative air combat mission process of multi-UAVs

1）觀察階段。

通過無人機(jī)的機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)、光電分布式孔徑系統(tǒng)、敵我識別裝置等各類偵察探測裝備在制空任務(wù)區(qū)域搜索探測目標(biāo)信號,獲取并保持對目標(biāo)方位、速度、距離等狀態(tài)信息的跟蹤，并將探測到的目標(biāo)信息匯總至負(fù)責(zé)指揮控制的后方指揮部。

2）判斷階段。

綜合各機(jī)上報(bào)的目標(biāo)信息，融合消解信息誤差和沖突，形成統(tǒng)一的戰(zhàn)場目標(biāo)信息，完成目標(biāo)識別；基于己方空中編隊(duì)各作戰(zhàn)力量的位置、當(dāng)前作戰(zhàn)能力等狀態(tài)信息對威脅程度進(jìn)行排序，生成統(tǒng)一的戰(zhàn)場威脅態(tài)勢，之后發(fā)送給編隊(duì)內(nèi)所有的無人機(jī)。

3）決策階段。

無人機(jī)編隊(duì)的任務(wù)指揮官根據(jù)統(tǒng)一戰(zhàn)場態(tài)勢中己方各作戰(zhàn)飛機(jī)狀態(tài)信息和目標(biāo)威脅程度排序，進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃，對不同目標(biāo)分配針對性對抗措施。根據(jù)本次行動的作戰(zhàn)任務(wù)，生成制空作戰(zhàn)子任務(wù)序列，對無人機(jī)的協(xié)同模式進(jìn)行設(shè)定，選定需要打擊、跟蹤、制導(dǎo)的目標(biāo)并分配至各架無人機(jī)。

4）行動階段。

無人機(jī)自行規(guī)劃飛行航路，前往預(yù)定作戰(zhàn)區(qū)域進(jìn)行占位。期間，預(yù)警型無人機(jī)提供遠(yuǎn)距離的目標(biāo)感知、定位和跟蹤，為編隊(duì)內(nèi)所有無人機(jī)提供及時(shí)更新的態(tài)勢信息，引導(dǎo)攻擊型無人機(jī)前往攔截目標(biāo)。攻擊型無人機(jī)接近目標(biāo)后對目標(biāo)進(jìn)行探測和確認(rèn)，并做好導(dǎo)彈發(fā)射前準(zhǔn)備與參數(shù)裝訂，實(shí)施攻擊包線在線計(jì)算，確定目標(biāo)不可逃逸攔截包線。在目標(biāo)進(jìn)入不可逃逸包線后隨即發(fā)射導(dǎo)彈，對空空導(dǎo)彈進(jìn)行中段導(dǎo)引至中末制導(dǎo)交班，隨后脫離攻擊區(qū)，返回原巡邏區(qū)域繼續(xù)任務(wù)；此外，攻擊型無人機(jī)若裝備電子干擾裝備，則在目標(biāo)進(jìn)入有效干擾范圍后隨即對目標(biāo)實(shí)施干擾，以延遲目標(biāo)對紅方作戰(zhàn)飛機(jī)和導(dǎo)彈的感知時(shí)間，延緩藍(lán)方進(jìn)行對抗的反應(yīng)速度。

2 無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)仿真模型設(shè)計(jì)

2.1 Agent模型構(gòu)建

研究中，裝備實(shí)體主要有攻擊型無人機(jī)、預(yù)警型無人機(jī)、有人戰(zhàn)機(jī)以及空空導(dǎo)彈4 種。按裝備類別可劃分為飛機(jī)類和導(dǎo)彈類。考慮到飛機(jī)和導(dǎo)彈在探測、運(yùn)動、通信等方面可采用相同或類似的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建，并通過配置速度、探測識別距離等性能參數(shù)進(jìn)行區(qū)分，因此，采用相同的Agent模型結(jié)構(gòu)見圖3。

Agent 采用分層反應(yīng)型模型結(jié)構(gòu)，分為行為層和功能層。

在行為層，Agent設(shè)置了行為邏輯模塊，行為邏輯基于OODA 循環(huán)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要過程為“感知—規(guī)劃—行動”，其中規(guī)劃行為包括了判斷和決策，由任務(wù)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

