艦載無人機集群系統作戰構想

趙齊民,陳 晨

(中國船舶及海洋工程設計研究院,上海 200011)

隨著無人機發射技術的發展和海軍新一代大型艦艇的列裝,艦載無人機集群作戰將成為一種新型的海軍作戰樣式,創新的無人集群技術將改變傳統的戰術運用理念,特別將影響整個艦艇編隊攻防體系的變革,成為未來海軍艦艇編隊戰斗力提升的一種重要途徑。

2018年，美國空軍研究實驗室發布了2030集群作戰視頻。“忠誠僚機”概念中,一架F-35戰斗機被多架無人機包圍抵達目標區域,由F-35飛行員控制多架無人機發起攻擊,實現有人機和無人機的協同作戰。據悉,美國空軍研究實驗室(AFRL)正在開發能夠讓飛行員控制多架無人機的算法。目前,國內關于無人機集群的研究主要集中在編隊空間構型和任務分配算法等方面,與現有戰術戰法相結合的研究較少,特別是無人機集群在海戰場的作戰使用問題。因此,本文緊緊圍繞艦載無人機集群的作戰場景,分析其帶來的作戰優勢,通過典型場景的作戰流程分析,為創新戰術戰法的設計提供參考,從而加速推進無人機集群的科研成果向作戰能力的轉化。

1 作戰優勢分析

本文討論的無人機集群有別于現役中高空長航時艦載無人機,所指的艦載無人機集群系統選用輕量級無人機,搭載廉價、低功耗的商用微型傳感器,通過開發先進算法,將低成本、可消耗的多無人機黏合成具有集群智能的作戰輔助系統。利用艦艇作為微小型無人機的發射平臺,在海戰場快速形成集群態勢,將帶來以下作戰優勢。

1) 聯合執行偵察任務,增強戰區實時監控能力

在艦艇編隊遂行以海制陸的任務中,作戰初期艦艇編隊都在岸防火力范圍外,此時常規的艦載傳感器往往受到地球曲率等環境限制,也有可能面臨電磁干擾等復雜拒止環境,無法第一時間獲取岸基的布防情況,而無人機集群由于具有小型、隱身以及便于攜帶電視、紅外等多種傳感器的優勢,可以減小對衛星的依賴程度,可提供分布式的飽和偵察方案,成為快速有效獲取戰場實時態勢的重要裝備。特別在兩棲登陸作戰中,戰場區域縱深大，協同復雜,態勢變換急劇,無人機集群可以采用隱蔽快速突防的方式,快速穿越前沿防空網抵達目標區,到達最大縱深處,對敵最重要目標實施抵近空中偵察。

2) 艦艇遠程對岸火力打擊的“倍增器”

在島嶼登陸作戰中,登陸地段的暗堡、堅固火力點等工事,如果不能提前有效清除,將給登陸部隊造成重大傷害。在現代戰爭中,對于提前標注地理位置的火力點,可由艦艇武器進行超視距攻擊,而由于岸灘遮蔽物等原因臨時發現的火力點,就需要第一時間臨時應召遠程火力,計算目標坐標,測定目標參數,輔助生成艦炮武器射擊方案,或者對目標進行激光器照射,為激光制導類導彈提供精確制導信息[1],實施對岸上重要目標的集火打擊,攻擊過后偵察無人機可測定彈著點位置提供校正參數,并根據目標毀傷程度進行射后評估,有效提升遠程火力打擊效果。

3) 體現分布式殺傷,實施“傳感器-射手”的殺傷鏈任務

無人機集群作戰是分布式殺傷理念的重要體現,將電子戰、傳感器、武器、定位導航和授時以及數據鏈等能力拆分到大量可實時通信的無人平臺上,在此基礎上，實現無人平臺間實時數據共享、多機組網、協同配合,進而形成分布式作戰體系,執行ISR和目標打擊任務。類似于敵方臨時指揮所、導彈發射架等高價值時敏目標,往往都是臨時部署的,甚至是機動的,無人機集群可實施臨時火力應召,對此類目標實施動態遠程火力調度,必要時集群可直接在同一時間段內對同一目標進行自殺性輪番攻擊,占用敵方的防御武器通道,增加敵方的防御難度和成本,適用于對敵方高價值時敏目標進行飽和攻擊。

