無人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)與作戰(zhàn)模式淺析（一）

郭忠誠

中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司

無人機(jī)集群技術(shù)與應(yīng)用已成為無人機(jī)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，正在催生新的作戰(zhàn)模式形成。本文參考國外先進(jìn)無人機(jī)集群項(xiàng)目，對智能無人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行初步分析。

智能無人系統(tǒng)集群化運(yùn)用，將顛覆性地改變未來作戰(zhàn)“殺傷鏈”設(shè)計(jì)，催生新型作戰(zhàn)樣式形成，突破層級結(jié)構(gòu)、線性積累等規(guī)律。無人機(jī)集群是由若干同構(gòu)或者異構(gòu)智能無人機(jī)通過自組織網(wǎng)絡(luò)連接而構(gòu)成的一種智能群體，具有分布式感知、目標(biāo)識別、自主決策、協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與攻擊能力，具備分布式學(xué)習(xí)、智能涌現(xiàn)等群體智能行為特征。無人機(jī)集群作戰(zhàn)對人工智能、自主決策與規(guī)劃、集群控制、自適應(yīng)組網(wǎng)通信等技術(shù)提出了更高要求。美國在2000年將無人機(jī)自主性分為10個等級，其中全自主集群為最高等級，它要求無人機(jī)集群系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)無人多任務(wù)目標(biāo)全自主規(guī)劃，集群自主控制技術(shù)是智能控制技術(shù)與平臺控制技術(shù)的高度綜合，是無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。為更全面描述無人機(jī)自主性，將人機(jī)交互、協(xié)同感知、協(xié)同分析、協(xié)同決策以及協(xié)同控制能力納入自主性等級劃分，無人機(jī)系統(tǒng)自主性等級，無人機(jī)逐步從簡單遙控、程控方式升級到人機(jī)智能融合的交互控制，未來將具備集群協(xié)同作戰(zhàn)能力。研究如何通過有效的協(xié)同控制策略支持戰(zhàn)場環(huán)境下無人機(jī)集群協(xié)同攻擊多目標(biāo)，在時空約束下以最大成功率和最低風(fēng)險命中目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群整體作戰(zhàn)效能大于各單架無人機(jī)作戰(zhàn)效能的總和，極具理論價值和實(shí)戰(zhàn)意義。

圖1 無人機(jī)集群技術(shù)與應(yīng)用將改變傳統(tǒng)作戰(zhàn)樣式。

本文面向協(xié)同作戰(zhàn)的無人機(jī)集群，參考國外先進(jìn)無人機(jī)集群項(xiàng)目，提出無人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)。在無人機(jī)集群技術(shù)發(fā)展的推動，戰(zhàn)爭制勝機(jī)理、作戰(zhàn)力量構(gòu)成、創(chuàng)新作戰(zhàn)理論已悄然發(fā)生改變。對無人機(jī)集群作戰(zhàn)模式進(jìn)行研究，不斷探索我國無人機(jī)集群的發(fā)展思路，為深入開展無人機(jī)集群作戰(zhàn)研究提供理論參考。

國外無人機(jī)集群項(xiàng)目研究現(xiàn)狀

美國軍方很早就已布局無人機(jī)集群相關(guān)研究，自2014年起美國國防部戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）、美國海軍研究辦公室（ONR）、美國國防預(yù)研局（DARPA）先后啟動“無人機(jī)蜂群”、“低成本無人機(jī)蜂群技術(shù)”和“小精靈”項(xiàng)目。

“無人機(jī)蜂群”項(xiàng)目以“灰山鶉”一次性微型無人機(jī)為試驗(yàn)平臺，在2017年對3架F/A-18F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)投放103架“灰山鶉”進(jìn)行測試，展示了空中投放和自適應(yīng)分組編隊(duì)協(xié)同飛行能力；

“低成本無人機(jī)蜂群技術(shù)”項(xiàng)目以“郊狼”小型無人機(jī)為平臺，2016年美國雷神公司在地面開展30架“郊狼”無人機(jī)蜂群飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了無人機(jī)蜂群編隊(duì)飛行、隊(duì)形變換能力；

