反輻射無人機(jī)集群協(xié)同搜索技術(shù)研究

盛懷潔 韓旭(國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院)

將反輻射無人機(jī)組網(wǎng)形成無人機(jī)集群執(zhí)行協(xié)同搜索任務(wù)是提高反輻射無人機(jī)作戰(zhàn)效能的重要途徑。本文介紹了反輻射無人機(jī)集群協(xié)同搜索的概念和現(xiàn)實(shí)意義；提出了反輻射無人機(jī)集群協(xié)同搜索的關(guān)鍵技術(shù)；對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)行了分析和論述。研究對(duì)于提高反輻射無人機(jī)目標(biāo)搜索效率具有現(xiàn)實(shí)必要性。

反輻射無人機(jī)是電子戰(zhàn)無人機(jī)系列中的重要武器裝備，是對(duì)敵方雷達(dá)、通信節(jié)點(diǎn)等輻射源實(shí)施硬摧毀的一種有效手段。反輻射無人機(jī)在作戰(zhàn)使用時(shí)，為保證打擊效果通常對(duì)目標(biāo)分配多架反輻射無人機(jī)，形成反輻射無人機(jī)集群，各無人機(jī)在設(shè)定飛行高度，采用預(yù)先規(guī)劃的飛行航線對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索跟蹤，直至引導(dǎo)無人機(jī)發(fā)起俯沖攻擊。

反輻射無人機(jī)的集群運(yùn)用是提高作戰(zhàn)效能的有效途徑

目前反輻射無人機(jī)集群各個(gè)無人機(jī)間通常不具備互通能力，集群戰(zhàn)術(shù)協(xié)同動(dòng)作完全基于預(yù)先任務(wù)規(guī)劃，盡管在數(shù)量上反輻射無人機(jī)集群可以形成對(duì)目標(biāo)的威懾壓制態(tài)勢(shì)，但在作戰(zhàn)的各個(gè)階段基本上停留在“各自為戰(zhàn)”層面，不僅群的規(guī)模受到協(xié)同能力的限制，更主要的是多機(jī)協(xié)同動(dòng)作不具時(shí)效性，多機(jī)優(yōu)勢(shì)沒有得到充分發(fā)揮。

面對(duì)大區(qū)域、多波段、多體制電磁目標(biāo)環(huán)境以及瞬息多變的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，反輻射無人機(jī)集群多機(jī)協(xié)同能力必然成為衡量群作戰(zhàn)效能的重要標(biāo)志。遵循戰(zhàn)術(shù)規(guī)則、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的多機(jī)協(xié)同的技術(shù)基礎(chǔ)在于無人機(jī)之間互通、互聯(lián)、互感應(yīng)，即在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支撐下建立反輻射無人機(jī)集群通信和指揮結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)群組網(wǎng)，擴(kuò)大群范圍，形成反輻射無人機(jī)集群。集群無人機(jī)數(shù)據(jù)交換、信息共享，各無人機(jī)動(dòng)態(tài)任務(wù)分配、自主航路規(guī)劃，所呈現(xiàn)出的群體特征可大大提高反輻射無人機(jī)的協(xié)同性能，提高其搜索、壓制效率和攻擊能力，成為提升反輻射無人機(jī)作戰(zhàn)效能的有效途徑。