鑒于以上無人機集群的作戰優勢,有必要開展艦載無人機集群的關鍵技術研究,特別是如何與現有的作戰體系相融合,通過戰術戰法的創新,實現艦艇作戰能力的提升。典型的艦載無人機集群作戰任務包括:區域警戒、聯合偵察、干擾壓制、攻擊引導,以及直接打擊等。本文將主要討論兩種作戰場景下,無人機集群作戰的任務實施方法。

1)在兩棲登陸作戰的過程中,無人機集群可自主協同執行實時偵察任務,無縫對接艦艇編隊作戰系統,實施遠程對岸火力保障任務;

2)對敵海上艦艇進行突防時,多無人機通過攜帶高爆炸藥、箔條、雷達反射器或干擾機,為高價值武器(反艦導彈)或者發射平臺提供集群掩護干擾技術,必要時可破壞敵艦雷達系統。

本文基于以上兩種典型海戰場作戰場景,立足于無人機集群通信系統設計,探討無人機集群參與聯合作戰的模式。

2 集群通信系統

目前艦載無人機一般選用中大型無人機,單艘艦艇的配置數量較少,造價較高,其配置的數據鏈一般指的是艦艇和無人機之間的測控數據鏈,可分為上行鏈路和下行鏈路。艦艇指揮控制中心操控人員的指令通過上行數據鏈路發送至無人機,用來控制無人機的飛行路徑,并對無人機的任務載荷進行遙控;無人機傳感器的實時戰場信息,以及無人機的位置、姿態等數據則通過下行鏈路反饋至指揮控制中心。因此，現有無人機數據鏈主要應用于對中高空長航無人機，進行遠程操控。

本文所述的無人機集群系統根據攜帶任務載荷的不同進行任務分工,具有明顯的分布式特點,在動態戰場環境中對集群網絡的耦合度等設計提出了更高的要求。現有數據鏈系統由于在實時性、容量動態調整等方面存在不足,特別是跟艦艇編隊武器系統缺乏有效鉸鏈,影響實時火控數據的共享,就不能實現無人機集群內部以及集群和艦艇編隊火力之間協同控制。因此，數據鏈的總體設計必須充分結合作戰實際需求,例如：艦艇編隊與無人機集群之間的通信數據鏈在通信條件允許的情況下,需要為實時偵察圖像的傳輸預留足夠的帶寬;對時敏目標的識別信息、炸點偏差等火控數據，則需要實現實時信息優先處理。無人機集群的作戰行動可以是智能自主的,但絕對不是孤立的,因此，艦載無人機集群通信系統的設計要以艦艇編隊傳感器信息共享和火力綜合運用為前提。

在實施無人機集群作戰指揮時,無人機集群的中心節點將負責與艦載指揮控制中心進行關鍵指令的交互,中心節點再通過集群內部自主網絡傳達指令,實施內部信息共享。通過艦艇編隊作戰中無人機集群的使用場景分析,綜合數據鏈突襲隱蔽、QoS能力、高速傳輸、高度自主等設計要求,如圖1所示，本文提出艦載無人機集群協同作戰網絡模型,按照艦艇指揮控制中心和無人機集群中心節點通信,以及無人機集群內部自組網兩類通信模式設計。

圖1 艦載無人機集群協同作戰網絡模型示意圖

艦艇指揮控制中心直接或通過中繼節點(如衛星)控制無人機集群的中心節點,一般考慮作戰的冗余度設計,集群配置多架中心無人機,具備與指揮控制中心或者中繼節點的可靠通信能力,除此之外,集群自身還必須具備自組網的能力[2],支持集群柔性的動態組網能力。

