隨著無人機(jī)自主化和網(wǎng)絡(luò)化通信技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的作戰(zhàn)運(yùn)用模式也在不斷發(fā)展，使得無人機(jī)已在戰(zhàn)爭中起著越來越重要的作用，單架無人機(jī)由于受到探測能力、武器載荷等因素限制，難于完成復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)。采用多架無人機(jī)協(xié)同方式，無人機(jī)之間通過通訊，進(jìn)行信息共享，擴(kuò)大對環(huán)境態(tài)勢的感知，實(shí)現(xiàn)協(xié)同任務(wù)分配、協(xié)同搜索、偵察與攻擊，能有效提高無人機(jī)的生存能力和整體作戰(zhàn)效能。此外，由于微小無人機(jī)雷達(dá)截面小，成本低，速度快，可利用數(shù)量眾多的具有自主控制能力的微小無人機(jī)組成無人機(jī)集群，用于突破敵方防御系統(tǒng)，對敵方目標(biāo)實(shí)施飽和攻擊。
集群智能（Swarm Intelligence）作為一種“Game-Changing”的顛覆性技術(shù)，一直被中美等軍事強(qiáng)國作為軍用人工智能的核心。2002年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室通過研究表明：采用多無人機(jī)集群作戰(zhàn)適合一些簡單反應(yīng)性作戰(zhàn)任務(wù)，包括區(qū)域搜索和攻擊、偵察和壓制、心理戰(zhàn)和戰(zhàn)術(shù)牽制等。可以說是集群智能是未來無人化作戰(zhàn)的突破口。美國國防部發(fā)布的《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2005—2030》將無人機(jī)自主控制等級分為1-10級，確立“全自主集群”是無人機(jī)自主控制的最高等級，預(yù)計(jì)2025年后無人機(jī)將具備全自主集群能力。
無人機(jī)集群技術(shù)典型研究項(xiàng)目
1、小精靈項(xiàng)目
2015年9月，DARPA發(fā)布了小精靈項(xiàng)目公告，提出通過載機(jī)在防區(qū)外發(fā)射攜帶偵察或電子戰(zhàn)載荷、具備組網(wǎng)與協(xié)同功能的無人機(jī)蜂群，用于離岸偵察與電子攻擊任務(wù)，并在任務(wù)完成后對幸存無人機(jī)進(jìn)行回收的技術(shù)。
2016年3月，DARPA小精靈項(xiàng)目第一階段合同授予四家公司：復(fù)合材料工程公司、美國Dynetics公司、通用原子航空系統(tǒng)公司和洛馬公司，發(fā)展能以集群作戰(zhàn)方式飽和攻擊敵防空系統(tǒng)的廉價(jià)小型無人機(jī)技術(shù)解決方案。這些無人機(jī)將配備多種不同載荷，采用齊射方式，具有數(shù)量大、尺寸小、廉價(jià)、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)包括：空中發(fā)射與回收技術(shù)、設(shè)備載荷與機(jī)體一體化概念設(shè)計(jì)、低成本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限壽命設(shè)計(jì)、自動復(fù)飛策略、精確數(shù)字飛控與導(dǎo)航、小型高效渦輪發(fā)動機(jī)、發(fā)動機(jī)自動關(guān)機(jī)技術(shù)、小型分布式載荷集成技術(shù)、精確位置保持技術(shù)等。
基于小精靈的作戰(zhàn)樣式變化示意圖
該型無人機(jī)將通過C-130進(jìn)行空中回收，具體技術(shù)方案尚未公布。該項(xiàng)目旨在促成空中作戰(zhàn)概念的轉(zhuǎn)變。DARPA希望以傳統(tǒng)飛機(jī)為載機(jī)，采用在防區(qū)外發(fā)射大量具有協(xié)同和分布式作戰(zhàn)能力的小型平臺，取代如F-35等在內(nèi)的功能集成型裝備來突破敵防御系統(tǒng)，以代替目前在拒止環(huán)境中使用的傳統(tǒng)綜合式系統(tǒng)。這不但有能力提高在對抗環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的有效性，還是探索顯著降低作戰(zhàn)成本的途徑之一。
