海上跨域無(wú)人集群研究進(jìn)展綜述

梁曉龍,王 寧,王維佳,可唯一

(1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院,西安,710051;2.陜西省電子信息系統(tǒng)綜合集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,710051;3.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院,北京,100020;4.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢,430064)

無(wú)人系統(tǒng)具有成本低、操作靈活、不懼傷亡等優(yōu)勢(shì),能夠深入惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)[1-2],在現(xiàn)代作戰(zhàn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。已有諸多學(xué)者對(duì)無(wú)人集群的編隊(duì)控制[3-5]、構(gòu)型演化[6-7]、路徑規(guī)劃[8-10]、任務(wù)分配[11-13]等問(wèn)題開(kāi)展了研究,取得了一定的成果。

2022年10月29日,烏克蘭采用無(wú)人機(jī)和無(wú)人艇組成的無(wú)人集群對(duì)俄軍黑海艦隊(duì)進(jìn)行突襲并取得成功,受到了廣泛關(guān)注。相較于單域無(wú)人集群,運(yùn)用多域無(wú)人系統(tǒng)組成跨域無(wú)人集群,能夠通過(guò)跨域平臺(tái)間的任務(wù)協(xié)同、信息融合、資源互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),進(jìn)一步拓展無(wú)人集群作戰(zhàn)運(yùn)用場(chǎng)景,充分發(fā)揮無(wú)人集群的體系作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。

從當(dāng)前無(wú)人作戰(zhàn)案例和各國(guó)無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)上可以看出,跨域無(wú)人集群將成為無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。為促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展,本文從“跨域作戰(zhàn)”概念的演變過(guò)程入手,對(duì)跨域無(wú)人集群的發(fā)展概況、作戰(zhàn)樣式、關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理和分析,最后指出跨域無(wú)人集群的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 “跨域作戰(zhàn)”相關(guān)概念演變

“域(Domain)”的概念最早起源于20世紀(jì)90年代美軍提出的“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”,在這一作戰(zhàn)概念中,美軍從實(shí)體和虛擬空間的角度,將“域”劃分為物理域、信息域、認(rèn)知域和社會(huì)域,但并未給出“域”的明確定義。

2017年,在美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)與陸軍聯(lián)合發(fā)布的《多域戰(zhàn)：21世紀(jì)合成兵種》白皮書中,美軍對(duì)“域”這一概念進(jìn)行了明確的界定[14-15]——“域”是指組織與實(shí)施作戰(zhàn)行動(dòng)所涉及的作戰(zhàn)環(huán)境,包括陸域、海域、空域、太空域和賽博域等。

同時(shí),該文件也對(duì)“多域”和“跨域”的概念進(jìn)行了區(qū)分——“多域”是指同時(shí)在多個(gè)域內(nèi)展開(kāi)作戰(zhàn)行動(dòng)的能力,“跨域”是指從一個(gè)域到另一個(gè)域所產(chǎn)生的影響。“多域”“跨域”均涉及多個(gè)域,但“多域”不一定有“跨域”活動(dòng)。

在2011年美國(guó)防部發(fā)布的《無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展路線圖》及其后來(lái)迭代更新的版本中[16],美軍不斷強(qiáng)調(diào)要把所有無(wú)人系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行統(tǒng)一,通過(guò)實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)的互操作性,支撐未來(lái)異構(gòu)無(wú)人系統(tǒng)、跨域無(wú)人系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)。實(shí)際上,自美空軍、海軍在2009年提出“空海一體戰(zhàn)”作戰(zhàn)概念后,跨域作戰(zhàn)的概念就不斷被豐富和發(fā)展。

從表1中美軍跨域作戰(zhàn)概念的演變過(guò)程可以看出,通過(guò)多域異構(gòu)平臺(tái)協(xié)同形成跨域作戰(zhàn)體系是未來(lái)作戰(zhàn)發(fā)展的必然趨勢(shì)。總的來(lái)看,跨域協(xié)同作戰(zhàn)是聯(lián)合作戰(zhàn)的新樣式,具有以下特點(diǎn)：

表1 美軍“跨域作戰(zhàn)”相關(guān)概念及內(nèi)涵

一是作戰(zhàn)資源多樣化。跨域作戰(zhàn)中作戰(zhàn)資源更加豐富,作戰(zhàn)空間進(jìn)一步拓展,需要整合的作戰(zhàn)單元趨向復(fù)雜多樣。

二是作戰(zhàn)能力體系化。跨域作戰(zhàn)更加關(guān)注多域有人/無(wú)人平臺(tái)的協(xié)作能力,注重體系能力生成。

三是作戰(zhàn)體系去中心化。作戰(zhàn)任務(wù)的復(fù)雜性決定了跨域作戰(zhàn)的體系架構(gòu)勢(shì)必朝著去中心化、分布式的方向發(fā)展,平臺(tái)間的組合將更加靈活敏捷,作戰(zhàn)體系的抗毀性將受到更多關(guān)注。

基于上述特點(diǎn),可以給出跨域無(wú)人集群的定義——以陸域、海域、空域?yàn)橹饕鲬?zhàn)空間,依靠大量在陸、海、空、天等不同空間域運(yùn)行的、具有顯著功能差異性的無(wú)人系統(tǒng)組成的有機(jī)整體,通過(guò)任務(wù)規(guī)劃、信息交互、行為協(xié)同等方式實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ),從而取得作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。