艦艇指揮控制中心和無人機集群中心節點的通信可借用現有的無人機測控數據鏈進行升級,或可以通過相控陣雷達實現雷達通信一體化的能力,用來支持實現無人機遠程數據鏈系統。文獻[3]結合艦載雷達通信一體化發展的需要,提出了基于艦載相控陣雷達實現雷達通信一體化設計的思路,并從通信系統的鏈路流程、時間資源、時隙分配以及通信協議幾方面進行了論述。2007年，雷聲公司演示了基于有源相控陣雷達的有源陣列,通過升級相應的算法和軟件,將其作為指揮控制中心實施大數據傳輸的能力,并將其命名為“超級通信”(Super Communication),其表現出了優于現有寬帶戰術數據鏈的性能;2013年，雷聲公司在荷蘭岸基設施上,實現了雙波段數據鏈與先進相控陣雷達(APAR)的集成,增加了歐洲實現彈道導彈防御的艦船數量。

無人機集群內部自組網設計,由于本文艦載無人機集群定位為輕量級無人機,針對高密度無人機集群系統單跳距離不小于3 km,需具備抗干擾、按需帶寬、快速組網、高并發、低延時、低功耗、低成本的特點,設計專用輕量級MAC層無線信道訪問策略,將采用自組織多跳路由算法設計,提高集群通信控制鏈路的網絡性能瓶頸,實現大規模無人機集群系統組網(單集群不少于300架)。美軍的戰術目標瞄準網絡技術(TTNT)提供了一種無人機集群自組網設計的借鑒思路,美軍當年為了解決從“傳感器到射手”的數據鏈接問題,迫切需要一種傳輸量大、反應時間短的解決方案。在美國國防預先研究計劃局的資助下,由羅克韋爾·柯林斯公司開發TTNT網絡,它是一種以互聯網絡協議為基礎,采用Ad Hoc技術,基于IP協議的高速、寬帶、新型戰場網絡技術,具有高吞吐量、高傳輸速率、低傳輸時延以及實時按需獲得帶寬的性能,能實時與作戰平臺共享感興趣的戰場情報信息,從而精確打擊時間敏感目標。TTNT成功應用于機載網絡,在有人戰機中實現高速信息共享,其目的是實現戰術網絡瞄準,并精確快速打擊目標。

通過分析TTNT數據鏈的技術特點,本文提出符合艦載無人機集群自組網的設計特點:

1)采用IP協議,廣泛連接現有平臺;

2)高吞吐量,高傳輸速率;

3)低時延、低截獲性和抗干擾性;

4)實時按需獲得帶寬;

5)柔性多節點接入。

無人機集群空間構型根據任務需要可能不斷變化,造成了網絡拓撲變化快,傳統路由選擇算法得到的信息可能很快變得不可達,重新計算路由的概率將很高;無人機受物理條件限制負載有限,可用于通信的能源有限,鏈路帶寬有限,并且，由于節點的發射功率和天線增益有限,單跳通信距離比通常移動自組織網絡短,極度依賴其他無人機節點的中繼轉發;由于戰場形勢的快速變化,系統對實時性有較高要求,節點的負載情況將直接影響數據傳輸成功與否以及傳輸時延大小,因而相比傳統自組織網絡,無人機集群自組網中對節點的負載均衡有了更高的要求。

通過上述應用場景分析,需要為無人機集群移動自組網設計專用的網絡架構、多址方式和路由協議等。

1)基于多智能體的協同自組網

本文擬采用多智能體系統的組網方式和路由算法,利用中心無人機作為移動sink節點,通過LEACH分簇算法對非中心無人機進行分簇,LEACH算法[4]采用的是分布式算法,網絡節點可進行自主決策,而不需要通過任何集中式控制。各簇中作為簇首節點的無人機自主選擇與距離最近的sink節點進行通信,從而實現集群自組網的廣覆蓋。

