吳雪松,楊新民

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所, 四川 成都 6100362. 中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所, 江蘇 南京 210007)

0 引 言

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)誕生于第一次世界大戰(zhàn)期間，以1916年美國的斯佩里和勞倫斯進(jìn)行首次無人機(jī)飛行作為標(biāo)志事件，至今已有一百多年發(fā)展歷史，已廣泛應(yīng)用于民用和軍事各種領(lǐng)域。

無人機(jī)先后經(jīng)歷三個發(fā)展階段，從第一次世界大戰(zhàn)的萌芽期，到上世紀(jì)八十年代以色列首創(chuàng)無人機(jī)和有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)而引起各國對無人機(jī)重視開始的發(fā)展期，再到當(dāng)前的蓬勃期，比較著名的企業(yè)以中國的大疆無人機(jī)公司和美國的3DRobotics無人機(jī)公司為代表[1]。

無人機(jī)可以從不同角度進(jìn)行分類，從機(jī)身結(jié)構(gòu)特征可分為無人直升機(jī)、無人固定翼飛機(jī)、無人多懸翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機(jī)和撲翼無人機(jī)等；從體積重量特征可分為大型無人機(jī)、中型無人機(jī)、小型無人機(jī)和微型無人機(jī)；從用途可分為軍用無人機(jī)、民用無人機(jī)和消費(fèi)級無人機(jī)等[2]。

將一組具備部分自主能力的無人機(jī)系統(tǒng)通過有人/無人操作裝置的輔助，在一名高級操作員監(jiān)控下，完成作戰(zhàn)任務(wù)的過程稱之為無人機(jī)集群作戰(zhàn)[3]，其目的是采用模擬群聚生物的協(xié)作行為與信息共享，形成自主智能整體完成作戰(zhàn)任務(wù)[4]。

圖1 無人機(jī)集群概念

隨著人工智能技術(shù)和載荷技術(shù)的發(fā)展，各國越來越重視對無人機(jī)集群作戰(zhàn)的研究和應(yīng)用，尤其在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下采用無人機(jī)集群作戰(zhàn)已成為主流作戰(zhàn)樣式[5]。

與精確制導(dǎo)彈藥和常規(guī)導(dǎo)彈相比，小型無人機(jī)成本要小很多，而且能夠被回收和反復(fù)使用。

1 國內(nèi)外無人機(jī)集群發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外無人機(jī)集群發(fā)展現(xiàn)狀

美軍已將無人機(jī)集群作戰(zhàn)列為一種能夠改變作戰(zhàn)規(guī)則的“顛覆性技術(shù)”。最近幾年，美國陸續(xù)公布或報道了無人機(jī)集群相關(guān)的研究情況[6]。從2015年開始，美軍陸續(xù)開展了“郊狼”(Coyote drone)無人機(jī)、“蟬”(Cicada)微型無人機(jī)、“灰山鶉”(Perdix)微型無人機(jī)等無人機(jī)集群研究，對無人機(jī)集群的連續(xù)發(fā)射、編隊(duì)飛行、對敵探測、電磁干擾、協(xié)同攻擊、自主對抗、發(fā)射回收等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行可行性驗(yàn)證。尤其是2016年10月，美軍成功拋撒出103架“灰山鶉”無人機(jī)，并能在短時間內(nèi)溝通和組成集群隊(duì)形，表明美軍集群自組網(wǎng)技術(shù)已達(dá)到了實(shí)用性階段。

針對小型無人機(jī)發(fā)展目標(biāo)，2016年5月美空軍發(fā)布了《2016—2036年小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，包括微小無人機(jī)集群作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)任務(wù)，用于執(zhí)行壓制或摧毀敵方防空、協(xié)同攻擊與偵察、對抗敵方無人系統(tǒng)等[4]。

2018年1月前后，俄羅斯在敘利亞境內(nèi)的空軍基地多次遭到無人機(jī)集群襲擊。1月6日凌晨，15架無人機(jī)突擊俄駐中東機(jī)場，俄軍使用了近20臺鎧甲S式近防彈炮合一系統(tǒng)以及30毫米速射炮猛烈開火，才使得機(jī)場幸免于難。為狙擊單臺造價僅幾千美元的無人機(jī)，俄軍花費(fèi)近億元。無人機(jī)集群作戰(zhàn)效費(fèi)比之高令人驚訝[7]。

