張群亮，籍家亮，褚超，李浩南，蘆海利

95894部隊

無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)新模式日益成為世界各國軍事領(lǐng)域競相發(fā)展的熱點(diǎn)。本文首先研究無人機(jī)蜂群概念的起源和目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的蜂群作戰(zhàn)模式，總結(jié)無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)優(yōu)勢；其次，對當(dāng)今世界上軍事技術(shù)較為先進(jìn)的國家和地區(qū)如美國、歐盟、英國、俄羅斯的無人機(jī)蜂群研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析；第三，圍繞無人機(jī)蜂群環(huán)境感知能力、任務(wù)規(guī)劃能力、決策判斷能力、任務(wù)執(zhí)行能力四個方面，總結(jié)現(xiàn)有無人機(jī)蜂群應(yīng)用存在的技術(shù)難點(diǎn)，并從關(guān)鍵技術(shù)層面提出相關(guān)解決措施；最后，對無人機(jī)蜂群的發(fā)展方向做出展望。

無人機(jī)蜂群的概念、作戰(zhàn)模式與優(yōu)勢

概念與起源

無人機(jī)蜂群項目最初的研發(fā)靈感來源于蜜蜂。蜜蜂屬于典型的群居動物，飛行中的蜜蜂群體通過個體間的溝通，如傳播“舞蹈語言”和分泌信息素等方式，傳遞豐富的信息，實(shí)現(xiàn)特定的結(jié)伴飛行、花粉采集或攻擊等目的。受此啟迪，科學(xué)家把這種既能自由變換隊形，個體間又能保持一定安全距離且互不影響各自工作的協(xié)同行為應(yīng)用到無人機(jī)領(lǐng)域，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)新模式便應(yīng)運(yùn)而生。

通過算法模擬，科學(xué)家們對群居動物的行為策略進(jìn)行仿真設(shè)計，再將這種設(shè)計轉(zhuǎn)化為算法語言，進(jìn)而運(yùn)用到無人機(jī)領(lǐng)域，賦予無人機(jī)蜂群一定的環(huán)境偵察、信息收集、分析、判斷、決策等能力，極大提高了作戰(zhàn)效能。

無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)模式

依據(jù)不同的協(xié)同作戰(zhàn)對象,目前研究較為廣泛的無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)模式可分為“忠誠僚機(jī)作戰(zhàn)”和“集群作戰(zhàn)”兩種模式。

“忠誠僚機(jī)作戰(zhàn)”模式是指有人長機(jī)與無人僚機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，終極目的是基于有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)與無人戰(zhàn)斗機(jī)之間的密切配合，以應(yīng)對復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境。很多專家、學(xué)者認(rèn)為，“忠誠僚機(jī)作戰(zhàn)”是未來空中作戰(zhàn)的主流形式。筆者認(rèn)為，有人機(jī)和無人機(jī)相結(jié)合能較好實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，“忠誠僚機(jī)作戰(zhàn)”模式最終會向有人機(jī)/多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)方向發(fā)展。

“集群作戰(zhàn)”模式是指大量小型無人機(jī)之間的機(jī)-機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)。低成本、小型蜂群無人機(jī)技術(shù)是未來自主無人系統(tǒng)領(lǐng)域中的一項關(guān)鍵技術(shù)。在執(zhí)行不同任務(wù)時，大量低成本小型無人機(jī)之間進(jìn)行信息傳輸和共享，可最大程度發(fā)揮協(xié)同聯(lián)動性，以數(shù)量和規(guī)模優(yōu)勢壓制敵方目標(biāo)。隨著技術(shù)發(fā)展，無人機(jī)蜂群可以執(zhí)行偵察、監(jiān)視、打擊、評估等多樣化任務(wù)，將大幅提升作戰(zhàn)效能。

無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)優(yōu)勢

（1）發(fā)射方式多樣、戰(zhàn)法靈活

蜂群單機(jī)具有質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)勢，可以采用多種方式發(fā)射。目前應(yīng)用較為廣泛且可行性較高的發(fā)射方式主要有以下三種。

圖1 地面發(fā)射裝置發(fā)射蜂群無人機(jī)。

一是發(fā)射人員利用地面發(fā)射裝置預(yù)設(shè)發(fā)射角度、發(fā)射高度等參數(shù),然后蜂群無人機(jī)借助外力如助推、彈射等方式完成發(fā)射，升空后再依靠自身動力裝置向預(yù)定區(qū)域飛行。

二是母機(jī)將小型蜂群無人機(jī)運(yùn)載至指定高度、區(qū)域后，在空中投放或發(fā)射所載運(yùn)的小型蜂群無人機(jī)。這種方式更符合實(shí)際作戰(zhàn)需求，作戰(zhàn)時無人機(jī)蜂群確實(shí)能突入敵方前沿陣地，可有效解決小型無人機(jī)續(xù)航時間短的問題。

