有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)研究進(jìn)展綜述

王 菡, 梁曉龍, 王 寧, 張佳強(qiáng)

(1.空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院,西安 710000; 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 710000)

0 引言

近年來(lái)的局部作戰(zhàn)中,無(wú)人機(jī)所具備的小型化、低成本、高速等優(yōu)勢(shì)發(fā)揮了很大作用,其自主能力和智能化水平打破了傳統(tǒng)作戰(zhàn)的觀(guān)念。但由于無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展尚處于起步階段,在強(qiáng)對(duì)抗、復(fù)雜、多任務(wù)的作戰(zhàn)環(huán)境下,無(wú)人機(jī)的智能化水平尚未能達(dá)到完全自主,因此,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的作戰(zhàn)概念備受關(guān)注,目前各軍事大國(guó)已競(jìng)相開(kāi)展相關(guān)項(xiàng)目研究與試驗(yàn)驗(yàn)證,可以預(yù)見(jiàn),有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)將在未來(lái)空戰(zhàn)中發(fā)揮重要作戰(zhàn)能力。本文從有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的概念入手,以美軍作戰(zhàn)概念的發(fā)展演進(jìn)為牽引,對(duì)相關(guān)項(xiàng)目發(fā)展、作戰(zhàn)特點(diǎn)、作戰(zhàn)運(yùn)用進(jìn)行了梳理和分析,最后對(duì)關(guān)鍵技術(shù)和未來(lái)發(fā)展進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)概念

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)是指有人機(jī)與無(wú)人機(jī)通過(guò)通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,組成一定隊(duì)形并存在指揮協(xié)同關(guān)系,通過(guò)合理配置作戰(zhàn)資源和分配作戰(zhàn)任務(wù),高效完成作戰(zhàn)任務(wù)[1]。有人/無(wú)人協(xié)同空戰(zhàn)系統(tǒng)由有人機(jī)、無(wú)人機(jī)、指揮中心、通信鏈路4個(gè)部分組成[2],各組成部分功能和關(guān)系如下。1) 有人機(jī):接收指揮中心的態(tài)勢(shì)信息支援和指揮引導(dǎo),通過(guò)分析戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和態(tài)勢(shì)信息,進(jìn)行實(shí)時(shí)決策,如任務(wù)分配和路徑規(guī)劃等。當(dāng)有人機(jī)接收到目標(biāo)或威脅的信息時(shí)快速完成戰(zhàn)術(shù)決策,控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行協(xié)同攻擊。2) 無(wú)人機(jī):在指定任務(wù)區(qū)域?qū)δ繕?biāo)實(shí)施偵察、監(jiān)視、探測(cè)、識(shí)別與跟蹤,并將目標(biāo)信息傳回有人機(jī),在有人機(jī)的指揮控制下,快速完成對(duì)目標(biāo)的攻擊計(jì)算,輔助有人機(jī)完成決策,并完成協(xié)同攻擊。3) 指揮中心:利用偵察探測(cè)系統(tǒng)收集初始戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,并通過(guò)通信鏈路將信息分發(fā)至各有人/無(wú)人系統(tǒng),提供決策支持,同時(shí)為協(xié)同作戰(zhàn)提供指揮引導(dǎo)。4) 通信鏈路:可以完成有人機(jī)與無(wú)人機(jī)之間快速的信息交換,為協(xié)同作戰(zhàn)提供信息保障,具備實(shí)時(shí)化、可靠性高、高速寬帶的特點(diǎn)。

2 國(guó)外空戰(zhàn)發(fā)展演進(jìn)

2.1 作戰(zhàn)概念發(fā)展

近年來(lái),面對(duì)變化的作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)對(duì)手和作戰(zhàn)任務(wù),尤其是中俄軍事能力的快速增長(zhǎng),美軍為應(yīng)對(duì)“反介入/區(qū)域拒止”的挑戰(zhàn),相繼提出了作戰(zhàn)云(Combat Cloud)、分布式作戰(zhàn)、敏捷作戰(zhàn)、穿透性制空作戰(zhàn)、馬賽克戰(zhàn)等新型作戰(zhàn)概念,如表1所示。由于概念的提出背景以及相應(yīng)的技術(shù)支撐和面臨的問(wèn)題不同,故其能力特點(diǎn)的側(cè)重點(diǎn)不同。