小精靈空中部署及回收示意圖
該項(xiàng)目分三個(gè)階段：2016年3月進(jìn)入第一階段———系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，該階段經(jīng)費(fèi)為1580萬美元；第二階段為期約1年的技術(shù)成熟階段，而只有第一階段的承包商才有資格進(jìn)入后兩個(gè)階段；第三階段為期約1年半的演示驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)階段，最終，DARPA希望在2020年左右實(shí)施飛行演示驗(yàn)證，驗(yàn)證這種空中發(fā)射和回收無人機(jī)群的可行性及作戰(zhàn)潛力。目前，DARPA設(shè)定的裝備規(guī)模是生產(chǎn)1000架小精靈無人機(jī)和25套載機(jī)設(shè)備。
DARPA 小精靈公告中的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)
作戰(zhàn)半徑/ km
926
續(xù)航時(shí)間/ h
3
有效載荷/ kg
54
最大飛行速度（Ma）
0.8+
最大發(fā)射高度/ km
12（根據(jù)不同運(yùn)載平臺確定）
載荷功率/W
1200
載荷類型
射頻、光電/紅外載荷
設(shè)計(jì)使用壽命/次
20
發(fā)射載機(jī)
B-52、B-1、C-130（包括攻擊機(jī)等其它運(yùn)載平臺）
大型載機(jī)發(fā)射量/架
≥20
回收載機(jī)
C-130
回收數(shù)量和時(shí)間
30 min 內(nèi)回收≥4架，總回收數(shù)量≥8架
成功回收概率/%
時(shí)間窗口內(nèi)≥95
載機(jī)損失概率/%
每飛行小時(shí)事故概率＜1×10－7
回收、檢修、再次完成裝載時(shí)間/ h
＜24
重復(fù)使用壽命/次
＞20
2、“蝗蟲”（LOCUST）項(xiàng)目
2015年4月16日，美國海軍研究辦公室公布了低成本無人機(jī)集群技術(shù)（Low-cost UAV Swarming Technology，LOCUST）項(xiàng)目進(jìn)行的一系列無人機(jī)集群技術(shù)驗(yàn)證工作。LOCUST項(xiàng)目聚焦于發(fā)展通過發(fā)射管將大量可進(jìn)行數(shù)據(jù)共享、自主協(xié)同的無人機(jī)快速連續(xù)發(fā)射至空中的技術(shù)。這類發(fā)射裝置及無人機(jī)體積較小，可方便整合到艦船、裝甲車輛、飛機(jī)等平臺之上。這種“蜂群”有目的性地集群飛行、協(xié)同配合，對敵方目標(biāo)執(zhí)行偵察、打擊任務(wù)，從作戰(zhàn)使用角度看，具有明顯優(yōu)勢。美國海軍研究辦公室于2015年3月在多個(gè)地點(diǎn)完成演示驗(yàn)證工作，其中包括發(fā)射可攜帶不同任務(wù)載荷的郊狼（Coyote）無人機(jī)，并完成了9架無人機(jī)完全自主同步和編隊(duì)飛行的技術(shù)驗(yàn)證。
郊狼無人機(jī)在海軍研究辦公室STTR資助下由先進(jìn)陶瓷研究公司（后被BAE收購）研制。該型無人機(jī)采用發(fā)射管發(fā)射，可在不依賴GPS的環(huán)境下，基于光電/紅外傳感器及慣導(dǎo)裝置進(jìn)行導(dǎo)航。
郊狼無人機(jī)
LOCUST項(xiàng)目自主集群飛行技術(shù)具有三個(gè)顯著特點(diǎn)：
2016年4月成功完成30架“郊狼”（Coyote drone）無人機(jī)的連續(xù)發(fā)射及編隊(duì)飛行試驗(yàn)。
3、山鶉（Perdix）項(xiàng)目
