無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)分析

趙愛罡

摘 要：無人機(jī)作戰(zhàn)在近年來的戰(zhàn)爭(zhēng)中作用明顯，也是未來戰(zhàn)爭(zhēng)主要模式，本文就無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的需求、意義、技術(shù)、現(xiàn)狀、發(fā)展做一詳細(xì)介紹，并分析戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模、協(xié)同體系結(jié)構(gòu)、搜索策略、搜索算法四個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)。

無人機(jī)是一類機(jī)上無人駕駛、通過遙控或者自主控制的飛行器，與有人機(jī)相比具有無人員傷亡、生存能力強(qiáng)、效費(fèi)比高、設(shè)計(jì)尺寸靈活等優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用日漸廣泛，在近幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，無人機(jī)的參戰(zhàn)投入數(shù)量、種類和架次呈迅速增長的態(tài)勢(shì)。

一、多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)需求

在復(fù)雜多變的信息化戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，單架無人機(jī)的作戰(zhàn)能力會(huì)受到各種因素的制約，其中主要的影響因素有幾點(diǎn)：

（1）戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜性、廣闊性由于作戰(zhàn)區(qū)域可能包括城市、湖泊、森林等不同的地理環(huán)境待搜索目標(biāo)的分布具有復(fù)雜性和不確定性;待搜索區(qū)域中存在高炮、導(dǎo)彈等不同的戰(zhàn)場(chǎng)威脅，單架無人機(jī)的生存能力受到了嚴(yán)重威脅。

（2）偵察傳感器性能的不穩(wěn)定性

無人機(jī)執(zhí)行偵察搜索任務(wù)的效果很大程度上取決于傳感器的探測(cè)能力，常用的機(jī)載偵察手段有圖像偵察、紅外偵察、主動(dòng) /被動(dòng)雷達(dá)偵察等。面對(duì)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境、惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)氣象環(huán)境，傳感器的性能會(huì)受到不同程度的影響。

（3）作戰(zhàn)任務(wù)的時(shí)效性

大多數(shù)軍事任務(wù)對(duì)于任務(wù)的完成時(shí)間具有嚴(yán)格的要求，同時(shí)由于無人機(jī)的航程限制，無人機(jī)必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的偵察搜索。因此，單架無人機(jī)在執(zhí)行偵察搜索任務(wù)時(shí)面臨偵察效果、搜索范圍、生存能力等諸多方面的限制，其執(zhí)行任務(wù)的效率和成功率不斷下降，作戰(zhàn)效能的發(fā)揮受到了制約。

二、多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)意義

美國空軍科學(xué)顧問委員會(huì)指出：“未來的無人機(jī)應(yīng)當(dāng)以成群的方式工作而不是單獨(dú)行動(dòng)”。相比于單機(jī)作戰(zhàn)平臺(tái)，多無人機(jī)在協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)具備以下優(yōu)勢(shì)：

（1）無人機(jī)群具有自主協(xié)同、無中心的優(yōu)勢(shì)，不依賴于某架特定的無人機(jī)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行指揮協(xié)調(diào)，當(dāng)部分無人機(jī)失去作戰(zhàn)能力時(shí)，整個(gè)無人機(jī)群仍然保持著一定程度的完整性，可以繼續(xù)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。

（2）通過協(xié)同作戰(zhàn)，擴(kuò)大了探測(cè)范圍，能夠?qū)^大任務(wù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)偵察，并且通過無人機(jī)群對(duì)任務(wù)的并行執(zhí)行，縮短了任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，提高了任務(wù)完成效率。

（3）無人機(jī)群可以對(duì)單一目標(biāo)實(shí)施多方位實(shí)時(shí)探測(cè)，拓寬了探測(cè)角度并且通過利用無人機(jī)之間信息的傳輸與共享，彌補(bǔ)了單傳感器探測(cè)的不足，提高了對(duì)目標(biāo)協(xié)同搜索的效率。

（4）無人機(jī)群對(duì)目標(biāo)實(shí)施打擊時(shí)可以通過協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)待攻擊目標(biāo)的合理分配，并且能夠?qū)崿F(xiàn)打擊鏈的快速閉合，提高了對(duì)目標(biāo)的打擊效果。

正是由于無人機(jī)協(xié)同所具備的以上優(yōu)勢(shì)，組織多無人機(jī)協(xié)同執(zhí)行偵察搜索、多目標(biāo)攻擊等任務(wù)將成為無人作戰(zhàn)的一種重要軍事行動(dòng)方式。