2 跨域無(wú)人集群發(fā)展概況

以無(wú)人機(jī)集群為代表的單域無(wú)人集群近年來(lái)發(fā)展迅速,取得了許多成果,能夠?yàn)榭缬驘o(wú)人集群的發(fā)展提供有益借鑒。其中,美軍在單域無(wú)人集群系統(tǒng)方面開(kāi)展的研究項(xiàng)目最多,成果也最為豐富。本節(jié)首先梳理了美軍單域無(wú)人集群項(xiàng)目的發(fā)展概況,分析了相關(guān)平臺(tái)特點(diǎn)與適用場(chǎng)景,對(duì)項(xiàng)目中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了歸納。在此基礎(chǔ)上,對(duì)近3年來(lái)的跨域無(wú)人集群相關(guān)演習(xí)進(jìn)行了分析和總結(jié)。

2.1 無(wú)人機(jī)集群發(fā)展概況

無(wú)人機(jī)集群是由一定數(shù)量的單一功能或者多功能無(wú)人駕駛飛行器組成的空中移動(dòng)系統(tǒng),其以交感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),具有整體作戰(zhàn)能力涌現(xiàn)和行為可測(cè)、可控、可用的特點(diǎn)[17]。無(wú)人機(jī)集群是無(wú)人系統(tǒng)集群中研究最多、技術(shù)相對(duì)成熟的領(lǐng)域,美軍的無(wú)人機(jī)集群技術(shù)處于領(lǐng)先地位,率先開(kāi)展了一系列研究,其中以下幾個(gè)項(xiàng)目較為典型,見(jiàn)表2。

表2 美軍典型無(wú)人機(jī)集群平臺(tái)項(xiàng)目

表3 美軍典型無(wú)人艇集群項(xiàng)目

2.1.1 “小精靈”無(wú)人機(jī)

“小精靈”無(wú)人機(jī)是美國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(defense advanced research projects agency,DARPA)重點(diǎn)發(fā)展的一項(xiàng)低成本無(wú)人機(jī)項(xiàng)目,旨在驗(yàn)證和評(píng)估智能無(wú)人機(jī)集群的投放及回收技術(shù)。“小精靈”無(wú)人機(jī)可通過(guò)C-130運(yùn)輸機(jī)、B-52/B-1轟炸機(jī)等平臺(tái)空中發(fā)射,無(wú)人機(jī)間能夠互相通信和協(xié)同,在空中組網(wǎng)與其他有人平臺(tái)協(xié)同執(zhí)行情報(bào)監(jiān)視偵察、電子戰(zhàn)、破壞導(dǎo)彈防御系統(tǒng)等任務(wù),完成任務(wù)后通過(guò)C-130運(yùn)輸機(jī)最大限度地回收。

2020年7月,DARPA完成了“小精靈”無(wú)人機(jī)第二次試飛,重點(diǎn)測(cè)試了無(wú)人機(jī)的發(fā)射回收系統(tǒng)、發(fā)射母機(jī)控制臺(tái)、無(wú)人機(jī)與母機(jī)間的指揮、控制與通信系統(tǒng)等性能和能力。2021年1月,DARPA采用C-130運(yùn)輸機(jī)作為載機(jī),再次對(duì)“小精靈”無(wú)人機(jī)的回收技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,但并未成功。

2.1.2 “郊狼”無(wú)人機(jī)

“郊狼”無(wú)人機(jī)是美國(guó)海軍研究署“低成本無(wú)人機(jī)蜂群技術(shù)”項(xiàng)目的主要成果。項(xiàng)目旨在研制一種管式發(fā)射無(wú)人機(jī),滿足在岸上或艦艇甲板上以1架/秒的速率連續(xù)發(fā)射上百架小型無(wú)人機(jī)的需求。“郊狼”無(wú)人機(jī)集群可通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)信息共享和自主協(xié)作,通過(guò)集群戰(zhàn)術(shù)吸引敵方火力或執(zhí)行情報(bào)監(jiān)視偵察、通信干擾等任務(wù),還可作為武器攻擊地面目標(biāo)[2]。

2016年8月,該項(xiàng)目在“海斗士”小水線面雙體船上成功發(fā)射30架“郊狼”無(wú)人機(jī),首次實(shí)現(xiàn)艦基發(fā)射。2018年10月,該項(xiàng)目通過(guò)美軍資助評(píng)審后,相關(guān)技術(shù)不再公開(kāi)。

2.1.3 “山鶉”無(wú)人機(jī)

“山鶉”無(wú)人機(jī)是美國(guó)戰(zhàn)略能力辦公室通過(guò)“小型空射誘餌”項(xiàng)目發(fā)展出的微型無(wú)人機(jī)蜂群作戰(zhàn)術(shù),由麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā),該項(xiàng)目旨在通過(guò)大量部署一次性無(wú)人機(jī),對(duì)自主蜂群行為及其作戰(zhàn)有效性和戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證[21-22]。

2016年10月,美國(guó)成功完成了“山鶉”無(wú)人機(jī)大規(guī)模蜂群演示試驗(yàn),隨后由美國(guó)海軍3架“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)在0.6馬赫航速下從干擾彈發(fā)射管發(fā)射的103架“山鶉”無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了集體決策和自適應(yīng)編隊(duì)飛行,約90%的無(wú)人機(jī)成功完成試驗(yàn)。

