范彬 楊書奎

摘 ? 要：小型無人機集群作戰(zhàn)一直被視為無人化作戰(zhàn)的突破口。通過大規(guī)模配置低成本的小規(guī)模作戰(zhàn)平臺，能夠實現(xiàn)更高的作戰(zhàn)效率。文章簡要描述小型無人機集群作戰(zhàn)概念及其優(yōu)勢，并分析實現(xiàn)小型無人機集群在戰(zhàn)場中應用所需要的關鍵技術。

關鍵詞：小型無人機集群;發(fā)展現(xiàn)狀;集群優(yōu)勢;關鍵技術

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一類支持無人駕駛、能夠自動或者自主控制飛行的空中平臺，可代替人執(zhí)行危險、枯燥的任務[1]。無人機作戰(zhàn)的思想在很早以前就已經(jīng)有人提出并進行應用，從美國內(nèi)戰(zhàn)使用的高空氣球觀測技術，到阿富汗模式，早已將無人機運用于戰(zhàn)場中。由于航空電子工業(yè)的大力發(fā)展，現(xiàn)在的無人機相比之前具有更好的續(xù)航能力、通信能力以及機動能力，具備了在復雜環(huán)境中執(zhí)行多種危險任務的能力，例如，攻擊敵方彈藥庫，執(zhí)行情報—監(jiān)視—偵察（Intelligence-Surveillance-Reconnaissance，ISR）任務[2]，以及執(zhí)行電子干擾，由于具有零人員傷亡的特點。無人機在未來戰(zhàn)場中的應用具有廣闊的前景。

現(xiàn)在應用于戰(zhàn)場環(huán)境中的無人機大多具有成本高、體型大的特點，有限的預算環(huán)境將限制更多大型無人機的應用。同時，防空系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大型無人機更易被發(fā)現(xiàn)，因此，大型無人機雖然配備復雜的機上系統(tǒng)，但是存活率低。小型無人機也早已運用于戰(zhàn)術環(huán)境當中，但是只被作為偽裝目標吸引敵方防空系統(tǒng)或者滲透敵方防空系統(tǒng)，來達到保護主要作戰(zhàn)平臺的目的。例如，早在20世紀50年代，ADM-20鵪鶉無人機就是為美國空軍B-52戰(zhàn)略轟炸機研制的電子對抗誘惑導彈，主要用于在敵方雷達作用范圍內(nèi)，按預定的航線輔助B-52轟炸機實施突防。

隨著新興技術諸如人工智能、微電子產(chǎn)業(yè)、組網(wǎng)技術、平臺小型化技術的快速發(fā)展，小型無人機集群作戰(zhàn)概念逐步被提出。通過大大增加集群中無人機的數(shù)量，協(xié)同有人作戰(zhàn)單元，能夠完成復雜的作戰(zhàn)任務。小型無人機集群作戰(zhàn)具有成本低、作戰(zhàn)效率高、存活率高的特點，一直被視為無人化作戰(zhàn)的突破口。通過與陸、海、空有人作戰(zhàn)平臺結合，小型無人機集群可以實現(xiàn)多個領域的集群作戰(zhàn)。因此，小型無人機集群作戰(zhàn)將是未來戰(zhàn)場不可缺少的單元。

1 ? ?小型無人機集群作戰(zhàn)簡介

集群是指具有共同目標的群體為實現(xiàn)某種目標時而產(chǎn)生的協(xié)調(diào)行為，群體中的個體遵循簡單的運動和邏輯規(guī)則，不受任何中心的控制，而群體卻能體現(xiàn)出宏觀智能行為。

小型無人機集群的靈感來源于生物當中的集群現(xiàn)象，大量攜帶不同任務載荷的小規(guī)模作戰(zhàn)平臺，通過個體之間的分工合作、相互協(xié)調(diào)，可以完成復雜作戰(zhàn)任務。目前，小型無人機集群主要被用來執(zhí)行電子干擾任務。在電子干擾方面，雖然大的空中平臺相比小型空中平臺，可以攜帶更高功率的干擾載荷，但是也更加容易被敵方雷達監(jiān)測到。小型無人機不容易受到威脅，因此，可以更加靠近敵方的雷達。集群中每架無人機裝載電磁能或定向能武器等干擾載荷[3]，通過合理分工，相互協(xié)調(diào)，可以比單架大型無人機更加高效地對敵方目標實施電子干擾。

