無人機集群協同作戰關鍵技術研究

馬立 黃河

摘要：文章通過分析單平臺無人機作戰的不足，引申出無人機集群協同作戰的概念，介紹了無人機集群協同作戰的優點和面臨的挑戰，并闡述了無人機集群協同作戰的相關關鍵技術，旨在為無人機集群的未來發展提供幫助。

關鍵詞：無人機集群;關鍵技術;協同決策;戰術數據鏈

中圖法分類號：E926文獻標識碼：A

Research on key technologies of UAV swarm cooperative combat

MA Li，HUANG He

（The 20th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Xi'an 710000，China）

Abstract：By analyzing the shortcomings of single-platform UAV operations， the article extends the concept of UAV swarm cooperative operations， introduces the advantages and challenges of UAV swarm cooperative operations， and expounds the key points of UAV swarm cooperative operations， so as to promote the future development of drone swarms.

Key words： UAV colony， key technology， synergy decision，tactical data link

自21世紀以來，無人機在軍事戰爭領域發揮著舉足輕重的作用，因為它滿足現代化戰爭所需要的高射程、高精度、零傷亡、高重復利用率以及隱蔽性等需求。部分西方國家已經正式把無人機的發展列入網絡中心戰系統框架中，基于此框架，研發了許多關鍵技術（如精確定位和信息融合等技術）。但是，單平臺無人機有限的飛行能力和載彈負荷很難獨自完成復雜戰場態勢中的信息收集、區域監視、多目標攻擊等任務（包括空面目標打擊、壓制敵防空系統任務等）。因此，研究者提出了無人機集群的概念，其借鑒自然界的自組織機制，與蟻群和蜂群概念類似，讓擁有一定智能化的多架無人機在沒有一切指揮控制的情況下，通過相互間信息通信融合產生整體效應，實現較高程度的自主協作，從而在盡量少的人員干預下完成預期任務，最終實現“1+1>2”的作戰效果。無人機集群協同作戰有很多優點，但同時也面臨諸多挑戰[1～2]。

本文首先介紹無人機集群協同作戰的優點和面臨的挑戰，然后重點討論了無人機集群協同作戰中的關鍵技術問題，最后的對未來的發展及應用作出展望。

1優點和挑戰

1.1特征

無人機集群是一個典型的群智能系統，也是一個復雜非線性決策控制系統，可以很好的適應高動態環境并執行相對復雜的作戰任務。對于執行作戰任務的無人機集群，必須保證此系統具備高效的協同策略，否則會導致無人機之間發生響應沖突、碰撞等情況。為了確保無人機集群高效協同地執行作戰任務，整個系統需要根據戰場環境信息（天氣地形和電磁環境）、無人機的特征（任務載荷性能、機動能力、隱身特性等）和任務需求（任務數量、任務類別和任務優先級等），為各無人機制定任務計劃，并通過無人機之間的協同提升整體作戰效能。因此，需要滿足的特征如下。

信息交互：集群內各個平臺之間要通過通信鏈路（戰術數據鏈）來共享信息，從而保障實時傳輸消息（包括地形、氣候、目標信息等）的有效性。

自適應協同：集群內的各個平臺可根據共享的位置信息相互感知，并自主協同伴飛，在保證互相不碰撞的前提下，可以按要求和命令步調一致，從而形成有利陣型，進而更好地發揮戰斗力。

高動態、高智能：面對日益復雜的戰場環境，要利用集群龐大的數據融合處理能力，打造成一張“網”，從而形成一個龐大的系統，使整個系統更快、更有效地運轉，作戰時可以自主判斷，自動下達作戰命令，自主選擇何時、何種方式進攻，不再依賴人的干預，做到“1+1>2”。

1.2優點

無人機集群協同作戰是以編隊形式按照特定的規則組合而成，它可以處理各種復雜問題，提高任務完成的效率和成功率，而且比單架無人機生存力強、冗余度高、信息傳遞更迅速。其擁有的優點包括：并行執行任務，提高任務執行率;通過任務重分配，提升系統對環境的適應能力;各無人機平臺可協同配合，以保證任務完成質量;無人機集群共享信息與資源，以提高任務執行能力。