在功能層，Agent設(shè)置了探測感知模塊、運(yùn)動模塊和通信模塊，每個(gè)功能模塊可配置不同的功能模型，以滿足飛機(jī)和導(dǎo)彈在功能上的差異性。例如，在探測感知模塊中，飛機(jī)Agent需配置雷達(dá)告警模型，而導(dǎo)彈Agent 則無需配置此模型。對于每個(gè)功能模型，均可配置探測距離、巡航速度等裝備性能參數(shù)，以滿足不同機(jī)型之間的差異。

Agent通過行為層的行為邏輯模塊可實(shí)現(xiàn)從環(huán)境中獲取信息，并基于預(yù)定的規(guī)則采取相應(yīng)行為；而功能層多個(gè)功能模塊則用于支持Agent 各類行為的實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 飛機(jī)Agent行為邏輯模塊

1）攻擊型無人機(jī)/戰(zhàn)機(jī)Agent任務(wù)狀態(tài)機(jī)。

紅方的攻擊型無人機(jī)和藍(lán)方的戰(zhàn)機(jī)在任務(wù)中功能和行為狀態(tài)類似，包括探測、跟蹤、追擊、制導(dǎo)、毀傷評估以及威脅規(guī)避等，采用同構(gòu)型的任務(wù)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行行為實(shí)現(xiàn)，不同機(jī)型的性能差別通過參數(shù)設(shè)置進(jìn)行區(qū)分，如圖4所示。

圖4 攻擊型無人機(jī)/戰(zhàn)機(jī)Agent任務(wù)狀態(tài)機(jī)Fig.4 Mission state machine of UCAV/fighter Agent

對于任何一方而言，其所有活動的飛機(jī)均會上報(bào)和共享獲取的目標(biāo)信息，再由編隊(duì)指揮官根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢指派距離威脅目標(biāo)最近的攻擊型無人機(jī)/戰(zhàn)機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行攔截。

2）預(yù)警型無人機(jī)Agent任務(wù)狀態(tài)機(jī)。

預(yù)警型無人機(jī)Agent任務(wù)狀態(tài)機(jī)在攻擊型無人機(jī)Agent任務(wù)狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)上，取消了追擊、導(dǎo)彈發(fā)射制導(dǎo)等部分，其余保持不變。

2.1.2 導(dǎo)彈Agent行為邏輯模塊

紅藍(lán)雙方空空導(dǎo)彈的行為狀態(tài)包括發(fā)射準(zhǔn)備、初制導(dǎo)、中制導(dǎo)、末制導(dǎo)以及自毀和摧毀判定，如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)彈Agent任務(wù)狀態(tài)機(jī)Fig.5 Mission state machine of missile Agent

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

交戰(zhàn)雙方作戰(zhàn)單位初始參數(shù)值如表1、2所示。

表1 飛機(jī)參數(shù)Tab.1 Aircraft parameters

表2 導(dǎo)彈參數(shù)Tab.2 Missile parameters

為確保導(dǎo)彈的命中率，考慮導(dǎo)彈的攻擊包線，設(shè)置紅方攻擊型無人機(jī)和藍(lán)方戰(zhàn)機(jī)在鎖定目標(biāo)后最大允許發(fā)射距離為100 km，此處的最大允許發(fā)射距離是指在該距離下，無人機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈后命中率不低于0.8。

2.3 模型場景

仿真任務(wù)場景設(shè)定為在某海域附近，紅方獲取的戰(zhàn)略情報(bào)表明藍(lán)方將派出艦載戰(zhàn)斗機(jī)，對紅方控制區(qū)域開展軍事行動。紅方?jīng)Q定派出無人機(jī)編隊(duì)前往防御區(qū)域，執(zhí)行巡邏警戒任務(wù)和制空攔截任務(wù)。交戰(zhàn)雙方任務(wù)區(qū)域設(shè)置為：紅方防御區(qū)域位于紅方航母編隊(duì)前出400～450 km處；藍(lán)方目標(biāo)區(qū)域?yàn)榧t方航母編隊(duì)前出200～300 km處。任務(wù)場景見圖6、仿真界面見圖7。

