美國DARPA無人機集群技術研究進展

曾 鵬　花梁修宇　陳軍燕　廖龍文

經過數十年的發展，現代戰爭的形態已逐步完成從機械化向信息化的過渡，各軍事大國之間的差距逐漸減小。為保持軍事優勢，世界主要軍事強國將目光轉向智能化戰爭，軍事智能在決定未來戰爭勝負方面扮演愈加關鍵的角色。

在軍事智能的各項指標中，武器裝備的自主性無疑是判斷“智能”水平的核心指標，其中尤以“集群智能”技術最為突出。高度自主的智能化集群武器裝備可在戰斗人員賦予任務后，依靠智能算法自動尋找、識別甚至執行攻擊任務，并具備造價低、生存強、效率高等諸多優點。

美軍多年前就已經開始著手發展“集群智能”裝備，其中具有自主能力的無人機集群技術是其發展的重點。早在2005年，美國國防部發布的《無人機系統路線圖2005-2030》中，將無人機的全自主集群作為最終發展目標。在2015年9月發布的《空軍未來作戰概念》頂層戰略文件、2016年5月發布的《2016—2036年小型無人機系統飛行規劃》中，都提出了無人機集群的作戰概念。在2019年2月12日，美國國防部公布的《2018年國防部人工智能戰略摘要》對這一問題再次進行了強調。

美軍各研發部門也正在著力發展這一顛覆性技術，以便擴充傳統威懾，掌控未來戰爭局勢。美軍國防高級研究計劃局（DARPA）作為美軍軍事裝備技術研發的先驅，在無人機集群技術方面也投入了大量精力，并已取得一些初步成果，開展了“小精靈”“拒止環境協同作戰”“快速量輕自主”和“集群使能攻擊戰術”等多個無人機集群研發項目。

“小精靈”項目

“小精靈”項目致力于實現無人機集群的空中發射與回收，進而促進空中作戰概念的轉變。該項目的作戰想定是無人機在沒有可靠陸基或海基著陸點時，通過空基（如運輸機）平臺在防區外發射攜帶有偵察或電子戰載荷的無人機集群，通過集群內部的信息共享與協同，突破敵方防御系統，執行偵察與電子攻擊任務，并在任務完成后對幸存的無人機進行回收。

“小精靈”項目以C-130運輸機為運載平臺，回收無人機時，在C-130下方遠離機體的地方部署一個類似于空中加油系統的拖曳式穩定捕獲設備。回收時，無人機與對接裝置相連，通過絞車和線纜從C-130的貨艙門由機械爪將其捕獲并收回機艙。預計每30分鐘完成4架無人機回收工作。地面人員會對其進行維護，以便在24小時內進行下一次使用。盡管目前“小精靈”項目采用C-130作為演示平臺，但它的模塊化設計使美軍可以輕松修改其他運輸機或主要武器運載系統與之配合。

項目使用的無人機作戰半徑可達900千米，巡航時間最長3小時，最大速度馬赫數0.8，最大載荷約68千克，出廠單價（不包括載荷）低于70萬美元，預計使用壽命為20次飛行。這些無人機將配備多種不同載荷，具有數量大、尺寸小、廉價、可重復使用等特點。“小精靈”項目項目涉及眾多技術領域，包括：無人機發射和回收技術;低成本、有限壽命的機身設計;高保真分析;精確數字飛行控制;相對導航和站點保持等。

“小精靈”項目始于2015年9月，項目分為3個階段實施：第一階段重點研究了無人機空中發射和回收系統的可行性，并于2017年3月順利完成，選擇Dynetics公司和通用原子公司進入第二階段工作。第二階段主要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，2018年4月順利完成。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”集群的空中發射和回收飛行試驗，研究與潛在合作伙伴的不同傳感器集成的可能性。

“小精靈”項目的無人機集群作戰樣式既可解決作戰前沿區域部署機動性的現實需求，也可以為解決日益復雜的A2/AD戰場環境提出可靠的突防方案。雖然這些“小精靈”無人機群無法都在復雜的戰場突防作戰中生存下來，但考慮到其相比一般防空導彈而言較低的造價，這使得使用防空導彈防御“小精靈”無人機群作戰得不償失。此外，低成本使得“小精靈”無人機群可以利用數量優勢實現過飽和攻擊，同時有效避免后續美軍大型戰機的損失。總體而言，“小精靈”無人機群投入作戰的規模可調、作戰效應多樣、經濟可行性高，而且還能在各種沖突環境中提高作戰資源利用效率，具有很高的軍事應用前景。

“拒止環境協同作戰”項目

“拒止環境協同作戰”（CODE）項目希望搭建一個模塊化的軟件架構，旨在發展先進的自主協同算法和監控技術，保障無人機集群能在抗“帶寬限制”以及“通信中斷”等拒止環境下保持態勢感知并完成發現、跟蹤、識別和攻擊目標等任務，從而提高無人機在高對抗環境中的自主性和協同作戰能力，同時降低對操作人員數量及成本的要求。