反輻射無人機(jī)集群協(xié)同搜索問題概述

反輻射無人機(jī)。

在當(dāng)今信息化戰(zhàn)爭(zhēng)背景下，反輻射無人機(jī)集群作戰(zhàn)需求已無容置疑。國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在對(duì)可回收無人機(jī)集群協(xié)同飛行問題，針對(duì)無人機(jī)集群協(xié)同搜索問題也有一些理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，但對(duì)一次性使用的反輻射無人機(jī)集群協(xié)同問題研究尚不多見。美軍在20世紀(jì)90年代末提出了無人機(jī)集群作戰(zhàn)概念，通過頂層設(shè)計(jì)、發(fā)展規(guī)劃、理論研究、技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)驗(yàn)證等手段促進(jìn)無人機(jī)集群作戰(zhàn)的快速發(fā)展。在美國(guó)國(guó)防部的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，國(guó)防部預(yù)研局（DARPA）和美國(guó)海軍、空軍等都展開了大量的項(xiàng)目論證和研究工作，啟動(dòng)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。2015年DARPA宣布啟動(dòng)“小精靈”（Gremlins）項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在研究一種低成本無人機(jī)，通過可快速替代的方式搭載情報(bào)、監(jiān)視與偵察(ISR)等傳感器模塊以及其他非動(dòng)能任務(wù)載荷，能夠使未來的作戰(zhàn)飛機(jī)具備快速部署、可重復(fù)使用的廉價(jià)無人機(jī)集群的能力。2015年，美國(guó)海軍研究辦公室(ONR)開展了“低成本無人機(jī)集群技術(shù)”（LOCUST）項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)快速發(fā)射并通過自組網(wǎng)進(jìn)行集群作戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)區(qū)域的全方位偵察并對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或者目標(biāo)進(jìn)行打擊。國(guó)內(nèi)具有代表性的無人機(jī)集群協(xié)同飛行研究項(xiàng)目為2017年中國(guó)電子科技集團(tuán)進(jìn)行的固定翼無人機(jī)集群試驗(yàn)。試驗(yàn)中，119架固定翼無人機(jī)集群對(duì)密集彈射起飛、空中集結(jié)、目標(biāo)分組、編隊(duì)合圍等項(xiàng)目進(jìn)行了成功演示，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)集群的原理驗(yàn)證。

在反輻射無人機(jī)集群作戰(zhàn)運(yùn)用過程中，協(xié)同偵察搜索是進(jìn)行目標(biāo)攻擊的前提，是完成反輻射壓制任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。反輻射無人機(jī)集群的協(xié)同搜索問題既屬于多智能平臺(tái)的協(xié)同控制問題，又屬于多目標(biāo)優(yōu)化問題，可以表述為：在搜索區(qū)域中分布著數(shù)量為NR的固定有源目標(biāo)Ri(…)，通過前期偵察，已獲得部分目標(biāo)RK(…)的情報(bào)信息。現(xiàn)利用由Nu架反輻射無人機(jī)Vi(…)組成的反輻射無人機(jī)集群對(duì)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行搜索，各無人機(jī)通過被動(dòng)導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自主偵察，要求在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，使反輻射無人機(jī)集群搜索到盡可能多的目標(biāo)。

反輻射無人機(jī)集群協(xié)同搜索關(guān)鍵技術(shù)

目前對(duì)于無人機(jī)集群協(xié)同搜索問題的研究主要集中在發(fā)揮無人機(jī)集群的協(xié)同性、自主性以及減小搜索算法計(jì)算量這三個(gè)問題上。協(xié)同性，即無人機(jī)集群的時(shí)域協(xié)同、空域協(xié)同和任務(wù)協(xié)同；自主性，即自主規(guī)劃最優(yōu)航路和實(shí)時(shí)處理突發(fā)情況；算法計(jì)算量，即搜索算法的性能。上述研究思路為研究反輻射無人機(jī)集群協(xié)同搜索關(guān)鍵技術(shù)提供了參考。在反輻射無人機(jī)集群各無人機(jī)具備組網(wǎng)能力和自主能力的條件下，從無人機(jī)的系統(tǒng)特性和任務(wù)需求出發(fā)對(duì)協(xié)同搜索技術(shù)進(jìn)行研究，首先需要構(gòu)建搜索區(qū)域模型和反輻射無人機(jī)運(yùn)動(dòng)及目標(biāo)探測(cè)模型，在一定的集群通信結(jié)構(gòu)下，建立相應(yīng)的協(xié)同搜索模型，通過航路優(yōu)化算法，使反輻射無人機(jī)集群在盡可能短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)盡可能多的目標(biāo)，為導(dǎo)引頭的末制導(dǎo)提供決策支持。由此，可將反輻射無人機(jī)集群協(xié)同搜索技術(shù)分解為4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：搜索區(qū)域建模、集群結(jié)構(gòu)、協(xié)同搜索建模、航路優(yōu)化算法。

（1）搜索區(qū)域建模

對(duì)搜索區(qū)域進(jìn)行建模是指結(jié)合搜索任務(wù)需求，通過建立數(shù)學(xué)模型的方式對(duì)待搜索區(qū)域、待搜索目標(biāo)、作戰(zhàn)區(qū)域中目標(biāo)的位置情報(bào)等信息進(jìn)行描述和量化。建立搜索區(qū)域模型是對(duì)無人機(jī)集群協(xié)同搜索問題進(jìn)行研究的基礎(chǔ)，反輻射無人機(jī)集群對(duì)目標(biāo)的搜索將在搜索區(qū)域數(shù)學(xué)模型的背景下展開。

