美軍無人機(jī)集群作戰(zhàn)的發(fā)展啟示*

顧海燕

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

隨著軍事技術(shù)在世界范圍內(nèi)的傳播和提升，各國長(zhǎng)期依賴高投入研制高性能裝備，傳統(tǒng)軍力研制模式受到威脅。為了不大幅增加國防開支，又能繼續(xù)保持作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，尋求新的技術(shù)突破口是必由之路。利用無人機(jī)無人員毀傷、全生命周期費(fèi)效比低等特點(diǎn)，構(gòu)建系統(tǒng)簇群完成復(fù)雜任務(wù)，將作為一種新的作戰(zhàn)技術(shù)，觸發(fā)未來戰(zhàn)爭(zhēng)模式變革[1]。該戰(zhàn)術(shù)具有高度密集、功能分布化、自主協(xié)同等特點(diǎn)，可填補(bǔ)戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略之間的空白，以多元化投送方式快速投送到目標(biāo)區(qū)域遂行多樣化軍事任務(wù)。在此背景下，本文就美軍無人機(jī)集群項(xiàng)目的進(jìn)展、應(yīng)用模式、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述，并給出了發(fā)展建議，以供該領(lǐng)域相關(guān)人員參考。

2 美軍無人機(jī)集群項(xiàng)目發(fā)展特點(diǎn)

從2010年前后開始，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DRAPA)、國防部、空軍、海軍分別針對(duì)特定軍事應(yīng)用需求，開展了一系列無人機(jī)集群作戰(zhàn)相關(guān)概念技術(shù)研究及演示驗(yàn)證項(xiàng)目。關(guān)于集群作戰(zhàn)概念及技術(shù)研究，主要以DARPA為主，包括拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)(Collaborative Operations in Denied Environment,CODE)[2]、體系綜合技術(shù)和試驗(yàn)(System of Systems Integration Technology and Experimentation,SOSITE)[3]、進(jìn)攻性蜂群使能技術(shù)(Offensive Swarm Enabled Tactics,OFFSET)[4]等。3個(gè)項(xiàng)目各有側(cè)重，均為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群作戰(zhàn)走向?qū)崙?zhàn)探索技術(shù)途徑和實(shí)現(xiàn)方法。其中CODE、OFFSET項(xiàng)目主要針對(duì)拒止空間、城市環(huán)境作戰(zhàn)，進(jìn)行集群作戰(zhàn)的戰(zhàn)法、架構(gòu)和編隊(duì)協(xié)同技術(shù)研究；SOSITE主要針對(duì)集群編隊(duì)實(shí)施分布式作戰(zhàn)的概念、支撐架構(gòu)和工具開展研究；由于SOSITE提出的作戰(zhàn)概念需要部署大量的低成本、可重復(fù)使用的無人機(jī)，因此啟動(dòng)“小精靈”項(xiàng)目，對(duì)無人機(jī)空中發(fā)射與回收技術(shù)進(jìn)行突破，解決無人機(jī)可重復(fù)使用的問題。關(guān)于無人機(jī)集群能力驗(yàn)證的項(xiàng)目，主要研制或采用各類小型、微型無人機(jī)平臺(tái)，如“山鶉”“郊狼”、近戰(zhàn)隱蔽自主一次性無人機(jī)(Close-in Covert Autonomous Disposable Aircraft,CICADA)、“小精靈”等無人機(jī)，針對(duì)敵防空系統(tǒng)、驅(qū)逐艦、宙斯盾、核生化等區(qū)域開展編隊(duì)飛行、集群作戰(zhàn)演示驗(yàn)證。這些項(xiàng)目當(dāng)前均在驗(yàn)證過程中，主要完成了空中發(fā)射和發(fā)射后再集群飛行的能力，關(guān)于編隊(duì)集群作戰(zhàn)能力實(shí)現(xiàn)較少。美軍主要概念及技術(shù)研究類項(xiàng)目特點(diǎn)歸納如表1所示，演示驗(yàn)證類項(xiàng)目特點(diǎn)歸納如表2所示。

表1 DARPA無人機(jī)集群相關(guān)技術(shù)研究項(xiàng)目Tab.1 The multiple-UAV cooperative engagement research projects of DARPA

表2 美軍基于平臺(tái)的集群能力驗(yàn)證項(xiàng)目Tab.2 The multiple-UAV cooperative engagement capability demonstration projects of US military forces