2.2 無(wú)人艇集群發(fā)展概況

美國(guó)海軍從20世紀(jì)90年代率先展開(kāi)水面無(wú)人艇研究,并于2007年發(fā)布了《海軍水面無(wú)人艇主計(jì)劃》,對(duì)無(wú)人水面艇的船型、尺寸和標(biāo)準(zhǔn)等要素進(jìn)行了界定。2013年后,美軍水面無(wú)人艇的發(fā)展規(guī)劃被納入到《無(wú)人系統(tǒng)路線圖》中,水面無(wú)人艇作為海上無(wú)人系統(tǒng)的重要一環(huán),得到了高度重視和廣泛研究。

2.2.1 反潛戰(zhàn)持續(xù)追蹤無(wú)人艇

“持續(xù)反潛追蹤無(wú)人艇”項(xiàng)目是美國(guó)DARPA在2010年8月啟動(dòng)的一項(xiàng)用于反潛探測(cè)的無(wú)人艇發(fā)展項(xiàng)目。項(xiàng)目旨在發(fā)展一型能夠?qū)喬貐^(qū)新型柴電潛艇進(jìn)行跟蹤定位,抵消其隱蔽性優(yōu)勢(shì)的反潛無(wú)人艇。

2016年1月,該項(xiàng)目第1艘原型艇“海上獵人”(sea hunter)下水,進(jìn)行平臺(tái)性能、任務(wù)載荷性能測(cè)試,隨后該艇于2018年初被美海軍接收。2021年4月,該項(xiàng)目第2艘樣艇“海鷹”號(hào)完成對(duì)美海軍的交付。此外,根據(jù)美軍2021年預(yù)算文件,美海軍計(jì)劃在“海上獵人”無(wú)人艇的基礎(chǔ)上發(fā)展一型最大排水量可達(dá)2 000噸的大型無(wú)人艦艇,并于2023年完成首批采購(gòu)。

2.2.2 無(wú)人艇“蜂群”作戰(zhàn)演習(xí)

美國(guó)海軍研究辦公室先后在2014年8月和2016年10月組織了2次無(wú)人艇“蜂群”作戰(zhàn)演習(xí),第1次演習(xí)將13艘無(wú)人水面艇組成編隊(duì)為一個(gè)重要目標(biāo)護(hù)航,在人工指令輔助條件下,實(shí)現(xiàn)了對(duì)敵船的發(fā)現(xiàn)、包圍、攔截。第2次演習(xí)在16平方海里海域內(nèi)采用4艘水面無(wú)人艇實(shí)現(xiàn)了完全自主巡邏、探測(cè)、識(shí)別、跟蹤。

2.3 無(wú)人潛航器集群發(fā)展概況

無(wú)人潛航器的研制始于20世紀(jì)60年代,起初主要用于沉船打撈、水下電纜鋪設(shè)等領(lǐng)域。1999年,美海軍首次提出無(wú)人潛航器的發(fā)展計(jì)劃,并對(duì)無(wú)人潛航器的戰(zhàn)術(shù)使用要求、技術(shù)性能、主要任務(wù)(探雷、情報(bào)搜集、戰(zhàn)場(chǎng)偵察)進(jìn)行了分析和論證。近年來(lái),隨著無(wú)人系統(tǒng)集群技術(shù)的快速發(fā)展與無(wú)人潛航器技術(shù)的日漸成熟,美軍對(duì)無(wú)人潛航器集群的關(guān)注明顯升溫,見(jiàn)表4。

表4 美軍典型無(wú)人潛航器集群項(xiàng)目

2.3.1 持續(xù)瀕海水下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目

“持續(xù)瀕海水下監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(persistent littoral undersea surveillance network,PLUSNet)”是美國(guó)海軍研究辦公室于2006年提出的潛艇/潛航器協(xié)同反潛項(xiàng)目,旨在利用無(wú)人潛航器加強(qiáng)潛艇近海反潛探測(cè)能力。由“俄亥俄”級(jí)核潛艇攜帶的無(wú)人潛航器之間可相互通信,并按預(yù)定路徑巡邏,潛艇可根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整各無(wú)人潛航器航線,整個(gè)系統(tǒng)部署后監(jiān)視范圍可達(dá)185 km×185 km[27]。2015年,PLUSNet已成功完成各項(xiàng)海上測(cè)試工作,目前已小規(guī)模部署進(jìn)行作戰(zhàn)評(píng)估。

2.3.2 分布式敏捷反潛系統(tǒng)

“分布式敏捷反潛”是美國(guó)DARPA于2011年提出的作戰(zhàn)概念,旨在利用無(wú)人機(jī)和無(wú)人潛航器集群系統(tǒng)實(shí)施反潛探測(cè)[28-29]。其中,淺海系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)集群為核心;深海系統(tǒng)由固定式海底聲吶陣和無(wú)人潛航器集群構(gòu)成固定式、移動(dòng)式相結(jié)合的深海探潛網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行反潛探測(cè)。

2015年7月,該系統(tǒng)的深海探測(cè)部分于在菲律賓海域完成演示驗(yàn)證,2017年該系統(tǒng)完成了系統(tǒng)樣機(jī)研制[30]。

2.4 跨域無(wú)人集群發(fā)展概況

跨域無(wú)人集群是無(wú)人集群中極具應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域,近年來(lái),針對(duì)跨域無(wú)人集群研究,以美國(guó)為代表的軍事強(qiáng)國(guó)以軍事演習(xí)為依托,在運(yùn)用場(chǎng)景、作戰(zhàn)樣式、關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了一系列探索性的研究。見(jiàn)表5。

