尹 昊，侯婷婷，李東光

（北京理工大學(xué)機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引 言

目前，無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)在作戰(zhàn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可以攜帶多種傳感器設(shè)備、執(zhí)行多樣的命令[1]，但單架無(wú)人機(jī)往往難以完成某些復(fù)雜、多需求的任務(wù)，只能起到錦上添花的作用。受多方面性能的約束，無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)能力與有人戰(zhàn)機(jī)(Manned Aerial Vehicle, MAV)尚存在較大的差距，例如存在對(duì)衛(wèi)星強(qiáng)依賴(lài)性、與遠(yuǎn)端指控中心通信不穩(wěn)定性、對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化感知弱敏感性等突出問(wèn)題。因此，在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)與有人戰(zhàn)機(jī)的密切協(xié)同配合、優(yōu)勢(shì)能力互補(bǔ)將直接影響戰(zhàn)場(chǎng)的態(tài)勢(shì)，其協(xié)同運(yùn)用方式也在發(fā)展中不斷發(fā)生改變，有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)在短期戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)空下勢(shì)必將成為一種常態(tài)[2]。

目前美軍主要利用有人直升機(jī)“阿帕奇”和無(wú)人機(jī)MQ-5B、RQ-7 等進(jìn)行混合編隊(duì)功能需求定義、協(xié)同控制技術(shù)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[3-4]。法國(guó)也將“陣風(fēng)”飛機(jī)改裝成無(wú)人機(jī)的控制機(jī)[5]，并且成功完成了“神經(jīng)元”無(wú)人機(jī)與“陣風(fēng)”有人戰(zhàn)機(jī)共同飛行的實(shí)驗(yàn)，考慮了無(wú)人機(jī)的協(xié)調(diào)問(wèn)題，制定了未來(lái)無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)技要求。

對(duì)于有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)模式及效能的研究在國(guó)內(nèi)初見(jiàn)萌芽，多數(shù)將協(xié)同作戰(zhàn)模式當(dāng)成作戰(zhàn)流程、作戰(zhàn)樣式進(jìn)行討論，協(xié)同效能的研究?jī)H僅停留在驗(yàn)證的設(shè)計(jì)階段。例如王焱[6]提出有人/無(wú)人機(jī)的協(xié)同作戰(zhàn)模式有態(tài)勢(shì)感知、協(xié)同攻擊和協(xié)同防御三種，并進(jìn)行了簡(jiǎn)略的介紹，但并未提出使用規(guī)則；劉紀(jì)文等人[7]研究了有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)，提出主要包括協(xié)同態(tài)勢(shì)評(píng)估、交互控制、目標(biāo)分配等技術(shù)，并進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為日后的理論研究和實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)；閆曄[8]針對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同中的交互技術(shù)進(jìn)行了研究，提出采用自然語(yǔ)言理解及相關(guān)技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行任務(wù)控制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其設(shè)計(jì)的自然語(yǔ)言模塊能夠幫助無(wú)人機(jī)對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)指令進(jìn)行了解；姜禹呈等人[9]建立了有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停岢鲞\(yùn)用社團(tuán)化算法解決超網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，使得此網(wǎng)絡(luò)模型更適合于評(píng)估系統(tǒng)的協(xié)同效果。

在協(xié)同系統(tǒng)效能評(píng)估方面已經(jīng)有一些成熟的方法，例如龔喜盈等人[10]在用于評(píng)估普通戰(zhàn)斗機(jī)效能的對(duì)數(shù)法的基礎(chǔ)上，建立了一種適應(yīng)性很強(qiáng)的評(píng)估無(wú)人機(jī)綜合性能的模型；陰小暉[11]通過(guò)層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重，利用層次分析法-模糊綜合評(píng)判法評(píng)估性能指標(biāo)、通過(guò)計(jì)算證明了方法的科學(xué)性和合理性，為有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的系統(tǒng)效能的評(píng)估提供了研究思路；張永利等人[12]采用層次分析法建立了有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)指標(biāo)體系，并用仿真軟件進(jìn)行了進(jìn)一步的說(shuō)明和計(jì)算，其研究結(jié)果對(duì)有人戰(zhàn)機(jī)和無(wú)人機(jī)的資源分配具有一定的參考價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)已展開(kāi)了大量的研究，同時(shí)也存在著巨大挑戰(zhàn)，例如多個(gè)學(xué)科的交叉問(wèn)題、有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同模型的復(fù)雜性、大規(guī)模優(yōu)化算法和隨機(jī)事件[13]。有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估是協(xié)同作戰(zhàn)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，但多數(shù)都只是在概念層面予以解釋?zhuān)芯坑腥?無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，首先要分析有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)組成與協(xié)同樣式，包括應(yīng)用場(chǎng)景與控制架構(gòu)，剖析協(xié)同作戰(zhàn)模式的本質(zhì)；其次在可量化的系統(tǒng)功能能力基礎(chǔ)之上，建立作戰(zhàn)效能評(píng)估體系，通過(guò)驗(yàn)證模型的合理性和可靠性來(lái)更好地了解與預(yù)測(cè)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的作戰(zhàn)效果，同時(shí)也有助于武器裝備的快速發(fā)展。