表1 美軍作戰(zhàn)概念發(fā)展及其內(nèi)涵

由表1可以看出,戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)正在由有人機(jī)作戰(zhàn)向有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變[3]。面對(duì)對(duì)手防御和打擊能力的快速提升,美軍對(duì)智能化、自主化無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展高度重視,通過(guò)降低作戰(zhàn)成本,提高作戰(zhàn)復(fù)雜度和協(xié)同能力獲取作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。但由于無(wú)人系統(tǒng)智能化、自主化水平有限,尚不能完全實(shí)現(xiàn)智能化、自適應(yīng)、自組織、能力涌現(xiàn)等能力,因此,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)成為現(xiàn)階段協(xié)同空戰(zhàn)的主要形式,也是未來(lái)發(fā)展無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的重要支撐。

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)作為一種新型作戰(zhàn)樣式,具備以下的功能。1) 智能化決策能力:以人工智能和自主系統(tǒng)為支撐,無(wú)人機(jī)能夠根據(jù)態(tài)勢(shì)信息在相應(yīng)權(quán)限內(nèi)進(jìn)行自主決策,配合有人機(jī)實(shí)施作戰(zhàn)。2) 分布式作戰(zhàn)體系:作戰(zhàn)資源、信息、能力具備分布式的特點(diǎn),能夠靈活地進(jìn)行資源組合與信息融合,平臺(tái)的能力組合更加多樣化。3) 融合多域?qū)崿F(xiàn)跨域作戰(zhàn):具備多個(gè)相互連接的節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)通常由無(wú)人機(jī)擔(dān)任,融合多個(gè)作戰(zhàn)領(lǐng)域的資源,協(xié)調(diào)使用不同作戰(zhàn)領(lǐng)域的力量,為己方有人機(jī)提供決策優(yōu)勢(shì)。

2.2 相關(guān)項(xiàng)目發(fā)展

在作戰(zhàn)云等新型作戰(zhàn)概念的牽引下,美軍在體系、指揮控制和平臺(tái)上先后提出了體系集成技術(shù)和試驗(yàn)(SoSITE)、拒止環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)(CODE)、空戰(zhàn)演進(jìn)項(xiàng)目(ACE)、忠誠(chéng)僚機(jī)(Loyal Wingman)、天空博格人(Skyborg)、下一代空中主宰(NGAD)等一系列相關(guān)項(xiàng)目,歐洲則發(fā)起未來(lái)空中作戰(zhàn)系統(tǒng)(FCAS)項(xiàng)目。上述項(xiàng)目對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)不斷進(jìn)行探索和驗(yàn)證,發(fā)展無(wú)人機(jī)平臺(tái)作戰(zhàn)能力,充分發(fā)揮有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的作戰(zhàn)效能。

2.2.1 體系集成技術(shù)和試驗(yàn)(SoSITE)

DARPA于2015年公布了SoSITE項(xiàng)目,為了保持美軍在高對(duì)抗環(huán)境中的武器投射能力和空中優(yōu)勢(shì),通過(guò)分布式航空作戰(zhàn)體系架構(gòu)研究,發(fā)展能夠快速集成任務(wù)系統(tǒng)/模塊到體系的技術(shù),研究驗(yàn)證體系對(duì)抗的有效性以及體系架構(gòu)的穩(wěn)定性。

SoSITE通過(guò)創(chuàng)新的體系架構(gòu)發(fā)展和演示保持空中優(yōu)勢(shì)能力的概念,體系架構(gòu)中包含飛機(jī)、武器、傳感器和任務(wù)系統(tǒng)并把空戰(zhàn)能力分布于大量可互操作的有人和無(wú)人平臺(tái)上。圖1為SoSITE項(xiàng)目概念圖。

圖1 SoSITE項(xiàng)目概念圖Fig.1 Concept of SoSITE

當(dāng)今的作戰(zhàn)模式是派出3架有人機(jī)執(zhí)行任務(wù),每架有人機(jī)都具備電子對(duì)抗、雷達(dá)傳感器和成像傳感器,并掛載相應(yīng)的武器,它們同時(shí)與空中指揮平臺(tái)通信,并受其指揮控制。在未來(lái)SoSITE項(xiàng)目的作戰(zhàn)模式下,僅需派出1架有人機(jī)和1架無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù),由空中指揮平臺(tái)控制有人機(jī),有人機(jī)控制無(wú)人機(jī),無(wú)人機(jī)搭載了具備電子對(duì)抗、雷達(dá)傳感器、成像傳感器的平臺(tái)以及武器平臺(tái),這些功能呈現(xiàn)分布式的特點(diǎn),這將解決高成本、多用途平臺(tái)的固有問(wèn)題,快速且低成本地將全新技術(shù)和航空系統(tǒng)集成到現(xiàn)有的空中系統(tǒng),大大提升作戰(zhàn)效能。

2.2.2 拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)(CODE)

