旋翼無(wú)人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)和作戰(zhàn)模式

孫強(qiáng) 姬樂(lè)強(qiáng) 石磊 段廣戰(zhàn)

集群智能作為一種顛覆性技術(shù)，已成為旋翼無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。本文介紹了旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)概念，對(duì)當(dāng)前無(wú)人機(jī)集群技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，并開(kāi)展了旋翼無(wú)人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)分析。最后對(duì)未來(lái)旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)模式進(jìn)行了研究。

旋翼無(wú)人機(jī)是指利用旋翼作為飛行和操縱力來(lái)源、由無(wú)線電地面遙控飛行或/和自主控制飛行的可垂直起降（VTOL）無(wú)人飛行器，在構(gòu)造形式上屬于旋翼飛行器，包括無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)等，在功能上屬于垂直起降飛行器。20世紀(jì)50～60年代，美國(guó)Gyrodyne公司設(shè)計(jì)研發(fā)了世界上第一種無(wú)人直升機(jī)-QH-50系列“雄蜂”無(wú)人直升機(jī)，并交付美國(guó)海軍執(zhí)行反潛任務(wù)。90年代，在經(jīng)歷過(guò)幾次伊拉克戰(zhàn)亂和幾次影響力巨大的地區(qū)沖突后，一些國(guó)家逐漸認(rèn)識(shí)到旋翼無(wú)人機(jī)的重要性和多種可用用途。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著各國(guó)對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)的重視程度的增加以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在旋翼無(wú)人機(jī)上不斷的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，旋翼無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)水平不斷提高，自主飛行能力也進(jìn)一步提高。面對(duì)未來(lái)高度對(duì)抗性、高度不確定性、高度動(dòng)態(tài)性的作戰(zhàn)環(huán)境，旋翼無(wú)人機(jī)的作戰(zhàn)模式將逐步從單平臺(tái)作戰(zhàn)向多平臺(tái)“集群”作戰(zhàn)方向發(fā)展，從執(zhí)行單一作戰(zhàn)任務(wù)向協(xié)同執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)偵察、電子干擾、火力打擊等多任務(wù)發(fā)展方向。本文首先對(duì)目前旋翼無(wú)人機(jī)集群的研究現(xiàn)狀做一概述，進(jìn)而分析了旋翼無(wú)人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)模式進(jìn)行了探討。

旋翼無(wú)人機(jī)集群研究現(xiàn)狀

旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)是指一組具備部分自主能力的旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通過(guò)有人/無(wú)人操作裝置的輔助，在一名高級(jí)操作員監(jiān)控下，多平臺(tái)協(xié)同完成作戰(zhàn)任務(wù)的過(guò)程。與單機(jī)作戰(zhàn)相比，旋翼無(wú)人機(jī)集群在作戰(zhàn)時(shí)具備功能分布化、體系生存率高等優(yōu)勢(shì)。在對(duì)抗過(guò)程中，當(dāng)部分個(gè)體失去作戰(zhàn)能力，整個(gè)集群仍可以繼續(xù)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。由于無(wú)人直升機(jī)單機(jī)成本較高，目前，針對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)集群的研究主要使用微小型四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行演示試驗(yàn)和技術(shù)驗(yàn)證。

自2000年美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局（ DARPA）啟動(dòng)了無(wú)人機(jī)集群空中戰(zhàn)役研究計(jì)劃后，美國(guó)國(guó)防部于2005年頒布了2005-2030《無(wú)人機(jī)系統(tǒng)路線圖》，規(guī)劃了多種不同類(lèi)型的無(wú)人機(jī)發(fā)展計(jì)劃，對(duì)無(wú)人機(jī)自主飛行能力進(jìn)行了等級(jí)劃分，并將無(wú)人機(jī)完全自主群體定為最高等級(jí)。無(wú)人機(jī)智能集群作為一種顛覆性技術(shù)和未來(lái)無(wú)人化作戰(zhàn)的突破口，受到了美國(guó)等軍事強(qiáng)國(guó)的關(guān)注。

