智能化背景下美軍無人機(jī)作戰(zhàn)發(fā)展研究*

王 凱

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院機(jī)械工程系 合肥 230000）

1 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的深入應(yīng)用，美國針對無人機(jī)作戰(zhàn)運(yùn)用展開了諸多研究。2021年3月26日，美軍“忠誠僚機(jī)”XQ-58A女武神無人機(jī)，首次從其內(nèi)彈倉成功發(fā)射更小的ALTIUS-600小型無人機(jī)系統(tǒng)，再次引領(lǐng)無人機(jī)作戰(zhàn)運(yùn)用新變革。無人機(jī)作戰(zhàn)是美軍應(yīng)對高端戰(zhàn)爭，保持空戰(zhàn)優(yōu)勢，重點(diǎn)研究的項(xiàng)目，先后提出“忠誠僚機(jī)”、分布式作戰(zhàn)體系、有/無人機(jī)協(xié)同自主空中格斗、拒止環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)模式、可快速部署與回收集群作戰(zhàn)、進(jìn)攻性蜂群城市等作戰(zhàn)運(yùn)用樣式。

2 無人機(jī)與有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)

2.1 “忠誠僚機(jī)”

“忠誠僚機(jī)”是指由有人機(jī)控制，能夠代替有人僚機(jī)輔助長機(jī)完成各項(xiàng)任務(wù)的無人機(jī)。美軍認(rèn)為，未來戰(zhàn)場環(huán)境充滿挑戰(zhàn)，具有高度不確定性，無人機(jī)可以承擔(dān)對于有人機(jī)來說過于危險的任務(wù)，可靈活配置任務(wù)載荷與有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，以此增強(qiáng)有人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的能力。

2015年美空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）對“忠誠僚機(jī)”項(xiàng)目立項(xiàng)研究?！爸艺\僚機(jī)”作戰(zhàn)運(yùn)用構(gòu)想有以下幾種：1）無人僚機(jī)為有人機(jī)提供戰(zhàn)術(shù)情報、監(jiān)視、偵察和瞄準(zhǔn)（ISTAR）和預(yù)警功能；2）無人僚機(jī)作為有人機(jī)的機(jī)外武器庫，為有人機(jī)提供火力支援；3）無人僚機(jī)作靶機(jī)誘敵暴露重要目標(biāo)，有人機(jī)實(shí)施火力打擊；4）無人僚機(jī)為有人機(jī)提供護(hù)航防御，必要時犧牲無人機(jī)保護(hù)有人機(jī)；5）無人僚機(jī)載荷電子戰(zhàn)吊艙實(shí)施電子戰(zhàn)，為有人機(jī)接近目標(biāo)創(chuàng)造機(jī)會；6）無人僚機(jī)載荷加油吊艙等模塊，為有人機(jī)提供后勤保障服務(wù)等。

XQ-58A女武神無人機(jī)是“忠誠僚機(jī)”項(xiàng)目的典型代表，迄今為止進(jìn)行了多次飛行實(shí)驗(yàn)，2020年12月9日，首次完成與F-22、F-35A戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)起飛，最近在2021年3月26日，第六次飛行測試中，首次完成從其彈倉內(nèi)發(fā)射更小的ALTIUS-600小型無人機(jī)系統(tǒng)。另據(jù)美軍作戰(zhàn)構(gòu)想顯示，計(jì)劃于2023年“忠誠僚機(jī)”能夠與F-22戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)共同執(zhí)行任務(wù)。

2.2 分布式空中作戰(zhàn)

一直以來，美軍通過研制功能強(qiáng)大而又復(fù)雜的武器系統(tǒng)，來保持大國競爭中的地位。但復(fù)雜武器系統(tǒng)研制費(fèi)用昂貴，研發(fā)周期過長，且改造升級不便，帶來諸多問題，使美國空中技術(shù)優(yōu)勢一定程度上受到自身發(fā)展的限制。在這種背景下，美軍于2015年啟動了體系集成技術(shù)與試驗(yàn)（SoSITE）項(xiàng)目，旨在通過開展分布式航空作戰(zhàn)體系架構(gòu)研究，發(fā)展能夠快速集成任務(wù)系統(tǒng)模塊到體系的技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)以平臺為中心的戰(zhàn)斗力模型轉(zhuǎn)變?yōu)?，依靠異?gòu)、低成本平臺，可靈活組合的分布式功能模型。

