基于任務協(xié)同的有人機/無人機對海攻擊作戰(zhàn)效能評估研究

王光源，孫 濤，毛世超，章堯卿

（海軍航空大學，山東煙臺264001）

基于任務協(xié)同的有人機/無人機對海攻擊作戰(zhàn)效能評估研究

王光源，孫 濤，毛世超，章堯卿

（海軍航空大學，山東煙臺264001）

通過分析攻擊敵海上艦船目標過程中有人機/無人機編隊的作戰(zhàn)使用方式及影響其作戰(zhàn)效能的主要因素，建立了有人機/無人機編隊協(xié)同攻擊海上目標的作戰(zhàn)效能評估指標體系，運用ADC法構建了有人機/無人機混合編隊攻擊敵艦船目標作戰(zhàn)效能評估模型，通過算例證明了該方法適應于有人機/無人機編隊的作戰(zhàn)效能評估，為有人機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)決策提供了有效的參考依據(jù)。

有人機/無人機；海上目標；ADC；協(xié)同攻擊；效能評估

自以色列在貝卡谷地空戰(zhàn)中利用無人機遂行作戰(zhàn)任務以來，無人機在戰(zhàn)爭中充當著越來越多的角色，從遂行空中偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、通信中繼和戰(zhàn)斗毀傷評估等作戰(zhàn)支援任務，發(fā)展到擔負壓制敵方防空系統(tǒng)（SEAD）和對敵攻擊等主要作戰(zhàn)任務[1-2]。

無人作戰(zhàn)飛機（簡稱無人機）具有價格低廉，不懼傷亡，隱蔽性好，生命力強，滯空時間長等特點[3]，不僅能在戰(zhàn)場上與有人戰(zhàn)斗機并肩作戰(zhàn)，而且能在某些情況下替代有人機，遂行作戰(zhàn)任務，毋庸置疑，無人機將逐漸成為奪取制空權的主力軍[4]。但是無人機的智能化水平不可能在短期內達到自主完成作戰(zhàn)任務的程度，因而在相當長的一段時間內，由有人機與無人機組成編隊協(xié)同作戰(zhàn)將是典型的作戰(zhàn)使用模式[5-6]。

隨著我國國家利益的拓展，對海軍遂行遠海護衛(wèi)能力有了新的需求，對于艦艇編隊來說，合理運用艦載有人機/無人機進行協(xié)同作戰(zhàn)可有效拓展艦艇編隊的監(jiān)控、打擊范圍，提高應急處突能力[7-8]，準確掌握有人機/無人機編隊的作戰(zhàn)效能對其協(xié)同作戰(zhàn)使用具有重要意義。由于有人機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)使用是一個復雜過程，本文以現(xiàn)有有人機/無人機裝備擔負對海上目標攻擊任務為背景，運用ADC評估理論方法[9]，采用定性與定量相結合的方式對有人機/無人機協(xié)同攻擊海上艦船目標的綜合效能進行了建模和評估研究。

1 基于任務協(xié)同的對海攻擊模式分析

有人機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)一般是指由有人機擔任空中指揮所的職責，配置數(shù)架無人機共同組成空中編隊，完成作戰(zhàn)任務的過程。按照美國國防部《2011-2036無人系統(tǒng)綜合路線圖》定義，有人無人編隊是指有人與無人系統(tǒng)為執(zhí)行相同任務而建立的編隊，通過互聯(lián)互通互操作和資源共享以達成共同目標[10]。根據(jù)協(xié)同屬性不同，可以分為基于任務協(xié)同、階段協(xié)同、層次協(xié)同和對象協(xié)同4種方式。本文主要研究基于任務的協(xié)同使用方式?；谌蝿諈f(xié)同的對海攻擊作戰(zhàn)是指在作戰(zhàn)過程中，無人機通過遂行信息支援、探測、防御和攻擊海上目標的協(xié)同任務，配合有人機完成有人機/無人機編隊的預警探測、協(xié)同指揮、協(xié)同攻擊海上艦船目標的任務[11]。

