无人机集群对地作战任务可靠性评估.pdf
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1、第 卷第期 年月系统工程与电子技术 文章编号:()网址:收稿日期:;修回日期:;网络优先出版日期:。网络优先出版地址:基金项目:技术基础项目()资助课题通讯作者引用格式:齐小刚,周雨桐,刘立芳无人机集群对地作战任务可靠性评估系统工程与电子技术,():犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋:,():无人机集群对地作战任务可靠性评估齐小刚,周雨桐,刘立芳(西安电子科技大学数学与统计学院,陕西 西安 ;西安电子科技大学计算机科学与技术学院,陕西 西安 )摘要:针对无人机(,)集群执行对地攻击任务可靠性评估问题,考虑实际作战环境和任务规划,建立了一种适用于具体任务过程的可靠性评估方法。首先
2、,建立了集群作战的时态异构网络模型,用时态打击链模拟集群任务规划和协同作战过程。然后,基于连续时间马尔可夫链(,)建立了集群在威胁区域飞行的生存概率模型。进而,综合集群的作战能力和生存概率,提出了任务可靠性评估方法。最后,通过实例分析,验证了该模型的实用性和合理性。该模型考虑到各方面影响战果的因素,贴合实际,为集群任务可靠性评估和决策提供了参考。关键词:无人机集群;对地作战;任务可靠性;时态异构作战网络;马尔可夫生存概率中图分类号:文献标志码:犇犗犐:犈狏 犪 犾 狌 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳狋 犺 犲狉 犲 犾 犻 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔狅 犳犝犃犞狊 狑犪 狉犿犳 狅 狉犵 狉 狅 狌
3、 狀 犱犮 狅犿犫 犪 狋犿 犻 狊 狊 犻 狅 狀 狊 ,(犛 犮 犺 狅 狅 犾狅 犳犕犪 狋 犺 犲犿犪 狋 犻 犮 狊犪 狀犱犛 狋 犪 狋 犻 狊 狋 犻 犮 狊,犡犻 犱 犻 犪 狀犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,犡犻犪 狀 ,犆犺 犻 狀 犪;犛 犮 犺 狅 狅 犾狅 犳犆狅犿狆狌 狋 犲 狉犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀犱犜犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵狔,犡犻 犱 犻 犪 狀犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,犡犻犪 狀 ,犆犺 犻 狀 犪)犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:(),(),犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊:();引言无人机(,)执行对地作战任务具有成本低、效率高等
4、优势,在现代战场中应用越来越广泛。使用进行进攻作战、非常规作战、高价值目标打击成为发展的一个重要趋势。随着系统自主性、网络通信技术和群体智能理论的发展,以集群形式执行任务是未来的应用趋势。集群具有一定的冗余性和鲁棒性,即使部分坠毁,集群仍能完成任务。因此,相对于传统单体可靠性而言,集群面向任务的可靠性评估更具实际意义。近年来,有一种针对任务可靠性量化的应用,对集群 系统工程与电子技术第 卷系统进行任务可靠性预测并将其作为重要因素帮助指挥人员进行任务决策。作战指挥人员可以在任务开始前预测集群的任务可靠性,以保证任务成功率。目前,在集群任务可靠性方面已有很多研究。一部分基于传统可靠性分析方法进行推
5、广。文献 使用二元决策图和分阶段任务方法评估集群任务可靠性;文献考虑几个自治系统执行的任务,并提出一种通过扩展二元决策图技术来预测任务可靠性的方法;文献提出连续系统多级平衡的可靠性建模和估计。还有基于概率论方法、划分多级系统 、基于 建模与仿真系统建模 和连续时间马尔可夫链(,)等建模方法。此外,用复杂网络对集群进行建模是目前一种比较热门的方法。文献 建立了集群的多层次网络模型,根据网络的连通性和脆弱性评估群的任务可靠性;文献 用多态网络建模集群,提出考虑信息交换能力的任务可靠性评估方法;文献 用系统对集群进行建模,并基于重要性度量提出结构优化模型和数量优化模型。上述研究成果从各个角度对集群作
6、战系统进行建模和可靠性评估。然而,对于对地作战任务的集群任务可靠性评估尚没有一套成熟的方法。在集群执行对地作战任务过程中,其任务可靠性不仅受到集群自身能力的影响,还会受到作战环境和任务规划的影响。针对上述问题,本文面向集群对地作战过程,定义了时态打击链(,)来描述集群对敌方目标的攻击方式,建立了更贴合实际作战场景的集群任务可靠性评估方法,并且通过实例验证了该方法的合理性。犝犃犞集群时态异构作战网络模型 犜犗犆的概念 的信息时代作战模型 将作战体系抽象为由节点和连接节点的链路组成的集合。战场上的作战单元可以分为种类型:传感器节点()、决策节点()、火力节点()和目标节点()。对应于集群作战体系,
