制導炸彈智能技術現狀與發展思考

張 婷,帥 歡,閆 妍,朱豪坤,劉 闖

（湖南云箭集團有限公司,長沙 410199）

0 引言

制導炸彈是在普通炸彈的基礎上多了制導裝置,在投放后能控制彈道引導炸彈打擊目標。與傳統炸彈地毯式攻擊目標相比,制導炸彈目標命中率能達到50%以上,很大程度上減少了彈藥的損耗。由表1可知,1991年～2003年,航空彈藥在戰爭中的使用量大幅增加,高達95%,且精確制導炸彈的使用比例不斷提高達到60%以上。在海灣戰爭中,以美國為首的多國通過使用7%的制導武器摧毀了80%的敵方力量［1］。此后,各國看到了精確制導武器在戰爭中的發展潛力,紛紛投入大量的人力、財力在精確制導武器的研究中,制導炸彈成為制導武器中不可或缺的軍事力量和精確打擊目標的有力武器。

表1 近代局部戰爭中航空彈藥的使用情況Table1 Use of aviation ammunition in modern local wars

隨著人工智能的快速發展,未來作戰樣式、作戰裝備都將發生顛覆性變化。未來戰場要滿足高對抗、有限信息支援、極端環境、多任務要求,制導炸彈智能化研究將是未來面臨的一項艱巨的技術挑戰［2-3］。制導炸彈智能化是制導炸彈在打擊過程中逐步呈現出的人類智能行為,但這也是一個相對的智能。一般來說,在一場戰爭中誰能更快占據戰爭主場、更快速地結束戰事且取得勝利,勝方相對敗方而言就具備“智能”作戰能力,智能化技術的研究是炸彈“智能”的有效途徑［4］。

本文首先研究了INS/GPS組合制導炸彈、激光制導炸彈、圖像制導炸彈、復合制導炸彈和微小型制導炸彈［5］,在綜述了制導炸彈智能化發展現狀的基礎上,研究了智能感知與識別、智能控制、智能決策和智能彈群協同作戰四種關鍵技術,指出未來智能制導炸彈向著四個智能方向發展來實現制導炸彈智能化,最大程度上具備“人類智能”。

1 制導炸彈智能化發展現狀

1.1 發展概述

第二次世界大戰中,制導炸彈作為德國的“黑科技”首次在反艦戰中亮相,開啟了海戰新時代。精確制導炸彈具備精確打擊目標、作戰成本低、投放簡單等突出優點,是現代戰場的重要軍事力量［6-7］。人工智能在各領域的興起與成功應用奠定了人工智能在軍事領域的研究基礎,制導炸彈智能化是通過將智能技術引入制導炸彈使其具備智能目標探測及分類、智能目標識別、自主決策、智能自適應抗干擾、智能突防等其中一項或多項智能特征。由于考慮到制導炸彈投放對人員的安全性造成威脅和打擊精度低,通常只考慮中制導和末制導兩種。以末制導方式為標準,又可將制導方式主要分為:INS/GPS組合制導、激光制導、圖像制導和復合制導等。接下來,結合已服役或在研產品來研究制導炸彈智能化發展現狀［8］。

1.2 INS/GPS組合制導炸彈

INS/GPS組合制導是衛星導航系統和慣性測量裝置的結合,INS/GPS制導炸彈具備全天候、全天時、多發同時投放打擊多個目標、投放方式靈活和低成本等優點。INS/GPS組合制導技術在制導炸彈中的應用如:1992年,由美國海軍和空軍共同啟動的聯合制導攻擊武器JDAM項目是美軍目前大量裝備的衛星輔助制導炸彈［9］,如圖1所示。在傳統航空炸彈的基礎上,JDAM加裝了衛星輔助制導尾翼組件從而具備精確打擊的能力,并采用INS/GPS組合制導,其CEP達到13m,JDAM在1999年首次進行了北約對南聯盟的空襲實戰。到目前為止,該型號仍是采用INS/GPS組合制導的經典精確制導炸彈。

