無人機集群作戰(zhàn)及其關(guān)鍵技術(shù)

張健 曲浩 丁興志 王斌

無人機集群作戰(zhàn)是一種可能改變未來戰(zhàn)場規(guī)則的新型作戰(zhàn)概念。本文探討了無人機集群作戰(zhàn)使用模式，總結(jié)了近年來美國在無人機集群作戰(zhàn)領(lǐng)域的研究進展，論述了無人機集群作戰(zhàn)主要關(guān)鍵技術(shù)，指出無人機集群作戰(zhàn)未來發(fā)展方向。

無人機具有零人員傷亡、持續(xù)作戰(zhàn)能力強、任務(wù)功能多樣化等優(yōu)點，更適合執(zhí)行枯燥、骯臟和危險的任務(wù)。為了應(yīng)對體系化、信息化，強對抗的未來戰(zhàn)場環(huán)境，無人機作戰(zhàn)樣式開始從“單機”向集群（Swarm，也稱為“蜂群”）方向發(fā)展。大中型空中平臺運載并投放大量無人機，組成無人機集群，機群自主協(xié)同，通過飛行控制、態(tài)勢感知、目標(biāo)分配和智能決策，依靠集群應(yīng)對瞬息萬變的戰(zhàn)場環(huán)境，通過能力互補和行動協(xié)調(diào)，實現(xiàn)單架無人機能力擴展以及集群整體作戰(zhàn)效能的提升。

無人機集群作戰(zhàn)概念

美國人洛克·范姆2012年發(fā)表的《無人機蜂群攻擊》一文對無人機集群作戰(zhàn)概念進行了深入論證。這篇文章假定了一種典型戰(zhàn)場環(huán)境：在常規(guī)氣象條件下，美海軍一艘驅(qū)逐艦被5～]O架從各個方向飛來的無人機攻擊，這些無人機全部由貨架產(chǎn)品組裝而成，受附近一艘漁船遙控。指出即便是美國海軍“宙斯盾”系統(tǒng)，在應(yīng)對無人機集群攻擊時也顯得力不從心，而這一令人大跌眼鏡的結(jié)論也得到美國海軍數(shù)百次的模擬作戰(zhàn)試驗結(jié)果支持。試驗中，當(dāng)由8架無人機組成的集群進行攻擊時，平均有2.8架無人機能夠避開攔截。即使對艦載防空系統(tǒng)進行技術(shù)升級，仍有至少1架無人機能夠避開攔截。上述結(jié)論還只是針對8架無人機組成的集群，如果無人機數(shù)量增加到30架甚至上百架，結(jié)果可想而知。

由此可見，無人機集群能實現(xiàn)對重要目標(biāo)的大范圍防御，同時支持從多個方向突防和戰(zhàn)場機動性對抗，能在關(guān)鍵時刻和位置形成數(shù)量上的優(yōu)勢。無論是防御還是進攻，都能發(fā)揮意想不到的效果。

無人機集群作戰(zhàn)模式

集群的本質(zhì)是自主化組網(wǎng)的無人機群，在統(tǒng)一指揮下通過協(xié)同工作執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。無人機群是集群戰(zhàn)術(shù)的基礎(chǔ)，通信網(wǎng)絡(luò)是集群戰(zhàn)術(shù)的紐帶，無人機群通過網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，不僅能夠?qū)崟r分享個體通過自身傳感器獲得的局部信息，而且能夠及時獲取作戰(zhàn)體系中其它途徑獲得的信息，同時監(jiān)控每個無人機個體和整個“機群”的健康狀況，迅速根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢演變，通過自主化決策或外部干預(yù)，及時調(diào)整集群的作戰(zhàn)部署和個體的任務(wù)分配。

執(zhí)行察打任務(wù)協(xié)同

無人機集群可以用于探測目標(biāo)，協(xié)同執(zhí)行偵察或攻擊任務(wù)。該任務(wù)可以局限于某一特定區(qū)域內(nèi)，通過提供交互式指揮和控制功能，協(xié)同完成空中截?fù)?、探測和打擊目標(biāo)、減小附加損失、提供即時的損傷評估（圖1）。無人機集群可以執(zhí)行打擊協(xié)同和偵察任務(wù)，不但有效提高載機的生存力，而且能夠有效實施對聯(lián)合防空系統(tǒng)的滲透。不同于常規(guī)的攻擊或偵察飛機，蜂群可以作為有人或無人控制的突擊隊，其可執(zhí)行的任務(wù)包括：定位、校核、穿插識別移動目標(biāo)、目標(biāo)排序、更新目標(biāo)等。

壓制/破壞防御系統(tǒng)

