劉文金，崔玉偉

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

0 引言

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

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

在無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能評估方法上，目前多采用解析方法進行評估。文獻[8]分析了有人/無人機的協(xié)同模式和運用規(guī)則，基于指數模型對多種編隊形式進行評估。文獻[9]采用多層次指標和灰色理論結合的方法，對有人/無人機協(xié)同反艦作戰(zhàn)效能進行評估。文獻[10]在ADC方法的基礎上增加作戰(zhàn)保障能力指標，研究了艦載無人機編隊協(xié)同對海作戰(zhàn)效能。采用該類方法能夠快速得出評估結果，但對指標的評價大多基于專家經驗，或是根據無人機平臺戰(zhàn)技指標給出某種函數進行計算，主觀性較強。

而基于仿真的裝備和任務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）方法可有效構造具有自主性、反應性、交互性等特點的作戰(zhàn)實體，并通過自底向上的方式對復雜系統(tǒng)的演化過程進行推演，在作戰(zhàn)效能評估和裝備方案頂層論證中已得到廣泛應用[11-12]。如文獻[13-14]采用有限狀態(tài)機對Agent行為進行建模實現，對無人機在搜救任務、突防任務開展了仿真。文獻[15]將ABMS方法用于多無人機海域監(jiān)視的任務效能分析。文獻[16]將ABMS與復雜網絡模型相結合，研究了多無人機系統(tǒng)的指揮控制效能。文獻[17]構建了綜合規(guī)劃架構并采用ABMS方法評估了空空導彈效能。

因此，本文基于ABMS 方法，通過分析無人機編隊協(xié)同制空任務作戰(zhàn)樣式，構建以任務狀態(tài)機為核心的Agent 模型結構，在此結構下，結合“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行實現。最后，通過仿真得出評估結果，并對該任務場景下多無人機協(xié)同作戰(zhàn)任務效能進行分析和討論。

1 無人機協(xié)同制空任務構想

1.1 任務構想

制空作戰(zhàn)是未來先進艦載隱身無人機的1項重要任務[18-19]。任務構想為紅方艦載預警雷達、預警機發(fā)現來襲的藍方目標或情報表明藍方可能發(fā)動空中攻擊后，由航母指揮無人機編隊前往來襲方向執(zhí)行空中截擊的任務。其作戰(zhàn)目標通常是掛載各類反艦導彈的轟炸機、掛載空空導彈/反艦導彈的戰(zhàn)斗機、隱身戰(zhàn)斗機以及無人機等。此類空中目標對紅方水面作戰(zhàn)力量、空中防御力量構成嚴重威脅。特別是隱身戰(zhàn)斗機和隱身無人機，其利用自身低可探測性優(yōu)勢深入紅方防區(qū)進行隱蔽偵察、目標識別等任務，可為后方作戰(zhàn)力量提供大量戰(zhàn)場情報信息，以便開展遠程反艦火力投送等作戰(zhàn)行動。因此，使用多架無人機組成編隊，即時采取制空攔截行動，將對方戰(zhàn)斗機、無人機等進行驅離或擊毀，將是未來?？兆鲬?zhàn)中非常重要的任務。無人機編隊協(xié)同執(zhí)行制空任務場景如圖1所示。

圖1 無人機協(xié)同制空任務構想Fig.1 Conception of multi-UAVs cooperative air combat mission

在編隊組成上，可由多架同構型的攻擊型無人機組成編隊，也可由不同數量的預警型無人機和攻擊型無人機組成無人機編隊，以適應不同目標類型、不同強度下的制空作戰(zhàn)任務。

1.2 作戰(zhàn)過程

多無人機協(xié)同制空作戰(zhàn)過程可通過OODA 循環(huán)過程進行描述[20]。根據這一理論，無人機協(xié)同制空作戰(zhàn)過程可分為目標探測、戰(zhàn)場態(tài)勢感知、任務規(guī)劃和分配、任務執(zhí)行、戰(zhàn)效評估5個作戰(zhàn)行動。為梳理各作戰(zhàn)行動的具體內容、輸入輸出及關聯關系，采用層次結構對協(xié)同制空作戰(zhàn)行動樣式進行分解，得到作戰(zhàn)行動循環(huán)分解如圖2所示。

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

1）觀察階段。

通過無人機的機載相控陣雷達、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區(qū)域搜索探測目標信號,獲取并保持對目標方位、速度、距離等狀態(tài)信息的跟蹤，并將探測到的目標信息匯總至負責指揮控制的后方指揮部。

2）判斷階段。

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

3）決策階段。

無人機編隊的任務指揮官根據統(tǒng)一戰(zhàn)場態(tài)勢中己方各作戰(zhàn)飛機狀態(tài)信息和目標威脅程度排序，進行協(xié)同作戰(zhàn)任務規(guī)劃，對不同目標分配針對性對抗措施。根據本次行動的作戰(zhàn)任務，生成制空作戰(zhàn)子任務序列，對無人機的協(xié)同模式進行設定，選定需要打擊、跟蹤、制導的目標并分配至各架無人機。

