無人機蜂群作戰(zhàn)構成及作戰(zhàn)概念研究*

楊麗娜,曹澤陽,李勇祥

(空軍工程大學 防空反導學院，陜西 西安 710051)

0 引言

人類早在進化階段就從動物界學習和認識到，集群作戰(zhàn)可發(fā)揮出遠超個體累加的戰(zhàn)斗力。進入21世紀，隨著集群技術、自主技術、協(xié)同技術等智能化技術的迅速發(fā)展，無人機蜂群這種具有數量優(yōu)勢、成本優(yōu)勢、智能協(xié)同優(yōu)勢[1-3]的新型作戰(zhàn)概念模式迅速受到各軍事強國的高度關注。

本文以無人機蜂群作戰(zhàn)構成與作戰(zhàn)過程研究為出發(fā)點，通過文字與圖形的方式構想了未來無人機蜂群的作戰(zhàn)概念，以及作戰(zhàn)概念中擔負的作戰(zhàn)任務與作戰(zhàn)樣式。據此分析了發(fā)展無人機蜂群作戰(zhàn)概念所需的關鍵技術，以期能為無人機蜂群裝備的論證與發(fā)展提供參考。

1 無人機蜂群作戰(zhàn)構成及作戰(zhàn)過程

根據美空軍2015年發(fā)布的《空軍未來作戰(zhàn)概念》,2016年發(fā)布的《小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃2016-2036》以及各類無人機蜂群在研與預研項目的總體構想，可以理解為，無人機蜂群是由數十至成百上千配備多種任務載荷的低成本、小尺寸、功能有限的無人機構成。組成無人機蜂群的單個無人機平臺可以是同構或異構無人機，它們在作戰(zhàn)過程中，借鑒“蜂群”、“鳥群”、“魚群”等生物界群體行為模式，以各類平臺為載體，以單平臺無人機的作戰(zhàn)能力為基礎，以無人機之間的協(xié)同交互能力為支撐，以群體智能涌現(xiàn)能力為核心，在人類的統(tǒng)一指揮或監(jiān)督下，協(xié)同開展偵察、搜索、干擾、誘騙或攻擊等多種行動。

典型的無人機蜂群系統(tǒng)主要由多架無人機、相關的遙控指揮系統(tǒng)、通信數據鏈及批準的型號設計規(guī)定的任何其他部件組成。其中，多無人機飛行器是無人機蜂群系統(tǒng)作戰(zhàn)過程中的具體實施者，負責執(zhí)行指揮系統(tǒng)要求的、友鄰平臺所需的各類作戰(zhàn)任務，如目標的探測、定位、欺騙與打擊等；遙控指揮系統(tǒng)是無人機蜂群作戰(zhàn)的神經中樞，一般由地面控制站或空中載機擔負，主要負責運籌謀劃無人機蜂群作戰(zhàn)行動，調配控制無人機蜂群，組織無人機蜂群實施各類作戰(zhàn)活動達成預定的作戰(zhàn)目的；通信數據鏈是無人機蜂群有效實施作戰(zhàn)任務的關鍵命脈，主要包括機載通信終端與遙控指揮通信終端2部分，用以完成無人機蜂群與遙控指揮系統(tǒng)、無人機蜂群系統(tǒng)內部之間信息的交互與共享、指揮與協(xié)同等。

按照上述作戰(zhàn)構成，無人機蜂群的作戰(zhàn)過程如圖1所示。

無人機蜂群在明確自身所擔負的具體作戰(zhàn)任務后，迅速從信息支援系統(tǒng)中獲取與作戰(zhàn)任務相關的全維戰(zhàn)場態(tài)勢信息，并由遙控指揮系統(tǒng)圍繞作戰(zhàn)任務和要達到的作戰(zhàn)目標對整個無人機蜂群的作戰(zhàn)過程進行詳細的預規(guī)劃，主要包括：目標分析、蜂群編配、威脅分析、任務分配、戰(zhàn)術規(guī)劃、航路規(guī)劃、協(xié)同規(guī)劃等。從空中投放后，無人機蜂群通常以編隊的形式飛至作戰(zhàn)空域，同時進行目標區(qū)域任務的再次確認，隨后按照既定的作戰(zhàn)任務和航路飛至各自任務空域，做好作戰(zhàn)前的準備工作，包括航路調整、任務參數設置、作戰(zhàn)方式選擇等，隨后向目標發(fā)起攻擊。在完成作戰(zhàn)任務后，無人機蜂群會依據自身攜帶的傳感器裝置感應戰(zhàn)場局部態(tài)勢或由遙控指揮系統(tǒng)進行無人機蜂群作戰(zhàn)的效能評估，并更新任務計劃，直至作戰(zhàn)結束。

