國內外無人機蜂群研究現狀綜述

焦士俊, 王冰切, 劉劍豪， 劉 銳， 周棟棟

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引言

近年來，隨著網絡、人工智能、自主系統、大數據等前沿技術的發展與應用，無人作戰系統得到了迅猛發展，無人機蜂群作戰也正在由概念變成現實，從理論走向實踐。美國學者阿奎拉和朗斐德曾在其專著《蜂群戰與未來沖突》中指出，蜂群戰是有史以來第四種(前三種沖突形式分別是混戰、集結戰和機動戰)，也是最先進的一種沖突形式，主要表現在兩方面：一是面對高度對抗性、動態性的戰場環境，無人機群具有規模優勢和成本優勢，通過能力互補和行動協調，可以彌補單機能力的不足，實現“1+1>2”的作戰效能；二是無人機自主能力不斷提高，正逐步從簡單的遙控、程控方式向人機智能融合的交互控制、甚至全自主控制方式發展，無人機蜂群的生存能力和作戰能力大幅提升，現有的防空體系將難以防范。因此，關注無人機蜂群的發展方向，研究無人機蜂群作戰的關鍵技術和應用局限，對探索反無人機蜂群作戰的技術措施，具有非常重要的現實意義。

1 無人機蜂群的發展背景

對集群的研究源于科學家Grasse在1953年對昆蟲集群的行為研究，他發現單個昆蟲行為簡單、能力有限，但由它們構成的集群卻表現出明顯的群體智能行為，能夠完成遠遠超出個體能力的復雜任務，例如螞蟻、蜜蜂等。無人機集群作戰概念就是在這個基礎上發展而來。

1984年，美國洛·馬公司前負責人奧古斯丁提出了諾姆·奧古斯丁定律，雖然國防開支在增長，但隨著武器成本的上升和研發周期的增長，武器數量會越來越少，直接影響未來訓練與戰爭，因此美軍開始關注小型無人機集群的研究與發展。2000年，美國國防預先研究計劃局( DARPA)率先啟動了無人機集群空中戰役研究計劃，提出了一種基于多智能體(Agent)的非分層結構的自組織空中任務分配方法。此后，美國聯合司令部(JFCOM)、空軍研究實驗室(AFRL)、空軍技術研究院(AFIT)等多家研究機構展開無人機集群領域的研究與論證，但大都停留在技術層面。直至2014年，美國防部為解決美軍無法在國防預算受限的情況下通過更新換代高端裝備來保持壓倒性軍事優勢的問題，提出第三次抵消戰略，集群式無人機作戰概念被正式提出，并將其作為一項可以改變戰場規則的顛覆性技術加以大力發展。此后，對于無人機蜂群作戰的研究進入快速發展階段。

2014 年10 月15 日，美智庫新美國安全中心發布了《戰場機器人Ⅱ: 即將到來的蜂群》報告，首次系統提出無人系統蜂群戰術。2015年9月，美空軍發布的《空軍未來作戰概念》中描述了小型無人機集群的作戰設想。2016年5月，美空軍發布了首份《2016—2036年小型無人機系統飛行規劃》，其中設想的新型作戰方式大多與小型無人機集群作戰相關。除了編制戰略發展規劃，美軍技術研發機構也啟動了大量無人機蜂群項目，如美國防部戰略能力辦公室(SCO)的“灰山鶉”微型無人機項目、國防預先研究計劃局( DARPA)的“小精靈”無人機蜂群項目、美國海軍研究局(ONR)的“低成本無人機蜂群”項目等。近幾年，無人機蜂群在諸多關鍵技術逐步成熟的基礎上具備了可觀的發展前景，并且其在敘利亞戰場上表現出來的生存能力強、效費比高等優勢，引起世界各軍事強國的高度重視，紛紛加大了科研、創新力度，無人機蜂群相關的戰術研究和科研項目如雨后春筍般涌現。

2 無人機蜂群的國內外研究現狀

2.1 美軍無人機蜂群研究項目

1)“小精靈”無人機蜂群項目：美國國防預先研究計劃局( DARPA)于2015年9月推出“小精靈”項目，計劃研制具備自組網和智能協同能力的無人機蜂群系統。該系統可由C-130運輸機或大型無人機運送至防區外發射，通過攜帶偵察或電子戰載荷，執行偵察、干擾等任務。該項目分三個階段實施：第一階段，2017年3月順利完成，研究了無人機空中發射和回收系統的可行性。第二階段，2018年4月順利完成，進行了全尺寸技術驗證系統的初步設計，為單個系統部件開展風險降低試驗。第三階段，2018年5月展開，計劃研制出一套全尺寸技術驗證系統，并在2019年開展“小精靈”蜂群的空中發射和回收飛行試驗，據公布的資料顯示，計劃將C-130運輸機和無人機加載自動對接系統，實現30 min內回收4架無人機。該項目使用的“小精靈”無人機作戰半徑可達900 km，巡邏時間可達3 h，最大速度Ma數可達0.8，出廠單價(不包括載荷)低于70萬美元。