2002年，美軍聯(lián)合部隊(duì)司令部（ JFCOM）“阿爾法計(jì)劃”實(shí)驗(yàn)室對(duì)無(wú)人機(jī)“集群作戰(zhàn)”的效能進(jìn)行了研究，結(jié)果初步表明無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)具有較高的效能優(yōu)勢(shì)。2008年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的Jonathan How教授所領(lǐng)導(dǎo)的SWARMS健康管理項(xiàng)目，使多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具備在動(dòng)態(tài)環(huán)境中執(zhí)行預(yù)先制定任務(wù)的能力，并通過(guò)10架四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的300余次測(cè)試驗(yàn)證了算法的有效性。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)“格拉斯帕”（GRASP）實(shí)驗(yàn)室成功讓16～20架小型四旋翼無(wú)人機(jī)在室內(nèi)組成各種形狀的飛行編隊(duì)，具有協(xié)同飛行、軌跡規(guī)劃、規(guī)避障礙等能力。

2016年初，Intel公司在CES2016國(guó)際消費(fèi)電子產(chǎn)品展上用100架四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行了燈光秀表演，開(kāi)啟了無(wú)人機(jī)集群在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。同年9月，大連萬(wàn)達(dá)集團(tuán)在重慶用101架無(wú)人機(jī)進(jìn)行了音樂(lè)表演。同年11月，Intel公司使用500架四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行了編隊(duì)表演燈光秀。

總的來(lái)看，對(duì)于旋翼無(wú)人機(jī)集群的研究，美國(guó)依然走在世界前列。當(dāng)前研究多處于控制算法研究和仿真試驗(yàn)階段。從數(shù)量來(lái)看，旋翼無(wú)人機(jī)集群數(shù)量記錄一直在不斷的刷新，但集群能力還相對(duì)較低，特別是民用領(lǐng)域，大多表演僅是在旋翼無(wú)人機(jī)數(shù)量上尋求突破，無(wú)人機(jī)集群僅是按各自預(yù)先規(guī)劃路徑進(jìn)行單獨(dú)飛行，自主能力相對(duì)較低。

旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)

未來(lái)無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題包括集群智能控制算法、集群通信網(wǎng)絡(luò)、態(tài)勢(shì)感知、編隊(duì)控制和一站多機(jī)測(cè)控等。

（1）集群智能控制算法

旋翼無(wú)人機(jī)集群在作戰(zhàn)過(guò)程中，必須要快速并準(zhǔn)確的分布到各個(gè)作戰(zhàn)區(qū)域，進(jìn)行有效的作戰(zhàn)編隊(duì)。集群中每個(gè)個(gè)體都具有一定自主能力，但其能力具有局限性，集群中每個(gè)個(gè)體必須相互配合協(xié)調(diào)才能完成較為復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)。旋翼無(wú)人機(jī)要實(shí)現(xiàn)相互間的協(xié)同就必須確定個(gè)體之間邏輯上和物理上的信息關(guān)系和控制關(guān)系，針對(duì)這些問(wèn)題而進(jìn)行的體系結(jié)構(gòu)研究可以保證系統(tǒng)中信息流和控制流的暢通，為旋翼無(wú)人機(jī)之間的交互提供框架。因此，針對(duì)集群智能控制算法的研究是實(shí)現(xiàn)旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)的關(guān)鍵。目前具有代表性的集群智能算法主要有蟻群算法（Ant Colony System，ACS）、粒子群算法（Particle SwarmOptimization，PSO）和人工蜂群算法（Artificial Bee ColonyAlgorithm，ABC）等。

