無人機集群作戰及其關鍵技術

張健 曲浩 丁興志 王斌

無人機集群作戰是一種可能改變未來戰場規則的新型作戰概念。本文探討了無人機集群作戰使用模式，總結了近年來美國在無人機集群作戰領域的研究進展，論述了無人機集群作戰主要關鍵技術，指出無人機集群作戰未來發展方向。

無人機具有零人員傷亡、持續作戰能力強、任務功能多樣化等優點，更適合執行枯燥、骯臟和危險的任務。為了應對體系化、信息化，強對抗的未來戰場環境，無人機作戰樣式開始從“單機”向集群（Swarm，也稱為“蜂群”）方向發展。大中型空中平臺運載并投放大量無人機，組成無人機集群，機群自主協同，通過飛行控制、態勢感知、目標分配和智能決策，依靠集群應對瞬息萬變的戰場環境，通過能力互補和行動協調，實現單架無人機能力擴展以及集群整體作戰效能的提升。

無人機集群作戰概念

美國人洛克·范姆2012年發表的《無人機蜂群攻擊》一文對無人機集群作戰概念進行了深入論證。這篇文章假定了一種典型戰場環境：在常規氣象條件下，美海軍一艘驅逐艦被5～]O架從各個方向飛來的無人機攻擊，這些無人機全部由貨架產品組裝而成，受附近一艘漁船遙控。指出即便是美國海軍“宙斯盾”系統，在應對無人機集群攻擊時也顯得力不從心，而這一令人大跌眼鏡的結論也得到美國海軍數百次的模擬作戰試驗結果支持。試驗中，當由8架無人機組成的集群進行攻擊時，平均有2.8架無人機能夠避開攔截。即使對艦載防空系統進行技術升級，仍有至少1架無人機能夠避開攔截。上述結論還只是針對8架無人機組成的集群，如果無人機數量增加到30架甚至上百架，結果可想而知。

由此可見，無人機集群能實現對重要目標的大范圍防御，同時支持從多個方向突防和戰場機動性對抗，能在關鍵時刻和位置形成數量上的優勢。無論是防御還是進攻，都能發揮意想不到的效果。

無人機集群作戰模式

集群的本質是自主化組網的無人機群，在統一指揮下通過協同工作執行復雜的任務。無人機群是集群戰術的基礎，通信網絡是集群戰術的紐帶，無人機群通過網絡通信協議，不僅能夠實時分享個體通過自身傳感器獲得的局部信息，而且能夠及時獲取作戰體系中其它途徑獲得的信息，同時監控每個無人機個體和整個“機群”的健康狀況，迅速根據戰場態勢演變，通過自主化決策或外部干預，及時調整集群的作戰部署和個體的任務分配。

執行察打任務協同

無人機集群可以用于探測目標，協同執行偵察或攻擊任務。該任務可以局限于某一特定區域內，通過提供交互式指揮和控制功能，協同完成空中截擊、探測和打擊目標、減小附加損失、提供即時的損傷評估（圖1）。無人機集群可以執行打擊協同和偵察任務，不但有效提高載機的生存力，而且能夠有效實施對聯合防空系統的滲透。不同于常規的攻擊或偵察飛機，蜂群可以作為有人或無人控制的突擊隊，其可執行的任務包括：定位、校核、穿插識別移動目標、目標排序、更新目標等。

壓制/破壞防御系統

無人機非常適合執行壓制/破壞敵防御系統任務，它可以破壞防空體系，如指揮控制設施、雷達站和地對空導彈發射裝置，而不用付出飛行員的傷亡代價。無人機集群能夠對敵防空系統實施飽和化攻擊，或吸引敵防空系統的注意力，增加任務成功率并減少已方傷亡。而提前定位，全副武裝的網絡化無人機集群可以不用預先探測就癱瘓敵防空體系。完成上述任務，要求無人機機群具有以下基本性能：配備武器、高亞音速飛行性能、足夠的航程、傳感器能在各種氣象條件和多種地域內探測、多平臺協同控制會進一步簡化搜索和完成任務。下圖2是美國國防部預研局設想的一種作戰場景：通過大型運載平臺，在防區外投放無人機群，無人機群在高威脅環境下對敵防空體系實施空中打擊。

