王殿勛,郭 萃,謝 君, 王 亮,王 慎,肖玉杰
(1.海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院, 武漢 430033; 2.海軍研究院, 北京 100161)
近年來,無人機(jī)集群作戰(zhàn)已從概念研究逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際作戰(zhàn)應(yīng)用,從亞美尼亞與阿塞拜疆的武裝沖突中可發(fā)現(xiàn),無人機(jī)集群技術(shù)具有降維打擊、非對(duì)稱打擊優(yōu)勢,是一項(xiàng)可以顛覆未來海戰(zhàn)規(guī)則的技術(shù)。
空中無人機(jī)集群對(duì)海上艦船作戰(zhàn)是未來海上無人系統(tǒng)作戰(zhàn)應(yīng)用的重要發(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)。本文從無人機(jī)集群的概念及內(nèi)涵是什么,其是否具備對(duì)海上艦船的作戰(zhàn)能力,以及若具備,其有哪些典型作戰(zhàn)樣式3個(gè)典型問題出發(fā),開展無人機(jī)集群在復(fù)雜海戰(zhàn)場環(huán)境下對(duì)海上艦船作戰(zhàn)樣式研究。
1) 集群定義
目前,對(duì)于無人機(jī)集群的概念,國內(nèi)學(xué)者尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。查閱近年來無人機(jī)集群理論的最新研究成果,比對(duì)了無人機(jī)集群概念的提出者、提出單位、定義來源、特征等類別,歸納后如表1所示。
表1 典型無人機(jī)集群概念Table 1 Typical UAV cluster concept combing
續(xù)表(表1)
從表1可知,近年來從事無人機(jī)集群理論的單位主要包括軍事科學(xué)院,國防大學(xué),空軍工程大學(xué),以及航空航天、船舶等軍地相關(guān)研究機(jī)構(gòu)。如許瑞明、趙齊民、鄒立巖等學(xué)者從“集群協(xié)同+任務(wù)導(dǎo)向”、“機(jī)群智能”、“仿生智能+任務(wù)導(dǎo)向”、“集群智能+環(huán)境交互+任務(wù)導(dǎo)向”等方面分別給出了無人機(jī)集群的定義。
基于以上分析,本文將以任務(wù)為導(dǎo)向、由一定數(shù)量無人機(jī)組成,可受環(huán)境激勵(lì),對(duì)環(huán)境可作出反饋,具有可自主組網(wǎng),協(xié)同交互和產(chǎn)生涌現(xiàn)智能等特征的集群系統(tǒng)定義為無人機(jī)集群系統(tǒng)。
2) 集群規(guī)模
最小集群規(guī)模:與數(shù)學(xué)理論中將“2”作為多元函數(shù)最小規(guī)模(如=(,))分水嶺不同。無人機(jī)集群通常指可將無人機(jī)編組后構(gòu)成“V”隊(duì)形的最小無人機(jī)數(shù)量稱之為無人機(jī)集群的最小規(guī)模,即將3架次以上的無人機(jī)組成的平臺(tái)之為無人機(jī)集群系統(tǒng)。
集群規(guī)模分類:通常將無人機(jī)集群系統(tǒng)分為大規(guī)模、中規(guī)模和小規(guī)模無人機(jī)集群系統(tǒng),如圖1所示。
無人機(jī)集群規(guī)模大小主要取決于2個(gè)因素:無人機(jī)數(shù)量、無人機(jī)種類。如將20架次小型無人機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)稱之為小規(guī)模無人機(jī)集群系統(tǒng),而20架次大型無人機(jī)集群構(gòu)成的系統(tǒng)可稱之為中規(guī)模無人機(jī)集群系統(tǒng),50架次小型無人機(jī)集群構(gòu)成的系統(tǒng)也可稱之為中規(guī)模無人機(jī)集群系統(tǒng),而1架次超大型無人機(jī)和20架次小型無人機(jī)集群構(gòu)成的異構(gòu)系統(tǒng)可稱之為大規(guī)模無人機(jī)集群系統(tǒng)等。
