無人機蜂群對海作戰威脅分析

黃 勇,王 越,李元鋒,張 棗

(中國人民解放軍31002部隊,北京 100089)

隨著信息化、智能化、無人化技術的迅猛發展,世界各國在陸、海、空、天等各領域大力強化無人作戰體系建設,新型無人作戰平臺和無人作戰樣式不斷涌現。近年來,作為美軍分布式作戰典型代表的無人機蜂群作戰更是引起世界廣泛關注,成為無人機作戰發展的重要方向。無人機蜂群作戰是指具備一定自主能力的小型無人機,依據作戰任務自行編組,形成作戰集群,分布式協同對敵實施偵察或發起攻擊的一種作戰方法。該戰法是一種看似隨機,實則有序的協同作戰方法,其核心是以小以量取勝、分布協同取勝,首要攻擊目標為大型水面艦船,已成為突擊大型水面艦船的新型“殺手锏”,一是因為該類目標體積大、價值高、機動性差,是合適的“靶目標”;二是因為艦載防空系統主要是針對各類反艦導彈和飛機,應對“低慢小”目標能力有限。

美海軍早在2012年便探討了無人機蜂群在未來對海作戰中的可行性,并以多架無人機對一艘“宙斯盾”導彈驅逐艦攻擊為例,實驗驗證了該戰法[1]。目前,美軍正大力推進以“小精靈”項目、進攻性蜂群使能戰術項目、“山鶉”項目等為代表的蜂群作戰關鍵技術研究和戰法論證工作,以期加快推動蜂群作戰的實戰化運用[2]。國內對蜂群作戰的研究起步較晚,但進展迅速,工程實踐和理論研究均取得了相關成果。工程實踐方面,相關單位成功進行了不同規模無人機集群飛行的演示驗證[3];理論研究方面,現有文獻側重在對蜂群作戰的概念研究、特點分析和態勢感知、任務規劃、協同控制等關鍵技術的研究[4],但少有針對蜂群作戰的仿真實驗和分析。本文在分析“宙斯盾”導彈驅逐艦防空作戰流程的基礎上,選取無人機蜂群對海作戰威脅關鍵影響因素,設計仿真實驗流程,構建仿真系統原型,實現無人機蜂群對海作戰的威脅分析,以便指揮員據此快速反應形成應對舉措。

1 威脅影響因素選取

本文以“宙斯盾”導彈驅逐艦為例,其防空作戰流程如圖1所示[5],該圖描述了各系統與作戰活動的關系,以及系統間的信息流向。對空探測系統負責空中目標搜索、跟蹤、類型識別和敵我識別,并將目標識別信息傳遞給指揮決策系統和警戒系統,將目標跟蹤數據傳遞給指揮決策系統和武器控制系統。指揮決策系統負責確定敵目標數量、優先級,定下交戰決心,創建驅逐艦周圍環境作戰態勢,并將作戰態勢傳遞給顯示系統。作戰人員與顯示系統進行交互,并將指令通過顯示系統傳遞給指揮決策系統,若指揮決策系統收到的指令中包含交戰命令,則將交戰命令、目標優先級傳遞給武器控制系統。武器控制系統根據收到的交戰命令、目標優先級進行計劃交戰和評估交戰,并將計劃交戰形成的目標分配和瞬時交戰時機兩類信息連同跟蹤數據傳遞給交戰系統,交戰系統傳回交戰意圖后負責對目標進行打擊。警戒系統負責將目標擊中驅逐艦或在驅逐艦周圍爆炸的概率降至最低。