充當誘餌

由于低成本和低的戰場風險，無人機集群適合扮演誘餌角色，集群中的無人機可以發射雷達波、紅外線或其它信號欺騙對手，使其將注意力放在主要任務之外的地方。例如集群可以通過組合排列形成相似的信號，從而掩護重要的目標。另外，可以一部分承擔誘餌任務，另一部分執行對敵目標的攻擊和殺傷。構建通信網絡

隨著現代信息環境的迅速發展，獲得詳細的戰場態勢對于戰場指揮而言越來越重要。從數量巨大的無人機上獲得的圖像和視頻不僅有助于迅速作出重大決策，而且從成本和風險的角度來看都更有利。在戰場環境下，從無人機上獲得的信息可以使用指揮官更準確地把握戰場態勢和未來演變，采取更為有利的行動。

隨著電子探測系統、接口程序設計、適應性通信協議、自組網和自修復網絡技術的發展，多平臺多傳感器的無人機網絡更促進了無人機集群作戰的成熟。機載層次化網絡支技多種多樣的傳感器數據類型，可以快速形成敵對環境下的復雜戰場態勢圖（圖3），從而能夠支持執行多種任務：如邊境保護、持續偵察、橋梁和管線的監控等等。

執行反無人機任務

常規反無人機方法包括摧毀發射平臺、偽裝欺騙、電磁干擾、直接火力打擊等，目前，世界各國除了采用傳統防空武器系統執行反無人機任務外，還大力開展通過電子戰、網絡戰、無人機、激光武器等技術執行反無人機任務的研究。當采用集群戰術的大編隊無人機群來襲時，大型無人機容易發現、定位和跟蹤，但對于數量龐大的中小型無人機，留給防御系統的反應時間極短，探測和防范成為日益突出的問題，因此反無人機技術需求日益迫切。事實證明，能對抗無人機集群的戰術很可能只能是無人機集群，也就是通過更加嚴密的無人機集群網絡，實現對無人機集群的對抗，見圖4。2016年5月，美國特種作戰司令部科學和技術部門負責人在國防工業協會主辦的特種作戰部隊行業會議上稱，特種作戰司令部正在尋求無人系統的集群和自主能力以抵御集群攻擊。另外，反無人機武器也可能安裝在無人機上，使得無人機集群成為反無人機的利器。

無人機集群戰術研究現狀

美國將無人機集群作為一個重要發展方向，在美國國防部統一領導下，國防部預研局（ DARPA）、美國戰略能力辦公室（SCO），以及美國空、海軍分別啟動了多個項目研究。這些項目在功能上相互獨立，各有側重，在體系上又互為補充。

“小精靈”（Gremlins）項目

2015年8月，美國國防部預研局在前期工作基礎上發布啟動“小精靈”項目（圖4）。該項目的目標是研究一型低成本無人機，以魯棒、低成本、可快速替代的方式搭載情報、監視、偵察等傳感器模塊和非動能有效載荷，同時開發一個無人機發射和回收裝置，使得未來的作戰飛機可以快速部署廉價、可重復使用的無人機集群，支撐美軍為著眼大國對抗而聚焦發展的分布式空中作戰概念。

“小精靈”項目的研究周期為4年左右，分成3個研究階段。第1階段從項目啟動到2017財年第1季度，選出4家承包商設計“小精靈”驗證系統、制定技術成熟計劃；第2階段計劃從2017財年第]季度至2018財年第3季度，選出2家承包商進一步開展技術成熟工作，并進行系統初步設計和風險降低驗證；第3階段計劃從2018財年第3季度持續至2020財年第2季度，最終勝出的1家承包商將開展“小精靈”驗證系統的詳細設計和制造，并將在2020財年第1季度首飛。第2、3階段的進度將根據第1階段的研究情況進行動態調整。