隨著小型化平臺的發(fā)展，在未來的戰(zhàn)場中，小型無人機集群有可能會實現(xiàn)更加復雜的戰(zhàn)場任務。圖1展示了未來戰(zhàn)場中小型無人機集群系統(tǒng)作戰(zhàn)的場景，集群當中包含攜帶偵察監(jiān)視、電子干擾、打擊與評估的無人機，當裝載不同偵察載荷的無人機協(xié)同完成目標定位時，方便通知附近處于最佳位置且攜帶攻擊載荷的無人機完成打擊任務，之后攜帶相應載荷的無人機可以完成戰(zhàn)場評估，決定是否執(zhí)行二次打擊任務。

2 ? ?小型無人機集群作戰(zhàn)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著技術的發(fā)展，無人機小型化已經(jīng)逐漸趨向成熟。目前，美國已成功采用3D打印技術制造Perdix固定翼無人機。單機技術的可實現(xiàn)性，使得各國積極研究小型無人機集群技術。

美國率先推出多個低成本無人機集群研究項目，主要有DARPA小精靈項目、美國海軍低成本無人機集群技術以及空軍項目[4-5]。2016年5月，美國空軍正式提出《2016—2036年小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃》[6]。

近年來，國內(nèi)外對小型無人機集群進行了多次驗證、測試，試驗規(guī)模逐漸擴大：2015年美國海軍研究生院實現(xiàn)了一人控制50架“西風”（Zephyr）無人機的試驗;2016年，在珠海航展上，中國電科CETC披露了我國第一個固定翼無人機集群試驗原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了67架規(guī)模的集群原理驗證;2017年，美國公開了103架“灰山鶉”（Perdix）無人機的試驗;之后，中國電科再次公開了119架無人機集群的試驗。

3 ? ?小型無人機集群作戰(zhàn)的優(yōu)勢

3.1 ?作戰(zhàn)效率高

小型無人機集群作戰(zhàn)相比于單架大型無人機具有作戰(zhàn)效率高的優(yōu)點。根據(jù)Lanchester平方率，作戰(zhàn)單元數(shù)量是比單元作戰(zhàn)能力更重要的戰(zhàn)爭勝負決定因素，無人機集群能夠實現(xiàn)對敵優(yōu)勢戰(zhàn)機更大的勝率。將原本造價高昂的多任務系統(tǒng)分解為若干低成本的小規(guī)模作戰(zhàn)平臺，可以比單架大型系統(tǒng)更有效挫敗對手，同時，對于同一個任務，集群無人機協(xié)同完成所需的時間將遠小于單個完備作戰(zhàn)平臺所需要的時間。

3.2 ?任務完成率高

具有“無中心”和“自主協(xié)同”的無人機集群中的個體并不依賴于某個實際存在的、特定的節(jié)點來運行。如果集群中的一架無人機離開集群或被擊落，那么剩下的無人機仍然可以完成任務。對于單架無人機而言，無人機被擊落則意味著任務的失敗。同時，由于小型無人機具有體型小、速度快的特點，相比于大型無人機受敵方防空系統(tǒng)的威脅更小。

3.3 ?作戰(zhàn)成本低

功能單一的小型無人機平臺成本較低，即使1 000架小型無人機的價格也遠遠小于一架大型無人機的成本。同時，擊落一架小型無人機所需的成本遠遠大于小型無人機本身的價格。因此，在戰(zhàn)爭預算有限的情況下，小型無人機具有更低的作戰(zhàn)成本。

4 ? ?集群作戰(zhàn)的關鍵技術

生物中的群體通過信息素及相應的協(xié)調(diào)行為來實現(xiàn)共識主動性，進而體現(xiàn)出集群行為。對于小型無人機構成的群體，需要采用一定的技術來實現(xiàn)集群行為。

4.1 ?避撞技術

一個成功的無人機集群必須能夠在不和集群當中其他無人機碰撞的前提下飛行，可以說，避撞技術是無人機作戰(zhàn)應用的基礎。目前，避撞技術主要采用傳感器和交互輔助信息的方式。

當集群的協(xié)同較好時，可以使用傳感器避撞技術，通過傳感器構建“視線系統(tǒng)”，并采用一定的路徑規(guī)劃原則與相鄰的無人機保持一定的相對位置，這種路徑規(guī)劃原則可以是：（1）沿著與鄰居相同的方向移動。（2）個體保持靠近鄰居。（3）個體避免與鄰居碰撞。