圖1 JDAM制導炸彈Fig.1 Schematic diagram of JDAM guided bomb

1.3 激光制導炸彈

激光制導炸彈作戰方式主要包括地面照射、他機照射和本機照射三種形式［10］,目前主要采用的是本機照射。這種方式下,投彈飛機在目標區內,除投彈前一段外可以一直進行機動,能提高載機戰場生存能力。激光制導炸彈是在常規炸彈上增加了激光制導部件,激光的單色性好、抗干擾能力強、光束集中,特別適用于指示目標。以美軍裝備的Paveway系列激光制導炸彈為例,它是屬于激光半主動式制導炸彈,Paveway系列激光制導炸彈徹底改變了戰術級空對地打擊模式,是目前最成功的低成本空對地武器系統。如圖2所示,該系列中的Paveway II炸彈是低成本、高可靠性激光制導炸彈的典范,具備命中精度高、附帶毀傷低、可靠性高、采購成本低等優點,已在實戰中得到驗證。Paveway II炸彈中的GBU-12型激光制導炸彈CEP為3.6ft（英尺）,傳統非制導炸彈CEP為310ft［11］,命中精度提高了近100倍。

圖2 Paveway II制導炸彈Fig.2 Schematic diagram of Paveway II guided bomb

1.4 圖像制導炸彈

圖像制導炸彈的原理為:利用彈載成像設備,在外彈道末段實時獲取目標區域圖像,直接或經數據鏈傳給飛機,機載接收系統實時處理并回傳圖像數據,最后通過自動識別將炸彈導向目標,能實現“發射后不管”。圖像制導可分為紅外制導、電視制導、雷達制導和激光制導四種方式。例如,以色列的Elbit公司研制的“奧法爾”紅外制導炸彈［12］采用了被動紅外制導技術,能達到載機投放后不管的能力,該彈1985年開始載飛試驗,1986年完成首彈試驗,1992年進入現役。美國的Rockwell International公司在1974年開始研制GBU-15光電精確制導炸彈,如圖3所示,該彈前端制導段采用電視制導系統用于晝間作戰和紅外成像系統用于夜間、惡劣天氣作戰,是一種采用光電制導方式的無動力滑翔制導武器,主要用于摧毀敵方高價值目標。

圖3 GBU-15型光電制導炸彈Fig.3 Schematic diagram of GBU-15photoelectric guided bomb

1.5 復合制導炸彈

世界各大軍事強國都在加快研發節奏,新型航空制導炸彈不斷出現,其制導方式主要采用以激光和衛星定位輔以慣性系統的復合制導方式,打擊精度得到了長足的提高［13］。采用兩種以上制導方式的制導稱為復合制導,單一制導方式無法滿足現代戰場對精確制導炸彈的高精度、全天候、抗干擾的要求,而復合制導通過綜合不同制導方式的優勢彌補了單一制導方式的缺陷。如圖4所示,洛克希德·馬丁公司2006年研制的增強型Paveway II GPS/Laser雙模制導炸彈（DMLGB）使用了半主動激光制導和GPS/INS制導技術,可以實現攻擊移動目標和機會目標的精確打擊,具有低成本、高精度、全天候等特點。增強型Paveway III GPS/Laser雙模制導炸彈采用了GPS和激光半主動末制導雙模制導技術,這種方式可以減小目標位置誤差,即使在命中目標前10s時丟失光斑,該炸彈也可以精確命中目標。

圖4 “寶石路II”復合制導炸彈（DMLGB）Fig.4 Schematic diagram of“Gem road II”composite guided bomb（DMLGB）

1.6 微小型制導炸彈

現今,無人機在軍事領域占據著不可忽略的地位,由于其具備減少人員傷亡、成本低、反應能力快等優點,越來越多國家開始研發無人機掛載彈藥。微小型制導炸彈憑借其質量小、性價比高且能精確打擊目標的優勢,是無人機掛載彈藥的優先選擇。如圖5所示,目前美國已經研發的微小型炸彈有:GPS/INS+激光半主動制導的Pyros“圣火”小型戰術彈藥、激光半主動制導的Shadow Hawk“影子鷹”炸彈、GPS/INS+激光半主動制導的Hatchet“短柄斧”制導炸彈和激光半主動制導的“蝰蛇打擊”制導炸彈,能掛載多型無人機平臺,主要打擊輕型車輛和敵方人員,命中精度小于1m。現階段,國內在微小型制導炸彈的研制上與美國還存在很大差距,微小型制導組合體是研制上需突破的技術難題。