“小精靈”無人機的性能指標：作戰半徑926km；作戰半徑處可巡邏3h；設計載重54.5kg；最大速度不小于Ma0.8；最大發射高度超過12192m；推進系統可在當前技術基礎上全新設計，也可使用現役發動機或其改型；載荷所需功率1200W；載荷類型為模塊化設計的射頻和光電/紅外系統，并可實施基地級更換；設計壽命為使用20次；出廠單價（不包括任務載荷）低于$700000。

“小精靈”作戰系統的性能指標：大型平臺一次能發射超過20架無人機（圖5）；30min內回收8架或更多無人機；回收率成功大于95%；發射或回收平臺因搭載“小精靈”無人機實施分布式空中作戰而墜毀的概率低于每飛行小時7-10次；回收后再次發射的時間不超過24h；發射或回收平臺的改裝成本（不包括指控系統）不超過$2000000。

美國國防部預研局指出，上述作戰設想和性能指標的實現需突破以下關鍵技術：創新的空中發射和回收方案；低成本、可損耗的機體設計；有限壽命設計；高精度氣動分析；氣動彈性分析；蒙特卡洛仿真；自動的發射波次策略；高準確度數字式飛控系統；精確相對導航；小型無人機空中加油技術；高效小型渦輪發動機；保障回收安全的油箱自動惰化和發動機自動關閉；小型分布式載荷集成；模塊化載荷能力；精確戰位保持；發射和回收平臺低成本改裝技術及其他賦能技術。

該作戰概念不但將顛覆當前以F-35等大型多功能平臺為核心的作戰樣式和裝備發展思路，給敵方防御帶來重大挑戰，也可能成為未來大幅降低作戰成本的重要途徑。

低成本無人機（LOCUST）技術項目

美國海軍研究辦公室（ONR）于2015年公布了“低成本無人機蜂群”（LOCUST）項目（圖6），項目旨在釋放大量無人機通過自適應組網及處主協調，對某個區域進行全面偵察并對諸如指控系統等關鍵節點及目標進行攻擊。

該項目選擇使用雷神公司的“郊狼”（Coyote）小型無人機進行試驗。“郊狼”無人機長91cm、翼展1.47m、重量5.9kg、最大飛行高度6096m、飛行速度llOkm/h、續航時間1.5h、可攜帶約0.9kg的載荷、配裝電動推進系統，每架約1.5萬美元。

2016年5月，LOCUST項目在陸上完成30s內發射30架“郊狼”小型無人機的試驗，驗證了無人機蜂群的編隊飛行、隊形變換、協同機動能力。“郊狼”無人機蜂群在迅速發射之后，可使用低功率無線電網絡建立彼此之間的通信關系，共享位置信息和其它信息。而且所有無人機將形成“母子”關系，其中1架起領導作用，其余無人機則為下屬。擔負領導任務的無人機有可能根據機動情況發生改變。在演示過程中，技術人員將察看無人機會形成何種緊密聯系，在什么樣的高度飛行以及采用什么樣的機動方式。飛行時，地面操作員不必對每架無人機進行單獨控制，僅需對蜂群進行整體控制。接下來，LOCUST項目計劃在墨西哥灣開展艦基的無人機蜂群發射和飛行試驗。

“灰山鶉”（ Perdix）項目

美國戰略能力辦公室在2014年啟動了“無人機蜂群”項目，旨在驗證先進的無人機群體行為，如集體決策、自修正和自適應編隊飛行。

選擇麻省理工學院發展的全復合材料、鋰電池推進的“灰山鶉”一次性微型無人機。飛機全部采用商用貨架產品，機長約16.5cm，翼展展開后30cm，投放重量約0.3kg，續航時間大于20min，飛行速度75—llOkm/h。

