基于ABMS的無人機編隊協同制空任務效能評估

劉文金，崔玉偉

（中國航空工業集團公司西安飛行自動控制研究所，陜西西安 710000）

0 引言

隨著無人機相關技術的發展，其作戰能力得到不斷增強，在現代戰場上發揮著重要作用。近年來，美軍先后進行了X-47B 隱身艦載無人機、XQ-58A 隱身無人機以及“空中力量編組系統”（Airpower Teaming System，ATS）無人機等項目的研發，用于應對未來復雜戰場中嚴峻的威脅挑戰[1-2]。

在作戰需求的牽引下，國內外開展了大量多機協同作戰研究工作，如美國開發的“忠誠僚機”“分布式作戰管理”和“拒止環境中協同作戰”項目等，對不同任務背景下無人機協同技術進行了驗證。除無人機項目外，相關研究還對多無人機作戰體系概念、作戰流程、關鍵技術需求和發展趨勢等方面開展定性討論和分析[3-7]。在此基礎上，對多無人機在偵察監視、空對地打擊等任務場景下的作戰效能進行研究，但對于制空作戰場景下的研究還相對較少。

在無人機協同作戰效能評估方法上，目前多采用解析方法進行評估。文獻[8]分析了有人/無人機的協同模式和運用規則，基于指數模型對多種編隊形式進行評估。文獻[9]采用多層次指標和灰色理論結合的方法，對有人/無人機協同反艦作戰效能進行評估。文獻[10]在ADC方法的基礎上增加作戰保障能力指標，研究了艦載無人機編隊協同對海作戰效能。采用該類方法能夠快速得出評估結果，但對指標的評價大多基于專家經驗，或是根據無人機平臺戰技指標給出某種函數進行計算，主觀性較強。

而基于仿真的裝備和任務效能評估方法受主觀影響小。其中，基于Agent 的建模與仿真（Agent based modeling and simulation，ABMS）方法可有效構造具有自主性、反應性、交互性等特點的作戰實體，并通過自底向上的方式對復雜系統的演化過程進行推演，在作戰效能評估和裝備方案頂層論證中已得到廣泛應用[11-12]。如文獻[13-14]采用有限狀態機對Agent行為進行建模實現，對無人機在搜救任務、突防任務開展了仿真。文獻[15]將ABMS方法用于多無人機海域監視的任務效能分析。文獻[16]將ABMS與復雜網絡模型相結合，研究了多無人機系統的指揮控制效能。文獻[17]構建了綜合規劃架構并采用ABMS方法評估了空空導彈效能。

因此，本文基于ABMS 方法，通過分析無人機編隊協同制空任務作戰樣式，構建以任務狀態機為核心的Agent 模型結構，在此結構下，結合“觀察—判斷—決策—行動”（Observe-Orient-Decide-Act，OODA）循環思想對Agent 的功能和行為模型進行實現。最后，通過仿真得出評估結果，并對該任務場景下多無人機協同作戰任務效能進行分析和討論。

1 無人機協同制空任務構想

1.1 任務構想

制空作戰是未來先進艦載隱身無人機的1項重要任務[18-19]。任務構想為紅方艦載預警雷達、預警機發現來襲的藍方目標或情報表明藍方可能發動空中攻擊后，由航母指揮無人機編隊前往來襲方向執行空中截擊的任務。其作戰目標通常是掛載各類反艦導彈的轟炸機、掛載空空導彈/反艦導彈的戰斗機、隱身戰斗機以及無人機等。此類空中目標對紅方水面作戰力量、空中防御力量構成嚴重威脅。特別是隱身戰斗機和隱身無人機，其利用自身低可探測性優勢深入紅方防區進行隱蔽偵察、目標識別等任務，可為后方作戰力量提供大量戰場情報信息，以便開展遠程反艦火力投送等作戰行動。因此，使用多架無人機組成編隊，即時采取制空攔截行動，將對方戰斗機、無人機等進行驅離或擊毀，將是未來?？兆鲬鹬蟹浅Ｖ匾娜蝿?。無人機編隊協同執行制空任務場景如圖1所示。

