郭忠誠

中航貴州飛機有限責任公司

無人機集群技術與應用已成為無人機領域的重要發(fā)展方向，正在催生新的作戰(zhàn)模式形成。本文參考國外先進無人機集群項目，對智能無人機集群關鍵技術進行初步分析。

智能無人系統(tǒng)集群化運用，將顛覆性地改變未來作戰(zhàn)“殺傷鏈”設計，催生新型作戰(zhàn)樣式形成，突破層級結構、線性積累等規(guī)律。無人機集群是由若干同構或者異構智能無人機通過自組織網(wǎng)絡連接而構成的一種智能群體，具有分布式感知、目標識別、自主決策、協(xié)同任務規(guī)劃與攻擊能力，具備分布式學習、智能涌現(xiàn)等群體智能行為特征。無人機集群作戰(zhàn)對人工智能、自主決策與規(guī)劃、集群控制、自適應組網(wǎng)通信等技術提出了更高要求。美國在2000年將無人機自主性分為10個等級，其中全自主集群為最高等級，它要求無人機集群系統(tǒng)在復雜環(huán)境下，實現(xiàn)無人多任務目標全自主規(guī)劃，集群自主控制技術是智能控制技術與平臺控制技術的高度綜合，是無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的技術基礎。為更全面描述無人機自主性，將人機交互、協(xié)同感知、協(xié)同分析、協(xié)同決策以及協(xié)同控制能力納入自主性等級劃分，無人機系統(tǒng)自主性等級，無人機逐步從簡單遙控、程控方式升級到人機智能融合的交互控制，未來將具備集群協(xié)同作戰(zhàn)能力。研究如何通過有效的協(xié)同控制策略支持戰(zhàn)場環(huán)境下無人機集群協(xié)同攻擊多目標，在時空約束下以最大成功率和最低風險命中目標，實現(xiàn)無人機集群整體作戰(zhàn)效能大于各單架無人機作戰(zhàn)效能的總和，極具理論價值和實戰(zhàn)意義。

圖1 無人機集群技術與應用將改變傳統(tǒng)作戰(zhàn)樣式。

本文面向協(xié)同作戰(zhàn)的無人機集群，參考國外先進無人機集群項目，提出無人機集群關鍵技術。在無人機集群技術發(fā)展的推動，戰(zhàn)爭制勝機理、作戰(zhàn)力量構成、創(chuàng)新作戰(zhàn)理論已悄然發(fā)生改變。對無人機集群作戰(zhàn)模式進行研究，不斷探索我國無人機集群的發(fā)展思路，為深入開展無人機集群作戰(zhàn)研究提供理論參考。

國外無人機集群項目研究現(xiàn)狀

美國軍方很早就已布局無人機集群相關研究，自2014年起美國國防部戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）、美國海軍研究辦公室（ONR）、美國國防預研局（DARPA）先后啟動“無人機蜂群”、“低成本無人機蜂群技術”和“小精靈”項目。

“無人機蜂群”項目以“灰山鶉”一次性微型無人機為試驗平臺，在2017年對3架F/A-18F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機投放103架“灰山鶉”進行測試，展示了空中投放和自適應分組編隊協(xié)同飛行能力；

“低成本無人機蜂群技術”項目以“郊狼”小型無人機為平臺，2016年美國雷神公司在地面開展30架“郊狼”無人機蜂群飛行試驗，驗證了無人機蜂群編隊飛行、隊形變換能力；

“小精靈”項目重點研究空中投放和回收小型無人機蜂群等關鍵技術，2020年實施“小精靈”項目第三次飛行試驗，利用C-130運輸機在空中投放和回收3架X-61A無人機，驗證了自主編隊飛行保障安全技術，9次嘗試空中回收無人機均未對接成功，并計劃2021年在第四次飛行試驗中開展更多的飛行和回收測試。

除圍繞低成本微小型無人機集群開展試驗，美國國防預研局還通過“體系集成技術”、“分布式作戰(zhàn)管理”、“進攻性蜂群使能戰(zhàn)術”、“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”等項目，發(fā)展無人機集群體系架構、作戰(zhàn)管理、集群戰(zhàn)術、自主協(xié)同控制和小型多功能傳感器等多項關鍵技術。2020年7月，美國空軍已與波音、通用原子、克拉托斯和洛克希德-馬丁4家公司簽訂“天空堡”（Skyborg）無人機項目，據(jù)悉“天空堡”是一種基于人工智能的無人機，由美國空軍根據(jù)“忠誠僚機”計劃提出，一架或多架“天空堡”無人機由有人機控制與管理，在一次作戰(zhàn)任務中執(zhí)行監(jiān)視、支援和打擊等任務，該項目核心任務是自主決策控制系統(tǒng)研究，以驗證下一代無人機多層級自主性，計劃2023年實現(xiàn)初始協(xié)同作戰(zhàn)能力。

