基于效用函數(shù)的無人機群分布式協(xié)同偵察方法研究

趙新路， 陳 雪

(1.四川航天系統(tǒng)工程研究所，四川 成都 610100；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610100)

0 引 言

分布式作戰(zhàn)自古至今都存在，并經(jīng)實戰(zhàn)化運用后得以檢驗。進入信息化戰(zhàn)爭時代后，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的快速發(fā)展使得萬物快速互聯(lián)成為可能，分布式作戰(zhàn)邁上了一個新的臺階。分布式作戰(zhàn)體系不斷發(fā)展成熟，并在實戰(zhàn)中展示了其威力，使得各國不得不重視信息化條件下分布式作戰(zhàn)體系的發(fā)展和實戰(zhàn)化運用。在分布式作戰(zhàn)的背景下，作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜多變，作戰(zhàn)任務(wù)也具有高度不確定性，所以需要綜合運用不同的偵察方式，發(fā)揮電子偵察、合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)偵察和光電偵察等多種偵察載荷在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下對特定目標(biāo)的偵察優(yōu)勢[1-2]，實現(xiàn)對特定目標(biāo)的分布式協(xié)同偵察與監(jiān)視，為作戰(zhàn)人員提供明確的目標(biāo)信息，快速生成戰(zhàn)場態(tài)勢信息，給決策者實時提供戰(zhàn)場環(huán)境信息支持，推動作戰(zhàn)進程的發(fā)展。

目前國內(nèi)外對于分布式協(xié)同作戰(zhàn)的研究多集中在作戰(zhàn)概念的探討、關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)。對于運用不同偵察方式實現(xiàn)分布式協(xié)同偵察平臺編配方案的研究還處于起步發(fā)展階段。文獻(xiàn)[3]研究了電子偵察無人機和反輻射無人機在不同編配下攻擊敵方雷達(dá)的作戰(zhàn)效能；文獻(xiàn)[4]探索了無人機載電子/光學(xué)傳感器協(xié)同運用的偵察模式，研究和制定無人機載多傳感器協(xié)同偵察效能評估指標(biāo)體系，運用“綜合指數(shù)模型”建立了傳感器間協(xié)同偵察效能評估的數(shù)學(xué)模型；文獻(xiàn)[5]研究了在給定一組具有不同偵察載荷能力的無人機條件下對任務(wù)場景中的多個任務(wù)區(qū)進行協(xié)同偵察時最優(yōu)化任務(wù)決策的問題；文獻(xiàn)[6]建立了考慮路程、通信容量、雷達(dá)探測能力、無人機智能水平的偵察優(yōu)勢函數(shù)和目標(biāo)分配模型，運用離散粒子群算法對分布式協(xié)同體系下的多無人機多目標(biāo)分配策略進行了研究；文獻(xiàn)[7]研究了A/B型無人機在不同編配方案下的作戰(zhàn)效能值，但是文中對于裝備體系作戰(zhàn)能力值的計算較為模糊。

本文基于指數(shù)分析法對裝備平臺的作戰(zhàn)能力進行評估，再結(jié)合能力滿足度模型進行裝備體系作戰(zhàn)效能的計算，從而對在不同作戰(zhàn)任務(wù)下的分布式協(xié)同作戰(zhàn)平臺的編配方案進行研究。

1 無人機群多源分布式協(xié)同偵察方案

信息化作戰(zhàn)背景下，無人機集群作為重要的察打一體作戰(zhàn)裝備，在體系作戰(zhàn)中發(fā)揮著不可替代的作用，也是無人作戰(zhàn)的最有力支撐。無人機群可攜帶不同偵察載荷執(zhí)行偵察和打擊任務(wù)，偵察方式主要以電子偵察、SAR偵察、光電偵察等手段為主[4]，如圖1所示。不同偵察手段可取長補短，通過分布式協(xié)同偵察對同一目標(biāo)進行探測，利用多源信息融合技術(shù)對不同的探測信息進行融合，實現(xiàn)對復(fù)雜多域戰(zhàn)場環(huán)境的態(tài)勢感知，給決策者提供依據(jù)，推進作戰(zhàn)進程，實現(xiàn)OODA打擊鏈路的閉環(huán)。

