王光源，孫 濤，毛世超，章堯卿

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

基于任務(wù)協(xié)同的有人機(jī)/無人機(jī)對(duì)海攻擊作戰(zhàn)效能評(píng)估研究

王光源，孫 濤，毛世超，章堯卿

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

通過分析攻擊敵海上艦船目標(biāo)過程中有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)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(jī)/無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同攻擊海上目標(biāo)的作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系，運(yùn)用ADC法構(gòu)建了有人機(jī)/無人機(jī)混合編隊(duì)攻擊敵艦船目標(biāo)作戰(zhàn)效能評(píng)估模型，通過算例證明了該方法適應(yīng)于有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)的作戰(zhàn)效能評(píng)估，為有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)決策提供了有效的參考依據(jù)。

有人機(jī)/無人機(jī)；海上目標(biāo)；ADC；協(xié)同攻擊；效能評(píng)估

自以色列在貝卡谷地空戰(zhàn)中利用無人機(jī)遂行作戰(zhàn)任務(wù)以來，無人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中充當(dāng)著越來越多的角色，從遂行空中偵察、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、通信中繼和戰(zhàn)斗毀傷評(píng)估等作戰(zhàn)支援任務(wù)，發(fā)展到擔(dān)負(fù)壓制敵方防空系統(tǒng)（SEAD）和對(duì)敵攻擊等主要作戰(zhàn)任務(wù)[1-2]。

無人作戰(zhàn)飛機(jī)（簡(jiǎn)稱無人機(jī)）具有價(jià)格低廉，不懼傷亡，隱蔽性好，生命力強(qiáng)，滯空時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)[3]，不僅能在戰(zhàn)場(chǎng)上與有人戰(zhàn)斗機(jī)并肩作戰(zhàn)，而且能在某些情況下替代有人機(jī)，遂行作戰(zhàn)任務(wù)，毋庸置疑，無人機(jī)將逐漸成為奪取制空權(quán)的主力軍[4]。但是無人機(jī)的智能化水平不可能在短期內(nèi)達(dá)到自主完成作戰(zhàn)任務(wù)的程度，因而在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，由有人機(jī)與無人機(jī)組成編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)將是典型的作戰(zhàn)使用模式[5-6]。

隨著我國(guó)國(guó)家利益的拓展，對(duì)海軍遂行遠(yuǎn)海護(hù)衛(wèi)能力有了新的需求，對(duì)于艦艇編隊(duì)來說，合理運(yùn)用艦載有人機(jī)/無人機(jī)進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)可有效拓展艦艇編隊(duì)的監(jiān)控、打擊范圍，提高應(yīng)急處突能力[7-8]，準(zhǔn)確掌握有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)的作戰(zhàn)效能對(duì)其協(xié)同作戰(zhàn)使用具有重要意義。由于有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)使用是一個(gè)復(fù)雜過程，本文以現(xiàn)有有人機(jī)/無人機(jī)裝備擔(dān)負(fù)對(duì)海上目標(biāo)攻擊任務(wù)為背景，運(yùn)用ADC評(píng)估理論方法[9]，采用定性與定量相結(jié)合的方式對(duì)有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同攻擊海上艦船目標(biāo)的綜合效能進(jìn)行了建模和評(píng)估研究。

1 基于任務(wù)協(xié)同的對(duì)海攻擊模式分析

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

根據(jù)艦艇編隊(duì)艦載有人機(jī)/無人機(jī)承擔(dān)的作戰(zhàn)任務(wù)和武器裝備使用情況，本文主要研究有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)攻擊海上艦船目標(biāo)，其中無人機(jī)以承擔(dān)協(xié)同攻擊任務(wù)的方式展開作戰(zhàn)行動(dòng)。編隊(duì)設(shè)定由1架有人機(jī)作為長(zhǎng)機(jī)，2架無人機(jī)協(xié)同攻擊組成。由于編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)使用中涉及戰(zhàn)場(chǎng)信息的獲取、評(píng)估、指揮導(dǎo)引等復(fù)雜過程，影響其作戰(zhàn)效能的因素較多，并且相關(guān)因素指標(biāo)的物理屬性互有不同，是典型的多屬性的作戰(zhàn)效能評(píng)價(jià)問題[12-13]，本文采用簡(jiǎn)便多屬性ADC評(píng)價(jià)方法，開展了基于任務(wù)協(xié)同的有人機(jī)/無人機(jī)對(duì)海攻擊作戰(zhàn)效能的綜合評(píng)價(jià)問題研究。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的分析與構(gòu)建

根據(jù)有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)的組成、使用特點(diǎn)和實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下對(duì)編隊(duì)遂行作戰(zhàn)任務(wù)的主要影響因素[14-17]，在充分考慮其系統(tǒng)性、可比性、獨(dú)立性、層次性、客觀性的基礎(chǔ)上構(gòu)建了有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同攻擊海上艦船目標(biāo)的作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系[18]。本文將整個(gè)作戰(zhàn)機(jī)群編隊(duì)抽象為一個(gè)武器作戰(zhàn)系統(tǒng)，其可用性A主要由編隊(duì)系統(tǒng)的故障率和維修率組成，可信性D主要由編隊(duì)系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃可靠性、編隊(duì)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(cè)、協(xié)同指揮和協(xié)同攻擊3個(gè)方面來分析編隊(duì)的作戰(zhàn)效能，見圖1。

3 有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同對(duì)海攻擊的作戰(zhàn)效能評(píng)估模型