圖1 無人機協同制空任務構想Fig.1 Conception of multi-UAVs cooperative air combat mission

在編隊組成上，可由多架同構型的攻擊型無人機組成編隊，也可由不同數量的預警型無人機和攻擊型無人機組成無人機編隊，以適應不同目標類型、不同強度下的制空作戰任務。

1.2 作戰過程

多無人機協同制空作戰過程可通過OODA 循環過程進行描述[20]。根據這一理論，無人機協同制空作戰過程可分為目標探測、戰場態勢感知、任務規劃和分配、任務執行、戰效評估5個作戰行動。為梳理各作戰行動的具體內容、輸入輸出及關聯關系，采用層次結構對協同制空作戰行動樣式進行分解，得到作戰行動循環分解如圖2所示。

圖2 無人機編隊協同制空作戰過程Fig.2 Collaborative air combat mission process of multi-UAVs

1）觀察階段。

通過無人機的機載相控陣雷達、光電分布式孔徑系統、敵我識別裝置等各類偵察探測裝備在制空任務區域搜索探測目標信號,獲取并保持對目標方位、速度、距離等狀態信息的跟蹤，并將探測到的目標信息匯總至負責指揮控制的后方指揮部。

2）判斷階段。

綜合各機上報的目標信息，融合消解信息誤差和沖突，形成統一的戰場目標信息，完成目標識別；基于己方空中編隊各作戰力量的位置、當前作戰能力等狀態信息對威脅程度進行排序，生成統一的戰場威脅態勢，之后發送給編隊內所有的無人機。

3）決策階段。

無人機編隊的任務指揮官根據統一戰場態勢中己方各作戰飛機狀態信息和目標威脅程度排序，進行協同作戰任務規劃，對不同目標分配針對性對抗措施。根據本次行動的作戰任務，生成制空作戰子任務序列，對無人機的協同模式進行設定，選定需要打擊、跟蹤、制導的目標并分配至各架無人機。

4）行動階段。

無人機自行規劃飛行航路，前往預定作戰區域進行占位。期間，預警型無人機提供遠距離的目標感知、定位和跟蹤，為編隊內所有無人機提供及時更新的態勢信息，引導攻擊型無人機前往攔截目標。攻擊型無人機接近目標后對目標進行探測和確認，并做好導彈發射前準備與參數裝訂，實施攻擊包線在線計算，確定目標不可逃逸攔截包線。在目標進入不可逃逸包線后隨即發射導彈，對空空導彈進行中段導引至中末制導交班，隨后脫離攻擊區，返回原巡邏區域繼續任務；此外，攻擊型無人機若裝備電子干擾裝備，則在目標進入有效干擾范圍后隨即對目標實施干擾，以延遲目標對紅方作戰飛機和導彈的感知時間，延緩藍方進行對抗的反應速度。

2 無人機協同作戰仿真模型設計

2.1 Agent模型構建

研究中，裝備實體主要有攻擊型無人機、預警型無人機、有人戰機以及空空導彈4 種。按裝備類別可劃分為飛機類和導彈類?？紤]到飛機和導彈在探測、運動、通信等方面可采用相同或類似的數學模型進行構建，并通過配置速度、探測識別距離等性能參數進行區分，因此，采用相同的Agent模型結構見圖3。

Agent 采用分層反應型模型結構，分為行為層和功能層。

在行為層，Agent設置了行為邏輯模塊，行為邏輯基于OODA 循環思想進行設計，主要過程為“感知—規劃—行動”，其中規劃行為包括了判斷和決策，由任務狀態機進行實現。

在功能層，Agent設置了探測感知模塊、運動模塊和通信模塊，每個功能模塊可配置不同的功能模型，以滿足飛機和導彈在功能上的差異性。例如，在探測感知模塊中，飛機Agent需配置雷達告警模型，而導彈Agent 則無需配置此模型。對于每個功能模型，均可配置探測距離、巡航速度等裝備性能參數，以滿足不同機型之間的差異。

