有人/無人機協同電磁頻譜作戰問題研究

梅 豪,都興霖,許登榮,楊慧君

(空軍預警學院,湖北 武漢 430019)

0 引 言

隨著世界軍事變革的不斷推進,戰爭形態正向信息化、智能化戰爭加速演變,各種作戰行動對電磁頻譜的依賴性越來越強,誰在戰爭中奪取了電磁頻譜優勢,誰就能控制未來戰場的制高點。近年來,為推進第三次抵消戰略,保持電磁頻譜的絕對優勢,美軍不斷為電磁空間獨立成域造勢,提出了電磁頻譜作戰[1-3]等新型作戰概念,持續在電磁頻譜領域新戰略、新條令、新裝備技術的需求上進行突破,進一步調整、優化、擴充電磁頻譜領域作戰力量,推動電子戰向電磁頻譜戰跨越轉型發展。為了提升電磁頻譜作戰能力,美軍尤其注重新技術、新裝備的研發和運用。無人機具有成本低、體積小、機動性好、效費比高等特點,運用無人機開展電磁頻譜作戰是美軍在電磁頻譜作戰領域研究和發展的重點方向之一。例如,美軍提出“低-零功率”電磁頻譜戰[4],并設計了很多作戰運用模式,其中之一就是利用無人機蜂群搭載低截獲概率/低探測概率的傳感器、通信系統以及低功率電子戰系統,采取網絡化、一體化、自適應、低功率等電磁對抗措施,壓制和削弱敵方偵察、預警、探測、定位及引導打擊能力,使自身始終占據戰場電磁頻譜的絕對優勢。受限于當前的智能化水平,完全自主的多機協同作戰、無人機集群作戰、無人機蜂群作戰等暫時難以實現。將無人機作為有人機的僚機,由有人機控制無人機編隊執行電磁頻譜作戰任務,是相對容易實現的方案。因此,美國、澳大利亞、俄羅斯等軍事強國都紛紛開展有人/無人機協同作戰忠誠僚機項目的研究[5]。2020年8月,美國空軍在內華達州內利斯空軍基地開展了1次有人機/無人機隱身戰機協同突防打擊試驗。試驗表明,通過有人-無人隱身戰機建立編隊進行協同配合,可以極大地提高隱身戰機的打擊能力和突防水平。可見,隨著有人機/無人機協同電磁頻譜作戰技術和作戰運用方式的逐漸成熟,必將改變傳統的戰爭形態,對現有的作戰體系也會產生巨大的挑戰[6]。因此,亟需對有人機/無人機協同電磁頻譜作戰的概念內涵、優勢特點、運用模式以及關鍵技術等進行分析,為發展我軍的有人機/無人機協同電磁頻譜作戰系統,提升有人機/無人機協同電磁頻譜作戰運用水平提供參考。

1 有人/無人機協同電磁頻譜作戰概念及優勢

1.1 概念分析

“有人/無人機協同作戰”的概念源自長機和僚機的協同作戰[5],隨著無人機技術的發展,無人機作為僚機作戰成為可能,促進了有人/無人機協同作戰概念的形成和發展。有人/無人機協同作戰是指有人機與無人機為執行相同任務而建立整體的編隊,通過網絡互連、平臺互操作和資源共享控制,協同完成作戰任務的軍事行動。根據有人平臺控制無人機操作的等級劃分,有人機/無人機協同作戰可劃分為5個層級[7-8],各層級具有的控制功能如表1所示。可以看到,級別越高,有人機控制無人機的能力也越強。目前,世界各國正在開展有人機平臺的無人機協同控制系統的開發和完善工作[7]。總體來說,各國的建設目標是要采用1架有人機對1架無人機或多架無人機進行4級控制;對于運輸機和海上巡邏機等部分大型平臺,可以保留地面控制站的所有功能,即有人機具備對無人機的5級控制能力。