2 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同模式

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)主要由四個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是地面指揮控制中心、有人戰(zhàn)機(jī)、無(wú)人機(jī)和通信鏈路系統(tǒng)。指揮中心、無(wú)人機(jī)、有人戰(zhàn)機(jī)通過(guò)通信鏈路傳輸共享情報(bào)、態(tài)勢(shì)、指揮控制這三類(lèi)信息；地面指揮控制中心指揮混合編隊(duì)，有人戰(zhàn)機(jī)指揮控制無(wú)人機(jī)，通過(guò)通信鏈路實(shí)現(xiàn)三者之間的協(xié)同；有人戰(zhàn)機(jī)主要負(fù)責(zé)決策和任務(wù)分配，無(wú)人機(jī)完成偵察、監(jiān)視，目標(biāo)探測(cè)與攻擊等任務(wù)。

2.1 協(xié)同偵察探測(cè)

單架有人戰(zhàn)機(jī)與多架無(wú)人機(jī)組成混合編隊(duì)對(duì)某區(qū)域執(zhí)行偵察任務(wù)，可以提高跟蹤質(zhì)量，實(shí)時(shí)向指揮控制系統(tǒng)反饋目標(biāo)未被分配、未處在被跟蹤的狀態(tài)，或是目標(biāo)不在視場(chǎng)內(nèi)導(dǎo)致無(wú)法跟蹤的情況，從而提高有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知能力。在無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，由于目標(biāo)的初始位置未知，以及偵察區(qū)域存在威脅因素，因此目標(biāo)的偵察過(guò)程十分復(fù)雜，甚至當(dāng)任務(wù)區(qū)域過(guò)大，需要偵察的目標(biāo)過(guò)多時(shí)，多無(wú)人機(jī)受飛行速度限制不一定能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)；在特殊偵察情況下，多無(wú)人機(jī)在威脅區(qū)域偵察時(shí)，遇到威脅需要避開(kāi)，很容易丟失目標(biāo)，為了防止丟失目標(biāo)，無(wú)人機(jī)可以選擇與有人戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行任務(wù)協(xié)同；多無(wú)人機(jī)通常在比較危險(xiǎn)的環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，很可能會(huì)出現(xiàn)故障或者被敵方擊落，此時(shí)，利用有人戰(zhàn)機(jī)機(jī)動(dòng)決策，確保偵察任務(wù)的有效性；受搭載重量和種類(lèi)的限制，無(wú)人機(jī)的機(jī)載傳感器探測(cè)范圍有限，不一定能夠滿足對(duì)各個(gè)目標(biāo)的偵察需求，不同性能的目標(biāo)需要不同性能的傳感器來(lái)探測(cè)，此時(shí)利用有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同決策分配，達(dá)到任務(wù)完成的要求。由此可見(jiàn)，僅依靠無(wú)人機(jī)所能發(fā)揮的偵察效能比較有限，組織多架有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)同執(zhí)行偵察任務(wù)是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上一種重要的軍事行動(dòng)方式，如圖1 所示。

圖1 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同偵察Fig.1 Manned/Unmanned Aerial Vehicle cooperative reconnaissance