自2014年9月首次配裝F-16戰斗機試投以來，“灰山鶉”共進行了500多次飛行試驗。2016年10月25日，在美國海軍航空系統司令部設在加利福尼亞中國湖的試驗場，3架F/A-18F超級大黃蜂戰斗機在Ma0.6的速度下，連續投放103架“灰山鶉”無人機。在地面站的指揮下，通過機間通信和協同，作為集群成功完成了地面站設定的4項任務（圖7）。試驗中，“灰山鶉”蜂群未預先編寫飛行程序，而是在地面站指揮下自主實現協同，展現了集體決策、自修正和自適應編隊飛行能力。試驗的成功表明，美軍的空射無人機蜂群正朝實戰化方向穩步邁進。

進攻性蜂群使能技術（OFFSET）項目

2017年1月27日，美國國防部預研局發布“進攻性蜂群使能戰術”項目招標書，研究新型蜂群戰術、人-蜂群交互、軟硬件集成等關鍵技術，目標是每3個月產生超過10種蜂群戰術，評估新蜂群戰術的時間小于15min，部署新蜂群戰術的時間小于1min。項目最終將開展100架以上規模的無人蜂群作戰試驗，以提升美軍地面部隊的防御、火力、精確打擊，以及情報監視偵察等能力。

OFFSET項目將基于增強現實、虛擬現實等游戲技術以及手勢、觸碰和觸感裝置等發展可以控制蜂群的原型系統。作為第三次抵消戰略的一部分，美國防部設想了以大量無人機蜂群壓制敵方的空戰方式。而在OFFSET項目中，其不僅考慮了無人機的數量，更希望研究復雜的蜂群戰術和人機編組。此次公布的的最保守的想法是，OFFSET項目將使100個無人機和無人地面車在2h內在4個城市街區作戰。而美國空軍的目標是使250個無人平臺于6h內在8個街區執行任務。

體系集成技術和試驗（SOSITE）項目

2014年5月，美國國防部預研局發布體系集成技術和試驗（SOSITE）項目指南，該項目的目標是通過創新的體系架構發展和演示保持空中優勢能力的概念，體系架構中包含飛機、武器、傳感器和任務系統并把空戰能力分布于大量可互操作的有人和無人平臺上。如此，可比實力相當的對手更加快速且更低成本地把全新技術和航空系統集成進現有空戰系統中。

SoSITE項目聚焦于發展分布式空戰的概念、架構和技術集成工具。該項目打算利用現有航空系統的能力，使用開放系統架構方法降低全新航空系統的研發成本和時間。開放系統架構為發展可互換的組件和平臺提供了統一的標準和工具，如有需要可以進行快速的升級和替換。這個概念可使在各種有人和無人平臺上分散關鍵的任務功能，比如電子戰、傳感器、武器、戰爭管理、定位導航和授時以及數據/通訊數據鏈等。SoSITE項目將利用為制造創新無人平臺而研發的先進小型化技術、高性能低成本電子元件、全新的算法和軟件以及先進的材料。成本控制將通過在平臺中分散載荷而實現，這樣就允許每一型平臺在成本和能力的權衡中具有更高的靈活性。

2016年9月，美國國防部預研局向洛克希德·馬丁公司授予3640萬美元的第二階段合同，繼續發展體系架構，驗證架構的作戰效能和魯棒性。

拒止環境中協同作戰（CODE）項目

美國國防部預研局在弗吉尼亞阿靈頓的官員發布了“惡劣環境中的協同操作”（CODE），使偵察和攻擊無人機在電子干擾、通信降級以及其它惡劣運行環境中執行任務時，可協同工作。旨在使無人機編隊協同工作，發揮各無人機的相對優勢。

CODE項目通過增加自主性和跨平臺合作來擴展現有無人機的任務能力。協同自主性具有通過組成無人機異構隊，來提高現有無人機能力、降低花費的潛力。該方式可以集成各無人機的能力，而無需復制或集成這些能力到一個無人機上。雖然現在無人機可執行許多任務，但大多數無人機都無法滿足未來沖突的需求。