（2）集群通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

旋翼無(wú)人機(jī)集群在作戰(zhàn)過(guò)程中，對(duì)通信鏈路的要求十分嚴(yán)苛，旋翼無(wú)人機(jī)和地面站、旋翼無(wú)人機(jī)和旋翼無(wú)人機(jī)、編隊(duì)和編隊(duì)之間必須存在一定的信息交互，并降低通信延遲，保證信息交互的時(shí)效性。同時(shí)在作戰(zhàn)過(guò)程中，很大幾率會(huì)有旋翼無(wú)人機(jī)個(gè)體被擊落和其它個(gè)體加入編隊(duì)進(jìn)行增援的情況，因此其通信網(wǎng)絡(luò)在滿(mǎn)足正常需求的條件下，應(yīng)支持旋翼無(wú)人機(jī)集群完成編隊(duì)重構(gòu)功能。當(dāng)集群與地面之間的測(cè)控鏈路中斷之后，集群也要具備一定的自組織能力，以短暫維持集群的戰(zhàn)斗力。

針對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的要求，國(guó)內(nèi)外都在信息交互技術(shù)等方面進(jìn)行了大量的研究，集群數(shù)據(jù)鏈自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)的通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一。自適應(yīng)組網(wǎng)技術(shù)可以將多條鏈路組成無(wú)人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)，充分利用不同鏈路的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)空（無(wú)人機(jī)）一天（衛(wèi)星）一地（地面站）之間的通信互聯(lián)，數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)管理，適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等功能，從而支持無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)。

（3）態(tài)勢(shì)感知技術(shù)

態(tài)勢(shì)感知是旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)中能夠取得優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵技術(shù)。旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)過(guò)程中受到的威脅可以來(lái)自任意方向，在集群對(duì)抗戰(zhàn)斗中，友機(jī)與敵機(jī)相互纏繞，信息量大，態(tài)勢(shì)評(píng)估對(duì)比單機(jī)作戰(zhàn)情況復(fù)雜的多。這就需要旋翼無(wú)人機(jī)集群中每個(gè)個(gè)體利用對(duì)周?chē)h(huán)境和敵機(jī)的態(tài)勢(shì)感知信息和接收到的友機(jī)信息進(jìn)行綜合分析，確定敵方態(tài)勢(shì)、己方態(tài)勢(shì)、自身飛行狀態(tài)、武器狀況等，通過(guò)分析感知數(shù)據(jù)幫助決策作戰(zhàn)指令。

目前相關(guān)技術(shù)包括協(xié)同目標(biāo)探測(cè)、協(xié)同目標(biāo)狀態(tài)融合估計(jì)，協(xié)同態(tài)勢(shì)理解與共享等。由于無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)相較單機(jī)作戰(zhàn)信息量大且復(fù)雜，為了正確的進(jìn)行正確的態(tài)勢(shì)評(píng)估，單純依靠某一種方法是不可能實(shí)現(xiàn)的，必須選取多種態(tài)勢(shì)估計(jì)方法，已達(dá)到方法上的最佳組合。

（4）編隊(duì)控制技術(shù)

集群作戰(zhàn)過(guò)程中，旋翼無(wú)人機(jī)起飛后首先要在空中集結(jié)編隊(duì)，然后飛往任務(wù)區(qū)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù);作戰(zhàn)過(guò)程中可能遭到攻擊造成部分旋翼無(wú)人機(jī)的脫離編隊(duì);或者根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需要對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行分組執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。因此，旋翼無(wú)人機(jī)集群需要具備編隊(duì)構(gòu)成、保持和重構(gòu)等能力。

無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)控制問(wèn)題主要采用分布式編隊(duì)控制方式解決。分布式編隊(duì)是控制人員將信息發(fā)送給集群中部分無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)能選擇與其它無(wú)人機(jī)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)集群編隊(duì)控制。分布式編隊(duì)控制可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模編隊(duì)時(shí)降低無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的通信代價(jià)，且當(dāng)任意編隊(duì)成員出現(xiàn)問(wèn)題或故障時(shí)，仍能保證編隊(duì)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，極大地增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。目前無(wú)人機(jī)集群編隊(duì)控制方法主要有Leader-Follower、虛擬領(lǐng)航法和行為控制法。