表1 有人機/無人機協同控制層級

“電磁頻譜作戰”概念最早由美軍2012年頒布的《聯合電磁頻譜管理行動》(JP6-01)條令中給出,但其準確的定義仍在不斷的調整和完善之中。2020年5月,美軍頒布《聯合電磁頻譜作戰》(JP3-85)條令,其對電磁頻譜作戰的定義是：為獲取電磁頻譜優勢而對戰場電磁環境進行的利用、攻擊、防護和管理行動,包括電磁感知、電磁攻擊、電磁防御和電磁頻譜管控等軍事活動[3]。

結合有人/無人機協同作戰、電磁頻譜作戰的概念,可以對有人機/無人機協同電磁頻譜作戰定義如下：有人/無人機協同電磁頻譜作戰是指有人機與無人機建立整體的編隊,通過網絡互連、平臺互操作和資源共享控制,協同完成電磁頻譜作戰任務的軍事行動,包括協同電磁感知、協同電磁攻擊、協同電磁防御和協同電磁頻譜管控等活動。

1.2 作戰優勢

有人/無人機協同電磁頻譜作戰可以充分發揮無人機作戰成本低、無人員傷亡、續航時間長的特點和有人機應對復雜環境、執行隨機任務、判斷決策等方面的優勢,二者相互協同,實現優勢互補,提高作戰效能。具體來說,有人/無人機協同電磁頻譜作戰具有如下優勢。

1.2.1 有利于拓展任務空間

有人/無人機協同電磁頻譜作戰時,有人機處于敵防區外,完成編隊航線規劃、任務分配等指揮控制任務,無人機通過有人機的中繼控制,利用其優越的靈活性、低可探測性深入作戰空域,對作戰目標實施近距離的偵察定位、干擾壓制和反輻射摧毀,大大拓展了作戰半徑和作戰范圍。

1.2.2 有利于實現靈活戰術

無人機執行任務時,不涉及人員傷亡等問題,可以承擔很多有人機無法承擔的高危險和高強度任務。比如可以利用隱身無人機前出抵近目標進行長時間的偵察干擾,同時還可以讓無人機模擬有人機實施佯動、充當誘餌,引誘敵方雷達開機等,相對有人機單獨作戰,協同作戰的戰術戰法運用更加多樣、靈活。

1.2.3 有利于增強防護能力

現代戰爭的作戰行動往往是在復雜電磁環境下進行,作戰飛機的傳感器很容易受到敵方強烈的電磁干擾,而有人/無人機協同電磁頻譜作戰,通過將有人機與無人機的傳感器分散配置,形成分布式傳感器網絡,其中任何一個或多個傳感器遭到干擾可以通過調整編隊隊形等措施進行彌補,抗干擾能力得到提高。另外,有人機/無人機協同作戰能提高威脅告警能力,無人機部署在編隊的前端,為有人機預留了一定的反應時間和機動時間,就算無人機被擊落,比起人員傷亡,損失更容易接受,提高了抗打擊能力。

1.2.4 有利于提升作戰效能

有人/無人機協同電磁頻譜作戰可以提高電磁態勢感知、電磁攻擊等行動的作戰效能。在協同電磁態勢感知行動中,無人機前出配置,對作戰區域電磁目標進行近距離偵察和精確定位,多架無人機將自身偵測到的電磁數據發送到有人機,通過與有人機進行多源情報融合,可以彌補有人機偵測范圍有限和識別能力不足,快速準確掌握戰場電磁態勢。在電磁攻擊行動中,憑借有人/無人機協同作戰顯著的偵察優勢,無人機可以利用其隱身性好、高靈活性的特點,靈活編隊,深入敵作戰區域,配合有人機對目標實施多個方向軟硬兼施的電磁攻擊,大幅提高攻擊效果。

2 有人/無人機協同電磁頻譜作戰運用模式

關于有人/無人機協同電磁頻譜作戰,目前還沒有成熟的運用模式,借鑒有人/無人機協同網電作戰運用方法[9],以下從組合方式、隊形配置以及基本流程等方面探析有人/無人機協同電磁頻譜作戰可能的運用模式。