圖5 幾種美國研發的微小型制導炸彈Fig.5 Schematic diagram of several miniature guided bombs developed by USA

隨著人工智能的崛起和空中力量的飛速發展,當今戰爭形態已經發生了變化。在以深度學習為主的人工智能研究浪潮中［14］,美國、俄羅斯、加拿大、英國等國家占據了一定的技術優勢,但仍處于制導彈藥智能化的初級階段。美國自20世紀90年代起一直高度關注人工智能技術研究,并持續推進人工智能技術在精確打擊武器上的工程化應用,以獲得更精確、更安全的軍事打擊效果。國內許多科研單位正在開展基于專家系統的目標識別技術研究,一些高校院所也在人工智能算法和無人機集群編隊飛行等專題方向取得了巨大的進展。

2 智能制導炸彈技術

突破智能制導炸彈相關技術是實現制導炸彈智能化的重要途徑,相關的技術主要有智能感知與識別技術、智能控制技術、智能決策技術、智能彈群協同作戰技術［15］。

2.1 智能感知與識別技術

智能感知與識別技術等同于制導炸彈的“眼睛”,如何在復雜環境下快速準確識別目標是完成打擊的首要任務。隨著強拒止、弱通信戰場環境的出現,僅依靠GPS衛星導航已不能滿足未來多變的戰場環境對目標識別的要求［16-17］。智能感知與識別技術就是將人工智能技術加入到探測器設計中,如圖6所示,以色列研制的“Spice”250炸彈在自動目標識別的基礎上加入了人工智能和場景匹配技術,2019年6月已成功測試其具備自動識別能力,該炸彈可以不依靠GPS,僅憑提前記憶的數字地圖導航快速對地面目標識別比對,命中精度達到0.5m。如圖7所示,雷神公司正在研制和改進的SDB-II制導炸彈只憑自身搭載的識別和跟蹤導引頭就可在任何天氣情況下防止外界物質干擾完成固定目標的鎖定。人工智能在無人領域取得的一系列成功應用推動了智能感知與識別技術的加速發展,如何應對越來越苛刻復雜的環境干擾及在該環境中準確找到目標是突破該技術的核心問題。

圖6 “Spice”250炸彈Fig.6 Schematic diagram of“Spice”250bomb

圖7 SDB-II制導炸彈Fig.7 Schematic diagram of SDB-II guided bomb

智能感知與識別技術是制導炸彈智能化的基礎,能減少制導炸彈對情報信息、GPS衛星導航系統的依賴性,有效提高了抗干擾能力,是智能制導炸彈未來的研究方向之一。

2.2 智能控制技術

控制系統是制導炸彈按照彈道飛行擊中目標的關鍵,傳統的控制系統是基于數學模型的,再根據可能存在的誤差進行彈道修正。戰場環境的復雜和不可預測的威脅帶來無法預先掌控的誤差,使得難以建立準確的模型,導致飛行彈道在實際飛行中存在打不中目標的可能［18］。智能控制系統能在投放后根據飛行過程中的實際誤差自主控制制導炸彈完成打擊目標的任務［19］。智能控制系統不受到模型的限制,通過人工智能的學習與訓練能自動完成實際戰況下的彈道修正,且具備強抗干擾、高精度、高魯棒性的優點。目前,常用的智能控制方法主要有模糊控制、神經網絡控制、分層遞階智能控制、專家控制和學習控制等［20］。

隨著戰場環境日益復雜,作戰形式復雜多變,智能控制技術能夠彌補預先設定的控制系統存在的信息實時性差、缺乏靈活性的缺點,是未來制導炸彈快速精確打擊目標的關鍵技術之一。