DARPA于2015年提出的CODE項(xiàng)目在SoSITE的開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上提高平臺(tái)的自主、協(xié)同能力。CODE研究先進(jìn)的自主化算法和監(jiān)督控制技術(shù),目的是增強(qiáng)無(wú)人機(jī)或尖端導(dǎo)彈在拒止環(huán)境的作戰(zhàn)能力,其研究重點(diǎn)是協(xié)同自主領(lǐng)域技術(shù),該技術(shù)可以使無(wú)人機(jī)組在一個(gè)指揮人員的管理下協(xié)同作戰(zhàn)。無(wú)人機(jī)對(duì)自身以及周邊環(huán)境進(jìn)行判斷,并向指揮人員反饋無(wú)人機(jī)組的行動(dòng)建議,指揮人員可以給出允許/不允許無(wú)人機(jī)執(zhí)行行動(dòng)的建議,或讓無(wú)人機(jī)組收集更多的數(shù)據(jù)。CODE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有:1) 無(wú)人機(jī)有更大的幾率發(fā)現(xiàn)目標(biāo);2) 能夠支撐指揮人員同時(shí)管理多架執(zhí)行不同任務(wù)的無(wú)人機(jī);3) 使有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)系統(tǒng)更具靈活性;4) 能夠組合不同的低成本無(wú)人機(jī),提高無(wú)人機(jī)的任務(wù)效率和成本效率,增強(qiáng)空中平臺(tái)在拒止環(huán)境中的生存率和作戰(zhàn)效率。

2.2.3 忠誠(chéng)僚機(jī)(Loyal Wingman)項(xiàng)目

Loyal Wingman項(xiàng)目是由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室于2015年發(fā)起的,目的是第五代戰(zhàn)機(jī)的駕駛員(長(zhǎng)機(jī))可以對(duì)無(wú)人機(jī)(僚機(jī))進(jìn)行控制,提升有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)能力。忠誠(chéng)僚機(jī)指具有自主性的無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī),可執(zhí)行對(duì)空對(duì)地攻擊、誘餌、電子戰(zhàn)、情報(bào)/監(jiān)視/偵察等多種任務(wù),能以較低成本實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的空中作戰(zhàn)能力,是無(wú)人機(jī)向主戰(zhàn)方向發(fā)展的代表機(jī)型[4]。忠誠(chéng)僚機(jī)集成了自主飛行與人工智能技術(shù),與有人機(jī)組成編隊(duì)協(xié)同飛行,攜帶不同的載荷,可以實(shí)現(xiàn)不同的作戰(zhàn)功能,比如攜帶機(jī)載武器時(shí)可以充當(dāng)有人機(jī)的彈藥庫(kù),攜帶傳感器時(shí)為有人機(jī)的協(xié)同打擊提供目標(biāo)指示和導(dǎo)引,攜帶電子戰(zhàn)載荷時(shí)為有人機(jī)提供電子支援[4],另外,忠誠(chéng)僚機(jī)的作用還有保護(hù)有人機(jī),降低有人機(jī)損失以及飛行員的傷亡。自忠誠(chéng)僚機(jī)項(xiàng)目提出以來(lái),美軍研制了如UTAP-22灰鯖鯊無(wú)人機(jī)、Demogorgon“魔王”無(wú)人機(jī)、MQ-20無(wú)人機(jī)等不同型號(hào)的忠誠(chéng)僚機(jī),并進(jìn)行了試飛驗(yàn)證。

2.2.4 天空博格人(Skyborg)

Skyborg項(xiàng)目在Loyal Wingman項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,對(duì)系統(tǒng)和平臺(tái)提出了更高的要求,于2020年5月正式發(fā)布項(xiàng)目提案。Skyborg要求系統(tǒng)和平臺(tái)具備開(kāi)放、彈性、自主的特點(diǎn),其采用開(kāi)放式架構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì),能夠快速插入新能力,且具備通信、導(dǎo)航、自主能力,即便其無(wú)法與外部連接,仍能夠獨(dú)立決策并發(fā)揮作用,同時(shí)成本較低,具備可消耗性。

截至目前,Skyborg項(xiàng)目的軟件系統(tǒng)已裝備于無(wú)人機(jī)并進(jìn)行了多次試飛,其自主核心系統(tǒng)(ACS)完成了一系列安全系統(tǒng)操作所必需的基本運(yùn)行功能,并驗(yàn)證了低成本可消耗性無(wú)人機(jī)軍事應(yīng)用的可行性。圖2所示為Skyborg項(xiàng)目試飛驗(yàn)證場(chǎng)景。

圖2 Skyborg項(xiàng)目試飛驗(yàn)證Fig.2 Verification of Skyborg

由圖2可知,裝有Skyborg軟件系統(tǒng)的一架無(wú)人機(jī)與F-22、F-35協(xié)同飛行,充當(dāng)數(shù)據(jù)鏈節(jié)點(diǎn),使這兩種數(shù)據(jù)鏈不兼容的有人機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。