表5 典型跨域無(wú)人集群演習(xí)

2.4.1 歐洲海上協(xié)同態(tài)勢(shì)感知

“歐洲海上協(xié)同態(tài)勢(shì)感知”(Open Cooperation for European Maritime Awareness,OCEAN2020)是由歐洲防務(wù)局于2018年提出的一項(xiàng)為期3年的合作性研究項(xiàng)目。項(xiàng)目旨在利用異構(gòu)無(wú)人平臺(tái)(固定翼/旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇、無(wú)人潛航器)實(shí)現(xiàn)海上監(jiān)視與攔截任務(wù)。

2019年11月,該項(xiàng)目對(duì)跨域無(wú)人集群在威脅艦艇攔截、反水雷兩種場(chǎng)景下的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證,2021年10月,該項(xiàng)目測(cè)試了將分散部署的無(wú)人系統(tǒng)收集的信息進(jìn)行整合,形成統(tǒng)一的可識(shí)別海事圖像(RMP)的可行性。

2.4.2 無(wú)人系統(tǒng)綜合戰(zhàn)斗問(wèn)題

“無(wú)人系統(tǒng)綜合戰(zhàn)斗問(wèn)題”是由美國(guó)海軍于2021年4月進(jìn)行的一次大規(guī)模無(wú)人平臺(tái)軍事演習(xí)。演習(xí)的主要目的是對(duì)跨域無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同、有人/無(wú)人系統(tǒng)能力進(jìn)行驗(yàn)證。

該次演習(xí)對(duì)跨域無(wú)人集群的作戰(zhàn)運(yùn)用場(chǎng)景進(jìn)行了探索,具體包括：

1)由MQ-9B無(wú)人機(jī)投放聲吶浮標(biāo),將水下目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給水面艦艇和岸上反潛作戰(zhàn)指揮控制節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)反潛搜索;

2)由“漢普頓”號(hào)洛杉磯級(jí)核潛艇,發(fā)射并回收一艘“Iver 4”型無(wú)人潛航器,一艘中型無(wú)人水面艇使用拖曳陣列聲吶搜索、跟蹤水下潛艇;

3)由LCS瀕海戰(zhàn)斗艦、MQ-9無(wú)人機(jī)與無(wú)人潛航器相互配合,對(duì)假定目標(biāo)進(jìn)行全方位的偵察;

4)攜帶聲吶浮標(biāo)的MQ-9B與“普林斯頓”號(hào)巡洋艦配合使用,執(zhí)行遠(yuǎn)程超視距目標(biāo)打擊。

2.4.3 國(guó)際海上演習(xí)IMX22

國(guó)際海上演習(xí)IMX22是由美國(guó)海軍于2022年2月主導(dǎo)的一次海上軍事演習(xí),涉及50余艘艦艇及80多型空中、海上、水下無(wú)人系統(tǒng),是迄今為止目規(guī)模最大的海上無(wú)人系統(tǒng)演習(xí)。該演習(xí)旨在對(duì)異構(gòu)平臺(tái)互操作性、協(xié)同態(tài)勢(shì)感知等多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.4.4 環(huán)太平洋軍演

在2022年6～8月美軍舉辦的環(huán)太平洋軍演中,美軍對(duì)包括水面、空中和水下的無(wú)人系統(tǒng)進(jìn)行了大規(guī)模的測(cè)試。演習(xí)的主要目的包括測(cè)試無(wú)人艦艇自主長(zhǎng)距離航行時(shí)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的可靠性、跨域無(wú)人系統(tǒng)間數(shù)據(jù)鏈的兼容性以及盟軍之間指揮控制系統(tǒng)的互操作性等。

總的來(lái)看,美軍在歷次演習(xí)中不僅對(duì)相關(guān)無(wú)人平臺(tái)的協(xié)同作戰(zhàn)能力進(jìn)行了驗(yàn)證,更為跨域無(wú)人集群潛在的作戰(zhàn)樣式與應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了深入探索。從相關(guān)演習(xí)內(nèi)容來(lái)看,圍繞未來(lái)無(wú)人艇/無(wú)人潛航器協(xié)同、無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同以及無(wú)人/有人協(xié)同的跨域協(xié)同技術(shù)將成為跨域無(wú)人集群的主要作戰(zhàn)樣式,路徑規(guī)劃、任務(wù)分配、信息融合、自組織通信等技術(shù)將是未來(lái)跨域無(wú)人集群重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

3 作戰(zhàn)樣式與關(guān)鍵技術(shù)分析

相較于單域無(wú)人集群,跨域無(wú)人集群在作戰(zhàn)樣式增多的同時(shí)也對(duì)協(xié)同性提出了更高的要求,在關(guān)鍵技術(shù)上面臨新的挑戰(zhàn)。本節(jié)首先探討可能率先運(yùn)用跨域無(wú)人集群的作戰(zhàn)樣式,進(jìn)一步從智能決策、任務(wù)分配、路徑規(guī)劃和通信網(wǎng)絡(luò)4個(gè)方面分析相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)有手段及面臨的挑戰(zhàn)。

