旋翼無人機集群關鍵技術和作戰模式

孫強 姬樂強 石磊 段廣戰

集群智能作為一種顛覆性技術，已成為旋翼無人機領域的一個重要發展方向。本文介紹了旋翼無人機集群作戰概念，對當前無人機集群技術研究現狀進行了概述，并開展了旋翼無人機集群關鍵技術分析。最后對未來旋翼無人機集群作戰模式進行了研究。

旋翼無人機是指利用旋翼作為飛行和操縱力來源、由無線電地面遙控飛行或/和自主控制飛行的可垂直起降（VTOL）無人飛行器，在構造形式上屬于旋翼飛行器，包括無人直升機、多旋翼無人機等，在功能上屬于垂直起降飛行器。20世紀50～60年代，美國Gyrodyne公司設計研發了世界上第一種無人直升機-QH-50系列“雄蜂”無人直升機，并交付美國海軍執行反潛任務。90年代，在經歷過幾次伊拉克戰亂和幾次影響力巨大的地區沖突后，一些國家逐漸認識到旋翼無人機的重要性和多種可用用途。進入21世紀，隨著各國對旋翼無人機的重視程度的增加以及計算機技術、網絡技術在旋翼無人機上不斷的應用和開發，旋翼無人機關鍵技術水平不斷提高，自主飛行能力也進一步提高。面對未來高度對抗性、高度不確定性、高度動態性的作戰環境，旋翼無人機的作戰模式將逐步從單平臺作戰向多平臺“集群”作戰方向發展，從執行單一作戰任務向協同執行戰場偵察、電子干擾、火力打擊等多任務發展方向。本文首先對目前旋翼無人機集群的研究現狀做一概述，進而分析了旋翼無人機集群關鍵技術，最后對旋翼無人機集群作戰模式進行了探討。

旋翼無人機集群研究現狀

旋翼無人機集群作戰是指一組具備部分自主能力的旋翼無人機系統通過有人/無人操作裝置的輔助，在一名高級操作員監控下，多平臺協同完成作戰任務的過程。與單機作戰相比，旋翼無人機集群在作戰時具備功能分布化、體系生存率高等優勢。在對抗過程中，當部分個體失去作戰能力，整個集群仍可以繼續執行作戰任務。由于無人直升機單機成本較高，目前，針對旋翼無人機集群的研究主要使用微小型四旋翼無人機進行演示試驗和技術驗證。

自2000年美國國防部預研局（ DARPA）啟動了無人機集群空中戰役研究計劃后，美國國防部于2005年頒布了2005-2030《無人機系統路線圖》，規劃了多種不同類型的無人機發展計劃，對無人機自主飛行能力進行了等級劃分，并將無人機完全自主群體定為最高等級。無人機智能集群作為一種顛覆性技術和未來無人化作戰的突破口，受到了美國等軍事強國的關注。

2002年，美軍聯合部隊司令部（ JFCOM）“阿爾法計劃”實驗室對無人機“集群作戰”的效能進行了研究，結果初步表明無人機集群作戰具有較高的效能優勢。2008年，美國麻省理工學院的Jonathan How教授所領導的SWARMS健康管理項目，使多無人機系統具備在動態環境中執行預先制定任務的能力，并通過10架四旋翼無人機系統的300余次測試驗證了算法的有效性。美國賓夕法尼亞大學“格拉斯帕”（GRASP）實驗室成功讓16～20架小型四旋翼無人機在室內組成各種形狀的飛行編隊，具有協同飛行、軌跡規劃、規避障礙等能力。

2016年初，Intel公司在CES2016國際消費電子產品展上用100架四旋翼無人機進行了燈光秀表演，開啟了無人機集群在民用領域的應用。同年9月，大連萬達集團在重慶用101架無人機進行了音樂表演。同年11月，Intel公司使用500架四旋翼無人機進行了編隊表演燈光秀。

總的來看，對于旋翼無人機集群的研究，美國依然走在世界前列。當前研究多處于控制算法研究和仿真試驗階段。從數量來看，旋翼無人機集群數量記錄一直在不斷的刷新，但集群能力還相對較低，特別是民用領域，大多表演僅是在旋翼無人機數量上尋求突破，無人機集群僅是按各自預先規劃路徑進行單獨飛行，自主能力相對較低。