2.2 協(xié)同目標(biāo)打擊

協(xié)同目標(biāo)打擊主要分為對(duì)空目標(biāo)打擊和對(duì)地目標(biāo)打擊兩種方式。

對(duì)空目標(biāo)打擊（圖2）：由一架有人戰(zhàn)機(jī)和兩架無(wú)人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行空中目標(biāo)的打擊，無(wú)人機(jī)位于有人戰(zhàn)機(jī)前方，雷達(dá)只接收信號(hào)不發(fā)射電磁波，與此同時(shí)迅速接近目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入無(wú)人機(jī)的火力殺傷范圍內(nèi)，位于后方的有人戰(zhàn)機(jī)開(kāi)始進(jìn)行探測(cè)，并將目標(biāo)的信息實(shí)時(shí)發(fā)送給無(wú)人機(jī)，并啟動(dòng)無(wú)人機(jī)武器發(fā)射指令，隨后接替無(wú)人機(jī)進(jìn)行制導(dǎo)，完成對(duì)敵方戰(zhàn)機(jī)的打擊。

對(duì)地目標(biāo)打擊（圖3）：有人戰(zhàn)機(jī)指揮控制多架無(wú)人機(jī)共同打擊地面目標(biāo)。每架無(wú)人機(jī)均攜帶多種傳感器和不同類(lèi)型的對(duì)地攻擊武器，如空地導(dǎo)彈、炸彈、機(jī)炮等，從而使各個(gè)無(wú)人機(jī)攜帶的載荷降低。各種類(lèi)型的飛機(jī)密切協(xié)同，聽(tīng)從有人戰(zhàn)機(jī)的指令，對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行打擊。

圖2 對(duì)空目標(biāo)攻擊任務(wù)Fig.2 Attack mission on air targets

圖3 對(duì)地面目標(biāo)攻擊任務(wù)Fig.3 Attack mission on ground targets

2.3 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同運(yùn)用規(guī)則

隨著人類(lèi)信息化和智能化技術(shù)的快速進(jìn)步與廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形式和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境發(fā)生了深遠(yuǎn)的變化，有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的模式已經(jīng)逐漸應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域中多種任務(wù)的執(zhí)行，極大地延伸了現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的時(shí)間軸和空間軸。但有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)中自主性的發(fā)揮程度和規(guī)則是軍事領(lǐng)域?qū)＜一驅(qū)W者持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題，尤其是人在智能化戰(zhàn)爭(zhēng)中的定位，該扮演怎樣的角色，也逐漸成為人與智能化機(jī)器協(xié)同作戰(zhàn)領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究學(xué)者對(duì)“自主性”的概念定義也不盡相同[14-15]，總的來(lái)說(shuō)是在無(wú)人參與的過(guò)程中，處于隨機(jī)復(fù)雜情況條件下的無(wú)人機(jī)不間斷完成動(dòng)作的能力。在混合編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)指控關(guān)系中，無(wú)人機(jī)更多地應(yīng)用在已確定的任務(wù)中，而操作員很少直接參與對(duì)控制系統(tǒng)的操作，主要是處理高層次的規(guī)劃、決策等。根據(jù)有人作戰(zhàn)飛機(jī)飛行員對(duì)無(wú)人機(jī)控制程度的差別，可將其自主等級(jí)劃歸為以下10 個(gè)，同時(shí)對(duì)其中的某些相似級(jí)別進(jìn)行了合并[16]，如表1 所示。

表1 Parasuraman 的無(wú)人機(jī)自主等級(jí)劃分Table 1 Parasuraman's classification of UAV autonomy

由表1 可知，無(wú)人機(jī)受到有人作戰(zhàn)飛機(jī)操作員的完全控制是可靠性最高的控制方式，但勢(shì)必給操作員身體及心理造成極大的傷害；而人不在回路的控制，很可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)完全自主根據(jù)規(guī)則去執(zhí)行任務(wù)，此種作戰(zhàn)現(xiàn)象所造成的代價(jià)是無(wú)法估量的。通過(guò)對(duì)現(xiàn)代智能化程度發(fā)展?fàn)顟B(tài)的分析，可定義有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)中操作員與飛機(jī)之間交互的內(nèi)容、方式，如表2 所示。

表2 有人機(jī)與無(wú)人機(jī)之間交互的內(nèi)容及方式Table 2 Content and mode of interaction between MAV and UAV