“小精靈”項(xiàng)目重點(diǎn)研究空中投放和回收小型無人機(jī)蜂群等關(guān)鍵技術(shù)，2020年實(shí)施“小精靈”項(xiàng)目第三次飛行試驗(yàn)，利用C-130運(yùn)輸機(jī)在空中投放和回收3架X-61A無人機(jī)，驗(yàn)證了自主編隊(duì)飛行保障安全技術(shù)，9次嘗試空中回收無人機(jī)均未對接成功，并計(jì)劃2021年在第四次飛行試驗(yàn)中開展更多的飛行和回收測試。

除圍繞低成本微小型無人機(jī)集群開展試驗(yàn)，美國國防預(yù)研局還通過“體系集成技術(shù)”、“分布式作戰(zhàn)管理”、“進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)”、“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”等項(xiàng)目，發(fā)展無人機(jī)集群體系架構(gòu)、作戰(zhàn)管理、集群戰(zhàn)術(shù)、自主協(xié)同控制和小型多功能傳感器等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。2020年7月，美國空軍已與波音、通用原子、克拉托斯和洛克希德-馬丁4家公司簽訂“天空堡”（Skyborg）無人機(jī)項(xiàng)目，據(jù)悉“天空堡”是一種基于人工智能的無人機(jī)，由美國空軍根據(jù)“忠誠僚機(jī)”計(jì)劃提出，一架或多架“天空堡”無人機(jī)由有人機(jī)控制與管理，在一次作戰(zhàn)任務(wù)中執(zhí)行監(jiān)視、支援和打擊等任務(wù)，該項(xiàng)目核心任務(wù)是自主決策控制系統(tǒng)研究，以驗(yàn)證下一代無人機(jī)多層級自主性，計(jì)劃2023年實(shí)現(xiàn)初始協(xié)同作戰(zhàn)能力。

2016年9月，英國國防部發(fā)起無人機(jī)集群競賽，以期快速突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。同年11月，歐洲防務(wù)局正式啟動“歐洲蜂群”項(xiàng)目，發(fā)展任務(wù)自主決策、協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 美軍無人機(jī)蜂群試驗(yàn)。

2016年，俄羅斯也開始對集群無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)模式進(jìn)行研究；韓國陸軍則在2017年宣布將大力發(fā)展無人機(jī)蜂群技術(shù)，用于偵察打擊等任務(wù)；2019年10月，芬蘭提出“防空壓制無人機(jī)蜂群”（SEAD Swarm）項(xiàng)目，作為防務(wù)研究備戰(zhàn)行動的一部分，該項(xiàng)目將加強(qiáng)歐盟成員國之間的合作。

無人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)

信息感知與融合技術(shù)

信息感知與融合是無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的前提。信息感知是指各集群無人機(jī)基于機(jī)載傳感器，在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下，面對地理、電磁、威脅、氣象等因素，實(shí)時自主感知需求，通過集群無人機(jī)之間的密切協(xié)同獲得更廣的監(jiān)測范圍、更準(zhǔn)確的目標(biāo)定位精度，對戰(zhàn)場環(huán)境進(jìn)行多維、全域、實(shí)時、精確感知，主要包括外部環(huán)境協(xié)同探測和集群內(nèi)部互感能力。信息融合是指集群無人機(jī)之間通過機(jī)間數(shù)據(jù)鏈共享目標(biāo)、平臺狀態(tài)、情報和指揮控制等信息，借助配準(zhǔn)、關(guān)聯(lián)、濾波、身份識別、態(tài)勢估計(jì)、威脅估計(jì)等信息融合手段，獲取完整、準(zhǔn)確的作戰(zhàn)區(qū)域全局信息。