3 典型作戰(zhàn)概念及應(yīng)用模式

作為一種21世紀(jì)新的空中軍事操作概念，美國是世界上最先發(fā)起無人機(jī)集群作戰(zhàn)研究的國家，以進(jìn)一步支撐美軍保持空中優(yōu)勢(shì)[5]。其作戰(zhàn)模式仍在探索中，計(jì)劃用于競(jìng)爭(zhēng)拒止空間[6]、城市巷戰(zhàn)、核生化區(qū)域反無人機(jī)作戰(zhàn)等環(huán)境，提出作戰(zhàn)模式主要有飽和攻擊、集群防御、集群偵察、集群干擾及分布式作戰(zhàn)等，作戰(zhàn)對(duì)象主要有地空導(dǎo)彈系統(tǒng)、海上“宙斯盾”系統(tǒng)/驅(qū)逐艦、城市環(huán)境中的低、小、慢目標(biāo)等。

3.1 對(duì)地防空壓制

針對(duì)敵方地面地空導(dǎo)彈(Surface-to-Air Missile，SAM)系統(tǒng)形成的高對(duì)抗環(huán)境，有人平臺(tái)進(jìn)入作戰(zhàn)風(fēng)險(xiǎn)較高，美軍提出了逐步采用無人機(jī)集群作戰(zhàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)隱身平臺(tái)作戰(zhàn)的方式。如雷神公司(Raytheon Company)設(shè)計(jì)了微型空射誘餌彈(Miniature Air Launched Decoy，MALD)、高速反輻射導(dǎo)彈(High Speed Anti-Radiation Missile，HARM)、聯(lián)合防區(qū)外武器(Joint Standoff Weapon，JSOW) 3種無人飛行器聯(lián)合空射集群作戰(zhàn)樣式，包括誘敵開機(jī)、電子干擾和火力打擊3個(gè)流程，作戰(zhàn)使用場(chǎng)景如圖1[7]所示。

圖1 無人機(jī)集群防空壓制作戰(zhàn)概念Fig.1 The combat concept of SEAD for multiple-UAV cooperative engagement

此外，美軍設(shè)計(jì)采用F-16戰(zhàn)斗機(jī)空中發(fā)射無人機(jī)群，形成情報(bào)偵察機(jī)群、電子戰(zhàn)機(jī)群、火力攻擊機(jī)群，分波次對(duì)敵方地面防御系統(tǒng)作戰(zhàn)，顯著增強(qiáng)作戰(zhàn)效費(fèi)比和戰(zhàn)場(chǎng)人員生存能力[7]。

3.2 對(duì)海上艦艇打擊

采用基于空基或?；斗趴刂频姆淙簾o人機(jī)系統(tǒng)，對(duì)海面“宙斯盾”、驅(qū)逐艦等目標(biāo)的探測(cè)雷達(dá)、目標(biāo)指示雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈、導(dǎo)航、著艦引導(dǎo)、敵我識(shí)別系統(tǒng)實(shí)施電子干擾，奪取戰(zhàn)場(chǎng)電磁優(yōu)勢(shì)，必要時(shí)進(jìn)行自殺式火力打擊，提高己方作戰(zhàn)飛機(jī)編隊(duì)反艦彈突防成功率和戰(zhàn)場(chǎng)生存率。無人機(jī)雷達(dá)截面(Radar Cross Section,RCS)非常小，敵方發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，導(dǎo)彈和艦炮無法使用，僅能用“密集陣”近防系統(tǒng)、激光武器系統(tǒng)、電子干擾機(jī)等對(duì)抗。設(shè)以250 km/h速度來襲，海面防御系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)到啟動(dòng)攔截只有15 s時(shí)間；8架無人機(jī)集群進(jìn)攻時(shí)，有2.8架無人機(jī)能夠避開攔截系統(tǒng)。圖2[8]為美國海軍研究結(jié)果，距離0～5為無人機(jī)機(jī)群距驅(qū)逐艦的距離，無人機(jī)距驅(qū)逐艦越近毀傷概率越高；驅(qū)逐艦的近防武器系統(tǒng)可對(duì)抗距離3和距離4范圍的無人機(jī)群；電子干擾機(jī)僅能對(duì)抗距離2范圍內(nèi)的無人機(jī)。

圖2 無人機(jī)集群對(duì)抗驅(qū)逐艦作戰(zhàn)概念Fig.2 The combat concept of attacking destroyers for multiple-UAV cooperative engagement

3.3 對(duì)城市巷道低小慢目標(biāo)作戰(zhàn)