2018年DARPA為SoSITE項(xiàng)目開發(fā)適應(yīng)性算法與軟件，建立配備先進(jìn)任務(wù)系統(tǒng)的有/無人機(jī)作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)一步探究了自主技術(shù)在推進(jìn)各個平臺協(xié)同作戰(zhàn)中所發(fā)揮的作用。2020年2月4日，美軍成功利用一架“EA-18G”電子戰(zhàn)飛機(jī)控制了兩架無人版“EA-18G”飛機(jī)演示飛行，由此驗(yàn)證了該項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)的有效性，并進(jìn)一步推動有人機(jī)控制無人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的進(jìn)程。結(jié)合該次測試與美軍的技術(shù)應(yīng)用慣性推想，美軍有可能會將即將退役的F-16戰(zhàn)機(jī)改裝為無人戰(zhàn)機(jī)，并采用F-22與F-35等先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)與其進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)，最終實(shí)現(xiàn)單架次有人機(jī)控制多架無人機(jī)編隊(duì)作戰(zhàn)飛行的目標(biāo)。

2.3 有/無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)自主格斗

美軍認(rèn)為，未來有/無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)格斗，無人自主化作戰(zhàn)更能適應(yīng)強(qiáng)對抗環(huán)境，但目前無人機(jī)的自主性尚且不足以實(shí)現(xiàn)該能力，因此基于可靠的人工智能軟件，利用有/無人機(jī)協(xié)同實(shí)現(xiàn)空戰(zhàn)自主格斗，是美軍重點(diǎn)研究的方向。

2019年5月，DARPA宣布啟動“空戰(zhàn)演化”（ACE）項(xiàng)目，該項(xiàng)目從人/機(jī)協(xié)作空中格斗問題著手，將現(xiàn)有人工智能技術(shù)應(yīng)用于空中格斗，而后將自主格斗應(yīng)用至更為復(fù)雜、異構(gòu)的戰(zhàn)役級別模擬場景。項(xiàng)目包括三個階段：1）基礎(chǔ)機(jī)動；2）一對一作戰(zhàn)場景；3）應(yīng)對更加復(fù)雜且快速變化的態(tài)勢。目前對該項(xiàng)目的研究尚且處于第一階段，迄今為止取得的成就包括：虛擬人工作智能（AI）狗斗；涉及視距內(nèi)（WVR）和視距外（BVR）的多機(jī)場景，并更新了模擬武器；工具化噴氣飛機(jī)的實(shí)戰(zhàn)飛行，測量飛行員的生理反應(yīng)和對人工智能的信任度等。

在2020年8月“Alpha Dogfight”的空中格斗競賽中，智能AI以5：0的戰(zhàn)績擊敗了有豐富實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的人類飛行員，由此驗(yàn)證了AI算法進(jìn)行空戰(zhàn)的能力，此外，DARPA還于2020年11月選定數(shù)家公司開發(fā)智能空戰(zhàn)算法，進(jìn)一步促進(jìn)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)作戰(zhàn)的發(fā)展。2021年2月ACE項(xiàng)目完成了兩架F-16作為一個團(tuán)隊(duì)與敵方戰(zhàn)機(jī)的模擬AI“狗斗”，標(biāo)志著人工智能分組對抗可以將包括精確、短距離射擊的機(jī)炮，以及用于較遠(yuǎn)目標(biāo)的導(dǎo)彈等更多的武器引入其中。ACE項(xiàng)目下一階段的重點(diǎn)是將AI算法的模擬向?qū)崙?zhàn)過渡，準(zhǔn)備在2021年底進(jìn)行亞尺寸飛機(jī)實(shí)飛，預(yù)計(jì)在2023年末至2024年初的項(xiàng)目第三階段中，實(shí)現(xiàn)人工智能駕駛戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行空中格斗。

3 無人機(jī)智能蜂群作戰(zhàn)

3.1 拒止環(huán)境下無人機(jī)蜂群協(xié)同作戰(zhàn)

2014年4月，DARPA啟動拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)（CODE）項(xiàng)目。該項(xiàng)目致力于創(chuàng)建人工智能算法與模塊化軟件架構(gòu)，提升無人機(jī)蜂群的自主協(xié)作能力，進(jìn)一步拓展美軍在拒止環(huán)境或競爭性空域中執(zhí)行任務(wù)的能力。CODE項(xiàng)目目前在態(tài)勢融合感知、編隊(duì)協(xié)同飛行、航跡實(shí)時規(guī)劃、協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、多約束自動路由、自平衡容錯控制、帶寬節(jié)省和行為建模等方面取得重大突破。

