海上無人機及蜂群作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)發(fā)展

孫海文，于邵禎，孟祥堯，周 末，李 丹，唐嘉鈺

(海軍研究院,北京 102442)

從1917年英國研制第一架無人飛行器至今,無人機系統(tǒng)的發(fā)展已有百年歷史,從長航時高空戰(zhàn)略無人機到戰(zhàn)役戰(zhàn)術小微型無人機,都離不開無人機指揮控制系統(tǒng)的指揮決策和行動控制,因此，無人機指揮控制系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)的核心中樞。近年來，無人機及蜂群在海上作戰(zhàn)的運用越來越廣泛,其零傷亡、續(xù)航時間長、隱身性能好、靈活性強、可攜帶各類載荷等特點,使其具備超視距預警探測、通信中繼、毀傷評估等能力,還可以參與執(zhí)行反艦突擊、協(xié)同防空、兩棲登陸等作戰(zhàn)任務。這都需要無人機指揮控制系統(tǒng)擔負態(tài)勢信息感知、數(shù)據(jù)處理、態(tài)勢分析、任務規(guī)劃、行動控制等職能,協(xié)同控制各類無人機平臺完成作戰(zhàn)任務。隨著無人技術、人工智能技術、通信網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展,無人機指揮控制系統(tǒng)正在向著通用化、系列化、網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展。世界各國正在大力推進無人機及蜂群指揮控制系統(tǒng)研發(fā),其中,美國無人機指揮控制系統(tǒng)的研發(fā)工作一直走在世界前列。

本文分析了無人機及蜂群海上作戰(zhàn)運用的特點,介紹了美國無人機及蜂群作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)發(fā)展情況,在此基礎上,對無人機及蜂群海上作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)未來發(fā)展方向提出了一些啟示建議。

1 無人機及蜂群海上作戰(zhàn)運用研究

隨著無人機及蜂群指揮控制技術的不斷發(fā)展,其在海上作戰(zhàn)運用也越來越廣泛,催生出各種海上作戰(zhàn)樣式。各類無人機蜂群根據(jù)各自戰(zhàn)技性能完成海上作戰(zhàn)任務，具體有以下3個方面的作戰(zhàn)任務。

1.1 無人機蜂群協(xié)同攻擊水面艦艇

水面艦艇目標價值高,而無人機蜂群價值相對較低,采用無人機蜂群攻擊水面艦艇具有較高的效費比;此外,水面艦艇特征明顯、行動相對遲緩,便于無人機蜂群機動打擊,如圖1所示。預警探測、通信中繼無人機在空中組成無人機蜂群編隊,可在遠距離進行預警探測,發(fā)現(xiàn)敵方水面艦艇后,將信息回傳給無人機及蜂群作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng),指控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)融合信息處理,獲取目標指示信息,結合戰(zhàn)場態(tài)勢信息和指揮員作戰(zhàn)意圖,進行任務規(guī)劃,控制無人機蜂群對敵展開攻擊。在敵艦艇防區(qū)外投放無人機蜂群,蜂群進行超低空突防,抵近目標后,進行超飽和式攻擊,既可以消耗敵方防空火力資源，又可以利用自身的戰(zhàn)斗部毀傷敵方雷達、光電等預警探測設備,降低敵方艦艇防空預警能力,便于巡航導彈等武器突防打擊。

圖1 無人機蜂群協(xié)同攻擊水面艦艇

1.2 無人機蜂群協(xié)同編隊防空作戰(zhàn)

在編隊遠航作戰(zhàn)中,無人機蜂群可以協(xié)同編隊防空系統(tǒng)遂行防空作戰(zhàn)任務,蜂群無人機可以根據(jù)需要具備多種功能,其中包括預警偵察、欺騙干擾、攜彈打擊、感應式自毀傷等,可以協(xié)同防空系統(tǒng)進行空襲目標攔截。預警偵察無人機可將超視距空襲目標信息及時回傳給無人機及蜂群指揮控制系統(tǒng),指控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理、決策分析,向各作戰(zhàn)單元下達作戰(zhàn)指令,指揮控制各類無人機蜂群到達指定作戰(zhàn)地點,按照作戰(zhàn)指令對空襲目標進行電子干擾、紅外致盲、火力打擊等作戰(zhàn)任務,盡可能在遠距離對空襲目標進行攔截,減輕防空導彈系統(tǒng)壓力,提高編隊防空攔截能力。

1.3 無人機蜂群協(xié)同兩棲登陸作戰(zhàn)