三是蜂群無人機(jī)以“子母彈”形式裝填在母彈內(nèi)部，母彈突入敵縱深陣地后再發(fā)射。采用這種發(fā)射方式，無人機(jī)的數(shù)量更多、規(guī)模更大、突襲效果更明顯。

（2）模塊化設(shè)計實(shí)現(xiàn)多樣化任務(wù)

無人機(jī)蜂群采用“母機(jī)空中投放或發(fā)射”“子母彈式空中發(fā)射”方式，能充分凸顯單機(jī)質(zhì)量輕、體積小的優(yōu)勢，而且相同載重和容積的母機(jī)能攜帶數(shù)量更多的單機(jī)。無人機(jī)蜂群采用模塊化設(shè)計，其應(yīng)用場景更廣，協(xié)同作戰(zhàn)能力更強(qiáng)。當(dāng)無人機(jī)蜂群數(shù)量達(dá)到一定規(guī)模后，模塊化任務(wù)載荷能及時滿足不同作戰(zhàn)任務(wù)需求。與此同時，針對不同任務(wù)需要，對無人機(jī)任務(wù)載荷進(jìn)行靈活調(diào)整，還能進(jìn)一步提高無人機(jī)的利用率，節(jié)約相關(guān)成本，甚至根據(jù)任務(wù)需要臨時改變無人機(jī)任務(wù)載荷類型也成為可能。由于蜂群單機(jī)體積較小，在低空突防時自身雷達(dá)散射截面相應(yīng)縮小，因此其具有良好的隱身性和更強(qiáng)的低空突防能力，作戰(zhàn)能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

（3）成本低、損益比高

相比成本動輒千萬元甚至上億元的有人機(jī)，蜂群無人機(jī)的制造成本可以說微不足道。在戰(zhàn)爭中，最貴的往往不是裝備而是人，無人機(jī)蜂群實(shí)現(xiàn)“平臺無人、系統(tǒng)有人”后，可以大大降低作戰(zhàn)成本。在實(shí)際作戰(zhàn)中，即使無人機(jī)被全部擊毀，但相比對手消耗的彈藥成本，損失的無人機(jī)成本幾乎不值一提。顯然，無人機(jī)蜂群的應(yīng)用能最大程度消耗對手的對抗成本，而我方損益比較高。

國外無人機(jī)蜂群項目研究現(xiàn)狀

美國無人機(jī)蜂群項目

美國是最早提出無人機(jī)蜂群概念的國家，其初衷是利用無人機(jī)蜂群技術(shù)，配合完成偵察、干擾、態(tài)勢感知、防御、掩護(hù)和攻擊等單一或復(fù)合任務(wù)。下面介紹我們較為熟知的美國無人機(jī)蜂群項目。

美國國防預(yù)研局（DARPA）推出“小精靈”項目，旨在研制具備自組網(wǎng)和智能協(xié)同作戰(zhàn)能力的無人機(jī)蜂群。有關(guān)資料顯示，該項目已完成多次階段試驗(yàn)，試驗(yàn)使用的“小精靈”無人機(jī)使用半徑可達(dá)900km，最大飛行速度達(dá)0.8Ma。

美國國防部戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）于2012年提出“灰山鶉”無人機(jī)蜂群項目，計劃通過有人機(jī)空射微型無人機(jī)，完成低空態(tài)勢感知等任務(wù)。2016年10月，該項目創(chuàng)下軍用無人機(jī)單次發(fā)射數(shù)量和無人機(jī)蜂群飛行規(guī)模的最高記錄，此次發(fā)射的無人機(jī)數(shù)量達(dá)103架，在地面控制站指揮下，無人機(jī)蜂群順利完成自主尋的和協(xié)同作戰(zhàn)等任務(wù)。

圖2 “子母彈”式無人機(jī)蜂群發(fā)射構(gòu)想圖。

圖3 美軍XQ-58A“女武神”無人機(jī)正在空中發(fā)射小型無人機(jī)。

圖4 俄羅斯“閃電”無人機(jī)系統(tǒng)。

美國海軍研究局（ONR）提出“低成本無人機(jī)蜂群”項目，計劃由陸基平臺在短時間內(nèi)不間斷發(fā)射蜂群無人機(jī)。無人機(jī)蜂群依托機(jī)-機(jī)之間的短距無線電通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時共享信息，蜂群單機(jī)協(xié)同完成掩護(hù)、進(jìn)攻、防守等任務(wù)。

