彭正忠 歐青華

（廣州市花都區(qū)擁軍路21號 廣州 510800）

1 引言

自海灣戰(zhàn)爭以來，無人機(jī)在戰(zhàn)爭中的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，深刻影響著戰(zhàn)爭的走向。隨著無人機(jī)的不斷發(fā)展完善，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大、規(guī)模數(shù)量不斷增多、作戰(zhàn)樣式不斷翻新，作戰(zhàn)運(yùn)用已從空中偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、電子對抗向通信中繼、精確打擊和后裝保障等領(lǐng)域延申，正在逐步由輔助作戰(zhàn)手段向基本作戰(zhàn)手段過渡。綜合來看，無人機(jī)在軍事上可代替有人機(jī)執(zhí)行四類任務(wù)，即4D 任務(wù)（枯燥乏味、環(huán)境惡劣、危險性高、深入敵方；Dull，Dirty，Dangerous and Deep）。

20世紀(jì)60年代，法國生物學(xué)家皮埃爾·保羅開始了關(guān)于智能蜂群（Swarm Intelligence）的研究。通過對自然界各類昆蟲群體的深入觀察分析，皮埃爾·保羅發(fā)現(xiàn)某類昆蟲群體內(nèi)部存在高度結(jié)構(gòu)化的組織，個體之間分工明確，協(xié)同工作，能夠完成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單一個體能力的復(fù)雜任務(wù)。其中，蟻群是最具代表性的群體，單體之間通過簡單的信號傳遞，就能實現(xiàn)較成熟的溝通協(xié)調(diào)，從而表現(xiàn)出某種規(guī)?；募褐悄苄袨椤Ｔ诖爽F(xiàn)象的基礎(chǔ)上，人類不斷深入研究昆蟲之間的集群行為，最終得出了如蟻群算法（ACS）和粒子群優(yōu)化算法（PSO）等諸多智能集群算法。

2 作戰(zhàn)樣式

目前，比較具有代表性的無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)概念主要有兩種，分別是“集群作戰(zhàn)”系統(tǒng)與“忠誠僚機(jī)”系統(tǒng)。上述兩種概念在某種程度上均屬于協(xié)同作戰(zhàn)，但協(xié)同的對象卻有很大不同?！凹鹤鲬?zhàn)”系統(tǒng)存在于大量小型無人機(jī)之間，體現(xiàn)的是機(jī)-機(jī)協(xié)同；“忠誠僚機(jī)”系統(tǒng)存在于有/無人機(jī)之間，體現(xiàn)的是人-機(jī)協(xié)同。

圖1 全球鷹無人機(jī)

圖2 蜂群

2.1 忠誠僚機(jī)

1）協(xié)同探測

在有/無人協(xié)同探測過程中，主要可采取以下三種方式完成任務(wù)：

（1）由無人機(jī)前置負(fù)責(zé)探測目標(biāo)，可通過有源機(jī)載雷達(dá)傳感器對目標(biāo)實施定位。然后通過數(shù)據(jù)鏈將目標(biāo)信息傳送至后方有人機(jī)，有人平臺負(fù)責(zé)信息處理、威脅評判和打擊決策。

（2）有人平臺通過其有源雷達(dá)傳感器對目標(biāo)進(jìn)行照射，多架無人機(jī)前置接收反射波，通過無源定位的方式完成探測，再將目標(biāo)信息回傳至有人機(jī)，該方式降低了目標(biāo)起伏特性，擴(kuò)展了探測距離。無源定位的精度與各接收站的位置密切相關(guān)，因此，可充分利用無人機(jī)的機(jī)動性，實時調(diào)整排布方式，提高定位精度。

（3）前置部署的無人機(jī)蜂群可根據(jù)敵方目標(biāo)自身的輻射信息，直接實現(xiàn)無源定位，并通過數(shù)據(jù)鏈向長機(jī)或有人平臺傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)，完成對目標(biāo)的探測偵察。

