无人机集群协同作战分析

超级设想之无人机集群协同作战 03022014513 郑兴港 摘要：在未来信息化战场上，无人机将会被越来越广泛地用于执行各种杀伤性的作战任务，在高度信息化的战场前景下，无人机作战模式也将出现转变，由单机自主的作战模式转变为机群对机群和机群对地面/水面目标攻击的作战模式。 无人机集群协同作战需要重点解决的关键问题包括大规模无人机管理与控制、多无人机自主编队飞行、集群感知与态势共享、集群突防与攻击、集群作战任务控制站等。 无人机集群形成规模优势，具有极佳的战场生存能力和任务完成能力，可以用来完成在复杂对抗环境下的协同搜索、协同干扰、协同攻击、协同察/打、集群对抗等任务。 关键词:无人机；作战用途；战术运用；多无人机协同作战；无人机集群作战。 一、无人机集群协同作战的需求及要求 随着科技的发展，近一二十年来大量新型武器系统相继装备各国部队，对过去和现行的战术及战术体系产生了巨大的冲击。同时随着计算机、人工智能、自动驾驶和信号处理等高新技术的发展以及各种新设备的成功研制，在当今信息化作战条件下，无人机作为一种新型多用途武器装备，它能完成侦察监视、接力通信、对地对海攻击、空战、火炮校射、电子对抗、飞行训练、科学实验等多种任务，在现代体系对抗战争中的作用越来越突出。 在未来信息化战场上，无人机将会被越来越广泛地用于执行各种杀伤性的作战任务，在高度信息化的战场前景下，无人机作战模式也将出现转变，由单机自主的作战模式转变为机群对机群和机群对地面/水面目标攻击的作战模式。多无人机协同作战势必要求友机之间通过信息数据链的共享，进行统一决策，协调分工。由此，对无人机战斗群也提出了新的要求：一方面要加强其自主性，能够自主处理各种敏感信息，对当前和未来战术任务做出规划和预测，遵循感知、评价、预测这样的认知决策过程。在具备条件时，实施攻击；不具备条件时进行规避，以达到最大的作战性能。另一方面，在无人机群内，友机间的协同作战要保证多目标决策的最优化。不能仅对来自友军和敌军的信息进行融合，自行提取有效信息，评估态势，分析决策，自主攻防；而且机群间能快速进行数据交换。使得无人机群成为一个战斗系统，相互配合互相协调，达到最小的损失实现效用最大化。 二、无人机集群协同作战的发展 美国国防部高级研究计划局（DARPA）在2000年启动了无人机集群空中战役研究计划，在其研究借鉴蚂蚁的信息素交互行为，支持无人机等侦察设备在战场中发现敌机目标后，通过释放“数字信息素”引导攻击飞机对目标进行攻击。 2002年，美军联合部队司令部（JFCOM）“阿尔法计划”实验室对无人机“集群作战”的效能进行了研究，结果初步表明无人机集群作战具有较高的效能优势。在模拟实验中，装有传感器和武器的100架无人机集群与当前的一个现有的可部署单位进行了比较。无人机群摧毁了63个目标并探测到91%的模拟敌军部队，而基本的作战单位只歼灭了11个目标并探测了不到33%的敌军部队。 2002年，美国空军研究实验室（AFRL）的BruceT.Clough等通过研究表明：采用多无人机集群作战适合一些简单反应性作战任务，包括区域搜索和攻击、侦察和压制、心理战和战术牵制等。 2005年，AFRL针对无人机如何有效地融入有人作战空域，提出了协同空域作战的概念，其目的是实现无人机和有人机“同一基地、同一时间、同一节奏”的综合空域集成。 2006年10月，英国奎奈蒂克公司于成功地进行了一种新型的无人机控制和管理系统验证试验，该系统可控制和自主组织多架无人机协同执行作战任务。（时间再往后的资料就查不到了） 三、无人机集群协同作战的关键技术问题 无人机集群协同作战需要重点解决的关键问题包括大规模无人机管理与控制、多无人机自主编队飞行、集群感知与态势共享、集群突防与攻击、集群作战任务控制站等。下面只介绍部分我能够理解的： （一）大规模无人机管理与控制 复杂战场环境下，无人机集群执行作战任务时，通常出动架数要比目前使用的多得多。譬如，现在美军“捕食者”无人机通常一次出动由3~4架无人机组成编队，由一个起降站和一个任务控制站指挥控制。而集群作战时，通常无人机的数量将达到8架以上，美军“阿尔法计划”仿真演示中使用了100架无人机，如此规模庞大的无人机数量对空域使用提出了更高的要求，必须综合考虑任务和空间的要求，确定合理的作战空域，避免与其他有人机或者无人机等空中目标发生碰撞。