使用交互輔助信息的方式是一種補充的避撞技術。在集群中，節(jié)點通過生成包含無人機速度、方向、位置、加速度等信息的報文，并使用相應的物理層及鏈路層技術，將報文分發(fā)給一跳范圍內(nèi)的其他節(jié)點，收到報文的節(jié)點及時更新與安全飛行相關的信息，并根據(jù)信息內(nèi)容決定是否需要規(guī)劃新的路徑以防止碰撞。

4.2 ?協(xié)同技術

協(xié)同技術是一個比較大的概念，它既涉及上層的算法，諸如分布式?jīng)Q策算法、任務分配算法、分布式融合算法等，又包括底層的信息交互技術。協(xié)同技術可以幫助無人機集群實現(xiàn)分工合作、相互協(xié)調(diào)、高效執(zhí)行戰(zhàn)術環(huán)境下的多種任務。

由于小型無人機集群當中功能分布化的特點，每架無人機攜帶不同的任務載荷，因此，完成一個復雜的任務需要多架無人機之間的協(xié)同合作。當面臨復雜任務和需要協(xié)作的任務時，當前無人機可以把任務信息和資源需求發(fā)布到由各無人機組成的集群網(wǎng)絡上，各無人機可以根據(jù)當前自身任務和資源情況予以響應。例如，攜帶A類偵察載荷的無人機發(fā)現(xiàn)可疑任務目標時，可以發(fā)送信息尋求附近的裝載其他類型偵察載荷的無人機參與對可疑目標的協(xié)同確認。

為了使所交互的信息及時、完整地進行傳輸，對于通信網(wǎng)絡性能有一定的要求。因此，在一定的空間分布下，為了實現(xiàn)高速飛行的多個無人機之間有效的協(xié)同，提高通信質量也是集群的關鍵技術。

4.3 ?數(shù)據(jù)安全技術

集群中的安全問題應該和集群其他關鍵技術同時考慮，而不應該在集群發(fā)展到一定程度之后再去實現(xiàn)安全目標。數(shù)據(jù)安全技術應該融入集群關鍵技術的各個環(huán)節(jié)，同時，應該考慮到集群所能出現(xiàn)的各種情況。例如，考慮如下場景：小型無人機集群用于作戰(zhàn)時，發(fā)生集群中的某架無人機被捕獲，如果沒有良好的安全措施，就會導致敏感數(shù)據(jù)和信息的泄露，不利于集群系統(tǒng)的生存。可見，實現(xiàn)集群當中的數(shù)據(jù)安全技術將是集群當中必須考慮的關鍵技術。

5 ? ?結語

小型無人機集群作為一種顛覆性技術，具有作戰(zhàn)效率高、任務完成率高、成本低的優(yōu)勢，將會成為未來戰(zhàn)場的突破口。小型無人機集群的實現(xiàn)，不僅需要人工智能、微電子產(chǎn)業(yè)等新興技術的支撐，同時，需要基于集群研究其中的關鍵技術。小型無人機集群中各種技術的研究仍處于起步階段，實現(xiàn)小型無人機集群在作戰(zhàn)中的應用仍然有很長的路要走。

[參考文獻]

[1]牛軼峰，肖湘江，柯冠巖.無人機集群作戰(zhàn)概念及關鍵技術分析[J].國防科技，2013（5）：37-43.

[2]CEVIK P，KOCAMAN I，AKGUL A S，et al.The small and silent force multiplier：a swarm uav—electronic attack[J].Journal of Intelligent&Robotic Systems，2013（1）：595-608.

[3]劉麗，汪濤.無人機集群協(xié)同電子攻擊的作戰(zhàn)優(yōu)勢及挑戰(zhàn)[J].國防科技，2016（6）：126-130.

[4]宋怡然，申超，李東兵.美國分布式低成本無人機集群研究進展[J].飛航導彈，2016（8）：17-22.

[5]佚名.美國防部秘密開發(fā)下一代集群無人機技術[J].現(xiàn)代軍事，2016（10）：15.

[6]楊王詩劍.引領海戰(zhàn)革命—淺析無人機“蜂群戰(zhàn)術”[J].兵器知識，2016（3）：60-63.