城市環(huán)境具有建筑物遮擋、巷道復(fù)雜、路徑多樣等特點(diǎn)，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)具有動(dòng)態(tài)性和不可預(yù)測(cè)性，作戰(zhàn)系統(tǒng)一般采用集中任務(wù)規(guī)劃、分布式任務(wù)執(zhí)行的方式，使用場(chǎng)景如圖3所示。采用小型無人機(jī)作戰(zhàn)，有利于狹窄巷道的靈活作戰(zhàn)，獲取更高精度的低小慢目標(biāo)信息。通過指揮控制廣泛分布的無人機(jī)機(jī)群，可進(jìn)一步擴(kuò)展作戰(zhàn)區(qū)域，增加戰(zhàn)場(chǎng)武器和傳感器資源，同時(shí)執(zhí)行目標(biāo)探測(cè)、目標(biāo)定位、火力打擊、戰(zhàn)損評(píng)估等多樣化任務(wù)[9]。

圖3 無人機(jī)集群城市巷道作戰(zhàn)概念Fig.3 The combat concept of urban campaign for multiple-UAV cooperative engagement

4 需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

無人機(jī)集群作戰(zhàn)系統(tǒng)是由大量無人機(jī)基于開放式體系架構(gòu)進(jìn)行綜合集成，以通信網(wǎng)絡(luò)信息為中心，以系統(tǒng)的群智涌現(xiàn)能力為核心，以平臺(tái)間的協(xié)同交互能力為基礎(chǔ)，以單平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)作戰(zhàn)能力為支撐，構(gòu)建具有抗毀性、低成本、功能分布化等優(yōu)勢(shì)和智能特征的作戰(zhàn)系統(tǒng)[10]。相對(duì)于單無人機(jī)作戰(zhàn)數(shù)量的增加，在異構(gòu)載荷協(xié)同、協(xié)同通信及任務(wù)分配復(fù)雜度、無人機(jī)自主性方面都帶來了更大挑戰(zhàn)[11]。

4.1 編隊(duì)集群開放式架構(gòu)

無人機(jī)集群作戰(zhàn)具有動(dòng)態(tài)和分布式的概念，作戰(zhàn)系統(tǒng)包含了飛行器、武器、傳感器、任務(wù)系統(tǒng)，若采用通用化開放式體系架構(gòu)，將新技術(shù)及新系統(tǒng)集成于作戰(zhàn)系統(tǒng)，在保持系統(tǒng)多樣性和先進(jìn)性的同時(shí)可有效解決現(xiàn)有封閉式架構(gòu)下的專用系統(tǒng)在開發(fā)成本效益、異構(gòu)平臺(tái)間資源互操作、鏈路互聯(lián)互通、協(xié)同服務(wù)可跨平臺(tái)移植、能力升級(jí)擴(kuò)展等方面的不足[3]。對(duì)于2015年DARPA公布的SOSITE項(xiàng)目，圖4描述了基于開放式架構(gòu)形成的系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力，其主要目標(biāo)即開發(fā)開放式系統(tǒng)架構(gòu)，為可互換的組件和平臺(tái)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和工具，使得每型平臺(tái)均可快速升級(jí)或更換載荷。開放式架構(gòu)設(shè)計(jì)包括通用化處理框架、開放式系統(tǒng)互聯(lián)、共性支撐功能聚合、標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建等措施[12-13]。

圖4 SOSITE開放式架構(gòu)能力描述Fig.4 SOSITE open architecture ability overview

4.2 無人平臺(tái)低成本小型化設(shè)計(jì)

小型無人機(jī)是未來無人機(jī)集群作戰(zhàn)的主體，在強(qiáng)對(duì)抗作戰(zhàn)環(huán)境需求和研制成本效益的雙重背景下，為使其具有集群作戰(zhàn)和與有人機(jī)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)能力，需充分發(fā)揮商用小型無人機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)一步提升其自主性、遠(yuǎn)程性，快速發(fā)展出與遠(yuǎn)程駕駛飛機(jī)能力相當(dāng)、布局緊湊、成本節(jié)約、可跨任務(wù)集成的無人機(jī)平臺(tái)。新材料、發(fā)電裝置、傳感器和自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，為小型無人機(jī)發(fā)展帶來了更多可能性。美國空軍在小型無人機(jī)路線圖中提出，小型無人機(jī)系統(tǒng)需具備小型引擎設(shè)計(jì)、小型載荷分布式模塊化集成、尺寸重量功耗與冷卻的平衡等16項(xiàng)關(guān)鍵特性[10]。