2019年2月，在定位與通信拒止環(huán)境測試中，面對虛擬目標(biāo)與威脅無人機(jī)集群成功采取了應(yīng)對措施。2020年12月4日，在無人控制的情況下，CODE項(xiàng)目研發(fā)的人工智能軟件控制“復(fù)仇者”無人機(jī)飛行超過兩個小時。CODE項(xiàng)目的成果將推動分布式蜂群在戰(zhàn)場上的應(yīng)用，未來的CODE無人機(jī)蜂群可基于現(xiàn)已建立的作戰(zhàn)規(guī)則，在對抗/拒止作戰(zhàn)空間遂行搜尋、追蹤、識別和攻擊任務(wù)，其擴(kuò)展能力可極大增強(qiáng)現(xiàn)有空中平臺的生存能力、靈活性和協(xié)同效能，并減少未來系統(tǒng)的開發(fā)時間和成本。

3.2 進(jìn)攻性無人機(jī)蜂群城市作戰(zhàn)

城市高樓林立，布局錯落，環(huán)境復(fù)雜，活動空間受限，觀察、機(jī)動和通信能力也受較大限制。為應(yīng)對城市作戰(zhàn)，2017年DARPA啟動了進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)（OFFSET）項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在通過集成已有的集群自主協(xié)同與有/無人集群協(xié)同技術(shù)，利用多臺大型無人機(jī)與無人車等組成的蜂群系統(tǒng)架構(gòu)，助力地面作戰(zhàn)部隊(duì)完成復(fù)雜城區(qū)環(huán)境下的作戰(zhàn)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)自主集群系統(tǒng)城市作戰(zhàn)能力的突破性進(jìn)展。

“進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)”項(xiàng)目包含五個核心“蜂群沖刺”，主要聚焦蜂群戰(zhàn)術(shù)、蜂群自主性、人-蜂群編隊(duì)、虛擬環(huán)境以及物理測試平臺。在2020年1月測試中，通過部署空地異構(gòu)無人集群遂行城市夜襲任務(wù)，成功對集群城市戰(zhàn)術(shù)與人/群協(xié)同技術(shù)進(jìn)行了集成驗(yàn)證。2020年9月，第四次蜂群沖刺成功測試無人機(jī)與無人車集群協(xié)同技術(shù)，預(yù)計(jì)2021年下半年進(jìn)行第五次蜂群沖刺，重點(diǎn)突破城市環(huán)境中的集群實(shí)戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)和創(chuàng)新的集群化學(xué)平臺原型，擬利用250架（輛）無人機(jī)與無人車集群在具有8個城市規(guī)模的街區(qū)自主執(zhí)行6小時的任務(wù)。

OFFSET項(xiàng)目以“蜂群戰(zhàn)術(shù)”研究為核心，發(fā)展蜂群自主性和人/蜂群編隊(duì)技術(shù)來支撐戰(zhàn)術(shù)的實(shí)施。目前蜂群更多的是用于地面城市，執(zhí)行情報、監(jiān)視和偵察、建立通信網(wǎng)絡(luò)等任務(wù)，它的使用將極大提升地面部隊(duì)城市作戰(zhàn)的效率和人類生存力，同時推動無人蜂群作戰(zhàn)概念的發(fā)展和作戰(zhàn)樣式多樣化。

3.3 快速部署與回收的無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)

具備分布式集群作戰(zhàn)能力，可在空中部署與回收的小型無人機(jī)，可以成本更低的為美軍提供更好的作戰(zhàn)靈活性，同時可有效解決因無人機(jī)作戰(zhàn)半徑有限，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程作戰(zhàn)的問題。2015年DARPA啟動“小精靈”（Gremlins）項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在研究發(fā)展低成本、可重復(fù)使用的無人機(jī)蜂群系統(tǒng)與空中發(fā)射和回收技術(shù)，降低無人機(jī)部署的應(yīng)用成本，拓展無人機(jī)作戰(zhàn)半徑，形成無人機(jī)蜂群空中分布式作戰(zhàn)能力。

“小精靈”項(xiàng)目的作戰(zhàn)設(shè)想是：載機(jī)可在防區(qū)外發(fā)射配置不同任務(wù)載荷、具備自主協(xié)同作戰(zhàn)能力的無人機(jī)蜂群，無人機(jī)蜂群完成任務(wù)后，在空中由運(yùn)輸機(jī)收回。在2020年7月，“小精靈”項(xiàng)目第2次進(jìn)行飛行試驗(yàn)中，無人機(jī)在試飛中受損，項(xiàng)目計(jì)劃在2021年進(jìn)行空中發(fā)射和回收實(shí)驗(yàn)?！靶【`”無人機(jī)可攜帶不同傳感器和任務(wù)載荷，在競爭環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)，此外“小精靈”無人機(jī)成本低、可消耗，可以布置到戰(zhàn)斗前沿遂行最危險的任務(wù)，同時可利用集群數(shù)量優(yōu)勢實(shí)施飽和攻擊和自殺式攻擊。

4 無人機(jī)智能化作戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展探究

4.1 未來天基指揮信息系統(tǒng)