Agent通過行為層的行為邏輯模塊可實現從環境中獲取信息，并基于預定的規則采取相應行為；而功能層多個功能模塊則用于支持Agent 各類行為的實現。

2.1.1 飛機Agent行為邏輯模塊

1）攻擊型無人機/戰機Agent任務狀態機。

紅方的攻擊型無人機和藍方的戰機在任務中功能和行為狀態類似，包括探測、跟蹤、追擊、制導、毀傷評估以及威脅規避等，采用同構型的任務狀態機進行行為實現，不同機型的性能差別通過參數設置進行區分，如圖4所示。

圖4 攻擊型無人機/戰機Agent任務狀態機Fig.4 Mission state machine of UCAV/fighter Agent

對于任何一方而言，其所有活動的飛機均會上報和共享獲取的目標信息，再由編隊指揮官根據戰場態勢指派距離威脅目標最近的攻擊型無人機/戰機對目標進行攔截。

2）預警型無人機Agent任務狀態機。

預警型無人機Agent任務狀態機在攻擊型無人機Agent任務狀態機的基礎上，取消了追擊、導彈發射制導等部分，其余保持不變。

2.1.2 導彈Agent行為邏輯模塊

紅藍雙方空空導彈的行為狀態包括發射準備、初制導、中制導、末制導以及自毀和摧毀判定，如圖5 所示。

圖5 導彈Agent任務狀態機Fig.5 Mission state machine of missile Agent

2.2 仿真參數設置

交戰雙方作戰單位初始參數值如表1、2所示。

表1 飛機參數Tab.1 Aircraft parameters

表2 導彈參數Tab.2 Missile parameters

為確保導彈的命中率，考慮導彈的攻擊包線，設置紅方攻擊型無人機和藍方戰機在鎖定目標后最大允許發射距離為100 km，此處的最大允許發射距離是指在該距離下，無人機發射導彈后命中率不低于0.8。

2.3 模型場景

仿真任務場景設定為在某海域附近，紅方獲取的戰略情報表明藍方將派出艦載戰斗機，對紅方控制區域開展軍事行動。紅方決定派出無人機編隊前往防御區域，執行巡邏警戒任務和制空攔截任務。交戰雙方任務區域設置為：紅方防御區域位于紅方航母編隊前出400～450 km處；藍方目標區域為紅方航母編隊前出200～300 km處。任務場景見圖6、仿真界面見圖7。

圖6 任務場景Fig.6 Mission scenario

圖7 仿真界面Fig.7 Interface of simulation

3 效能分析

3.1 無人機編隊協同制空效能指標

分析無人機編隊協同制空效能，首要考慮作戰目標的完成度。文中無人機編隊協同制空的任務目標是攔截藍方飛機，因此設置第1項效能指標攔截率；此外，藍方戰機突防至距離紅方艦隊越近，對紅方艦隊的威脅越大，因此設置第2項指標為攔截距離。2項指標定義如下。

攔截率：被攔截的藍方飛機與藍方出動的總飛機數量之比。

攔截距離：藍方飛機從起飛至被攔截或任務完成時與紅方航母的最近距離。

在仿真時，對每個樣本點進行2 000 次蒙特卡洛仿真，將統計指標均值作為結果。

3.2 無人機編隊協同制空作戰效能

3.2.1 情形一：攻擊型無人機2對2攔截

設置2對2攔截情形：假設紅方部署2架攻擊型無人機，在防御區域內無人機沿平行航線進行巡邏警戒；若探測到藍方飛機，則按2.1節所述功能和行為邏輯進行制空攔截作戰，直至目標被擊毀或自身被藍方飛機擊毀；若紅方飛機完成制空攔截任務，則返回巡邏航線繼續警戒。藍方飛機出現的時間和方位隨機，突防方向指向航母附近的一片區域內的隨機點，時間、方位和隨機點均采用均勻分布生成。