最新資料顯示，美軍正在利用XQ-58A“女武神”（下稱XQ-58A）無人機(jī)發(fā)射小型無人機(jī)，開展分布式無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)試驗(yàn)。2021年3月，美軍XQ-58A無人機(jī)在空中發(fā)射了一架ALTIUS-600小型無人機(jī)。有研究者稱，XQ-58A最多能攜帶250kg精確制導(dǎo)炸彈，而ALTIUS-600小型無人機(jī)最大起飛重量為12.3kg，如此測算，XQ-58A或?qū)⒛軘y帶多達(dá)20架ALTIUS-600無人機(jī)。當(dāng)然受體積、空間等因素影響，實(shí)際可攜帶數(shù)量可能低于這個數(shù)值。但是，這種分布式蜂群攻擊模式，可以大幅降低作戰(zhàn)成本、大型作戰(zhàn)平臺的損失率，并減少戰(zhàn)斗人員的傷亡，因此這種分布式蜂群攻擊技術(shù)又被稱為一種“顛覆性技術(shù)”。

其他國家和地區(qū)的無人機(jī)蜂群項目

在美國大力發(fā)展無人機(jī)蜂群技術(shù)的同時，許多國家和地區(qū)也在競相發(fā)展無人機(jī)蜂群技術(shù)，并開展相關(guān)項目研究。

歐盟委員會圍繞信息通信技術(shù)計劃和信息社會技術(shù)計劃，分別開展了“面向安全的無線高移動性協(xié)同工業(yè)系統(tǒng)評估與控制” 項目和“異構(gòu)無人機(jī)實(shí)時協(xié)同控制”項目研究。雖然兩個項目研究不同的對象，分別是高動態(tài)固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)和異構(gòu)無人機(jī)，但最終研究目的都是希望實(shí)現(xiàn)分布式控制架構(gòu)，快速實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配。

圖5 無人機(jī)蜂群共享信息需要持續(xù)、穩(wěn)定的通信鏈路。

英國作為一個軍事強(qiáng)國，其國防部也在積極推進(jìn)無人機(jī)技術(shù)研究，尤其對無人機(jī)蜂群技術(shù)展開了潛心研究，例如英國國防部聯(lián)合英國“藍(lán)熊”系統(tǒng)研究公司等多家企業(yè)，共同開發(fā)無人機(jī)蜂群技術(shù)。從已完成的試驗(yàn)情況看，該無人機(jī)蜂群系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)20架無人機(jī)協(xié)同控制，執(zhí)行態(tài)勢感知、醫(yī)療援助、后勤補(bǔ)給等多項任務(wù)。

在無人機(jī)蜂群技術(shù)研發(fā)方面，俄羅斯緊追不舍。俄羅斯軍工企業(yè)正在為其空天軍研發(fā)“閃電”無人機(jī)系統(tǒng)。即將問世的“閃電”無人機(jī)系統(tǒng)可由空天軍各型飛機(jī)載運(yùn)，能攜帶任務(wù)載荷完成癱瘓敵防空系統(tǒng)的任務(wù)或擔(dān)任“偵察員”，并為其它武器裝備提供目標(biāo)定位。

無人機(jī)蜂群重要能力提升

相較無人機(jī)蜂群發(fā)射與回收技術(shù)，其空中協(xié)同控制技術(shù)更加復(fù)雜。如何實(shí)現(xiàn)無人機(jī)蜂群單機(jī)間的協(xié)同控制，讓它們彼此間協(xié)同作業(yè)又互不干擾，是無人機(jī)蜂群發(fā)展過程中亟需解決的技術(shù)問題。無人機(jī)不是人，缺少人類獨(dú)立思考、隨機(jī)應(yīng)變等獨(dú)有能力，為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)蜂群自主協(xié)同作戰(zhàn)能力，利用人工智能技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法提升其環(huán)境感知、任務(wù)規(guī)劃、分析決策和任務(wù)執(zhí)行等能力，不失為明智之舉。

環(huán)境感知能力提升

無人機(jī)蜂群環(huán)境感知能力是決策和執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)。當(dāng)無人機(jī)須要在復(fù)雜現(xiàn)實(shí)場景中做動態(tài)對抗時，感知缺陷將導(dǎo)致信息失真，使無人機(jī)做出錯誤決策，還將直接導(dǎo)致單機(jī)損失甚至無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)毀滅。要想提升無人機(jī)蜂群環(huán)境感知能力，首先要通過蜂群單機(jī)機(jī)載傳感器獲取其目標(biāo)范圍內(nèi)的全面態(tài)勢情況，保證信息真實(shí)準(zhǔn)確；其次要確保其他單機(jī)能通過持續(xù)、穩(wěn)定的通信鏈路共享信息，實(shí)現(xiàn)全域作戰(zhàn)態(tài)勢共享，保證各單機(jī)之間的高效協(xié)同控制。