2）協(xié)同攻擊

在有/無人協(xié)同攻擊方面，每架無人機(jī)均可裝配不同的任務(wù)載荷，如雷達(dá)、光電、紅外、電子支援設(shè)備，以及各類不同類型的攻擊性武器。在有/無人編隊中，長機(jī)或有人平臺負(fù)責(zé)指揮多架無人機(jī)執(zhí)行攻擊任務(wù)，實現(xiàn)分布式協(xié)同作戰(zhàn)。長機(jī)或有人平臺對敵目標(biāo)發(fā)射武器，無人機(jī)發(fā)揮中繼制導(dǎo)作用，擴(kuò)展武器殺傷距離、提高打擊效率。在執(zhí)行任務(wù)時，小型無人機(jī)能夠增加編隊作戰(zhàn)的殺傷鏈配置選項，降低大型有人平臺探測、對抗威脅目標(biāo)的成本。在整個作戰(zhàn)過程中，長機(jī)或有人平臺負(fù)責(zé)目標(biāo)探測、識別跟蹤、信息處理、目標(biāo)打擊等任務(wù)分配，并通過數(shù)據(jù)鏈傳輸給無人僚機(jī)，指揮無人機(jī)完成作戰(zhàn)各類任務(wù)。

圖3 有/無人編隊壓制敵方防空系統(tǒng)

2.2 集群作戰(zhàn)

1）協(xié)同探測

無人機(jī)集群作戰(zhàn)的最大優(yōu)勢在于體系的區(qū)域分布性，最大特征是單元的自主特性以及“去中心化”。在目標(biāo)探測方面，小型無人機(jī)自身具有低截獲率、低檢測率等的特性，可在潛入敵方作戰(zhàn)區(qū)域甚至后方執(zhí)行遠(yuǎn)程偵察任務(wù)。由于小型無人機(jī)重量輕、尺寸小等原因?qū)е聜€體功能單一，所以需要多架小型無人機(jī)密切聯(lián)系，才能實現(xiàn)集群協(xié)同探測。外輻射源探測是通過我方特定的輻射源照射敵方目標(biāo)，再根據(jù)外輻射源的直達(dá)波與目標(biāo)的反射回波相結(jié)合，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)那對目標(biāo)的定位。外輻射源可以采用地面電臺、雷達(dá)，也可以利用我方的無人機(jī)搜索發(fā)現(xiàn)敵方的外輻射源，如機(jī)載照射源、預(yù)警機(jī)等，達(dá)到為我所用的目的。

2）協(xié)同攻擊

無人機(jī)集群作戰(zhàn)是由大型運(yùn)輸機(jī)或戰(zhàn)斗機(jī)等攜帶大量小型無人機(jī)，在特定空域釋放，迅速完成編隊后對目標(biāo)實施攻擊。集群式作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)基于各平臺的位置、任務(wù)參數(shù)、載荷能力、預(yù)期效果，為每一項優(yōu)先作戰(zhàn)任務(wù)選擇分配最適合的無人機(jī)。主要是由蜂群內(nèi)個體之間通過三角定位等無源定位與瞄準(zhǔn)技術(shù)，綜合多個平臺上的偵察資源、集中統(tǒng)一進(jìn)行動態(tài)的任務(wù)分配，為引導(dǎo)目標(biāo)信號干擾提供決策，壓制敵方防御系統(tǒng)、切斷敵方通信或向敵方數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中植入惡意代碼，實現(xiàn)“cyber攻擊”等。

3 作戰(zhàn)優(yōu)勢

對于蜂群作戰(zhàn)的優(yōu)勢，美國國防智庫在《戰(zhàn)場機(jī)器人時代》的報告中曾在理論上進(jìn)行了證明。在戰(zhàn)爭理論中，有一個基礎(chǔ)性理論——Lanchester 定律。交戰(zhàn)方的有效戰(zhàn)力，與其戰(zhàn)斗單位數(shù)的平方及每個戰(zhàn)斗單位的平均毀傷率系數(shù)的乘積成正比，如果我方武器系統(tǒng)的單個戰(zhàn)斗單位的平均效能為敵方的4 倍，則敵方在數(shù)量上集中2 倍于我方的兵力就可抵消我方武器在質(zhì)量上的優(yōu)勢。

圖4 Lanchester定律

另外，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)還有著更低的成本和更小的費(fèi)效比。根據(jù)奧古斯丁定律可知飛機(jī)的單價是指數(shù)增長的。而同時國防預(yù)算通常是線性增長的，所以一個直接的結(jié)果就是各國空軍所擁有的飛機(jī)數(shù)量越來越少。單架飛機(jī)的成本及任務(wù)量都大大增加，在反介入／區(qū)域拒止環(huán)境下費(fèi)效比太高。