“拒止環境中的協同作戰”項目概念圖

FLA項目所用的四軸飛行器

CODE項目于2015年發布。2018年1月，完成了開放架構、自主協同等指標的驗證。2018年11月，完成在拒止環境下，應對突發威脅能力的驗證。實現了無人機在低通信量時，可高效共享態勢，協同規劃和分配任務，制定戰術決策，應對動態高威脅環境。目前該項目已經進入第二階段，第三階段將驗證單人控制最多6架無人機的能力。

CODE項目將改變目前單個無人機需要多人操作的情況，使得無人機在未來戰場上執行情報、監視和偵察及戰術打擊等各種任務時的能力大為拓展。具有自治能力的無人機群可在單人的監督控制下協同工作，任務中不斷評估自身的狀態和環境，并向任務主管提出協調無人機行動的建議。任務主管可以混合和匹配具有特定能力的不同系統，以適應各個任務，并指導任務變更。支持CODE的無人機通過協作和自治，僅需要很少的監督就能根據既定的接戰規則找到目標并酌情參與其中，并及時對戰場的各種動態情況做出反應。這種靈活性的任務執行方式可以顯著提高現有裝備的效益，并有望實現新的部署理念。

“快速輕量自主”項目

現代戰爭中，GPS導航技術被廣泛應用于各種武器裝備與作戰行動中，但其易受欺騙和干擾，進而導致災難性軍事后果的問題也逐漸暴露。為解決這一問題，DARPA發起了“快速輕量自主”（FLA）項目，旨在研究新的感知和自主控制方法，并開發一種先進的算法，使小型無人機或無人車輛在沒有人類操作、GPS導航或任何外部數據鏈引導的情況下自主運行，執行復雜條件下的威脅任務，如在敵對城市環境中進行任務偵察或在地震后的受損建筑中搜尋幸存者。

FLA項目始于2015年。2017年6月，DARPA在佛羅里達州中部利用小型四軸無人機開展了第一階段飛行實驗，主要驗證項目的可行性，因此在無人機平臺上裝載了各種不同的傳感器來分析相關環境信息。項目進行了一系列障礙飛行試驗，測試飛行試驗為期4天，試驗取得了重大突破。先進的軟件算法和傳感器使該無人機可以通過有障礙的航路找到目標物體。

2018年6月至7月間，DARPA在佐治亞州進行了第二階段飛行測試，測試小型無人機在緊湊的室內空間，城市戶外環境和雜亂自然場景的自主飛行能力。研究人員改進了無人機的軟件系統，小型無人機僅攜帶一個攝像機，總重量減少為約原來的一半。測試驗證了FLA項目無人機的多種能力，如在多層建筑及狹窄過道中快速飛行同時確認目標、穿過窄窗進入屋內搜索及構建3D態勢以及識別樓梯并沿其飛出建筑物等。

FLA項目小型無人機的預計飛行速度為20米/秒（45英里/小時），它使用傳感器快速探索和導航未知環境中的障礙物時，會不斷創建地圖，記錄已探測過的地點，最后可自行返回起點。操控人員只需制定任務目標，如所要搜尋的目標圖形以及大概的目標方向及距離等。無人機收集的數據可與稱為Android Tactical Assault Kit（ATAK）的手持應用程序同步，該應用程序目前已經部署到美軍部隊。使用來自飛機的可選Wi-Fi鏈路（可以根據需要打開或關閉），飛行器可以發送所需對象的實時圖像。

目前，FLA項目已經在重量僅為5磅（約2.3千克）、有限電池電量和計算處理能力的輕型四軸飛行器上得到了驗證。該項目的下一步工作是將更多的計算能力集成到更小的平臺上，并逐步轉移到陸軍研究實驗室，以進一步開發潛在的軍事應用。未來亦可用于其他輕質小型地面車輛。

未來戰爭中，FLA的無人機群應用非常廣泛，如可以在軍隊進入作戰區域之前安全、快速地掃描建筑物內的威脅，或在茂密叢林等偵察機無法對地面情況進行探知的區域搜尋被擊落的飛行員或敵方人員。此外，配備FLA算法的無人系統由于無需外部通信鏈路，因此指戰員在戰爭中暴露的可能性降低，人員安全性得到大幅提高。

OFFSET項目軟件交互界面

“集群使能攻擊戰術”項目

為顯著提升小型地面部隊在城市環境下的作戰效能，DARPA在2016年12月啟動了“集群使能攻擊戰術”（OFFSET）項目，旨在快速生成集群戰術，評估集群戰術的有效性，并將最佳集群戰術整合到野外作戰中。為實現這一目標，項目尋求構建一個支持開放式系統架構的活躍集群戰術開發生態系統，該系統主要包括3個部分。