2016年6月，美國國防部預研局向洛克希德·馬丁公司及雷神公司授予項目第二階段系統集成合同，開展由1架或2架真實飛機和若干虛擬飛機組隊的飛行試驗。

對敵防空壓制/摧毀蜂群作戰（SEAD/DEAD）項目

2009年和2012年，雷神公司向空軍分別交付了微型空射誘餌和微型空射誘餌干擾型，并于2013年完成高速反輻射導彈升級版的交付。美國空軍和雷神公司基于這兩種飛行器以及更早研制的模塊化設計的聯合防區外武器，開發了對敵防空壓制/摧毀的空射集群作戰樣式。

分布式作戰管理系統

2016年5月，美國國防部預研局向洛克希德·馬丁公司授予1620萬美元的項目第二階段合同，設計全功能決策輔助軟件原型，幫助策劃有人機和無人機參與的復雜空戰。“分布式作戰管理”項目通過發展先進算法和軟件，提高任務自適應規劃和態勢感知等能力，幫助履行戰場管理任務的飛行員進行快速且合理的決策，以在強對抗環境中更好地執行分布式空中作戰等復雜軍事任務。

無人機集群作戰主要關鍵技術

無人機集群作戰需要重點解決的關鍵問題包括大規模無人機管理與控制、無人機自主編隊飛行、集群感知與態勢共享、集群協同任務分配等。

無人機集群管理與控制技術

復雜戰場環境下，無人機集群執行作戰任務時，通常出動架數要比目前使用的多得多。譬如，現在美軍“捕食者”無人機通常一次出動由3—4架無人機組成編隊，由一個起降站和一個任務控制站指揮控制。而集群作戰時，通常無人機的數量將達到8架以上，美軍“阿爾法計劃”仿真演示中使用了100架無人機，如此規模龐大的無人機數量對空域使用提出了更高的要求，必須綜合考慮任務和空間的要求，確定合理的作戰空域，避免與其他有人機或者無人機等空中目標發生碰撞。目前，美國計劃將民航領域采用的空中告警與防撞系統（Traffic alert and CollisionAvoidance System，TCAS）引入無人機系統，實現空中障礙規避。

另外，無人機的自主能力可能是由操作員遙控的，也可能是半自主的，將來還可能是具有較高自主能力，需要操作員的介入程度、時機和頻率各不相同。較低自主能力的無人機組成集群，需要操作員或者輔助系統管理與控制的事情較多，反之則較少。需要引入多智能體技術，基于智能體完成對無人機的輔助管理與控制。

因此，大規模無人機管理與控制技術需要解決基于智能體的無人機集群管理與控制體系結構、作戰空域態勢評估、集群空域使用規劃與調度、集群空域沖突檢測與消解、以及人有限干預下的無人機集群管理與控制等技術。

無人機編隊飛行技術

編隊控制是無人機集群執行任務的基礎和最基本形式。編隊控制是指無人機集群在執行任務過程中，如何形成并保持一定的幾何構型，以適應平臺性能、戰場環境、戰術任務等要求的控制技術。主要解決兩個問題：一是編隊構成/重構，包括飛行前編隊生成問題，遇到障礙時編隊的拆分、重建等問題，增加或減少無人機時的編隊重構問題等；二是編隊保持，包括飛行中編隊保持問題，在不同幾何形態間的編隊切換問題，保持幾何形態不變條件下的編隊收縮、擴張、旋轉控制問題等。無人機集群編隊控制方法主要有領航-跟隨法（Leader-Follower）、虛擬領航法和行為控制法。

空中障礙識別與規避技術

感知與規避是提高無人機集群主動安全能力和生存能力的必要條件。無人機本身要具備機間局部環境感知能力，能夠對周圍集群內無人機進行狀態估計與跟蹤，從而實現對集群內它機軌跡的跟蹤與避碰，保持集群編隊構型，實現協同飛行，見圖8。同時，集群對前方遇到的障礙要能夠作出有效的反應，進行編隊隊形變換，通過障礙物后進行隊形重構。常用的集群避障方法有人工勢場法（Artiificial Potentials）、模型預測法（Model Predictive）等。