Skyborg項(xiàng)目還提出了分層式作戰(zhàn)構(gòu)想,裝備有Skyborg的忠誠(chéng)僚機(jī)能夠在更大的空戰(zhàn)環(huán)境中與有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)。圖3所示為Skyborg項(xiàng)目分層式作戰(zhàn)構(gòu)想。

圖3 Skyborg項(xiàng)目分層式作戰(zhàn)構(gòu)想Fig.3 Layered operational concept of Skyborg

由圖3可知,無(wú)人機(jī)在對(duì)抗環(huán)境中執(zhí)行任務(wù),有人機(jī)在防區(qū)外(非對(duì)抗環(huán)境中)執(zhí)行任務(wù)。其中,具備隱身性能的無(wú)人機(jī)(包括高自主性的協(xié)同作戰(zhàn)飛機(jī)和可消耗無(wú)人機(jī))在強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境中作戰(zhàn),搭載不同有效載荷的無(wú)人機(jī)在對(duì)抗區(qū)域支持各種作戰(zhàn)任務(wù)的執(zhí)行,攜帶先進(jìn)作戰(zhàn)管理系統(tǒng)(ABMS)的無(wú)人機(jī)可以作為通信和數(shù)據(jù)共享節(jié)點(diǎn),為在非對(duì)抗和強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境中的飛機(jī)傳遞關(guān)鍵信息。

2.2.5 未來(lái)空中作戰(zhàn)系統(tǒng)(FCAS)項(xiàng)目

FCAS項(xiàng)目于2017年正式發(fā)布,其目的是通過(guò)作戰(zhàn)云將有人戰(zhàn)斗機(jī)和各型無(wú)人機(jī)融合為協(xié)同空戰(zhàn)體系,并與地面、海上和空間領(lǐng)域的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)融合。

FCAS由下一代武器系統(tǒng)(Next-Generation Weapon System,NGWS)及其他未來(lái)空中作戰(zhàn)平臺(tái)組成,其中,NGWS包括新一代戰(zhàn)斗機(jī)、無(wú)人機(jī)和用于協(xié)同作戰(zhàn)的作戰(zhàn)云。NGWS包含多種設(shè)計(jì),從小型可擴(kuò)展無(wú)人機(jī)到重型忠誠(chéng)僚機(jī),同時(shí)引入模塊化設(shè)計(jì)思想,同一平臺(tái)可能具有情報(bào)監(jiān)視偵察、目標(biāo)捕獲與識(shí)別、電子戰(zhàn)、空戰(zhàn)等多種作戰(zhàn)能力。為實(shí)現(xiàn)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn),有人機(jī)和無(wú)人機(jī)將通過(guò)作戰(zhàn)云進(jìn)行連接,飛行員通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置任務(wù)并將其發(fā)送至無(wú)人機(jī),同時(shí),無(wú)人機(jī)也能夠在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下自主分配和執(zhí)行任務(wù)。

從FCAS的發(fā)展可以看出,其發(fā)展思路與美軍Skyborg項(xiàng)目不同。FCAS為實(shí)現(xiàn)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的能力,將有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)系統(tǒng)作為統(tǒng)一的整體進(jìn)行開(kāi)發(fā),這樣更有利于有人機(jī)和無(wú)人機(jī)的密切協(xié)同,提升協(xié)同效能。

2.3 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)特點(diǎn)

通過(guò)分析美軍和歐洲相關(guān)項(xiàng)目的概念與發(fā)展,總結(jié)出有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)特點(diǎn),如表2所示。

表2 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)特點(diǎn)

3 有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)場(chǎng)景

隨著無(wú)人機(jī)自主水平和智能化指揮控制能力的提升,有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)更具靈活性,能夠快速適應(yīng)復(fù)雜的威脅環(huán)境,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同在空戰(zhàn)中的運(yùn)用場(chǎng)景趨于多樣化。本文介紹了有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的運(yùn)用場(chǎng)景,并對(duì)其具體作戰(zhàn)流程展開(kāi)描述,分析了有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同的作戰(zhàn)運(yùn)用效果。

3.1 協(xié)同空戰(zhàn)場(chǎng)景分析

面對(duì)亞太地區(qū)主要國(guó)家“反介入/區(qū)域拒止”(A2/AD)能力的迅速發(fā)展,依靠防區(qū)外打擊獲得空中優(yōu)勢(shì)的傳統(tǒng)制空作戰(zhàn)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在美軍第三次抵消戰(zhàn)略的推動(dòng)下,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的新型作戰(zhàn)方式的研究實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。圖4所示為穿透性制空作戰(zhàn)場(chǎng)景。