山鶉無人機(jī)由MIT于2011年研制。2012年，美國防部戰(zhàn)略能力辦公室成立后，采納了該型無人機(jī)，并為其配套開發(fā)了由戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行空中投放的技術(shù)，并于2014年開始進(jìn)行試驗(yàn)。2015年6月在北方利刃軍演中，該無人機(jī)進(jìn)行了150次試驗(yàn)，其中包括72次由F-16戰(zhàn)機(jī)通過曳光彈投放器投放試驗(yàn)。2016年10月美軍在加州的“中國湖靶場”上空進(jìn)行了無人機(jī)拋灑實(shí)驗(yàn)，三架海軍F/A-18F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)成功拋灑出103架山鶉微型無人機(jī)。無人機(jī)在脫離發(fā)射箱后的短時(shí)間內(nèi)能相互發(fā)現(xiàn)隊(duì)友并組成集群隊(duì)形，展示了美軍的集群自組網(wǎng)技術(shù)達(dá)到了實(shí)用性階段。
山鶉無人機(jī)由凱芙拉合成纖維和碳纖維通過3D打印而成，其中機(jī)翼采用碳纖維材料，機(jī)身采用低阻力玻璃凱芙拉纖維，由鋰離子聚合物電池供電。無人機(jī)被投放后同載具分離，降落傘、機(jī)翼展開，無人機(jī)減速降落，隨后降落傘脫離，無人機(jī)發(fā)動機(jī)工作，轉(zhuǎn)自主調(diào)整飛行階段。山鶉可在40m/s的速度下正常打開機(jī)翼，并在30m/s的風(fēng)速中保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定。飛行過程中，具備數(shù)據(jù)通信能力。該無人機(jī)還可由地面發(fā)射裝置發(fā)射或通過地面人員投擲發(fā)射，未來將采用大量、不可回收部署方式。
美國防部副部長沃克曾表示已經(jīng)對用30架無人機(jī)組網(wǎng)對付敵方綜合防空系統(tǒng)的想法進(jìn)行了試驗(yàn)，并驗(yàn)證了其可行性。F-16搭載誘餌彈MALD對敵方防空系統(tǒng)進(jìn)行干擾欺騙的技術(shù)十分成熟，無人機(jī)蜂群與MALD的不同之處在于：首先，單架F-16戰(zhàn)機(jī)僅能搭載數(shù)枚MALD，而由于山鶉無人機(jī)質(zhì)量極輕、體積?。愃苅Phone手機(jī)），在加裝標(biāo)準(zhǔn)ALE-47曳光彈投放器后，可搭載達(dá)30架山鶉無人機(jī)及其配套載具；其次，3D打印的無人機(jī)價(jià)格較MALD低廉，具備明顯的經(jīng)濟(jì)可承受性，并且由于其數(shù)量龐大，可使敵方跟蹤量達(dá)到飽和并增加敵防空系統(tǒng)識別難度。
4、119架固定翼無人機(jī)集群飛行
2017年10日，中國電子科技集團(tuán)公司完成119架固定翼無人機(jī)集群飛行試驗(yàn)，刷新此前2016年珠海航展披露的67架固定翼無人機(jī)集群試驗(yàn)紀(jì)錄，標(biāo)志著智能無人集群領(lǐng)域的又一突破。試驗(yàn)中，119架小型固定翼無人機(jī)成功演示了密集彈射起飛、空中集結(jié)、多目標(biāo)分組、編隊(duì)合圍、集群行動等動作。
無人機(jī)集群作戰(zhàn)優(yōu)勢分析
無人機(jī)集群作戰(zhàn)是對傳統(tǒng)武器系統(tǒng)及作戰(zhàn)樣式的重大顛覆，方案優(yōu)勢明顯。
無人機(jī)集群作戰(zhàn)憑借靈活性高、體系配合能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)可承受等特點(diǎn)，可采取“蜂群”纏斗方式，以最低代價(jià)完成高對抗環(huán)境中的作戰(zhàn)任務(wù)，是面向拒止環(huán)境作戰(zhàn)的重要手段。無人機(jī)集群作戰(zhàn)系統(tǒng)技術(shù)主要解決無人機(jī)集群智能作戰(zhàn)系統(tǒng)的構(gòu)建方式、運(yùn)行方式、動態(tài)管理、編隊(duì)控制、指揮操控等問題，無人機(jī)集群作戰(zhàn)系統(tǒng)具有綜合能力強(qiáng)、功能余度多、作戰(zhàn)使用靈活、使用成本低等特點(diǎn)，可執(zhí)行戰(zhàn)機(jī)護(hù)航、區(qū)域防空、區(qū)域反潛、遠(yuǎn)程突擊等作戰(zhàn)任務(wù)。同時(shí)，新型無人機(jī)集群作戰(zhàn)體系必然牽引新的作戰(zhàn)樣式，可對現(xiàn)有的傳統(tǒng)防御能力形成巨大壓力，可以說其影響是顛覆性的。