7、其作战单元也可以分为侦察、决策、打击和敌方目标种类型,各作战单元之间的作战关系抽象为链路,各链路类型的具体含义如表所示。表犝犃犞集群异构作战网络链路分类及含义犜 犪 犫 犾 犲犆 犾 犪 狊 狊 犻 犳 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犿犲 犪 狀 犻 狀 犵狅 犳犝犃犞狊 狑犪 狉犿犺 犲 狋 犲 狉 狅 犵 犲 狀 犲 狅 狌 狊犮 狅犿犫 犪 狋狀 犲 狋 狑狅 狉 犽犾 犻 狀 犽 狊链路类型含义侦察对目标实施侦察或情报搜集侦察之间进行情报信息共享侦察将探测的信息上传到决策决策通过信息交流进行信息共享决策向打击发送打击指令打击对目标实施打击行动根据现代作战循环理论,作战行动是一个包
8、括观察、调整、决策和行动的循环过程。其中,侦察节点检测敌方目标并将情报传输给决策节点,在数据融合和信息分析之后,决策节点做出决策并对打击节点下达攻击命令,然后打击节点响应命令并对敌方目标执行军事打击。考虑集群作战状态随时间不断变化,所以其作战网络应具有时态性。集群对敌方目标的攻击方式可以由来描述。一个基本的由一个目标节点,一个侦察节点,一个决策节点和一个打击节点组成,如图()所示。而考虑集群协同侦察和协同决策的功能,广义如图()所示。图不同类型的 犝犃犞群时态异构作战网络集群作战系统可以建模为异构作战网络:犌(犞,犈)。其中,犞表示节点集,节点集合:犞犞犞犞犞,犞,犞,犞分别表示侦察节点集、决
9、策节点集和打击节点集,犞表示目标节点集。犈表示节点之间的链路集,犈犈犈 犈犈犈 犈,各链路类型的具体含义如表所示。集群作战过程中,集群根据任务规划与敌方目标形成相应的,这些相互交织,形成一个时态作战网络(,)。中两节点之间的联通状态可以由连接函数表示:犪(犻,犼,狋),节点犻和节点犼在狋时间连接,烅烄烆其他()犝犃犞生存概率模型能够执行任务的前提,是在任务结束之前存活。而在执行任务的过程中可能面临障碍物碰撞和敌方火力打击等多方威胁。有效的航路规划能帮助规避一定的风险,本文认为航路规划理论上为选择了避开障碍物且满足时间限制的航路。本文主要考虑敌方防空系统(如高炮和地空导弹等)对的威胁。第期齐小刚
10、等:无人机集群对地作战任务可靠性评估 基于犆犜犕犆的犝犃犞生存概率模型对敌方防空系统的威胁评估是对敌方意图和能力的分析。而敌人的能力和意图具有不确定性,可以认为的生存状态是一个随机过程。因为在敌方防空区域飞行的状态只与现在的状态和敌方威胁有关,与之前的状态无关,所以可以基于建立生存概率模型。相比于单架飞机而言,集群中的单体具有特殊性。集群在执行任务时需要保持通信和一定的队形,因此可以把集群看作一个整体。其中,每个单体在执行任务的过程中可能处于种状态:未被探测、被探测、被跟踪、被打击和坠毁。将在敌方威胁区域飞行的状态看作是处于这种状态下的随机过程,如图所示。图状态转移图 这些状态之间可能的转换取
11、决于在威胁区域的内部还是外部。当进入敌方一个雷达探测区域时,将先被探测。一段时间后,雷达就能够对其进行稳定跟踪,做好发射武器的准备。当离开雷达探测区域后,雷达就失去了对其进行探测,但是因为雷达组网系统具有记忆性,所以在一段时间内雷达仍可以预测其运动,经过更长的时间,就被完全遗忘了。当进入敌方打击区域,在敌方雷达对稳定跟踪的前提下,敌方武器系统可以启动对的打击。当飞离打击区域时,敌方打击立即停止。在狋时刻从状态犻到状态犼的转移速率用强度犻 犼(狋)来描述。当在狋时刻状态犻到状态犼的转移不可能发生时,犻 犼(狋)。马尔可夫模型与泊松过程密切相关,其强度可以解释为转移前的预期逗留时间的倒数。于是转移
12、率矩阵犙(狋)()元素可以表示为犙犻 犼(狋)犻 犼(狋)犻 犼(狋),犻犼犽犻犻 犽(狋),犻烅烄烆犼()式中:犻 犼(狋)为在狋时刻从状态犻到状态犼转移的预期逗留时间。状态转移前预期逗留时间的计算集群的数量会影响敌方威胁区域对单体的威胁程度。一方面,集群的数量越多,整体目标越大,单体被敌方发现的概率就越大;另一方面,集群数量越多,敌方应对单体的火力被分散,则单体被打击的概率就会下降。下面分别讨论在敌方雷达区域和打击区域内,状态转移前的预期逗留时间。雷达探测区域集群进入雷达探测区域后,雷达以一定的速度对覆盖区域进行扫描,每隔狋 将覆盖区域扫描一周,每次扫描有一定的概率扫描到目标。雷达发现目标
13、后,经过一段时间 可以形成稳定追踪。雷达对目标的瞬时探测概率采用单元平均恒虚警处理模型计算,雷达对目标的瞬时探测概率,由目标的雷达散射截面(,)和目标与雷达之间的距离决定。其对为,距离为犚的目标探测信噪比为犛,则其对为,距离为犚的目标探测信噪比犛为犛犚犚犛()雷达对目标的探测概率为犘犱(犖)犖()犖(犘犖)()式中:为恒虚警处理常数;犖为参考单元个数;犘 为虚警概率;为信噪比。雷达探测到集群的时间服从离散分布:犘(犜犻 狋)犻犼(犘狋犼 狋犱)犘狋犻 狋犱在同一雷达探测区域,集群与雷达的距离取集群在该雷达范围内的平均距离。则发现探测到集群时间的分布可以简化为几何分布,且预计探测时间:(犜)狋
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