圖4 穿透性制空作戰(zhàn)場(chǎng)景Fig.4 Scenarios of penetration airspace control

由制空戰(zhàn)斗機(jī)和小型可消耗無(wú)人機(jī)組成有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)進(jìn)行制空作戰(zhàn),各兵力單元作戰(zhàn)任務(wù)和能力如表3所示。

表3 各兵力單元介紹

3.2 作戰(zhàn)流程分析

制空作戰(zhàn)的流程分為3個(gè)階段,分別為偵察監(jiān)視階段、制空作戰(zhàn)階段和作戰(zhàn)評(píng)估階段,本文將討論這3個(gè)階段的作戰(zhàn)流程以及其中的有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同的作戰(zhàn)運(yùn)用。

1) 在偵察監(jiān)視階段,偵察無(wú)人機(jī)和通信無(wú)人機(jī)接收指令飛達(dá)作戰(zhàn)區(qū)域中強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境,制空戰(zhàn)斗機(jī)在安全區(qū)域巡邏待戰(zhàn)。偵察無(wú)人機(jī)利用其低成本、可消耗性以及高隱身的性能,在作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)實(shí)施搜索、偵察、跟蹤、監(jiān)視任務(wù),同時(shí),通信無(wú)人機(jī)迅速部署形成空中通信網(wǎng)絡(luò),將偵察無(wú)人機(jī)獲得的敵方信息實(shí)時(shí)、高效地回傳至制空戰(zhàn)斗機(jī),并與其他無(wú)人機(jī)信息共享,再由有人機(jī)進(jìn)行信息融合,進(jìn)一步做出決策。

2) 在制空作戰(zhàn)階段,制空戰(zhàn)斗機(jī)根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)需要飛至對(duì)抗環(huán)境中實(shí)施制空作戰(zhàn),同時(shí),攻擊無(wú)人機(jī)、誘餌無(wú)人機(jī)、電子戰(zhàn)無(wú)人機(jī)飛至強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境與有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)。攻擊無(wú)人機(jī)與制空戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)敵方空中力量進(jìn)行協(xié)同攻擊,協(xié)同方式有以下兩種:① 制空戰(zhàn)斗機(jī)融合戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息,根據(jù)偵察無(wú)人機(jī)傳回的敵方目標(biāo)信息做出決策,并將決策以指令的形式下發(fā)至攻擊無(wú)人機(jī),攻擊無(wú)人機(jī)根據(jù)指令對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊;② 無(wú)人機(jī)自主伴飛制空戰(zhàn)斗機(jī),無(wú)人機(jī)能夠根據(jù)共享態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行自主決策,與制空戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行協(xié)同制導(dǎo),或?yàn)橹瓶諔?zhàn)斗機(jī)提供武器支持,提高目標(biāo)打擊精確度和毀傷效能。誘餌無(wú)人機(jī)自主伴飛制空戰(zhàn)斗機(jī),當(dāng)制空戰(zhàn)斗機(jī)處于威脅區(qū)域中時(shí),誘餌無(wú)人機(jī)自主機(jī)動(dòng),并模擬制空戰(zhàn)斗機(jī)的一般雷達(dá)散射截面特征,誘騙敵方火力,必要時(shí)犧牲自己以保證制空戰(zhàn)斗機(jī)的安全。電子戰(zhàn)無(wú)人機(jī)利用電子對(duì)抗設(shè)備對(duì)敵方有人/無(wú)人機(jī)進(jìn)行干擾/欺騙,壓制敵方飛機(jī)的偵察、探測(cè)、通信功能。在整個(gè)制空作戰(zhàn)階段,偵察無(wú)人機(jī)在強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境中充當(dāng)偵察節(jié)點(diǎn),對(duì)敵方態(tài)勢(shì)進(jìn)行偵察監(jiān)視,通信無(wú)人機(jī)充當(dāng)通信節(jié)點(diǎn),為整個(gè)有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)提供通信網(wǎng)絡(luò)。

3) 在作戰(zhàn)評(píng)估階段,攻擊無(wú)人機(jī)將協(xié)同攻擊視頻回傳至制空戰(zhàn)斗機(jī),偵察無(wú)人機(jī)將態(tài)勢(shì)信息回傳至制空戰(zhàn)斗機(jī),制空戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)所有作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)信息進(jìn)行融合分析,做出下一步?jīng)Q策:繼續(xù)執(zhí)行下一輪攻擊任務(wù)或撤出戰(zhàn)場(chǎng)。

