王惠方，周晉祎，賈強(qiáng)，范虎成

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)誕生于20世紀(jì)初第一次世界大戰(zhàn)期間，之后無人機(jī)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。軍事方面可以完美的替代有人機(jī)去執(zhí)行4D任務(wù)[1](枯燥乏味、環(huán)境惡劣、危險性高、深入敵方(Dull，Dirty，Dangerousand，Deep))。民用方面更是廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、服務(wù)行業(yè)等各領(lǐng)域，如農(nóng)藥噴灑、火災(zāi)救援、地質(zhì)勘探、考古探險、物流運輸?shù)取?/p>

在復(fù)雜多變的現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境下，無人機(jī)作為任務(wù)單體越來越難以獨立完成預(yù)定作戰(zhàn)任務(wù)。為彌補個體無人機(jī)的不足，軍事領(lǐng)域開始把生物科學(xué)中智能“蜂群”這一概念引入無人機(jī)集群研究中，大力開展智能無人機(jī)集群作戰(zhàn)的研究[2]。智能“蜂群”的核心即在于將大量無人機(jī)在開放體系架構(gòu)下進(jìn)行集成，依托人工智能基于有限信息進(jìn)行戰(zhàn)場態(tài)勢自主融合，實現(xiàn)無人機(jī)群體的蜂群行為方式，協(xié)同完成偵察、指揮、打擊、評估、中繼等多種類型的戰(zhàn)斗任務(wù)。無人機(jī)技術(shù)在自身進(jìn)步的同時，同步運行著從單機(jī)向集群、從程控向自主、從量變到質(zhì)變的演化進(jìn)程[3]。

2014年，美國啟動第三次抵消戰(zhàn)略，提出了分布式空中作戰(zhàn)概念，并首次系統(tǒng)提出無人系統(tǒng)“蜂群”的概念[4]，旨在將復(fù)雜有人裝備的功能分解到大量中、小型無人平臺上，構(gòu)建有人-無人協(xié)同作戰(zhàn)體系，實現(xiàn)降低裝備發(fā)展成本、提高作戰(zhàn)冗余度和靈活性、維持或擴(kuò)充裝備數(shù)量以及在強(qiáng)對抗環(huán)境中取得壓倒性空中優(yōu)勢的目的。2016年，美國空軍發(fā)布美國未來20年小型無人機(jī)系統(tǒng)路線圖[5]，并對無人機(jī)蜂群進(jìn)行定義：“蜂群”由小型的不相互依賴的無人機(jī)組成的智能群，通過自主通信協(xié)同實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)，在此過程中，人類監(jiān)控視情干預(yù)?！胺淙骸本哂卸喾N攻防應(yīng)用，對軍事作戰(zhàn)具有巨大的潛在影響。作戰(zhàn)“蜂群”可以替代單個高成本飛機(jī)執(zhí)行任務(wù)，填補戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略間的空白，為戰(zhàn)場帶來更大的規(guī)模、協(xié)同、情報、速度、彈性和響應(yīng)能力，實現(xiàn)對一般地區(qū)(許可環(huán)境)及具有反介入和區(qū)域阻絕能力(Anti-Accessand Area-Denial)地區(qū)(A2/AD環(huán)境)的常規(guī)戰(zhàn)略威懾、戰(zhàn)役對抗、戰(zhàn)術(shù)行動，獲得決定性優(yōu)勢。

近年來發(fā)生的多起局部沖突中，無人機(jī)已經(jīng)從戰(zhàn)場配角逐步向主戰(zhàn)角色快速轉(zhuǎn)化，作戰(zhàn)運用也日趨多樣化。2015年,伊拉克利用彩虹- 4B無人機(jī)對伊斯蘭國極端分子的目標(biāo)進(jìn)行了數(shù)百次空襲，成功率達(dá)100%。2017年至今，美國多次通過RQ-1掠奪者無人機(jī)及“死神”MQ-9無人機(jī)對敘利亞及伊朗等國重要人物進(jìn)行精確狙殺，其中影響最大的是2020年1月狙殺伊朗名將蘇曼尼。2019年，胡賽武裝發(fā)射十余架無人機(jī)與巡航導(dǎo)彈結(jié)合同時突襲沙特2個煉油廠，至少19處目標(biāo)被精確命中，襲擊造成沙特產(chǎn)油量每日巨減570萬桶，一度重創(chuàng)伊朗石油經(jīng)濟(jì)。2020年，亞美尼亞與阿塞拜疆在納卡地區(qū)爆發(fā)大規(guī)模武裝沖突，阿方動用大量TB- 2察打一體無人機(jī)、“哈洛普”反輻射無人機(jī)、安-2無人機(jī)，對亞美尼亞軍營、指揮所、集結(jié)步兵、步戰(zhàn)車、坦克、火炮和防空導(dǎo)彈等各類目標(biāo)實施了高效打擊，完成75%以上的攻擊任務(wù)，有效壓制了亞美尼亞的防空系統(tǒng)，毀傷了大量亞方裝備、設(shè)施和有生力量，將戰(zhàn)爭推向了有利于自己的方向。這是無人機(jī)首次大規(guī)模用于國家沖突，作為對地打擊、防空壓制等任務(wù)的主力裝備，取得壓倒性作戰(zhàn)優(yōu)勢。