根據(jù)對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形勢(shì)的衡量，研究判定：在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，考慮有人控制操作員所面臨的巨大壓力以及無(wú)人控制下的不可估量的代價(jià)，有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)研究常規(guī)應(yīng)采用的監(jiān)督控制模式為同意管理模式。

但根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中無(wú)人機(jī)使用情況，并結(jié)合本文對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同模式的研究，本文設(shè)計(jì)了一種適用于指令控制模式的有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的控制架構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的控制架構(gòu)Fig.4 Control architecture of MAV/ UAV cooperative operation system

無(wú)人機(jī)的控制模塊主要包括任務(wù)管理、決策指揮管理、威脅管理，無(wú)人機(jī)向指揮員提供目標(biāo)、威脅信息，指揮員向無(wú)人機(jī)發(fā)布任務(wù)指令，體現(xiàn)了在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中人依然要處于最終決策的重要位置，“人在回路”可充分將人機(jī)智能運(yùn)用在實(shí)際作戰(zhàn)中，將高層次的決策交還于人是有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的核心原則。

3 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估

3.1 協(xié)同系統(tǒng)效能模型

基于空戰(zhàn)理論和作戰(zhàn)任務(wù)，構(gòu)建有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系層次，如圖5 所示。其中包括三個(gè)層次：整體效能層、系統(tǒng)能力層、指標(biāo)層，下層詳細(xì)描述了上層分系統(tǒng)的各種能力。

圖5 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系Fig.5 Effectiveness evaluation system of MAV/UAV cooperative operation

本文評(píng)估有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)效能主要是將其與純無(wú)人機(jī)協(xié)同的作戰(zhàn)效能進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)選不同任務(wù)下的編隊(duì)組合，系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果均是相對(duì)關(guān)系，主客觀因素定性綜合評(píng)價(jià)，無(wú)需精確標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)計(jì)算作戰(zhàn)飛機(jī)的效能。

對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，根據(jù)其典型協(xié)同作戰(zhàn)的特點(diǎn)，指揮控制能力、無(wú)人機(jī)智能程度和數(shù)據(jù)鏈能力是耦合關(guān)系，有人戰(zhàn)機(jī)的主要任務(wù)是輔助攻擊，故有人戰(zhàn)機(jī)能力與無(wú)人機(jī)能力權(quán)重采用統(tǒng)計(jì)相關(guān)性分析計(jì)算設(shè)定[17]，單機(jī)作戰(zhàn)能力與其他能力無(wú)關(guān)，由此建立有人/無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)數(shù)學(xué)模型S為

其中，DC為系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈能力，AD為有人戰(zhàn)機(jī)指揮決策能力，IUAVi為第i架無(wú)人機(jī)智能水平，CUAVi、CMAVi分別為第i架無(wú)人機(jī)、有人戰(zhàn)機(jī)的單機(jī)效能，n,m為無(wú)人機(jī)和有人戰(zhàn)機(jī)架數(shù)。由于協(xié)同作戰(zhàn)會(huì)降低單機(jī)能力優(yōu)勢(shì)，μ表示飛機(jī)總數(shù)對(duì)單機(jī)效能的影響系數(shù)，根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，μ與飛機(jī)架數(shù)的關(guān)系如表3 所示。

表3 飛機(jī)總數(shù)對(duì)單機(jī)效能的影響Table 3 Effect of total number of aircraft on efficiency of a single aircraft

各分項(xiàng)能力指數(shù)上方的“—”是標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)值，此時(shí)各指標(biāo)數(shù)值都處于0 到1 之間，能夠使得數(shù)據(jù)之間差異較小，有相對(duì)一致性。目前數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理方法有多種，可分為直線型方法、折線型方法、曲線型方法?？紤]各種性能參數(shù)的物理意義，本文采用非線性S 型可導(dǎo)函數(shù)歸一法[16]，該方法能夠突出指標(biāo)的飽和特性。

其中，f（x）的取值范圍在0-1 之間，某個(gè)指標(biāo)的不斷增大不會(huì)使評(píng)估的結(jié)果無(wú)限增大，α β、 為調(diào)節(jié)曲線的參數(shù)。