2)“灰山鶉”微型無人機項目：美國防部戰略能力辦公室(SCO)2014年啟動了“無人機蜂群”項目，旨在通過有人機空射“灰山鶉”微型無人機蜂群執行低空態勢感知和干擾任務。自2014年9月以來，該項目共進行了500多次飛行試驗。美國防部披露的最新一次實驗情況為：2016年10月26日，103架“灰山鶉”組成的無人機蜂群由3架海軍F/A-18F戰斗機成功投放，創下軍用無人機蜂群最大規模飛行紀錄。此次實驗，無人機蜂群未預置飛行程序，發射后，在地面站的指揮下自主尋的，協同完成任務，展現了自修正、自適應編隊飛行能力和集體決策能力，表明美軍空射無人機蜂群正朝實戰化方向邁進。該項目使用的“灰山鶉”無人機長約16.5 cm，翼展30 cm，投放質量約0.3 kg，續航時間大于20 min，飛行速度可達110 km/h。

圖1 “灰山鶉”微型無人機

3)“低成本無人機蜂群”項目：美國海軍研究局(ONR)于2014年4月公布了“低成本無人機蜂群”(LOCUST)項目，研發可快速連續發射的無人機蜂群，無人機之間利用近距離射頻網絡共享態勢信息，協同執行掩護、攻擊或防御任務。目前，0NR共進行了兩次陸基試射實驗，最近一次為：2016年5月，30架無人機蜂群在30 s內由路基平臺成功連續發射，驗證了無人機蜂群的編隊飛行、隊形變換、協同機動能力。該項目使用雷錫恩公司的“郊狼”無人機長0.91 m，翼展1.47 m，起飛質量5.4～6.3 kg，可攜帶約0.9 kg的載荷，飛行速度110 km/h，續航時間90 min，配裝電動推進系統，每架約1.5萬美元。

除上述幾個項目外，美軍還開展了很多配套支撐項目，如拒止環境中協同作戰、分布式作戰管理、近戰隱蔽自主一次性飛行、摧毀蜂群作戰、進攻性蜂群使能戰術等項目，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，融合發展。

2.2 歐洲無人機蜂群研究項目

1)多異構無人機實時協同和控制項目(COMETS)：該項目由歐盟委員會信息社會技術計劃(IST)資助，研究多個異構航空器平臺的實時協調與控制問題，針對多類異構無人機組成的協同探測和監視系統，設計實現分布式控制結構，集成分布式信息感知和實時圖像處理技術。

2)面向安全無線的高移動性協同工業系統的估計與控制項目(EC-SAFEMOBIL)：歐盟委員會信息通信技術計劃(ICT)于2011年正式啟動該項目，針對高動態固定翼和旋翼無人機，開發新的預測和協同控制技術，實現跟蹤多個地面目標時的分布式安全可靠的協同與協調。

3)俄羅斯也將無人機集群作為重點發展的方向。2016年7月13日，俄羅斯塔斯社報道，俄羅斯下一代戰斗機方案將于2025年公布，戰機飛行速度Ma數可達4～5，并且能夠指揮控制5～10架裝備高頻電磁炮的無人機集群作戰。

2.3 國內無人機蜂群研究現狀

國內在無人機蜂群研究方面起步較晚，但經過多年的鉆研探討和學術積累，也取得了一些成果。在理論研究方面，西北工業大學、國防科技大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、華中科技大學和空軍工程大學等高校圍繞無人機蜂群的任務分配、編隊控制和航跡規劃等關鍵技術取得了實質性突破，如葉媛媛等利用滿意解集合，降低計算復雜度，解決無人機協同任務分配問題；宋紹梅等人采用層次分解策略建立了多UAV航跡規劃系統結構，并將多UAV的協同航跡進行了分解；曹菊紅等人設計了一種指揮系統，實現對多智能體系統進行協同控制；2013年國防科技大學出版《多無人機自主協同控制理論與方法》，對多無人機任務分配、航跡規劃、協同控制等課題進行了歸納與研究等等。在實驗驗證方面， 2017年6月，中國電子科技集團公司成功完成了119架固定翼無人機蜂群飛行試驗，演示了密集彈射起飛、空中集結、多目標分組、編隊合圍、蜂群行動等動作，刷新了2016年珠海航展上67架固定翼無人機蜂群飛行記錄，但此次實驗無人機預先設置了飛行程序，距離實現無人機蜂群自主協同、智能作戰還有很大的差距。