三、多無人機(jī)協(xié)同現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對(duì)多無人機(jī)協(xié)同搜索問題開展了一系列的理論研究，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了較好的效果。多無人機(jī)協(xié)同搜索問題主要圍繞戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模、協(xié)同體系結(jié)構(gòu)、搜索策略三個(gè)方面進(jìn)行研究。

（1）戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模

在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建模方面，主要方法有固定航線的區(qū)域掃描法、基于圖論的方法、人工勢(shì)場(chǎng)法以及環(huán)境柵格搜索圖法。內(nèi)螺旋式和光柵式在規(guī)則地區(qū)的搜索問題上進(jìn)行了改進(jìn)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在滿足無人機(jī)機(jī)動(dòng)性能條件下的對(duì)待搜索地區(qū)的區(qū)域全覆蓋。通過聚類分析和圖論等方法對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行建模和分區(qū)，結(jié)合各子區(qū)域任務(wù)特點(diǎn)對(duì)無人機(jī)群進(jìn)行搜索任務(wù)分配和航路規(guī)劃，產(chǎn)生的航路滿足威脅回避和可飛性要求。

（2）協(xié)同體系結(jié)構(gòu)

通常無人機(jī)群的協(xié)同體系結(jié)構(gòu)有集中式體系結(jié)構(gòu)、分布式體系結(jié)構(gòu)、集散式體系結(jié)構(gòu)。集中式體系結(jié)構(gòu)其主要表現(xiàn)為地面站對(duì)無人機(jī)群的統(tǒng)一集中控制。集散式體系結(jié)構(gòu)中式結(jié)構(gòu)能夠從全局角度對(duì)搜索問題進(jìn)行協(xié)調(diào)和優(yōu)化，但在實(shí)際作戰(zhàn)中其中央節(jié)點(diǎn)易受打擊，系統(tǒng)健壯性不強(qiáng)，并且對(duì)通信的可靠性及帶寬提出了很高的要求。分布式體系結(jié)構(gòu)采用了自主和協(xié)作的方法，把復(fù)雜求解問題劃分為可以由各節(jié)點(diǎn)無人機(jī)解決的子問題，各無人機(jī)之間是平等的協(xié)作關(guān)系，它們之間可以直接通信。這種結(jié)構(gòu)能夠發(fā)揮各無人機(jī)的自主能力，系統(tǒng)健壯性較強(qiáng)，但是通信量較大，對(duì)無人機(jī)之間的通信能力提出了較高要求。

（3）搜索策略

在搜索策略方面，主要方法有固定航線搜索策略和動(dòng)態(tài)搜索策略。固定航線的搜索策略是指采用固定的搜索路徑以區(qū)域覆蓋為目的對(duì)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行搜索，這種方法能夠保證偵察不出現(xiàn)遺漏，但是搜索效率較低，對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力較差。動(dòng)態(tài)搜索策略主要有近視搜索策略和基于MPC的搜索策略。近視搜索策略是一種貪婪搜索方法，搜索時(shí)不斷向著臨近區(qū)域中目標(biāo)存在概率最大的區(qū)域進(jìn)行搜索，是一種通過實(shí)時(shí)探測(cè)信息來修正目標(biāo)位置分布的搜索策略。模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）策略，該策略是一種基于模型和基于優(yōu)化的控制策略，其原理主要為三個(gè)部分：模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。模型預(yù)測(cè)是指對(duì)無人機(jī)群的搜索收益和搜索代價(jià)的進(jìn)行預(yù)測(cè);滾動(dòng)優(yōu)化是指在控制的每一步，定義從現(xiàn)時(shí)起指向未來的一個(gè)有限時(shí)域，求解出這一有限時(shí)域內(nèi)的最優(yōu)控制輸入，但只實(shí)施即時(shí)的控制輸入，在下一控制周期，又重復(fù)以上步驟，整個(gè)優(yōu)化時(shí)域不斷向前滾動(dòng);反饋矯正是指在每一步進(jìn)行優(yōu)化之前，利用實(shí)時(shí)信息對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正，能夠在一定程度上補(bǔ)償各種不確定因素對(duì)系統(tǒng)的影響。因此，將 MPC 方法用于無人機(jī)群協(xié)同搜索具有合理性。

四、多無人機(jī)協(xié)同發(fā)展趨勢(shì)

隨著作戰(zhàn)環(huán)境的日益復(fù)雜化，單獨(dú)某種搜索方法有時(shí)不能很好地解決目標(biāo)搜索問題，新的發(fā)展趨向于將多種方法相結(jié)合。傳統(tǒng)方法與人工智能方法相結(jié)合近年來，人工智能技術(shù)逐漸被引入到無人機(jī)群協(xié)同問題的研究中來，促使了各種方法的融合發(fā)展。