1) 與自然界中生物群體辨析
牛軼峰等學(xué)者在文獻(xiàn)[8-10]中指出無人機(jī)集群的概念最初來源于生物群體,因此辨析無人機(jī)集群與自然界中魚群、鳥群、狼群、蟻群等自然群體行為的相似性和不同點(diǎn)有重要的意義。
圖1 無人機(jī)集群規(guī)模分類框圖Fig.1 UAV cluster scale diagram
表2從自組織、分布式、簡單性、自主性等方面,列出了生物群體與無人機(jī)集群相似性。表3從任務(wù)種類、人在回路、智能化等級(jí)、演進(jìn)增強(qiáng)等方面,列出了生物群體與無人機(jī)群體不同特征。
表2 生物群體與無人機(jī)集群相似性Table 2 Comparison of the similarities between biological populations and UAV cluster
表3 生物群體與無人機(jī)群體的不同特征Table 3 Comparison of biological populations and UAV cluster
2) 與無人機(jī)集群、無人機(jī)蜂群辨析
通常可將無人機(jī)集群作戰(zhàn)與無人機(jī)機(jī)群作戰(zhàn)、無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)并稱為群式作戰(zhàn)。群式作戰(zhàn)的共同特征可描述為“群”(SWARM)特征,即個(gè)體成員均為3個(gè)以上。
表4從集合屬性、本質(zhì)屬性、等級(jí)屬性、三化屬性、基本特征、優(yōu)勢、劣勢等方面給出了無人機(jī)集群與無人機(jī)機(jī)群、無人機(jī)蜂群等的不同特征。同時(shí)從集合概念出發(fā),三者還存在著包含與被包含的關(guān)系,如圖2所示。
表4 無人機(jī)機(jī)群/集群/蜂群的特征Table 4 Comparison of the UAV fleet/cluster/swarm
圖2 群式作戰(zhàn)的集合關(guān)系示意圖Fig.2 Set relationships for swarm combat
其數(shù)學(xué)關(guān)系如下:
無人機(jī)蜂群?無人機(jī)集群?無人機(jī)機(jī)群
(1)
3) 同構(gòu)/異構(gòu)無人機(jī)集群辨析
同構(gòu)無人機(jī)集群、異構(gòu)無人機(jī)集群、同類無人機(jī)集群、異類無人機(jī)集群是無人機(jī)集群領(lǐng)域另一組常用的名詞術(shù)語。表5從概念內(nèi)涵、核心要素等方面給出了其辨析后的比對(duì)結(jié)果,進(jìn)一步可得出計(jì)算出其隸屬關(guān)系如圖3所示。其數(shù)學(xué)關(guān)系如下:
無人機(jī)集群=同類無人機(jī)集群∪異類無人機(jī)集群
(2)
同類無人機(jī)集群∩異類無人機(jī)集群=
(3)
同類同構(gòu)無人機(jī)集群?同類無人機(jī)集群
(4)
同類異構(gòu)無人機(jī)集群?同類無人機(jī)集群
(5)
表5 無人機(jī)機(jī)群/集群/蜂群等的特征Table 5 Comparison of the UAV fleet/cluster/swarm
圖3 同構(gòu)/異構(gòu)無人機(jī)集群關(guān)系示意圖Fig.3 Homogeneous/heterogeneous UAV cluster relationships
1) 符合利益最大化準(zhǔn)則