（5）一站多機(jī)測(cè)控技術(shù)

隨著旋翼無(wú)人機(jī)集群的個(gè)體數(shù)量增加，對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)測(cè)控技術(shù)也提出了新的挑戰(zhàn)。旋翼無(wú)人機(jī)現(xiàn)有地面測(cè)控站大多屬于“一站一機(jī)”，部分地面測(cè)控站具備控制3、4架旋翼無(wú)人機(jī)的能力。對(duì)于集群作戰(zhàn)來(lái)說(shuō)，旋翼無(wú)人機(jī)的數(shù)量更多，且不同個(gè)體之間攜帶任務(wù)載荷也會(huì)有所差別。因此針對(duì)未來(lái)旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)需要研發(fā)新的地面測(cè)控站，以實(shí)現(xiàn)旋翼無(wú)人機(jī)集群控制。

旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)探討

根據(jù)旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)大小、任務(wù)載荷和作戰(zhàn)環(huán)境的不同，旋翼無(wú)人機(jī)集群可以組織執(zhí)行不同類(lèi)型的作戰(zhàn)任務(wù)，包括旋翼無(wú)人機(jī)集群協(xié)同偵察打擊，有人/無(wú)人機(jī)混編集群作戰(zhàn)，旋翼無(wú)人機(jī)集群對(duì)抗等。

（1）旋翼無(wú)人機(jī)集群協(xié)同偵察打擊

該種作戰(zhàn)模式下，旋翼無(wú)人機(jī)集群可由偵察型旋翼無(wú)人機(jī)、武裝型旋翼無(wú)人機(jī)和電子干擾型旋翼無(wú)人機(jī)組成。假設(shè)對(duì)目標(biāo)區(qū)域A進(jìn)行偵察打擊，旋翼無(wú)人機(jī)起飛后先在空中按任務(wù)類(lèi)型進(jìn)行集結(jié)編隊(duì)，然后向區(qū)域A方向飛行。抵近后，由干擾編隊(duì)進(jìn)行協(xié)同干擾，造成區(qū)域A雷達(dá)系統(tǒng)短暫癱瘓;由偵察和打擊編隊(duì)快速對(duì)區(qū)域A雷達(dá)系統(tǒng)關(guān)鍵部位進(jìn)行偵察定位并集中火力打擊，造成區(qū)域A雷達(dá)偵察系統(tǒng)徹底癱瘓;然后以小部分偵察型、武裝型和干擾型組合的模式對(duì)整個(gè)集群進(jìn)行重新編隊(duì)，對(duì)區(qū)域A進(jìn)行分散打擊;結(jié)束作戰(zhàn)任務(wù)后編隊(duì)返航。

執(zhí)行偵察打擊任務(wù)時(shí)，偵察型旋翼無(wú)人機(jī)可配置多型傳感器，如可見(jiàn)光、紅外、雷達(dá)等傳感器相互配合，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域復(fù)雜條件下的協(xié)同搜索偵察。武裝型旋翼無(wú)人機(jī)可攜帶不同類(lèi)型的武器裝備，如空對(duì)地導(dǎo)彈、榴彈、破甲彈、燃燒彈、機(jī)炮等，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域不同攻擊對(duì)象的有效打擊。干擾型旋翼無(wú)人機(jī)可采用小型旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)協(xié)同干擾，這樣可有效降低自身雷達(dá)偵察面積，提高自身安全性和對(duì)目標(biāo)區(qū)域的干擾面積。

（2）有人/無(wú)人機(jī)混編集群作戰(zhàn)