4.3 空中平臺(tái)發(fā)射與回收

無人機(jī)集群作戰(zhàn)主要采用中小型無人機(jī)，任務(wù)需求和風(fēng)險(xiǎn)決定了無人機(jī)是否需要回收。低成本的MALD系統(tǒng)將消耗敵方大量的地空導(dǎo)彈，可極大增強(qiáng)效費(fèi)比優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的中小型無人機(jī)主要為地面部隊(duì)提供偵察、監(jiān)視、目標(biāo)指示、戰(zhàn)損評(píng)估等能力，但受制于平臺(tái)的尺寸、重量功耗，大部分小型無人機(jī)采用大型平臺(tái)發(fā)射投送，擴(kuò)大作戰(zhàn)半徑。對(duì)有價(jià)值回收的無人機(jī)進(jìn)行回收或加油可進(jìn)一步延長(zhǎng)作戰(zhàn)時(shí)間，提升作戰(zhàn)效能[14]?？罩衅脚_(tái)一般采用運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)等較大平臺(tái)進(jìn)行搭載發(fā)射，對(duì)空空相對(duì)導(dǎo)航的精度、可靠性提出了較高要求，必要時(shí)通過數(shù)據(jù)鏈傳輸發(fā)射回收引導(dǎo)指令及信息。美國的“小精靈”無人機(jī)為實(shí)現(xiàn)空中發(fā)射與回收，主要采用差分衛(wèi)導(dǎo)、視覺導(dǎo)航及低時(shí)延數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)，其中采用差分衛(wèi)導(dǎo)和低時(shí)延數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行發(fā)射回收引導(dǎo)的技術(shù)已在X-47B的空中加油和著艦項(xiàng)目中完成飛行驗(yàn)證。

4.4 無人機(jī)集群通信

通過使用網(wǎng)絡(luò)化手段對(duì)無人機(jī)集群進(jìn)行能力集成，是提高無人系統(tǒng)的組織性、機(jī)動(dòng)性與協(xié)同性的關(guān)鍵，將增強(qiáng)空、海、地戰(zhàn)爭(zhēng)的效費(fèi)比。為有效對(duì)抗敵反無人機(jī)手段，通信網(wǎng)絡(luò)需具備智能化、高魯棒、低探測(cè)、低截獲、抗干擾等能力[15]。美國的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Tactical Targeting Network Technology,TTNT)具有動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、高吞吐量、低傳輸時(shí)延、低截獲等特點(diǎn)，已在各種飛機(jī)、艦船和地面平臺(tái)上集成，正在研究其應(yīng)用于小型無人機(jī)/導(dǎo)彈武器協(xié)同作戰(zhàn)的可能性。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智高魯棒的手段包括簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、自組織無中心隨遇入網(wǎng)/建網(wǎng)、時(shí)間同步不依賴性、業(yè)務(wù)自適應(yīng)、智能管理維護(hù)、功率/速率自適應(yīng)、頻譜智能感知等方面[16-18]。實(shí)現(xiàn)低探測(cè)低截獲的手段主要有：擴(kuò)跳頻、功率/速率控制、分集接收、模擬/數(shù)字混合跳頻等；采用頻譜智能感知設(shè)計(jì)，利用全頻段的接收通道進(jìn)行頻譜干擾檢測(cè)、干擾程度、模式分析，實(shí)現(xiàn)基于認(rèn)知抗干擾能力，可識(shí)別隨機(jī)和連續(xù)干擾，以保證一定頻帶被干擾下不影響節(jié)點(diǎn)間最大通信速率。

4.5 無人機(jī)自主性

無人機(jī)自主性提升可有效理解戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，推測(cè)己方操作員、敵方及中立方戰(zhàn)場(chǎng)意圖，將極大程度降低操作員工作負(fù)荷，提升戰(zhàn)場(chǎng)靈活性[19]。當(dāng)前無人系統(tǒng)自主性不足，表現(xiàn)在作戰(zhàn)效能和安全性依賴于操作員經(jīng)驗(yàn)，載荷資源及數(shù)據(jù)共享不足，任務(wù)規(guī)劃及決策主要針對(duì)預(yù)定任務(wù)或戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)突發(fā)威脅反應(yīng)不及時(shí)等。提升蜂群作戰(zhàn)自主性，首先需支撐單節(jié)點(diǎn)能力的構(gòu)建與形成，解決信息融合、自動(dòng)威脅目標(biāo)感知與規(guī)避、編隊(duì)保持、在線任務(wù)規(guī)劃[20]等技術(shù)。無人機(jī)集群作戰(zhàn)離不開人員的授權(quán)及引導(dǎo)[10]，圖5[10]展示了無人機(jī)自主能力與人員操控工作量的關(guān)系。為達(dá)到以有限人為干預(yù)，精準(zhǔn)控制無人機(jī)群完成復(fù)雜多樣戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的目的，需開發(fā)簡(jiǎn)明高效的人機(jī)交互技術(shù)，使協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)具備分布式、智能化、人機(jī)一體協(xié)同作戰(zhàn)能力。