根據(jù)S 型可導(dǎo)函數(shù)，對(duì)于數(shù)值越大越好的項(xiàng)，歸一化準(zhǔn)則為

其中，Ai是處理后的值，Ai是輸入的原始數(shù)據(jù)；Aimax為每類(lèi)指標(biāo)數(shù)據(jù)的最大值，Aimin是每類(lèi)指標(biāo)數(shù)據(jù)的最小值（對(duì)于數(shù)值越小性能越優(yōu)的指標(biāo)，采用Aimax-Aimin作為分母）。

（1）根據(jù)有人/無(wú)人機(jī)系統(tǒng)各分能力模型，參考數(shù)據(jù)鏈支撐能力評(píng)估方法[18]，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈能力的數(shù)學(xué)模型如下：

其中，MR為信息接收能力；MD為信息處理能力；MS為信息共享能力。

其中，ED為有效的數(shù)據(jù)率，pt為單位信息傳播所需的時(shí)間，maxD為能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)率，ct為單位接收信息的時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間，LD為損失的數(shù)據(jù)率。

其中，qi是度量傳遞第i條信息時(shí)效性的量，n為傳遞信息的總數(shù)。

其中，rM代表各分系統(tǒng)接收的信息，sn代表發(fā)送信息的各分系統(tǒng)數(shù)目，rn代表接收信息的各分系統(tǒng)數(shù)目，sM為各分系統(tǒng)發(fā)送的信息。

（2）系統(tǒng)的指揮控制決策能力的數(shù)學(xué)模型如下：

其中，0/U U代表信息的完備性；1iE- 代表感知的精確度，iE代表感知到的目標(biāo)特征與實(shí)際目標(biāo)特征之間的偏差程度，iq是信息處理融合的時(shí)效性指標(biāo)；maxt為決策可用最長(zhǎng)時(shí)間，jt為做出單個(gè)決策所用的時(shí)間，jα為從第i個(gè)決策行動(dòng)實(shí)施后任務(wù)的實(shí)際完成程度；其能力權(quán)重參考在役考核體系架構(gòu)[19]。

IUAV是依據(jù)美國(guó)相關(guān)研究單位定義的自主控制10 個(gè)等級(jí)計(jì)算出來(lái)的[20]。

其中，U/U0代表信息的完備性，U和U0分別表示正確的目標(biāo)數(shù)量和客觀存在的目標(biāo)數(shù)量，（1-Ei）代表感知的精確度，Ei代表感知到的目標(biāo)特征與實(shí)際目標(biāo)特征之間的偏差程度，qi是信息處理融合的時(shí)效性指標(biāo)。

其中，maxt為決策可用最長(zhǎng)時(shí)間，jt為做出單個(gè)決策所用的時(shí)間，jα為從第i個(gè)決策行動(dòng)實(shí)施后任務(wù)的實(shí)際完成程度。

3.2 單機(jī)效能模型

根據(jù)單機(jī)的效能指標(biāo)，構(gòu)建飛機(jī)作戰(zhàn)能力的數(shù)學(xué)模型：

其中，CA為攻擊能力，Ct為機(jī)動(dòng)能力，Cs為生存能力，I為偵測(cè)能力，CR為飛行穩(wěn)定能力，ω1，ω2，ω3，ω4，ω5為各分能力的權(quán)重，效能評(píng)估僅考慮飛機(jī)作戰(zhàn)能力，因而將環(huán)境影響因子、系統(tǒng)可靠性等外界因素忽略。受篇幅所限，飛機(jī)各分能力數(shù)學(xué)模型給出簡(jiǎn)略說(shuō)明，各能力模型及其系數(shù)均為研究成果表達(dá)[21-22]。

（1）機(jī)動(dòng)能力Ct：相關(guān)參數(shù)包括飛機(jī)平飛的最大單位重量剩余功率SEP，最大的瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎角速度ωmax，最大推重比（飛機(jī)的最大加力推力與飛機(jī)起飛重量的比值）Tm,max，最大穩(wěn)定盤(pán)旋過(guò)載Nmax，計(jì)算公式如下：

（2）攻擊能力CA的相關(guān)變量有：載彈量W、發(fā)射武器的距離L、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力Det（取值準(zhǔn)則參考文獻(xiàn)[18]）、武器的掛載數(shù)量n和武器精度系數(shù)Cc（取值準(zhǔn)則參考文獻(xiàn)[18]），計(jì)算公式為