無人機(jī)集群對抗研究的關(guān)鍵問題
1、無人機(jī)集群協(xié)同對抗演化過程機(jī)理及其表述
由于集群對抗中信息的多元化和不完全、不確定性，對抗系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)隨機(jī)過程，空戰(zhàn)對抗態(tài)勢隨著時(shí)空不斷演化，每個(gè)無人機(jī)作為一個(gè)智能體必須依據(jù)不斷變化的態(tài)勢并依據(jù)一定的準(zhǔn)則調(diào)整自己的策略，進(jìn)行己方個(gè)體之間的合作、與對方的博弈。因此，在充分分析無人機(jī)集群對抗演化過程特點(diǎn)及其內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，理解無人機(jī)集群對抗的非線性動態(tài)過程演化機(jī)制，利用系統(tǒng)動力學(xué)和復(fù)雜系統(tǒng)理論建立各種因素的相互作用和信息的傳遞關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，有利于對無人機(jī)集群對抗過程的定量和定性分析。
2、無人機(jī)自適應(yīng)自主決策對抗行為
集群對抗中，無人機(jī)個(gè)體是直接動作發(fā)出和執(zhí)行者，無人機(jī)個(gè)體不斷與環(huán)境進(jìn)行交互并相互作用，促使對抗過程不斷演化。因此，集群對抗最終是要依賴于無人機(jī)的對抗規(guī)則，即無人機(jī)依據(jù)敵方態(tài)勢、友機(jī)態(tài)勢及自身飛行狀態(tài)、武器狀況、健康情況等因素，采取某種機(jī)動和攻擊策略，如攻擊敵機(jī)、威脅回避、支援友機(jī)、戰(zhàn)術(shù)協(xié)同，使在最大化對敵殺傷、對敵態(tài)勢、瓦解敵方意圖和最小化自身損失等方面的綜合效益取得最大化。
3、無人機(jī)集群智能控制方法
實(shí)際對抗過程中，大規(guī)模的無人集群必須迅速并準(zhǔn)確地分布于各個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域，進(jìn)行有效的作戰(zhàn)編隊(duì)。大規(guī)模無人機(jī)集群，從其特征上看，是一類非線性復(fù)雜系統(tǒng)，具有群體智能涌現(xiàn)固有的復(fù)雜性和隨機(jī)性的特性，其控制方法跟傳統(tǒng)方法有很大的區(qū)別。集群系統(tǒng)可以視為大量弱耦合子系統(tǒng)的集成，每個(gè)個(gè)體均具有一定的自主能力，但其能力具有局限性，而且集群中每個(gè)個(gè)體必須相互配合與協(xié)調(diào)才能完成復(fù)雜任務(wù)，因而，集群無人機(jī)具有分布式控制的本質(zhì)特征。單一方法控制無人機(jī)集群往往不夠理想，可以采用一些外部干預(yù)，并進(jìn)行控制規(guī)則深度化和廣度化對集群效果進(jìn)行量化研究，使得不同對抗階段的無人機(jī)集群能夠進(jìn)行精準(zhǔn)的單機(jī)或多機(jī)協(xié)同，達(dá)到所預(yù)期的對抗要求。
4、無人機(jī)集群探測與識別
復(fù)雜而多變的集群對抗環(huán)境具有極大的狀態(tài)不確定性和極強(qiáng)的時(shí)間約束，對于敵我雙方大規(guī)模無人機(jī)個(gè)體和集群進(jìn)行精確地探測和識別是對抗行為成功與否的先決條件。在不確定和部分確定條件下，實(shí)時(shí)在線進(jìn)行主動感知和目標(biāo)區(qū)分，對于集群對抗任務(wù)的上層決策具有指導(dǎo)意義。對抗過程中，實(shí)時(shí)采集到的圖像等各類傳感器信號，可以結(jié)合信息融合理論與部分可觀馬爾科夫等規(guī)劃理論，推測并優(yōu)化最佳的個(gè)體機(jī)動和集群行為，協(xié)同感應(yīng)、定時(shí)并協(xié)同攻擊，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群對抗效果的最優(yōu)化。