1.3挑戰

如今的戰場環境復雜多變，平臺和節點數不勝數，無人機需要和其他作戰實體或戰場要素相互關聯、制約和影響，這使得無人機集群協同決策控制變得十分困難，同時無人機之間需要高動態、高可靠性、低時延、高帶寬的通信鏈路，保證機間的實時通信和態勢共享。此外，無人機集群必須有完整的動態航路規劃算法，使得集群間有效的協同探索并避免碰撞。相關技術包括：復雜環境下的協同決策技術，是一個多參數、多約束的非確定多項式問題;高動態、高可靠性、低時延、高帶寬的戰術數據鏈;智能飛行控制技術，在無人干預的情況下進行有效協同探測

2關鍵技術

針對面臨的挑戰，衍生出許多無人機集群協同作戰的關鍵技術，本文主要介紹無人機集群組網的戰術數據鏈、自組織飛行與控制、環境與態勢的資源共享、協同決策等技術。

2.1戰術數據鏈技術

數據鏈是一個信息處理、交換和分發系統，是現代戰場中及時有效地處理和掌握高密集、高速變化的戰場態勢并完成多機間相互傳送信息的網絡裝置，是傳感器的一部分。近年來，世界上的軍事大國、強國和部分軍隊正在裝備和使用的“戰術數字情報鏈”“多功能信息分配系統”“高速計算機數字無線高頻/超高頻通信戰術數據系統”“聯合戰術信息分發系統”等屬于數據鏈。

與民用網絡通信不同，戰術數據鏈主要傳輸實時化、格式化戰術數據，對所獲取信息的實時性、可靠性和保密性等方面要求甚高。因此，在設計開發戰術數據鏈的過程中，需要設計并驗證可靠的報文格式，選擇合適的編碼、調制方案，確定安全快速的接入控制技術。同時，要研究開發數據鏈的抗干擾能力、導航能力、中繼能力等，為戰術數據鏈的設計開發提供決策支持。

無人機集群滿足作戰的最基本要求就是有自己的通信方式，這就需要一款為無人機集群量身定制的戰術數據鏈系統。有了戰術數據鏈的加持，協同決策、自主編隊飛行與控制、集群的環境感知與態勢共享才能同時進行。雖然現有的數據鏈實時性很強、傳輸容量大、可靠性高、時空統一，但作戰前都需要一套規劃，俗話說無規矩不成方圓，這樣限制了無人機集群的自主程度。未來戰場的無人機，節點數會非常多，同時會不定時地加入或退出網絡，這就需要一款高動態、高可靠性、低時延、高帶寬、智能化的戰術數據鏈系統，使得無人機集群的內部環境和外部環境發生改變時，可以自主分發自己所承擔的角色，從而進行高效作戰。

戰術數據鏈的開發工作相當煩瑣，經過幾十年的積累，我國在這方面的技術已日漸成熟，對于高動態的網絡運維管理，也已經著手研究，相信在不久的將來，無人機集群會有屬于自己的戰術數據鏈系統。

2.2自組織飛行與控制技術

無人機集群協同作戰的必要條件就是擁有自組織飛行能力。首先，要實現多無人機編隊的自主控制，即在沒有人干預的情況下，多無人機可以根據程序的設定自主飛行。其次，多無人機的動態航路規劃問題，即既要滿足多無人機的環境規避和碰撞，又要保證無人機的飛行路線在最優的路徑上。自組織控制是指無人機集群在復雜戰場環境下執行任務過程中，在滿足各平臺性能的基礎上，需要按照一定的排列和相對復雜的編隊形式不斷變換隊形，從而適應整個戰場環境、戰術任務等要求。自組織飛行與控制要求無人機的自主程度高，需要操作員或者輔助系統管理與控制的事情較少，這需要更高級別的智能系統的支持。而環境規避是提高無人機集群生存的必要條件。它不僅要感知外部環境帶來的威脅，還要規避集群內部其他無人機軌跡和時空上的重疊，從而避免碰撞，實現協同飛行。例如，美國已經將民航飛行系統中的空中告警與防撞系統引入無人機集群[3]。

我國通過控制其中一架長機或多架長機實現了無人機集群的空中表演，但是空中表演中無人機飛行控制的自主程度遠遠不夠應對復雜戰場環境下的作戰需求，因此我們要借助人工智能領域與機器學習的相關技術進行深度學習，研究更高自主程度的飛行控制算法。