旋翼無人機集群作戰關鍵技術

未來無人機集群作戰需要解決的關鍵技術問題包括集群智能控制算法、集群通信網絡、態勢感知、編隊控制和一站多機測控等。

（1）集群智能控制算法

旋翼無人機集群在作戰過程中，必須要快速并準確的分布到各個作戰區域，進行有效的作戰編隊。集群中每個個體都具有一定自主能力，但其能力具有局限性，集群中每個個體必須相互配合協調才能完成較為復雜的作戰任務。旋翼無人機要實現相互間的協同就必須確定個體之間邏輯上和物理上的信息關系和控制關系，針對這些問題而進行的體系結構研究可以保證系統中信息流和控制流的暢通，為旋翼無人機之間的交互提供框架。因此，針對集群智能控制算法的研究是實現旋翼無人機集群作戰的關鍵。目前具有代表性的集群智能算法主要有蟻群算法（Ant Colony System，ACS）、粒子群算法（Particle SwarmOptimization，PSO）和人工蜂群算法（Artificial Bee ColonyAlgorithm，ABC）等。

（2）集群通信網絡技術

旋翼無人機集群在作戰過程中，對通信鏈路的要求十分嚴苛，旋翼無人機和地面站、旋翼無人機和旋翼無人機、編隊和編隊之間必須存在一定的信息交互，并降低通信延遲，保證信息交互的時效性。同時在作戰過程中，很大幾率會有旋翼無人機個體被擊落和其它個體加入編隊進行增援的情況，因此其通信網絡在滿足正常需求的條件下，應支持旋翼無人機集群完成編隊重構功能。當集群與地面之間的測控鏈路中斷之后，集群也要具備一定的自組織能力，以短暫維持集群的戰斗力。

針對旋翼無人機集群作戰對通信網絡技術的要求，國內外都在信息交互技術等方面進行了大量的研究，集群數據鏈自適應組網技術是實現無人機集群作戰的通信網絡關鍵技術之一。自適應組網技術可以將多條鏈路組成無人機集群數據鏈網絡，充分利用不同鏈路的優勢，實現空（無人機）一天（衛星）一地（地面站）之間的通信互聯，數據傳輸，網絡管理，適應動態變化的網絡拓撲結構等功能，從而支持無人機集群作戰。

（3）態勢感知技術

態勢感知是旋翼無人機集群作戰中能夠取得優勢的關鍵技術。旋翼無人機集群作戰過程中受到的威脅可以來自任意方向，在集群對抗戰斗中，友機與敵機相互纏繞，信息量大，態勢評估對比單機作戰情況復雜的多。這就需要旋翼無人機集群中每個個體利用對周圍環境和敵機的態勢感知信息和接收到的友機信息進行綜合分析，確定敵方態勢、己方態勢、自身飛行狀態、武器狀況等，通過分析感知數據幫助決策作戰指令。

目前相關技術包括協同目標探測、協同目標狀態融合估計，協同態勢理解與共享等。由于無人機集群作戰相較單機作戰信息量大且復雜，為了正確的進行正確的態勢評估，單純依靠某一種方法是不可能實現的，必須選取多種態勢估計方法，已達到方法上的最佳組合。

（4）編隊控制技術

集群作戰過程中，旋翼無人機起飛后首先要在空中集結編隊，然后飛往任務區執行作戰任務;作戰過程中可能遭到攻擊造成部分旋翼無人機的脫離編隊;或者根據作戰任務需要對旋翼無人機進行分組執行作戰任務。因此，旋翼無人機集群需要具備編隊構成、保持和重構等能力。

無人機集群編隊控制問題主要采用分布式編隊控制方式解決。分布式編隊是控制人員將信息發送給集群中部分無人機，無人機能選擇與其它無人機進行通信，以實現集群編隊控制。分布式編隊控制可以實現大規模編隊時降低無人機系統的通信代價，且當任意編隊成員出現問題或故障時，仍能保證編隊控制系統的正常運行，極大地增強了整個系統的魯棒性。目前無人機集群編隊控制方法主要有Leader-Follower、虛擬領航法和行為控制法。

（5）一站多機測控技術

隨著旋翼無人機集群的個體數量增加，對旋翼無人機系統測控技術也提出了新的挑戰。旋翼無人機現有地面測控站大多屬于“一站一機”，部分地面測控站具備控制3、4架旋翼無人機的能力。對于集群作戰來說，旋翼無人機的數量更多，且不同個體之間攜帶任務載荷也會有所差別。因此針對未來旋翼無人機集群作戰需要研發新的地面測控站，以實現旋翼無人機集群控制。