艦載平臺或機載平臺發(fā)射投放偵察無人機蜂群,可對登陸區(qū)域海岸及腹地、周邊海域進行偵察探測,掌握水雷、登陸障礙設置、岸灘火力配置等信息,并回傳指揮控制系統(tǒng),指揮控制系統(tǒng)根據(jù)作戰(zhàn)任務和態(tài)勢信息,制定作戰(zhàn)任務方案,控制干擾型無人機蜂群對岸基敵方雷達光電等預警探測設備進行干擾壓制,攻擊型無人機蜂群進行低空突擊,對登陸障礙、防空火力系統(tǒng)進行協(xié)同打擊，并對登陸火力點進行定點清除,利用其數(shù)量優(yōu)勢、隱蔽性優(yōu)勢進行超飽和式突襲,對岸上有生力量進行清除,便于后續(xù)作戰(zhàn)力量執(zhí)行登陸作戰(zhàn)。

根據(jù)上述無人機蜂群海上作戰(zhàn)運用分析可知,無人機蜂群在海上執(zhí)行各類作戰(zhàn)任務時,均離不開指揮控制系統(tǒng),需要指揮控制系統(tǒng)進行高效態(tài)勢分析和作戰(zhàn)任務規(guī)劃,同時下達作戰(zhàn)控制指令,協(xié)同蜂群無人機之間、無人機蜂群之間的作戰(zhàn)行動,效益最大化地完成既定作戰(zhàn)任務。

2 美國無人機及蜂群作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)發(fā)展情況

2017年8月，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)首次提出“馬賽克戰(zhàn)”概念,利用動態(tài)、協(xié)調(diào)和具有高度自適應性的可組合力量,像搭積木一樣,將低成本、低復雜度的系統(tǒng)連接到一個網(wǎng)絡中。其中,無人機及蜂群作戰(zhàn)是“馬賽克”作戰(zhàn)體系中的重要組成部分。而無人機及蜂群作戰(zhàn)運用離不開無人機及蜂群指揮控制系統(tǒng),其是無人機及蜂群大規(guī)模作戰(zhàn)的神經(jīng)中樞,具備數(shù)據(jù)融合、態(tài)勢生成、決策分析、任務規(guī)劃、行動控制以及系統(tǒng)監(jiān)控、評估、顯示等功能,如圖2所示。

圖2 無人機指揮控制結構圖

無人機及蜂群作戰(zhàn)指揮控制分為三個層級,分別是無自主時空指揮控制、半自主編組指揮控制、全自主任務指揮控制。近幾年,美國無人機及蜂群裝備技術和相應的指揮控制系統(tǒng)等均引領世界無人機技術發(fā)展,美MQ-9指揮控制系統(tǒng)如圖3所示。但其無人機指揮控制技術還處在半自主編組指揮控制階段,美國正在加大投入向全自主任務指揮控制發(fā)展。

圖3 MQ-9指揮控制系統(tǒng)

1)美海軍戰(zhàn)術控制系統(tǒng)(Tactical Control System,TCS)

美國海軍通用的無人機指揮控制系統(tǒng)是戰(zhàn)術控制系統(tǒng)，由美國海軍無人控制系統(tǒng)項目辦公室(PMA-263)和雷聲公司聯(lián)合研發(fā),能夠聯(lián)合操作多種類型的海上/岸上計算機,對各類傳感器信息進行數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)態(tài)勢分析、指揮決策、任務規(guī)劃、信息接收/分發(fā)等功能,可控制“全球鷹”、“火力偵察兵”、“海神”等多種類無人機完成既定作戰(zhàn)任務。未來TCS的逐漸發(fā)展將有望使美海軍所有海上作戰(zhàn)無人機數(shù)據(jù)鏈信息互相兼容,實現(xiàn)海上各類無人機互聯(lián)、互通、互操作。

2)美陸軍一體化控制系統(tǒng)(One System Ground Control Station,OSGCS)

美陸軍通用的無人機地面指揮控制系統(tǒng)是一體化控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由AAI公司研發(fā),用于指揮控制美陸軍使用的“影子200”、“獵人”、“先鋒”、“勇士”等各型無人機,遂行作戰(zhàn)任務。該系統(tǒng)具有較強的兼容性,除了能夠控制多類型無人機平臺外,還可以與北大西洋公約組織成員國無人機指控數(shù)據(jù)鏈兼容,實現(xiàn)無人機平臺互操作。

3)美國空軍先進作戰(zhàn)管理系統(tǒng)(ABMS)