目前，美国计划将民航领域采用的空中告警与防撞系统引入无人机系统，实现远距离避碰。另外，无人机的自主能力可能是由操作员遥控的，也可能是半自主的，将来还可能是具有较高自主能力，需要操作员的介入程度、时机和频率各不相同。较低自主能力的无人机组成集群，需要操作员或者辅助系统管理与控制的事情较多，反之则较少。需要引入多智能体技术，基于智能体完成对无人机的辅助管理与控制。 因此，大规模无人机管理与控制技术需要解决基于智能体的无人机集群管理与控制体系结构、作战空域态势评估、集群空域使用规划与调度、集群空域冲突检测与消解、以及人有限干预下的无人机集群管理与控制等技术。 （二）多无人机自主编队飞行 无人机集群作战必须具有多无人机自主编队能力。一是要是实现无人机编队控制；二是要实现集群感知与规避。编队控制是无人机集群执行任务的基础和最基本形式。编队控制是指无人机集群在执行任务过程中，如何形成并保持一定的几何构型，以适应平台性能、战场环境、战术任务等要求的控制技术。主要解决两个问题：一是编队构成/重构，包括飞行前编队生成问题，遇到障碍时编队的拆分、重建等问题，增加或减少无人机时的编队重构问题等；二是编队保持，包括飞行中编队保持问题，在不同几何形态间的编队切换问题，保持几何形态不变条件下的编队收缩、扩张、旋转控制问题等。无人机集群编队控制方法主要有领航-跟随法、虚拟领航法和行为控制法。 （三）集群感知与态势共享 集群感知与信息共享是无人机集群控制与决策的依据。基于无人机机载传感器，实现集群战场态势感知，能够获得更广的观测范围、更高的定位精度。基于机间链，实现态势信息共享，形成统一的通用作战视图，为集群作战奠定基础。相关技术主要包括协同目标探测、协同目标状态融合估计、协同态势理解与共享等。 （四）集群突防与攻击 集群突防与攻击是实现无人机集群作战的核心能力。无人机之所以构成集群协同作战，就是要面对高对抗的战场环境，提高系统的整体生存能力，在可能损失部分无人机的条件下，确保任务的完成率。在面临来自地面防空系统和空中敌方战机的高威胁环境中，集群必须首先能够突破敌方的严密防空圈，到达任务区域，然后对目标发起协同攻击，确保摧毁敌方重要目标，实现既定的作战目标。 无人机集群在威胁环境遂行作战任务，需要进行集群任务分配与任务规划。首先针对不同任务目标，指派最适合的无人机去完成，完成多机多目标的任务分配。针对预知的威胁，制定高效合理的集群突防策略。通过分析集群任务过程及任务特点，建立突防与攻击的任务规划数学模型，研究相应的规划算法，从而生成高效合理的任务计划，使得无人机集群执行不同任务的生存概率和作战效能达到最佳。在对抗、不确定以及时间敏感的环境中，随时可能出现突发情况，包括突发任务、突发威胁、平台可能出现毁损等，需要实时评估集群的任务能力，进行任务重新分配和重规划，使无人机集群能够快速响应外界环境的变化，提高战术使用灵活性。 这里必须说明无人机安装目标搜索和火力打击系统后，即可用于执行攻击任务。使用无人机进行火力打击有两种:一是携带导弹、炸弹或鱼雷的可重复使用的无人机，美国早在20世纪60—70年代就曾在火蜂无人机上携带过激光制导炸弹和小牛导弹，其目的在于用无人机替代进攻性飞机执行危险性大的对地攻击任务。二是在无人机上直接安装寻的系统和战斗部，在探测目标参数后实施高精度“自杀式”攻击，如德国生产的“蝗虫”反坦克无人机，装有被动制导炸弹，出动一次可摧毁一个坦克连。无人机用于压制敌雷达，也明显优于反辐射导弹，具有射程远、可控性强的特点。如遇敌方雷达关机或规避时，反辐射导弹仅能凭“记忆”信号进行概略攻击，往往不能将目标摧毁。而反辐射无人机可在敌雷达关机后重新拉起并再次进入搜索状态，继续盘旋伺机攻击，在较长一段时间内对敌雷达保持压力，可以弥补反辐射导弹的不足。2001年10月18日，美国对阿富汗的空袭中，首次使用“捕食者”无人机发射“海尔法”反坦克导弹攻击阿富汗地面目标，开创了用加载武器的无人攻击机执行对地攻击任务的先河。 （五）集群作战任务控制站 以美国为例，现有地面控制站，每个操作员只能实时控制单架无人机，“人机比＝1”，同时，控制不同种类的无人机能力有限，可能需要每架无人机每天花费数个小时来转换于发射地、回收地和任务区域。为解决此问题，美国通用原子公司开发了地面站多机控制系统（MAC），“人机比＝1:4<1”，已经完成了单个飞行员同时控制4架“捕食者”无人机的飞行试验。