大型水面艦船制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無人機(jī)集群制造成本,利用低成本的無人機(jī)集群打擊高成本的艦船符合利益最大化準(zhǔn)則。
2) 相對(duì)理想目標(biāo)
海戰(zhàn)場環(huán)境下水面艦船的目標(biāo)特征明顯、機(jī)動(dòng)能力弱,是機(jī)動(dòng)能力也相對(duì)較弱的無人機(jī)集群的理想目標(biāo)。
3) 反制手段相對(duì)薄弱
現(xiàn)有的海上艦船,主要以防空導(dǎo)彈及艦炮為防空手段。其主要針對(duì)來襲導(dǎo)彈及戰(zhàn)機(jī)等高空高速目標(biāo),無法有效應(yīng)對(duì)以無人機(jī)為代表的“低慢小”的單目標(biāo)、群目標(biāo)。
早在2012年,美國海軍研究生院的論文便探討了無人機(jī)集群對(duì)海作戰(zhàn)的概念。作者假定使用多架無人機(jī)攻擊一艘“宙斯盾”級(jí)驅(qū)逐艦,數(shù)百次模擬結(jié)果表明:當(dāng)有8架無人機(jī)參與攻擊時(shí),平均有2.8架無人機(jī)能夠避開“宙斯盾”系統(tǒng)的攔截;即便假設(shè)艦船升級(jí)了防御系統(tǒng),仍有至少1架無人機(jī)能夠突破防御。
基于以上分析可知,空中無人機(jī)集群具備海上作戰(zhàn)的能力,可以用于攻擊水面艦船。
1) 成本低
以國防高級(jí)研究計(jì)劃局牽頭組織的“小精靈”項(xiàng)目為例,其最大作戰(zhàn)能力幾乎接近F-35戰(zhàn)斗機(jī),而其制造成本極低,低于F-35制造成本兩個(gè)數(shù)量級(jí),并可進(jìn)行回收,重復(fù)使用20次以上。
2) 數(shù)量大
相較于有人戰(zhàn)機(jī),無人機(jī)制造成本低,技術(shù)復(fù)雜度低,可以大批量生產(chǎn),且美軍近期研究的一種作戰(zhàn)模式,便是運(yùn)用郊狼無人機(jī)對(duì)宙斯盾戰(zhàn)艦進(jìn)行飽和攻擊。一次性發(fā)射30架郊狼,圍繞敵艦進(jìn)攻,證明了無人機(jī)集群的數(shù)量優(yōu)勢。
3) 譜系全
以美軍為代表的無人機(jī)平臺(tái),量級(jí)全、作戰(zhàn)功能完備。其輕量級(jí)無人機(jī)如“蟬”、“灰山鶉”可擔(dān)負(fù)戰(zhàn)場偵察與通信任務(wù),重量級(jí)如“郊狼”、“小精靈”可擔(dān)負(fù)火力打擊任務(wù)。
4) 載荷搭配靈活
無人機(jī)平臺(tái)因具有量級(jí)譜系全的特點(diǎn),可根據(jù)作戰(zhàn)需要靈活配置不同量級(jí)無人機(jī),不同量級(jí)無人機(jī)可搭載不同量級(jí)載荷,從而能夠靈活適應(yīng)各種戰(zhàn)場環(huán)境,擔(dān)負(fù)偵察、引導(dǎo)、打擊等任務(wù)。
5) 分布式
分布式作戰(zhàn)指將能力分散部署到多種、多個(gè)平臺(tái)上,由多個(gè)平臺(tái)聯(lián)合形成作戰(zhàn)體系共同完成任務(wù)。無人機(jī)載荷搭配靈活,組網(wǎng)功能強(qiáng)、可用于執(zhí)行相對(duì)危險(xiǎn)或相對(duì)簡單的單項(xiàng)任務(wù)。
6) 效費(fèi)比高
無人機(jī)個(gè)體制造成本低廉,在遂行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí),敵方在應(yīng)對(duì)大量的無人機(jī)個(gè)體組成的無人機(jī)集群的主動(dòng)攻擊時(shí),需要付出數(shù)十倍的成本來進(jìn)行防御,無人機(jī)集群相比有人戰(zhàn)機(jī)具備顯著的成本優(yōu)勢。
1) 概念內(nèi)涵