2)小型無人機自組網中的改進GPSR協議

貪婪周邊無狀態路由協議GPSR,采用簡單的貪婪轉發和周邊轉發規則。特別適合載荷小,處理能力和能源有限的小型無人機進行自組網的需求。

GPSR協議在路由策略上,僅計算鄰節點間的直線距離。但是無人機自組網通信的過程中,受復雜戰場環境影響,導致接收到鄰節點信標的節點,并不能傳遞數據到此鄰節點。在貪婪轉發中,會使單純地用距離來選擇下一跳路由變得不可靠。為解決以上問題,擬進行基于信號強度對GPSR進行修正。主要涉及以下方面:

1)使用無線信號傳播模型對節點覆蓋進行檢驗,排除信號不能覆蓋的鄰節點;

2)在貪婪轉發模式中,利用信號傳播模型獲得下一跳轉發信號覆蓋的局部最優;

3)結合信號傳播模型,檢查是否達到轉換傳播模式的條件。

本文通過上述艦載無人機集群的通信系統分析,設計了基本通信網絡架構,并根據移動自主網的關鍵問題,給出了技術解決途徑,為下一步作戰模式分析打下了基礎。

3 超視距聯合定位

通過設計臨近戰區自主網信息系統,快速深度挖掘戰場實時信息,增強超視距前沿戰區的火力引導和控制能力。

在常規艦炮對岸火力支援場景中,大口徑艦炮武器的有效打擊距離較近,武器系統進行試射后,一般由前沿觀測哨(或者高空無人機、電視偵察彈)實施炸點觀測,測得指定坐標系下的彈著偏差數據進行回傳,或者直接回傳帶地理特征點的偵察圖像,與衛星圖片進行配準后獲取偏差數據,炸點偏差獲取的實時性和精確性將直接影響后續射擊成果。在兩棲登陸作戰中,艦炮對岸火力的支援能力將延伸至上百千米。現有戰時情報獲取方式,應用于未來兩棲登陸作戰,存在以下不足:

1) 戰區環境復雜,前沿觀測哨的布設受限;

2) 依靠單架/幾架中高空無人機偵察,容易遭受攻擊,生存率較低,易受地形、煙霧等環境因素的影響,定位精度不高,而且無法同時保障多個綜合打擊任務;

3) 戰場區域縱深大,依靠回傳圖像到艦艇控制中心,對數據鏈的帶寬和實時性要求非常高,在戰時往往達不到要求,信息處理不及時,影響武器殺傷鏈的時間消耗;

4) 圖像配準要求具備對戰場區域的衛星圖片,并且進行地理信息標注,前期情報準備工作周期長,無法應對突發性作戰任務。

無人機集群依靠其獨有的技術優勢,特別適合于這種戰場區域縱深大、協同復雜,態勢變換急劇的兩棲登陸作戰場景。無人機集群可采用突擊部隊單兵攜帶抵進發射、艦載管射,以及高空投放等方式,快速穿透前沿防空網抵達目標區,快速形成集群態勢。這種方式速度快,防空武器難以攔截,可在最短的時間內將無人機投送到最大縱深處,可以對敵最重要軍事目標實施空中偵察和打擊。