圖5 無人平臺(tái)自主性操作量變化分析Fig.5 Notional sliding scale of autonomy

5 發(fā)展啟示

5.1 集群作戰(zhàn)模式新穎多樣，優(yōu)勢(shì)明顯

美軍對(duì)無人機(jī)集群作戰(zhàn)概念及模式仍在探索中，當(dāng)前提出的主要有飽和攻擊、集群防御、集群ISR、集群干擾等，其戰(zhàn)術(shù)作用機(jī)理研究?jī)H限于近戰(zhàn)、聚合、機(jī)動(dòng)和集群4種獨(dú)立形式。由于無人機(jī)集群作戰(zhàn)具有高度密集型、協(xié)同性、靈活性、低成本、魯棒性等特性，能以有限的成本、較低的人員傷亡和成本獲得較大的作戰(zhàn)效能。

5.2 作戰(zhàn)對(duì)象多樣，以高價(jià)值高威脅目標(biāo)為主

采用具有一定規(guī)模的無人機(jī)機(jī)群對(duì)高價(jià)值高威脅目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)打擊，保證作戰(zhàn)有效性的同時(shí)，有效降低采用高性能裝備的人員傷亡和成本代價(jià)。主要作戰(zhàn)對(duì)象包括海面驅(qū)逐艦、“宙斯盾”系統(tǒng)、地面防空系統(tǒng)等；作戰(zhàn)區(qū)域包括地形復(fù)雜、目標(biāo)動(dòng)態(tài)雜亂的城市環(huán)境以及高危的拒止空間。

5.3 無人機(jī)以小微型為主，通過有人平臺(tái)投放提升作戰(zhàn)能力

為了符合低價(jià)值特點(diǎn)，增強(qiáng)效費(fèi)比，主要是幾十公斤到幾十克不等的小、微型無人機(jī)，但其續(xù)航能力及作戰(zhàn)半徑有限，難以突入目標(biāo)區(qū)域遠(yuǎn)距精確作戰(zhàn)。采用大型飛機(jī)、地面車輛或水面艦船等有人平臺(tái)進(jìn)行投射，可延長(zhǎng)無人機(jī)機(jī)群作用距離，通過操作員遠(yuǎn)距必要的臨時(shí)干預(yù)，可進(jìn)一步提升作戰(zhàn)的精確性和可靠性。

5.4 技術(shù)復(fù)雜廣泛，多種項(xiàng)目和組織合力攻關(guān)

涉及技術(shù)包括分布式作戰(zhàn)概念、無人機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)、無人機(jī)發(fā)射與回收、協(xié)同開放式架構(gòu)、集群通信、協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與分布式戰(zhàn)場(chǎng)管理等技術(shù)，既需提升無人機(jī)自主性、無人機(jī)集群協(xié)同，也需研究人與集群系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)能力。因此，需針對(duì)解決問題的側(cè)重點(diǎn)，集合相關(guān)領(lǐng)域研制單位共同攻關(guān)和驗(yàn)證。

6 結(jié)束語

未來戰(zhàn)場(chǎng)將逐漸演變?yōu)槎嘤颦h(huán)境，作戰(zhàn)單元需具備靈活自適應(yīng)的操作能力和安全性。隨著信號(hào)處理與分發(fā)、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)生成與決策等技術(shù)的發(fā)展，將顯著增強(qiáng)中小型無人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)作用，提升對(duì)抗戰(zhàn)場(chǎng)涌現(xiàn)的突發(fā)威脅的能力，集群作戰(zhàn)的戰(zhàn)略意義和重要性也將日益凸顯。從美國無人機(jī)集群技術(shù)總體發(fā)展來看，正在從關(guān)鍵技術(shù)、演示驗(yàn)證逐步進(jìn)入實(shí)用化階段，而國內(nèi)目前該領(lǐng)域尚處于概念深化階段，雖然突破了部分單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但離裝備應(yīng)用尚有距離。因此，為切實(shí)推動(dòng)無人機(jī)集群技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展，需強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，找準(zhǔn)突破點(diǎn)，多單位從多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域合力攻關(guān)進(jìn)行研制。