現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)由機(jī)械化向信息化轉(zhuǎn)變,奪取信息權(quán)、確保信息優(yōu)勢是戰(zhàn)爭能夠取得勝利的關(guān)鍵點(diǎn)。而艦載雷達(dá)、光電等設(shè)備是艦船信息感知能力生成的核心裝備,是艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心裝備。
壓制和破壞艦載信息感知戰(zhàn)的主要目標(biāo)是通過摧毀艦載雷達(dá)、光電等艦船信息感知設(shè)備,對(duì)艦船進(jìn)行信息壓制和破壞,以癱瘓敵方艦船的信息感知和信息交互等能力為目標(biāo)。
2) 可行性分析
典型艦船的光電設(shè)備分布位置如圖4所示,艦載雷達(dá)、光電等設(shè)備通常安裝在艦船甲板上,工作時(shí)裸露在空中,防護(hù)能力弱,易受攻擊,并且電子元器件抗損性差,如通過無人機(jī)攜帶反輻射載荷可實(shí)現(xiàn)對(duì)其有效破壞和壓制。
圖4 典型艦船光電設(shè)備分布位置示意圖Fig.4 Distribution diagram of typical ship photoelectric equipment
1) 概念內(nèi)涵
艦載資源消耗戰(zhàn)的核心概念來源于前蘇聯(lián)針對(duì)美軍航母編隊(duì)提出的飽和攻擊戰(zhàn)術(shù)。通過飽和攻擊,擠占敵方艦船的防空資源,通過數(shù)量優(yōu)勢彌補(bǔ)突防效率的不足。是一種攻擊海上艦船的重要戰(zhàn)術(shù)思想。在傳統(tǒng)戰(zhàn)法中,主要使用艦船大密度連續(xù)發(fā)射導(dǎo)彈來進(jìn)行飽和攻擊,主要缺陷是艦載導(dǎo)彈數(shù)量少,成本高,補(bǔ)給不便,且導(dǎo)彈突防命中率低,海戰(zhàn)時(shí)我方艦船使用導(dǎo)彈進(jìn)行飽和攻擊,導(dǎo)彈消耗完畢后,艦船戰(zhàn)斗力大幅減弱,相當(dāng)于退出戰(zhàn)斗。
消耗艦載資源戰(zhàn)是指通過大量低成本、分布式、自組網(wǎng)構(gòu)成的無人機(jī)集群采用飽和攻擊策略,在有限時(shí)間約束下,消耗艦船的探測資源、計(jì)算資源、武器資源等。
2) 可行性分析
一方面,無人機(jī)集群作戰(zhàn)時(shí)無人機(jī)數(shù)量多,成本低,且分布零散,不易被攔截。另一方面,可從不同方向、不同梯次同時(shí)向?qū)Ψ脚灤l(fā)射連續(xù)密集的火力流,對(duì)方艦船不得不耗費(fèi)大量的探測資源、計(jì)算資源(用于群目標(biāo)威脅排序、武器-目標(biāo)分配)、武器資源(軟硬武器)等應(yīng)對(duì),使得此時(shí)艦船難以應(yīng)對(duì)其他目標(biāo)的威脅。
1) 概念內(nèi)涵
受地球曲率半徑的影響,艦載雷達(dá)探測距離為雷達(dá)視距。典型雷達(dá)視距推導(dǎo)公式如式(6)所示,其中、分別為天線架高和目標(biāo)高度,為雷達(dá)視距。
(6)
其中,典型艦載對(duì)海警戒雷達(dá)天線架高約為20 m,被探測目標(biāo)高度約為15 m,由式(6)可得出艦載雷達(dá)對(duì)海探測距離不超過35 km。
假定海面被探測目標(biāo)高度約為15 m時(shí),由式(6)可得,不同高度下的無人機(jī)探測目標(biāo)的最遠(yuǎn)距離,如圖5所示。
圖5 無人機(jī)高度與探測范圍關(guān)系示意圖Fig.5 Schematic diagram of the relationship between UAV height and detection range
