馬立 黃河

摘要：文章通過(guò)分析單平臺(tái)無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)的不足，引申出無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的概念，介紹了無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的優(yōu)點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)，并闡述了無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，旨在為無(wú)人機(jī)集群的未來(lái)發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)集群;關(guān)鍵技術(shù);協(xié)同決策;戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈

中圖法分類號(hào)：E926文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on key technologies of UAV swarm cooperative combat

MA Li，HUANG He

（The 20th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Xi'an 710000，China）

Abstract：By analyzing the shortcomings of single-platform UAV operations， the article extends the concept of UAV swarm cooperative operations， introduces the advantages and challenges of UAV swarm cooperative operations， and expounds the key points of UAV swarm cooperative operations， so as to promote the future development of drone swarms.

Key words： UAV colony， key technology， synergy decision，tactical data link

自21世紀(jì)以來(lái)，無(wú)人機(jī)在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，因?yàn)樗鼭M足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)所需要的高射程、高精度、零傷亡、高重復(fù)利用率以及隱蔽性等需求。部分西方國(guó)家已經(jīng)正式把無(wú)人機(jī)的發(fā)展列入網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)框架中，基于此框架，研發(fā)了許多關(guān)鍵技術(shù)（如精確定位和信息融合等技術(shù)）。但是，單平臺(tái)無(wú)人機(jī)有限的飛行能力和載彈負(fù)荷很難獨(dú)自完成復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)中的信息收集、區(qū)域監(jiān)視、多目標(biāo)攻擊等任務(wù)（包括空面目標(biāo)打擊、壓制敵防空系統(tǒng)任務(wù)等）。因此，研究者提出了無(wú)人機(jī)集群的概念，其借鑒自然界的自組織機(jī)制，與蟻群和蜂群概念類似，讓擁有一定智能化的多架無(wú)人機(jī)在沒(méi)有一切指揮控制的情況下，通過(guò)相互間信息通信融合產(chǎn)生整體效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)較高程度的自主協(xié)作，從而在盡量少的人員干預(yù)下完成預(yù)期任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的作戰(zhàn)效果。無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)有很多優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也面臨諸多挑戰(zhàn)[1～2]。

本文首先介紹無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的優(yōu)點(diǎn)和面臨的挑戰(zhàn)，然后重點(diǎn)討論了無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，最后的對(duì)未來(lái)的發(fā)展及應(yīng)用作出展望。

1優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)

1.1特征

無(wú)人機(jī)集群是一個(gè)典型的群智能系統(tǒng)，也是一個(gè)復(fù)雜非線性決策控制系統(tǒng)，可以很好的適應(yīng)高動(dòng)態(tài)環(huán)境并執(zhí)行相對(duì)復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)。對(duì)于執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的無(wú)人機(jī)集群，必須保證此系統(tǒng)具備高效的協(xié)同策略，否則會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)之間發(fā)生響應(yīng)沖突、碰撞等情況。為了確保無(wú)人機(jī)集群高效協(xié)同地執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，整個(gè)系統(tǒng)需要根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息（天氣地形和電磁環(huán)境）、無(wú)人機(jī)的特征（任務(wù)載荷性能、機(jī)動(dòng)能力、隱身特性等）和任務(wù)需求（任務(wù)數(shù)量、任務(wù)類別和任務(wù)優(yōu)先級(jí)等），為各無(wú)人機(jī)制定任務(wù)計(jì)劃，并通過(guò)無(wú)人機(jī)之間的協(xié)同提升整體作戰(zhàn)效能。因此，需要滿足的特征如下。

信息交互：集群內(nèi)各個(gè)平臺(tái)之間要通過(guò)通信鏈路（戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈）來(lái)共享信息，從而保障實(shí)時(shí)傳輸消息（包括地形、氣候、目標(biāo)信息等）的有效性。

自適應(yīng)協(xié)同：集群內(nèi)的各個(gè)平臺(tái)可根據(jù)共享的位置信息相互感知，并自主協(xié)同伴飛，在保證互相不碰撞的前提下，可以按要求和命令步調(diào)一致，從而形成有利陣型，進(jìn)而更好地發(fā)揮戰(zhàn)斗力。

高動(dòng)態(tài)、高智能：面對(duì)日益復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，要利用集群龐大的數(shù)據(jù)融合處理能力，打造成一張“網(wǎng)”，從而形成一個(gè)龐大的系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)更快、更有效地運(yùn)轉(zhuǎn)，作戰(zhàn)時(shí)可以自主判斷，自動(dòng)下達(dá)作戰(zhàn)命令，自主選擇何時(shí)、何種方式進(jìn)攻，不再依賴人的干預(yù)，做到“1+1>2”。

