有人机/无人机协同空战效能评估的综合指数模型

董彦非，崔巍，张旺

(南昌航空大学飞行器工程学院，江西南昌330063)

0 引言

随着航空科技的发展与军事需求的推动，无人机在战场上的应用范围已经逐渐从监视/侦察向空中作战方向发展［1-3］。无人作战飞机(以下简称无人机)不仅能在未来战场上与有人战斗机(以下简称有人机)并肩作战，甚至能在某些情况下替代有人机，成为未来空中作战的主力武器装备之一。人在环的无人作战模式将成为未来空中作战的重要模式［4］，无人战斗机将逐渐主导空中作战，成为空中优势的主力军。

受限于无人机的智能化水平，在未来相当长的一段时间内，有人机和无人机在空中作战中的关系仍将是控制与被控制以及功能互补的关系。美国国防部认为，未来有人机和无人机及其他无人支援飞机联合编队协同作战将成为一种新的作战模式［5-7］。有人机和无人机协同作战，可以做到优势互补，分工协作，充分发挥各自的能力。无人机的出现必将会引起空中作战理论的变革［1］，导致空中作战方式的改变。当前，无人机与有人机协同作战的模式已成为无人机作战运用研究中的一大热点，引起了世界各国极大的研究兴趣［1］。

1 典型作战模式

有人机/无人机混合编队由1架到数架有人机作为长机，每架长机分别指挥控制2～4架无人机编队完成任务。在混合编队中，长机具有完善的指挥控制功能和对空作战能力，主要完成对无人机的指挥控制任务，在作战需要情况下，长机也可以对敌机实施攻击。僚机具有良好的协同空战能力(自主控制等级≥美国无人机智能评级的第5级——机群协同)。协同空战示意图如图1所示。

图1 有人机/无人机协同空战示意图Fig.1 Cooperation of manned/unmanned vehicles in air combat

1.1 协同空战过程

协同空战过程共分为6个阶段，其流程如图2所示。

图2 有人机/无人机协同空战流程Fig.2 Cooperation of manned/unmanned vehicles in air combat

1.1.1 任务装订及战区引导

指挥控制中心接受上级命令截击某空域入侵目标并对情报进行分析后，决定使用1架有人机为长机，3架无人机为僚机执行截击任务。

有人机/无人机在地面进行任务/路径的数据装订后，根据指挥控制中心的命令起飞，到达指定空域集结、编队。然后，指挥控制中心将混合编队引导至预定空域。有人机位于无人机机群后方30～50 km处，接收由无人机、预警指挥控制中心传来的实时战场数据，指挥控制无人机机群。

1.1.2 战场侦察和目标搜索

混合编队到达预定空域后，根据敌机目标的大致方位和距离等信息，有人机指挥无人机沿规划战术航线编队飞行，无人机编队雷达开机对战场进行侦察，搜索敌机目标。

无人机将获得的战场态势信息通过数据链系统传输给有人机，有人机实时接收由无人机、预警指挥控制中心传来的实时战场数据，控制无人机对指定区域的目标搜索。

当无人机搜索到可疑目标后，自动进行敌我识别过程。当确认是敌机后，将敌机信息通过数据链系统传输给有人机。

1.1.3 攻击准备(战场数据信息处理)

有人机综合无人机、预警指挥控制中心和本机的情报，实时进行空战态势评估和威胁评估，并进行目标分配和火力分配，然后将分配结果通过数据链系统传输给无人机。无人机完成对威胁目标实施超视距(BVR)攻击占位。同时，有人机将评估结果传输给指挥控制中心。

本阶段结束时，无人机编队具备执行BVR攻击的条件。该阶段有人机主要任务有:接收各方情报信息，进行信息融合，完成态势分析、威胁评估等，并对无人机群进行目标分配和火力分配，将分配结果以命令形式发送给无人机;指挥控制无人机对威胁目标实施BVR攻击占位;对战场进行监视。无人机主要任务有:基于机载或外部信息跟踪威胁目标、继续搜索潜在威胁目标;对威胁目标实施BVR攻击占位。