2016年9月，英國國防部發(fā)起無人機集群競賽，以期快速突破相關關鍵技術。同年11月，歐洲防務局正式啟動“歐洲蜂群”項目，發(fā)展任務自主決策、協(xié)同控制等關鍵技術。

圖2 美軍無人機蜂群試驗。

2016年，俄羅斯也開始對集群無人機協(xié)同作戰(zhàn)模式進行研究；韓國陸軍則在2017年宣布將大力發(fā)展無人機蜂群技術，用于偵察打擊等任務；2019年10月，芬蘭提出“防空壓制無人機蜂群”（SEAD Swarm）項目，作為防務研究備戰(zhàn)行動的一部分，該項目將加強歐盟成員國之間的合作。

無人機集群關鍵技術

信息感知與融合技術

信息感知與融合是無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的前提。信息感知是指各集群無人機基于機載傳感器，在復雜戰(zhàn)場環(huán)境下，面對地理、電磁、威脅、氣象等因素，實時自主感知需求，通過集群無人機之間的密切協(xié)同獲得更廣的監(jiān)測范圍、更準確的目標定位精度，對戰(zhàn)場環(huán)境進行多維、全域、實時、精確感知，主要包括外部環(huán)境協(xié)同探測和集群內部互感能力。信息融合是指集群無人機之間通過機間數(shù)據(jù)鏈共享目標、平臺狀態(tài)、情報和指揮控制等信息，借助配準、關聯(lián)、濾波、身份識別、態(tài)勢估計、威脅估計等信息融合手段，獲取完整、準確的作戰(zhàn)區(qū)域全局信息。

信息感知與融合必須解決集群無人機之間在時變情況下，海量信息如何交互以及異質異構傳感器多源信息如何融合處理。集群系統(tǒng)中的單機既是通信網(wǎng)絡節(jié)點，又是信息感知與處理節(jié)點，無人機的空間分布決定了網(wǎng)絡拓撲結構，而不同網(wǎng)絡拓撲結構具有不同的通信性能。無人機集群通信網(wǎng)絡拓撲結構變化迅速，集群無人機之間的通信有時不穩(wěn)定甚至隨時可能中斷，要保證各集群無人機通信網(wǎng)絡穩(wěn)定，可以從網(wǎng)絡架構、硬件、算法和通信協(xié)議等方面入手，解決這一難題。在信息融合方面，已有大量成熟理論和方法。與一般多傳感器信息融合相比，無人機集群信息融合比一般傳感器信息融合難度更大，主要體現(xiàn)在信息表現(xiàn)形式多樣化、信息數(shù)量巨大、信息關系的復雜性、信息處理的及時性等方面。因此處理方法不同于一般的信息融合方法，可參考人腦信息融合認知機制，研究特征提取、知識表達和推理、認知機理等方法，將其應用于集群信息融合處理。

表1 美國國防預研局主要無人機蜂群研究項目。

實現(xiàn)信息感知與融合，需重點解決密集編隊感知與規(guī)避，多源異質傳感器分布式信息融合，集群態(tài)勢共享與通用作戰(zhàn)視圖，目標協(xié)同檢測、識別與跟蹤，突發(fā)威脅協(xié)同探測與定位等技術。由此建立信息優(yōu)勢，有利于無人機集群系統(tǒng)整體作戰(zhàn)效能提升。

協(xié)同控制技術

協(xié)同控制技術是實現(xiàn)無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)的核心。美國《2005～2030無人系統(tǒng)路線圖》明確提出，發(fā)展無人機協(xié)同控制技術，使多架具備自主控制能力的無人機能通過組織規(guī)則和信息交互，實現(xiàn)較高等級的自主協(xié)同作戰(zhàn)，通過高效協(xié)同組織形式和動態(tài)功能分配方法，提高系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。協(xié)同控制是指大量集群無人機在無集中控制情況下，通過個體局部感知和反應行為，聚集形成預定幾何形態(tài)，同時又能適應環(huán)境約束，例如避開障礙、隊形切換。