2.3 智能決策技術

在戰場態勢感知、數據融合、大數據、高性能計算及先進算法的基礎上,對戰場態勢信息進行判讀、理解、預測及分析,判斷戰況走向,形成對戰場態勢的認知［21］,通過對環境威脅的探測和感知,自主制定攻擊方式,調整作戰方案,提高作戰效率。如圖8所示,由洛克希德·馬丁公司與美國國防高級研究計劃局（DARPA）和海軍研究辦公室（ONR）合作開發的LRASM反艦導彈就是智能決策技術的典型應用,該導彈能夠根據對目標和周圍環境的探測,將探測信息回傳進行分析和預判,自主制定新的方案對目標最薄弱部位進行打擊［22］。在基于探測目標的基礎上,智能決策技術根據周圍環境的變化和威脅制定最優決策完成任務,其關鍵在于自主決策的實時性,根據目標進行預判實時修改打擊路徑,在完成任務的基礎上達到最佳打擊效果［23-25］。

圖8 LRASM反艦導彈Fig.8 Schematic diagram of LRASM anti-ship missile

在自主識別的基礎上,智能決策根據復雜戰場環境的變化趨勢提前判斷思考是否需要調整原計劃并生成更優的打擊目標代替方案,它是人工智能引入作戰決策的一次全新探索。

2.4 智能彈群協同作戰技術

智能協同作戰就是制導炸彈與作戰平臺之間通過數據鏈進行信息融合、信息共享［26］,自主進行毀傷評估、自主決策、自組織,分配打擊任務的智能行為。協同作戰技術的智能化程度與感知與識別技術、控制技術和決策技術的智能水平聯系緊密,智能協同作戰技術是在這三種及以上技術的基礎上對彈群進行的體系作戰［27-28］。如圖9所示,智能彈群協同作戰技術應用最典型的例子就是美軍在GBU-39小直徑精確制導炸彈的基礎上研發的CSDB-1“金帳汗國”小直徑自主協同攻擊炸彈,其具有高命中精度、低附帶毀傷和低成本等特點。該炸彈加裝了新一代的數據鏈和處理器,多彈投射后能夠進行“多彈聯網”,根據預設的攻擊任務進行協同分配打擊,能做到多彈之間相互通信、信息共享,避免已擊毀的目標多彈再次攻擊,完成任務的基礎上有效節約了作戰成本［29-31］。

圖9 “金帳汗國”協同炸彈Fig.9 Schematic diagram of“Golden tent Khanate”coordinated bomb

協同作戰是制導炸彈智能化積極研究的領域,也是提高制導炸彈智能化的一個顯著特征。目前,如何做到多彈信息融合、信息共享、高效協同分配是智能制導炸彈技術研究中一個富有挑戰性的領域。

3 制導炸彈智能技術發展趨勢

面對戰場對精確制導炸彈需求量的持續增加,隨著人工智能技術的高速發展,越來越多的國家與研究機構將人工智能引入制導炸彈中,以實現制導炸彈的精確化、自主化、智能化,達到占據戰場主導地位的目的。目前,制導炸彈還處于形式上的智能化,看似做到了“投放后不管”,但很大程度上會受到復雜環境（電磁波、光波、天氣、目標偽裝）干擾和遠距離探測信號變弱的影響,所以制導炸彈智能化涉及的感知、識別、控制、決策、協同等關鍵技術還需要研究突破。很多國家已在智能制導炸彈方面進行了很多年的探索,也得到了一些基礎的研究成果。在未來,制導炸彈智能技術發展趨勢如下:

3.1 智能制導炸彈向著自主識別目標、自主決策方向發展

在自主識別方面,準確快速在復雜干擾環境中自主識別目標是發展導航系統需要解決的首要問題,未來戰場目標有更難識破的偽裝和更復雜的多炸彈掩護,完成該任務的關鍵在于制導炸彈通過自主識別、智能探測在短時間內分析判斷找出目標的最薄弱部位進行精確打擊。未來,自主識別主要是復合制導為主逐步向智能化導引頭的發展過程,做到投放后能自主在多偽裝、多威脅中更準確、更快速地找到目標。

在自主決策方面,提前預定的方案已不適合未來多變的戰場,當智能制導炸彈遭遇威脅時,需要及時對周圍環境、打擊效果有一個提前的預測、分析、處理和評估,并得出新的方案。自主決策智能化的智能程度取決于其實時性,自主決策主要是實時更新任務的航跡得到最優的路徑。目前,取得一定進展并重點研究的航跡規劃算法有交叉的遺傳算法（GA）、模擬人腦系統的神經網絡算法（NNA）、蟻群算法（ACO）、粒子群算法（PSO）及它們的改進算法。未來,自主決策將向著多種算法融合的方向發展,智能制導炸彈能在其執行任務的路徑中實時探測到威脅和障礙,及時反饋并通過實時修正航跡以最小的代價完成任務。

