有人機/無人機協同空戰效能評估的綜合指數模型

董彥非，崔巍，張旺

(南昌航空大學飛行器工程學院，江西南昌330063)

0 引言

隨著航空科技的發展與軍事需求的推動，無人機在戰場上的應用范圍已經逐漸從監視/偵察向空中作戰方向發展［1-3］。無人作戰飛機(以下簡稱無人機)不僅能在未來戰場上與有人戰斗機(以下簡稱有人機)并肩作戰，甚至能在某些情況下替代有人機，成為未來空中作戰的主力武器裝備之一。人在環的無人作戰模式將成為未來空中作戰的重要模式［4］，無人戰斗機將逐漸主導空中作戰，成為空中優勢的主力軍。

受限于無人機的智能化水平，在未來相當長的一段時間內，有人機和無人機在空中作戰中的關系仍將是控制與被控制以及功能互補的關系。美國國防部認為，未來有人機和無人機及其他無人支援飛機聯合編隊協同作戰將成為一種新的作戰模式［5-7］。有人機和無人機協同作戰，可以做到優勢互補，分工協作，充分發揮各自的能力。無人機的出現必將會引起空中作戰理論的變革［1］，導致空中作戰方式的改變。當前，無人機與有人機協同作戰的模式已成為無人機作戰運用研究中的一大熱點，引起了世界各國極大的研究興趣［1］。

1 典型作戰模式

有人機/無人機混合編隊由1架到數架有人機作為長機，每架長機分別指揮控制2～4架無人機編隊完成任務。在混合編隊中，長機具有完善的指揮控制功能和對空作戰能力，主要完成對無人機的指揮控制任務，在作戰需要情況下，長機也可以對敵機實施攻擊。僚機具有良好的協同空戰能力(自主控制等級≥美國無人機智能評級的第5級——機群協同)。協同空戰示意圖如圖1所示。

圖1 有人機/無人機協同空戰示意圖Fig.1 Cooperation of manned/unmanned vehicles in air combat

1.1 協同空戰過程

協同空戰過程共分為6個階段，其流程如圖2所示。

圖2 有人機/無人機協同空戰流程Fig.2 Cooperation of manned/unmanned vehicles in air combat

1.1.1 任務裝訂及戰區引導

指揮控制中心接受上級命令截擊某空域入侵目標并對情報進行分析后，決定使用1架有人機為長機，3架無人機為僚機執行截擊任務。

有人機/無人機在地面進行任務/路徑的數據裝訂后，根據指揮控制中心的命令起飛，到達指定空域集結、編隊。然后，指揮控制中心將混合編隊引導至預定空域。有人機位于無人機機群后方30～50 km處，接收由無人機、預警指揮控制中心傳來的實時戰場數據，指揮控制無人機機群。

1.1.2 戰場偵察和目標搜索

混合編隊到達預定空域后，根據敵機目標的大致方位和距離等信息，有人機指揮無人機沿規劃戰術航線編隊飛行，無人機編隊雷達開機對戰場進行偵察，搜索敵機目標。

無人機將獲得的戰場態勢信息通過數據鏈系統傳輸給有人機，有人機實時接收由無人機、預警指揮控制中心傳來的實時戰場數據，控制無人機對指定區域的目標搜索。

當無人機搜索到可疑目標后，自動進行敵我識別過程。當確認是敵機后，將敵機信息通過數據鏈系統傳輸給有人機。

1.1.3 攻擊準備(戰場數據信息處理)

有人機綜合無人機、預警指揮控制中心和本機的情報，實時進行空戰態勢評估和威脅評估，并進行目標分配和火力分配，然后將分配結果通過數據鏈系統傳輸給無人機。無人機完成對威脅目標實施超視距(BVR)攻擊占位。同時，有人機將評估結果傳輸給指揮控制中心。

本階段結束時，無人機編隊具備執行BVR攻擊的條件。該階段有人機主要任務有:接收各方情報信息，進行信息融合，完成態勢分析、威脅評估等，并對無人機群進行目標分配和火力分配，將分配結果以命令形式發送給無人機;指揮控制無人機對威脅目標實施BVR攻擊占位;對戰場進行監視。無人機主要任務有:基于機載或外部信息跟蹤威脅目標、繼續搜索潛在威脅目標;對威脅目標實施BVR攻擊占位。