MAC配备了2个飞行操作员席位和4个传感器操作员席位。正常情况下，由1名飞行操作员实现对4架无人机的控制，另一名飞行操作员能够在任何一架无人机遇到紧急情况下接过控制权。每名传感器操作员负责对一架无人机的传感器进行操作。该系统将应用到捕食者B无人机的地面控制站中。 人机集群作战而言，无人机数量更多，必须研制新的集群作战任务控制站“人机比<<1”。随着技术的发展，一名操作员将可以操纵多架多任务无人机实施“更加集中、更加持续、更具规模”的集群打击。到2047年，技术的进步将使完成“观察－判断－决策－行动”。 四、无人机集群协同作战应用 无人机集群形成规模优势，具有极佳的战场生存能力和任务完成能力，可以用来完成在复杂对抗环境下的协同搜索、协同干扰、协同攻击、协同察/打、集群对抗等任务。 （一）协同搜索 在无人机执行任务过程中，搜索并且发现任务区域内的目标，进行目标指示与定位、动态目标跟踪是后续等一系列作战活动的基础和前提。然而，在复杂的战场条件下，由于作战任务区域的环境复杂性、目标的不确定性、传感器设备的不确定性和任务的时间紧迫性等因素，使得目标搜索问题十分复杂。配置多型传感器的无人机集群承担此类任务，可以充分发挥各自传感器的优势，如可见光和红外、可见光和雷达等传感器相互配合，完成遮挡条件下目标的检测与定位，并且通过任务分工，提高区域覆盖范围，保证时敏目标的侦察窗口，另外，多机航线与传感器协调配合，实现对动态目标的实时跟踪。 （二）协同干扰 一架无人机只能干扰对方雷达覆盖区的一部分，多架无人机通过协同各自的航线和干扰信号，可以干扰到对方雷达的整个覆盖区，使其短时间内无法正常工作，从而为后续作战部队打开空中走廊。有人提出了无人机集群协同电子攻击的作战概念，主要包括协同航线规划和资源分配两个问题。 （三）协同攻击 无人机集群协同攻击是指多架攻击型无人机在某个时刻从多个攻击阵位、多个攻击角度对单个或多个目标进行火力齐射，既能提升目标的杀伤概率，又能增加攻击的突然性。攻击时间的选择可能需要某个无人机在特定的时间到达指定的目标，如一架无人机作为诱饵分散对手的感知系统，其他无人机同时到达目标点发起攻击。不确定战场环境中，目标和威胁的位置可能是不确定的。对于突发的威胁和任务目标，需要进行协同攻击的任务重分配和重规划。 （四）协同察/打 对察/打一体无人机组成的集群来说，其目标就是搜索并摧毁敌方时敏的、移动的地面目标，如敌方首脑所在、移动防空设施。无人机集群首先以协同方式在任务区域大范围搜索可疑目标，一旦发现目标，处于最佳位置和携带相应传感器的无人机立即协同定位目标，然后由处于最佳攻击位置和携带匹配武器的无人机对目标发起协同攻击。随后由某架无人机进行战场毁伤评估，确定是否发动二次打击。这种任务对于集群控制要求极高，要求实现“传感器-射手”的高度“一致性”。 （五）我认为在未来说不定还会出现无人机“蜂群”战术打击航母的例子，在这里我要设想一下： 1、隐身突防 充分利用无人机隐身突防，低空飞行，自主规避危险地形等优势，在一段时间内，使用大数量隐身无人机，在不同高度角度方向同时对航母舰队发起攻击，利用舰队弹药空白期以及在牺牲大量无人机前提下对航母舰队实施大杀伤性打击，使其失去对我军威胁。 2、声东击西 在对航母舰队发起打击的过程中，使用无人机欺骗敌方雷达，在一定时间段内将敌航母舰队的战斗机和防空火力吸引到另一方向或多个空间，这时再利用其他无人机或有人机或水面舰艇或潜艇或导弹等对敌旗舰进行打击。 五、结束语 无人机集群协同作战技术正处于快速发展阶段。随着战场环境的日益恶化，无人机自主能力的不断提高，无人机集群协同作战必将成为未来无人机系统应用的重要作战样式。本文回顾了国外无人机集群协同作战概念的发展，分析了无人机集群协同作战的几个关键技术问题，设想了无人机集群作战的应用。我国在无人机集群协同作战和自组织方法的研究方面要不断加强，同时要研究反无人机集群的作战方法，以在未来战场中取得对抗优势，实现集群协同作战效能最大化。 参考文献 [1]樊琼剑、王浩 无人机系统概论 2014 [2]郑金华 无人机战术运用初探 军事谊文出版社 2006 [3]牛轶峰 无人机集群作战概念及关键技术分析 2013 [4]胡延霖、王翌丞、于克振 信息化战争中无人机的作战用途及发展趋势分析 2010 [5]黄长强、翁兴伟、王勇、曹林平 多无人机协同作战技术 国防工业出版社 2012