2 無人機蜂群作戰(zhàn)概念

2.1 無人機蜂群空對地作戰(zhàn)概念

在無人機蜂群空對地作戰(zhàn)方面，由于現(xiàn)有的地面防空武器系統(tǒng)主要被設計應用于探測和攔截數量少、大尺寸、高速度、遠距離的飛行器，對于無人機蜂群這種以數量優(yōu)勢和成本優(yōu)勢取勝的作戰(zhàn)體系，基本不具備有價值的作戰(zhàn)能力。因此，無人機蜂群在對地作戰(zhàn)過程中，具有非對稱作戰(zhàn)優(yōu)勢。無人機蜂群對地作戰(zhàn)概念構想如圖2所示。

無人機蜂群在對地作戰(zhàn)中，主要遂行以下幾類任務。

(1)區(qū)域偵察

有時為了保證目標信息的完整性與準確性，需要對統(tǒng)一目標進行反復偵察與確認，這種偵察探測方式依靠傳統(tǒng)的大功率預警探測設備很容易被發(fā)現(xiàn)。無人機蜂群可利用自身體積小的隱身優(yōu)勢，在“毫無征兆”的前提下，抵近敵方縱深區(qū)域附近，對敵雷達陣地、作戰(zhàn)指揮所等目標實施長時間的偵察、跟蹤與監(jiān)視。無人機蜂群體積小，數量多，可以分散開從不同角度、不同高度或采取輪流執(zhí)勤的方式對敵目標實施戰(zhàn)場監(jiān)視，對已掌握的敵情目標實施不間斷精確跟蹤偵察，對新發(fā)現(xiàn)目標及時查明情況。并根據戰(zhàn)場變化情況，連續(xù)進行綜合態(tài)勢分析、整理和確認，以便詳細掌握敵部署變化、力量組成、威脅程度等，為作戰(zhàn)指揮人員提供可靠的數據信息。

(2)防空壓制

大量的小型無人機平臺一方面可迅速占用敵防空雷達跟蹤、瞄準、通信通道，使其在短時間內很難對所有的目標實施準確跟蹤與確認，造成其防空預警探測系統(tǒng)瀕臨崩潰的邊緣；另一方面，數量龐大的無人機蜂群會使敵方武器打擊系統(tǒng)顧此失彼，難以有效應對，可為后續(xù)的有人機、導彈等重型武器迅速打開作戰(zhàn)通道。

(3)電子對抗

蜂群中的部分無人機平臺可攜帶配備不同功率或頻率的電子對抗設備，通過發(fā)射不同的電磁波干擾波段、釋放干擾箔條等方式，集群式向敵地面防空雷達、通信系統(tǒng)、預警探測裝置或其他帶有輻射源的電子設備實施電子干擾，擾亂其正常作戰(zhàn)頻譜，保護無人機蜂群或其他空中力量作戰(zhàn)任務的順利實施。

(4)火力誘騙

無人機蜂群突出的成本優(yōu)勢和數量優(yōu)勢，經常會以隱蔽的方式釋放大量物質干擾，迷惑、誘騙敵方。一方面，“鋪天蓋地”的無人機蜂群可誘使敵方雷達開機，暴露敵方重要作戰(zhàn)目標，為后續(xù)作戰(zhàn)力量提供助力；另一方面，無人機蜂群可在敵主要兵力方向重兵布陣，以數量優(yōu)勢制造空襲假象，吸引敵火力單元，消耗其重要作戰(zhàn)資源。