3.1 作戰(zhàn)運(yùn)用場(chǎng)景分析

3.1.1 “深海+淺海”全域搜索監(jiān)視

廣域搜索監(jiān)視任務(wù)是無(wú)人集群的典型運(yùn)用場(chǎng)景,盡管無(wú)人機(jī)、水面無(wú)人艇、無(wú)人潛航器可分別獨(dú)立執(zhí)行搜索任務(wù),但無(wú)人機(jī)通常只能對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行偵察搜索,難以有效獲取水下目標(biāo)信息;無(wú)人艇能夠?qū)λ履繕?biāo)進(jìn)行探測(cè),但存在較大的虛警漏警概率;無(wú)人潛航器能夠?qū)λ履繕?biāo)進(jìn)行跟蹤查證,但速度較慢。

從以上項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容來(lái)看,可以使用無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇、無(wú)人潛航器組成跨域無(wú)人集群共同完成“深海+淺海”的大范圍全域探測(cè)任務(wù),通過(guò)發(fā)揮不同平臺(tái)優(yōu)勢(shì)提高對(duì)任務(wù)區(qū)域的態(tài)勢(shì)感知能力。其中,淺海探測(cè)以無(wú)人機(jī)集群為核心,水面無(wú)人艇為輔助,可由搭載多種傳感器的無(wú)人機(jī)對(duì)海面和淺海區(qū)域展開(kāi)廣域探測(cè)和協(xié)同搜索,并充當(dāng)指揮中心與跨域集群間的通信中繼。水面無(wú)人艇可負(fù)責(zé)海面態(tài)勢(shì)感知,并與無(wú)人潛航器保持聲學(xué)通信。深海探測(cè)以無(wú)人潛航器為核心,在水面無(wú)人艇和固定式海底聲吶陣的輔助下組成深海聲探網(wǎng)絡(luò),對(duì)水下目標(biāo)信息進(jìn)行大范圍感知。

3.1.2 海上目標(biāo)時(shí)敏打擊

時(shí)敏打擊是指在極短時(shí)間內(nèi)完成從探測(cè)目標(biāo)到打擊目標(biāo)的一系列過(guò)程,將彈藥投向目標(biāo)。無(wú)人潛航器具有隱蔽性好、殺傷力強(qiáng)等特點(diǎn),能夠?qū)Ｉ夏繕?biāo)構(gòu)成較大威脅,但缺少對(duì)海上目標(biāo)的搜索捕獲手段。無(wú)人機(jī)具有活動(dòng)空間廣、移動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn),采用無(wú)人機(jī)集群對(duì)海上目標(biāo)進(jìn)行搜索,能夠有效補(bǔ)充無(wú)人潛航器的不足。無(wú)人艇則可以作為無(wú)人機(jī)載具和水下通信中繼。因此,可以利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)搜索與定位,然后通過(guò)無(wú)人潛航器對(duì)目標(biāo)實(shí)施跟蹤、打擊,從而實(shí)現(xiàn)跨域無(wú)人集群對(duì)海上目標(biāo)的時(shí)敏打擊。

此外,可以利用無(wú)人機(jī)與大型有人艦艇協(xié)同,執(zhí)行超視距目標(biāo)打擊任務(wù),例如美軍曾在演習(xí)中采用攜帶聲吶浮標(biāo)的MQ-9B為巡洋艦提供遠(yuǎn)程超視距打擊目標(biāo)指示,通過(guò)無(wú)人系統(tǒng)與有人平臺(tái)協(xié)同,有效提升了有人平臺(tái)的感知、打擊范圍。

3.1.3 潛射無(wú)人集群協(xié)同作戰(zhàn)

美軍在PLUSNet項(xiàng)目和UxS IBP演習(xí)中利用潛射無(wú)人潛航器增加潛艇對(duì)敵水下目標(biāo)的感知能力,類似地,可以利用潛射無(wú)人機(jī)引導(dǎo)潛艇對(duì)敵方岸上重要目標(biāo)、海上艦艇和空中目標(biāo)進(jìn)行攻擊。作為一種有效的場(chǎng)外傳感器,潛射無(wú)人機(jī)可以幫助潛艇擴(kuò)大偵察范圍,有效提升潛艇的偵察縱深。此外,潛射無(wú)人機(jī)可以在保證潛艇隱蔽性和安全性的條件下,作為通信中繼將潛艇收集到的信息通過(guò)衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳回指揮所,從而拓展?jié)撏У倪h(yuǎn)距離通信空間。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

跨域協(xié)同本質(zhì)上是通過(guò)提高平臺(tái)自主水平與平臺(tái)間協(xié)同能力,實(shí)現(xiàn)單無(wú)人平臺(tái)和單域無(wú)人平臺(tái)的能力增強(qiáng)與效能提升。因此,無(wú)人系統(tǒng)相關(guān)的決策、規(guī)劃、感知、控制等技術(shù)均需在跨域協(xié)同的框架下進(jìn)一步研究。其中,智能決策是提高無(wú)人系統(tǒng)自主化水平,實(shí)現(xiàn)跨域協(xié)同的核心,任務(wù)分配、路徑規(guī)劃是發(fā)揮跨域體系作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ),可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是保證跨域平臺(tái)間有效協(xié)同的支撐。