美空軍為了應對強對抗條件下的作戰(zhàn),開發(fā)了新一代的作戰(zhàn)管理指揮控制系統(tǒng),其是一個多域指揮控制系統(tǒng),可以支持陸、海、空、天、網(wǎng)多域聯(lián)合作戰(zhàn),具備自主多域信息融合能力以及自主目標識別、跟蹤、威脅評估、自主決策、行動控制等能力,其可以控制XQ-58“瓦爾基里”型隱形無人機進行協(xié)同作戰(zhàn)。

4)美國空軍“天空博格人”控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)以XQ-58A“女武神”和MQ-20“復仇者”無人機為基礎,能夠把低成本無人機平臺與自主能力相結合,實現(xiàn)有人機-無人機編隊協(xié)同作戰(zhàn),如圖4所示,其不僅降低了制造和維護保障成本,而且當面對全新威脅時，可開展快速的軟件升級。模塊化設計使其可攜帶多種傳感器和武器,以適應不同作戰(zhàn)環(huán)境,并與其他平臺聯(lián)合編組,執(zhí)行戰(zhàn)場預警偵察、自殺式攻擊、搜索跟蹤等任務。

圖4 天空博格人指揮控制系統(tǒng)實現(xiàn)有人無人協(xié)同

5)小精靈蜂群無人機指揮控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由“拒止環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)”項目(CODE)開發(fā),可以完成小精靈無人機蜂群大規(guī)?？刂茟?zhàn)術行動，推進任務規(guī)劃，與無人機交互，感知當前和未來狀態(tài),支持自主任務規(guī)劃執(zhí)行，如圖5所示。

圖5 小精靈蜂群無人機作戰(zhàn)

6)美國“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”(Collaborative Operations in Denied Environment,CODE)

該項目由美國雷聲公司承接,項目第3階段的目的是在美軍遭受電子干擾、通信阻塞等惡劣電磁環(huán)境下,通過開展無人機自主、集群自主等關鍵技術研究驗證,實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境下的偵察、打擊任務分配和集群自主協(xié)同控制能力,從而提升美軍在惡劣條件下的作戰(zhàn)能力。

7)美國“分布式作戰(zhàn)管理”(Distributed Battle Management,DBM)

該項目由美國洛克希德·馬丁公司和BAE系統(tǒng)公司聯(lián)合承接,該項目目的是提升美軍在未來拒止作戰(zhàn)環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)能力,在各無人機上安裝分布式輔助決策軟件,使得無人機集群在通信干擾的情況下,可以自主持續(xù)地完成既定作戰(zhàn)任務。

此外,通用戰(zhàn)術控制系統(tǒng)(UCS)和多飛行器指揮控制系統(tǒng)(MVCS)均是針對小型無人機指揮控制設計研發(fā)的,其可以同時指揮控制8架小型無人機進行協(xié)同作戰(zhàn)行動。

從上述美國無人機及蜂群指揮控制系統(tǒng)的研發(fā)情況來看,其指揮控制系統(tǒng)正在向著通用化、系列化、全自主化方向發(fā)展,能夠控制不同類型的大規(guī)模的無人機蜂群在復雜電磁環(huán)境下,完成各類作戰(zhàn)任務,提升美軍在拒止環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。

3 發(fā)展啟示

本文根據(jù)海上無人機蜂群作戰(zhàn)運用的需求以及美國無人機及蜂群作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)發(fā)展情況,對未來無人機及蜂群作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的發(fā)展提出以下4個方面的啟示。

3.1 通用化、系列化、模塊化發(fā)展

海上作戰(zhàn)無人機類型眾多,性能各異,且型號還會不斷增加,與之相應的無人機指揮控制系統(tǒng)也是“煙囪”聳立,各自獨立,自成體系,無法實現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作。未來海上無人機指揮控制系統(tǒng)要向著通用化、系列化、模塊化發(fā)展。

1)通用化

未來海上無人機指揮控制系統(tǒng)需要整合、控制全類型海上作戰(zhàn)無人機資源,各類型無人機數(shù)據(jù)通信模塊及協(xié)議要統(tǒng)一標準化,數(shù)據(jù)鏈相互兼容,信息能夠相互共享,當某一平臺指控臺損壞時,其他無人機指控臺可繼續(xù)執(zhí)行指揮控制任務,提高無人機指揮控制的可靠性。

2)系列化

隨著無人機技術的不斷發(fā)展,海上無人機指控系統(tǒng)要形成系列化產(chǎn)品譜系,在原有產(chǎn)品基礎上迭代升級,提升性能,可以有效地節(jié)約時間和經(jīng)濟成本,并能夠提高系統(tǒng)的維護效率,降低維護成本。

3)模塊化

指揮控制系統(tǒng)要采用開放式模塊化設計思想,預留標準化軟硬件接口,可以在岸基或艦載、機載平臺上根據(jù)實際需要靈活添加補充、升級、完善指揮控制系統(tǒng)的各功能模塊。

