无人机面向高价值目标的进攻与防御策略设计

Question

20XX年10月，蓝方为遏制红方发展，不断在 N 海海域发起挑衅。为破坏红方在 N 海的战略发展，蓝方海军企图以无人机袭击的方式对红方的H 岛进行袭扰式打击。为此，红方位于 H 岛中心的机动式预警雷达为蓝方主要打击目标（高价值目标）。红方用10架察打一体无人机和两艘防空无人艇保卫己方移动雷达站。当发现来袭无人机目标时， 10 架察打一体无人机可利用机载空空导弹、激光武器等对敌方无人机 “低慢小”进入的无人机蜂群进行毁伤，以机动追踪的方式扩大攻击窗口，从而确保己方移动雷达站的安全。每艘防空无人艇装载两枚防空导弹，可对自杀式无人机进行打击。攻防示意图如图1所示。

蓝方在H岛正南方向17公里处投放5架自杀式无人机，使用两阶段攻击策略对红方雷达进行打击。第一阶段，t=0s时，5架无人机被释放，以固定航向角向H岛方向抵进。第架无人机的初始航向角为度（正北为0度）。第二阶段，t=200s之后，所有无人机航向角转向雷达方向，直接向雷达发起自杀式攻击。
请建立数学模型，解决以下问题：
问题一 红方利用1架察打一体无人机（初始位置在雷达处），以对敌尽早发现，快速毁灭为目标形成巡逻防守策略，防止5架蓝方无人机对红方雷达形成有效打击。
（1）察打一体无人机和防空无人艇在对抗过程中会受到敌方的电子干扰，只能利用近距离光学探测发现目标（感知半径2.5公里），如何结合察打一体无人机的感知能力设计防守巡逻策略，使红方能够快速发现敌方自杀式无人机？
（2）通过对红蓝固定策略的多轮推演，结合历史数据，如何通过统计或智能学习的方法实现对蓝方进攻策略的预测，优化红方的防守策略。
这是本科毕设题目，请各位给点思路和解决办法。
所用编程语言为Python，有模拟仿真平台，为2022年海上无人平台立体跨域协同虚拟挑战赛所用平台。

Answer 1

军事模拟的情景，参考意见：

• 无人机蜂群战术是一种将较多数量的无人机形成集群，一次性投放后对目标发动攻击的战术。无人机蜂群的优势在于数量多、成本低、抗毁强、协同高，可以对敌方的防空系统形成饱和攻击，打破敌方的防御平衡。

• 红方用10架察打一体无人机和两艘防空无人艇保卫己方移动雷达站，可能不足以抵御蓝方的无人机蜂群攻击。因为无人机蜂群的数量可能远远超过红方的防空力量，而且无人机蜂群的机动性和隐身性也可能使红方的预警雷达难以及时发现和跟踪。红方的察打一体无人机和防空无人艇的火力和载弹量也可能不足以对付无人机蜂群的饱和攻击。

• 为了提高红方的防空能力，可能需要增加察打一体无人机和防空无人艇的数量，或者使用更先进的防空武器，如高能激光、电磁脉冲、微波等，或者使用更灵活的战术，如分散部署、隐蔽伪装、主动干扰等，或者使用更有效的指挥控制系统，如人工智能、大数据、云计算等，或者使用更多的合作力量，如地面防空、空中拦截、电子战等，或者使用更多的主动攻击手段，如反制无人机的发射平台、指挥控制节点、通信链路等。

或者：
无人机集群对抗是一种复杂的动态博弈过程，涉及到多个无人机之间的协作、竞争、决策和控制。为了建立数学模型，需要考虑以下几个方面：

• 无人机的运动模型，包括无人机的位置、速度、航向、加速度等状态变量，以及无人机的运动约束、控制输入、感知范围等参数。
• 无人机的攻防模型，包括无人机的攻击能力、防御能力、目标价值、威胁程度等指标，以及无人机的攻击策略、防御策略、目标分配、资源优化等问题。
• 无人机的协作模型，包括无人机之间的通信方式、信息共享、任务协调、行为规则等机制，以及无人机的协作效果、协作成本、协作稳定性等评价指标。
• 无人机的对抗模型，包括无人机之间的竞争关系、对抗目标、对抗策略、对抗结果等要素，以及无人机的对抗效能、对抗风险、对抗平衡等性质。

针对你的具体问题，我可以给你一些简单的思路：

问题一（1）察打一体无人机的防守巡逻策略，可以考虑利用无人机的机动性和感知能力，设计一种能够覆盖雷达周围区域的巡逻路线，同时能够及时调整巡逻方向和速度，以适应敌方无人机的进攻变化。一种可能的方法是，察打一体无人机以雷达为圆心，以一定的半径和角速度进行圆周运动，当感知到敌方无人机时，根据敌方无人机的位置、速度和航向，计算出最佳的拦截点和拦截时间，然后调整自己的航向和速度，向拦截点飞行，同时发射导弹或激光武器，进行打击。

问题一（2）对蓝方进攻策略的预测和优化，可以考虑利用历史数据，建立一种基于统计或智能学习的方法，对蓝方无人机的运动状态和攻击行为进行分析和建模，从而得到蓝方无人机的行为特征和规律，以及可能的攻击目标和时机。一种可能的方法是，利用蓝方无人机的位置、速度、航向等数据，构建一种隐马尔可夫模型（HMM），将蓝方无人机的运动过程划分为不同的状态，例如抵近、转向、攻击等，然后利用维特比算法（Viterbi algorithm），对蓝方无人机的当前状态和未来状态进行估计和预测，从而得到蓝方无人机的攻击意图和攻击

2023/2/15(1) 无人机群反舰作战动态目标弹药分配模型 - 百度学术. https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=1a0s0gp0j63d0vh0d16y0mt0kd728702&site=xueshu_se 访问时间 2023/2/15.
(2) Matlab仿真----无人机集群协同对抗仿真案例（2020数学建模D题）. https://blog.csdn.net/Luojia7/article/details/109987358 访问时间 2023/2/15.
(3) 无人机集群对抗技术新进展. https://www.sohu.com/a/139013671_650021 访问时间 2023/2/15.
(4) 无人机集群研究进展综述. https://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/2020S101.html 访问时间 2023/2/15.
(5) 无人机集群协同与对抗技术_百度文库. https://wenku.baidu.com/view/017a5fb8f51fb7360b4c2e3f5727a5e9846a275b.html 访问时间 2023/2/15.
(6) 2020年第十七届数模竞赛D题 无人机集群协同对抗 建模 .... https://blog.csdn.net/weixin_42462804/article/details/108627877 访问时间 2023/2/15.