信息感知與融合必須解決集群無人機(jī)之間在時變情況下，海量信息如何交互以及異質(zhì)異構(gòu)傳感器多源信息如何融合處理。集群系統(tǒng)中的單機(jī)既是通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，又是信息感知與處理節(jié)點(diǎn)，無人機(jī)的空間分布決定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不同的通信性能。無人機(jī)集群通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化迅速，集群無人機(jī)之間的通信有時不穩(wěn)定甚至隨時可能中斷，要保證各集群無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，可以從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、硬件、算法和通信協(xié)議等方面入手，解決這一難題。在信息融合方面，已有大量成熟理論和方法。與一般多傳感器信息融合相比，無人機(jī)集群信息融合比一般傳感器信息融合難度更大，主要體現(xiàn)在信息表現(xiàn)形式多樣化、信息數(shù)量巨大、信息關(guān)系的復(fù)雜性、信息處理的及時性等方面。因此處理方法不同于一般的信息融合方法，可參考人腦信息融合認(rèn)知機(jī)制，研究特征提取、知識表達(dá)和推理、認(rèn)知機(jī)理等方法，將其應(yīng)用于集群信息融合處理。

表1 美國國防預(yù)研局主要無人機(jī)蜂群研究項(xiàng)目。

實(shí)現(xiàn)信息感知與融合，需重點(diǎn)解決密集編隊(duì)感知與規(guī)避，多源異質(zhì)傳感器分布式信息融合，集群態(tài)勢共享與通用作戰(zhàn)視圖，目標(biāo)協(xié)同檢測、識別與跟蹤，突發(fā)威脅協(xié)同探測與定位等技術(shù)。由此建立信息優(yōu)勢，有利于無人機(jī)集群系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能提升。

協(xié)同控制技術(shù)

協(xié)同控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的核心。美國《2005～2030無人系統(tǒng)路線圖》明確提出，發(fā)展無人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)，使多架具備自主控制能力的無人機(jī)能通過組織規(guī)則和信息交互，實(shí)現(xiàn)較高等級的自主協(xié)同作戰(zhàn)，通過高效協(xié)同組織形式和動態(tài)功能分配方法，提高系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。協(xié)同控制是指大量集群無人機(jī)在無集中控制情況下，通過個體局部感知和反應(yīng)行為，聚集形成預(yù)定幾何形態(tài)，同時又能適應(yīng)環(huán)境約束，例如避開障礙、隊(duì)形切換。

借鑒生物群體智能理論，是一種解決無人機(jī)集群協(xié)同控制問題的有效途徑?；谏锶后w智能理論的協(xié)同控制方法主要有基于行為法、領(lǐng)航法、人工勢場法等。

基于行為法是預(yù)先定義無人機(jī)的若干種行為，如跟隨、避撞、回避等，然后在控制過程中根據(jù)每架無人機(jī)信息，將這些行為按照某種策略進(jìn)行加權(quán)綜合，并將其作為依據(jù)來控制每架無人機(jī)的具體行為；

領(lǐng)航法的基本思想是，在集群系統(tǒng)中設(shè)立領(lǐng)導(dǎo)者或者虛擬領(lǐng)導(dǎo)者，通過領(lǐng)導(dǎo)者的領(lǐng)導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)群體系統(tǒng)控制；

人工勢場法將物理學(xué)中勢能場的概念引入集群系統(tǒng)，用勢函數(shù)模擬無人機(jī)所受內(nèi)外作用的影響，每架無人機(jī)在勢函數(shù)作用下行動，從而實(shí)現(xiàn)集群控制。

總之，三種方法各有優(yōu)劣?；谛袨榉ㄅc集群智能最為契合，能夠?qū)崿F(xiàn)完全分布式集群協(xié)同控制，研究重點(diǎn)在于集群內(nèi)部個體行為的設(shè)計(jì)與描述，然而個體局部行為對群體行為的影響是未知的，導(dǎo)致群體智能的涌現(xiàn)結(jié)果不可控，故該方法實(shí)現(xiàn)難度很大；人工勢場法通過勢函數(shù)來描述集群內(nèi)個體之間的局部作用以及環(huán)境對個體的作用，依靠勢函數(shù)對集群起控制作用，思路簡單，然而戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，勢函數(shù)設(shè)計(jì)困難。領(lǐng)航法是目前最成熟的集群協(xié)同控制方法，通過對領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)集群協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)簡單，易于控制，但領(lǐng)導(dǎo)者很可能成為集群的弱點(diǎn)，領(lǐng)導(dǎo)者的失效甚至微小故障都可能導(dǎo)致整個集群失控。