以無人機探測距離為變量，分析該值變化對多無人機協同作戰效能的影響，如表3 所示。隨著編隊內每架無人機探測距離的增加，紅方的攔截率和攔截距離呈先增大，然后基本不變的趨勢。

表3 2對2情形下無人機探測距離對效能影響Tab.3 Impact of UCAV detection range on combat effectiveness in 2V2 case

可見，更大的探測距離使戰斗/攻擊無人機在OODA 循環上占據優勢，可以發現更多且可及早對目標實施制空攔截，但受導彈攻擊包線影響和限制，在無人機探測距離小于導彈的最大允許發射距離時，提升探測距離帶來的效能增益明顯；反之，即使無人機能夠先探測到目標，但仍需飛行至滿足導彈最大運行發射距離時才能攻擊目標，此時探測距離提升帶來的效能增益較少。

3.2.2 情形二：攻擊型無人機多機編隊攔截

設置攻擊型無人機多機編隊攔截情形：無人機探測距離為120 km，其中無人機編隊組成分別為2、4、6、8 架制空型無人機，部署于距紅方航母編隊外圍防御區域，藍方目標仍為2 架戰機，行動邏輯與情形一類似。

以編隊內無人機數量為變量，分析該值變化對多無人機協同作戰效能的影響，如表4所示。

表4 攻擊型無人機編隊中飛機數量對效能影響Tab.4 Impact of aircraft quantity on combat effectiveness in a team of UCAVs

可見，隨著編隊內無人機數量的增加，作戰效能并非成比例增加。攔截率、攔截距離均出現先增加，后基本保持不變的趨勢；無人機損失率出現先減小，后基本保持不變的趨勢。

通過分析可知，編隊中飛機數量在4 架時基本覆蓋了整個任務區域，因此，再增加編隊內飛機數量帶來的效能值提升有限。

3.2.3 情形三：預警型無人機與攻擊型無人機混合編隊攔截仿真與分析

設置預警型無人機與攻擊型無人機混合編隊攔截情形：編隊內包含1架預警型無人機，其余為攻擊型無人機，行動邏輯與情形一類似。預警型無人機無對空攻擊能力，對藍方目標的探測距離為300 km。

分析不同編隊情況下加入預警型無人機后對多無人機協同作戰效能的影響，如表5所示。

表5 預警型無人機加入編隊后對效能影響Tab.5 Effect of early-warning UAV on combat effectiveness after being incorporated into formation

可見，預警型無人機加入攻擊型無人機編隊后，與出動同等數量的攻擊型無人機組成單一機型的無人機編隊對比，攔截率和攔截距離2 項效能指標均有所提高。經分析，“預警型無人機+攻擊型無人機”的編隊形式，盡管攜帶的導彈總數減少了，但預警型無人機的加入使探測識別距離得到顯著提升，增加了OODA 環第1 個環節的能力，使得任務效能仍能得到提升，在本場景設定下，攔截率和攔截距離均提升了10%～20%。

綜上，多無人機協同制空作戰編隊中，無人機探測距離、數量、編隊編組形式等不同作戰運用方式對任務效能有顯著影響，但影響模式存在差異性：采用同構編組形式時，攻擊型無人機探測距離的增加、編隊內無人機數量的增加，均能提升多無人機編隊協同制空任務效能，但受導彈性能限制或任務區面積限制而存在飽和值；此外，在攻擊型無人機編隊中加入預警型無人機，盡管降低了空空導彈數量，但探測感知距離的大幅提升使得編隊整體受益，可使編隊達到更高的任務效能。

4 結論

本文對多無人機協同制空作戰任務和過程進行了分析，在此基礎上構建效能評估指標，基于ABMS方法構建仿真任務場景進行研究，分析了典型制空任務場景下無人機探測距離、無人機數量以及編隊組成形式對多無人機協同制空的效能的具體影響。結論可為無人機總體設計方案和多機編隊作戰使用策略提供參考。