3.3 有人/無(wú)人協(xié)同運(yùn)用分析

通過(guò)分析制空作戰(zhàn)的作戰(zhàn)流程,總結(jié)出有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)在3個(gè)階段的協(xié)同過(guò)程和協(xié)同效果如表4所示。

表4 有人/無(wú)人協(xié)同分析

4 關(guān)鍵技術(shù)與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 航跡規(guī)劃

航跡規(guī)劃是綜合考慮自然環(huán)境、戰(zhàn)場(chǎng)威脅等條件以及有人/無(wú)人機(jī)自身性能,按照航跡規(guī)劃方法,為有人/無(wú)人機(jī)提前規(guī)劃出合理的飛行軌跡,使有人/無(wú)人機(jī)能夠遂行偵察[5-6]等任務(wù)。根據(jù)本文制空作戰(zhàn)的任務(wù)場(chǎng)景,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)航跡規(guī)劃問(wèn)題的研究主要分為兩類(lèi):1) 偵察航跡規(guī)劃,目的是提高無(wú)人機(jī)的偵察效率,降低目標(biāo)的不確定性[6];2) 安全航跡規(guī)劃,目的是為有人/無(wú)人機(jī)提供安全可行的飛行航跡,避免沖突碰撞,提高作戰(zhàn)效率。有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)航跡規(guī)劃問(wèn)題的解決方法主要有傳統(tǒng)優(yōu)化算法和智能優(yōu)化算法兩類(lèi)。傳統(tǒng)優(yōu)化算法包括人工勢(shì)場(chǎng)法[7]、快速擴(kuò)展隨機(jī)樹(shù)法(RRT)[8]、Dijkstra法[9]、Voronoi法[10]、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[11];智能優(yōu)化算法包括A*算法[12]、蟻群算法[13]、遺傳算法[6]、粒子群算法[14]。

在偵察航跡方面,隨著戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜,偵察目標(biāo)數(shù)量越來(lái)越多,且呈集群化趨勢(shì)發(fā)展,傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的航跡規(guī)劃已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足作戰(zhàn)需求。文獻(xiàn)[15]針對(duì)多目標(biāo)的偵察航跡,考慮目標(biāo)的復(fù)雜性、避免目標(biāo)被重復(fù)偵察等問(wèn)題,提出了解決多無(wú)人機(jī)協(xié)同偵察航跡規(guī)劃的方法,提高了航跡規(guī)劃的效率和精度。

在安全航跡規(guī)劃方面,文獻(xiàn)[16]分別針對(duì)航跡規(guī)劃中成本高、精度和穩(wěn)定性差、地形變化影響,以及復(fù)雜環(huán)境中的實(shí)時(shí)性問(wèn)題開(kāi)展研究,提高了安全航跡規(guī)劃的性能和適應(yīng)性。

在以上航跡規(guī)劃問(wèn)題的研究中,主要為有人機(jī)或單無(wú)人機(jī)以及無(wú)人機(jī)集群的航跡規(guī)劃問(wèn)題,沒(méi)有根據(jù)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同的特點(diǎn),針對(duì)有人機(jī)和無(wú)人機(jī)協(xié)同時(shí)如何進(jìn)行航跡規(guī)劃展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[17]通過(guò)分析有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和控制流程,建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型,并根據(jù)其任務(wù)特點(diǎn),設(shè)計(jì)航跡規(guī)劃器和編隊(duì)規(guī)劃器,提出了一種有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的航跡規(guī)劃方法。通過(guò)總結(jié)研究現(xiàn)狀,目前針對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)航跡規(guī)劃問(wèn)題的研究資料較少且不夠深入。

4.1.2 空戰(zhàn)決策

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)場(chǎng)景中的空戰(zhàn)決策主要包括無(wú)人機(jī)的自主決策問(wèn)題、多架無(wú)人機(jī)協(xié)同決策問(wèn)題和有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同決策問(wèn)題3個(gè)方面。

1) 在無(wú)人機(jī)自主決策問(wèn)題方面,無(wú)人機(jī)在空戰(zhàn)過(guò)程中自主決策的研究方法主要分為矩陣博弈方法[18]、微分博弈方法、專(zhuān)家系統(tǒng)方法[19]和機(jī)器學(xué)習(xí)方法4類(lèi)。其中,機(jī)器學(xué)習(xí)方法為無(wú)人機(jī)在空戰(zhàn)過(guò)程中的自主決策提供了有力的技術(shù)支持[20]。

2) 在多架無(wú)人機(jī)協(xié)同決策問(wèn)題方面,文獻(xiàn)[21]分別對(duì)多無(wú)人機(jī)的協(xié)同攻擊決策、協(xié)同機(jī)動(dòng)決策和任務(wù)分配開(kāi)展研究,為多無(wú)人機(jī)的協(xié)同決策提供了較好的解決方法。

