黄吉传，周德云

(西北工业大学 电子信息学院，西安 710072)

无人机协同作战是未来无人机主要作战模式之一。在无人机执行协同作战具体任务前，还需要对无人机协同执行任务的好坏程度进行分析与评价，从而得到无人机在不同载荷和不同型号协同下的任务执行效能[1-2]，为指挥人员提供参考，以便对无人机任务进行调整，同时也能对未来无人机的设计与研制提供参考。为了能够合理且全面的对不同配置下的无人机协同作战进行效能评估，需要建立一套完整的无人机协同作战效能评估指标体系。

在过去的十几年中，大部分研究均集中在单架无人机的效能评估体系设计和效能评估方法2个方向[3-6]。随着协同作战逐渐成为主要的作战模式，近几年来,对无人机协同效能评估有关问题进行了研究，研究成果还较少，其考虑的无人机协同效能评估主要包括无人机攻击能力、无人机突防能力以及无人机协同作战能力等。文献[7]提出了一种无人机协同效能评估体系，并采用层次分析法进行了效能评估。该体系主要考虑了无人机突防能力指标、攻击能力指标、协同能力指标以及指挥决策系统指标4大类共12种具体指标，能够对无人机协同作战进行评估。该体系将无人机自身能力指标与协同能力指标分开设计，将协同能力看作是单独的模块，并不能完整的体现出无人机协同作战的特点。文献[8]提出了一种有人/无人协同作战指标体系。该体系是针对有人/无人机协同设计的，其指标体系同样适用于无人机协同作战效能评估。该效能评估体系考虑了任务可靠度、雷达能力、数据链能力、协同攻击能力、指挥控制决策能力以及飞机可用度等指标，较全面的描述了无人机协同作战的效能指标。该体系中的部分指标仍然是针对单个无人机设计的，对于协同作战的评估仍不够完整。此外，无人机执行不同的任务需要携带不同的载荷，且采用多种类型的无人机进行协同作战，实现优势互补，从而提高协同作战能力。因此，通用性和可扩展性也是无人机协同作战效能评估指标体系设计中需要关注的问题。

针对目前存在的这些问题，本文主要研究无人机协同作战效能评估体系的设计。为了设计出一套全面易扩展的无人机协同作战效能评估体系，针对无人机协同作战任务需求以及观察-判断-决策-行动(Observe-Orient-Decide-Act，OODA)决策链[9]，分析无人机协同作战各阶段要素及对无人机协同作战的影响，设计了一套无人机协同作战效能评估指标体系。通过无人机协同作战效能评估实例验证了所提指标体系的合理性和可行性。

1 无人机协同作战效能评估指标体系中的评估要素分析

指标体系为一个多维空间，可以根据作战环节、评估要素和评价方法表征为物理评估对象、抽象评估对象和评价级别等。为了全面评估无人机协同作战效能，基于典型无人协同作战的OODA决策链，可建立无人机协同作战效能评估体系。无人协同作战的OODA决策链示意图如图1所示。

图1 无人协同作战的OODA决策链示意图Fig.1 Diagram of OODA decision chain for unmanned cooperative operations

根据典型无人协同作战的OODA决策链的观察-判断-决策-行动的架构，可将无人机协同作战分为8个主要阶段，包括环境探测阶段、目标识别阶段、信息传递阶段、态势生成阶段、任务规划阶段、自/互操作阶段、协同编队阶段以及协同攻击/制导/干扰/规避阶段，并对各阶段形成评估要素。上述8个阶段分别描述如下： ① 环境探测阶段。协同态势感知手段的全面程度和有效性，包括雷达、光电探测设备等各类传感器的种类、数量，主要感知能力(包括地形环境、本机与友机的方位以及敌机的方位/数量等)，以及抗干扰能力。② 目标识别阶段。对攻击目标、威胁目标的识别与定位能力。③ 信息传递阶段。无人机-无人机、控制站-无人机以及多无人机之间信息传输的流畅性、关联性。④ 态势生成阶段。通过对感知态势的共享进而生成全方位态势的能力。⑤ 任务规划阶段。高层次决策、协同规划能力以及意外情况下的自主决策、自主控制能力。⑥ 自/互操作阶段。飞机操控、武器操控以及无人机的介入时机和不同决策周期条件下的指令集。⑦ 协同编队阶段。单平台动作、协同路径规划、协同编队的可控性以及动态加入/退出/重组能力。⑧ 协同攻击/制导/干扰/规避阶段。协同攻击方式、协同制导方式、协同规避方式以及其实时性、灵活性和有效性。

环境探测阶段和目标识别阶段属于OODA决策链中的“观察”部分，构成了无人机协同感知能力，因此，无人机协同感知能力应包括多种传感器探测的能力。态势生成阶段属于OODA决策链中的“判断”部分，同时信息传递阶段为OODA决策链的连通起到重要的推进作用。因此，无人机协同作战效能还应包括信息传递的能力，快速和可靠的信息传递能力将直接增强OODA决策链，尤其是“判断”的执行。任务规划阶段属于OODA决策链中的“决策”部分，其构成了无人机协同决策能力。自/互操作阶段、协同编队阶段以及协同攻击/制导/干扰/规避阶段属于OODA决策链“行动”部分，其构成了无人机协同作战能力。因此，根据无人机协同作战能力需求，无人机协同作战效能应包括协同组队能力和协同打击能力2部分。