1.2優(yōu)點(diǎn)

無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)是以編隊(duì)形式按照特定的規(guī)則組合而成，它可以處理各種復(fù)雜問(wèn)題，提高任務(wù)完成的效率和成功率，而且比單架無(wú)人機(jī)生存力強(qiáng)、冗余度高、信息傳遞更迅速。其擁有的優(yōu)點(diǎn)包括：并行執(zhí)行任務(wù)，提高任務(wù)執(zhí)行率;通過(guò)任務(wù)重分配，提升系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力;各無(wú)人機(jī)平臺(tái)可協(xié)同配合，以保證任務(wù)完成質(zhì)量;無(wú)人機(jī)集群共享信息與資源，以提高任務(wù)執(zhí)行能力。

1.3挑戰(zhàn)

如今的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，平臺(tái)和節(jié)點(diǎn)數(shù)不勝數(shù)，無(wú)人機(jī)需要和其他作戰(zhàn)實(shí)體或戰(zhàn)場(chǎng)要素相互關(guān)聯(lián)、制約和影響，這使得無(wú)人機(jī)集群協(xié)同決策控制變得十分困難，同時(shí)無(wú)人機(jī)之間需要高動(dòng)態(tài)、高可靠性、低時(shí)延、高帶寬的通信鏈路，保證機(jī)間的實(shí)時(shí)通信和態(tài)勢(shì)共享。此外，無(wú)人機(jī)集群必須有完整的動(dòng)態(tài)航路規(guī)劃算法，使得集群間有效的協(xié)同探索并避免碰撞。相關(guān)技術(shù)包括：復(fù)雜環(huán)境下的協(xié)同決策技術(shù)，是一個(gè)多參數(shù)、多約束的非確定多項(xiàng)式問(wèn)題;高動(dòng)態(tài)、高可靠性、低時(shí)延、高帶寬的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈;智能飛行控制技術(shù)，在無(wú)人干預(yù)的情況下進(jìn)行有效協(xié)同探測(cè)

2關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)面臨的挑戰(zhàn)，衍生出許多無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)，本文主要介紹無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈、自組織飛行與控制、環(huán)境與態(tài)勢(shì)的資源共享、協(xié)同決策等技術(shù)。

2.1戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且粋€(gè)信息處理、交換和分發(fā)系統(tǒng)，是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中及時(shí)有效地處理和掌握高密集、高速變化的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)并完成多機(jī)間相互傳送信息的網(wǎng)絡(luò)裝置，是傳感器的一部分。近年來(lái)，世界上的軍事大國(guó)、強(qiáng)國(guó)和部分軍隊(duì)正在裝備和使用的“戰(zhàn)術(shù)數(shù)字情報(bào)鏈”“多功能信息分配系統(tǒng)”“高速計(jì)算機(jī)數(shù)字無(wú)線高頻/超高頻通信戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)”“聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)”等屬于數(shù)據(jù)鏈。

與民用網(wǎng)絡(luò)通信不同，戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈主要傳輸實(shí)時(shí)化、格式化戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)所獲取信息的實(shí)時(shí)性、可靠性和保密性等方面要求甚高。因此，在設(shè)計(jì)開發(fā)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)并驗(yàn)證可靠的報(bào)文格式，選擇合適的編碼、調(diào)制方案，確定安全快速的接入控制技術(shù)。同時(shí)，要研究開發(fā)數(shù)據(jù)鏈的抗干擾能力、導(dǎo)航能力、中繼能力等，為戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的設(shè)計(jì)開發(fā)提供決策支持。

無(wú)人機(jī)集群滿足作戰(zhàn)的最基本要求就是有自己的通信方式，這就需要一款為無(wú)人機(jī)集群量身定制的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。有了戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的加持，協(xié)同決策、自主編隊(duì)飛行與控制、集群的環(huán)境感知與態(tài)勢(shì)共享才能同時(shí)進(jìn)行。雖然現(xiàn)有的數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)性很強(qiáng)、傳輸容量大、可靠性高、時(shí)空統(tǒng)一，但作戰(zhàn)前都需要一套規(guī)劃，俗話說(shuō)無(wú)規(guī)矩不成方圓，這樣限制了無(wú)人機(jī)集群的自主程度。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的無(wú)人機(jī)，節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)非常多，同時(shí)會(huì)不定時(shí)地加入或退出網(wǎng)絡(luò)，這就需要一款高動(dòng)態(tài)、高可靠性、低時(shí)延、高帶寬、智能化的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，使得無(wú)人機(jī)集群的內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，可以自主分發(fā)自己所承擔(dān)的角色，從而進(jìn)行高效作戰(zhàn)。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的開發(fā)工作相當(dāng)煩瑣，經(jīng)過(guò)幾十年的積累，我國(guó)在這方面的技術(shù)已日漸成熟，對(duì)于高動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理，也已經(jīng)著手研究，相信在不久的將來(lái)，無(wú)人機(jī)集群會(huì)有屬于自己的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

