范彬 楊書奎

摘 ? 要：小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)一直被視為無人化作戰(zhàn)的突破口。通過大規(guī)模配置低成本的小規(guī)模作戰(zhàn)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的作戰(zhàn)效率。文章簡要描述小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)概念及其優(yōu)勢，并分析實現(xiàn)小型無人機(jī)集群在戰(zhàn)場中應(yīng)用所需要的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：小型無人機(jī)集群;發(fā)展現(xiàn)狀;集群優(yōu)勢;關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一類支持無人駕駛、能夠自動或者自主控制飛行的空中平臺，可代替人執(zhí)行危險、枯燥的任務(wù)[1]。無人機(jī)作戰(zhàn)的思想在很早以前就已經(jīng)有人提出并進(jìn)行應(yīng)用，從美國內(nèi)戰(zhàn)使用的高空氣球觀測技術(shù)，到阿富汗模式，早已將無人機(jī)運用于戰(zhàn)場中。由于航空電子工業(yè)的大力發(fā)展，現(xiàn)在的無人機(jī)相比之前具有更好的續(xù)航能力、通信能力以及機(jī)動能力，具備了在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行多種危險任務(wù)的能力，例如，攻擊敵方彈藥庫，執(zhí)行情報—監(jiān)視—偵察（Intelligence-Surveillance-Reconnaissance，ISR）任務(wù)[2]，以及執(zhí)行電子干擾，由于具有零人員傷亡的特點。無人機(jī)在未來戰(zhàn)場中的應(yīng)用具有廣闊的前景。

現(xiàn)在應(yīng)用于戰(zhàn)場環(huán)境中的無人機(jī)大多具有成本高、體型大的特點，有限的預(yù)算環(huán)境將限制更多大型無人機(jī)的應(yīng)用。同時，防空系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大型無人機(jī)更易被發(fā)現(xiàn)，因此，大型無人機(jī)雖然配備復(fù)雜的機(jī)上系統(tǒng)，但是存活率低。小型無人機(jī)也早已運用于戰(zhàn)術(shù)環(huán)境當(dāng)中，但是只被作為偽裝目標(biāo)吸引敵方防空系統(tǒng)或者滲透敵方防空系統(tǒng)，來達(dá)到保護(hù)主要作戰(zhàn)平臺的目的。例如，早在20世紀(jì)50年代，ADM-20鵪鶉無人機(jī)就是為美國空軍B-52戰(zhàn)略轟炸機(jī)研制的電子對抗誘惑導(dǎo)彈，主要用于在敵方雷達(dá)作用范圍內(nèi)，按預(yù)定的航線輔助B-52轟炸機(jī)實施突防。

隨著新興技術(shù)諸如人工智能、微電子產(chǎn)業(yè)、組網(wǎng)技術(shù)、平臺小型化技術(shù)的快速發(fā)展，小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)概念逐步被提出。通過大大增加集群中無人機(jī)的數(shù)量，協(xié)同有人作戰(zhàn)單元，能夠完成復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)。小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)具有成本低、作戰(zhàn)效率高、存活率高的特點，一直被視為無人化作戰(zhàn)的突破口。通過與陸、海、空有人作戰(zhàn)平臺結(jié)合，小型無人機(jī)集群可以實現(xiàn)多個領(lǐng)域的集群作戰(zhàn)。因此，小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)將是未來戰(zhàn)場不可缺少的單元。

1 ? ?小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)簡介

集群是指具有共同目標(biāo)的群體為實現(xiàn)某種目標(biāo)時而產(chǎn)生的協(xié)調(diào)行為，群體中的個體遵循簡單的運動和邏輯規(guī)則，不受任何中心的控制，而群體卻能體現(xiàn)出宏觀智能行為。

小型無人機(jī)集群的靈感來源于生物當(dāng)中的集群現(xiàn)象，大量攜帶不同任務(wù)載荷的小規(guī)模作戰(zhàn)平臺，通過個體之間的分工合作、相互協(xié)調(diào)，可以完成復(fù)雜作戰(zhàn)任務(wù)。目前，小型無人機(jī)集群主要被用來執(zhí)行電子干擾任務(wù)。在電子干擾方面，雖然大的空中平臺相比小型空中平臺，可以攜帶更高功率的干擾載荷，但是也更加容易被敵方雷達(dá)監(jiān)測到。小型無人機(jī)不容易受到威脅，因此，可以更加靠近敵方的雷達(dá)。集群中每架無人機(jī)裝載電磁能或定向能武器等干擾載荷[3]，通過合理分工，相互協(xié)調(diào)，可以比單架大型無人機(jī)更加高效地對敵方目標(biāo)實施電子干擾。