根據(jù)艦艇編隊艦載有人機/無人機承擔的作戰(zhàn)任務和武器裝備使用情況，本文主要研究有人機/無人機編隊攻擊海上艦船目標，其中無人機以承擔協(xié)同攻擊任務的方式展開作戰(zhàn)行動。編隊設定由1架有人機作為長機，2架無人機協(xié)同攻擊組成。由于編隊協(xié)同作戰(zhàn)使用中涉及戰(zhàn)場信息的獲取、評估、指揮導引等復雜過程，影響其作戰(zhàn)效能的因素較多，并且相關因素指標的物理屬性互有不同，是典型的多屬性的作戰(zhàn)效能評價問題[12-13]，本文采用簡便多屬性ADC評價方法，開展了基于任務協(xié)同的有人機/無人機對海攻擊作戰(zhàn)效能的綜合評價問題研究。

2 評價指標體系的分析與構建

根據(jù)有人機/無人機編隊的組成、使用特點和實戰(zhàn)環(huán)境下對編隊遂行作戰(zhàn)任務的主要影響因素[14-17]，在充分考慮其系統(tǒng)性、可比性、獨立性、層次性、客觀性的基礎上構建了有人機/無人機編隊協(xié)同攻擊海上艦船目標的作戰(zhàn)效能評估指標體系[18]。本文將整個作戰(zhàn)機群編隊抽象為一個武器作戰(zhàn)系統(tǒng)，其可用性A主要由編隊系統(tǒng)的故障率和維修率組成，可信性D主要由編隊系統(tǒng)的任務規(guī)劃可靠性、編隊系統(tǒng)可靠性和數(shù)據(jù)鏈可靠性組成，能力C主要從協(xié)同探測、協(xié)同指揮和協(xié)同攻擊3個方面來分析編隊的作戰(zhàn)效能，見圖1。

3 有人機/無人機協(xié)同對海攻擊的作戰(zhàn)效能評估模型

ADC模型[19-20]是美國工業(yè)界武器系統(tǒng)效能評估咨詢委員會提出的效能評估模型，其數(shù)學解析式為：

式（1）中：E表示系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能，是對系統(tǒng)完成任務能力的綜合量度，通常用概率值表示；A為可用性向量，A=[ ]a1,a2,…,an，n為系統(tǒng)在開始執(zhí)行任務時的狀態(tài)數(shù)目，ai為開始執(zhí)行任務時處于i狀態(tài)的概率；D為N×N的可信度矩陣；C表示系統(tǒng)的能力，是對系統(tǒng)在不同狀態(tài)下完成任務能力的量度。

3.1 有人機/無人機編隊系統(tǒng)的可用性矩陣

有人機/無人機協(xié)同對海攻擊的作戰(zhàn)樣式如圖2所示。由圖2可知，有人機/無人機編隊系統(tǒng)是由有人機系統(tǒng)和無人機系統(tǒng)串聯(lián)組成，其中無人機系統(tǒng)由2個無人機單機系統(tǒng)并聯(lián)構成。

對于有人機系統(tǒng)和無人機系統(tǒng)來講，通常分為可用狀態(tài)和不可用狀態(tài)，但是由于無人機系統(tǒng)存在并聯(lián)關系，所以整個有人機/無人機編隊系統(tǒng)存在3種狀態(tài)，從而確定系統(tǒng)可用性向量A為

式中：a1為有人機系統(tǒng)和2個無人機系統(tǒng)均處于正常工作狀態(tài)的概率；a2為有人機系統(tǒng)和1個無人機系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，另1個無人機系統(tǒng)處于故障狀態(tài)的概率；a3為有人機系統(tǒng)故障或2個無人機系統(tǒng)故障均出現(xiàn)故障或者有人機系統(tǒng)和2個無人機系統(tǒng)均出現(xiàn)故障的概率。