目前，國內外都認識到無人機蜂群作戰的巨大前景，將其作為前沿課題開展了很多研究工作。歐美軍事強國設立了多個無人機蜂群相關的重點項目，涵蓋了從作戰概念到實質驗證的無人機蜂群的各項關鍵技術，涉及了從大型到微型的各種級別的無人機，取得了不少突破性的成果，并且穩步向著實戰化邁進。國內的研究大多還停留在概念和理論研究階段，實質性的驗證試驗較少。顯然，國內外的研究仍然存在著很大的差距，但是就目前來看，即使對于處在領先地位的美國而言，無人機蜂群作戰也還處于起步階段，距離真正實現能用于復雜戰場環境下無人機蜂群還有很大的差距，面臨一系列問題需要解決。

3 目前面臨的關鍵技術挑戰

無人機蜂群的實質是由大量單功能和多功能無人機共同組成，在交感網絡的支撐下，以群體智能涌現能力為核心，基于開放式體系架構綜合集成構建的，具有抗毀性強、低成本、功能分布化等優勢和智能特征的作戰體系。因此其研發過程中面臨諸多的技術難題，主要包括：

1)環境感知與認識。無人機蜂群的感知與認識能力是其控制與決策的依據。作戰過程中，無人機蜂群所面臨的是動態的、對抗的戰場環境，任務、威脅及自身狀態均處于不斷變化中，任何感知偏差都可能產生災難性后果，因此精準的態勢感知與認識至關重要。目前集群感知手段主要有：一是基于機載傳感器，主動獲取戰場環境的態勢感知；二是基于數據鏈，接收蜂群其他個體的態勢共享信息，形成統一的通用操作視圖。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。

2)多機協同任務規劃與決策。無人機蜂群的規劃與決策能力是其作戰過程的核心能力。不同的任務在作戰目標、時序約束、任務要求等方面存在顯著的差異性，并且任務之間可能存在約束關系，因此如何規劃最優作戰策略顯得尤為關鍵。針對預知的低威脅任務，通過分析集群任務過程和特點，建立任務規劃數學模型，生成高效合理的任務計劃，以達到最佳的作戰費效比。針對對抗、不確定的高威脅任務，需要實時評估戰場環境和無人機蜂群的整體狀態，及時進行任務再分配和重規劃，快速響應動態的戰場態勢，提高完成任務的概率。

3)信息交互與自主編隊控制。無人機蜂群的信息交互與自主控制能力是完成作戰任務的前提。信息交互要考慮在受單機性能、通信帶寬、電磁干擾等影響，通信次數和通信量受限的情況下，如何確保系統的可靠性和魯棒性。自主編隊控制是指在執行任務過程中，如何形成并保持一定的幾何構型，以適應平臺性能、任務環境等要求，主動解決編隊生成、編隊保持、智能避障和不同環境下編隊重組等問題。目前，無人機蜂群編隊控制方法主要有領航-跟隨法、虛擬領航法和行為控制法。

4)人機智能融合與自適應學習。目前大部分無人機是遙控的或半自主的，并且每個操作員只能實時控制單架無人機，這樣的能力顯然不能滿足無人機蜂群的需要。對于集群而言，無人機數量越多，集群內部的自組織機制越復雜，需要的人機融合能力越高，因此無人機蜂群的指控關系必須被重新定義與設計。根據《美國空軍無人機系統飛行計劃2009—2047》的描述，隨著技術的發展，一名操作員將監督或操作多架多任務無人機實施“更加集中、更加持續、更具規模”的集群任務，到2047年，使集群完成“觀察—判斷—決策—行動”(OODA)回路的時間縮短為微秒，甚至納秒級，真正實現人機融合和自適應學習的職能作戰模式。

4 結束語

目前，國內外對無人機蜂群的研究仍然處于起步階段，除了技術問題，無人機蜂群仍面臨著一些發展問題：一是無人機蜂群作戰尚沒有明確、統一的的作戰概念，致使其發展方向相對獨立分散; 二是無人機蜂群自主化和智能化會削弱人在回路中的作用，很多學者擔心其將來可能失控，甚至成為人類的威脅，使得這一新的理念難以被廣泛認可，限制了蜂群技術的發展。

無人機蜂群作戰是一個復雜、長遠的發展的過程，盡管存在諸多難點，但是隨著作戰理念的發展和智能化水平的提高，無人機蜂群作戰將是一種必然趨勢。因此，應加強對無人機蜂群作戰的研究，從無人機與有人機的協同作戰向智能蜂群、立體蜂群方向過渡，穩扎穩打，搶占無人機蜂群作戰領域的制高點。■