隨著小型化平臺的發(fā)展，在未來的戰(zhàn)場中，小型無人機(jī)集群有可能會實現(xiàn)更加復(fù)雜的戰(zhàn)場任務(wù)。圖1展示了未來戰(zhàn)場中小型無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)的場景，集群當(dāng)中包含攜帶偵察監(jiān)視、電子干擾、打擊與評估的無人機(jī)，當(dāng)裝載不同偵察載荷的無人機(jī)協(xié)同完成目標(biāo)定位時，方便通知附近處于最佳位置且攜帶攻擊載荷的無人機(jī)完成打擊任務(wù)，之后攜帶相應(yīng)載荷的無人機(jī)可以完成戰(zhàn)場評估，決定是否執(zhí)行二次打擊任務(wù)。

2 ? ?小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)小型化已經(jīng)逐漸趨向成熟。目前，美國已成功采用3D打印技術(shù)制造Perdix固定翼無人機(jī)。單機(jī)技術(shù)的可實現(xiàn)性，使得各國積極研究小型無人機(jī)集群技術(shù)。

美國率先推出多個低成本無人機(jī)集群研究項目，主要有DARPA小精靈項目、美國海軍低成本無人機(jī)集群技術(shù)以及空軍項目[4-5]。2016年5月，美國空軍正式提出《2016—2036年小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》[6]。

近年來，國內(nèi)外對小型無人機(jī)集群進(jìn)行了多次驗證、測試，試驗規(guī)模逐漸擴(kuò)大：2015年美國海軍研究生院實現(xiàn)了一人控制50架“西風(fēng)”（Zephyr）無人機(jī)的試驗;2016年，在珠海航展上，中國電科CETC披露了我國第一個固定翼無人機(jī)集群試驗原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了67架規(guī)模的集群原理驗證;2017年，美國公開了103架“灰山鶉”（Perdix）無人機(jī)的試驗;之后，中國電科再次公開了119架無人機(jī)集群的試驗。

3 ? ?小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)的優(yōu)勢

3.1 ?作戰(zhàn)效率高

小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)相比于單架大型無人機(jī)具有作戰(zhàn)效率高的優(yōu)點。根據(jù)Lanchester平方率，作戰(zhàn)單元數(shù)量是比單元作戰(zhàn)能力更重要的戰(zhàn)爭勝負(fù)決定因素，無人機(jī)集群能夠?qū)崿F(xiàn)對敵優(yōu)勢戰(zhàn)機(jī)更大的勝率。將原本造價高昂的多任務(wù)系統(tǒng)分解為若干低成本的小規(guī)模作戰(zhàn)平臺，可以比單架大型系統(tǒng)更有效挫敗對手，同時，對于同一個任務(wù)，集群無人機(jī)協(xié)同完成所需的時間將遠(yuǎn)小于單個完備作戰(zhàn)平臺所需要的時間。

3.2 ?任務(wù)完成率高

具有“無中心”和“自主協(xié)同”的無人機(jī)集群中的個體并不依賴于某個實際存在的、特定的節(jié)點來運行。如果集群中的一架無人機(jī)離開集群或被擊落，那么剩下的無人機(jī)仍然可以完成任務(wù)。對于單架無人機(jī)而言，無人機(jī)被擊落則意味著任務(wù)的失敗。同時，由于小型無人機(jī)具有體型小、速度快的特點，相比于大型無人機(jī)受敵方防空系統(tǒng)的威脅更小。

3.3 ?作戰(zhàn)成本低

功能單一的小型無人機(jī)平臺成本較低，即使1 000架小型無人機(jī)的價格也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一架大型無人機(jī)的成本。同時，擊落一架小型無人機(jī)所需的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小型無人機(jī)本身的價格。因此，在戰(zhàn)爭預(yù)算有限的情況下，小型無人機(jī)具有更低的作戰(zhàn)成本。

4 ? ?集群作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)

生物中的群體通過信息素及相應(yīng)的協(xié)調(diào)行為來實現(xiàn)共識主動性，進(jìn)而體現(xiàn)出集群行為。對于小型無人機(jī)構(gòu)成的群體，需要采用一定的技術(shù)來實現(xiàn)集群行為。

4.1 ?避撞技術(shù)