1.1.4 超视距攻击

有人机下达超视距攻击指令。无人机判断敌机是否进入中距攻击包线。当敌机进入无人机的中/远距空空导弹发射包线后，无人机完成火控诸元解算，进入第一轮BVR导弹攻击。

该阶段有人机的主要任务是进行战场监视。无人作战飞机的主要任务为:判断敌机是否进入中距攻击包线，完成火控诸元结算;实施攻击。

1.1.5 再次BVR/视距内(WVR)攻击

首轮BVR攻击后，有人机需进行如下判断:如果敌机群被歼灭，则转入返回基地;如果未全部歼灭敌方机群，有人机则要根据敌我双方的战损情况判断是否实施再次攻击。如果需要再次攻击，有人机再次进行目标分配和火力分配，并下达攻击指令后，无人机进入再次攻击阶段。如果作战需要，有人机也可以进入攻击行动。

1.1.6 返回基地

经过BVR攻击或再次攻击/WVR攻击之后，有人机分别向无人机下达返航指令，指挥剩余无人机集结编队并按照预定航路返回基地。

1.2 协同作战特点

根据典型的有人机/无人机混合编队协同空战模式可知，与有人机或者无人机单机空战效能评估相比，有人机和无人机协同的机群效能具有以下特点:

(1)有人机指挥控制能力的重要性突出;

(2)无人机自主智能有重要影响;

(3)对数据链系统抗干扰和稳定性有较高要求;

(4)机群中飞机数量与整体作战能力正相关;

(5)多机协同会降低单机能力优势。

基于以上特点，混合机群效能评估可以考虑构建基于各能力之间相关性的加权和模型。模型中的有人机能力除了常规战斗机的评估方法外，注重指挥和控制能力相关参数在模型中的突出体现。无人机能力中的智能化程度需要重点考虑，要特别重视数据链的能力。

2 空战效能评估指数模型

根据有人机/无人机协同空战典型作战模式知，有人机的指挥控制能力与无人机的自主智能(智能化水平)相关，数据链能力与有人机的指挥控制能力相关，而起辅助攻击作用的有人机单机空战能力与以上能力无相关性。由此，建立有人机/无人机混合编队协同空战能力数学模型为:

2016年和2017年水稻季各处理平均渗漏量分别为220.3 mm和169.7 mm，2016年水稻季比2017年多50.6 mm。一是因为降雨较多，田面水层长时间维持在较高水平，下渗速率较大；二是经过2016年水稻季的种植，2017年水稻季试验小区耕作层的致密性较2016年好，下渗速率减弱。从不同灌溉模式来看，W1模式的渗漏量明显小于W0模式，特别是降雨较少的2017年水稻季。在田间没有水层或土壤含水率较低的情况下渗漏量明显减少。

式中:DL为编队系统数据链能力;ACC为有人机指挥决策能力;IUAV为无人机自主智能;CM为有人机空战能力;CUAV为无人机空战能力;n和m分别为混合编队中无人机和有人机的数量;η为飞机数量对单机效能的影响因素(当我方飞机总数为2时，η=1;当我方飞机总数为3时，η=0.9;当我方飞机总数为4时，η=0.8)。式(1)中各分项能力指数上边的“_”号表示进行标准化处理(以下同)，并以此值作为该项指标的指数值。基于对武器装备性能参数物理意义上的考虑［8-11］，标准化可以采用非线性S型可导函数归一法。

有人机单机空战能力包括:火力、态势感知能力、机动能力、操纵性、生存力(含电子对抗能力)和作战半径。如果把“火力×态势感知能力”看作一个单项Att(衡量攻击能力)，把“机动能力×操纵能力”作为一个单项Mane(衡量机动性)，Sur表示生存能力，Radius表示续航能力，则有人机和无人机的单机空战能力都可以表示为［9］:

有人机和无人机单机作战能力中武器系统能力、作战飞机生存力、电子对抗能力系数εe、机动性以及其他未说明的参数计算与取值方法均可参见文献［8-13］，并根据现代作战实际和空战攻击武器形态的发展合理修正。