根据以上分析可见，无人机协同作战效能评估应包括无人机协同感知能力、无人机协同通信能力、无人机协同策划能力、无人机协同组队能力以及无人机协同打击能力。这5种能力是构成无人机协同作战OODA决策链的最重要的几个部分，能够较全面地描述无人机协同作战效能。针对这5种能力对无人机协同作战中的关键指标进行分析，将能够构成一套完整的无人机协同作战效能评估体系。此外，由于该体系是根据OODA决策链建立的，因此，其具有良好的系统性和可扩展性。根据实际作战需求以及无人机协同作战的载荷情况，可以基于OODA决策链各阶段的特点，动态调整效能评估指标能力体系，从而适用于不同场景下无人机协同作战的效能评估。因此，本文所设计的效能评估体系只是针对普通作战场景的通用化设计，目的是为建立无人机协同作战效能评估的指标体系提供一种通用的体系模型，更贴近于实际装备的设计和使用。

2 无人机协同作战效能评估指标体系设计

对于无人机协同对地攻击作战能力，结合指标体系中的评估要素分析结果，需考虑协同感知能力、协同通信能力、协同策划能力、协同组队能力以及协同打击能力。因此，所建立的无人作战飞机协同效能评估指标体系如图2所示。

协同感知能力包括雷达探测能力、光电探测能力以及电子侦察能力。这是因为目前无人机协同作战主要以对地攻击为主，其主要装备的传感器为雷达、光电和电子侦察设备，因此主要考虑这3种传感器的能力。协同通信能力主要是无人机之间的数据链能力，而数据链能力主要包括时效性、有效系统容量以及节点连通性3个指标。协同策划能力主要体现无人机辅助地面指挥人员决策的能力。在作战中战场态势瞬息万变，全部依靠地面指挥人员进行决策将降低无人机协同作战的效率。为了提升决策效率，需要借助无人机的辅助决策能力。结合无人机辅助决策功能，将协同任务规划、协同控制关系以及动态实时决策能力作为人机协同策划能力指标。协同打击能力主要体现无人机执行任务的能力，考虑无人机协同对地作战的任务目标，将无人机协同攻击能力以及协同规避能力作为效能评估指标。同时考虑到执行任务需要无人机具有良好的机动性能、编队性能以及较高的生存力，将飞行性能、战术编队、飞机可用度以及生存力作为评估协同组队的能力指标。通过以上分析可见，本文所设计的无人机协同效能评估指标能够较全面的描述无人机的装备性能，具有较好的系统性和扩展性，是一套可行有效的无人机协同作战效能评估指标体系。

图2 无人作战飞机协同作战效能评估指标体系Fig.2 Evaluation index system of cooperative operational effectiveness of an unmanned combat aircraft

3 无人机协同作战效能评估模型建立

3.1 无人机协同作战总体效能模型

根据无人作战飞机协同对地攻击典型作战模式和指标体系，建立无人机协同作战能力的数学模型为

E=(ε1EGZ+ε2ETX+ε3ECH+ε4EDJ+

ε5EZD)(1-θs)。

(1)

式中：E为无人机协同作战能力；EGZ为协同感知能力；ETX为协同通信能力；EZD为协同组队能力；ECH为协同策划能力；EDJ为协同打击能力；θs为效能损失系数；εi(i=1,2,…,5)分别为各子系统效能所占的权重。

3.2 协同感知能力评估模型

无人作战飞机感知能力主要包括雷达探测能力、光电探测能力和电子侦察能力。单架无人机感知能力EGZW的计算模型为

EGZW=η1ELD+η2EGD+η3EEZ。

(2)

式中：ELD为雷达探测能力；EGD为光电探测能力；EEZ为电子侦察能力;η1，η2,η3分别为各分系统效能所占的权重。

对于无人协同作战，协同感知能力为多架无人机感知能力的迭加，即

(3)

式中：EGZ为协同感知能力；EGZW,j为第j架无人机感知能力；m为无人机的数量。

3.3 协同通信能力评估模型

无人机通信能力主要体现于数据链的能力。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。数据链性能可以由节点连通性、有效网络容量和时效指标最终体现。单架无人机通信能力为

ETXW=η4EP+η5EQ+η6EC。

(4)

式中：EP为时效性；EQ为有效系统容量；EC为节点连通性；η4，η5,η6分别为各分系统效能所占的权重。

对于无人协同作战，协同通信能力为多架无人机通信能力的迭加，即

(5)

式中：ETX为协同通信能力；ETXW,j为第j架无人机通信能力。

3.4 协同策划能力评估模型

无人作战飞机策划能力主要包括协同任务规划、协同控制关系和动态实时决策。单架无人机策划能力的计算模型为

ECHW=η7Egh+η8Ekc+η9Ejc。

(6)