由此可知,無人機(jī)對(duì)海探測距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于艦載雷達(dá)對(duì)海探測距離。隨著導(dǎo)彈技術(shù)發(fā)展,艦載雷達(dá)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)所需的探測距離。無論是使用艦船前出作為觀察哨艦還是利用預(yù)警機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)均需要在戰(zhàn)場取得一定的制空權(quán),并且需要承擔(dān)傷亡風(fēng)險(xiǎn)。而無人機(jī)集群布放模式靈活可變,戰(zhàn)場適應(yīng)性強(qiáng),且無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn),利用無人機(jī)集群前出,通過對(duì)敵艦船第一波次交戰(zhàn),使用數(shù)據(jù)鏈將對(duì)方艦船目標(biāo)信息(相對(duì)位置、航速航向等)發(fā)送至我方艦船,為反艦導(dǎo)彈裝訂參數(shù)可實(shí)施第二波次交戰(zhàn),可有效克服地球曲率半徑影響,使導(dǎo)彈遠(yuǎn)程攻擊作用距離大大增加,提升海上單艦作戰(zhàn)能力。
集群引導(dǎo)-反艦導(dǎo)彈跟隨打擊是指通過前出的無人機(jī)集群將遠(yuǎn)距離的海上艦船目標(biāo)鎖定,后方艦船為反艦導(dǎo)彈裝訂參數(shù)后,可實(shí)施對(duì)艦船目標(biāo)的打擊任務(wù)。
2) 可行性分析
2021年4月,美國海軍舉行“無人綜合作戰(zhàn)問題”(UxS IBP 21)軍事演習(xí)。在4月26日的演習(xí)中,美海軍“約翰·芬恩號(hào)”驅(qū)逐艦在完全不使用自身探測傳感器的情況下,接收前出無人機(jī)提供的靶艦坐標(biāo),發(fā)射“標(biāo)準(zhǔn)”-6導(dǎo)彈進(jìn)行打擊,驗(yàn)證了“集群引導(dǎo)-反艦導(dǎo)彈跟隨打擊”作戰(zhàn)概念。
1) 概念內(nèi)涵
戰(zhàn)場態(tài)勢是指揮員實(shí)施高效指揮控制的必要條件。在現(xiàn)代海戰(zhàn)中只有得到海戰(zhàn)場精確態(tài)勢信息,才能奪取信息優(yōu)勢、進(jìn)而贏得海戰(zhàn)勝利。目前遠(yuǎn)距離對(duì)海上目標(biāo)識(shí)別主要依靠衛(wèi)星、雷達(dá)等。識(shí)別能力弱,精度低,僅能大體判斷是否有艦船目標(biāo),影響指揮員下定戰(zhàn)場決心。
精準(zhǔn)對(duì)海上艦船目標(biāo)識(shí)別是指通過無人機(jī)集群抵近偵察和異構(gòu)傳感器組網(wǎng)大幅提升對(duì)海上艦船探測識(shí)別能力,可提升海戰(zhàn)場快速響應(yīng)能力。
2) 可行性分析
無人機(jī)集群組網(wǎng)后可顯著增強(qiáng)對(duì)海上艦船目標(biāo)的態(tài)勢感知能力,如可近距離識(shí)別艦船的種類、甚至是搭載的武器類型和數(shù)量等。
1) 概念內(nèi)涵
在現(xiàn)代海戰(zhàn)中對(duì)打擊效果評(píng)估是戰(zhàn)場情報(bào)偵察的重要環(huán)節(jié),對(duì)目標(biāo)進(jìn)行打擊后,需要有精準(zhǔn)、全面、細(xì)致的目標(biāo)打擊效果評(píng)估作為后續(xù)作戰(zhàn)行動(dòng)的依據(jù)。目前海戰(zhàn)場打擊效果評(píng)估主要依靠天基偵察、空基偵察、水面和水下偵察等手段。考慮到海戰(zhàn)場地理環(huán)境、氣象條件、電磁環(huán)境和海上雜波復(fù)雜,當(dāng)前手段存在精度低、延時(shí)高等缺點(diǎn)。
