无人机协同作战效能评估指标体系设计与分析

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2020.01.006http:
//xb.xatu.edu.cn无人机协同作战效能评估指标体系设计与分析
黄吉传,周德云
(西北工业大学电子信息学院,西安710072
)摘 要: 为设计出一套全面易扩展的无人机协同作战效能评估体系,面向未来无人机协同作战发展趋势以及无人机载荷特点,基于无人机协同作战观察判断?决策?
行动(OODA)决策链,分析无人机协同作战各阶段中的效能影响因素,综合考虑无人机协同感知能力、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,建立了无人机协同作战效能评估指标体系与模型。通过无人机协同作战实例,采用该指标体系对多架无人机协同作战进行了效能评估。结果表明:文中所提出的无人机协同作战指标体系能够有效体现无人机协同作战的协同感知能力和协同攻击能力,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。关键词: 无人机协同;效能评估;决策链;指标体系中图号: E843    文献标志码: A
文章编号: 1
673 9965(2020)01 0038 07犇犲狊犻犵狀犪狀犱犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犪狀犈狏犪犾狌犪狋犻狅狀犐狀犱犲狓犛狔
狊狋犲犿犳狅狉犝犃犞犆狅狅狆
犲狉犪狋犻狏犲犆狅犿犫犪狋犈犳犳犲犮狋犻狏犲狀犲狊狊犎犝犃犖犌犑犻犮犺狌犪狀,犣犎犗犝犇犲狔
狌狀(SchoolofElectronicsandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity
,Xi’an710072,China)犃犫狊狋狉犪犮狋: AccordingtothedevelopingtrendofUAVcooperativeop
erationsandthecharacteristicsofUAVpayload,acomprehensiveandextensibleevaluationsystemandmodelforUAVcooperativecombateffectivenessisdevisedbasedontheobservationjudgment?decision?making?action(OODA)decisionchainandtheanalys
isofthefactorsinfluencingtheeffectivenessofUAVcooperativeop
erationineachstage,withthecooperativeperceptionability,cooperativecommunicationability,cooperativeplanningability,cooperativeformationabilityandcooperativefightingabilityofUAVinvolved.ThisindexsystemispracticallyappliedtoevaluatetheeffectivenessofUAVcooperativeoperation.Theresultsshowthattheindexsystemproposedinthispapercaneffectivelyreflectthecooperativeperceptionabilitya
ndcooperativeattackabilityofUAVcooperativeoperations,providingareasonableconfigurationschemeofUAVcooperativeop
erationforcommandersanddecision?makers.第40卷第
1期2020年2月           西 安 工 业 大 学 学 报JournalofXi’anTechnologicalUniversity
           Vol.40No.1
Feb.2020 收稿日期:
2019 03 12第一作者简介:黄吉传(1980-)
,男,西北工业大学博士研究生。通信作者简介:周德云(1964-)
,男,西北工业大学教授,主要研究方向为航空电子与系统、网络化感知与智能电子信息系统等,Email:dyzhou@nwp
u.edu.cn。 引文格式:黄吉传,周德云.无人机协同作战效能评估指标体系设计与分析[J].西安工业大学学报,2020,40(1):38?
44.HUANGJichuan,ZHOUDeyun.DesignandAnalysisofanEvaluationIndexSystemforUAVCoop
erativeCombatEffec tiveness[J].JournalofXi’anTechnologicalUniversity
,2020,40(1):38?44.
犓犲狔狑狅狉犱狊: UAVcollaboration;effectivenessevaluation;decisionchain;indexsystem
  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[12],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[36]。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 DiagramofOODAdecisionchainforunmannedcooperativeoperations
3 第1期           黄吉传,等:无人机协同作战效能评估指标体系设计与分析
  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
4            西 安 工 业 大 学 学 报               第40卷
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 Evaluationindexsystemofcooperativeop
dtt
erationaleffectivenessofanunmannedcombataircraft3 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
犈=(ε1犈GZ+ε2犈TX+ε3犈CH+ε4
犈DJ+ε5
犈ZD)(1-θs)。(1
)式中:犈为无人机协同作战能力;犈GZ为协同感知能力;犈TX为协同通信能力;犈ZD为协同组队能力;犈CH为协同策划能力;犈DJ为协同打击能力;θs为效能损失系数;ε犻(犻=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犈GZW的计算模型为
犈GZW=η1犈LD+η2犈GD+η3犈EZ。(2)式中:犈LD为雷达探测能力;犈GD为光电探测能力;ldap
犈EZ为电子侦察能力;η1,η2,η
3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,
即犈GZ=
∑犿
犼=1
维族网站GZW,犼
(3
)式中:犈GZ为协同感知能力;犈GZW,犼为第犼架无人机感知能力;犿为无人机的数量。
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
犈TXW=η4犈P+η5犈Q+η6
犈C。(4)式中:犈P为时效性;犈Q为有效系统容量;犈C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
犈TX=∑犿
美国阳光地带犼=1
TXW,犼
(5
)式中:犈TX为协同通信能力;犈TXW,犼为第犼架无人机通信能力。
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
犈CHW=η7犈gh+η8犈kc+η
9犈jc。(6)式中:犈CHW为单架无人机策划能力;犈gh为协同任务规划;犈kc为协同控制关系;犈j
c为动态实时决策;1
4 第1期           黄吉传,
等:无人机协同作战效能评估指标体系设计与分析
η7,η8,η
9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
犈CH=
∑犿
犼=1
CHW,犼
(7
)式中:犈CH为协同策划能力;犈CHW,犼为第犼架无人机策划能力。
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
犈DJ=η10∑犿
犼=1
犈GJW,犼+η11∑犿
犼=1
犈GBW,
犼/犿。(8
)式中:犈DJ为协同打击能力;犈GJW,犼为第犼架无人机的攻击能力;犈GBW,犼为第犼架无人机的规避能力;
η
10和η11分别为各分系统效能所占的权重。对于无人协同作战,协同攻击能力为多架无人
机攻击能力的迭加,式(8
柳州一中王静)中,∑犿
犼=1
GJW,犼
为协同攻
击能力。协同规避能力为多架无人机规避能力的均
值,在式(8)中,∑
犼=1
犈GBW,犼
/犿代表协同规避能力。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。协同组队能力犈ZD的计算模型为
犈ZD=η12犈FX+η13犈KY+η14
犈SC,犈FX=
1()
∑犿
犼=1
犈FXW,犼-犈F
XW(
)犿
犈KY=
∑犿
犼=1
犈KYW,
犈SC=e1-∏犿
犼=1(1-犈SCW,犼(
))烅
。(9
筛板塔精馏实验)式中:犈FX为无人机协同飞行性能;犈KY为无人机协同可用度;犈SC为无人机协同生存力;犈FXW,犼为第犼架无人机的飞行性能;犈FXW为所有无人机飞行性能的平均值;犈KYW,犼为第犼架无人机的可用度;犈SCW,犼为第犼架无人机的生存力;η12,η13,η
14分别为各分系统效能所占的权重,该权重系数可由专家打分后进行转换得出。
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
indexofunmannedaerialvehicles能力指标取值
A型无人机B型无人机雷达探测能力0.72670.0000光电探测能力1.02671.0267电子侦察能力0.00001.3661时效性0.30000.3000有效系统容量0.20000.2000节点连通性0.42500.4250任务规划0.53330.5333控制关系0.33000.3300动态实时决策0.33000.3300攻击能力0.39000.8731规避能力0.20000.2000飞行性能0.28070.2574飞机可用度0.84000.8400生存力
1.1672
1.1672
  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。
4            西 安 工 业 大 学 学 报               第4
0卷

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