上述戰(zhàn)例戰(zhàn)果表明，無人機(jī)作戰(zhàn)正在深刻改變戰(zhàn)爭面貌。

1 智能“蜂群”作戰(zhàn)特點

1.1 “蜂群”作戰(zhàn)優(yōu)勢

與單機(jī)相比，“蜂群”的優(yōu)勢突出表現(xiàn)在以下方面[6]：

1)集群協(xié)同提高任務(wù)完成質(zhì)量；

2)系統(tǒng)動態(tài)分配與調(diào)度增加任務(wù)成功概率；

3)信息資源有效融合擴(kuò)展任務(wù)執(zhí)行能力；

4)多機(jī)并行提高任務(wù)完成效率；

5)1+1>2的功能和效率；

6)單機(jī)低成本實現(xiàn)系統(tǒng)高效能。

1.2 “蜂群”的投送方式

1.2.1 自主垂直起降

采用多旋翼布局的“蜂群”無人機(jī)系統(tǒng)均采用自主垂直起降方式進(jìn)行投送。多旋翼無人機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，具有優(yōu)秀的垂直起降及定點懸停能力被廣泛應(yīng)用。但由于氣動效率低，飛行時間短，難以大型化，使得其主要用于“蜂群”系統(tǒng)的控制算法的驗證，民用表演領(lǐng)域，軍事使用較少。

1.2.2 彈射起飛

固定翼無人機(jī)可采用彈射起飛方式進(jìn)行發(fā)射以縮減起飛距離。受限于彈射裝置一次只能發(fā)射一架無人機(jī)的能力，如要短時間內(nèi)大規(guī)模投送無人機(jī)“蜂群”，需要同等數(shù)量規(guī)模的彈射裝置，因此彈射起飛無人機(jī)“蜂群”主要用于固定翼“蜂群”的算法驗證，軍事上一般不使用這種方式投送無人機(jī)“蜂群”。

1.2.3 炮射投送

作為無人機(jī)技術(shù)與彈藥發(fā)射技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，炮射無人機(jī)以各類火炮、火箭炮等武器發(fā)射，具有突防能力強(qiáng)、偵察速度快、打擊效果好等突出特點。按作戰(zhàn)使命不同，炮射無人機(jī)主要分為彈載投送和管式發(fā)射兩種類型。

彈載投送無人機(jī)采用火炮/火箭炮發(fā)射炮彈或火箭彈，快速抵達(dá)至預(yù)定目標(biāo)區(qū)域上空后，彈機(jī)分離，無人機(jī)啟控飛行，使用光電或雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行區(qū)域的目標(biāo)偵察定位及校射，充分增強(qiáng)作戰(zhàn)部隊對遠(yuǎn)程目標(biāo)的偵察能力和打擊效率。美國的155 mm榴彈炮發(fā)射“快看”無人機(jī)和俄羅斯“旋風(fēng)”300 mm火箭炮發(fā)射的R-90無人機(jī)都屬于這種類型，如圖1所示，同時M270型多管火箭炮也正在研發(fā)部署無人機(jī)集束智能彈藥，通過蜂群智能協(xié)作，廣域搜索攻擊目標(biāo)，其打擊能力遠(yuǎn)超子母彈的末敏子彈。

管式發(fā)射“蜂群”無人機(jī)系統(tǒng)主要采用以集束管形式，使用冷氣彈射、火藥燃?xì)鈴椛浠蚧鸺l(fā)動機(jī)助推的方式實施發(fā)射。如美國的“洛卡斯”無人機(jī)，可短時快速釋放大量無人機(jī)，通過自適應(yīng)組網(wǎng)及自主協(xié)同[7]，以壓倒性數(shù)量優(yōu)勢贏得戰(zhàn)斗。發(fā)射過程如圖2所示。

炮射無人機(jī)機(jī)體采用折疊結(jié)構(gòu)以適應(yīng)管式發(fā)射條件，使得無人機(jī)具有收納體積小，發(fā)射迅速，發(fā)射間隔密集的特點，完全滿足了“蜂群”無人機(jī)系統(tǒng)大規(guī)?？焖偻端偷男枨?。

1.2.4 空中投送

“蜂群”無人機(jī)空中投送是以空天母艦概念為基礎(chǔ)，結(jié)合無人機(jī)使用的新型作戰(zhàn)方式，最大限度地提升了攻擊和偵察的持續(xù)性。由于研發(fā)成本高，技術(shù)難度大，目前僅有美國正在開展相關(guān)的研究工作，開展的代表性項目包括：使用F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)空中投放“山鶉”無人機(jī)的演示驗證，可空中回收無人機(jī)集群“小精靈”(Gremlins)項目，以及NASA的微型無人機(jī)空中投送項目等[8-11]。