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

式（1）中：E表示系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能，是對(duì)系統(tǒng)完成任務(wù)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(wù)時(shí)的狀態(tài)數(shù)目，ai為開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)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(duì)系統(tǒng)在不同狀態(tài)下完成任務(wù)能力的量度。

3.1 有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的可用性矩陣

有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同對(duì)海攻擊的作戰(zhàn)樣式如圖2所示。由圖2可知，有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)是由有人機(jī)系統(tǒng)和無人機(jī)系統(tǒng)串聯(lián)組成，其中無人機(jī)系統(tǒng)由2個(gè)無人機(jī)單機(jī)系統(tǒng)并聯(lián)構(gòu)成。

對(duì)于有人機(jī)系統(tǒng)和無人機(jī)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(jī)系統(tǒng)存在并聯(lián)關(guān)系，所以整個(gè)有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)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(jī)系統(tǒng)和2個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)均處于正常工作狀態(tài)的概率；a2為有人機(jī)系統(tǒng)和1個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，另1個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)處于故障狀態(tài)的概率；a3為有人機(jī)系統(tǒng)故障或2個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)故障均出現(xiàn)故障或者有人機(jī)系統(tǒng)和2個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)均出現(xiàn)故障的概率。

對(duì)任一單平臺(tái)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(shí)間；MTTR為系統(tǒng)平均故障修復(fù)時(shí)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(jī)/無人機(jī)編隊(duì)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(jī)系統(tǒng)、無人機(jī)系統(tǒng)處于正常工作的概率；MMTBF、UMTBF分別為有人機(jī)系統(tǒng)、無人機(jī)系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間；MMTTR、UMTTR分別為有人機(jī)系統(tǒng)、無人機(jī)系統(tǒng)平均故障修復(fù)時(shí)間。

3.2 有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的可信度矩陣

有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)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(wù)過程中可能發(fā)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)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(wù)時(shí)編隊(duì)系統(tǒng)處于ai(i=1,2,3)狀態(tài)，任務(wù)完成時(shí)編隊(duì)系統(tǒng)處于aj(j=1,2,3)狀態(tài)。

顯然，有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)的過程中發(fā)生的故障是不可修復(fù)的。因此，在開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，若某一作戰(zhàn)平臺(tái)系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，則任務(wù)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(shè)編隊(duì)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的故障率服從指數(shù)分布，則有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的可信度矩陣為：

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

3.3 有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同對(duì)海攻擊的能力矩陣

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

本文中，有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)在執(zhí)行攻擊任務(wù)的過程中可能處于3種狀態(tài)，第1種為有人機(jī)系統(tǒng)/無人機(jī)系統(tǒng)均處于正常工作狀態(tài)，第2種為有人機(jī)系統(tǒng)和1個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，第3種為有人機(jī)系統(tǒng)故障或2個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)故障的狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)的作戰(zhàn)能力矩陣為。顯然，當(dāng)編隊(duì)系統(tǒng)處于第3種狀態(tài)時(shí)，c3=0。根據(jù)本文建立的有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同攻擊海上目標(biāo)的作戰(zhàn)效能評(píng)估體系，編隊(duì)系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力主要由預(yù)警探測(cè)能力Cm、協(xié)同指揮能力Cn、協(xié)同攻擊能力Cp構(gòu)成，則有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)的作戰(zhàn)能力矩陣可表示為：

式（7）中：c1m、c1n、c1p分別為有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)第1種狀態(tài)下的預(yù)警探測(cè)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(jī)/無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)第2種狀態(tài)下的預(yù)警探測(cè)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(jī)系統(tǒng)與有人機(jī)系統(tǒng)協(xié)同對(duì)海上大、中、小三型目標(biāo)作戰(zhàn)的能力數(shù)據(jù)可查閱相關(guān)機(jī)型的技術(shù)手冊(cè)，即c2m、c2n、c2p可通過查閱得到具體數(shù)值，進(jìn)一步求得有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)第1種狀態(tài)下的c1m、c1n、c1p分別為：。

4 算例分析

假設(shè)有人機(jī)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間為1 000 h，平均修理時(shí)間為50 h，無人機(jī)系統(tǒng)平均故障時(shí)間為2 000 h，平均修理時(shí)間為100 h，在3級(jí)海況下，針對(duì)海上中型目標(biāo)，執(zhí)行任務(wù)為6min，通過查閱某型無人機(jī)的技術(shù)手冊(cè)得到該型無人機(jī)與有人機(jī)系統(tǒng)協(xié)同對(duì)海上目標(biāo)的作戰(zhàn)能力指標(biāo)如表1所示。

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

有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)作戰(zhàn)效能計(jì)算步驟為：

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

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過基于任務(wù)協(xié)同的有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)對(duì)海上目標(biāo)的作戰(zhàn)使用方式，采用定性與定量相結(jié)合的ADC評(píng)估方法建立了有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同對(duì)海攻擊的效能評(píng)估評(píng)價(jià)體系，并運(yùn)用ADC模型對(duì)有人機(jī)/無人編隊(duì)的作戰(zhàn)效能進(jìn)行了量化分析，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，將ADC模型應(yīng)用于有人機(jī)/無人機(jī)對(duì)海攻擊的作戰(zhàn)效能評(píng)估合理、可行，符合協(xié)同作戰(zhàn)的規(guī)律，為無人機(jī)/有人機(jī)的作戰(zhàn)訓(xùn)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。