無人機非常適合執(zhí)行壓制/破壞敵防御系統(tǒng)任務(wù)，它可以破壞防空體系，如指揮控制設(shè)施、雷達(dá)站和地對空導(dǎo)彈發(fā)射裝置，而不用付出飛行員的傷亡代價。無人機集群能夠?qū)撤揽障到y(tǒng)實施飽和化攻擊，或吸引敵防空系統(tǒng)的注意力，增加任務(wù)成功率并減少已方傷亡。而提前定位，全副武裝的網(wǎng)絡(luò)化無人機集群可以不用預(yù)先探測就癱瘓敵防空體系。完成上述任務(wù)，要求無人機機群具有以下基本性能：配備武器、高亞音速飛行性能、足夠的航程、傳感器能在各種氣象條件和多種地域內(nèi)探測、多平臺協(xié)同控制會進一步簡化搜索和完成任務(wù)。下圖2是美國國防部預(yù)研局設(shè)想的一種作戰(zhàn)場景：通過大型運載平臺，在防區(qū)外投放無人機群，無人機群在高威脅環(huán)境下對敵防空體系實施空中打擊。

充當(dāng)誘餌

由于低成本和低的戰(zhàn)場風(fēng)險，無人機集群適合扮演誘餌角色，集群中的無人機可以發(fā)射雷達(dá)波、紅外線或其它信號欺騙對手，使其將注意力放在主要任務(wù)之外的地方。例如集群可以通過組合排列形成相似的信號，從而掩護重要的目標(biāo)。另外，可以一部分承擔(dān)誘餌任務(wù)，另一部分執(zhí)行對敵目標(biāo)的攻擊和殺傷。構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)

隨著現(xiàn)代信息環(huán)境的迅速發(fā)展，獲得詳細(xì)的戰(zhàn)場態(tài)勢對于戰(zhàn)場指揮而言越來越重要。從數(shù)量巨大的無人機上獲得的圖像和視頻不僅有助于迅速作出重大決策，而且從成本和風(fēng)險的角度來看都更有利。在戰(zhàn)場環(huán)境下，從無人機上獲得的信息可以使用指揮官更準(zhǔn)確地把握戰(zhàn)場態(tài)勢和未來演變，采取更為有利的行動。

隨著電子探測系統(tǒng)、接口程序設(shè)計、適應(yīng)性通信協(xié)議、自組網(wǎng)和自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，多平臺多傳感器的無人機網(wǎng)絡(luò)更促進了無人機集群作戰(zhàn)的成熟。機載層次化網(wǎng)絡(luò)支技多種多樣的傳感器數(shù)據(jù)類型，可以快速形成敵對環(huán)境下的復(fù)雜戰(zhàn)場態(tài)勢圖（圖3），從而能夠支持執(zhí)行多種任務(wù)：如邊境保護、持續(xù)偵察、橋梁和管線的監(jiān)控等等。

執(zhí)行反無人機任務(wù)

常規(guī)反無人機方法包括摧毀發(fā)射平臺、偽裝欺騙、電磁干擾、直接火力打擊等，目前，世界各國除了采用傳統(tǒng)防空武器系統(tǒng)執(zhí)行反無人機任務(wù)外，還大力開展通過電子戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)、無人機、激光武器等技術(shù)執(zhí)行反無人機任務(wù)的研究。當(dāng)采用集群戰(zhàn)術(shù)的大編隊無人機群來襲時，大型無人機容易發(fā)現(xiàn)、定位和跟蹤，但對于數(shù)量龐大的中小型無人機，留給防御系統(tǒng)的反應(yīng)時間極短，探測和防范成為日益突出的問題，因此反無人機技術(shù)需求日益迫切。事實證明，能對抗無人機集群的戰(zhàn)術(shù)很可能只能是無人機集群，也就是通過更加嚴(yán)密的無人機集群網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對無人機集群的對抗，見圖4。2016年5月，美國特種作戰(zhàn)司令部科學(xué)和技術(shù)部門負(fù)責(zé)人在國防工業(yè)協(xié)會主辦的特種作戰(zhàn)部隊行業(yè)會議上稱，特種作戰(zhàn)司令部正在尋求無人系統(tǒng)的集群和自主能力以抵御集群攻擊。另外，反無人機武器也可能安裝在無人機上，使得無人機集群成為反無人機的利器。

無人機集群戰(zhàn)術(shù)研究現(xiàn)狀

美國將無人機集群作為一個重要發(fā)展方向，在美國國防部統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，國防部預(yù)研局（ DARPA）、美國戰(zhàn)略能力辦公室（SCO），以及美國空、海軍分別啟動了多個項目研究。這些項目在功能上相互獨立，各有側(cè)重，在體系上又互為補充。

“小精靈”（Gremlins）項目

2015年8月，美國國防部預(yù)研局在前期工作基礎(chǔ)上發(fā)布啟動“小精靈”項目（圖4）。該項目的目標(biāo)是研究一型低成本無人機，以魯棒、低成本、可快速替代的方式搭載情報、監(jiān)視、偵察等傳感器模塊和非動能有效載荷，同時開發(fā)一個無人機發(fā)射和回收裝置，使得未來的作戰(zhàn)飛機可以快速部署廉價、可重復(fù)使用的無人機集群，支撐美軍為著眼大國對抗而聚焦發(fā)展的分布式空中作戰(zhàn)概念。