3.2.1 智能決策

智能決策技術(shù)旨在提升無(wú)人系統(tǒng)的決策質(zhì)量與速度,實(shí)現(xiàn)任務(wù)的自主化與協(xié)同化。從技術(shù)需求來(lái)看,跨域無(wú)人集群的智能決策技術(shù)可以劃分為單平臺(tái)自主決策技術(shù)與多平臺(tái)協(xié)同決策技術(shù)兩個(gè)層次。在單平臺(tái)自主決策方面,學(xué)者們主要圍繞空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)、路徑?jīng)_突解脫等問(wèn)題展開(kāi)研究,提出了博弈論法、專家系統(tǒng)法、速度障礙法以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法,這些方法通過(guò)對(duì)敵方當(dāng)前環(huán)境態(tài)勢(shì)進(jìn)行評(píng)估分析,實(shí)現(xiàn)了特定場(chǎng)景下的無(wú)人系統(tǒng)自主決策,但仍存在算法智能化水平不高、約束條件較為理想等局限。在多平臺(tái)協(xié)同決策方面,當(dāng)前研究主要圍繞搜索、跟蹤、定位和打擊等場(chǎng)景下的任務(wù)重分配、路徑重規(guī)劃、實(shí)時(shí)控制等問(wèn)題展開(kāi),提出了仿生決策、虛擬領(lǐng)導(dǎo)者等方法,這些方法一定程度上解決了單域無(wú)人集群的協(xié)同決策問(wèn)題,但仍存在應(yīng)用場(chǎng)景單一等不足。

在智能決策方面,跨域無(wú)人集群主要面臨以下挑戰(zhàn)：

1)多源信息融合下的快速自主決策

跨域平臺(tái)的傳感器資源更加豐富,態(tài)勢(shì)感知信息源數(shù)量眾多、信息類型多樣,需要對(duì)多域、異構(gòu)平臺(tái)的信息進(jìn)行有效融合,生成統(tǒng)一的態(tài)勢(shì)感知信息。同時(shí),平臺(tái)的決策空間進(jìn)一步拓展,信息交互頻率與交互內(nèi)容的增加將給現(xiàn)有算法的實(shí)時(shí)性帶來(lái)挑戰(zhàn)。

2)面向多域平臺(tái)的協(xié)同決策

跨域無(wú)人集群涉及陸、海、空等多個(gè)維度,不同空間域內(nèi)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)能力差異明顯,將給多域平臺(tái)的協(xié)同決策增加嚴(yán)苛的約束條件。單域無(wú)人集群中基于時(shí)空同步的協(xié)同決策方法將面臨挑戰(zhàn),基于任務(wù)的協(xié)同決策方法將成為跨域平臺(tái)間協(xié)同的主要內(nèi)容。如何在充分考慮平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)差異的基礎(chǔ)上對(duì)任務(wù)進(jìn)行合理分解與實(shí)時(shí)分配,保證跨域平臺(tái)間協(xié)同行為的有效性,將是跨域平臺(tái)協(xié)同決策面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

3)通信受限下的協(xié)同決策

跨域平臺(tái)的協(xié)同決策需要依賴有效的通信手段獲取其他平臺(tái)的感知信息、狀態(tài)信息和決策信息。然而,跨域平臺(tái)寬廣的活動(dòng)空間對(duì)多域平臺(tái)間的通信可靠性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),如何在通信受限的條件下充分利用有限的通信資源進(jìn)行協(xié)同決策,將成為制約未來(lái)跨域無(wú)人集群體系能力提升的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.2 任務(wù)分配

無(wú)人集群任務(wù)分配旨在建立一定約束條件下的平臺(tái)與任務(wù)之間的映射關(guān)系,屬于離散空間中的組合優(yōu)化問(wèn)題。當(dāng)前關(guān)于任務(wù)分配的研究大致可以分為兩類,一類是離線式任務(wù)分配方法[32-33],側(cè)重于將具體的任務(wù)分配問(wèn)題抽象為、數(shù)學(xué)模型來(lái)求解,另一類是在線式任務(wù)分配方法[34-36],這類方法側(cè)重于建立集群平臺(tái)間的協(xié)同機(jī)制,通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)、合作等方式實(shí)現(xiàn)“任務(wù)-平臺(tái)”間的映射,見(jiàn)圖1。表6歸納了近年來(lái)較有代表性的無(wú)人系統(tǒng)任務(wù)分配研究成果。可以看出,當(dāng)前研究主要是針對(duì)同構(gòu)無(wú)人系統(tǒng)展開(kāi)的,即認(rèn)為參與任務(wù)分配的平臺(tái)具有相同的能力,對(duì)異構(gòu)、跨域平臺(tái)的任務(wù)分配研究還較少。

圖1 任務(wù)分配模型與方法

表6 任務(wù)分配方法對(duì)比

在任務(wù)分配問(wèn)題方面,跨域無(wú)人集群主要面臨以下挑戰(zhàn)：目標(biāo)/平臺(tái)數(shù)量多、平臺(tái)間關(guān)聯(lián)性強(qiáng),需要對(duì)基于時(shí)空同步約束的跨域平臺(tái)協(xié)同任務(wù)分配方法進(jìn)行研究;任務(wù)執(zhí)行序列約束條件嚴(yán)格,需要考慮算法無(wú)解條件下的跨域無(wú)人集群協(xié)同決策策略[45-49];算法求解空間大,跨域平臺(tái)的協(xié)同對(duì)多智能體深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法的求解有效性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn),需要設(shè)計(jì)更加有效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)。

