智能化背景下美軍無人機作戰發展研究*

王 凱

（陸軍炮兵防空兵學院機械工程系 合肥 230000）

1 引言

隨著無人機技術的迅速發展及其在軍事領域的深入應用，美國針對無人機作戰運用展開了諸多研究。2021年3月26日，美軍“忠誠僚機”XQ-58A女武神無人機，首次從其內彈倉成功發射更小的ALTIUS-600小型無人機系統，再次引領無人機作戰運用新變革。無人機作戰是美軍應對高端戰爭，保持空戰優勢，重點研究的項目，先后提出“忠誠僚機”、分布式作戰體系、有/無人機協同自主空中格斗、拒止環境下協同作戰模式、可快速部署與回收集群作戰、進攻性蜂群城市等作戰運用樣式。

2 無人機與有人機協同作戰

2.1 “忠誠僚機”

“忠誠僚機”是指由有人機控制，能夠代替有人僚機輔助長機完成各項任務的無人機。美軍認為，未來戰場環境充滿挑戰，具有高度不確定性，無人機可以承擔對于有人機來說過于危險的任務，可靈活配置任務載荷與有人機協同作戰，以此增強有人機執行任務的能力。

2015年美空軍研究實驗室（AFRL）對“忠誠僚機”項目立項研究。“忠誠僚機”作戰運用構想有以下幾種：1）無人僚機為有人機提供戰術情報、監視、偵察和瞄準（ISTAR）和預警功能；2）無人僚機作為有人機的機外武器庫，為有人機提供火力支援；3）無人僚機作靶機誘敵暴露重要目標，有人機實施火力打擊；4）無人僚機為有人機提供護航防御，必要時犧牲無人機保護有人機；5）無人僚機載荷電子戰吊艙實施電子戰，為有人機接近目標創造機會；6）無人僚機載荷加油吊艙等模塊，為有人機提供后勤保障服務等。

XQ-58A女武神無人機是“忠誠僚機”項目的典型代表，迄今為止進行了多次飛行實驗，2020年12月9日，首次完成與F-22、F-35A戰斗機編隊起飛，最近在2021年3月26日，第六次飛行測試中，首次完成從其彈倉內發射更小的ALTIUS-600小型無人機系統。另據美軍作戰構想顯示，計劃于2023年“忠誠僚機”能夠與F-22戰斗機編隊共同執行任務。

2.2 分布式空中作戰

一直以來，美軍通過研制功能強大而又復雜的武器系統，來保持大國競爭中的地位。但復雜武器系統研制費用昂貴，研發周期過長，且改造升級不便，帶來諸多問題，使美國空中技術優勢一定程度上受到自身發展的限制。在這種背景下，美軍于2015年啟動了體系集成技術與試驗（SoSITE）項目，旨在通過開展分布式航空作戰體系架構研究，發展能夠快速集成任務系統模塊到體系的技術，最終實現以平臺為中心的戰斗力模型轉變為，依靠異構、低成本平臺，可靈活組合的分布式功能模型。

2018年DARPA為SoSITE項目開發適應性算法與軟件，建立配備先進任務系統的有/無人機作戰網絡，并進一步探究了自主技術在推進各個平臺協同作戰中所發揮的作用。2020年2月4日，美軍成功利用一架“EA-18G”電子戰飛機控制了兩架無人版“EA-18G”飛機演示飛行，由此驗證了該項目相關技術的有效性，并進一步推動有人機控制無人機執行作戰任務的進程。結合該次測試與美軍的技術應用慣性推想，美軍有可能會將即將退役的F-16戰機改裝為無人戰機，并采用F-22與F-35等先進戰機與其進行協同作戰，最終實現單架次有人機控制多架無人機編隊作戰飛行的目標。

2.3 有/無人機協同空戰自主格斗

美軍認為，未來有/無人機協同空戰格斗，無人自主化作戰更能適應強對抗環境，但目前無人機的自主性尚且不足以實現該能力，因此基于可靠的人工智能軟件，利用有/無人機協同實現空戰自主格斗，是美軍重點研究的方向。