1.2 國內(nèi)無人機(jī)集群發(fā)展現(xiàn)狀

我國從上世紀(jì)50年代開展無人機(jī)研究，1966年12月第一架無人機(jī)“長空一號”首飛成功。在無人機(jī)集群自主控制研究方面，我國也取得了突破性進(jìn)展。2016年11月在珠海航展上，某公司公布了67架規(guī)模的無人機(jī)集群編隊(duì)飛行原理驗(yàn)證測試，標(biāo)志著中國無人機(jī)集群控制技術(shù)進(jìn)入世界先進(jìn)行列；2017年又完成了119架固定翼無人機(jī)集群飛行試驗(yàn)，刷新了無人機(jī)集群飛行數(shù)量的新紀(jì)錄，成功演示了編隊(duì)起飛、自主集群飛行、分布式廣域監(jiān)視、感知與規(guī)避等智能無人機(jī)集群技術(shù)。

2 無人機(jī)集群C2智能系統(tǒng)設(shè)計

2.1 功能設(shè)計

無人機(jī)集群C2系統(tǒng)從功能組成上包括指揮控制、任務(wù)規(guī)劃、綜合保障等三類功能，圖2中列出了與無人機(jī)集群緊密相關(guān)的功能。

圖2 無人機(jī)集群C2智能系統(tǒng)組成

(1)指揮控制

包括態(tài)勢綜合、集群作戰(zhàn)裝訂參數(shù)管理、無人機(jī)集群監(jiān)控等功能，以及文書指揮、作戰(zhàn)監(jiān)控等指控功能。其中，集群作戰(zhàn)裝訂參數(shù)管理是對目標(biāo)作戰(zhàn)方預(yù)案進(jìn)行統(tǒng)一管理，方便戰(zhàn)時快速篩選和匹配；無人機(jī)集群監(jiān)控是戰(zhàn)時對無人機(jī)集群重要工作狀態(tài)和任務(wù)執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控，適時調(diào)整任務(wù)分工并下達(dá)作戰(zhàn)指令。

(2)任務(wù)規(guī)劃

包括投送規(guī)劃、集群規(guī)劃和方案推演評估三塊功能。投送規(guī)劃負(fù)責(zé)無人機(jī)集群進(jìn)行信息作戰(zhàn)之前將無人機(jī)集群投送到指定空域的規(guī)劃，無人機(jī)搭載方式、投送方式、飛行方式不一樣，投送規(guī)劃均不一樣；集群規(guī)劃是規(guī)劃無人機(jī)集群信息作戰(zhàn)的方式方法；方案推演評估是對投送規(guī)劃和集群規(guī)劃過程進(jìn)行推演，評估和調(diào)整方案。

(3)綜合保障

包括武器保障、情報保障、氣象水文保障、電抗保障等。其中，武器保障主要為無人機(jī)提供測試和維護(hù)；情報保障主要處理無人機(jī)反饋的各類偵察信息，并進(jìn)行相關(guān)情報保障工作；氣象水文保障主要提供投送無人機(jī)搭載飛行途中、拋撒空域的氣象、水文的作戰(zhàn)保障。

2.2 信息交互設(shè)計

無人機(jī)集群C2智能系統(tǒng)對外與通信系統(tǒng)交互目標(biāo)初始信息和控制指令信息，與拋撒器交互投送規(guī)劃成果、集群規(guī)劃成果、控制指令等信息交互。無人機(jī)集群C2智能系統(tǒng)交互關(guān)系如圖3所示。

圖3 無人機(jī)集群C2智能系統(tǒng)信息交互關(guān)系

無人機(jī)集群作戰(zhàn)是一種超視距作戰(zhàn)，戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜，作戰(zhàn)態(tài)勢瞬息萬變，作戰(zhàn)時機(jī)稍縱即逝；無人機(jī)集群內(nèi)部需要進(jìn)行信息交互和共享，同時還需要與地面C2系統(tǒng)進(jìn)行信息收發(fā)，所有這一切都使得擔(dān)負(fù)決策和對外通信功能的無人機(jī)的負(fù)擔(dān)較重。在上述情形下，就存在如何傳遞適當(dāng)?shù)男畔⒁詽M足無人機(jī)集群作戰(zhàn)的需要。如果傳遞的信息過少，則無人機(jī)集群或地面C2系統(tǒng)缺少對實(shí)時戰(zhàn)場態(tài)勢的必要掌握和了解，無法及時決策和指揮后續(xù)作戰(zhàn)行動；如果傳遞的信息過多，則會加重通信載荷的負(fù)擔(dān)，使無人機(jī)集群或地面C2系統(tǒng)不能做出及時反應(yīng)，整個系統(tǒng)反映遲緩，錯失戰(zhàn)機(jī)，造成不可彌補(bǔ)的損失。這里提出無人機(jī)集群作戰(zhàn)交互信息分級的概念[8]。