3.2 智能制導炸彈向著抗強干擾方向發展

未來的戰場環境由于受到眾多因素影響和強干擾的作用,不同的譜段、不同的位置和不同的環境使得作戰目標的變化性組合呈現出爆炸性的增長,導致了目標的不可預測性,這對制導炸彈識別目標增加了困難維度。目前,抗干擾的手段主要是采用以激光和衛星定位輔以慣性系統的復合制導方式,復合制導的發展就是為了增強制導炸彈作戰的可靠性,既要能快速準確識別出偽裝、隱蔽、欺騙的目標,還要能在弱通信或無網絡情況下在較少的樣本或有噪聲的信息中剔除“雜波”有效處理數據,來準確定位目標位置。為了達到抗強干擾的目的,未來制導裝置將向著復合制導和小型化的方向發展,復合制導主要是激光/電磁波/紅外/雷達/INS等方式的復合,提高其穩定性且未來導航系統還能在復雜情況下對不確定性進行提前的預測和分析,小型化帶來的靈巧結構能夠讓導航系統更好地適應極端環境發展,具有更好的越障能力和高效作戰性能。

3.3 智能制導炸彈向著多炸彈、多載機、多平臺協同作戰方向發展

在協同作戰方面,面對多變復雜的戰場環境和不斷更新的作戰樣式,單一的制導炸彈作戰方式已不能滿足激烈的現代戰場需求。隨著無人機在協同作戰領域的大量研究,協同作戰具備適應體系作戰、多目標打擊的能力,體現出“1+1＞＞2”的高效毀傷效能的優勢。各國意識到協同作戰在制導炸彈上的巨大潛力和軍事效益,炸彈協同作戰研究也早已展開多年,已是智能技術研究中的重要領域之一。協同作戰是未來戰場制導炸彈智能化的重要體現,智能制導炸彈協同是單個制導炸彈打擊——同類型制導炸彈協同——不同類型制導炸彈協同的漸進發展過程。制導炸彈協同智能化是首先基于提升單體制導炸彈作戰效能,再通過數據鏈實現多彈間的信息共享完成協同作戰。未來,作戰不再是區分制導炸彈、導彈、艦船獨立作戰,而是多型武器、多載機、多平臺,甚至是海陸空天一體的體系化作戰,協同作戰也向著更多武器裝備、更廣作戰域發展。

3.4 智能制導炸彈向著智能檢測、智能保障方向發展

制導炸彈智能化的發展已是未來必然趨勢,未來大批量的智能制導炸彈除了要解決其精確化、智能化、自主化的問題,智能檢測和智能保障也是智能制導炸彈面臨的難題。大批量智能制導炸彈儲存需要定期檢測和保障,若是人工逐個進行檢查維護,工作量巨大且存在風險,不利于部隊使用和管理。未來,制導炸彈后勤保障、管理、檢測和維護系統向著智能化、體系化方向發展,操作更簡便,管理人員只需會使用簡單的軟件操作即可實現對大批量智能制導炸彈的定期檢測和保障。智能檢測、智能保障的發展能夠大幅提高部隊保障效率、延長炸彈壽命、降低保障成本,是未來武器后勤保障重點研究方向之一。

4 結論

智能化是未來制導炸彈發展的趨勢之一,是在日益復雜的戰場環境中精確打擊目標、提高作戰效率的有效手段。大力發展智能制導炸彈,重點研究智能制導炸彈關鍵技術,才能在未來高速發展的智能戰爭中占據一席之地。制導炸彈的智能化是一個逐步提高自主性的過程,目前人工智能發展迅速,應用領域越來越廣,但在制導炸彈上的應用還處于嘗試階段,率先掌握智能技術將能在未來戰場中遙遙領先其他國家。我國各科研所與高校都投入了大量精力進行武器智能技術的研究,也取得了一些突破,在未來,智能制導炸彈將會成為我軍空中打擊的主要力量,開啟智能裝備新時代。