海戰(zhàn)場打擊效果精確評(píng)估是指依靠無人機(jī)集群數(shù)量多、成本低、聲光磁等載荷搭配靈活、無人員安全威脅等優(yōu)勢,通過無人機(jī)集群抵近偵察和異構(gòu)傳感器組網(wǎng),合理運(yùn)用不同的手段,使其相互彌補(bǔ)、相互印證,可大幅提升海上艦船打擊效果精確評(píng)估能力。
2) 可行性分析
在精準(zhǔn)對(duì)海上艦船目標(biāo)識(shí)別、跟蹤的基礎(chǔ)上,依托無人機(jī)集群探測能力,有效提升海戰(zhàn)場打擊效果精確評(píng)估能力。
經(jīng)典OODA環(huán)可描述無人機(jī)集群對(duì)海上艦船作戰(zhàn)的全流程,若將OODA環(huán)改進(jìn)為“探測—決策—打擊—評(píng)估”等環(huán)節(jié),可得出五大作戰(zhàn)樣式的OODA環(huán)貢獻(xiàn)度與優(yōu)勢分析,如表6所示。
表6 大作戰(zhàn)樣式OODA環(huán)貢獻(xiàn)度Table 6 Comparative analysis of the contribution degree of the five major combat styles in OODA
1) 無人機(jī)集群的海上組網(wǎng)能力
作為集群行為的前提和保障,無人集群需要依賴穩(wěn)健可靠的集群內(nèi)部通信.協(xié)同執(zhí)行任務(wù)。海戰(zhàn)場的復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)無人機(jī)集群的海上組網(wǎng)能力提出了更高的要求。是否具備海上組網(wǎng)能力,能否以較高的魯棒性應(yīng)對(duì)復(fù)雜的電磁干擾,是無人機(jī)集群邁向?qū)W鲬?zhàn)的第一步。
2) 無人機(jī)集群的海上任務(wù)規(guī)劃能力
無人機(jī)集群的海上任務(wù)規(guī)劃能力是對(duì)海上艦船作戰(zhàn)指揮及控制的核心,海戰(zhàn)場態(tài)勢和環(huán)境的瞬息萬變,面對(duì)海上目標(biāo)活動(dòng)范圍廣、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、戰(zhàn)場態(tài)勢復(fù)雜等特點(diǎn),使用“人在回路”的方式進(jìn)行無人機(jī)集群任務(wù)規(guī)劃存在一定制約,因此迫切需要提升無人機(jī)集群的自主任務(wù)規(guī)劃能力.無人為干預(yù)情況下的海上任務(wù)規(guī)劃能力是對(duì)無人機(jī)集群對(duì)海上艦船作戰(zhàn)的關(guān)鍵支撐。
3) 無人機(jī)個(gè)體及集群的海上智能化能力
海戰(zhàn)場態(tài)勢復(fù)雜,無人機(jī)個(gè)體及集群的海上自主程度決定了任務(wù)執(zhí)行能力的上限,能否在低人為操控甚至無人為干預(yù)情況下快速反應(yīng)實(shí)現(xiàn)高度自主性,決定了無人機(jī)集群對(duì)海作戰(zhàn)的有效性和自適應(yīng)性。
無人機(jī)集群具有成本低廉、數(shù)量規(guī)模龐大、作戰(zhàn)時(shí)無人員傷亡損失等優(yōu)勢,將其應(yīng)用于對(duì)海上艦船作戰(zhàn)已成為海上無人系統(tǒng)作戰(zhàn)的利器。本文提出的壓制和破壞艦載信息感知戰(zhàn)、消耗艦載資源戰(zhàn)、集群引導(dǎo)-反艦導(dǎo)彈跟隨打擊戰(zhàn)、精準(zhǔn)對(duì)海上艦船目標(biāo)識(shí)別的態(tài)勢感知增強(qiáng)戰(zhàn)、海戰(zhàn)場打擊效果精確評(píng)估戰(zhàn)等五大典型作戰(zhàn)樣式,對(duì)無人機(jī)集群作戰(zhàn)研究具有重大意義。