2.3環境與態勢的資源共享技術

無人機集群需要適應在不確定環境下執行各種復雜任務，這就要求無人機集群能夠對戰場環境進行全方位掃描，以形成環境感知，然后在集群中進行資源共享與交互，讓集群中的所有無人機處于同一態勢環境，以便進行任務決策，這是無人機集群實現高級別自主控制的基礎，也是無人機集群控制與決策的依據。利用無人機集群中多傳感器收集飛機所處環境信息數據，進行態勢感知，并通過戰術數據鏈進行態勢共享，形成統一的作戰視圖，從戰場的環境數據中進行數據挖掘、分析，獲取目標信息，然后利用多傳感器的融合技術對目標進行識別探測，從而引導攻擊，進一步提高作戰任務的可靠性和生存性。環境與態勢的資源共享的關鍵技術包括多傳感器數據融合、協同目標探測與共享等，現有的協同技術局限性很強，節點數量無法滿足無人機集群的要求，算法的效率并不能給無人機集群提供有效可靠的支持。目前，國內外相關領域專家正通過基于生物視覺認知機理的目標識別與環境建模、復雜環境感知與認識算法、非結構化感知方法等手段，實現能夠適應無人機集群的環境感知與態勢共享技術。

2.4協同決策技術

無人機集群系統在作戰中需要一套自己的流程，即情報收集、戰場環境偵查、目標探測識別監視、威脅評估、目標分配、協同攻擊、毀傷評估等，而合理高效地完成這些流程就需要任務規劃，而任務規劃就是協同決策的基礎。合理的任務規劃可以充分利用單機平臺的優勢，進一步發揮集群資源的高智能化，從而保證任務執行的成功率和效率，這可以低風險、低成本地完成作戰任務。無人機集群的協同決策一般按照任務均衡的原則進行，綜合考慮任務空間聚集性、單機運動有序性以及目標環境適應性，避免單機資源利用沖突，以集群編隊整體最優效率完成最大任務數量，體現集群協同作戰優勢（圖1）。協同決策的關鍵技術在于其自主任務分配算法的研究，現有的蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法、一致性算法等都不適用于大規模的復雜任務自主規劃。對于無人機集群系統的任務分配算法，可以考慮多種算法相結合，取其精華去其糟粕，并加入強化學習的理念，建立模型，尋求最優解。

3想定

在研發了無人機集群協同作戰的關鍵技術之后，我們給出一種無人機集群對地攻擊的大致流程，如圖2所示。

首先，通過戰術數據鏈對無人機集群進行組網，分配好各自目前扮演的角色。其次，無人機集群通過作戰規劃進行自主編隊飛行，合理避開碰撞，并對戰場的環境進行掃描和感知，并將獲取的態勢共享給整個無人機集群，充分利用機載多傳感器獲取的數據進行數據融合，不斷探測目標、識別目標，最后將目標信息傳遞給后臺，得到統一態勢。后臺獲取數據后，進行協同決策的算法計算，包括各個目標的威脅評估和各個己方平臺的狀態位置等信息，從而進行多目標分配決策，并約束攻擊順序。當對目標進行攻擊后，需要對戰場進行清掃，對目標的毀傷作出評估，如未完成目標攻擊，需要重新感知戰場環境，并進行第二輪攻擊。

通過此流程可以清晰直觀地看到無人機集群協同作戰的諸多優勢，首先，它不需要借助人力便可以處理各種復雜問題，提高任務完成的效率和成功率。而且，相對于有人參與的戰場，傷亡會大幅減小，任何人都不能接受人員的傷亡，但只是損失個別無人機，則戰損比就可以忽略不計。戰爭是殘酷的，如果采用無人機集群協同作戰，不僅可以更快結束戰斗，而且不會有大量的人無家可歸。

4結語

無人機集群技術作為一種前沿的高智能、高動態群體技術，具有很強的環境適應性、協同作戰能力、高智能化等優勢，受到世界各軍事強國的青睞，目前的技術尚不完善，處于快速發展和研究階段，隨著應用不斷推廣、技術不斷成熟，無人機集群系統必然會在今后的戰場中發揮著舉足輕重的作用，甚至完全取代有人機，從而使戰場無人化。

參考文獻：

[1]李晗，蘇京昭，閆詠.智能無人機集群技術概述[J].科技視界，2017（26）：5?7.

[2]段海濱，申燕凱，趙彥杰，等.2019年無人機熱點回眸[J].科技導報，2020，38（1）：170?187.

[3]牛軼峰，肖湘江，柯冠巖.無人機集群作戰概念及關鍵技術分析[J].國防科技，2013，34（5）：37?43.

作者簡介：

馬立（1990—），碩士，中級工程師，研究方向：軟件與數據處理。