2019年5月，DARPA宣布啟動“空戰演化”（ACE）項目，該項目從人/機協作空中格斗問題著手，將現有人工智能技術應用于空中格斗，而后將自主格斗應用至更為復雜、異構的戰役級別模擬場景。項目包括三個階段：1）基礎機動；2）一對一作戰場景；3）應對更加復雜且快速變化的態勢。目前對該項目的研究尚且處于第一階段，迄今為止取得的成就包括：虛擬人工作智能（AI）狗斗；涉及視距內（WVR）和視距外（BVR）的多機場景，并更新了模擬武器；工具化噴氣飛機的實戰飛行，測量飛行員的生理反應和對人工智能的信任度等。

在2020年8月“Alpha Dogfight”的空中格斗競賽中，智能AI以5：0的戰績擊敗了有豐富實戰經驗的人類飛行員，由此驗證了AI算法進行空戰的能力，此外，DARPA還于2020年11月選定數家公司開發智能空戰算法，進一步促進人機協同編隊作戰的發展。2021年2月ACE項目完成了兩架F-16作為一個團隊與敵方戰機的模擬AI“狗斗”，標志著人工智能分組對抗可以將包括精確、短距離射擊的機炮，以及用于較遠目標的導彈等更多的武器引入其中。ACE項目下一階段的重點是將AI算法的模擬向實戰過渡，準備在2021年底進行亞尺寸飛機實飛，預計在2023年末至2024年初的項目第三階段中，實現人工智能駕駛戰機進行空中格斗。

3 無人機智能蜂群作戰

3.1 拒止環境下無人機蜂群協同作戰

2014年4月，DARPA啟動拒止環境中協同作戰（CODE）項目。該項目致力于創建人工智能算法與模塊化軟件架構，提升無人機蜂群的自主協作能力，進一步拓展美軍在拒止環境或競爭性空域中執行任務的能力。CODE項目目前在態勢融合感知、編隊協同飛行、航跡實時規劃、協同任務規劃、多約束自動路由、自平衡容錯控制、帶寬節省和行為建模等方面取得重大突破。

2019年2月，在定位與通信拒止環境測試中，面對虛擬目標與威脅無人機集群成功采取了應對措施。2020年12月4日，在無人控制的情況下，CODE項目研發的人工智能軟件控制“復仇者”無人機飛行超過兩個小時。CODE項目的成果將推動分布式蜂群在戰場上的應用，未來的CODE無人機蜂群可基于現已建立的作戰規則，在對抗/拒止作戰空間遂行搜尋、追蹤、識別和攻擊任務，其擴展能力可極大增強現有空中平臺的生存能力、靈活性和協同效能，并減少未來系統的開發時間和成本。

3.2 進攻性無人機蜂群城市作戰

城市高樓林立，布局錯落，環境復雜，活動空間受限，觀察、機動和通信能力也受較大限制。為應對城市作戰，2017年DARPA啟動了進攻性蜂群使能戰術（OFFSET）項目，該項目旨在通過集成已有的集群自主協同與有/無人集群協同技術，利用多臺大型無人機與無人車等組成的蜂群系統架構，助力地面作戰部隊完成復雜城區環境下的作戰任務，從而實現自主集群系統城市作戰能力的突破性進展。

“進攻性蜂群使能戰術”項目包含五個核心“蜂群沖刺”，主要聚焦蜂群戰術、蜂群自主性、人-蜂群編隊、虛擬環境以及物理測試平臺。在2020年1月測試中，通過部署空地異構無人集群遂行城市夜襲任務，成功對集群城市戰術與人/群協同技術進行了集成驗證。2020年9月，第四次蜂群沖刺成功測試無人機與無人車集群協同技術，預計2021年下半年進行第五次蜂群沖刺，重點突破城市環境中的集群實戰戰術和創新的集群化學平臺原型，擬利用250架（輛）無人機與無人車集群在具有8個城市規模的街區自主執行6小時的任務。

OFFSET項目以“蜂群戰術”研究為核心，發展蜂群自主性和人/蜂群編隊技術來支撐戰術的實施。目前蜂群更多的是用于地面城市，執行情報、監視和偵察、建立通信網絡等任務，它的使用將極大提升地面部隊城市作戰的效率和人類生存力，同時推動無人蜂群作戰概念的發展和作戰樣式多樣化。