借鑒生物群體智能理論，是一種解決無人機集群協(xié)同控制問題的有效途徑?；谏锶后w智能理論的協(xié)同控制方法主要有基于行為法、領航法、人工勢場法等。

基于行為法是預先定義無人機的若干種行為，如跟隨、避撞、回避等，然后在控制過程中根據(jù)每架無人機信息，將這些行為按照某種策略進行加權綜合，并將其作為依據(jù)來控制每架無人機的具體行為；

領航法的基本思想是，在集群系統(tǒng)中設立領導者或者虛擬領導者，通過領導者的領導作用，實現(xiàn)群體系統(tǒng)控制；

人工勢場法將物理學中勢能場的概念引入集群系統(tǒng)，用勢函數(shù)模擬無人機所受內外作用的影響，每架無人機在勢函數(shù)作用下行動，從而實現(xiàn)集群控制。

總之，三種方法各有優(yōu)劣?；谛袨榉ㄅc集群智能最為契合，能夠實現(xiàn)完全分布式集群協(xié)同控制，研究重點在于集群內部個體行為的設計與描述，然而個體局部行為對群體行為的影響是未知的，導致群體智能的涌現(xiàn)結果不可控，故該方法實現(xiàn)難度很大；人工勢場法通過勢函數(shù)來描述集群內個體之間的局部作用以及環(huán)境對個體的作用，依靠勢函數(shù)對集群起控制作用，思路簡單，然而戰(zhàn)場環(huán)境復雜多變，勢函數(shù)設計困難。領航法是目前最成熟的集群協(xié)同控制方法，通過對領導者進行控制實現(xiàn)集群協(xié)同控制，實現(xiàn)簡單，易于控制，但領導者很可能成為集群的弱點，領導者的失效甚至微小故障都可能導致整個集群失控。

多機協(xié)同任務規(guī)劃技術

多機協(xié)同任務規(guī)劃是完成無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)任務的關鍵。無人機集群任務規(guī)劃是指根據(jù)作戰(zhàn)任務需要、戰(zhàn)場環(huán)境以及無人機性能，為集群中的無人機規(guī)劃一個或一組有序任務，并且要避免資源沖突，實現(xiàn)整體協(xié)同和全局最優(yōu)。近年來，隨著無人機自主性不斷提升，無人機逐漸具備自主規(guī)劃，甚至自主協(xié)同規(guī)劃能力。規(guī)劃的實質就是實施一種大規(guī)模協(xié)同控制。隨著戰(zhàn)場環(huán)境的復雜性日益提升，對無人機性能和任務要求不斷提高，無人機集群協(xié)同控制難度和協(xié)同控制效果之間的矛盾更加突出。在無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)時，無人機需要根據(jù)其它無人機提供探測信息進行態(tài)勢感知，實時動態(tài)規(guī)劃、修改系統(tǒng)任務路徑，有效規(guī)避威脅并完成作戰(zhàn)任務。因此，無人機集群自主協(xié)同任務規(guī)劃技術是未來亟待解決的問題。

表2 美軍基于平臺的蜂群能力驗證項目。

無人機集群協(xié)同任務規(guī)劃本質是一個約束因素眾多且復雜的組合優(yōu)化問題，因而可以借鑒組合優(yōu)化問題的求解方法，解決無人機集群協(xié)同任務規(guī)劃。然而，無人機集群由許多各具特點、不同類型和不同用途的無人機組成，而且受各種戰(zhàn)場環(huán)境制約，導致無人機集群協(xié)同任務規(guī)劃建模的難度急劇增加；其次，無人機集群協(xié)同任務規(guī)劃屬于多參數(shù)、多約束的非確定多項式求解，在多輸入條件下問題求解難度很大；另外，作戰(zhàn)任務通常相互關聯(lián)、彼此制約，即存在復雜的約束關系和不同任務需求，如時間、空間、任務載荷匹配關系和任務優(yōu)先級要求等因素都會給無人機集群協(xié)同任務規(guī)劃造成諸多困難。因此，應重點解決無人機集群協(xié)同任務規(guī)劃建模、基于實時傳感器信息的任務規(guī)劃時效性、任務規(guī)劃算法、任務調度綜合性能提升等幾方面問題。