(5)火力攻擊

無人機蜂群在作戰(zhàn)過程中，可配合其他空中作戰(zhàn)力量，對地面重要目標實施聯(lián)合火力打擊，造成敵重要指揮控制中心和關鍵鏈路節(jié)點癱瘓和失效。一方面是自殺式攻擊。無人機蜂群從空中通過載機梯次投放后，在指定位置集結編隊，依靠數量優(yōu)勢集中對敵同一目標薄弱環(huán)節(jié)進行自殺式撞擊，或集結編隊后，從不同方向和不同高度連續(xù)抵近敵目標區(qū)域，分批對敵目標實施不間斷攻擊，以便造成敵指揮控制人員恐慌，指揮控制系統(tǒng)紊亂。另一方面是載荷式破壞。無人機蜂群個體平臺可通過攜帶不同殺傷效果的小型載荷，如小型炸彈、小型魚雷、小型炮彈等武器，依托自主導航發(fā)射系統(tǒng)或遠程指揮控制系統(tǒng)低空飛行，繞開敵預警探測裝置，對敵雷達站、通信站、指揮控制樞紐等重要軍事設施實施連續(xù)近距發(fā)射載荷，從而達到壓制、破壞敵防空系統(tǒng)甚至摧毀重要目標使之功能失效的目的。

2.2 無人機蜂群空對海作戰(zhàn)概念

無人機蜂群對海作戰(zhàn)方面，由于現(xiàn)有的水面艦艇機動能力差、經濟價值高、應對“低慢小”目標能力不足等特性，使其成為低成本、機動力不足、數量眾多的無人機蜂群作戰(zhàn)的理想目標。無人機蜂群對海作戰(zhàn)概念構想如圖3所示。

無人機蜂群對海作戰(zhàn)過程中,主要是對海面高價值的航空母艦、驅逐艦、戰(zhàn)斗艦等遂行抵近、干擾壓制、火力打擊、消耗對方火力資源等任務，基本與對地的作戰(zhàn)任務相同。

以美軍“宙斯盾”[4]艦載武器系統(tǒng)為例，這套系統(tǒng)集成了AN/SPY-1相控陣雷達、127 mm艦炮、“密集陣”近防武器系統(tǒng)、多類傳感器等高科技武器系統(tǒng)，是目前世界上最先進、最成熟的防御體系。但就是這一先進的防御系統(tǒng)，在應對無人機蜂群作戰(zhàn)時，仍舊顯得力不從心，這一結論來源于美國海軍數百次的模擬試驗。試驗結果表明，當有8架以上無人機蜂群對“宙斯盾”系統(tǒng)發(fā)起攻擊時，平均有2架無人機可有效突破“宙斯盾”攔截系統(tǒng)，更致命的是，面對成群結隊的無人機蜂群，系統(tǒng)火力很難合理分配，且只有“密集陣”近防武器系統(tǒng)和重機槍可對無人機蜂群實施有效攔截。即使對現(xiàn)有系統(tǒng)進行升級，也至少有一架無人機可避開攔截，順利到達作戰(zhàn)目的地。可想而知，如果是10架、100架、甚至1 000架的無人機對現(xiàn)有防御體系實施攻擊時，結果無法預料。

2.3 無人機蜂群空對空作戰(zhàn)概念

無人機蜂群對空作戰(zhàn)概念如圖4所示。

圖4 無人機蜂群空對空作戰(zhàn)概念Fig.4 Operational concept of unmanned aerial swarm for air to air

無人機蜂群在對空作戰(zhàn)過程中，也可發(fā)揮不容小覷的力量。一是充當尖刀力量。無人機蜂群可利用自身的數量優(yōu)勢，對敵空中作戰(zhàn)力量(有人機、無人機等)實施防空壓制，火力攻擊、電子干擾等任務，為己方突擊飛機指示和摧毀雷達目標，為后續(xù)作戰(zhàn)編隊開辟空中走廊。二是對敵方進行心理震懾。成群上萬的無人機蜂群忽然“鋪天蓋地”而來，勢必對敵空中作戰(zhàn)人員造成心理恐慌，擾亂其正常決策。三是執(zhí)行反無人機蜂群任務。事實證明，當采用規(guī)模龐大的集群戰(zhàn)術作戰(zhàn)時，很容易被對方捕獲，而采用數量龐大的小型或微型無人機蜂群作戰(zhàn)時，留給對方的作戰(zhàn)反應時間很短。傳統(tǒng)防御方法在對抗規(guī)模龐大的無人機蜂群時，也顯得力不從心。而采用無人機蜂群對抗無人機蜂群的作戰(zhàn)模式，或許更見成效。