4）行動階段。

無人機自行規(guī)劃飛行航路，前往預定作戰(zhàn)區(qū)域進行占位。期間，預警型無人機提供遠距離的目標感知、定位和跟蹤，為編隊內所有無人機提供及時更新的態(tài)勢信息，引導攻擊型無人機前往攔截目標。攻擊型無人機接近目標后對目標進行探測和確認，并做好導彈發(fā)射前準備與參數裝訂，實施攻擊包線在線計算，確定目標不可逃逸攔截包線。在目標進入不可逃逸包線后隨即發(fā)射導彈，對空空導彈進行中段導引至中末制導交班，隨后脫離攻擊區(qū)，返回原巡邏區(qū)域繼續(xù)任務；此外，攻擊型無人機若裝備電子干擾裝備，則在目標進入有效干擾范圍后隨即對目標實施干擾，以延遲目標對紅方作戰(zhàn)飛機和導彈的感知時間，延緩藍方進行對抗的反應速度。

2 無人機協(xié)同作戰(zhàn)仿真模型設計

2.1 Agent模型構建

研究中，裝備實體主要有攻擊型無人機、預警型無人機、有人戰(zhàn)機以及空空導彈4 種。按裝備類別可劃分為飛機類和導彈類?？紤]到飛機和導彈在探測、運動、通信等方面可采用相同或類似的數學模型進行構建，并通過配置速度、探測識別距離等性能參數進行區(qū)分，因此，采用相同的Agent模型結構見圖3。

Agent 采用分層反應型模型結構，分為行為層和功能層。

在行為層，Agent設置了行為邏輯模塊，行為邏輯基于OODA 循環(huán)思想進行設計，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，由任務狀態(tài)機進行實現。

在功能層，Agent設置了探測感知模塊、運動模塊和通信模塊，每個功能模塊可配置不同的功能模型，以滿足飛機和導彈在功能上的差異性。例如，在探測感知模塊中，飛機Agent需配置雷達告警模型，而導彈Agent 則無需配置此模型。對于每個功能模型，均可配置探測距離、巡航速度等裝備性能參數，以滿足不同機型之間的差異。

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

2.1.1 飛機Agent行為邏輯模塊

1）攻擊型無人機/戰(zhàn)機Agent任務狀態(tài)機。

紅方的攻擊型無人機和藍方的戰(zhàn)機在任務中功能和行為狀態(tài)類似，包括探測、跟蹤、追擊、制導、毀傷評估以及威脅規(guī)避等，采用同構型的任務狀態(tài)機進行行為實現，不同機型的性能差別通過參數設置進行區(qū)分，如圖4所示。

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

對于任何一方而言，其所有活動的飛機均會上報和共享獲取的目標信息，再由編隊指揮官根據戰(zhàn)場態(tài)勢指派距離威脅目標最近的攻擊型無人機/戰(zhàn)機對目標進行攔截。

2）預警型無人機Agent任務狀態(tài)機。

預警型無人機Agent任務狀態(tài)機在攻擊型無人機Agent任務狀態(tài)機的基礎上，取消了追擊、導彈發(fā)射制導等部分，其余保持不變。

2.1.2 導彈Agent行為邏輯模塊

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

圖5 導彈Agent任務狀態(tài)機Fig.5 Mission state machine of missile Agent

2.2 仿真參數設置

交戰(zhàn)雙方作戰(zhàn)單位初始參數值如表1、2所示。

表1 飛機參數Tab.1 Aircraft parameters

表2 導彈參數Tab.2 Missile parameters

為確保導彈的命中率，考慮導彈的攻擊包線，設置紅方攻擊型無人機和藍方戰(zhàn)機在鎖定目標后最大允許發(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，無人機發(fā)射導彈后命中率不低于0.8。

2.3 模型場景

仿真任務場景設定為在某海域附近，紅方獲取的戰(zhàn)略情報表明藍方將派出艦載戰(zhàn)斗機，對紅方控制區(qū)域開展軍事行動。紅方決定派出無人機編隊前往防御區(qū)域，執(zhí)行巡邏警戒任務和制空攔截任務。交戰(zhàn)雙方任務區(qū)域設置為：紅方防御區(qū)域位于紅方航母編隊前出400～450 km處；藍方目標區(qū)域為紅方航母編隊前出200～300 km處。任務場景見圖6、仿真界面見圖7。

