美軍無人機蜂群的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景

袁成

2018年4月18日，美國代奈提克斯公司擊敗通用原子航空系統(tǒng)公司，獲得了美國國防部預(yù)研局“小精靈”項目價值3860萬美元、為期21個月的第三階段合同?！靶【`”項目旨在探索小型無人機蜂群的空中發(fā)射和回收等關(guān)鍵技術(shù)，為此代奈提克斯公司計劃2019年下半年在C-130運輸機上實施多架“小精靈”無人機的發(fā)射和安全試驗。相比傳統(tǒng)多功能、高性能航空裝備，無人機蜂群在可在降低作戰(zhàn)成本的同時提高作戰(zhàn)能力，具備深刻變革未來裝備發(fā)展模式的潛力。

美軍無人機蜂群的研發(fā)背景

以F-35等戰(zhàn)斗機為代表的美軍最新一代高性能航空裝備，研制周期長、成本過高、升級和維護困難、故障頻發(fā)，在其國防預(yù)算削減和中俄防空能力快速提升背景下，難以取得壓倒性優(yōu)勢。故美軍當前正尋找研制周期短、成本低、技術(shù)更新迅速的新型航空裝備，希望與高性能裝備在強對抗環(huán)境中配合作戰(zhàn)。這使無人機蜂群技術(shù)及作戰(zhàn)概念成為關(guān)注重點。

無人機蜂群由數(shù)十至成百上千架小尺寸、低成本、有限功能、任務(wù)相同的無人機構(gòu)成。蜂群可選擇使用情監(jiān)偵、電子戰(zhàn)或武器等載荷，借鑒蜂群、鳥群等群體行為模式，在人類指揮或監(jiān)督下協(xié)同開展搜索、干擾或攻擊等行動。無人機蜂群作戰(zhàn)具備諸多優(yōu)勢：一是無人機數(shù)量多、覆蓋面積大，態(tài)勢感知能力強，可壓制或干擾敵防空火力;二是損傷冗余度較大，即便損失部分無人機，蜂群作為整體仍可完成任務(wù);三是單架無人機成本遠低于防空導(dǎo)彈，增加敵防御成本;四是作戰(zhàn)靈活性強，可與各型高性能有人/無人航空裝備配合作戰(zhàn)。

據(jù)公開信息，目前國外系統(tǒng)性研究無人機蜂群技術(shù)和作戰(zhàn)概念的國家只有美國。另外，韓國陸軍去年表示正在也在研發(fā)搭載爆炸物的無人機蜂群。美國在上世紀90年代開始探索無人機蜂群技術(shù)，開展了大量作戰(zhàn)概念研究、仿真驗證和室內(nèi)編隊飛行工作。目前，隨著無人機領(lǐng)域感知、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，美軍的無人機蜂群正處于關(guān)鍵技術(shù)飛行驗證階段。戰(zhàn)略能力辦公室2016年底開展了面向空地任務(wù)的蜂群試驗，103架微型無人機已實現(xiàn)空中快速發(fā)射和按照指令集成編隊;海軍研究辦公室2016年5月實施了面向空海任務(wù)的蜂群試驗，實現(xiàn)了30s發(fā)射30架小型無人機，驗證了編隊飛行、隊形變換、協(xié)同機動等能力。

美軍無人機蜂群的關(guān)鍵技術(shù)

無人機蜂群的實戰(zhàn)化應(yīng)用需要攻克編隊飛行算法、蜂群協(xié)同作戰(zhàn)算法、有人機/蜂群協(xié)同算法、蜂群快速發(fā)射與國收、小型多功能載荷、蜂群作戰(zhàn)體系架構(gòu)和蜂群作戰(zhàn)管理等多項關(guān)鍵技術(shù)。蜂群的規(guī)模越大、作戰(zhàn)環(huán)境越復(fù)雜，對自主水平、協(xié)同能力和傳感器性能等也會提出更高要求。目前，美軍實施了大量無人機蜂群項目，對上述關(guān)鍵技術(shù)開展研究。

編隊飛行算法。無人機蜂群作戰(zhàn)需要具備多無人機的自主編隊能力，面臨編隊構(gòu)成與重構(gòu)、隊形保持、避免碰撞等問題。在戰(zhàn)略能力辦公室“無人機蜂群”項目中，103架微型“山鶉”無人機在空中被依次發(fā)射，并按指揮人員的指令環(huán)繞電子地圖中的某點飛行，或圍繞一條直線飛行。另外，通過人為墜毀一架無人機驗證了“山鶉”蜂群的編隊重構(gòu)與保持能力。