2.2自組織飛行與控制技術(shù)

無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的必要條件就是擁有自組織飛行能力。首先，要實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)編隊(duì)的自主控制，即在沒(méi)有人干預(yù)的情況下，多無(wú)人機(jī)可以根據(jù)程序的設(shè)定自主飛行。其次，多無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)航路規(guī)劃問(wèn)題，即既要滿足多無(wú)人機(jī)的環(huán)境規(guī)避和碰撞，又要保證無(wú)人機(jī)的飛行路線在最優(yōu)的路徑上。自組織控制是指無(wú)人機(jī)集群在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，在滿足各平臺(tái)性能的基礎(chǔ)上，需要按照一定的排列和相對(duì)復(fù)雜的編隊(duì)形式不斷變換隊(duì)形，從而適應(yīng)整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)等要求。自組織飛行與控制要求無(wú)人機(jī)的自主程度高，需要操作員或者輔助系統(tǒng)管理與控制的事情較少，這需要更高級(jí)別的智能系統(tǒng)的支持。而環(huán)境規(guī)避是提高無(wú)人機(jī)集群生存的必要條件。它不僅要感知外部環(huán)境帶來(lái)的威脅，還要規(guī)避集群內(nèi)部其他無(wú)人機(jī)軌跡和時(shí)空上的重疊，從而避免碰撞，實(shí)現(xiàn)協(xié)同飛行。例如，美國(guó)已經(jīng)將民航飛行系統(tǒng)中的空中告警與防撞系統(tǒng)引入無(wú)人機(jī)集群[3]。

我國(guó)通過(guò)控制其中一架長(zhǎng)機(jī)或多架長(zhǎng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)集群的空中表演，但是空中表演中無(wú)人機(jī)飛行控制的自主程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠應(yīng)對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的作戰(zhàn)需求，因此我們要借助人工智能領(lǐng)域與機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，研究更高自主程度的飛行控制算法。

2.3環(huán)境與態(tài)勢(shì)的資源共享技術(shù)

無(wú)人機(jī)集群需要適應(yīng)在不確定環(huán)境下執(zhí)行各種復(fù)雜任務(wù)，這就要求無(wú)人機(jī)集群能夠?qū)?zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行全方位掃描，以形成環(huán)境感知，然后在集群中進(jìn)行資源共享與交互，讓集群中的所有無(wú)人機(jī)處于同一態(tài)勢(shì)環(huán)境，以便進(jìn)行任務(wù)決策，這是無(wú)人機(jī)集群實(shí)現(xiàn)高級(jí)別自主控制的基礎(chǔ)，也是無(wú)人機(jī)集群控制與決策的依據(jù)。利用無(wú)人機(jī)集群中多傳感器收集飛機(jī)所處環(huán)境信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知，并通過(guò)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行態(tài)勢(shì)共享，形成統(tǒng)一的作戰(zhàn)視圖，從戰(zhàn)場(chǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、分析，獲取目標(biāo)信息，然后利用多傳感器的融合技術(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別探測(cè)，從而引導(dǎo)攻擊，進(jìn)一步提高作戰(zhàn)任務(wù)的可靠性和生存性。環(huán)境與態(tài)勢(shì)的資源共享的關(guān)鍵技術(shù)包括多傳感器數(shù)據(jù)融合、協(xié)同目標(biāo)探測(cè)與共享等，現(xiàn)有的協(xié)同技術(shù)局限性很強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)集群的要求，算法的效率并不能給無(wú)人機(jī)集群提供有效可靠的支持。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜艺ㄟ^(guò)基于生物視覺(jué)認(rèn)知機(jī)理的目標(biāo)識(shí)別與環(huán)境建模、復(fù)雜環(huán)境感知與認(rèn)識(shí)算法、非結(jié)構(gòu)化感知方法等手段，實(shí)現(xiàn)能夠適應(yīng)無(wú)人機(jī)集群的環(huán)境感知與態(tài)勢(shì)共享技術(shù)。

2.4協(xié)同決策技術(shù)