有人/無(wú)人機(jī)協(xié)同近年來(lái)也是各軍事強(qiáng)國(guó)的研究重點(diǎn)，通過(guò)有人直升機(jī)對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)直接進(jìn)行飛行和任務(wù)載荷控制，可以實(shí)施聯(lián)合目標(biāo)識(shí)別與確認(rèn)、快速打擊和戰(zhàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)評(píng)估等任務(wù)。如察打一體無(wú)人直升機(jī)與武裝直升機(jī)混合編隊(duì)作戰(zhàn)，一架有人武裝直升機(jī)配多架察打一體無(wú)人直升機(jī)，察打一體無(wú)人直升機(jī)布置在編隊(duì)前沿。武裝直升機(jī)作為指揮機(jī)，匯集由無(wú)人直升機(jī)獲得的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，通過(guò)指令控制無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)攻擊任務(wù)，由無(wú)人直升機(jī)對(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)行火力攻擊。察打一體無(wú)人直升作為先遣機(jī)為武裝直升機(jī)進(jìn)行出航引導(dǎo)，不僅降低了武裝直升機(jī)敵方威脅，也使武裝直升機(jī)起到先敵發(fā)現(xiàn)、先敵攻擊的能力，大大提高了混合編隊(duì)的作戰(zhàn)效能。

2011年9月，美國(guó)陸軍在猶他州達(dá)格威（ Dugway）靶場(chǎng)進(jìn)行了有人/無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)演習(xí)，演習(xí)結(jié)果表明各系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)可大幅提升陸軍作戰(zhàn)能力。未來(lái)，隨著飛行控制技術(shù)、測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，有人/旋翼無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)必然演變?yōu)橛腥?旋翼無(wú)人機(jī)混編集群作戰(zhàn)，也最大限度發(fā)揮集群作戰(zhàn)和有人/旋翼無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)。

（3）無(wú)人機(jī)集群對(duì)抗

無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)帶來(lái)了巨大的規(guī)模優(yōu)勢(shì)，集群技術(shù)必將在軍事領(lǐng)域扮演重要角色，那么對(duì)于無(wú)人機(jī)集群的對(duì)抗也成為一個(gè)重要的研究課題。美國(guó)海軍研究生院（Naval Postgraduate School）蒂莫西H.鐘（Timothy H.Chung）認(rèn)為，未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中唯一能對(duì)付集群無(wú)人機(jī)的將是另一群無(wú)人機(jī)。因此，采用怎樣的編隊(duì)方式與敵軍旋翼無(wú)人機(jī)集群對(duì)抗，對(duì)抗中如何有效“打散”敵方集群編隊(duì)并保持己方優(yōu)勢(shì)將是旋翼無(wú)人機(jī)集群對(duì)抗作戰(zhàn)中的重要研究方向。如羅德林等提出，大規(guī)模無(wú)人機(jī)的集群對(duì)抗可借鑒多agent系統(tǒng)的工作形式，多agent技術(shù)具有的自組織能力、學(xué)習(xí)能力和推理能力，為無(wú)人機(jī)集群間的對(duì)抗控制與決策提供了有效途徑。

結(jié)束語(yǔ)

旋翼無(wú)人機(jī)作為未來(lái)“無(wú)人化”作戰(zhàn)的利器，已經(jīng)引起各國(guó)重視。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，必然是陸、海、空、天、電五維一體化作戰(zhàn)，旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)必然會(huì)和地面、海上等作戰(zhàn)單元協(xié)同作戰(zhàn)。旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)必將成為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上取得戰(zhàn)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的一大關(guān)鍵。通過(guò)本文對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)集群的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的簡(jiǎn)要分析以及對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)模式的探討?？蔀槲覈?guó)在旋翼無(wú)人機(jī)集群的關(guān)鍵技術(shù)尋取突破口，在此基礎(chǔ)上，同步開(kāi)展旋翼無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)戰(zhàn)法和反無(wú)人機(jī)集群研究，以在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)中取得對(duì)抗優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)集群作戰(zhàn)效能最大化。