圖1 無人機群分布式協(xié)同偵察結(jié)構(gòu)示意圖

面對復(fù)雜環(huán)境偵察作戰(zhàn)任務(wù)，無人機平臺以集群模式進行分布式偵察，電子偵察無人機群、SAR偵察無人機群、光電偵察無人機群通過攜帶的感知探測設(shè)備對任務(wù)區(qū)域進行搜索和監(jiān)視，判斷在任務(wù)區(qū)域內(nèi)是否存在敵對目標(biāo)。若確認(rèn)在當(dāng)前探測區(qū)域內(nèi)存在敵對目標(biāo)信息，則立即對目標(biāo)進行跟蹤，以獲取實時信息進行多級處理融合，并將結(jié)果上報至指控中心。指控中心確認(rèn)后進行威脅評估和決策，制定作戰(zhàn)方案，由無人機群執(zhí)行打擊任務(wù)。

2 機群分布式協(xié)同偵察模型及流程

2.1 機群多源偵察能力模型

假設(shè)無人機群分別搭載電子偵察載荷、SAR偵察載荷和光電偵察載荷，針對不同的作戰(zhàn)目標(biāo)，對三種偵察方式的能力需求不同，分別建立三種偵察方式的能力模型[2, 4, 8-10]。

電子偵察無人機群偵察能力模型可表示為

(1)

式中：ξe為電子對抗環(huán)境下電子偵察效果的影響系數(shù)；ΔF為電子偵察裝備的頻率覆蓋范圍；ΔF0為電子偵察裝備的基準(zhǔn)頻率覆蓋范圍；R為偵收信號距離；θ為搜索方位角覆蓋范圍；Δα為電子偵察裝備的測向精度。

SAR偵察無人機群偵察能力模型可表示為

(2)

其中，

(3)

(4)

光電偵察無人機群偵察能力模型可表示為

(5)

偵察信息傳輸能力模型可表示為

(6)

式中：PDi為數(shù)據(jù)鏈傳輸能力；D為數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實際傳輸時延；Vmax為數(shù)據(jù)鏈信息最大傳輸速率；S0為最大傳輸速率對應(yīng)的傳輸距離；ε1,ε2分別是數(shù)據(jù)鏈傳輸時延指標(biāo)和傳輸效率指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。

2.2 機群多源偵察評估模型

(1)建立效用函數(shù)模型

在執(zhí)行不同的偵察任務(wù)時，對偵察能力的滿足度和信息傳輸能力的滿足度是不同的，對不同偵察方式的能力滿足度效用函數(shù)為[11-13]

(7)

式中：Psi為無人機群偵察的當(dāng)前能力值；Ps為完成偵察任務(wù)的需求能力值。i=1時，為電子信號；i=2時，為SAR偵察；i=3時，為光電偵察。

不同偵察方式的信息傳輸能力滿足度效用函數(shù)為

(8)

式中：PDi為無人機群偵察信息傳輸?shù)漠?dāng)前能力值；PD為完成偵察任務(wù)信息傳輸?shù)男枨竽芰χ?。i=1時，為電子信號；i=2時，為SAR偵察；i=3時，為光電偵察。

(2)建立協(xié)同偵察綜合評估模型

無人機群可搭載電子偵察設(shè)備、SAR、光電偵察設(shè)備等載荷執(zhí)行分布式協(xié)同偵察任務(wù)，不同偵察方式之間的相互配合可增強綜合偵察效果。綜合偵察效能可由電子信號偵察效能、SAR偵察效能以及光電設(shè)備偵察效能加權(quán)求和得出，計算公式為

(9)

其中，

Pobi=0.7ESi+0.3EDi

(10)

式中：Pmax為分布式協(xié)同偵察作戰(zhàn)效能；Pobi為偵察效能；ESi偵察能力滿足度；EDi為信息傳輸能力滿足度；βi效能的權(quán)重；ni為平臺數(shù)量。i=1時，為電子信號；i=2時，為SAR偵察；i=3時，為光電偵察。

2.3 彈群分布式協(xié)同偵察流程分析

基于指數(shù)分析法的無人機群分布式協(xié)同偵察生成方法主要流程如下：

1)根據(jù)式(1)、式(2)、式(5)、式(6)建立分布式協(xié)同偵察能力指標(biāo)體系模型，得到電子偵察能力值、SAR偵察能力值、光電偵察能力值及信息傳輸能力值；

2)根據(jù)式(7)建立電子偵察、SAR偵察和光電偵察能力滿足度模型，由偵察任務(wù)能力需求值計算得到電子偵察、SAR偵察和光電偵察能力滿足度值；

3)根據(jù)式(8)建立電子偵察、SAR偵察和光電偵察信息傳輸能力滿足度模型，由偵察任務(wù)信息傳輸能力需求值計算得到電子偵察、SAR偵察和光電偵察信息傳輸能力滿足度值；