5、無人機(jī)集群對抗態(tài)勢評估
態(tài)勢評估是對抗決策的依據(jù)，由于集群對抗威脅可以來自任意方向，數(shù)量多，友機(jī)與敵方飛機(jī)相互纏繞，信息量大，且存在不完全、不確定性，態(tài)勢評估比單機(jī)對抗情況復(fù)雜的多。這就需要集群中每個(gè)無人機(jī)利用其對周圍環(huán)境的感知信息和接收到的鄰近友機(jī)傳來的信息，根據(jù)所獲得的綜合數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，分析理解敵方的作戰(zhàn)意圖、戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法。例如，目標(biāo)移動軌跡數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著豐富的信息，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等方法對其進(jìn)行知識挖掘和模式分類，進(jìn)行敵方戰(zhàn)術(shù)意圖推斷，對于態(tài)勢評估和對抗決策有著重要意義。
6、無人機(jī)集群通信技術(shù)
集群對抗環(huán)境對通信鏈路的要求也十分嚴(yán)苛，既要滿足地面站與無人機(jī)、無人機(jī)與無人機(jī)、無人機(jī)編隊(duì)與無人機(jī)編隊(duì)之間必須存在一定冗余的信息交互，同時(shí)應(yīng)減少通信的延遲，保證信息交互的實(shí)時(shí)性。空戰(zhàn)過程中，無人機(jī)存在受傷、擊落、增援等多個(gè)狀態(tài)，其動態(tài)加入和退出也使得通信鏈路必須滿足在正常通信需求的條件下，支持無人機(jī)數(shù)量的變化，完成集群的重構(gòu)，而且在無人機(jī)與地面站失去聯(lián)系時(shí)，無人機(jī)群應(yīng)具有通信鏈路的自組織能力。其次，在某些關(guān)鍵操作上，通信鏈路還必須保證地面操作員能夠?qū)o人機(jī)任務(wù)進(jìn)行授權(quán)和確認(rèn)。
中國無人機(jī)集群作戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展方向
目前中國的無人機(jī)集群作戰(zhàn)技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益惡化，隨著無人機(jī)自主能力的不斷提高，無人機(jī)集群作戰(zhàn)必將成為解放軍未來無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的重要作戰(zhàn)樣式。以察/打一體無人機(jī)組成的集群來說，其目標(biāo)就是搜索并摧毀敵方的地面目標(biāo)，如敵方首腦所在、武器裝備、移動防空設(shè)施。作戰(zhàn)中察/打一體無人機(jī)集群首先以協(xié)同方式在任務(wù)區(qū)域大范圍搜索可疑目標(biāo)，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，處于最佳位置和攜帶相應(yīng)傳感器的無人機(jī)立即協(xié)同定位目標(biāo)，然后由處于最佳攻擊位置和攜帶精確制導(dǎo)武器的無人機(jī)對目標(biāo)發(fā)起攻擊；隨后由一些無人機(jī)進(jìn)行戰(zhàn)場毀傷評估，確定是否發(fā)動二次打擊。
在未來的戰(zhàn)爭中解放軍裝備的無人機(jī)就可以采用集群作戰(zhàn)方式對敵人的關(guān)鍵區(qū)域以及導(dǎo)彈陣地、地面飛機(jī)、裝甲車、坦克、中小型運(yùn)輸車、小型房屋及小型掩體等目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)搜索識別、定位并攻擊然后進(jìn)行戰(zhàn)果評估?？梢韵嘈女?dāng)成百甚至上千架無人機(jī)飛抵目標(biāo)上空那是何等的壯觀，而一大場面將令任何敵人都不寒而栗。