1.3 “蜂群”作戰(zhàn)主要應(yīng)用場景

根據(jù)“蜂群”的智能化和集群化特點，可運用于以下作戰(zhàn)場景。

1)偵察+“踹門”。突破敵前沿防空網(wǎng)，偵察敵前沿防空火力點(防空導(dǎo)彈發(fā)射架、防空高炮陣地)，迫使敵防空火力開火；可自主攻擊自行式防空高炮、單兵防空導(dǎo)彈等機(jī)動或時敏目標(biāo)，也可呼喚后方火力打擊固定防空火力點。

2)火力誘騙?！胺淙骸敝胁糠譄o人機(jī)攜帶反輻射戰(zhàn)斗部，對敵區(qū)域?qū)嵤﹤刹?；誘使敵防空雷達(dá)開機(jī)后可主動攻擊或呼叫火力攻擊。

3)區(qū)域封控。對敵可能發(fā)起攻擊區(qū)域或運輸、集結(jié)之地域可發(fā)射無人機(jī)“蜂群”實施區(qū)域封控，遲滯或迫敵取消該區(qū)域或通道的行動。

4)反裝甲集群、戰(zhàn)斗車輛或技術(shù)兵器?！胺淙骸笨蓪ρb甲集群實施攻頂打擊，對技術(shù)兵器實施自主或協(xié)同攻擊。

5)反機(jī)動炮兵作戰(zhàn)。對于采取“打了就跑”戰(zhàn)術(shù)的敵機(jī)動炮兵目標(biāo)，可利用“蜂群”實施自主或協(xié)同機(jī)動攻擊。

6)兩棲登陸作戰(zhàn)。可對近海水面、灘頭及戰(zhàn)役縱深內(nèi)各類防空和反裝甲火力點、機(jī)動裝甲、指揮所、通信站、炮兵陣地等重點目標(biāo)進(jìn)行實時偵察、打擊及毀傷評估。

7)港口或岸島防御。用于港口或岸島防御，對近海防區(qū)實施偵察警戒，對來襲的“小群多路”無人/有人中小型作戰(zhàn)艇群實施反制打擊。

8)反恐作戰(zhàn)。對復(fù)雜地形下的廣域、分散目標(biāo)實施搜索、偵察和打擊，可自主協(xié)同攻擊，實施斬首或呼喚火力打擊。

2 智能“蜂群”作戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)

由于“蜂群”系統(tǒng)組成單元數(shù)量眾多，作為單機(jī)的感知能力有限，各機(jī)均只能獲得部分態(tài)勢信息，有限通信帶寬下的高實時性要求，在成本、質(zhì)量和功率等條件約束下，單機(jī)的計算能力也較弱，使得“蜂群”的控制問題富有挑戰(zhàn)[12]，如圖3所示。

蜂群系統(tǒng)投入實戰(zhàn)應(yīng)用，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

1)有限信息下的高效實時的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃及態(tài)勢感知算法；

2)復(fù)雜任務(wù)的集群指揮控制方法；

3)高效的圖像識別算法；

4)多節(jié)點、抗干擾、高實時性通訊自組網(wǎng)通訊；

5)低成本、高精度的定位定向方法；

6)高密度集群飛行與隊形重構(gòu)控制方法；

7)高效的“蜂群”貯存、投送及回收技術(shù)。

3 智能“蜂群”未來發(fā)展方向

作為智能化的“蜂群”作戰(zhàn)系統(tǒng)，未來的發(fā)展聚焦于以下幾個方向：

1)提升系統(tǒng)互操作性，實現(xiàn)有人和無人系統(tǒng)的動態(tài)組合；

2)以群體人工智能依據(jù)任務(wù)、環(huán)境和態(tài)勢自主完成任務(wù)；

3)實時的分布式計算，快速的行為決策；

4)融合多維信息的目標(biāo)探測識別；

5)真實威脅環(huán)境下的高彈性集群飛行控制及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架；

6)以更高效的能源供給、更低的機(jī)體質(zhì)量降低功耗方面壓力，提升飛行速度及航時；

7)以多功能戰(zhàn)斗部應(yīng)對復(fù)雜場景的作戰(zhàn)使用；

8)更低的制造使用成本。

4 結(jié)束語

智能“蜂群”技術(shù)的軍事化應(yīng)用已初現(xiàn)端倪，隨著軍事智能技術(shù)的進(jìn)步，“蜂群”將愈來愈體現(xiàn)系統(tǒng)“群智涌現(xiàn)”下低成本、高效能的優(yōu)越性。基于智能化的“蜂群”作戰(zhàn)系統(tǒng)將成為未來無人戰(zhàn)場的先行者，并在新形態(tài)戰(zhàn)場需求的牽引下不斷孕育催生新的生機(jī)。