4)根據(jù)式(9)建立協(xié)同偵察評估模型，采用指數(shù)分析法在綜合偵察效能達(dá)到最大時，計算特定規(guī)模下的無人機群中電子偵察、SAR偵察、光電偵察無人機平臺的數(shù)量，生成分布式協(xié)同偵察任務(wù)下不同偵察載荷無人機平臺的編配方案。主要流程如圖2所示。

圖2 分布式協(xié)同偵察方案生成流程圖

3 算例分析

針對戰(zhàn)場環(huán)境中特定目標(biāo)執(zhí)行分布式協(xié)同偵察任務(wù)，在計算電子偵察、SAR偵察和光電偵察能力指標(biāo)能力值時，可參考現(xiàn)役相關(guān)裝備的性能參數(shù)[14]。假設(shè)偵察任務(wù)對電子偵察的需求值為1、對SAR偵察的需求值為1 000、對光電偵察的需求值為100，根據(jù)式(7)建立能力滿足度模型，得到偵察任務(wù)中電子偵察能力任務(wù)滿足度、SAR偵察能力任務(wù)滿足度、光電偵察能力任務(wù)滿足度，見表1。

表1 分布式協(xié)同偵察任務(wù)能力需求值及滿足度

取電子偵察、SAR偵察及光電偵察三種不同偵察方式的效能權(quán)重值β1=0.2、β2=0.3、β3=0.5，并假設(shè)三種偵察方式的信息傳輸能力均能滿足協(xié)同偵察任務(wù)的信息傳輸需求值，即ED1=1、ED2=1、ED3=1，根據(jù)式(9)，利用枚舉法計算得到彈群編配方案及作戰(zhàn)效能，見表2。

表2 分布式協(xié)同偵察任務(wù)編配方案表

無人機群分布式協(xié)同偵察效能變化曲線如圖3所示，各偵察無人機群數(shù)量變化曲線如圖4所示。

圖3 無人機群協(xié)同偵察效能變化曲線

圖4 各偵察無人機群數(shù)量變化曲線

通過無人機群協(xié)同偵察效能變化曲線分析可得，針對特定偵察目標(biāo)，隨著作戰(zhàn)無人機規(guī)模的增加，不同偵察載荷的無人機協(xié)同偵察效能迅速增加，說明不同的偵察方式能夠發(fā)揮其長處，提升彈群協(xié)同偵察效能。當(dāng)彈群增加到一定規(guī)模后，協(xié)同偵察效能增加趨勢逐漸變緩，達(dá)到一定值后不再增長，說明針對特定目標(biāo)，不同載荷無人機前期對偵察信息的獲取對態(tài)勢的生成影響較大，隨著彈群數(shù)量的增加，態(tài)勢已逐漸清晰，決策者已經(jīng)能夠做出下一步判斷，彈群數(shù)量繼續(xù)增加對態(tài)勢的生成影響程度已經(jīng)較小，這符合作戰(zhàn)中無人機群執(zhí)行偵察任務(wù)時的實際情況，給執(zhí)行偵察任務(wù)各彈群的數(shù)量提供參考。

通過各偵察無人機群數(shù)量變化曲線分析可得，針對特定偵察目標(biāo)，在保持作戰(zhàn)效能最大的條件下，光電偵察和SAR偵察無人機的數(shù)量增長速率比電子偵察無人機群的數(shù)量要大，說明現(xiàn)階段針對特定目標(biāo)光電偵察和SAR偵察信息對態(tài)勢的生產(chǎn)更加快速和有效，能夠反映出光電偵察和SAR偵察方式對提升分布式協(xié)同偵察效能更加有效，可以通過增加單個平臺的性能指標(biāo)來增加作戰(zhàn)效能，為偵察平臺的技術(shù)發(fā)展方向提供思路。

4 結(jié) 語

本文研究了基于效用函數(shù)的無人機群分布式協(xié)同偵察方法，主要研究工作和結(jié)論如下：

1)在建立無人機群電子偵察、SAR偵察、光電偵察、信息傳輸能力和協(xié)同偵察評估指數(shù)模型的基礎(chǔ)上，基于效用函數(shù)模型對偵察平臺的作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)效能進行了表征計算，提出了分布式協(xié)同偵察任務(wù)下不同偵察載荷無人機平臺編配方案的生成方法，設(shè)計了方案設(shè)計流程；

2)以特定偵察任務(wù)為例，對所提出的基于效用函數(shù)的分布式協(xié)同偵察方法進行仿真驗證。仿真結(jié)果表明，方案生成方法與實際偵察任務(wù)態(tài)勢生成相符合，且能夠反映出不同偵察方式對提升分布式協(xié)同偵察效能貢獻(xiàn)度有差異。