多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃是完成無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵。無人機(jī)集群任務(wù)規(guī)劃是指根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需要、戰(zhàn)場環(huán)境以及無人機(jī)性能，為集群中的無人機(jī)規(guī)劃一個或一組有序任務(wù)，并且要避免資源沖突，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)同和全局最優(yōu)。近年來，隨著無人機(jī)自主性不斷提升，無人機(jī)逐漸具備自主規(guī)劃，甚至自主協(xié)同規(guī)劃能力。規(guī)劃的實(shí)質(zhì)就是實(shí)施一種大規(guī)模協(xié)同控制。隨著戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜性日益提升，對無人機(jī)性能和任務(wù)要求不斷提高，無人機(jī)集群協(xié)同控制難度和協(xié)同控制效果之間的矛盾更加突出。在無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)時，無人機(jī)需要根據(jù)其它無人機(jī)提供探測信息進(jìn)行態(tài)勢感知，實(shí)時動態(tài)規(guī)劃、修改系統(tǒng)任務(wù)路徑，有效規(guī)避威脅并完成作戰(zhàn)任務(wù)。因此，無人機(jī)集群自主協(xié)同任務(wù)規(guī)劃技術(shù)是未來亟待解決的問題。

表2 美軍基于平臺的蜂群能力驗(yàn)證項(xiàng)目。

無人機(jī)集群協(xié)同任務(wù)規(guī)劃本質(zhì)是一個約束因素眾多且復(fù)雜的組合優(yōu)化問題，因而可以借鑒組合優(yōu)化問題的求解方法，解決無人機(jī)集群協(xié)同任務(wù)規(guī)劃。然而，無人機(jī)集群由許多各具特點(diǎn)、不同類型和不同用途的無人機(jī)組成，而且受各種戰(zhàn)場環(huán)境制約，導(dǎo)致無人機(jī)集群協(xié)同任務(wù)規(guī)劃建模的難度急劇增加；其次，無人機(jī)集群協(xié)同任務(wù)規(guī)劃屬于多參數(shù)、多約束的非確定多項(xiàng)式求解，在多輸入條件下問題求解難度很大；另外，作戰(zhàn)任務(wù)通常相互關(guān)聯(lián)、彼此制約，即存在復(fù)雜的約束關(guān)系和不同任務(wù)需求，如時間、空間、任務(wù)載荷匹配關(guān)系和任務(wù)優(yōu)先級要求等因素都會給無人機(jī)集群協(xié)同任務(wù)規(guī)劃造成諸多困難。因此，應(yīng)重點(diǎn)解決無人機(jī)集群協(xié)同任務(wù)規(guī)劃建模、基于實(shí)時傳感器信息的任務(wù)規(guī)劃時效性、任務(wù)規(guī)劃算法、任務(wù)調(diào)度綜合性能提升等幾方面問題。

無人機(jī)集群通信技術(shù)

無人機(jī)集群通信是協(xié)同作戰(zhàn)的保障。無人機(jī)集群作戰(zhàn)環(huán)境對通信鏈路的要求十分嚴(yán)苛，既要保證地面控制站與集群無人機(jī)、集群無人機(jī)之間、無人機(jī)編隊(duì)與無人機(jī)編隊(duì)之間的冗余信息交互，同時應(yīng)減少通信時延，保證信息交互的實(shí)時性。作戰(zhàn)過程中，集群無人機(jī)存在受傷、被擊落、增援等多種狀態(tài)，其動態(tài)加入和退出也要求通信鏈路在正常通信需求條件下，必須支持無人機(jī)數(shù)量的變化，完成集群重構(gòu)，而且在集群無人機(jī)與地面控制站失去聯(lián)系時，無人機(jī)集群應(yīng)具有自組織通信能力。其次，針對某些關(guān)鍵操控，通信鏈路還必須保證地面操控員能夠?qū)o人機(jī)任務(wù)進(jìn)行授權(quán)和確認(rèn)。