3.2 綜合指揮控制集群式作戰(zhàn)

從美國的“小精靈”“郊狼”“山鶉”等蜂群無人機項目發(fā)展來看,美國正在研發(fā)無人機蜂群作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)。未來海上作戰(zhàn)無人機指揮控制系統(tǒng)不僅能夠控制戰(zhàn)略大型無人機遂行作戰(zhàn)任務,還可以對大規(guī)模多編組無人機蜂群進行協(xié)同控制,執(zhí)行海上作戰(zhàn)任務。這需要無人機指揮控制系統(tǒng)能夠快速高效地處理龐大數(shù)量的各類信息資源,滿足大規(guī)模無人機協(xié)同目標探測跟蹤、威脅評估、任務規(guī)劃、協(xié)同控制、毀傷評估等需求,單靠人工處理操作已無法滿足,需要引入人工智能技術,包括動態(tài)自適應分配技術、態(tài)勢認知技術、數(shù)據(jù)挖掘技術、深度強化學習技術等,提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、決策分析、人機交互等能力,輔助指揮操作人員在時敏環(huán)境下能夠快速制定決策,完成大規(guī)模蜂群協(xié)調(diào)海上作戰(zhàn)任務分配。

3.3 網(wǎng)絡化、自主化指控系統(tǒng)設計

當前，無人機及蜂群作戰(zhàn)智能化水平較低,還需要依賴各指揮控制平臺進行遙控和預編程控制,無法適應復雜的海上作戰(zhàn)環(huán)境。隨著海上大規(guī)模無人機蜂群的作戰(zhàn)運用,除了岸基、艦載、機載無人機指揮控制系統(tǒng)之外,還要大力發(fā)展無人機蜂群網(wǎng)絡化、自主化控制系統(tǒng),例如無中心自組網(wǎng)技術,采用該技術聯(lián)合人工智能技術,實現(xiàn)無人機蜂群在脫離地面控制站指控的情況下,蜂群無人機之間、無人機蜂群之間自組網(wǎng)控制,具備自主決策、協(xié)同控制,能夠根據(jù)實際作戰(zhàn)環(huán)境需要,靈活調(diào)整作戰(zhàn)方案,完成既定作戰(zhàn)任務。當部分無人機損毀時,剩余無人機仍然可以重新組網(wǎng),繼續(xù)執(zhí)行任務分配,協(xié)同完成既定作戰(zhàn)任務,這將會極大提高大規(guī)模蜂群作戰(zhàn)抗干擾毀傷能力,減輕指揮和操作人員壓力。

3.4 全域互聯(lián)互通互操作

未來無人機指揮控制系統(tǒng)可以與無人水面船、水下潛航器、兩棲無人車等無人指揮控制系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)、互通、互操作,協(xié)同完成海上作戰(zhàn)任務。無人機指揮控制系統(tǒng)與其他無人裝備指揮控制系統(tǒng)建立異構平臺通用協(xié)議,規(guī)范各指控系統(tǒng)之間通信協(xié)議、信息傳輸方式,實現(xiàn)平臺與指揮控制系統(tǒng)的解耦,實現(xiàn)陸、海、空、天、潛全域無人裝備互聯(lián)、互通、互操作。此外,進一步發(fā)展各無人裝備指揮控制系統(tǒng)與編隊指揮信息系統(tǒng)互聯(lián)、互通、互操作,使得編隊指揮信息系統(tǒng)能夠統(tǒng)一調(diào)度有人/無人裝備資源進行聯(lián)合探測、進攻、防御等作戰(zhàn)任務,構建海上編隊聯(lián)合作戰(zhàn)體系,實現(xiàn)編隊一體化有人/無人平臺協(xié)同作戰(zhàn),提升編隊整體作戰(zhàn)能力，如圖6所示。

圖6 有人/無人協(xié)同指揮控制

4 結束語

隨著無人機在海上作戰(zhàn)中的廣泛應用,迫切需要發(fā)展通用化、系列化、模塊化、網(wǎng)絡化、自主化無人機及蜂群作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng),提升無人機及蜂群海上作戰(zhàn)指揮控制能力,從而提高編隊海上作戰(zhàn)整體效能。本文通過分析無人機及蜂群海上作戰(zhàn)運用特點和介紹當前美國無人機及蜂群作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng),對新一代海上無人機及蜂群作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)提出了4個發(fā)展思路,為后續(xù)無人機及蜂群作戰(zhàn)綜合指揮控制系統(tǒng)提供借鑒。