旋翼無人機集群作戰探討

根據旋翼無人機平臺大小、任務載荷和作戰環境的不同，旋翼無人機集群可以組織執行不同類型的作戰任務，包括旋翼無人機集群協同偵察打擊，有人/無人機混編集群作戰，旋翼無人機集群對抗等。

（1）旋翼無人機集群協同偵察打擊

該種作戰模式下，旋翼無人機集群可由偵察型旋翼無人機、武裝型旋翼無人機和電子干擾型旋翼無人機組成。假設對目標區域A進行偵察打擊，旋翼無人機起飛后先在空中按任務類型進行集結編隊，然后向區域A方向飛行。抵近后，由干擾編隊進行協同干擾，造成區域A雷達系統短暫癱瘓;由偵察和打擊編隊快速對區域A雷達系統關鍵部位進行偵察定位并集中火力打擊，造成區域A雷達偵察系統徹底癱瘓;然后以小部分偵察型、武裝型和干擾型組合的模式對整個集群進行重新編隊，對區域A進行分散打擊;結束作戰任務后編隊返航。

執行偵察打擊任務時，偵察型旋翼無人機可配置多型傳感器，如可見光、紅外、雷達等傳感器相互配合，實現目標區域復雜條件下的協同搜索偵察。武裝型旋翼無人機可攜帶不同類型的武器裝備，如空對地導彈、榴彈、破甲彈、燃燒彈、機炮等，實現對目標區域不同攻擊對象的有效打擊。干擾型旋翼無人機可采用小型旋翼無人機實現協同干擾，這樣可有效降低自身雷達偵察面積，提高自身安全性和對目標區域的干擾面積。

（2）有人/無人機混編集群作戰

有人/無人機協同近年來也是各軍事強國的研究重點，通過有人直升機對旋翼無人機直接進行飛行和任務載荷控制，可以實施聯合目標識別與確認、快速打擊和戰場動態評估等任務。如察打一體無人直升機與武裝直升機混合編隊作戰，一架有人武裝直升機配多架察打一體無人直升機，察打一體無人直升機布置在編隊前沿。武裝直升機作為指揮機，匯集由無人直升機獲得的戰場態勢，通過指令控制無人機發動攻擊任務，由無人直升機對敵方目標進行火力攻擊。察打一體無人直升作為先遣機為武裝直升機進行出航引導，不僅降低了武裝直升機敵方威脅，也使武裝直升機起到先敵發現、先敵攻擊的能力，大大提高了混合編隊的作戰效能。

2011年9月，美國陸軍在猶他州達格威（ Dugway）靶場進行了有人/無人系統協同作戰演習，演習結果表明各系統協同作戰可大幅提升陸軍作戰能力。未來，隨著飛行控制技術、測控技術的發展，有人/旋翼無人機協同作戰必然演變為有人/旋翼無人機混編集群作戰，也最大限度發揮集群作戰和有人/旋翼無人機協同作戰的優勢。

（3）無人機集群對抗

無人機集群作戰帶來了巨大的規模優勢，集群技術必將在軍事領域扮演重要角色，那么對于無人機集群的對抗也成為一個重要的研究課題。美國海軍研究生院（Naval Postgraduate School）蒂莫西H.鐘（Timothy H.Chung）認為，未來戰爭中唯一能對付集群無人機的將是另一群無人機。因此，采用怎樣的編隊方式與敵軍旋翼無人機集群對抗，對抗中如何有效“打散”敵方集群編隊并保持己方優勢將是旋翼無人機集群對抗作戰中的重要研究方向。如羅德林等提出，大規模無人機的集群對抗可借鑒多agent系統的工作形式，多agent技術具有的自組織能力、學習能力和推理能力，為無人機集群間的對抗控制與決策提供了有效途徑。

結束語

旋翼無人機作為未來“無人化”作戰的利器，已經引起各國重視。未來戰爭中，必然是陸、海、空、天、電五維一體化作戰，旋翼無人機集群作戰必然會和地面、海上等作戰單元協同作戰。旋翼無人機集群作戰必將成為未來戰場上取得戰爭優勢的一大關鍵。通過本文對旋翼無人機集群的若干關鍵技術問題的簡要分析以及對旋翼無人機集群作戰模式的探討。可為我國在旋翼無人機集群的關鍵技術尋取突破口，在此基礎上，同步開展旋翼無人機集群作戰戰法和反無人機集群研究，以在未來戰場中取得對抗優勢，實現集群作戰效能最大化。