圖6 任務(wù)場景Fig.6 Mission scenario

圖7 仿真界面Fig.7 Interface of simulation

3 效能分析

3.1 無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同制空效能指標(biāo)

分析無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同制空效能，首要考慮作戰(zhàn)目標(biāo)的完成度。文中無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同制空的任務(wù)目標(biāo)是攔截藍(lán)方飛機(jī)，因此設(shè)置第1項(xiàng)效能指標(biāo)攔截率；此外，藍(lán)方戰(zhàn)機(jī)突防至距離紅方艦隊(duì)越近，對紅方艦隊(duì)的威脅越大，因此設(shè)置第2項(xiàng)指標(biāo)為攔截距離。2項(xiàng)指標(biāo)定義如下。

攔截率：被攔截的藍(lán)方飛機(jī)與藍(lán)方出動的總飛機(jī)數(shù)量之比。

攔截距離：藍(lán)方飛機(jī)從起飛至被攔截或任務(wù)完成時(shí)與紅方航母的最近距離。

在仿真時(shí)，對每個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行2 000 次蒙特卡洛仿真，將統(tǒng)計(jì)指標(biāo)均值作為結(jié)果。

3.2 無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同制空作戰(zhàn)效能

3.2.1 情形一：攻擊型無人機(jī)2對2攔截

設(shè)置2對2攔截情形：假設(shè)紅方部署2架攻擊型無人機(jī)，在防御區(qū)域內(nèi)無人機(jī)沿平行航線進(jìn)行巡邏警戒；若探測到藍(lán)方飛機(jī)，則按2.1節(jié)所述功能和行為邏輯進(jìn)行制空攔截作戰(zhàn)，直至目標(biāo)被擊毀或自身被藍(lán)方飛機(jī)擊毀；若紅方飛機(jī)完成制空攔截任務(wù)，則返回巡邏航線繼續(xù)警戒。藍(lán)方飛機(jī)出現(xiàn)的時(shí)間和方位隨機(jī)，突防方向指向航母附近的一片區(qū)域內(nèi)的隨機(jī)點(diǎn)，時(shí)間、方位和隨機(jī)點(diǎn)均采用均勻分布生成。

以無人機(jī)探測距離為變量，分析該值變化對多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能的影響，如表3 所示。隨著編隊(duì)內(nèi)每架無人機(jī)探測距離的增加，紅方的攔截率和攔截距離呈先增大，然后基本不變的趨勢。

表3 2對2情形下無人機(jī)探測距離對效能影響Tab.3 Impact of UCAV detection range on combat effectiveness in 2V2 case

可見，更大的探測距離使戰(zhàn)斗/攻擊無人機(jī)在OODA 循環(huán)上占據(jù)優(yōu)勢，可以發(fā)現(xiàn)更多且可及早對目標(biāo)實(shí)施制空攔截，但受導(dǎo)彈攻擊包線影響和限制，在無人機(jī)探測距離小于導(dǎo)彈的最大允許發(fā)射距離時(shí)，提升探測距離帶來的效能增益明顯；反之，即使無人機(jī)能夠先探測到目標(biāo)，但仍需飛行至滿足導(dǎo)彈最大運(yùn)行發(fā)射距離時(shí)才能攻擊目標(biāo)，此時(shí)探測距離提升帶來的效能增益較少。

3.2.2 情形二：攻擊型無人機(jī)多機(jī)編隊(duì)攔截

設(shè)置攻擊型無人機(jī)多機(jī)編隊(duì)攔截情形：無人機(jī)探測距離為120 km，其中無人機(jī)編隊(duì)組成分別為2、4、6、8 架制空型無人機(jī)，部署于距紅方航母編隊(duì)外圍防御區(qū)域，藍(lán)方目標(biāo)仍為2 架戰(zhàn)機(jī)，行動邏輯與情形一類似。