無人機(jī)集群協(xié)同和有/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)存在數(shù)據(jù)鏈異構(gòu)不兼容、數(shù)據(jù)傳輸能力弱的問題，應(yīng)對復(fù)雜的分布式和動態(tài)作戰(zhàn)任務(wù)聯(lián)通能力脆弱性較大，無法滿足實(shí)時、高效的數(shù)據(jù)傳遞需求。2015年1月，美SpaceX公司提出“星鏈計(jì)劃”，計(jì)劃在低軌道布置42000顆“星鏈”衛(wèi)星，提供覆蓋全球的空天網(wǎng)絡(luò)?！靶擎溣?jì)劃”，將對無人機(jī)作戰(zhàn)運(yùn)用產(chǎn)生重大影響：1）提供超視距通信服務(wù)；2）有效解決平臺通信網(wǎng)絡(luò)不兼容的問題；3）提供全天候、不間斷的偵察監(jiān)視；4）“星鏈”的萬顆衛(wèi)星將成為美軍無人機(jī)集群作戰(zhàn)的“天基大腦”，通過“天基云計(jì)算”即可進(jìn)行飛行控制、態(tài)勢感知、信息共享、目標(biāo)分配和智能決策。目前“星鏈計(jì)劃”正在建設(shè)中，未來天基指揮信息系統(tǒng)一旦被美國軍方所用，必將大幅提升美國無人機(jī)的信息共享與智能決策等能力，從而進(jìn)一步推動無人機(jī)的智能化作戰(zhàn)實(shí)戰(zhàn)進(jìn)程。

4.2 智能吊艙系統(tǒng)

2014年，美軍開始無人機(jī)機(jī)載人工智能計(jì)算平臺研究，即“敏捷禿鷹”研究計(jì)劃。“敏捷禿鷲”吊艙采用人工智能技術(shù)，具有機(jī)上高速數(shù)據(jù)處理能力和機(jī)器學(xué)習(xí)能力，能夠基于機(jī)載多傳感器集成，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測、跟蹤、關(guān)聯(lián)和識別；基于人工智能技術(shù)快速建立感知優(yōu)勢，可有效縮短“OODA”循環(huán)周期。

2020年9月，“敏捷禿鷲”吊艙完成在MQ-9“死神”無人機(jī)上的演示驗(yàn)證。未來“敏捷禿鷲”吊艙一旦投入實(shí)戰(zhàn)，對于提高有/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)、無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的信息交互能力將大有裨益勢，必將提高的戰(zhàn)機(jī)的自主性，更進(jìn)一步提高戰(zhàn)機(jī)廣域下的自主目標(biāo)檢測與快速決策能力。此外，美軍還研究開發(fā)其他功能智能吊艙，在“海上衛(wèi)士”無人機(jī)上集成的Sage 750電子支援傳感器吊艙，可實(shí)現(xiàn)對輻射源的快速搜索定位，實(shí)施電子干擾和電子攻擊，有效提升無人機(jī)電子攻防能力。智能吊艙系統(tǒng)是無人機(jī)作戰(zhàn)運(yùn)用的發(fā)展趨勢，未來智能吊艙可集成多種戰(zhàn)術(shù)能力，將極大地拓展無人機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)能力。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段，美國在無人機(jī)作戰(zhàn)運(yùn)用方面的研究重點(diǎn)在于，研發(fā)可靠的“自主核心系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的“半獨(dú)立”操作能力；采用開放系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)有/無平臺之間的實(shí)時數(shù)據(jù)共享、多機(jī)組網(wǎng)、協(xié)同配合與無縫連接等，以形成分布式的空中作戰(zhàn)體系；研究可靠的人工智能軟件，以及單機(jī)和編隊(duì)的空戰(zhàn)機(jī)動算法等，以提升無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的能力；通過“智能”吊艙增強(qiáng)廣域目標(biāo)識別、實(shí)時通信和電子對抗等能力；通過仿真實(shí)驗(yàn)以及蜂群沖刺試驗(yàn)等推進(jìn)蜂群戰(zhàn)術(shù)與技術(shù)的創(chuàng)新、融合與集成，提升無人機(jī)的綜合作戰(zhàn)能力。盡管美國在以上領(lǐng)域已經(jīng)開展了大量的研究，并獲得了一定技術(shù)儲備，進(jìn)一步推動了有/人機(jī)協(xié)同以及無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的實(shí)戰(zhàn)化進(jìn)程，但無人機(jī)的自身性能、作戰(zhàn)中的實(shí)時通信、融入人工智能算法與自主能力的技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)以及小型無人機(jī)的空中回收等，仍然是無人機(jī)智能作戰(zhàn)的難題，也是美軍下一步重點(diǎn)研究的方向。