圖1 “宙斯盾”導彈驅逐艦防空作戰流程

圖2 仿真實驗流程

從上述防空作戰流程可以看出,無人機蜂群對艦船形成的威脅程度主要取決于艦船能否在最短的時間探測到無人機,并對其穩定跟蹤,繼而對其開火實施有效殺傷。因艦船同時穩定跟蹤或開火攔截的無人機數量有限,故無人機蜂群規模是艦船所受威脅的一個重要影響因素。同時,圍繞艦船對無人機探測跟蹤和有效殺傷的能力作進一步分解,可得無人機屬性(包括雷達散射截面積、速度、光學特性、電子特性)、艦載對空探測傳感器屬性、艦載防空武器屬性、海上可見性、海況等關鍵影響因素[6]。若艦船航行于狹窄海峽,艦船易遭受來自陸基發射平臺的蜂群攻擊且機動范圍受限,故將艦船離岸距離亦視為關鍵影響因素。

2 仿真實驗流程設計

無人機蜂群對海作戰的仿真實驗流程如圖2所示[7]。從左側開始,從輸入數據庫中讀取將要生成的無人機數量、無人機與“宙斯盾”艦的初始距離。每次仿真運行依據探測概率Pd確定每架無人機是否被探測到,以及被探測到的時間。Pd取決于傳感器屬性、無人機與“宙斯盾”艦實時距離、海上可見性。無人機群進入“宙斯盾”艦Mk45艦炮、Mk15密集陣、Mk38機關炮三類艦載武器的交戰區(WEZ)范圍內,每類武器便會在合適的開火時機持續對無人機開火,在火力重疊區,上述三類武器均可開火。仿真根據各類武器的殺傷概率PK確定每架無人機是否被擊落,以及被擊落的時間。PK取決于武器屬性、無人機與“宙斯盾”艦距離、海況。若所有無人機被摧毀,或某架無人機到達“宙斯盾”艦,一次仿真結束。每次仿真結束,將在輸出文件中記錄結束條件,進入下一次運行。

3 仿真實驗關鍵數學模型

3.1 雷達搜索與跟蹤模型

對應圖1中對空探測系統的目標搜索和跟蹤功能,分別建立雷達的搜索模型和跟蹤模型[8]。搜索模型見式(1),跟蹤模型見式(2)～式(6)。

Sm=Sr+Damtanασ

(1)

式中,Sm為搜索雷達給出的目標位置;Sr為目標真實位置;Dam為目標與搜索雷達的距離;α為雷達搜索精度;σ為[-1, 1]之間服從正態分布的隨機數。

雷達發現目標后,若滿足以下條件,則滿足雷達跟蹤條件:

Dsmin

(2)

θsmin<θ<θsmax

(3)

|ψ|<ψsmax

(4)

(5)

(6)

3.2 火力命中概率模型

以艦載“密集陣”系統為代表,介紹艦載防空火力對無人機的命中概率模型,艦炮和機關炮的火力命中概率模型參照此模型?！懊芗嚒毕到y采用射擊過程中不斷修正的閉環火力控制模式,其彈丸在二維空間遵循正態分布,彈丸分布中心距目標中心的偏移δ為[9]

δ=(ε2+ζ2+γ2)1/2

(7)

式中,ε、ζ、γ分別為“密集陣”系統的跟蹤精度、火力系統精度、火控系統精度,各參數取值參見文獻[9]。則“密集陣”系統在火力遠界LY處的線量系統誤差RY、在火力近界LJ處的線量系統誤差RJ和平均線量系統誤差R分別為:

RY=LYtanδ

(8)

RJ=LJtanδ

(9)

R=(RY+RJ)/2

(10)

如圖3所示,將小型無人機外形近似等效于兩個相交的長方體,長為L,寬和高均為2d。采用“矩形目標、圓形散布”的模式進行命中概率解算,如圖4所示,系統誤差在x軸、y軸上的分量為Rx、Ry,r為密集陣武器系統彈丸散布半徑,其值為

r=Dtanη

(11)

式中,D為“密集陣”系統與目標的距離;η為“密集陣”系統的散布精度,取值1 mil。

圖3 小型無人機外形等效圖

圖4 命中概率解算模式圖

對小型無人機目標射擊的單發命中概率P(x,y)為

(12)