研究可利用證據(jù)理論和改進(jìn)的人工勢(shì)場(chǎng)法構(gòu)建基于復(fù)合搜索圖的待搜索區(qū)域模型，利用證據(jù)理論的不確定性表達(dá)能力實(shí)現(xiàn)對(duì)搜索區(qū)域的合理描述和量化，利用改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的目標(biāo)導(dǎo)向能力實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對(duì)目標(biāo)的快速接近。

（2）集群結(jié)構(gòu)

集群結(jié)構(gòu)是指無人機(jī)集群在執(zhí)行協(xié)同搜索任務(wù)時(shí)所建立的一種通信和指揮控制結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)之間的搜索任務(wù)和搜索航路的協(xié)調(diào)控制。

分布式集群結(jié)構(gòu)有利于發(fā)揮各無人機(jī)的自主能力和無人機(jī)之間數(shù)據(jù)交換、信息共享的組網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，無人機(jī)集群內(nèi)部不存在中心節(jié)點(diǎn)，指揮控制中心僅在必要時(shí)對(duì)各無人機(jī)進(jìn)行控制，系統(tǒng)健壯性較強(qiáng)，并且各無人機(jī)的決策問題能夠在本地進(jìn)行計(jì)算和處理，相比于集中式集群結(jié)構(gòu)而言，大大降低了系統(tǒng)整體的運(yùn)算量和計(jì)算復(fù)雜度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)變化的實(shí)時(shí)有效反應(yīng)。相比于集散式集群結(jié)構(gòu)而言，分布式集群結(jié)構(gòu)指揮決策扁平化，控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單并且對(duì)無人機(jī)的智能化水平要求相對(duì)較低，在反輻射無人機(jī)集群協(xié)同搜索問題上可優(yōu)選分布式集群結(jié)構(gòu)的完全分布式結(jié)構(gòu)。

（3）協(xié)同搜索建模

協(xié)同搜索模型是指反輻射無人機(jī)集群對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索時(shí)所采取的方法，其目的是提高無人機(jī)集群對(duì)目標(biāo)的搜索收益，降低搜索風(fēng)險(xiǎn)。通過構(gòu)建合適的協(xié)同搜索模型，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)集群在盡可能短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)盡可能多的目標(biāo)。

無人機(jī)集群分布式集群結(jié)構(gòu)。

研究需要構(gòu)建搜索目標(biāo)函數(shù)，可利用基于滾動(dòng)時(shí)間窗的搜索模型使無人機(jī)集群完成對(duì)任務(wù)區(qū)域目標(biāo)雷達(dá)的滾動(dòng)搜索。在搜索過程中，還應(yīng)處理針對(duì)反輻射無人機(jī)集群探測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)融合問題。

（4）航路優(yōu)化算法

由于無人機(jī)集群協(xié)同搜索航路優(yōu)化問題具有的多項(xiàng)式復(fù)雜程度的非確定性（Non-deterministic Polynomial，NP）特點(diǎn)，因此需要選擇合適的智能優(yōu)化算法，降低在求解反輻射無人機(jī)集群協(xié)同搜索航路時(shí)的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度。

研究需明確航路優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件，對(duì)每個(gè)粒子的位置和速度進(jìn)行離散化處理，利用離散粒子群算法解決無人機(jī)集群搜索航路的優(yōu)化問題，以發(fā)揮反輻射無人機(jī)集群協(xié)同優(yōu)勢(shì)，提高任務(wù)執(zhí)行效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)突發(fā)情況的實(shí)時(shí)快速反應(yīng)和對(duì)目標(biāo)的協(xié)同偵察搜索。

結(jié)束語

將反輻射無人機(jī)組網(wǎng)，形成無人機(jī)集群，利用反輻射無人機(jī)集群所呈現(xiàn)的群體特征實(shí)現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)是提高反輻射無人機(jī)作戰(zhàn)效能的重要手段之一，是反輻射無人機(jī)作戰(zhàn)運(yùn)用的必然發(fā)展趨勢(shì)。反輻射無人機(jī)集群協(xié)同搜索是進(jìn)行多目標(biāo)攻擊的前提，是完成反輻射壓制任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)鍵技術(shù)搜索區(qū)域建模方法、合理的集群結(jié)構(gòu)、高效的協(xié)同搜索模型及智能化的航路優(yōu)化算法對(duì)于提高反輻射無人機(jī)對(duì)目標(biāo)的搜索和打擊效率具有現(xiàn)實(shí)必要性和重要意義。 ■