無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)在作戰(zhàn)中需要一套自己的流程，即情報(bào)收集、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵查、目標(biāo)探測(cè)識(shí)別監(jiān)視、威脅評(píng)估、目標(biāo)分配、協(xié)同攻擊、毀傷評(píng)估等，而合理高效地完成這些流程就需要任務(wù)規(guī)劃，而任務(wù)規(guī)劃就是協(xié)同決策的基礎(chǔ)。合理的任務(wù)規(guī)劃可以充分利用單機(jī)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步發(fā)揮集群資源的高智能化，從而保證任務(wù)執(zhí)行的成功率和效率，這可以低風(fēng)險(xiǎn)、低成本地完成作戰(zhàn)任務(wù)。無(wú)人機(jī)集群的協(xié)同決策一般按照任務(wù)均衡的原則進(jìn)行，綜合考慮任務(wù)空間聚集性、單機(jī)運(yùn)動(dòng)有序性以及目標(biāo)環(huán)境適應(yīng)性，避免單機(jī)資源利用沖突，以集群編隊(duì)整體最優(yōu)效率完成最大任務(wù)數(shù)量，體現(xiàn)集群協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)（圖1）。協(xié)同決策的關(guān)鍵技術(shù)在于其自主任務(wù)分配算法的研究，現(xiàn)有的蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法、一致性算法等都不適用于大規(guī)模的復(fù)雜任務(wù)自主規(guī)劃。對(duì)于無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)的任務(wù)分配算法，可以考慮多種算法相結(jié)合，取其精華去其糟粕，并加入強(qiáng)化學(xué)習(xí)的理念，建立模型，尋求最優(yōu)解。

3想定

在研發(fā)了無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之后，我們給出一種無(wú)人機(jī)集群對(duì)地攻擊的大致流程，如圖2所示。

首先，通過(guò)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈對(duì)無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行組網(wǎng)，分配好各自目前扮演的角色。其次，無(wú)人機(jī)集群通過(guò)作戰(zhàn)規(guī)劃進(jìn)行自主編隊(duì)飛行，合理避開碰撞，并對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行掃描和感知，并將獲取的態(tài)勢(shì)共享給整個(gè)無(wú)人機(jī)集群，充分利用機(jī)載多傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，不斷探測(cè)目標(biāo)、識(shí)別目標(biāo)，最后將目標(biāo)信息傳遞給后臺(tái)，得到統(tǒng)一態(tài)勢(shì)。后臺(tái)獲取數(shù)據(jù)后，進(jìn)行協(xié)同決策的算法計(jì)算，包括各個(gè)目標(biāo)的威脅評(píng)估和各個(gè)己方平臺(tái)的狀態(tài)位置等信息，從而進(jìn)行多目標(biāo)分配決策，并約束攻擊順序。當(dāng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊后，需要對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行清掃，對(duì)目標(biāo)的毀傷作出評(píng)估，如未完成目標(biāo)攻擊，需要重新感知戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，并進(jìn)行第二輪攻擊。

通過(guò)此流程可以清晰直觀地看到無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)的諸多優(yōu)勢(shì)，首先，它不需要借助人力便可以處理各種復(fù)雜問(wèn)題，提高任務(wù)完成的效率和成功率。而且，相對(duì)于有人參與的戰(zhàn)場(chǎng)，傷亡會(huì)大幅減小，任何人都不能接受人員的傷亡，但只是損失個(gè)別無(wú)人機(jī)，則戰(zhàn)損比就可以忽略不計(jì)。戰(zhàn)爭(zhēng)是殘酷的，如果采用無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)，不僅可以更快結(jié)束戰(zhàn)斗，而且不會(huì)有大量的人無(wú)家可歸。

4結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)集群技術(shù)作為一種前沿的高智能、高動(dòng)態(tài)群體技術(shù)，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、協(xié)同作戰(zhàn)能力、高智能化等優(yōu)勢(shì)，受到世界各軍事強(qiáng)國(guó)的青睞，目前的技術(shù)尚不完善，處于快速發(fā)展和研究階段，隨著應(yīng)用不斷推廣、技術(shù)不斷成熟，無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)必然會(huì)在今后的戰(zhàn)場(chǎng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，甚至完全取代有人機(jī)，從而使戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)人化。

參考文獻(xiàn)：

[1]李晗，蘇京昭，閆詠.智能無(wú)人機(jī)集群技術(shù)概述[J].科技視界，2017（26）：5?7.

[2]段海濱，申燕凱，趙彥杰，等.2019年無(wú)人機(jī)熱點(diǎn)回眸[J].科技導(dǎo)報(bào)，2020，38（1）：170?187.

[3]牛軼峰，肖湘江，柯冠巖.無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)概念及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].國(guó)防科技，2013，34（5）：37?43.

作者簡(jiǎn)介：

馬立（1990—），碩士，中級(jí)工程師，研究方向：軟件與數(shù)據(jù)處理。