以編隊(duì)內(nèi)無人機(jī)數(shù)量為變量，分析該值變化對多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能的影響，如表4所示。

表4 攻擊型無人機(jī)編隊(duì)中飛機(jī)數(shù)量對效能影響Tab.4 Impact of aircraft quantity on combat effectiveness in a team of UCAVs

可見，隨著編隊(duì)內(nèi)無人機(jī)數(shù)量的增加，作戰(zhàn)效能并非成比例增加。攔截率、攔截距離均出現(xiàn)先增加，后基本保持不變的趨勢；無人機(jī)損失率出現(xiàn)先減小，后基本保持不變的趨勢。

通過分析可知，編隊(duì)中飛機(jī)數(shù)量在4 架時(shí)基本覆蓋了整個(gè)任務(wù)區(qū)域，因此，再增加編隊(duì)內(nèi)飛機(jī)數(shù)量帶來的效能值提升有限。

3.2.3 情形三：預(yù)警型無人機(jī)與攻擊型無人機(jī)混合編隊(duì)攔截仿真與分析

設(shè)置預(yù)警型無人機(jī)與攻擊型無人機(jī)混合編隊(duì)攔截情形：編隊(duì)內(nèi)包含1架預(yù)警型無人機(jī)，其余為攻擊型無人機(jī)，行動邏輯與情形一類似。預(yù)警型無人機(jī)無對空攻擊能力，對藍(lán)方目標(biāo)的探測距離為300 km。

分析不同編隊(duì)情況下加入預(yù)警型無人機(jī)后對多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能的影響，如表5所示。

表5 預(yù)警型無人機(jī)加入編隊(duì)后對效能影響Tab.5 Effect of early-warning UAV on combat effectiveness after being incorporated into formation

可見，預(yù)警型無人機(jī)加入攻擊型無人機(jī)編隊(duì)后，與出動同等數(shù)量的攻擊型無人機(jī)組成單一機(jī)型的無人機(jī)編隊(duì)對比，攔截率和攔截距離2 項(xiàng)效能指標(biāo)均有所提高。經(jīng)分析，“預(yù)警型無人機(jī)+攻擊型無人機(jī)”的編隊(duì)形式，盡管攜帶的導(dǎo)彈總數(shù)減少了，但預(yù)警型無人機(jī)的加入使探測識別距離得到顯著提升，增加了OODA 環(huán)第1 個(gè)環(huán)節(jié)的能力，使得任務(wù)效能仍能得到提升，在本場景設(shè)定下，攔截率和攔截距離均提升了10%～20%。

綜上，多無人機(jī)協(xié)同制空作戰(zhàn)編隊(duì)中，無人機(jī)探測距離、數(shù)量、編隊(duì)編組形式等不同作戰(zhàn)運(yùn)用方式對任務(wù)效能有顯著影響，但影響模式存在差異性：采用同構(gòu)編組形式時(shí)，攻擊型無人機(jī)探測距離的增加、編隊(duì)內(nèi)無人機(jī)數(shù)量的增加，均能提升多無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同制空任務(wù)效能，但受導(dǎo)彈性能限制或任務(wù)區(qū)面積限制而存在飽和值；此外，在攻擊型無人機(jī)編隊(duì)中加入預(yù)警型無人機(jī)，盡管降低了空空導(dǎo)彈數(shù)量，但探測感知距離的大幅提升使得編隊(duì)整體受益，可使編隊(duì)達(dá)到更高的任務(wù)效能。

4 結(jié)論

本文對多無人機(jī)協(xié)同制空作戰(zhàn)任務(wù)和過程進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建效能評估指標(biāo)，基于ABMS方法構(gòu)建仿真任務(wù)場景進(jìn)行研究，分析了典型制空任務(wù)場景下無人機(jī)探測距離、無人機(jī)數(shù)量以及編隊(duì)組成形式對多無人機(jī)協(xié)同制空的效能的具體影響。結(jié)論可為無人機(jī)總體設(shè)計(jì)方案和多機(jī)編隊(duì)作戰(zhàn)使用策略提供參考。