無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)關鍵技術研究

馬立 黃河

摘要：文章通過分析單平臺無人機作戰(zhàn)的不足，引申出無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的概念，介紹了無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的優(yōu)點和面臨的挑戰(zhàn)，并闡述了無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的相關關鍵技術，旨在為無人機集群的未來發(fā)展提供幫助。

關鍵詞：無人機集群;關鍵技術;協(xié)同決策;戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈

中圖法分類號：E926文獻標識碼：A

Research on key technologies of UAV swarm cooperative combat

MA Li，HUANG He

（The 20th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Xi'an 710000，China）

Abstract：By analyzing the shortcomings of single-platform UAV operations， the article extends the concept of UAV swarm cooperative operations， introduces the advantages and challenges of UAV swarm cooperative operations， and expounds the key points of UAV swarm cooperative operations， so as to promote the future development of drone swarms.

Key words： UAV colony， key technology， synergy decision，tactical data link

自21世紀以來，無人機在軍事戰(zhàn)爭領域發(fā)揮著舉足輕重的作用，因為它滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭所需要的高射程、高精度、零傷亡、高重復利用率以及隱蔽性等需求。部分西方國家已經(jīng)正式把無人機的發(fā)展列入網(wǎng)絡中心戰(zhàn)系統(tǒng)框架中，基于此框架，研發(fā)了許多關鍵技術（如精確定位和信息融合等技術）。但是，單平臺無人機有限的飛行能力和載彈負荷很難獨自完成復雜戰(zhàn)場態(tài)勢中的信息收集、區(qū)域監(jiān)視、多目標攻擊等任務（包括空面目標打擊、壓制敵防空系統(tǒng)任務等）。因此，研究者提出了無人機集群的概念，其借鑒自然界的自組織機制，與蟻群和蜂群概念類似，讓擁有一定智能化的多架無人機在沒有一切指揮控制的情況下，通過相互間信息通信融合產(chǎn)生整體效應，實現(xiàn)較高程度的自主協(xié)作，從而在盡量少的人員干預下完成預期任務，最終實現(xiàn)“1+1>2”的作戰(zhàn)效果。無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)有很多優(yōu)點，但同時也面臨諸多挑戰(zhàn)[1～2]。

本文首先介紹無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的優(yōu)點和面臨的挑戰(zhàn)，然后重點討論了無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)中的關鍵技術問題，最后的對未來的發(fā)展及應用作出展望。

1優(yōu)點和挑戰(zhàn)

1.1特征

無人機集群是一個典型的群智能系統(tǒng)，也是一個復雜非線性決策控制系統(tǒng)，可以很好的適應高動態(tài)環(huán)境并執(zhí)行相對復雜的作戰(zhàn)任務。對于執(zhí)行作戰(zhàn)任務的無人機集群，必須保證此系統(tǒng)具備高效的協(xié)同策略，否則會導致無人機之間發(fā)生響應沖突、碰撞等情況。為了確保無人機集群高效協(xié)同地執(zhí)行作戰(zhàn)任務，整個系統(tǒng)需要根據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境信息（天氣地形和電磁環(huán)境）、無人機的特征（任務載荷性能、機動能力、隱身特性等）和任務需求（任務數(shù)量、任務類別和任務優(yōu)先級等），為各無人機制定任務計劃，并通過無人機之間的協(xié)同提升整體作戰(zhàn)效能。因此，需要滿足的特征如下。

信息交互：集群內各個平臺之間要通過通信鏈路（戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈）來共享信息，從而保障實時傳輸消息（包括地形、氣候、目標信息等）的有效性。

自適應協(xié)同：集群內的各個平臺可根據(jù)共享的位置信息相互感知，并自主協(xié)同伴飛，在保證互相不碰撞的前提下，可以按要求和命令步調一致，從而形成有利陣型，進而更好地發(fā)揮戰(zhàn)斗力。