圖6 任務場景Fig.6 Mission scenario

圖7 仿真界面Fig.7 Interface of simulation

3 效能分析

3.1 無人機編隊協(xié)同制空效能指標

分析無人機編隊協(xié)同制空效能，首要考慮作戰(zhàn)目標的完成度。文中無人機編隊協(xié)同制空的任務目標是攔截藍方飛機，因此設置第1項效能指標攔截率；此外，藍方戰(zhàn)機突防至距離紅方艦隊越近，對紅方艦隊的威脅越大，因此設置第2項指標為攔截距離。2項指標定義如下。

攔截率：被攔截的藍方飛機與藍方出動的總飛機數量之比。

攔截距離：藍方飛機從起飛至被攔截或任務完成時與紅方航母的最近距離。

在仿真時，對每個樣本點進行2 000 次蒙特卡洛仿真，將統(tǒng)計指標均值作為結果。

3.2 無人機編隊協(xié)同制空作戰(zhàn)效能

3.2.1 情形一：攻擊型無人機2對2攔截

設置2對2攔截情形：假設紅方部署2架攻擊型無人機，在防御區(qū)域內無人機沿平行航線進行巡邏警戒；若探測到藍方飛機，則按2.1節(jié)所述功能和行為邏輯進行制空攔截作戰(zhàn)，直至目標被擊毀或自身被藍方飛機擊毀；若紅方飛機完成制空攔截任務，則返回巡邏航線繼續(xù)警戒。藍方飛機出現的時間和方位隨機，突防方向指向航母附近的一片區(qū)域內的隨機點，時間、方位和隨機點均采用均勻分布生成。

以無人機探測距離為變量，分析該值變化對多無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能的影響，如表3 所示。隨著編隊內每架無人機探測距離的增加，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/攻擊無人機在OODA 循環(huán)上占據優(yōu)勢，可以發(fā)現更多且可及早對目標實施制空攔截，但受導彈攻擊包線影響和限制，在無人機探測距離小于導彈的最大允許發(fā)射距離時，提升探測距離帶來的效能增益明顯；反之，即使無人機能夠先探測到目標，但仍需飛行至滿足導彈最大運行發(fā)射距離時才能攻擊目標，此時探測距離提升帶來的效能增益較少。

3.2.2 情形二：攻擊型無人機多機編隊攔截

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

以編隊內無人機數量為變量，分析該值變化對多無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能的影響，如表4所示。

表4 攻擊型無人機編隊中飛機數量對效能影響Tab.4 Impact of aircraft quantity on combat effectiveness in a team of UCAVs

可見，隨著編隊內無人機數量的增加，作戰(zhàn)效能并非成比例增加。攔截率、攔截距離均出現先增加，后基本保持不變的趨勢；無人機損失率出現先減小，后基本保持不變的趨勢。

通過分析可知，編隊中飛機數量在4 架時基本覆蓋了整個任務區(qū)域，因此，再增加編隊內飛機數量帶來的效能值提升有限。

3.2.3 情形三：預警型無人機與攻擊型無人機混合編隊攔截仿真與分析

設置預警型無人機與攻擊型無人機混合編隊攔截情形：編隊內包含1架預警型無人機，其余為攻擊型無人機，行動邏輯與情形一類似。預警型無人機無對空攻擊能力，對藍方目標的探測距離為300 km。

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

表5 預警型無人機加入編隊后對效能影響Tab.5 Effect of early-warning UAV on combat effectiveness after being incorporated into formation

可見，預警型無人機加入攻擊型無人機編隊后，與出動同等數量的攻擊型無人機組成單一機型的無人機編隊對比，攔截率和攔截距離2 項效能指標均有所提高。經分析，“預警型無人機+攻擊型無人機”的編隊形式，盡管攜帶的導彈總數減少了，但預警型無人機的加入使探測識別距離得到顯著提升，增加了OODA 環(huán)第1 個環(huán)節(jié)的能力，使得任務效能仍能得到提升，在本場景設定下，攔截率和攔截距離均提升了10%～20%。

綜上，多無人機協(xié)同制空作戰(zhàn)編隊中，無人機探測距離、數量、編隊編組形式等不同作戰(zhàn)運用方式對任務效能有顯著影響，但影響模式存在差異性：采用同構編組形式時，攻擊型無人機探測距離的增加、編隊內無人機數量的增加，均能提升多無人機編隊協(xié)同制空任務效能，但受導彈性能限制或任務區(qū)面積限制而存在飽和值；此外，在攻擊型無人機編隊中加入預警型無人機，盡管降低了空空導彈數量，但探測感知距離的大幅提升使得編隊整體受益，可使編隊達到更高的任務效能。

4 結論

本文對多無人機協(xié)同制空作戰(zhàn)任務和過程進行了分析，在此基礎上構建效能評估指標，基于ABMS方法構建仿真任務場景進行研究，分析了典型制空任務場景下無人機探測距離、無人機數量以及編隊組成形式對多無人機協(xié)同制空的效能的具體影響。結論可為無人機總體設計方案和多機編隊作戰(zhàn)使用策略提供參考。