2.1 總體構想

在有人/無人協同電磁頻譜作戰中,有人機主要是對無人機進行指揮控制,完成目標分配、航線規劃等任務,同時對整個有人/無人機作戰編隊的電磁頻譜使用進行協同控制、優先級排序等,避免自擾互擾,保證整個作戰系統對電磁頻譜的正常使用。無人機主要接收作戰指令,將偵察感知的電磁信息發送給有人機。在有人機的指揮控制下,有人機、無人機協同完成電磁感知、電磁進攻、電磁防御等任務,如圖1所示。

圖1 有人/無人機協同電磁頻譜作戰任務框圖

2.2 組合方式

有人/無人機協同電磁頻譜作戰在平臺組合上通常需要考慮以下2個方面的問題：一是有人機與無人機在平臺特征方面需要具備相似性或一致性,尤其在飛行速度方面要具有相似性;二是在任務系統方面可以相似或互補,任務系統相似可以強化執行單一任務的能力,任務系統互補能夠形成“偵—控—打(擾)—評”于一體的電磁頻譜作戰能力。表2為可進行協同電磁頻譜作戰的有人/無人機武器平臺。

表2 可實施協同電磁頻譜作戰的有人/無人機武器平臺

組合時,通常由1架有人機(表2中有人機平臺中的任何一種)擔任長機對編隊進行指揮控制,若干架無人機(表2中無人機平臺中的一種或多種的組合)作為僚機擔負偵察感知、干擾壓制和毀癱打擊等任務。一般來說,無人機的數量越多,編隊的偵察感知、電磁攻擊能力也就越強,但是也會增加有人機指揮控制的壓力和通信載荷負擔。因此,在目前的技術條件下,比較理想的是“1+3”編隊模式[9]。即1架有人指揮控制機、1架電子偵察無人機(或察打一體無人機)和2架電子攻擊無人機,這種編隊兼具電磁偵測和電磁攻擊能力。未來,隨著有人/無人協同作戰技術的逐漸成熟,還可能形成有人機+無人機集群編隊或有人機+無人機蜂群編隊的組合。

2.3 隊形配置

協同作戰隊形設計的好壞將直接影響電磁頻譜作戰效能的發揮,因此,必須綜合考慮有人機與無人機的飛行能力、機動性能、電磁偵測能力、干擾壓制能力、反輻射摧毀能力以及攻擊模式等多種因素來設計有人/無人機協同電磁頻譜作戰編隊形狀。編隊隊形配置的基本原則和方法如表3所示。

表3 有人/無人機協同電磁頻譜作戰編隊隊形配置方法

根據表3的配置原則和方法,在有人/無人機“1+3”組合方式的條件下,同時要求編隊具備“偵—控—打—評”于一體的電磁頻譜作戰能力時,可以采用“T”型的編隊,即電子攻擊無人機前置部署,電子偵察無人機或察打一體無人機部署于編隊中間靠前位置,而有人機靠后部署,如圖2所示。這樣部署既能保證無人機進行近距離的偵察干擾,也能防止作戰編隊飛機之間的自擾互擾,同時還能保證有人機安全和通信指揮暢通。需要注意的是,執行任務不同,編隊隊形也需要靈活調整,以實現作戰效能的最大化。

圖2 有人/無人機協同電磁頻譜作戰編隊隊形

2.4 基本流程

有人/無人機協同電磁頻譜作戰的基本流程包括作戰數據加載、起飛爬升、巡航、任務執行、返航、降落著陸等過程,如圖3所示。首先是有人機、無人機分別在地面進行任務和航路的數據加載,從同一機場或不同機場起飛并爬升到一定的高度后,有人機與無人機地面控制站進行控制權交接,開始對無人機進行指揮控制。然后無人機在有人機的指揮控制下開始巡航進入作戰區域,與有人機協同執行電磁頻譜作戰任務,順利完成任務后開始返航,接近目的地時,有人機將無人機的控制權交回地面控制站并完成著陸控制。下面重點對可能協同執行的幾種電磁頻譜作戰任務進行介紹。