（3）生存能力模型僅考慮其自身參數(shù)，以下為其數(shù)學(xué)模型：

其中，w代表飛機(jī)全長(zhǎng)，RCS 為雷達(dá)反射截面積，l代表翼展。

（4）偵測(cè)能力模型分為目標(biāo)偵察能力和目標(biāo)識(shí)別能力。

目標(biāo)偵察能力：裝備高性能雷達(dá)的無(wú)人機(jī)可配合有人戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行聯(lián)合偵察，延伸作戰(zhàn)半徑，飛機(jī)雷達(dá)掃描波成扇形，則探測(cè)領(lǐng)域?yàn)?/p>

其中，θA為掃描波仰角；rmax指雷達(dá)掃描波的最遠(yuǎn)傳播距離。

掃描頻率：

其中，Ts為掃描周期，最終目標(biāo)偵察能力為（ρ1、ρ2為比例系數(shù)）：

目標(biāo)識(shí)別能力：目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率越高，越容易抓住作戰(zhàn)時(shí)機(jī)，進(jìn)而掌握制空權(quán)。因而，高分辨率的雷達(dá)是目標(biāo)識(shí)別的重要設(shè)備，本文用雷達(dá)分辨率來(lái)表示目標(biāo)識(shí)別能力。

雷達(dá)分辨率的計(jì)算公式為

其中，d為天線孔徑，k是單位距離的采樣次數(shù)，nβ為方位角測(cè)量誤差加權(quán)系數(shù)，Td是波束在任務(wù)方向上停留的時(shí)間，θ∝為空間方位角，β指信號(hào)帶寬，R0是雷達(dá)識(shí)別能力的參考距離。

比幅測(cè)角的計(jì)算公式為

根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際情況給目標(biāo)偵測(cè)、識(shí)別能力取不同權(quán)重ε1，ε2，得到偵測(cè)能力指標(biāo)模型為

（5）飛行穩(wěn)定能力CR：相關(guān)參數(shù)包括作戰(zhàn)半徑R，飛機(jī)升限H，最大平飛馬赫數(shù)Vmax以及巡航馬赫數(shù)Vs，計(jì)算公式如下：

飛機(jī)的作戰(zhàn)效能評(píng)估模型采用層次分析法建立，根據(jù)不同作戰(zhàn)任務(wù)的需求，采用專(zhuān)家打分法，構(gòu)建各層次的判斷矩陣，并通過(guò)一致性檢驗(yàn)，得到飛機(jī)單機(jī)效能的各項(xiàng)能力權(quán)重如表4 所示。

表4 飛機(jī)單機(jī)效能的各項(xiàng)能力權(quán)重Table 4 Each capability weight of single aircraft efficiency

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)想定說(shuō)明

針對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)模式作戰(zhàn)流程中最重要的兩個(gè)任務(wù)環(huán)節(jié)——協(xié)同偵察探測(cè)任務(wù)和協(xié)同目標(biāo)打擊任務(wù)提出了兩個(gè)作戰(zhàn)想定。有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景及作戰(zhàn)元素如表5 所示。

表5 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景說(shuō)明Table 5 Background description of MAV/ UAV cooperative operation

以美軍典型偵察打擊一體無(wú)人機(jī)RQ/MQ–1A（無(wú)人機(jī)A）、MQ–9（無(wú)人機(jī)B）和典型戰(zhàn)斗機(jī)F–16（F）的基本數(shù)據(jù)為參考，仿真過(guò)程采用北京華如科技股份有限公司的Xsim Studio 可擴(kuò)展仿真平臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)Xsim）進(jìn)行作戰(zhàn)效能評(píng)估，如圖6 所示。

Xsim 仿真平臺(tái)為國(guó)內(nèi)知名權(quán)威的協(xié)同作戰(zhàn)與效能評(píng)估的仿真系統(tǒng)，根據(jù)其可靠的仿真評(píng)估結(jié)果與理論計(jì)算整體效能以及各項(xiàng)分能力并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理結(jié)果對(duì)比[23-26]，可定性驗(yàn)證理論評(píng)估模型與方法的準(zhǔn)確性。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