集群信息感知與共享技術

集群感知與信息共享是無人機集群控制與決策的依據。基于無人機機載傳感器，實現集群戰場態勢感知，能夠獲得更廣的觀測范圍、更高的定位精度以及更高的魯棒性。基于機間鏈，實現態勢信息共享，形成統一的通用作戰視圖（Common Operational Picture，COP），為集群作戰奠定基礎。相關技術主要包括協同目標探測、協同目標狀態融合估計、協同態勢理解與共享等。

洛克希德·馬丁公司開發了無人機通用態勢感知模塊，包含多個層級：第一級融合來自機載傳感器、友機傳感器、外部數據源（例如C41SR網絡）等的數據，明確戰場上的友方和敵方，消除友機數據沖突。第二級形成融合后的跟蹤視圖，評估友方、敵方傳感器覆蓋范圍、通視性、潛在威脅等。第三級完成戰場態勢預估，判斷可能的威脅意圖、機動和未來位置。第四級判斷態勢感知模塊產生的。

集群協同任務分配

集群突防與攻擊是實現無人機集群作戰的核心能力。無人機之所以構成集群協同作戰，就是要面對高對抗的戰場環境，提高系統的整體生存能力，在可能損失部分無人機的條件下，確保任務的完成率。在面臨來自地面防空系統和空中敵方戰機的高威脅環境中，集群必須首先能夠突破敵方的嚴密防空圈，到達任務區域，然后對目標發起協同攻擊，確保摧毀敵方重要目標，實現既定的作戰目標。

無人機集群在威脅環境遂行作戰任務，需要進行集群任務分配與任務規劃。首先針對不同任務目標，指派最適合的無人機去完成，完成多機多目標的任務分配。針對預知的威脅，制定高效合理的集群突防策略。通過分析集群任務過程及任務特點，建立突防與攻擊的任務規劃數學模型，研究相應的規劃算法，從而生成高效合理的任務計劃，使得無人機集群執行不同任務的生存概率和作戰效能達到最佳。在對抗、不確定以及時間敏感的環境中，隨時可能出現突發情況，包括突發任務、突發威脅、平臺可能出現毀損等，需要實時評估集群的任務能力，進行任務重新分配和重規劃，使無人機集群能夠快速響應外界環境的變化，提高戰術使用靈活性。

無人機空中發射與回收技術

美國國防部預研局認為，在沒有可靠陸基或海基著陸點時，空基回收將是小型、大作戰半徑無人機最簡易后勤和最低成本的解決方案，還具有對無人機性能影響最小和再次發射迅速等優勢。因此，“小精靈”項目的主要目標被定為探索小型無人機集群空中發射和回收的可行性，并最終以試驗進行驗證。按照美國國防部預研局的設想，“小精靈”無人機集群將在敵防區外由包括運輸機、轟炸機和戰斗機在內的各類平臺發射，在滲透到敵防區內之后，針對特定目標共同執行情監偵、電子攻擊或地理空間定位等作戰任務。任務完成后退出敵防區，并由C-130運輸機完成空中回收。

美國國防部預研局指出，上述作戰設想和性能指標的實現需突破以下16項關鍵技術：創新的空中發射和回收方案；低成本、可損耗的機體設計；有限壽命設計；高精度氣動分析；氣動彈性分析；蒙特卡洛仿真；自動的發射波次策略；高準確度數字式飛控系統；精確相對導航；小型無人機空中加油技術；高效小型渦輪發動機；保障回收安全的油箱自動惰化和發動機自動關閉；小型分布式載荷集成；模塊化載荷能力；精確戰位保持；發射和回收平臺低成本改裝技術及其他賦能技術。

展望

無人機集群作戰將牽引未來空中作戰裝備呈現出自主化、低成本、多功能、小型化等特點，必將對未來航空裝備體系發展產生變革性影響。