任務(wù)規(guī)劃能力提升

無人機(jī)蜂群任務(wù)規(guī)劃是完成作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。面對不同的任務(wù)和場景，其任務(wù)規(guī)劃也不盡相同。無人機(jī)蜂群在執(zhí)行攻擊任務(wù)時，戰(zhàn)術(shù)協(xié)同是關(guān)鍵，火力協(xié)同才是目的。如何把基于仿生學(xué)的算法用于單機(jī)間的任務(wù)規(guī)劃，如何合理分配任務(wù)并實(shí)現(xiàn)單機(jī)間的協(xié)同控制，這是無人機(jī)蜂群面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前多目標(biāo)任務(wù)分配的求解算法主要有遺傳算法、蟻群算法和粒子群算法等。

分析決策能力提升

面對強(qiáng)對抗、須要快速響應(yīng)的高危任務(wù)，現(xiàn)有無人機(jī)蜂群技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn)某些作戰(zhàn)能力，如實(shí)時評估當(dāng)前戰(zhàn)場態(tài)勢和無人機(jī)蜂群網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，及時調(diào)整任務(wù)并重新規(guī)劃任務(wù)路徑等。當(dāng)蜂群單機(jī)由于性能不佳或受到較嚴(yán)重的外界干擾而無法協(xié)同作業(yè)時，整個蜂群網(wǎng)絡(luò)如何快速、準(zhǔn)確鎖定故障單機(jī)，及時替換并分配新的單機(jī)，從而不影響既定任務(wù)順利執(zhí)行，是目前無人機(jī)蜂群領(lǐng)域又一項技術(shù)難題。筆者認(rèn)為，可以考慮將具有不同優(yōu)勢和功能的單機(jī)所收集的各種信息進(jìn)行實(shí)時傳輸，并進(jìn)行拼接和整合，從而得到較為及時、全面、準(zhǔn)確的全戰(zhàn)場立體態(tài)勢圖，這在一定程度上可以降低因信息收集不全而做出錯誤決策的風(fēng)險。此外，應(yīng)該充分發(fā)揮人工智能和深度學(xué)習(xí)優(yōu)勢，把每一次任務(wù)的整個過程數(shù)據(jù)，即從最初收集的信息到最后決策的信息進(jìn)行存儲，作為后期無人機(jī)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的素材。利用計算機(jī)的快速運(yùn)算、數(shù)據(jù)加工處理技術(shù)并輔以人的思維決策，將大大提高決策準(zhǔn)確性、可行性。人工智能技術(shù)經(jīng)過大量樣本訓(xùn)練和實(shí)操后，將在分析決策環(huán)節(jié)中減小失誤、發(fā)揮更大作用。

圖6 在執(zhí)行須要快速響應(yīng)的高危任務(wù)時，無人機(jī)蜂群應(yīng)及時、重新規(guī)劃任務(wù)路徑。

圖7 小型蜂群無人機(jī)編隊飛行概念圖。

任務(wù)執(zhí)行能力提升

當(dāng)前大部分無人機(jī)均為半自主式，即采用程控與人控相結(jié)合的方式，也就是所謂的“平臺無人、系統(tǒng)有人”，且大部分情況下都是多人操控一架無人機(jī)。隨著無人機(jī)蜂群數(shù)量的增加，其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的組織機(jī)制更加復(fù)雜，須要投入的人力成本也相應(yīng)增加。要想降低整個作戰(zhàn)系統(tǒng)的人機(jī)比，就必須改變現(xiàn)有模式，提升無人機(jī)自主決策、獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)的能力。值得一提的是，無論無人機(jī)自主性達(dá)到何種等級，無論其為操控者提供的各項建議如何明智可行，最重要的攻擊決策權(quán)，應(yīng)該始終由操控員牢牢掌控。

未來展望

毫無疑問，無人作戰(zhàn)平臺是未來軍事變革和作戰(zhàn)樣式創(chuàng)新的催化劑，是各國武器裝備建設(shè)的重點(diǎn)，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)也必將成為未來作戰(zhàn)的主要模式。目前國外一些無人機(jī)蜂群技術(shù)較為先進(jìn)的國家已構(gòu)建有人機(jī)/無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)新模式，利用無人機(jī)作戰(zhàn)成本低、機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)勢，在復(fù)雜作戰(zhàn)場景下由人工操控系統(tǒng)、無人機(jī)快速響應(yīng)，從而大大提升無人機(jī)作戰(zhàn)能力。雖然目前國內(nèi)外在無人機(jī)研究及應(yīng)用領(lǐng)域取得了一定成果，但戰(zhàn)場形勢變化莫測，愈發(fā)復(fù)雜的信息環(huán)境對無人機(jī)作戰(zhàn)能力提出了越來越高的要求，未來，在縮短無人機(jī)感知-分析-決策-行動整個回路的時間，提升無人機(jī)操控準(zhǔn)確性和執(zhí)行命令靈活性等方面還有極大的改進(jìn)空間，無人機(jī)蜂群創(chuàng)新研發(fā)和運(yùn)用之路必定是一個曲折、漫長的發(fā)展過程。