圖5 美國年度飛機(jī)造價變化圖

綜上可知，與功能復(fù)雜且全面的單一作戰(zhàn)平臺相比，無人機(jī)蜂群在作戰(zhàn)時具備以下優(yōu)勢：1）功能分布化；2）體系生存率高；3）效費(fèi)交換比高。

4 關(guān)鍵技術(shù)

為了更進(jìn)一步弄清無人機(jī)的自主作戰(zhàn)能力，美國海軍研究辦公室及空軍研究實驗室（AFRL）定義了10 個自主控制級別（Autonomous Control Level，ACL）對無人機(jī)自主程度進(jìn)行量化衡量。其中最高等級為完全自主集群，這一最高控制等級要求智能無人機(jī)蜂群系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)無人多任務(wù)目標(biāo)全自主規(guī)劃，如圖6所示。

圖6 美軍無人機(jī)自主控制等級

目前，中美兩國在智能無人機(jī)蜂群領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位，但無人機(jī)蜂群受機(jī)體性能限制，還不具備遠(yuǎn)距離、高自主的作戰(zhàn)能力。距離完全實現(xiàn)無人機(jī)蜂群的自主控制，還有很長一段距離，需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)主要有：環(huán)境感知與認(rèn)識、多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策、信息共享與自主控制等。

4.1 環(huán)境感知與認(rèn)識

無人機(jī)蜂群系統(tǒng)要具備在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的能力，就必須確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確感知和識別戰(zhàn)場環(huán)境。通過蜂群內(nèi)單體之間的信息交互，不斷增強(qiáng)群體對戰(zhàn)場環(huán)境的感知與認(rèn)識，這是整個系統(tǒng)實現(xiàn)自主控制、進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、完成作戰(zhàn)決策的基礎(chǔ)。環(huán)境感知與認(rèn)識技術(shù)是利用蜂群內(nèi)單體攜帶雷達(dá)、紅外、光電等任務(wù)載荷，收集環(huán)境數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)分析與處理發(fā)現(xiàn)環(huán)境特點及潛在目標(biāo)，在熟悉戰(zhàn)場環(huán)境之后進(jìn)行目標(biāo)識別、定位與攻擊。該技術(shù)的主要環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)采集與建模、信息傳遞與融合、目標(biāo)識別與定位等。

4.2 多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策

無人機(jī)蜂群系統(tǒng)具備多樣化的能力，能夠在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中完成現(xiàn)地偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、精確打擊、火力引導(dǎo)等任務(wù)。確保任務(wù)規(guī)劃與決策環(huán)節(jié)高效順暢是發(fā)揮蜂群系統(tǒng)效能的前提，該技術(shù)的成熟度在一定程度上決定了無人機(jī)蜂群系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)時的成本。無人機(jī)蜂群系統(tǒng)以如何使收益最大化為基本原則進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，綜合考慮戰(zhàn)場空間的特點，單機(jī)性能參數(shù)以及對環(huán)境的適應(yīng)程度，充分發(fā)揮蜂群協(xié)同作戰(zhàn)的優(yōu)勢，實現(xiàn)作戰(zhàn)效益的最大化。

4.3 信息共享與自主控制

規(guī)模龐大的無人機(jī)蜂群系統(tǒng)主要依靠單體之間的信息共享來實現(xiàn)對環(huán)境的認(rèn)知，路線的調(diào)整以及自主控制的迭代。信息共享能夠支持單機(jī)選擇性接收自身需要的信息，實時路線調(diào)整與自主控制，避免單體之間的碰撞與重復(fù)執(zhí)行同一項任務(wù)。無人機(jī)蜂群可能會面臨如何保持編隊穩(wěn)定、抵抗電磁干擾或內(nèi)部系統(tǒng)故障等問題，這都需要單機(jī)情報信息實時共享與自主控制。該技術(shù)的主要內(nèi)容有多機(jī)協(xié)調(diào)與交互、復(fù)雜環(huán)境下的實時航跡規(guī)劃、編隊運(yùn)動協(xié)調(diào)規(guī)劃與控制，基于故障預(yù)測的任務(wù)規(guī)劃等。

5 結(jié)語

隨著世界各國對無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的研究不斷深入，其發(fā)展趨勢和方向已經(jīng)較為清晰。綜合來看，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)理念已經(jīng)對現(xiàn)代防空體系造成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，只有摸清其發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢及特點規(guī)律，才有可能弄清無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的制勝機(jī)理，在未來作戰(zhàn)中掌握主動權(quán)。