3) 在有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同決策問(wèn)題方面,主要是關(guān)于有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同決策機(jī)制和模型研究[22],為有人機(jī)監(jiān)督無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的協(xié)同決策問(wèn)題提供了思路。

綜合分析以上研究,目前有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同決策的研究主要集中于機(jī)動(dòng)決策問(wèn)題,關(guān)于有人/無(wú)人機(jī)如何在空戰(zhàn)過(guò)程中,在決策機(jī)制的指導(dǎo)下,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分配、航跡實(shí)時(shí)規(guī)劃、機(jī)動(dòng)決策等協(xié)同決策的研究?jī)?nèi)容較少。另外,針對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同決策問(wèn)題研究不夠深入,只能通過(guò)協(xié)同決策機(jī)制判斷出無(wú)人機(jī)是否需要有人機(jī)干預(yù)決策,無(wú)法將有人機(jī)的決策指令通過(guò)智能化技術(shù)運(yùn)用于無(wú)人機(jī)自主決策,從而實(shí)現(xiàn)智能化的有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同決策。

4.1.3 編隊(duì)控制

編隊(duì)控制是指有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中,形成并保持滿(mǎn)足性能指標(biāo)、飛行約束、任務(wù)目標(biāo)等要求的幾何構(gòu)型[23]。現(xiàn)有有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)控制方法主要分為4類(lèi),分別是領(lǐng)航-跟隨法[24]、虛擬結(jié)構(gòu)法[25]、基于行為法[26]和基于一致性理論[14]。從作戰(zhàn)需求的角度考慮,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的過(guò)程中主要需要解決編隊(duì)隊(duì)形生成與保持、編隊(duì)重構(gòu)、編隊(duì)避障3個(gè)問(wèn)題。

針對(duì)編隊(duì)隊(duì)形生成與保持的問(wèn)題,文獻(xiàn)[27]采用全局漸近穩(wěn)定控制的方法,通過(guò)調(diào)整較少參數(shù)實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)編隊(duì)在三維空間下的隊(duì)形保持;文獻(xiàn)[28]設(shè)計(jì)了一種基于“長(zhǎng)機(jī)-僚機(jī)”相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型的自適應(yīng)控制律,考慮了風(fēng)場(chǎng)的不確定性;文獻(xiàn)[29]采用領(lǐng)航-跟隨策略設(shè)計(jì)一種有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形保持控制器,解決了有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行過(guò)程中的隊(duì)形保持問(wèn)題。針對(duì)編隊(duì)重構(gòu)的問(wèn)題,文獻(xiàn)[30]通過(guò)研究編隊(duì)飛行與雁群行為機(jī)制之間的仿生映射機(jī)理,解決了編隊(duì)重構(gòu)問(wèn)題;文獻(xiàn)[31]針對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下無(wú)人機(jī)編隊(duì)重構(gòu)問(wèn)題,采用紫外非均勻勢(shì)場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)編隊(duì)重構(gòu)。針對(duì)編隊(duì)避障的問(wèn)題,文獻(xiàn)[32]考慮無(wú)人機(jī)編隊(duì)沿參考軌跡飛行時(shí)遭遇突發(fā)障礙物而發(fā)生碰撞的情況,采用虛擬結(jié)構(gòu)編隊(duì)策略和非線(xiàn)性模型預(yù)測(cè)控制方法,設(shè)計(jì)了一種分布式編隊(duì)控制器;文獻(xiàn)[33]考慮無(wú)人機(jī)集群在避障期間的隊(duì)形丟失、任務(wù)失效等問(wèn)題,設(shè)計(jì)基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)和基于一致性協(xié)議的協(xié)同避障算法;文獻(xiàn)[34]引入碰撞預(yù)測(cè)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)集群避障的隊(duì)形控制。

在編隊(duì)控制的問(wèn)題研究中,針對(duì)各種復(fù)雜情況下的同構(gòu)無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)隊(duì)形生成和保持、編隊(duì)重構(gòu)、編隊(duì)避障問(wèn)題研究較為深入,但針對(duì)異構(gòu)無(wú)人機(jī)集群和有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)的編隊(duì)控制問(wèn)題研究較少,缺少對(duì)編隊(duì)異構(gòu)特性、控制律設(shè)計(jì),以及相關(guān)穩(wěn)定性分析方法運(yùn)用的考慮。

4.2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)第2章分析有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的作戰(zhàn)特點(diǎn),以及第3章對(duì)作戰(zhàn)運(yùn)用和關(guān)鍵技術(shù)的梳理總結(jié),結(jié)合其目前存在的研究難點(diǎn),為有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)提出以下發(fā)展建議和探索方向。