高動態(tài)、高智能：面對日益復雜的戰(zhàn)場環(huán)境，要利用集群龐大的數(shù)據(jù)融合處理能力，打造成一張“網(wǎng)”，從而形成一個龐大的系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)更快、更有效地運轉，作戰(zhàn)時可以自主判斷，自動下達作戰(zhàn)命令，自主選擇何時、何種方式進攻，不再依賴人的干預，做到“1+1>2”。

1.2優(yōu)點

無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)是以編隊形式按照特定的規(guī)則組合而成，它可以處理各種復雜問題，提高任務完成的效率和成功率，而且比單架無人機生存力強、冗余度高、信息傳遞更迅速。其擁有的優(yōu)點包括：并行執(zhí)行任務，提高任務執(zhí)行率;通過任務重分配，提升系統(tǒng)對環(huán)境的適應能力;各無人機平臺可協(xié)同配合，以保證任務完成質量;無人機集群共享信息與資源，以提高任務執(zhí)行能力。

1.3挑戰(zhàn)

如今的戰(zhàn)場環(huán)境復雜多變，平臺和節(jié)點數(shù)不勝數(shù)，無人機需要和其他作戰(zhàn)實體或戰(zhàn)場要素相互關聯(lián)、制約和影響，這使得無人機集群協(xié)同決策控制變得十分困難，同時無人機之間需要高動態(tài)、高可靠性、低時延、高帶寬的通信鏈路，保證機間的實時通信和態(tài)勢共享。此外，無人機集群必須有完整的動態(tài)航路規(guī)劃算法，使得集群間有效的協(xié)同探索并避免碰撞。相關技術包括：復雜環(huán)境下的協(xié)同決策技術，是一個多參數(shù)、多約束的非確定多項式問題;高動態(tài)、高可靠性、低時延、高帶寬的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈;智能飛行控制技術，在無人干預的情況下進行有效協(xié)同探測

2關鍵技術

針對面臨的挑戰(zhàn)，衍生出許多無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的關鍵技術，本文主要介紹無人機集群組網(wǎng)的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈、自組織飛行與控制、環(huán)境與態(tài)勢的資源共享、協(xié)同決策等技術。

2.1戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈技術

數(shù)據(jù)鏈是一個信息處理、交換和分發(fā)系統(tǒng)，是現(xiàn)代戰(zhàn)場中及時有效地處理和掌握高密集、高速變化的戰(zhàn)場態(tài)勢并完成多機間相互傳送信息的網(wǎng)絡裝置，是傳感器的一部分。近年來，世界上的軍事大國、強國和部分軍隊正在裝備和使用的“戰(zhàn)術數(shù)字情報鏈”“多功能信息分配系統(tǒng)”“高速計算機數(shù)字無線高頻/超高頻通信戰(zhàn)術數(shù)據(jù)系統(tǒng)”“聯(lián)合戰(zhàn)術信息分發(fā)系統(tǒng)”等屬于數(shù)據(jù)鏈。

與民用網(wǎng)絡通信不同，戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈主要傳輸實時化、格式化戰(zhàn)術數(shù)據(jù)，對所獲取信息的實時性、可靠性和保密性等方面要求甚高。因此，在設計開發(fā)戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的過程中，需要設計并驗證可靠的報文格式，選擇合適的編碼、調制方案，確定安全快速的接入控制技術。同時，要研究開發(fā)數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力、導航能力、中繼能力等，為戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的設計開發(fā)提供決策支持。

無人機集群滿足作戰(zhàn)的最基本要求就是有自己的通信方式，這就需要一款為無人機集群量身定制的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。有了戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的加持，協(xié)同決策、自主編隊飛行與控制、集群的環(huán)境感知與態(tài)勢共享才能同時進行。雖然現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈實時性很強、傳輸容量大、可靠性高、時空統(tǒng)一，但作戰(zhàn)前都需要一套規(guī)劃，俗話說無規(guī)矩不成方圓，這樣限制了無人機集群的自主程度。未來戰(zhàn)場的無人機，節(jié)點數(shù)會非常多，同時會不定時地加入或退出網(wǎng)絡，這就需要一款高動態(tài)、高可靠性、低時延、高帶寬、智能化的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，使得無人機集群的內部環(huán)境和外部環(huán)境發(fā)生改變時，可以自主分發(fā)自己所承擔的角色，從而進行高效作戰(zhàn)。

戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈的開發(fā)工作相當煩瑣，經(jīng)過幾十年的積累，我國在這方面的技術已日漸成熟，對于高動態(tài)的網(wǎng)絡運維管理，也已經(jīng)著手研究，相信在不久的將來，無人機集群會有屬于自己的戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

2.2自組織飛行與控制技術

無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的必要條件就是擁有自組織飛行能力。首先，要實現(xiàn)多無人機編隊的自主控制，即在沒有人干預的情況下，多無人機可以根據(jù)程序的設定自主飛行。其次，多無人機的動態(tài)航路規(guī)劃問題，即既要滿足多無人機的環(huán)境規(guī)避和碰撞，又要保證無人機的飛行路線在最優(yōu)的路徑上。自組織控制是指無人機集群在復雜戰(zhàn)場環(huán)境下執(zhí)行任務過程中，在滿足各平臺性能的基礎上，需要按照一定的排列和相對復雜的編隊形式不斷變換隊形，從而適應整個戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)術任務等要求。自組織飛行與控制要求無人機的自主程度高，需要操作員或者輔助系統(tǒng)管理與控制的事情較少，這需要更高級別的智能系統(tǒng)的支持。而環(huán)境規(guī)避是提高無人機集群生存的必要條件。它不僅要感知外部環(huán)境帶來的威脅，還要規(guī)避集群內部其他無人機軌跡和時空上的重疊，從而避免碰撞，實現(xiàn)協(xié)同飛行。例如，美國已經(jīng)將民航飛行系統(tǒng)中的空中告警與防撞系統(tǒng)引入無人機集群[3]。

我國通過控制其中一架長機或多架長機實現(xiàn)了無人機集群的空中表演，但是空中表演中無人機飛行控制的自主程度遠遠不夠應對復雜戰(zhàn)場環(huán)境下的作戰(zhàn)需求，因此我們要借助人工智能領域與機器學習的相關技術進行深度學習，研究更高自主程度的飛行控制算法。

2.3環(huán)境與態(tài)勢的資源共享技術

無人機集群需要適應在不確定環(huán)境下執(zhí)行各種復雜任務，這就要求無人機集群能夠對戰(zhàn)場環(huán)境進行全方位掃描，以形成環(huán)境感知，然后在集群中進行資源共享與交互，讓集群中的所有無人機處于同一態(tài)勢環(huán)境，以便進行任務決策，這是無人機集群實現(xiàn)高級別自主控制的基礎，也是無人機集群控制與決策的依據(jù)。利用無人機集群中多傳感器收集飛機所處環(huán)境信息數(shù)據(jù)，進行態(tài)勢感知，并通過戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈進行態(tài)勢共享，形成統(tǒng)一的作戰(zhàn)視圖，從戰(zhàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)中進行數(shù)據(jù)挖掘、分析，獲取目標信息，然后利用多傳感器的融合技術對目標進行識別探測，從而引導攻擊，進一步提高作戰(zhàn)任務的可靠性和生存性。環(huán)境與態(tài)勢的資源共享的關鍵技術包括多傳感器數(shù)據(jù)融合、協(xié)同目標探測與共享等，現(xiàn)有的協(xié)同技術局限性很強，節(jié)點數(shù)量無法滿足無人機集群的要求，算法的效率并不能給無人機集群提供有效可靠的支持。目前，國內外相關領域專家正通過基于生物視覺認知機理的目標識別與環(huán)境建模、復雜環(huán)境感知與認識算法、非結構化感知方法等手段，實現(xiàn)能夠適應無人機集群的環(huán)境感知與態(tài)勢共享技術。