協(xié)同作戰(zhàn)算法。無人機蜂群在編隊飛行的基礎(chǔ)上，還需研究協(xié)同作戰(zhàn)算法，以具備實際作戰(zhàn)能力。為此，美國國防部預(yù)研局實施了“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”項目，通過發(fā)展先進算法和軟件，探索無人機蜂群的自主和協(xié)同技術(shù)，使蜂群在一名操作人員的管理下合作完成發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識別和攻擊目標等任務(wù)。該項目的研究方向為提升無人機自主作戰(zhàn)能力、發(fā)展使指揮官保持態(tài)勢感知的人機界面、發(fā)展蜂群等級的自主能力、發(fā)展蜂群協(xié)同開放式架構(gòu)等。目前，美國國防部預(yù)研局已選擇雷神公司進行項目軟件的最終研發(fā)。

快速發(fā)射和回收。美國國防部預(yù)研局認為，在沒有可靠陸基或?；扅c時，空基發(fā)射和回收將是小型、大作戰(zhàn)半徑無人機蜂群最簡易后勤和最低成本的解決方案，同時還具有對無人機性能影響最小和再次發(fā)射迅速等優(yōu)勢。因此在該局“小精靈”項目中，代奈提克斯公司的空中發(fā)射和回收系統(tǒng)參考了空中加油系統(tǒng)，其由絞車、線纜、線纜末端的對接裝置和機械爪等部件組成。發(fā)射時，無人機與對接裝置相連，通過絞車和線纜從C-130的貨艙門向外投放，到達安全距離后與對接裝置分離，使用自身動力向前飛行?；厥諘r，無人機與對接裝置在空中對接。之后發(fā)動機停車，無人機由線纜拖至C-130貨艙門附近，由機械爪捕獲并放回機艙。

小型多功能載荷。目前的雷達、電子戰(zhàn)和通信射頻系統(tǒng)使用分離且專用的硬件、軟件和天線，使空間和電功率受限的小型無人機很難擁有全部三種功能。為此，美國國防部預(yù)研局面向無人機蜂群發(fā)起“射頻任務(wù)操作中融合的合作式單元”項目，研發(fā)融合、輕便、規(guī)?？勺兊纳漕l架構(gòu)，使射頻系統(tǒng)擁有雷達、電子戰(zhàn)和通信等多種功能，關(guān)鍵技術(shù)包括射頻調(diào)節(jié)與數(shù)字變換、功放和天線/機體集成、混合式射頻處理等。2017年，BAE系統(tǒng)公司獲得540萬美元的項目合同。

作戰(zhàn)體系架構(gòu)。無人機蜂群作戰(zhàn)需根據(jù)不同的使命任務(wù)合理規(guī)劃、配置無人機的種類、數(shù)量和功能，以及有人機數(shù)量和功能。為此美國國防部預(yù)研局實施了“體系集成技術(shù)試驗”項目，著重探索開放式體系架構(gòu)技術(shù)，目標是以美軍現(xiàn)有能力為基礎(chǔ)，把單一裝備的空戰(zhàn)能力分布在大量可互操作的有人和無人平臺上，實現(xiàn)各種先進機載系統(tǒng)和機載武器的即插即用，極大提升蜂群作戰(zhàn)的靈活性。項目的研究方向為架構(gòu)開發(fā)和集成技術(shù)開發(fā)，前者聚焦無人機蜂群架構(gòu)的概念，后者聚焦開發(fā)工具，使異構(gòu)任務(wù)系統(tǒng)快速集成至不同類型飛機。洛馬公司將在2019年10月完成項目第二階段研究。

作戰(zhàn)管理。無人機蜂群作戰(zhàn)時小型平臺數(shù)量較多，雖有自主和協(xié)同等技術(shù)支撐，但仍需要有人機對蜂群開展監(jiān)督和管理，以在強對抗環(huán)境中更好地執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。美國國防部預(yù)研局的“分布式作戰(zhàn)管理”項目將研發(fā)決策輔助原型軟件，幫助作戰(zhàn)管理員保持態(tài)勢感知、推薦任務(wù)、生成詳細作戰(zhàn)計劃和保持飛行控制，以更好執(zhí)行無人機蜂群作戰(zhàn)等復(fù)雜軍事任務(wù)。該項目正在研發(fā)兩種軟件，即“網(wǎng)絡(luò)對抗環(huán)境態(tài)勢理解系統(tǒng)”和“反介入實時任務(wù)管理系統(tǒng)”，前者構(gòu)建可分享至每個平臺的統(tǒng)一作戰(zhàn)場景，后者以該場景為基礎(chǔ)為編隊中的每架飛機制定合適的任務(wù)和飛行路徑。2018年3月，BAE系統(tǒng)公司獲得項目第三階段合同，7月將進行空對地任務(wù)模擬演習(xí)。