只考慮一種型號(hào)的有人戰(zhàn)機(jī)參與編隊(duì)的情況下，認(rèn)為混合編隊(duì)的指揮決策能力基本無(wú)變化，但高于無(wú)人機(jī)編隊(duì)的指揮決策能力。以A、B、F代指“捕食者”無(wú)人機(jī)、“死神”無(wú)人機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)F–16，則基于具體任務(wù)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的飛機(jī)綜合能力理論評(píng)估如表6 所示。

圖6 協(xié)同偵察/打擊任務(wù)作戰(zhàn)想定Fig.6 Cooperative reconnaissance/attack mission combat scenarios

表6 飛機(jī)綜合能力評(píng)估結(jié)果Table 6 Aircraft comprehensive capability assessment results

仿真試驗(yàn)選取Xsim Studio 評(píng)估任務(wù)的方案事后評(píng)估分析，將作戰(zhàn)想定進(jìn)行100 次仿真后得到的所有數(shù)據(jù)計(jì)入仿真評(píng)估系統(tǒng)中，主要包括武器發(fā)射態(tài)勢(shì)信息、實(shí)體毀傷態(tài)勢(shì)信息、實(shí)體信息等，可以得到協(xié)同偵察與打擊的多方案樣本評(píng)估對(duì)比結(jié)果，如表7 所示。

由表7 理論與仿真評(píng)估結(jié)果可知，理論效能評(píng)估與仿真效能評(píng)估結(jié)果相吻合，即在協(xié)同偵察探測(cè)任務(wù)中，一架F–16 帶領(lǐng)兩架無(wú)人機(jī)A 編隊(duì)（1F2A）的作戰(zhàn)效能最高；一架F–16 帶領(lǐng)兩架無(wú)人機(jī)B 的編隊(duì)（1F2B）進(jìn)行協(xié)同打擊效能最高。同時(shí)，其余幾種組合方式的協(xié)同打擊效能、協(xié)同偵察效能的大小排序也一致，由此驗(yàn)證了效能評(píng)估模型的相對(duì)可靠性和可用性。

表7 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)多方案樣本評(píng)估對(duì)比Table 7 Comparison of multi-program sample on MAV/ UAV cooperative operation

5 結(jié) 論

本文以有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同執(zhí)行作戰(zhàn)相關(guān)任務(wù)為背景，對(duì)其效能評(píng)估的指標(biāo)體系和模型進(jìn)行了深入的研究，將兩種典型作戰(zhàn)任務(wù)想定下在高可信度的仿真軟件中推演，并分析了仿真結(jié)果。

（1）分析有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同的作戰(zhàn)模式，包括典型的作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)流程和作戰(zhàn)樣式，以此提出了有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的使用規(guī)則。

（2）構(gòu)建了一種有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的效能評(píng)估指標(biāo)體系并建立了綜合指數(shù)模型，對(duì)有人/無(wú)人機(jī)混合編隊(duì)組合方式進(jìn)行了優(yōu)化。

（3）提出了協(xié)同偵察、協(xié)同打擊的作戰(zhàn)想定，對(duì)100 次仿真的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，評(píng)估系統(tǒng)作戰(zhàn)效能，與理論結(jié)果對(duì)比，對(duì)效能評(píng)估模型的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

未來(lái)在對(duì)有人戰(zhàn)機(jī)和無(wú)人機(jī)進(jìn)行組合編隊(duì)時(shí)，可預(yù)先對(duì)不同類(lèi)型的無(wú)人機(jī)進(jìn)行單機(jī)效能的評(píng)估，基于不同的協(xié)同樣式，選擇最優(yōu)的編隊(duì)組合方式?，F(xiàn)階段有人戰(zhàn)機(jī)的性能在很多方面都優(yōu)于無(wú)人機(jī)，有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)中可以由指揮員根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)做出臨機(jī)決策。

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)是未來(lái)空中作戰(zhàn)的主要方式之一，涉及多個(gè)方面的復(fù)雜問(wèn)題，本文僅對(duì)其中某些重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了研究，忽略了其中一些實(shí)際因素。進(jìn)一步的研究考慮在效能評(píng)估中加入飛機(jī)可用度、可靠性、效費(fèi)比等多種因素，完善評(píng)估方法，并進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)，以實(shí)際數(shù)據(jù)為模型提供支撐，可使評(píng)估結(jié)果更具有真實(shí)可靠性。