1.1.4 超視距攻擊

有人機下達超視距攻擊指令。無人機判斷敵機是否進入中距攻擊包線。當敵機進入無人機的中/遠距空空導彈發射包線后，無人機完成火控諸元解算，進入第一輪BVR導彈攻擊。

該階段有人機的主要任務是進行戰場監視。無人作戰飛機的主要任務為:判斷敵機是否進入中距攻擊包線，完成火控諸元結算;實施攻擊。

1.1.5 再次BVR/視距內(WVR)攻擊

首輪BVR攻擊后，有人機需進行如下判斷:如果敵機群被殲滅，則轉入返回基地;如果未全部殲滅敵方機群，有人機則要根據敵我雙方的戰損情況判斷是否實施再次攻擊。如果需要再次攻擊，有人機再次進行目標分配和火力分配，并下達攻擊指令后，無人機進入再次攻擊階段。如果作戰需要，有人機也可以進入攻擊行動。

1.1.6 返回基地

經過BVR攻擊或再次攻擊/WVR攻擊之后，有人機分別向無人機下達返航指令，指揮剩余無人機集結編隊并按照預定航路返回基地。

1.2 協同作戰特點

根據典型的有人機/無人機混合編隊協同空戰模式可知，與有人機或者無人機單機空戰效能評估相比，有人機和無人機協同的機群效能具有以下特點:

(1)有人機指揮控制能力的重要性突出;

(2)無人機自主智能有重要影響;

(3)對數據鏈系統抗干擾和穩定性有較高要求;

(4)機群中飛機數量與整體作戰能力正相關;

(5)多機協同會降低單機能力優勢。

基于以上特點，混合機群效能評估可以考慮構建基于各能力之間相關性的加權和模型。模型中的有人機能力除了常規戰斗機的評估方法外，注重指揮和控制能力相關參數在模型中的突出體現。無人機能力中的智能化程度需要重點考慮，要特別重視數據鏈的能力。

2 空戰效能評估指數模型

根據有人機/無人機協同空戰典型作戰模式知，有人機的指揮控制能力與無人機的自主智能(智能化水平)相關，數據鏈能力與有人機的指揮控制能力相關，而起輔助攻擊作用的有人機單機空戰能力與以上能力無相關性。由此，建立有人機/無人機混合編隊協同空戰能力數學模型為:

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。一是因為降雨較多，田面水層長時間維持在較高水平，下滲速率較大；二是經過2016年水稻季的種植，2017年水稻季試驗小區耕作層的致密性較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為編隊系統數據鏈能力;ACC為有人機指揮決策能力;IUAV為無人機自主智能;CM為有人機空戰能力;CUAV為無人機空戰能力;n和m分別為混合編隊中無人機和有人機的數量;η為飛機數量對單機效能的影響因素(當我方飛機總數為2時，η=1;當我方飛機總數為3時，η=0.9;當我方飛機總數為4時，η=0.8)。式(1)中各分項能力指數上邊的“_”號表示進行標準化處理(以下同)，并以此值作為該項指標的指數值。基于對武器裝備性能參數物理意義上的考慮［8-11］，標準化可以采用非線性S型可導函數歸一法。

有人機單機空戰能力包括:火力、態勢感知能力、機動能力、操縱性、生存力(含電子對抗能力)和作戰半徑。如果把“火力×態勢感知能力”看作一個單項Att(衡量攻擊能力)，把“機動能力×操縱能力”作為一個單項Mane(衡量機動性)，Sur表示生存能力，Radius表示續航能力，則有人機和無人機的單機空戰能力都可以表示為［9］:

有人機和無人機單機作戰能力中武器系統能力、作戰飛機生存力、電子對抗能力系數εe、機動性以及其他未說明的參數計算與取值方法均可參見文獻［8-13］，并根據現代作戰實際和空戰攻擊武器形態的發展合理修正。

數據鏈的性能是對平時和戰時運用環境條件下數據鏈發揮的戰術信息采集、數據處理能力的度量;或者說是衡量數據鏈將規定的戰術信息，在規定的時間按照規定的收發規則，以規定的信息格式發送到規定的地方，并采用規定的算法在規定的時間內完成對戰術數據處理的能力。數據鏈性能指數DL可以由節點連通性、有效網絡容量、時效指標最終體現。

式中:nr為接收節點數目;nt為發送節點數目;Mt為節點發送的消息;Mr為節點接收的消息;Qeff為有效數據傳輸速率;tp為單位傳播時間;pi為第i條信息傳遞的時效性的度量。

有人機的指揮控制能力可表示為:

式中:α為接收信息中正確發現的目標數量;α0為客觀態勢中實際的目標數量，則α/α0可表征為信息完備性指標;Vi為接收信息中的單個目標特征與客觀態勢中相應目標特征的偏離程度，即(1－Vi)為單個目標感知態勢的準確性指標;qi為作戰需求時限內信息處理融合的時效性;εj為第j個從決策作戰行動采取后實際完成任務的程度;tj為單個任務決策周期;tmax為決策允許時間。