無人機集群通信技術

無人機集群通信是協(xié)同作戰(zhàn)的保障。無人機集群作戰(zhàn)環(huán)境對通信鏈路的要求十分嚴苛，既要保證地面控制站與集群無人機、集群無人機之間、無人機編隊與無人機編隊之間的冗余信息交互，同時應減少通信時延，保證信息交互的實時性。作戰(zhàn)過程中，集群無人機存在受傷、被擊落、增援等多種狀態(tài)，其動態(tài)加入和退出也要求通信鏈路在正常通信需求條件下，必須支持無人機數(shù)量的變化，完成集群重構，而且在集群無人機與地面控制站失去聯(lián)系時，無人機集群應具有自組織通信能力。其次，針對某些關鍵操控，通信鏈路還必須保證地面操控員能夠對無人機任務進行授權和確認。

使用網(wǎng)絡化手段對無人機集群通信能力進行集成，是提高無人機集群組織性、機動性與協(xié)同性的關鍵，將提升陸?？諔?zhàn)爭的效費比。為有效對抗敵方無人機反制手段，通信網(wǎng)絡需具備智能化、高魯棒、低探測、低截獲、抗干擾等能力。目前美國戰(zhàn)術目標瞄準網(wǎng)絡技術（Tactical Targeting Network Technology，TTNT）具有動態(tài)組網(wǎng)、高吞吐量、低通信時延、低截獲等特點，已集成于各種飛機、艦船和地面平臺，同時正在研究將其應用于小型無人機/導彈武器協(xié)同作戰(zhàn)的可能性。實現(xiàn)網(wǎng)絡智能化、高魯棒性的手段包括簡單網(wǎng)絡規(guī)劃、自組織無中心靈活入網(wǎng)/建網(wǎng)、時間同步不依賴性、業(yè)務自適應、智能管理維護、功率/速率自適應、頻譜智能感知等。實現(xiàn)低探測、低截獲的手段主要有擴跳頻、功率/速率控制、分集接收、模擬/數(shù)字混合跳頻等；采用頻譜智能感知設計，利用全頻段接收通道進行頻譜干擾檢測、干擾模式分析，實現(xiàn)基于認知的抗干擾能力，可識別隨機和連續(xù)干擾，以保證一定頻帶被干擾下不影響節(jié)點間最大通信速率。

圖3 無人機自主性與操控員工作量占比圖，藍色粗線代表人員操控量。

無人機自主控制與人機融合交互技術

無人機自主性提升可有效感知戰(zhàn)場態(tài)勢，在復雜環(huán)境中通過感知信息的交互共享與自主控制，極大降低操控員工作強度，以快速適應新環(huán)境、合理規(guī)劃航線、高效完成戰(zhàn)場任務。當前無人機系統(tǒng)自主性不足，表現(xiàn)在作戰(zhàn)效能和安全性依賴于操控員經(jīng)驗，任務載荷數(shù)據(jù)共享不足，任務規(guī)劃及決策主要針對預定任務或戰(zhàn)場環(huán)境，對突發(fā)威脅反應不及時等。提升無人機集群作戰(zhàn)自主性，首先要構建單機系統(tǒng)自主能力，解決信息融合、自動感知與規(guī)避、編隊保持、在線任務規(guī)劃等技術。無人機集群作戰(zhàn)離不開人員授權及引導，無人機自主性與操控員工作量的關系詳見圖5。為了以最少量的人員操控，實現(xiàn)無人機集群精準控制，并完成復雜多樣化戰(zhàn)術任務，需開發(fā)簡明高效的人機交互技術，使作戰(zhàn)系統(tǒng)具備分布式、智能化、人機一體化協(xié)同作戰(zhàn)能力。

無人機系統(tǒng)典型特征是“平臺無人，系統(tǒng)有人”，隨著單機系統(tǒng)自主性等級和智能化水平不斷提高，通過人機系統(tǒng)智能化交互和集群自適應學習，可以實現(xiàn)智能無人機集群與有人系統(tǒng)高效協(xié)同作戰(zhàn)，極大增強作戰(zhàn)能力。人機融合交互關鍵技術包括人機功能動態(tài)分配，無人機自主學習推理能力，無人機平臺狀態(tài)、戰(zhàn)術態(tài)勢和任務協(xié)同綜合顯示控制等技術。

（未完待續(xù)）