第一，先進的人員集群界面，使操作人員能夠同時對數百個無人平臺進行實時監控和指揮。該計劃旨在利用正在興起的沉浸式直觀交互技術（例如增強和虛擬現實技術，基于語音、手勢和觸控的技術等）來創建具有沉浸式態勢感知和決策呈現能力的新型指控界面。界面還將包含一個集群交互語法，實現集群戰術的“自由式”設計，以便實現基于現場實時條件的動態行動和反應。

第二，一套實時的網絡虛擬環境，用以保障實際的集群戰術演練。在演練中，操作人員可以在現實世界中使用各種無人系統或在虛擬系統中探索創新的合成技術快速探索、開發和評估集群戰術，并從中選擇最佳戰術。此外，操作人員可以通過該系統提交集群戰術進行排名，以鼓勵競爭和協作。

第三，社區驅動的集群戰術交流。該項目還為參與人員提供撰寫集群算法甚至改進其他現有集群戰術的工具，這可以為最終用戶生成集群戰術提供可擴展的架構，并幫助創建一個持久的社區來創新和培養更為有效的戰術。

OFFSET項目包括5個核心領域：集群戰術、集群自主、人員-集群協同，虛擬環境和物理測試平臺，項目通過對各種無人空中和地面平臺的頻繁實時試驗來展示其技術。大約每6個月，項目的總體復雜性就需要隨著集群大小、空間操作規模和任務持續時間等的增加而不斷增長，因此平均每6個月，項目會著力推動某一核心領域技術的發展。未來，希望通過直觀的用戶界面實現對上百個集群目標的戰術操作，應用于無人機和/或地面無人車輛集群，配備地面的班級等小型步兵部隊。

“集群使能攻擊戰術”項目擁有先進的人員集群界面進行實時監控和指揮

2018年3月，項目開始第二階段“集群沖刺”，著力發展“集群戰術”核心領域，關注戰術開發與評估以及增強自主性算法研究，加強平臺自主性。項目選擇雷錫恩公司作為承包商之一，該公司正在研發一種單人控制大量無人機的VR接口，并已在50架無人機上進行了測試。測試時，參與人員通過HTCViveVR設備和兩個控制器與環境交互，使用數據進行實時決策，可對兩個城市街區內的城市目標進行持續時間15～30分鐘的偵查。VR接口僅能完成簡單的指控操作，包括選擇集群子集并為其分配簡單任務，如移動到指定區域、原地盤旋，以及獲得周圍環境視圖。

2018年10月，項目開始第三階段“集群沖刺”，集中討論“人員-集群協同”和“集群戰術”核心領域，同時授予8家公司第二波集群沖刺合同。“人員-集群協同”是為增強人類與自主集群交互設計，開發和演示新的框架，試圖解決集群系統本身的復雜性，以及人類或指戰員在進行城市作戰時的認知需求。集群戰術是為操作人員提供集群作戰的戰術或者方法的存儲庫，主要針對任務持續時間1～2小時、面積為4個方形城市街區的“城市突襲”的任務，利用異構集群的空中和地面機器人，設計和實施的復雜集群戰術。

2019年4月，開始征求第四次沖刺的創意，包括為OFFSET在虛擬環境中開發合成技術以及應用人工智能（AI）以探索和學習新的集群戰術兩個方面。以便為基于演練的集群模擬器開發合成技術和人工智能應用。對于合成技術，主要指分布式“墻體透視”傳感器，無源集群通信或增強型傳感器/計算陣列，以實現和演示新的集群戰術。并利用人工智能加速集群戰術設計，操作人員將通過OFFSET的虛擬環境，利用人工智能框架來發現、學習和強化新型集群戰術。近期最重要的進展是在6月成功進行了第二次外場試驗，試驗中空中和地面機器人團隊測試了以隔離城市目標的相關戰術，任務執行時間達到30分鐘。

OFFSET項目未來計劃實現多達250架協作自主的無人系統集群，執行任務時間15～30分鐘，最終延長到6小時，并很有可能實現通過語音指令為集群發布任務的功能。待列裝后，OFFSET項目集群可為地面部隊解決城市作戰中遇到的高層建筑、狹小空間和有限視線等多種問題。

結語

隨著各軍事強國競爭日益激烈，美軍試圖通過發展新作戰概念及智能技術，重塑自身的“不對稱”優勢。無人集群技術正是美國“第三次抵消戰略”的關鍵一招，它利用人工智能技術，實現無人裝備在未來日趨復雜的戰場態勢中自主突防、自主規避及自主任務生成，使各作戰平臺、作戰系統緊密配合，通過體系級攻擊謀取戰爭優勢，將從戰略層面改變未來戰爭的作戰方式，并對軍隊未來的作戰理念、組織形態、裝備體系產生深遠影響。

責任編輯：張傳良