對任一單平臺系統(tǒng)，其正常工作狀態(tài)的概率為：

式（2）中：MTBF為系統(tǒng)平均故障間隔時間；MTTR為系統(tǒng)平均故障修復時間。

在可靠性理論中，系統(tǒng)可靠度一般服從指數(shù)分布，即：

式（3）中：λ為系統(tǒng)的故障率；μ為系統(tǒng)的維修率。

根據(jù)有人機/無人機編隊系統(tǒng)可能存在3種狀態(tài)從而得其可用性向量A為：

式（4）中：aM、aU分別為有人機系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)處于正常工作的概率；MMTBF、UMTBF分別為有人機系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)平均故障間隔時間；MMTTR、UMTTR分別為有人機系統(tǒng)、無人機系統(tǒng)平均故障修復時間。

3.2 有人機/無人機編隊系統(tǒng)的可信度矩陣

有人機/無人機編隊系統(tǒng)在執(zhí)行任務的過程中只有正常工作和故障2種狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)可能的初始狀態(tài)到執(zhí)行任務過程中可能發(fā)生的狀態(tài)轉移，其可信度矩陣為：

式（5）中：dij(i=1,2,3;j=1,2,3)表示開始執(zhí)行任務時編隊系統(tǒng)處于ai(i=1,2,3)狀態(tài)，任務完成時編隊系統(tǒng)處于aj(j=1,2,3)狀態(tài)。

顯然，有人機/無人機編隊系統(tǒng)在執(zhí)行任務的過程中發(fā)生的故障是不可修復的。因此，在開始執(zhí)行任務時，若某一作戰(zhàn)平臺系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，則任務完成后該系統(tǒng)仍處于故障狀態(tài)。顯然，得d21=d31=d32=0、d33=1。

假設編隊系統(tǒng)執(zhí)行任務時的故障率服從指數(shù)分布，則有人機/無人機編隊系統(tǒng)的可信度矩陣為：

式（6）中：λM和λU分別為有人機系統(tǒng)和無人機系統(tǒng)的故障率；TM和TU分別為有人機系統(tǒng)和無人機系統(tǒng)執(zhí)行任務的工作時間。

3.3 有人機/無人機協(xié)同對海攻擊的能力矩陣

有人機/無人機協(xié)同對海攻擊的能力是指編隊系統(tǒng)完成對敵方海上目標攻擊任務的程度，一般由最終目標的毀傷概率來表示。這個概率與編隊系統(tǒng)在整個協(xié)同作戰(zhàn)過程中的狀態(tài)密切相關，在相同的有人機/無人機編隊系統(tǒng)中，系統(tǒng)所處的狀態(tài)不同，其完成攻擊任務的概率也不同。本文建立的有人機/無人機協(xié)同對海攻擊的能力矩陣為，其中，cj為系統(tǒng)在執(zhí)行任務過程中處于第j種狀態(tài)時完成任務的能量值。

本文中，有人機/無人機編隊在執(zhí)行攻擊任務的過程中可能處于3種狀態(tài)，第1種為有人機系統(tǒng)/無人機系統(tǒng)均處于正常工作狀態(tài)，第2種為有人機系統(tǒng)和1個無人機系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，第3種為有人機系統(tǒng)故障或2個無人機系統(tǒng)故障的狀態(tài)，其對應的作戰(zhàn)能力矩陣為。顯然，當編隊系統(tǒng)處于第3種狀態(tài)時，c3=0。根據(jù)本文建立的有人機/無人機編隊協(xié)同攻擊海上目標的作戰(zhàn)效能評估體系，編隊系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力主要由預警探測能力Cm、協(xié)同指揮能力Cn、協(xié)同攻擊能力Cp構成，則有人機/無人機編隊的作戰(zhàn)能力矩陣可表示為：