與以往依靠回傳方式進行集中式圖像處理的方式不同,本文設想通過無人機集群的基礎通信設施建設,在無人機集群自主網的基礎上,重視邊緣分布式計算能力,充分發揮無人機集群的群體智能,利用無人機預置的戰區典型地理特征點的坐標和模板信息[5],在動態戰場環境中,通過智能算法進行任務自組織,依托自主網按需共享信息,圍繞共同作戰目標,自發調整個體動作,充分發揮不同類型無人機的特長和優勢。在作戰過程中,如圖2所示,一旦戰區的導航信號受到干擾,偵察型無人機可以根據匹配到的地理特征點,通過共線方程完成自身定位[6];打擊型無人機則通過圖像協同跟蹤算法保持對敏感目標的實時跟蹤,根據不同方位,不同高度的多源觀測信息進行融合識別,并通過與多個已經完成定位的偵察型無人機進行網絡信息交互,借助網絡定位算法[7]對靜止甚至低速運動目標進行聯合間接定位,供遠程艦載武器進行火控解算并控制發射,在火力臨近時,如有需要可通過激光發射器,提供“飽和”式激光照射指示,在校射過程中根據炸點觀測,實時計算并反饋偏差信息,無須回傳整幅戰術圖像到艦艇指揮控制中心進行配準,降低了回傳信息對數據鏈的要求,為遠程艦炮和對陸攻擊導彈,特別是電磁軌道炮的快速打擊提供持續可靠的目標信息保障。

圖2 對岸目標協同定位示意圖

4 掩護干擾

在隱蔽突襲作戰背景下,敵艦艇立體防御手段日益豐富,本文通過無人機集群為高價值武器(反艦導彈)或者發射平臺提供以下掩護方式:

1)利用無人機加裝小型干擾任務載荷,實施與反艦導彈的伴隨式飛行任務,輔助反艦導彈對敵艦艇防空體系進行突防。在遠區,可通過密集編隊,利用遠程搜索雷達距離和方位分辨率較低的特點,無法將其識別為群目標,導致指揮決策方案單一;一旦進入近區,雖然可被近程傳感器檢測為群目標,然而大大消耗了防空系統的反應時間,而且近區可通過主動壓制敵方雷達傳感器,削弱敵方防空系統的反導攔截概率,提高反艦導彈的突防能力;

2)地效無人機平臺攜帶超空泡魚雷等作戰單元[8],如圖3所示，以超低空巡航方式,接近敵艦艇編隊,獲取20 km內的最佳攻擊距離,一旦被敵方探測到以后,以管射方式釋放小型無人機集群，以干擾、誘餌或者阻攔模式掩護地效無人機平臺，完成發射以及撤退任務。

圖3 無人機集群掩護發射平臺示意圖

無人機集群在實施對高價值反艦武器或者發射平臺的掩護任務時,由于無人機雷達反射面積相對較小,而無人機實施干擾時距離艦載雷達較近,干擾對象明確,一定程度上降低了對無人機任務載荷的功率需求,具有很強的技術可行性和良好的干擾效果,提供了一種復雜電磁環境下提高反艦武器的突防效益的途徑。

2012年，美國HJ研究院的一份仿真報告顯示,配備“宙斯盾”系統的導彈驅逐艦,集成了各類傳感器和武器系統,包括干擾器、誘餌彈、防空導彈、127 mm艦炮、“密集陣”近程炮以及機槍,面對8架無人機集群的突防。500次的模擬結果如圖4所示,其中4架無人機突防的次數高達約132次,仿真結果表明艦載雷達系統無法有效引導武器系統進行攔截此類無人機集群目標。

圖4 無人機集群突防模擬結果統計

目前,美國海軍典型的艦空導彈包括標準系列和“海麻雀”系列,均以半主動制導體制為主。以美海軍“宙斯盾”艦艇的專用SM-2 Block 3A標準防空導彈為例,其采用慣性/無線電指令+半主動尋的制導方式,導彈發射后的初段按照慣性飛行,中段通過慣性導航和無線電指令接近攔截目標,一旦進入末段需要照射雷達進行連續照射,照射雷達的直波和目標的反射回波進入防空導彈的接收機,合成處理后形成制導信號,控制導彈的飛控系統按一定的導引規律,實現與目標交會。根據上述防空導彈制導流程的分析,利用無人機集群輔助反艦導彈進行突防,壓制敵方雷達傳感器的方法如下:

1)干擾艦載對空搜索雷達

降低敵方雷達傳感器測得的目標信息精度,導致其射擊諸元解算誤差變大,影響發射準確性。例如對空搜索雷達在干擾信號的影響下,獲取目標仰角信息誤差較大,使艦空導彈導引頭開機時,天線主瓣不能有效接收目標回波,無法構成半主動尋的導引條件。

2)干擾艦空導彈的導引頭

由于導引頭測角通路帶寬較大,無人機干擾信號能夠進入導引頭的接收通路[9],其目的在于使艦空導彈在引導過程中,由于額外注入的制導誤差,導致艦空導彈偏離目標,或者因脫靶量過大,無法對目標實施有效攔截。

3)干擾艦載單脈沖跟蹤雷達

常規艦載單脈沖跟蹤雷達突出其對單個高速機動目標的高精度測量,用于實施目標火控濾波和預測,控制艦炮射擊攔截。此類跟蹤雷達面臨集群目標時,將出現“角閃爍”現象,導致對攔截目標測不準、跟不穩,艦炮無法有效毀傷目標。

4)占用武器系統通道

依靠無人機集群性價比高,充分發揮數量和小型化等優勢,模擬反艦導彈的雷達信號特征,形成虛假飽和攻擊態勢,占用艦載防御武器系統通道,突破艦載立體防御體系,甚至破壞艦艇雷達系統。

5 關鍵技術

1)集群發射系統

根據作戰場景分析,無人機集群的突防距離至少要超過100 km,甚至要達到200 km,而且需要快速形成集群態勢。考慮到低成本、可消耗的設計要求,以及艦面空間的約束,無法為艦載無人機集群單獨設計復雜的發射系統。因此，可考慮使用大口徑艦炮發射，即類似于火箭炮的管式發射,以及空基平臺的投射方式,助推段結束后采用電池驅動,支持一次作戰過程不少于2小時,并考慮實施戰后回收。

2)網絡安全性

目前，國內對于Ad Hoc網絡的研究仍處在理論研究階段,至多是進行一些演示、示范系統的研制或仿真,鮮有實用的工程實現,而且反無人機手段日益豐富,電子干擾壓制對集群通信系統會造成致命打擊,因此，自組網的安全性對無人機集群任務執行的影響至關重要,應作為關鍵核心技術進行研究。

3)定位與導航

在無人機集群行動中,GPS/北斗衛星定位系統用于提供高精度的定位服務,但在戰時衛星信號拒止環境中,只能依靠少數無人機節點進行地形匹配,從而，輔助慣性導航系統實現自主導航,其他無人機節點則需利用有限無人機的匹配定位信息(信標節點),通過網絡拓撲關系為全網絡節點提供聯合導航定位服務。

4)任務自組織

無人機集群所處戰場環境瞬息萬變,任務區域具有高度的動態和不確定性,無人機集群根據不同載荷分工各不相同,具有分布式系統的特點,在戰場通信條件受限的情況下,將難以保證個體都獲取全局的實時戰場信息。動態戰場環境下,為增強無人機集群的自主適應能力,需要研究惡劣環境下多無人機分布式協同任務自組織技術,按需共享關鍵戰場信息,甚至在通信網絡中斷后,無人機個體仍可依靠視覺等機載信息,圍繞同一目標,自發調整各自行動,以最大限度發揮無人機集群的群體智能,取得最佳的作戰效果。

6 結束語

未來艦載無人機集群系統將大幅提升艦艇編隊的信息化水平,通過數據鏈與艦艇編隊探測系統、武器系統實現直接鉸鏈,將極大增強超視距情況下艦艇編隊聯合火力的組網能力。本文以艦載無人機集群系統戰術運用為背景,通過遠程聯合定位和掩護干擾兩種不同作戰場景下的作戰流程分析,體現了無人機集群與艦炮武器系統、導彈武器系統聯合作戰的效果,提供了將艦載無人機集群的信息優勢轉化為作戰優勢的參考途徑。