圖3 有人/無人機協同電磁頻譜作戰的基本流程

協同電磁感知：無人機接收到具體任務后,按照有人機規劃的航線進入作戰任務區。電子偵察無人機對作戰區域的各類電磁目標進行偵察、監視和探測,其他無人機則保持電磁靜默,接收有人機的指令。有人機同步進行電磁偵測,與多架偵察無人機進行多源信息融合,實現對目標的多基線測量、交叉定位、信號特征加強和協同印證,形成綜合戰場電磁態勢。此外,為了摸清敵隱蔽兵力位置、頻率信息等,可采用編隊內的誘餌無人機掛載龍伯球,誘敵進行抗擊,暴露其位置、頻率信息,而電子偵察無人機、有人機同步進行偵察。

協同電磁攻擊：有人機根據協同電磁感知生成的綜合戰場電磁態勢,完成電磁作戰任務區分和目標分配,然后由電子攻擊無人機單獨或配合有人機完成協同電磁攻擊任務。

(1) 協同電子干擾。電子干擾無人機利用其隱身性能好的特點深入敵作戰區域,多架無人機從不同方位對敵電子信息系統進行持續的干擾壓制,有人機配合無人機在防區外進行正面的干擾壓制,進一步擴大安全掩護區的范圍,為突防戰斗機開辟空中安全走廊。

(2) 協同反輻射攻擊。電子偵察無人機通過抵近偵察對目標進行偵察定位,并將偵測到的目標信息以及戰場態勢傳送至有人/無人機編隊各平臺,有人機控制反輻射無人機加載目標數據并對目標實施攻擊,或者有人機根據電磁態勢數據直接發送輻射導彈對輻射源目標進行攻擊。此時,電子干擾無人機對敵防空系統施放欺騙性干擾,模擬大批機群實施攻擊,吸引防空探測武器開機,保證反輻射攻擊效果。

(3) 軟硬一體飽和攻擊。有人機在防區外對敵防空雷達實施連續的干擾壓制,掩護電子攻擊無人機進入攻擊區域進行反輻射打擊、定向能攻擊,偵察無人機密切監視作戰區域,將偵測數據實時傳回編隊各平臺,使攻擊無人機和有人機實時更新作戰目標電磁輻射數據,保證軟硬一體攻擊的有效性。

協同電磁防御：有人機和無人機對來襲導彈進行協同告警和探測,迅速變化隊形進行規避,電子干擾無人機對來襲導彈進行強烈的電磁干擾,降低導彈攻擊的準確性,必要時,有人機可控制無人機在導彈來襲方向主動攔截,確保有人機安全。

協同電磁頻譜管控：有人機對整個編隊電磁頻譜使用優先級進行排序和編隊隊形控制,防止各平臺發生自擾互擾,影響作戰效能的正常發揮。為了防止己方其他作戰編隊對編隊電磁頻譜使用產生影響,偵察無人機可將偵測到的其他作戰編隊的電磁頻譜使用信息發送給有人機,由有人機與地面指揮控制中心進行協調控制,保證整個有人/無人機作戰編隊對電磁頻譜的正常使用。而隨著人工智能、信息技術的發展,有人機/無人機電磁頻譜作戰編隊未來還可能作為聯合空中作戰等行動中電磁頻譜管控的專業力量,實時監控作戰區域內的用頻情況,動態優化調整電磁頻譜使用計劃,及時解決臨時出現的自擾互擾問題,保證整個作戰體系效能的最大化。

3 有人/無人機協同電磁頻譜作戰關鍵技術

要實現有人機/無人機協同電磁頻譜作戰,有許多關鍵技術需要突破,主要包括協同控制技術、協同目標分配技術、協同航線規劃技術、數據鏈技術、協同電磁感知技術等[7-11]。

3.1 協同控制技術

在協同電磁頻譜作戰行動中,有人機和無人機各司其職,通過信息傳輸和交互實現任務協同。在這個過程中,有人機操縱員不僅要接收來自地面的指揮控制信息,執行本機作戰任務,還要根據戰場情況指揮控制無人機。現代戰場環境瞬息萬變,客觀上需要有人機操縱員根據戰場態勢的變化,及時、準確地制定和調整編隊中無人機的作戰方案。這樣繁重的工作對有人機操縱員的生理和心理都造成了很大的負擔,因此需要發展有人/無人機智能協同控制系統為完成作戰任務提供保障,在短時間內為有人機操縱員提供決策方案,輔助操縱員進行決策或自主決策,減少在協同指揮控制中人的負擔。