2.4協(xié)同決策技術

無人機集群系統(tǒng)在作戰(zhàn)中需要一套自己的流程，即情報收集、戰(zhàn)場環(huán)境偵查、目標探測識別監(jiān)視、威脅評估、目標分配、協(xié)同攻擊、毀傷評估等，而合理高效地完成這些流程就需要任務規(guī)劃，而任務規(guī)劃就是協(xié)同決策的基礎。合理的任務規(guī)劃可以充分利用單機平臺的優(yōu)勢，進一步發(fā)揮集群資源的高智能化，從而保證任務執(zhí)行的成功率和效率，這可以低風險、低成本地完成作戰(zhàn)任務。無人機集群的協(xié)同決策一般按照任務均衡的原則進行，綜合考慮任務空間聚集性、單機運動有序性以及目標環(huán)境適應性，避免單機資源利用沖突，以集群編隊整體最優(yōu)效率完成最大任務數(shù)量，體現(xiàn)集群協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢（圖1）。協(xié)同決策的關鍵技術在于其自主任務分配算法的研究，現(xiàn)有的蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法、一致性算法等都不適用于大規(guī)模的復雜任務自主規(guī)劃。對于無人機集群系統(tǒng)的任務分配算法，可以考慮多種算法相結合，取其精華去其糟粕，并加入強化學習的理念，建立模型，尋求最優(yōu)解。

3想定

在研發(fā)了無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的關鍵技術之后，我們給出一種無人機集群對地攻擊的大致流程，如圖2所示。

首先，通過戰(zhàn)術數(shù)據(jù)鏈對無人機集群進行組網(wǎng)，分配好各自目前扮演的角色。其次，無人機集群通過作戰(zhàn)規(guī)劃進行自主編隊飛行，合理避開碰撞，并對戰(zhàn)場的環(huán)境進行掃描和感知，并將獲取的態(tài)勢共享給整個無人機集群，充分利用機載多傳感器獲取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，不斷探測目標、識別目標，最后將目標信息傳遞給后臺，得到統(tǒng)一態(tài)勢。后臺獲取數(shù)據(jù)后，進行協(xié)同決策的算法計算，包括各個目標的威脅評估和各個己方平臺的狀態(tài)位置等信息，從而進行多目標分配決策，并約束攻擊順序。當對目標進行攻擊后，需要對戰(zhàn)場進行清掃，對目標的毀傷作出評估，如未完成目標攻擊，需要重新感知戰(zhàn)場環(huán)境，并進行第二輪攻擊。

通過此流程可以清晰直觀地看到無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的諸多優(yōu)勢，首先，它不需要借助人力便可以處理各種復雜問題，提高任務完成的效率和成功率。而且，相對于有人參與的戰(zhàn)場，傷亡會大幅減小，任何人都不能接受人員的傷亡，但只是損失個別無人機，則戰(zhàn)損比就可以忽略不計。戰(zhàn)爭是殘酷的，如果采用無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)，不僅可以更快結束戰(zhàn)斗，而且不會有大量的人無家可歸。

4結語

無人機集群技術作為一種前沿的高智能、高動態(tài)群體技術，具有很強的環(huán)境適應性、協(xié)同作戰(zhàn)能力、高智能化等優(yōu)勢，受到世界各軍事強國的青睞，目前的技術尚不完善，處于快速發(fā)展和研究階段，隨著應用不斷推廣、技術不斷成熟，無人機集群系統(tǒng)必然會在今后的戰(zhàn)場中發(fā)揮著舉足輕重的作用，甚至完全取代有人機，從而使戰(zhàn)場無人化。

參考文獻：

[1]李晗，蘇京昭，閆詠.智能無人機集群技術概述[J].科技視界，2017（26）：5?7.

[2]段海濱，申燕凱，趙彥杰，等.2019年無人機熱點回眸[J].科技導報，2020，38（1）：170?187.

[3]牛軼峰，肖湘江，柯冠巖.無人機集群作戰(zhàn)概念及關鍵技術分析[J].國防科技，2013，34（5）：37?43.

作者簡介：

馬立（1990—），碩士，中級工程師，研究方向：軟件與數(shù)據(jù)處理。