3 算例與分析

設有10種型號的有人機(M1，…，M10)和7種型號的無人機(U1，…，U7)均可以混合編隊。混合編隊由1架有人機指揮控制3架無人機實施空戰任務。

首先分別計算出有人機和無人機單機作戰效能;然后，計算出各有人機指揮控制能力和數據鏈能力，以及無人機自主智能水平;最后評估混合編隊協同空戰效能。計算結果分別如表1～表3所示。

表1 有人機單機空戰效能評估結果Table 1 Results of air combat effectiveness for manned vehicles

表2 無人機單機空戰效能評估結果Table 2 Results of air combat effectiveness for UCAVs

表3 不同混合編隊方案綜合空戰效能評估結果Table 3 Assessment results of air combat effectiveness for different mixed formations

表3中數值為1架有人機指揮控制3架無人機的空戰效能評估結果(如M1，U1對應的2.087 3即為1架M1指揮控制3架U1的空戰效能值)。根據計算結果可知:

(1)M1的單機綜合作戰能力、指揮控制能力、數據鏈效能都是最大的，與7架無人機中的任意一架配對，都取得了較高的編隊協同空戰效能。

(2)M4有良好的指揮控制能力和數據鏈能力，使得M4與其他無人機相配能取得較好的作戰效能。

(3)M3與M4作戰能力、數據鏈效能接近，但M3的指揮控制能力很弱，使得M3與其他無人機相配的作戰效能很低。

(4)M6與M7的空戰能力、指揮控制能力接近，但M7的數據鏈效能比較低，使得M7與其他無人機相配的作戰效能都低于M6與其他無人機相配的作戰效能。

(5)U1和U2性能優良，與多數有人機進行編隊空戰都能達到理想的攻擊效果;U7的單機綜合作戰能力和自主控制能力都是最低的，因而它與有人機中任意一架配對的空戰效能都是最低的。

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

4 結論

(1)有人機/無人機混合編隊協同空戰效能評估的綜合指數模型較好地處理了有人機/無人機協同作戰各子系統、分系統能力之間的關系，經計算驗證，模型合理、可行，符合協同作戰的規律和數學原理。

(2)有人機/無人機協同空戰效能評估的綜合指數模型提供了合理的構建混合編隊空戰效能評估的思想和基礎模型。在實際應用中，應在該建模思想指導下，綜合考慮具體可獲得的各項數據情況，并結合參數敏感性分析以及課題任務等因素合理調整具體的計算模型。

(3)給出的有人機/無人機協同空戰效能評估數據和計算結果只用于計算模型的驗證，僅供參考。具體使用時可以根據研究目的不同選擇不同機型的集合，從不同角度運用該指數模型。

［1］ 龍濤.多無人機協同任務控制中分布式任務分配與任務協調技術研究［D］.長沙:國防科學技術大學，2006.

［2］ Thomas J.Cooperative engagement:concept for a near team air-to-air unmanned combat aircraft system［R］.Browning Lt.Col，USAF，2006.

［3］ CC-Air-Izmir Wg Cdr J M Paige GBR AF.UAVs are set to mature［J］.The Journal of the JAPCC，2006(3):1-3.

［4］ 祝小平，周洲.作戰無人機的發展與展望［J］.飛行力學，2005，23(2):1-4.

［5］ 閆曄.有人機/無人機協同中的交互控制技術研究［D］.長沙:國防科學技術大學，2007.

［6］ Cambone S A，Kriegr，Pace P，et al.Unmanned aircraft system roadmap 2005-2030［R］.Office of the Secretary of Defense，Washington DC，2005.

［7］ Wilson J R.Unmanned aerial vehicles get ready for prime time［J］.Military and Aerospace Electronics，2009，20(7):35-41.

［8］ 董彥非，王禮沅，張恒喜.戰斗機空戰效能評估的綜合指數模型［J］.航空學報，2006，27(6):1084-1087.

［9］ 董彥非，王禮沅，張恒喜.空-地攻擊作戰效能評估的綜合指數模型［J］.航空學報，2007，28(6):1374-1377.

［10］董彥非，胡濤.戰斗機綜合作戰效能評估建模方法［J］.火力與指揮控制，2012，37(2):9-11.

［11］董彥非，王禮沅，王卓健.基于空戰模式和AHP法的空戰效能評估模型［J］.系統工程與電子技術，2006，28(6):885-888.

［12］朱寶鎏，朱榮昌，熊笑非.作戰飛機效能評估［M］.北京:航空工業出版社，2006:62-112.

［13］張恒喜，郭基聯，董彥非，等.現代飛機效費分析［M］.北京:航空工業出版社，2007:18-43.