2.4 無人機蜂群對城市作戰(zhàn)概念

無人機蜂群對城市作戰(zhàn)方面，力量也不容小覷。一是制造恐怖氣氛。近年來，在全國各大城市舉辦的大型群眾慶典、閱兵儀式、體育賽事、國際博覽會等活動越來越多。這些活動容易受到國際恐怖組織、非法反動組織、民族分裂組織及仇視社會的極端分子等的破壞。他們利用無人機蜂群的隱身特性，飛臨每棟建筑，對首腦要害部位、高級別國際峰會會址等區(qū)域進行狙擊或騷擾，或攜帶爆炸燃燒物、反動宣傳品等在現(xiàn)場上空投放或降落，造成惡劣的政治影響。二是為地面部隊護航。大量無人機飛臨城市上空，或制造煙霧，或吸引敵方火力，可為城市部隊的順利前行開辟通道和保駕護航。三是抵近偵察。大型城市中，分布有大量的科研院所、首腦機關等重要目標，含有大量涉密設施或居住政府首腦人物，恐怖分子可在幾百米甚至幾千米外的隱蔽地點遙控無人機對涉密設施進行近距離偵察，或抵近政府首腦機關，對重要人物進行近距離確認。其作戰(zhàn)概念如圖5所示。

圖5 無人機蜂群對城市作戰(zhàn)概念Fig.5 Operational concept of unmanned aerial swarm for city

3 無人機蜂群作戰(zhàn)關鍵技術

3.1 體系架構

系統(tǒng)架構決定系統(tǒng)效能，無人機蜂群為了完成作戰(zhàn)概念構想中的任務，必須尋求開放式、兼具集中式和分布式體系架構[5-7]優(yōu)點的網絡化體系架構，以實現(xiàn)無人機蜂群系統(tǒng)內部作戰(zhàn)行動的智能協(xié)同、實時升級和動態(tài)重組。

多智能單元系統(tǒng)[8-9](multi-agent-system,MAS)和復雜網絡[10-11]相關理論的發(fā)展，為無人機蜂群作戰(zhàn)概念構想下的體系結構構建提供了可能。無人機蜂群體系架構可基于多智能單元系統(tǒng)和復雜網絡理論，將無人機蜂群中的單個平臺看成是智能單元個體，設想無人機蜂群系統(tǒng)是由多個智能單元構成，利用MAS系統(tǒng)中多個智能單元間的作戰(zhàn)協(xié)商與信息共享的相互作用，從而實現(xiàn)大規(guī)模無人機間的信息共享與協(xié)同作戰(zhàn)。利用復雜網絡理論借助數學理論、統(tǒng)計物理學、群理論、網絡圖理論等[12-13]方法，將多個具有智能單元性質的無人機平臺抽象為復雜網絡系統(tǒng)中的不同節(jié)點，并用邊或鏈路的形式描述節(jié)點間的相互關系；通過對復雜系統(tǒng)中的網絡特性、演化機制、網絡拓撲結構、動力學特性等方面的研究，用以描述無人機蜂群成員間的群體行為以及群體行為的涌現(xiàn)能力，從而為大規(guī)模無人機間的集群作戰(zhàn)體系架構開辟一種新的有效的研究途徑。

3.2 自主控制

無人機蜂群作戰(zhàn)概念是自主控制[14]、智能協(xié)同，這就要求無人機平臺具有先進的自主控制系統(tǒng)，在遠離遙控指揮系統(tǒng)的區(qū)域飛行時，具有自主控制能力。一方面在復雜電磁環(huán)境和敵方作戰(zhàn)干擾下，面對無人機蜂群可能失去與遙控指揮系統(tǒng)聯(lián)系的前提下，無人機蜂群能夠依靠自控制系統(tǒng)，通過既定的作戰(zhàn)規(guī)則與信息交互模式，實現(xiàn)友鄰間的自主協(xié)作、自主返回、自主執(zhí)行任務等；另一方面，無人機蜂群平臺與遙控指揮系統(tǒng)間的人在回路控制模式，由于人的反應、信息的延遲造成大量時間浪費，無人機蜂群的自主決策能力取代人的判斷，通過自主控制，無人機蜂群平臺可實現(xiàn)對自身狀態(tài)的實時檢測、戰(zhàn)場環(huán)境的自適應控制、作戰(zhàn)任務的自適應調整，從而大幅度提高作戰(zhàn)效能。因此，加強自主控制技術的研究，也是實現(xiàn)無人機蜂群智能作戰(zhàn)的關鍵因素。