数据链的性能是对平时和战时运用环境条件下数据链发挥的战术信息采集、数据处理能力的度量;或者说是衡量数据链将规定的战术信息，在规定的时间按照规定的收发规则，以规定的信息格式发送到规定的地方，并采用规定的算法在规定的时间内完成对战术数据处理的能力。数据链性能指数DL可以由节点连通性、有效网络容量、时效指标最终体现。

式中:nr为接收节点数目;nt为发送节点数目;Mt为节点发送的消息;Mr为节点接收的消息;Qeff为有效数据传输速率;tp为单位传播时间;pi为第i条信息传递的时效性的度量。

有人机的指挥控制能力可表示为:

式中:α为接收信息中正确发现的目标数量;α0为客观态势中实际的目标数量，则α/α0可表征为信息完备性指标;Vi为接收信息中的单个目标特征与客观态势中相应目标特征的偏离程度，即(1－Vi)为单个目标感知态势的准确性指标;qi为作战需求时限内信息处理融合的时效性;εj为第j个从决策作战行动采取后实际完成任务的程度;tj为单个任务决策周期;tmax为决策允许时间。

3 算例与分析

设有10种型号的有人机(M1，…，M10)和7种型号的无人机(U1，…，U7)均可以混合编队。混合编队由1架有人机指挥控制3架无人机实施空战任务。

首先分别计算出有人机和无人机单机作战效能;然后，计算出各有人机指挥控制能力和数据链能力，以及无人机自主智能水平;最后评估混合编队协同空战效能。计算结果分别如表1～表3所示。

表1 有人机单机空战效能评估结果Table 1 Results of air combat effectiveness for manned vehicles

表2 无人机单机空战效能评估结果Table 2 Results of air combat effectiveness for UCAVs

表3 不同混合编队方案综合空战效能评估结果Table 3 Assessment results of air combat effectiveness for different mixed formations

表3中数值为1架有人机指挥控制3架无人机的空战效能评估结果(如M1，U1对应的2.087 3即为1架M1指挥控制3架U1的空战效能值)。根据计算结果可知:

(1)M1的单机综合作战能力、指挥控制能力、数据链效能都是最大的，与7架无人机中的任意一架配对，都取得了较高的编队协同空战效能。

(2)M4有良好的指挥控制能力和数据链能力，使得M4与其他无人机相配能取得较好的作战效能。

(3)M3与M4作战能力、数据链效能接近，但M3的指挥控制能力很弱，使得M3与其他无人机相配的作战效能很低。

(4)M6与M7的空战能力、指挥控制能力接近，但M7的数据链效能比较低，使得M7与其他无人机相配的作战效能都低于M6与其他无人机相配的作战效能。

(5)U1和U2性能优良，与多数有人机进行编队空战都能达到理想的攻击效果;U7的单机综合作战能力和自主控制能力都是最低的，因而它与有人机中任意一架配对的空战效能都是最低的。

(6)有人机的作用主要为飞机编队提供指挥控制作用，其单机作战能力对混合编队效能影响不如指挥控制能力的影响。有人机/无人机混合编队空战能力的大小主要取决于无人机的单机作战效能和自主智能。

4 结论

(1)有人机/无人机混合编队协同空战效能评估的综合指数模型较好地处理了有人机/无人机协同作战各子系统、分系统能力之间的关系，经计算验证，模型合理、可行，符合协同作战的规律和数学原理。

(2)有人机/无人机协同空战效能评估的综合指数模型提供了合理的构建混合编队空战效能评估的思想和基础模型。在实际应用中，应在该建模思想指导下，综合考虑具体可获得的各项数据情况，并结合参数敏感性分析以及课题任务等因素合理调整具体的计算模型。

(3)给出的有人机/无人机协同空战效能评估数据和计算结果只用于计算模型的验证，仅供参考。具体使用时可以根据研究目的不同选择不同机型的集合，从不同角度运用该指数模型。

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