一個成功的無人機(jī)集群必須能夠在不和集群當(dāng)中其他無人機(jī)碰撞的前提下飛行，可以說，避撞技術(shù)是無人機(jī)作戰(zhàn)應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前，避撞技術(shù)主要采用傳感器和交互輔助信息的方式。

當(dāng)集群的協(xié)同較好時，可以使用傳感器避撞技術(shù)，通過傳感器構(gòu)建“視線系統(tǒng)”，并采用一定的路徑規(guī)劃原則與相鄰的無人機(jī)保持一定的相對位置，這種路徑規(guī)劃原則可以是：（1）沿著與鄰居相同的方向移動。（2）個體保持靠近鄰居。（3）個體避免與鄰居碰撞。

使用交互輔助信息的方式是一種補(bǔ)充的避撞技術(shù)。在集群中，節(jié)點通過生成包含無人機(jī)速度、方向、位置、加速度等信息的報文，并使用相應(yīng)的物理層及鏈路層技術(shù)，將報文分發(fā)給一跳范圍內(nèi)的其他節(jié)點，收到報文的節(jié)點及時更新與安全飛行相關(guān)的信息，并根據(jù)信息內(nèi)容決定是否需要規(guī)劃新的路徑以防止碰撞。

4.2 ?協(xié)同技術(shù)

協(xié)同技術(shù)是一個比較大的概念，它既涉及上層的算法，諸如分布式?jīng)Q策算法、任務(wù)分配算法、分布式融合算法等，又包括底層的信息交互技術(shù)。協(xié)同技術(shù)可以幫助無人機(jī)集群實現(xiàn)分工合作、相互協(xié)調(diào)、高效執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)環(huán)境下的多種任務(wù)。

由于小型無人機(jī)集群當(dāng)中功能分布化的特點，每架無人機(jī)攜帶不同的任務(wù)載荷，因此，完成一個復(fù)雜的任務(wù)需要多架無人機(jī)之間的協(xié)同合作。當(dāng)面臨復(fù)雜任務(wù)和需要協(xié)作的任務(wù)時，當(dāng)前無人機(jī)可以把任務(wù)信息和資源需求發(fā)布到由各無人機(jī)組成的集群網(wǎng)絡(luò)上，各無人機(jī)可以根據(jù)當(dāng)前自身任務(wù)和資源情況予以響應(yīng)。例如，攜帶A類偵察載荷的無人機(jī)發(fā)現(xiàn)可疑任務(wù)目標(biāo)時，可以發(fā)送信息尋求附近的裝載其他類型偵察載荷的無人機(jī)參與對可疑目標(biāo)的協(xié)同確認(rèn)。

為了使所交互的信息及時、完整地進(jìn)行傳輸，對于通信網(wǎng)絡(luò)性能有一定的要求。因此，在一定的空間分布下，為了實現(xiàn)高速飛行的多個無人機(jī)之間有效的協(xié)同，提高通信質(zhì)量也是集群的關(guān)鍵技術(shù)。

4.3 ?數(shù)據(jù)安全技術(shù)

集群中的安全問題應(yīng)該和集群其他關(guān)鍵技術(shù)同時考慮，而不應(yīng)該在集群發(fā)展到一定程度之后再去實現(xiàn)安全目標(biāo)。數(shù)據(jù)安全技術(shù)應(yīng)該融入集群關(guān)鍵技術(shù)的各個環(huán)節(jié)，同時，應(yīng)該考慮到集群所能出現(xiàn)的各種情況。例如，考慮如下場景：小型無人機(jī)集群用于作戰(zhàn)時，發(fā)生集群中的某架無人機(jī)被捕獲，如果沒有良好的安全措施，就會導(dǎo)致敏感數(shù)據(jù)和信息的泄露，不利于集群系統(tǒng)的生存。可見，實現(xiàn)集群當(dāng)中的數(shù)據(jù)安全技術(shù)將是集群當(dāng)中必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

5 ? ?結(jié)語

小型無人機(jī)集群作為一種顛覆性技術(shù)，具有作戰(zhàn)效率高、任務(wù)完成率高、成本低的優(yōu)勢，將會成為未來戰(zhàn)場的突破口。小型無人機(jī)集群的實現(xiàn)，不僅需要人工智能、微電子產(chǎn)業(yè)等新興技術(shù)的支撐，同時，需要基于集群研究其中的關(guān)鍵技術(shù)。小型無人機(jī)集群中各種技術(shù)的研究仍處于起步階段，實現(xiàn)小型無人機(jī)集群在作戰(zhàn)中的應(yīng)用仍然有很長的路要走。

[參考文獻(xiàn)]

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