式中：ECHW为单架无人机策划能力；Egh为协同任务规划；Ekc为协同控制关系；Ejc为动态实时决策；η7，η8，η9分别为各分系统效能所占的权重。

对于无人协同作战，协同策划能力为多架无人机策划能力的迭加，即

(7)

式中：ECH为协同策划能力；ECHW,j为第j架无人机策划能力。

3.5 协同打击能力评估模型

无人作战飞机协同打击能力主要包括协同攻击能力和协同规避能力。协同打击能力的计算模型为

(8)

式中：EDJ为协同打击能力；EGJW,j为第j架无人机的攻击能力；EGBW,j为第j架无人机的规避能力；η10和η11分别为各分系统效能所占的权重。

3.6 协同组队能力评估模型

无人作战飞机协同组队能力主要包括飞行性能、飞机可用度和生存力。协同组队能力EZD的计算模型为

(9)

4 实例验证

假设战场敌方目标位置已知，对方目标数量较多，目前有2种不同载荷的无人机协同执行对地侦察和打击任务。2种无人机均为察打一体无人机，且其均为同一型号无人机。A型无人机主要负责侦察并进行辅助打击，携带雷达和光电探测设备，不携带电子侦察设备，携带少量武器。B型无人机主要负责打击并进行辅助侦察，携带光电探测和电子侦察设备，不携带雷达设备，携带大量武器。A型无人机和B型无人机其他载荷均相同。根据专家经验知识，2种无人机协同作战能力指数见表1和表2。

表1 无人机能力指标Tab.1 Capability index of unmanned aerial vehicles

由表1可见，A型无人机没有携带电子侦察设备，因此其电子侦察能力为0。同样的，B型无人机由于没有携带雷达，其雷达探测能力为0。由于A型无人机携带少量武器，B型无人机携带了大量武器，因此B型无人机的攻击能力显著高于A型无人机。此外因为2种无人机来自于同一型号，所以其余能力指标均相等。寻找多位专家对该体系指标进行打分，综合多位专家信息得到无人机协同效能评估指标体系的指标权重见表2。

在实际作战中，使用越多的无人机编队进行作战其协同作战效能必然会越大，采用越多的无人机进行作战其成本也会越高，相应的付出的后续维护工作等也会增多。因此，在实际作战中通常会根据任务的实际情况选择一定数量的无人机进行作战。有多种构型无人机时，如何配置不同构型的无人机数量使协同作战效能达到最大是需要重点考虑的问题。因此，本文基于无人机协同作战效能，重点讨论无人机的数量配置方案，为实际作战提供理论支撑。

表2 无人机协同作战能力指标权重Tab.2 Weight of UAV cooperative operational capability index

假设共出动4架无人机，其无人机编队配置可能有如下几种：

① 4架A型无人机；

② 4架B型无人机；

③ 1架A型无人机和3架B型无人机;

④ 3架A型无人机和1架B型无人机;

⑤ 2架A型无人机和2架B型无人机。

根据表1的载荷指标，并根据表2权重计算得到5种方案配置下无人机协同作战效能，不同配置方案下的效能损耗θs由专家给出，在此，取θs=[0.2,0.2,0.1,0.1,0.1]。各方案的效能指标见表3。从表3可见，采用方案1和方案2的效能偏低，这是因为这2种方案只使用了同种构型无人机。A型无人机探测能力强，但是攻击能力弱。B型无人机探测能力弱，但是攻击能力强。如果只使用一种构型无人机进行协同作战，其作战能力会极大的不均衡，从而导致作战效能较低。方案3、方案4和方案5由于采用了不同类型的无人机配置，其作战效能较高，这说明采用不同构型无人机协同作战能够显著提升无人机协同作战的效能。同时在方案3、方案4和方案5中，方案3获得了最大的效能。这说明在当前所具有的无人机中，选择1架A型无人机和3架B型无人机能够达到最高的作战效能。此外，由于当前想定中敌方数量较多。因此，需要无人机编队具备强大的打击能力，从而能够保证打击目标的效率。在当前想定中目标位置确定，且没有难以探测的目标，因此，不需携带较多的探测设备。根据以上分析可见，方案3中采用1架A型无人机和3架B型无人机能最大程度上保证协同感知能力，同时保证武器打击能力满足需求，是一种合理的方案配置。本文提出的无人机协同效能评估指标体系能有效体现无人机协同作战的各种能力，能够为指挥决策人员提供合理的无人机协同作战方案配置，具有重要的军事应用价值。

表3 多种无人机协同作战配置方案下的效能值Tab.3 Effectiveness values of UAV collaborative combat in various configuration schemes

5 结 论

针对无人机协同效能评估指标体系设计问题，基于OODA环分析了无人机协同作战各个阶段的特点，建立了一套完整的无人机协同作战效能评估指标体系，基于该体系建立了无人机协同作战效能评估数学模型。仿真实例中，分析了2种携带不同载荷的无人机协同配置方案，采用本文所提出的无人机协同作战效能评估模型对4架无人机协同作战配置方案进行了效能评估，仿真实验证明了本文提出的无人机协同效能评估指标体系能够有效体现无人机协同作战的各种能力。