美軍無人機蜂群的未來應(yīng)用前景

根據(jù)美空軍2015年發(fā)布的《空軍未來作戰(zhàn)概念》、2016年推出的《小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃2016-2036》，以及美國國防部預(yù)研局的各項目構(gòu)想，可預(yù)見無人機蜂群將在空對面、空對空、城市戰(zhàn)和作戰(zhàn)支援等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

在空對面作戰(zhàn)方面，由于目前的防空系統(tǒng)主要針對傳統(tǒng)多功能戰(zhàn)斗機設(shè)計，因此無人機蜂群將擁有非對稱作戰(zhàn)優(yōu)勢。一是執(zhí)行區(qū)域情監(jiān)偵。無人機蜂群中的大量小型無人機可在某一區(qū)域同時開展針對敵坦克、指揮所等目標的情報、監(jiān)視和偵查任務(wù)。各無人機可分別搭載雷達、光電、紅外甚至激光傳感器，通過多源信息融合提高捕獲目標的速度和準確性。另外，無人機蜂群也可從多個角度同時觀察同一地面目標，進一步提升了情監(jiān)偵能力。二是壓制敵一體化防空系統(tǒng)。大量的小型無人機可飽和敵防空雷達的跟蹤和瞄準信道，使敵暫時失去防空能力。這樣即可保證美戰(zhàn)機快速通過敵防區(qū)，又可為美導(dǎo)彈打擊敵防空系統(tǒng)提供支持。三是充當誘餌。無人機蜂群可組成與有人機雷達反射截面類似的誘餌，浪費敵昂貴的防空導(dǎo)彈。四是實施對地攻擊。除了裝載各類傳感器，無人機蜂群也可安裝動能戰(zhàn)斗部，在發(fā)現(xiàn)目標后從各角度開展自殺式攻擊。五是遂行對地電子壓制。蜂群中的部分無人機可攜帶電子對抗裝置，干擾敵地面電子設(shè)備，保障蜂群或其他空戰(zhàn)裝備順利執(zhí)行任務(wù)。六是損傷評估。在強對抗環(huán)境中，可利用無人機蜂群損傷冗余度較大的優(yōu)勢，深入敵防區(qū)執(zhí)行關(guān)鍵目標損傷評估任務(wù)。

在空對空作戰(zhàn)方面，無人機蜂群也可發(fā)揮一定作用。一是執(zhí)行反無人機蜂群任務(wù)。隨著無人機蜂群研究的不斷深入，各類反無人機蜂群技術(shù)也開始浮出水面，例如利用激光和高功率微波等定向能武器。無人機蜂群也是反制敵無人機蜂群的有效手段，目前美空軍和高校都在研究無人機蜂群間的對抗技術(shù)。二是遂行對空電子壓制。無人機蜂群可在空中組成一面廣闊的電子對抗陣列，對敵來襲戰(zhàn)機實施電子作戰(zhàn)。

在城市戰(zhàn)方面，美小規(guī)模地面部隊目前有大量使用無人機蜂群以提高復(fù)雜環(huán)境作戰(zhàn)能力的需求。美軍認為，無人機蜂群有三種城市戰(zhàn)作戰(zhàn)樣式。一是在城市中確認敵人和平民。在高強度城市戰(zhàn)中，蜂群可飛臨每棟建筑，觀察窗口或門廊的狙擊手等目標，擾亂其作戰(zhàn)計劃，降低為掩護美軍部隊前進而向建筑射擊的耗彈量。二是為美軍地面部隊提供掩護。城市戰(zhàn)中進攻部隊時刻都處于被發(fā)現(xiàn)和瞄準的狀態(tài)。這時無人機蜂群可攜帶煙霧發(fā)生器，通過產(chǎn)生大量煙霧掩護攻擊部隊前進。三是為美軍地面部隊提供保護。無人機蜂群可在進攻部隊前方或周圍形成“無人蜂群墻”，幫助美軍地面部隊擋住來襲子彈。

除此之外，無人機蜂群也可執(zhí)行彈藥、小型作戰(zhàn)裝備、醫(yī)療物品的空投補給以及戰(zhàn)場氣象監(jiān)測等作戰(zhàn)支援任務(wù)。最后，規(guī)模龐大的無人機蜂群同時突然飛臨戰(zhàn)場，勢必對敵作戰(zhàn)人員造成極大震撼，有助于美軍贏得心理戰(zhàn)爭。