式（7）中：c1m、c1n、c1p分別為有人機/無人機編隊系統(tǒng)第1種狀態(tài)下的預警探測能力值、協(xié)同指揮能力值和協(xié)同攻擊能力值；c2m、c2n、c2p分別為有人機/無人機編隊系統(tǒng)第2種狀態(tài)下的預警探測能力值、協(xié)同指揮能力值和協(xié)同攻擊能力值。

在不同海況條件下，某型無人機系統(tǒng)與有人機系統(tǒng)協(xié)同對海上大、中、小三型目標作戰(zhàn)的能力數(shù)據(jù)可查閱相關機型的技術手冊，即c2m、c2n、c2p可通過查閱得到具體數(shù)值，進一步求得有人機/無人機編隊系統(tǒng)第1種狀態(tài)下的c1m、c1n、c1p分別為：。

4 算例分析

假設有人機系統(tǒng)的平均故障間隔時間為1 000 h，平均修理時間為50 h，無人機系統(tǒng)平均故障時間為2 000 h，平均修理時間為100 h，在3級海況下，針對海上中型目標，執(zhí)行任務為6min，通過查閱某型無人機的技術手冊得到該型無人機與有人機系統(tǒng)協(xié)同對海上目標的作戰(zhàn)能力指標如表1所示。

表1 某型無人機對海上目標作戰(zhàn)能力指標Tab.1 Indicators for the effectiveness assessment for attack on maritime targets of a type of unmanned aerial vehicles

有人機/無人機編隊作戰(zhàn)效能計算步驟為：

1）計算編隊系統(tǒng)的可用性矩陣。根據(jù)式（2）得：

從而根據(jù)式（4）求得可用性向量為：

2）計算編隊系統(tǒng)的可信度矩陣。根據(jù)式（3）得：

從而根據(jù)式（6）求得可信度矩陣為：

3）計算編隊協(xié)同對海攻擊的能力矩陣。根據(jù)想定海況和擬攻擊目標，查表1得單無人機作戰(zhàn)系統(tǒng)的能力數(shù)據(jù)為：。由式（8）得有人機/無人機編隊系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下的作戰(zhàn)能力數(shù)據(jù)為：，進一步求得：E=A?D?C=0.922 3。

5 結束語

本文通過基于任務協(xié)同的有人機/無人機編隊對海上目標的作戰(zhàn)使用方式，采用定性與定量相結合的ADC評估方法建立了有人機/無人機編隊協(xié)同對海攻擊的效能評估評價體系，并運用ADC模型對有人機/無人編隊的作戰(zhàn)效能進行了量化分析，經(jīng)計算驗證，將ADC模型應用于有人機/無人機對海攻擊的作戰(zhàn)效能評估合理、可行，符合協(xié)同作戰(zhàn)的規(guī)律，為無人機/有人機的作戰(zhàn)訓練使用提供了有效的決策支撐與幫助。

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Research on Effectiveness Assessment for Attack Against Maritime Targets of Manned/Unmanned Vehicles Based on Mission Cooperative

WANG Guangyuan,SUN Tao,MAO Shichao,ZHANG Yaoqing
（Naval Aviation University,Yantai Shandong 264001,China）

By analyzing the combat style of manned/unmanned vehicles and main factors affecting the effectiveness of the operation during the attack against enemy maritime targets,this paper has set up the system of evaluation indicators for the effectiveness assessment for cooperative attack on maritime targets of manned/unmanned vehicles and constructed ADC model.Finally,the numerical example proved the validity and reliability of the model.It also provides an effective reference for the coordinated operation of manned/unmanned vehicles.

manned/unmanned vehicles;maritime target;ADC;cooperative attack;effectiveness assessment

E843

A

1673-1522（2017）05-0491-05

10.7682/j.issn.1673-1522.2017.05.015

2017-03-27；

2017-05-20

王光源（1964-），男，教授，博士。