3.3 武器系統最佳開火時機

繼續以“密集陣”系統為例,說明武器系統開火時機。“密集陣”系統在蜂群無人機來襲過程中的攔截時間TL為

(13)

式中,LY和LJ分別為“密集陣”系統火力遠界和近界,V無人機為無人機平均速度。

假設“密集陣”系統的最大連續開火時間為TLmax,則其最佳開火距離為

Lk=LJ+V無人機·TLmax

(14)

當無人機相對于“密集陣”系統的距離D≤Lk時,“密集陣”系統具備最佳開火條件。由式(14)可知,最佳開火距離Lk與無人機平均速度V無人機有關,V無人機越大,Lk越大,故可能存在Lk>LY的情況。因此“密集陣”系統的最佳開火距離應為

Lkopt=min(Lk,LY)

(15)

4 原型系統設計

自上而下分解功能需求,系統主要包括無人機蜂群攻擊建模和無人機蜂群威脅評估(GUI)兩大模塊,系統活動模型[10]如圖5所示。無人機蜂群攻擊建模包括離散事件建模仿真和結果統計分析,故需要離散建模軟件和統計分析工具,輸出為響應方程,并通過無人機蜂群威脅評估最終產生不同類型輸出。無人機蜂群攻擊建模、威脅評估活動模型分別如圖6、圖7所示。

圖5 系統IDEF0

圖6 無人機蜂群攻擊建模IDEF0

圖7 無人機蜂群威脅評估IDEF0

5 實驗分析

圖8 仿真運行態勢

仿真原型系統某時刻運行態勢如圖8所示。假設一定規模的蜂群無人機,按設定的航跡(坐標——高程——速度)從不同方向對“宙斯盾”艦發起自殺式攻擊,“宙斯盾”艦利用艦炮、密集陣和機關炮等近防武器系統對其進行攔截。分析某一威脅因素對無人機攔截率的影響時,其他因素均一定。首先分析無人機數量和平均速度對攔截率的影響。分別設定蜂群無人機規模為20架、30架和40架,各仿真500次,統計無人機不同速度下“宙斯盾”艦的平均攔截率,結果如圖9所示?？梢?“宙斯盾”艦平均攔截率隨無人機蜂群平均飛行速度的增加而減小,且平均速度越大,平均攔截率降低得越快;且平均攔截率隨無人機規模的增大而降低。同理分析其他因素對“宙斯盾”艦攔截無人機數量的影響。綜合各因素的影響,標準化效應的帕累托圖[11]如圖10所示,X軸為標準化效應的絕對值,并包含了一條Pareto值為1.97的參考線,對應95%的置信水平;Y軸反映了不同影響因素對“宙斯盾”艦攔截無人機數量的影響,可見蜂群無人機數量、無人機速度和艦船離岸距離是無人機蜂群形成對艦艇威脅的主要因素。圖11所示的態勢是綜合考慮上述各因素并以熱力圖的形式反映了某時刻無人機蜂群對海作戰的威脅,此刻越靠近黃色高亮區域的艦船受到的無人機蜂群威脅越大,越往外圍的藍色區域所受威脅越小。

圖9 無人機蜂群規模和平均速度對攔截率的影響

圖10 “宙斯盾”艦攔截無人機影響因素的標準化效應Pareto圖

6 結束語

本文開展了無人機蜂群對海作戰的威脅影響分析?；谝浴爸嫠苟堋迸灋榇淼乃媾炌Х揽兆鲬鹆鞒?分解細化出無人機蜂群對海作戰的威脅影響因素,并通過設計仿真實驗流程、構建仿真原型系統,實驗分析了各威脅因素對水面艦艇攔截無人機蜂群效果的影響。結果表明:無人機數量、無人機速度和艦艇離岸距離是無人機蜂群對海作戰的主要威脅因素。