3.3 快速部署與回收的無人機蜂群作戰

具備分布式集群作戰能力，可在空中部署與回收的小型無人機，可以成本更低的為美軍提供更好的作戰靈活性，同時可有效解決因無人機作戰半徑有限，無法實現遠程作戰的問題。2015年DARPA啟動“小精靈”（Gremlins）項目，該項目旨在研究發展低成本、可重復使用的無人機蜂群系統與空中發射和回收技術，降低無人機部署的應用成本，拓展無人機作戰半徑，形成無人機蜂群空中分布式作戰能力。

“小精靈”項目的作戰設想是：載機可在防區外發射配置不同任務載荷、具備自主協同作戰能力的無人機蜂群，無人機蜂群完成任務后，在空中由運輸機收回。在2020年7月，“小精靈”項目第2次進行飛行試驗中，無人機在試飛中受損，項目計劃在2021年進行空中發射和回收實驗。“小精靈”無人機可攜帶不同傳感器和任務載荷，在競爭環境中協同作戰，此外“小精靈”無人機成本低、可消耗，可以布置到戰斗前沿遂行最危險的任務，同時可利用集群數量優勢實施飽和攻擊和自殺式攻擊。

4 無人機智能化作戰技術發展探究

4.1 未來天基指揮信息系統

無人機集群協同和有/無人機協同作戰存在數據鏈異構不兼容、數據傳輸能力弱的問題，應對復雜的分布式和動態作戰任務聯通能力脆弱性較大，無法滿足實時、高效的數據傳遞需求。2015年1月，美SpaceX公司提出“星鏈計劃”，計劃在低軌道布置42000顆“星鏈”衛星，提供覆蓋全球的空天網絡。“星鏈計劃”，將對無人機作戰運用產生重大影響：1）提供超視距通信服務；2）有效解決平臺通信網絡不兼容的問題；3）提供全天候、不間斷的偵察監視；4）“星鏈”的萬顆衛星將成為美軍無人機集群作戰的“天基大腦”，通過“天基云計算”即可進行飛行控制、態勢感知、信息共享、目標分配和智能決策。目前“星鏈計劃”正在建設中，未來天基指揮信息系統一旦被美國軍方所用，必將大幅提升美國無人機的信息共享與智能決策等能力，從而進一步推動無人機的智能化作戰實戰進程。

4.2 智能吊艙系統

2014年，美軍開始無人機機載人工智能計算平臺研究，即“敏捷禿鷹”研究計劃。“敏捷禿鷲”吊艙采用人工智能技術，具有機上高速數據處理能力和機器學習能力，能夠基于機載多傳感器集成，實現目標探測、跟蹤、關聯和識別；基于人工智能技術快速建立感知優勢，可有效縮短“OODA”循環周期。

2020年9月，“敏捷禿鷲”吊艙完成在MQ-9“死神”無人機上的演示驗證。未來“敏捷禿鷲”吊艙一旦投入實戰，對于提高有/無人機協同作戰、無人機蜂群作戰的信息交互能力將大有裨益勢，必將提高的戰機的自主性，更進一步提高戰機廣域下的自主目標檢測與快速決策能力。此外，美軍還研究開發其他功能智能吊艙，在“海上衛士”無人機上集成的Sage 750電子支援傳感器吊艙，可實現對輻射源的快速搜索定位，實施電子干擾和電子攻擊，有效提升無人機電子攻防能力。智能吊艙系統是無人機作戰運用的發展趨勢，未來智能吊艙可集成多種戰術能力，將極大地拓展無人機作戰任務能力。

5 結語

現階段，美國在無人機作戰運用方面的研究重點在于，研發可靠的“自主核心系統”實現無人機的“半獨立”操作能力；采用開放系統架構，實現有/無平臺之間的實時數據共享、多機組網、協同配合與無縫連接等，以形成分布式的空中作戰體系；研究可靠的人工智能軟件，以及單機和編隊的空戰機動算法等，以提升無人機協同作戰的能力；通過“智能”吊艙增強廣域目標識別、實時通信和電子對抗等能力；通過仿真實驗以及蜂群沖刺試驗等推進蜂群戰術與技術的創新、融合與集成，提升無人機的綜合作戰能力。盡管美國在以上領域已經開展了大量的研究，并獲得了一定技術儲備，進一步推動了有/人機協同以及無人機蜂群作戰的實戰化進程，但無人機的自身性能、作戰中的實時通信、融入人工智能算法與自主能力的技術、遠程控制技術以及小型無人機的空中回收等，仍然是無人機智能作戰的難題，也是美軍下一步重點研究的方向。