3.2.3 路徑規(guī)劃

自主路徑規(guī)劃旨在為無(wú)人系統(tǒng)規(guī)劃出一條合理有效的運(yùn)動(dòng)路徑,使無(wú)人系統(tǒng)能夠遂行偵察[50-51]、攻擊、跟蹤[52-54]等任務(wù)。從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看,當(dāng)前關(guān)于無(wú)人系統(tǒng)集群路徑規(guī)劃問(wèn)題的研究可以分為兩類,一類是搜索路徑規(guī)劃問(wèn)題[55-56],主要針對(duì)覆蓋率、能量消耗、轉(zhuǎn)彎半徑、速度性能、通信拓?fù)涞燃s束條件下的最優(yōu)路徑規(guī)劃問(wèn)題展開(kāi)研究,旨在提高無(wú)人系統(tǒng)集群遂行偵察、救援、區(qū)域巡邏、農(nóng)藥噴灑等任務(wù)的效能;另一類是安全路徑規(guī)劃問(wèn)題[57-59],主要針對(duì)存在威脅源、障礙物、復(fù)雜地形等條件下的無(wú)人系統(tǒng)安全路徑規(guī)劃展開(kāi)研究,旨在為無(wú)人系統(tǒng)提供安全可行的運(yùn)動(dòng)路徑。從問(wèn)題求解方法來(lái)看,無(wú)人系統(tǒng)集群路徑規(guī)劃問(wèn)題的求解通常包括環(huán)境建模與算法求解兩部分,如圖2所示。表7歸納了近年來(lái)較有代表性的無(wú)人系統(tǒng)路徑規(guī)劃研究成果。

圖2 路徑規(guī)劃模型及方法

表7 路徑規(guī)劃方法對(duì)比

可以看出,當(dāng)前研究成果主要集中于單域無(wú)人集群。其中,文獻(xiàn)[63]～[64]等研究了無(wú)人機(jī)、無(wú)人車等異構(gòu)平臺(tái)的協(xié)同路徑規(guī)劃問(wèn)題,為跨域無(wú)人集群路徑規(guī)劃問(wèn)題提供了借鑒,但在假設(shè)條件合理性、協(xié)同機(jī)制設(shè)計(jì)等方面仍有不足。

在路徑規(guī)劃問(wèn)題方面,跨域無(wú)人集群主要面臨以下挑戰(zhàn)：求解空間進(jìn)一步擴(kuò)大,多域平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能差異對(duì)可行解的存在提出新的挑戰(zhàn);約束條件更加復(fù)雜,通信可靠性對(duì)平臺(tái)間交互決策的影響更加重要;協(xié)同機(jī)制更加多樣,需要在綜合考慮任務(wù)總體目標(biāo)、不同平臺(tái)優(yōu)勢(shì)及限制等方面約束條件的前提下,實(shí)現(xiàn)異構(gòu)平臺(tái)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

3.2.4 通信網(wǎng)絡(luò)

從無(wú)人集群通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看,自組織通信網(wǎng)絡(luò)將是今后無(wú)人集群通信發(fā)展的主要方向。無(wú)人集群通信網(wǎng)絡(luò)旨在構(gòu)建平臺(tái)之間的通信數(shù)據(jù)鏈和指控?cái)?shù)據(jù)鏈,設(shè)計(jì)合適的通信拓?fù)洹⑼ㄐ艆f(xié)議等[63-65],是無(wú)人集群形成體系作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的重要支撐。當(dāng)前無(wú)人集群通信網(wǎng)絡(luò)一般采用移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad-hoc)的體系結(jié)構(gòu),整個(gè)協(xié)議棧通常分為5層,即物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。其涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：高可靠路由協(xié)議[66-68]、高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步技術(shù)[69-71]、信息加密技術(shù)[72-73]、跨介質(zhì)通信技術(shù)[74-76]等。其中,高可靠路由協(xié)議和跨介質(zhì)通信技術(shù)是跨域無(wú)人集群面臨的主要挑戰(zhàn)。

在路由協(xié)議方面,現(xiàn)有成果主要針對(duì)無(wú)人集群內(nèi)系統(tǒng)間的信息轉(zhuǎn)發(fā)方式、路徑發(fā)現(xiàn)方式等問(wèn)題展開(kāi)研究,大致可以分為基于拓?fù)涞穆酚蓞f(xié)議、基于地理位置的路由協(xié)議和基于蜂群智能的路由協(xié)議等[77-80]。相較于單域無(wú)人集群,跨域無(wú)人集群具有平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度差異明顯、活動(dòng)空間范圍廣的特點(diǎn),集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化更加頻繁,由傳統(tǒng)Ad-Hoc算法計(jì)算得到的通信路徑難以適應(yīng)平臺(tái)位置、狀態(tài)的迅速變化,路由算法的魯棒性將是跨域無(wú)人集群面臨的重要挑戰(zhàn)。

在跨介質(zhì)通信方面,海上跨域無(wú)人集群通信涉及空氣、海水等介質(zhì),當(dāng)前水上、水下平臺(tái)的跨介質(zhì)通信手段主要是長(zhǎng)波/超長(zhǎng)波通信,信息傳輸效率極低(目前超長(zhǎng)波信號(hào)水下傳輸速度約為1 bit/min[81]),無(wú)法滿足平臺(tái)信息交互需求,亟待提出有效的跨介質(zhì)通信方法。