4.2.1 不確定環(huán)境下的協(xié)同航跡規(guī)劃技術(shù)

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同航跡規(guī)劃問(wèn)題是一個(gè)多約束、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性的復(fù)雜問(wèn)題,加之現(xiàn)實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境中存在許多不確定因素,目前結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的航跡規(guī)劃方法很難滿(mǎn)足作戰(zhàn)要求。本文通過(guò)對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)場(chǎng)景的具體分析,總結(jié)歸納航跡規(guī)劃問(wèn)題的研究方法,基于當(dāng)前的研究現(xiàn)狀,今后可以從以下兩個(gè)方面對(duì)不確定環(huán)境下的協(xié)同航跡規(guī)劃技術(shù)開(kāi)展研究:1) 建立貼合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的航跡規(guī)劃模型,對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的不確定性因素進(jìn)行表征,并融合到航跡規(guī)劃模型中,使建立的模型更符合實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境;2) 采用多種算法融合的航跡規(guī)劃技術(shù),利用算法的互補(bǔ)性,將多種優(yōu)化算法融合用于協(xié)同航跡規(guī)劃[35]。根據(jù)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的不同階段,采用不同的算法,充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

4.2.2 復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的協(xié)同空戰(zhàn)決策技術(shù)

復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)決策技術(shù)是當(dāng)前有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)面臨的技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)前針對(duì)空戰(zhàn)決策的研究主要集中在單個(gè)無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)決策和多架無(wú)人機(jī)的協(xié)同攻擊決策和機(jī)動(dòng)決策,針對(duì)復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)決策的研究?jī)?nèi)容較少且不夠深入。面對(duì)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)具有約束條件復(fù)雜、編隊(duì)構(gòu)型多、決策類(lèi)型多的特點(diǎn)。多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)在未來(lái)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的空戰(zhàn)決策中具有巨大潛力,使系統(tǒng)能夠在多約束條件下的作戰(zhàn)環(huán)境中,實(shí)時(shí)、高效地做出決策。根據(jù)不同有人/無(wú)人機(jī)編隊(duì)構(gòu)型,構(gòu)建不同的策略函數(shù),以此來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的決策機(jī)制。將復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中的各種約束抽象為不同的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù),以有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境并做出決策,提高有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)決策的魯棒性和實(shí)時(shí)性。

4.2.3 異構(gòu)系統(tǒng)模型的協(xié)同編隊(duì)控制技術(shù)

在本文有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的背景下,有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)是一個(gè)異構(gòu)系統(tǒng),即由動(dòng)態(tài)特性不同的有人機(jī)和無(wú)人機(jī)組成的系統(tǒng)。相比于同構(gòu)系統(tǒng),異構(gòu)系統(tǒng)的編隊(duì)控制技術(shù)研究更加復(fù)雜,也更具有實(shí)際價(jià)值[36]。基于當(dāng)前研究現(xiàn)狀,可以從以下幾個(gè)方面對(duì)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)的異構(gòu)編隊(duì)控制技術(shù)開(kāi)展研究:1) 為有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)選擇合理的編隊(duì)結(jié)構(gòu),提高其信息交互效率和實(shí)時(shí)性;2) 圍繞有人機(jī)和無(wú)人機(jī)的異構(gòu)特性開(kāi)展研究,在設(shè)置控制器時(shí)考慮有人/無(wú)人機(jī)的異構(gòu)參數(shù),結(jié)合多種控制算法組建控制系統(tǒng);3) 根據(jù)有人機(jī)和無(wú)人機(jī)的異構(gòu)特性,采取合適的穩(wěn)定性分析方法。

5 結(jié)論

本文從概念、發(fā)展演進(jìn)、作戰(zhàn)運(yùn)用場(chǎng)景以及關(guān)鍵技術(shù)4個(gè)方面對(duì)當(dāng)前有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的研究進(jìn)行了綜述。在概念方面,本文根據(jù)有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的概念,分析其組成部分及功能。在發(fā)展演進(jìn)方面,以美軍作戰(zhàn)概念的發(fā)展為牽引,梳理了美軍相關(guān)項(xiàng)目的發(fā)展演進(jìn),并分析了有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的特點(diǎn)。在作戰(zhàn)運(yùn)用場(chǎng)景方面,以穿透性制空作戰(zhàn)為背景,分析有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)流程及其帶來(lái)的作戰(zhàn)效果和作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。在關(guān)鍵技術(shù)方面,從航跡規(guī)劃、空戰(zhàn)決策、編隊(duì)控制3個(gè)方面入手,梳理了相關(guān)研究現(xiàn)狀,并展望了其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。