使用網(wǎng)絡(luò)化手段對無人機(jī)集群通信能力進(jìn)行集成，是提高無人機(jī)集群組織性、機(jī)動性與協(xié)同性的關(guān)鍵，將提升陸?？諔?zhàn)爭的效費(fèi)比。為有效對抗敵方無人機(jī)反制手段，通信網(wǎng)絡(luò)需具備智能化、高魯棒、低探測、低截獲、抗干擾等能力。目前美國戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Tactical Targeting Network Technology，TTNT）具有動態(tài)組網(wǎng)、高吞吐量、低通信時延、低截獲等特點(diǎn)，已集成于各種飛機(jī)、艦船和地面平臺，同時正在研究將其應(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)智能化、高魯棒性的手段包括簡單網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、自組織無中心靈活入網(wǎng)/建網(wǎng)、時間同步不依賴性、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。實(shí)現(xiàn)低探測、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)，利用全頻段接收通道進(jìn)行頻譜干擾檢測、干擾模式分析，實(shí)現(xiàn)基于認(rèn)知的抗干擾能力，可識別隨機(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。

圖3 無人機(jī)自主性與操控員工作量占比圖，藍(lán)色粗線代表人員操控量。

無人機(jī)自主控制與人機(jī)融合交互技術(shù)

無人機(jī)自主性提升可有效感知戰(zhàn)場態(tài)勢，在復(fù)雜環(huán)境中通過感知信息的交互共享與自主控制，極大降低操控員工作強(qiáng)度，以快速適應(yīng)新環(huán)境、合理規(guī)劃航線、高效完成戰(zhàn)場任務(wù)。當(dāng)前無人機(jī)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控員經(jīng)驗(yàn)，任務(wù)載荷數(shù)據(jù)共享不足，任務(wù)規(guī)劃及決策主要針對預(yù)定任務(wù)或戰(zhàn)場環(huán)境，對突發(fā)威脅反應(yīng)不及時等。提升無人機(jī)集群作戰(zhàn)自主性，首先要構(gòu)建單機(jī)系統(tǒng)自主能力，解決信息融合、自動感知與規(guī)避、編隊(duì)保持、在線任務(wù)規(guī)劃等技術(shù)。無人機(jī)集群作戰(zhàn)離不開人員授權(quán)及引導(dǎo)，無人機(jī)自主性與操控員工作量的關(guān)系詳見圖5。為了以最少量的人員操控，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群精準(zhǔn)控制，并完成復(fù)雜多樣化戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，需開發(fā)簡明高效的人機(jī)交互技術(shù)，使作戰(zhàn)系統(tǒng)具備分布式、智能化、人機(jī)一體化協(xié)同作戰(zhàn)能力。

無人機(jī)系統(tǒng)典型特征是“平臺無人，系統(tǒng)有人”，隨著單機(jī)系統(tǒng)自主性等級和智能化水平不斷提高，通過人機(jī)系統(tǒng)智能化交互和集群自適應(yīng)學(xué)習(xí)，可以實(shí)現(xiàn)智能無人機(jī)集群與有人系統(tǒng)高效協(xié)同作戰(zhàn)，極大增強(qiáng)作戰(zhàn)能力。人機(jī)融合交互關(guān)鍵技術(shù)包括人機(jī)功能動態(tài)分配，無人機(jī)自主學(xué)習(xí)推理能力，無人機(jī)平臺狀態(tài)、戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢和任務(wù)協(xié)同綜合顯示控制等技術(shù)。

（未完待續(xù)）