從表8歸納的無(wú)人系統(tǒng)集群自組織通信的部分相關(guān)研究可以看出,已有針對(duì)無(wú)人系統(tǒng)集群路由協(xié)議的魯棒性展開(kāi)研究,取得了一定的成果。光通信等新型通信手段則為跨介質(zhì)通信提供了新的解決手段。

表8 無(wú)人系統(tǒng)集群自組織通信相關(guān)研究

4 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

從第3節(jié)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的梳理可以看出,盡管已有不少文獻(xiàn)對(duì)無(wú)人集群技術(shù)展開(kāi)研究,但存在重復(fù)化工作的問(wèn)題,且主要面向單域無(wú)人集群。以跨域無(wú)人集群實(shí)際能力需求為牽引,梳理跨域無(wú)人集群發(fā)展趨勢(shì)如下。

4.1 多重算法融合的路徑規(guī)劃技術(shù)

跨域無(wú)人集群的路徑規(guī)劃空間更加復(fù)雜,面臨的平臺(tái)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、通信拓?fù)浼s束等約束條件更加嚴(yán)格,單一建模和求解算法很難滿足整個(gè)路徑規(guī)劃的需求。例如數(shù)字柵格法能夠準(zhǔn)確地對(duì)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行表征,但規(guī)劃空間大,不適用于動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃;人工勢(shì)場(chǎng)法實(shí)時(shí)性好,但可能出現(xiàn)閉環(huán)航跡,不適用于障礙物多的任務(wù)區(qū)域;圖形法通常能夠規(guī)劃出全局最優(yōu)航跡,但無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整,不適用于動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃。

因此在跨域無(wú)人集群路徑規(guī)劃算法上,應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同的規(guī)劃階段,選擇不同的任務(wù)區(qū)域建模與求解算法,綜合考慮異構(gòu)無(wú)人平臺(tái)傳感器優(yōu)勢(shì)特性及航程油耗、到達(dá)時(shí)間、威脅分布等約束條件,提出有效的路徑規(guī)劃方法和在線協(xié)同機(jī)制,確保各無(wú)人系統(tǒng)和搜索任務(wù)中路徑規(guī)劃的有效性和實(shí)時(shí)性。

4.2 多約束條件下的任務(wù)分配技術(shù)

動(dòng)態(tài)環(huán)境中的任務(wù)分配問(wèn)題將是當(dāng)前和未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)跨域無(wú)人集群任務(wù)分配的難點(diǎn)。當(dāng)前任務(wù)分配方法主要依賴于推理判斷與啟發(fā)式優(yōu)化求解,難以適用于存在時(shí)變?nèi)蝿?wù)和突發(fā)威脅的動(dòng)態(tài)環(huán)境。例如,TSP建模的求解結(jié)果難以根據(jù)時(shí)變?nèi)蝿?wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整;多Agent建模方法缺少對(duì)通信約束的考慮。

鑒于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法在智能體決策方面展現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì),在跨域無(wú)人集群實(shí)時(shí)任務(wù)分配方面具有巨大潛力。通過(guò)建立多階段的任務(wù)分配獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù),對(duì)不同任務(wù)階段的約束條件進(jìn)行區(qū)分,能夠有效對(duì)多約束條件下的任務(wù)分配技術(shù)進(jìn)行求解,提高跨域無(wú)人集群任務(wù)分配的魯棒性和實(shí)時(shí)性。

4.3 基于先進(jìn)通信手段的自組織通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

通信可靠性是當(dāng)前無(wú)人集群體系作戰(zhàn)的重要制約因素。跨域無(wú)人集群涉及空中、水面、水下等多個(gè)空間維度,由于海水對(duì)高頻電磁波的衰減,平臺(tái)間的信息交互與協(xié)同決策給跨介質(zhì)通信技術(shù)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

“星鏈”和光通信技術(shù)可能成為跨域平臺(tái)的實(shí)時(shí)交互通信有效解決方案。在“星鏈”大量低軌道小型衛(wèi)星支持下,空中、水面平臺(tái)之間能夠?qū)崿F(xiàn)高通量、低時(shí)延、廣覆蓋的高速通信[87]。同時(shí),水下激光通信技術(shù)的發(fā)展為水下平臺(tái)與其他平臺(tái)的信息交互提供了可能,如何實(shí)現(xiàn)通信激光光源的高功率、低成本將成為未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)跨域平臺(tái)通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從概念演變、發(fā)展概況、關(guān)鍵技術(shù)及挑戰(zhàn)、發(fā)展趨勢(shì)等4個(gè)方面對(duì)當(dāng)前跨域無(wú)人集群的研究進(jìn)行了綜述。其中,在作戰(zhàn)概念演變方面,首先介紹了“域”“多域”“跨域”等概念的定義,然后分析了跨域作戰(zhàn)的概念演變過(guò)程。在發(fā)展概況方面,首先介紹了單域無(wú)人平臺(tái)集群中的典型項(xiàng)目,分析了相關(guān)項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景及關(guān)鍵技術(shù),然后對(duì)近年來(lái)跨域無(wú)人集群相關(guān)演習(xí)進(jìn)行了總結(jié)與分析。在關(guān)鍵技術(shù)方面,梳理了無(wú)人集群路徑規(guī)劃、任務(wù)分配、自組織通信等方面的研究現(xiàn)狀,闡述了跨域無(wú)人集群相關(guān)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。最后給出了跨域無(wú)人集群技術(shù)的潛在發(fā)展方向。