3.2 協同任務區分和目標分配技術

有人機/無人機協同電磁頻譜作戰,涉及電磁感知、電磁進攻、電磁防御等多種作戰任務,包括雷達、通信、導航系統等多種作戰目標,必須對有人/無人機作戰系統進行很好的任務區分和目標分配,才能實現作戰效能的最大化。協同任務區分和目標分配是1個組合優化問題,需要考慮各種約束條件,如有人/無人機武器系統配置情況、偵察無人機的最大偵察距離、干擾無人機的最大干擾距離、反輻射無人機攻擊范圍和精度等。由于該問題是一個多項式復雜程度的非確定問題(NP),解決思路主要有2種：一種是如窮舉法的精確搜索方法,另一種是啟發式搜索方法,如遺傳算法[12]、模擬退火算法等。但這些方法都存在計算量大的問題,因此一些學者在探索應用新的理論和方法來解決協同目標分配問題,如拍賣算法、蟻群算法、滿意決策理論、Hopfield神經網絡方法等。相對來說,這些方法計算量較小,有望解決有人/無人機協同作戰的實時協同目標分配問題。

3.3 協同航線規劃技術

協同航線規劃是在有人機/無人機協同目標分配方案的基礎上規劃出各飛機可行的有效協同航線。單個無人機的航線規劃,一般是根據地形、作戰目標參數以及無人機生存概率等來規劃無人機的飛行航線。有人/無人機協同航線規劃則需要在單個航線規劃的基礎上,考慮如何協調一致地共同執行任務,使整體的作戰效能最大化。由于戰場環境瞬息萬變,威脅區域、攻擊目標等隨時可能發生變化,航線需要重新進行規劃修正。這導致協同航線規劃的約束條件多、計算復雜,需要綜合利用運籌學、智能計算以及計算幾何等理論和技術來解決問題。目前,解決協同航線規劃問題主要有數學規劃、混合整數線性規劃等方法。另外,基于人工智能有人/無人機航線規劃技術是當前研究的熱點,如神經網絡法、MAXQ分層強化學習方法[13]等。

3.4 數據鏈技術

數據鏈系統是實現有人機與無人機協同的必要條件。有人機與無人機之間控制指令下達、傳感器數據傳輸、戰場電磁態勢共享都需要經過數據鏈系統。有人機平臺對無人機的控制級別和協同模式的不同,對數據鏈的要求也不一樣。未來,有人機平臺控制無人機的級別會越來越高,這也要求數據鏈功能越多,能力越強。當前,有人/無人機數據鏈路互通問題還沒很好解決,需要發展新型戰術數據鏈、機間數據鏈、多平臺通用數據鏈等技術,滿足有人/無人機協同電磁頻譜作戰分布式組網、實時大容量信息傳輸的需要。

4 結束語

未來作戰中,誰控制了電磁頻譜優勢誰就掌控了戰場優勢。隨著人工智能技術、無人機平臺技術的發展,有人/無人機協同電磁頻譜作戰將成為未來電磁頻譜作戰行動中的一種重要運用方式。本文界定了有人/無人協同電磁頻譜作戰的概念內涵,從組合方式、隊形配置和基本流程等方面探析有人/無人協同電磁頻譜作戰的基本運用模式,并分析了其關鍵技術。展望未來,隨著軍事技術的發展,有人/無人機協同電磁頻譜作戰的運用模式將更加多樣化,有人機+無人機集群編隊、有人機+無人機蜂群編隊作戰將成為可能,并最終改變戰爭形態。這需要持續研究有人/無人協同電磁頻譜作戰的新理念、新戰法和新技術,提升我國有人/無人機協同電磁頻譜作戰戰技術水平,使其成為未來戰爭中奪取電磁頻譜優勢的新質力量。