3.3 編隊控制

編隊控制[15]，是無人機蜂群實現(xiàn)自主控制、智能協(xié)同的關鍵技術。通過無人機蜂群的編隊控制，可以使多個無人機在避免相互碰撞的前提下，按照一定的隊形結構移動來實現(xiàn)集群作戰(zhàn)。這種編隊控制，通常會對無人機蜂群編隊的穩(wěn)定性以及面對實時變化任務的動態(tài)性重組等方面提出要求。為了完成預定的作戰(zhàn)任務，無人機蜂群需要保持一定的隊形移動，這種隊形保持和移動，需要無人機蜂群內部所有成員間大量的信息交互為前提，隨著移動性的增強和作戰(zhàn)任務的更新，可能還會對信息的傳輸與時延性提出要求，這就造成無人機蜂群內部因大量信息的交互與動態(tài)重組導致通信拓撲結構的頻繁變化，這種變化，將會對無人機蜂群的組網與通信技術提出極高要求。

不同的編隊策略，對通信組網的要求各不相同。無人機蜂群的編隊控制，可通過優(yōu)化無人機蜂群組網中的拓撲結構、增加容錯機制、改變信息傳輸方式等予以實施，同時運用演化計算、博弈論、遺傳算法、仿生計算等思想和技術，設計無人機蜂群智能編隊策略，提高對無人機蜂群編隊的控制。

3.4 抗干擾

無人機蜂群作戰(zhàn)群體智能涌現(xiàn)的關鍵是依賴智能化組網技術與通信，作戰(zhàn)過程中，無人機蜂群想要保持這種群體智能涌現(xiàn)能力，就要加強抗干擾技術的研究，提高在復雜電磁環(huán)境與人為干擾因素影響下的組網和通信的可靠性和持續(xù)性。

針對無人機蜂群的作戰(zhàn)構成及作戰(zhàn)特點，可考慮采用跳頻擴頻技術，針對干擾頻率及時對載波頻率及發(fā)射功率進行自適應調整，以保證干擾頻率不會對正常通信產生影響；采用組網技術，實現(xiàn)通信資源的最優(yōu)化利用，確保無人機蜂群關鍵設備對載波信號的最佳感知，并能夠對干擾信號對通信造成的影響進行實時調整；通過實時選頻技術為無人機蜂群通信組網提供足夠的可以避開干擾的頻率；研究高頻自適應抗干擾技術及虛擬智能天線在無人機蜂群系統(tǒng)中應用的可能性[16]。

無人機蜂群作戰(zhàn)過程中，除需要上述關鍵技術外，還包括無人機蜂群的作戰(zhàn)使用、集群態(tài)勢感知、任務規(guī)劃等，這些都對無人機蜂群作戰(zhàn)效能的發(fā)揮至關重要，由于篇幅的限制，這里不再贅述。

4 結束語

本文從無人機蜂群作戰(zhàn)的起源及研究無人機蜂群作戰(zhàn)的意義入手，對無人機蜂群的作戰(zhàn)構成與作戰(zhàn)過程進行了初步探討，并從作戰(zhàn)層面上分析構想了未來無人機蜂群作戰(zhàn)可能存在的對地、對空、對海、對城市4種作戰(zhàn)概念。在此基礎上，分析了實現(xiàn)上述無人機蜂群作戰(zhàn)概念構想所需的關鍵技術。可以預見，隨著各類關鍵技術的不斷發(fā)展與進步，無人機蜂群作戰(zhàn)必將會顛覆傳統(tǒng)的作戰(zhàn)模式，給現(xiàn)有的防空體系帶來巨大的威脅。因此，應該加強對無人機蜂群作戰(zhàn)概念以及相關關鍵技術的研究，嘗試發(fā)展新型作戰(zhàn)模式，牽引新型裝備的研究論證與作戰(zhàn)使用。