無人機(jī)集群作戰(zhàn)交互信息非常多，而且還隨時間變化而變化，需要對信息進(jìn)行分級分類，有區(qū)別地對信息進(jìn)行交互。將無人機(jī)集群作戰(zhàn)信息分為兩種，即內(nèi)部信息和外部信息，內(nèi)部信息是指描述無人機(jī)集群內(nèi)部交互的信息，如無人機(jī)飛行狀態(tài)、無人機(jī)偵察識別信息、集群控制指令等；外部信息是指描述無人機(jī)集群通過通信系統(tǒng)與地面指揮所之間交互的信息，如作戰(zhàn)指令、目標(biāo)指示、打擊效果等信息。在作戰(zhàn)過程中，已預(yù)先裝訂和變化極慢的信息無需交互，對作戰(zhàn)結(jié)果影響較大的變化較快的狀態(tài)和參數(shù)則需要及時交互，如目標(biāo)變化和集群自身狀態(tài)變化的信息。對無人機(jī)集群作戰(zhàn)信息梳理，對其交互信息分級如下：

S1——目標(biāo)身份及狀態(tài)變化信息，既包括目標(biāo)身份信息，又包括目標(biāo)正常、被擊毀、消失等狀態(tài)變化信息；

S2——目標(biāo)動態(tài)指示信息，包括形狀、位置、速度、電磁特征等；

S3——高等級告警信息，如重大威脅信息，這可以提高整體生存能力；

S4——作戰(zhàn)命令等決策結(jié)果信息，如變更打擊目標(biāo)、明確的干擾頻率、干擾方式等，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間協(xié)同作戰(zhàn)；

S5——無人機(jī)狀態(tài)變化信息，提示集群工作狀態(tài)；

S6——簡要打擊效果評估信息，影響后續(xù)打擊決策。

基于上述分析和確定的無人機(jī)集群作戰(zhàn)交互信息進(jìn)行分級，從S1到S6信息等級越來越低。系統(tǒng)在信息交互過程中建立交互信息處理堆棧，優(yōu)先處理信息等級高的信息堆棧；對于相同等級的信息堆棧，在信息進(jìn)棧時，需要對信息進(jìn)行比對處理，即在堆棧中如果出現(xiàn)相同對象相同信息，則不作處理，信息拋棄，如果出現(xiàn)相同對象的不同狀態(tài)信息時，則該對象最新信息進(jìn)棧，舊有信息從堆棧中移除。

信息分類如表1所示。

表1 無人機(jī)集群作戰(zhàn)信息分級

2.3 使用流程設(shè)計

無人機(jī)集群C2智能系統(tǒng)使用區(qū)分兩個階段，一是平時或準(zhǔn)備階段，二是實(shí)施階段。

平時或準(zhǔn)備階段，接受到準(zhǔn)備命令(或受領(lǐng)任務(wù))后，通過系統(tǒng)形成作戰(zhàn)方預(yù)案，包括信息作戰(zhàn)效能規(guī)劃方預(yù)案、拋撒規(guī)劃方預(yù)案、行動規(guī)劃方預(yù)案以及各類保障規(guī)劃方預(yù)案，并對各類方預(yù)案進(jìn)行推演評估，不斷優(yōu)化和調(diào)整方預(yù)案；同時做好拋撒器、無人機(jī)及載荷的升級測試和維護(hù)。

實(shí)施階段，接受打擊命令后，指揮員根據(jù)打擊目標(biāo)信息進(jìn)行方案篩選、匹配和調(diào)整，形成作戰(zhàn)計劃，并生成拋撒器裝訂諸元和集群作戰(zhàn)裝訂參數(shù)，并進(jìn)行參數(shù)裝訂；按照計劃時間，拋撒器將無人機(jī)集群遠(yuǎn)程投送之指定空域，按照拋撒計劃拋撒無人機(jī)集群；無人機(jī)集群根據(jù)預(yù)先設(shè)定的飛行編隊(duì)計劃進(jìn)行協(xié)同偵察和干擾，回傳精確目標(biāo)指示信息或高價值情報信息。

在必要情況下根據(jù)二次目標(biāo)指示信息進(jìn)行快速方案調(diào)整，更新諸元。系統(tǒng)使用流程如圖4所示。

圖4 無人機(jī)集群C2智能系統(tǒng)使用流程

3 結(jié) 語

目前針對無人機(jī)集群作戰(zhàn)研究深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，大多停留在理論層面，很多關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，離實(shí)戰(zhàn)差距較遠(yuǎn)。本文從C2系統(tǒng)角度對無人機(jī)集群作戰(zhàn)的系統(tǒng)組成、信息交互和作戰(zhàn)流程等進(jìn)行了初步研究，對無人機(jī)集群作戰(zhàn)過程中的信息交互內(nèi)容進(jìn)行分析，提出了無人機(jī)集群作戰(zhàn)信息分級的概念，分級分類進(jìn)行信息交互，既能實(shí)現(xiàn)態(tài)勢及時感知，又能減輕通信載荷負(fù)擔(dān)。希望研究成果能對無人機(jī)集群作戰(zhàn)研究有所參考和指導(dǎo)。