“小精靈”項目的研究周期為4年左右，分成3個研究階段。第1階段從項目啟動到2017財年第1季度，選出4家承包商設(shè)計“小精靈”驗證系統(tǒng)、制定技術(shù)成熟計劃；第2階段計劃從2017財年第]季度至2018財年第3季度，選出2家承包商進一步開展技術(shù)成熟工作，并進行系統(tǒng)初步設(shè)計和風(fēng)險降低驗證；第3階段計劃從2018財年第3季度持續(xù)至2020財年第2季度，最終勝出的1家承包商將開展“小精靈”驗證系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計和制造，并將在2020財年第1季度首飛。第2、3階段的進度將根據(jù)第1階段的研究情況進行動態(tài)調(diào)整。

“小精靈”無人機的性能指標(biāo)：作戰(zhàn)半徑926km；作戰(zhàn)半徑處可巡邏3h；設(shè)計載重54.5kg；最大速度不小于Ma0.8；最大發(fā)射高度超過12192m；推進系統(tǒng)可在當(dāng)前技術(shù)基礎(chǔ)上全新設(shè)計，也可使用現(xiàn)役發(fā)動機或其改型；載荷所需功率1200W；載荷類型為模塊化設(shè)計的射頻和光電/紅外系統(tǒng)，并可實施基地級更換；設(shè)計壽命為使用20次；出廠單價（不包括任務(wù)載荷）低于$700000。

“小精靈”作戰(zhàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)：大型平臺一次能發(fā)射超過20架無人機（圖5）；30min內(nèi)回收8架或更多無人機；回收率成功大于95%；發(fā)射或回收平臺因搭載“小精靈”無人機實施分布式空中作戰(zhàn)而墜毀的概率低于每飛行小時7-10次；回收后再次發(fā)射的時間不超過24h；發(fā)射或回收平臺的改裝成本（不包括指控系統(tǒng)）不超過$2000000。

美國國防部預(yù)研局指出，上述作戰(zhàn)設(shè)想和性能指標(biāo)的實現(xiàn)需突破以下關(guān)鍵技術(shù)：創(chuàng)新的空中發(fā)射和回收方案；低成本、可損耗的機體設(shè)計；有限壽命設(shè)計；高精度氣動分析；氣動彈性分析；蒙特卡洛仿真；自動的發(fā)射波次策略；高準(zhǔn)確度數(shù)字式飛控系統(tǒng)；精確相對導(dǎo)航；小型無人機空中加油技術(shù)；高效小型渦輪發(fā)動機；保障回收安全的油箱自動惰化和發(fā)動機自動關(guān)閉；小型分布式載荷集成；模塊化載荷能力；精確戰(zhàn)位保持；發(fā)射和回收平臺低成本改裝技術(shù)及其他賦能技術(shù)。

該作戰(zhàn)概念不但將顛覆當(dāng)前以F-35等大型多功能平臺為核心的作戰(zhàn)樣式和裝備發(fā)展思路，給敵方防御帶來重大挑戰(zhàn)，也可能成為未來大幅降低作戰(zhàn)成本的重要途徑。

低成本無人機（LOCUST）技術(shù)項目

美國海軍研究辦公室（ONR）于2015年公布了“低成本無人機蜂群”（LOCUST）項目（圖6），項目旨在釋放大量無人機通過自適應(yīng)組網(wǎng)及處主協(xié)調(diào)，對某個區(qū)域進行全面?zhèn)刹觳χT如指控系統(tǒng)等關(guān)鍵節(jié)點及目標(biāo)進行攻擊。

該項目選擇使用雷神公司的“郊狼”（Coyote）小型無人機進行試驗?！敖祭恰睙o人機長91cm、翼展1.47m、重量5.9kg、最大飛行高度6096m、飛行速度llOkm/h、續(xù)航時間1.5h、可攜帶約0.9kg的載荷、配裝電動推進系統(tǒng)，每架約1.5萬美元。

2016年5月，LOCUST項目在陸上完成30s內(nèi)發(fā)射30架“郊狼”小型無人機的試驗，驗證了無人機蜂群的編隊飛行、隊形變換、協(xié)同機動能力?！敖祭恰睙o人機蜂群在迅速發(fā)射之后，可使用低功率無線電網(wǎng)絡(luò)建立彼此之間的通信關(guān)系，共享位置信息和其它信息。而且所有無人機將形成“母子”關(guān)系，其中1架起領(lǐng)導(dǎo)作用，其余無人機則為下屬。擔(dān)負(fù)領(lǐng)導(dǎo)任務(wù)的無人機有可能根據(jù)機動情況發(fā)生改變。在演示過程中，技術(shù)人員將察看無人機會形成何種緊密聯(lián)系，在什么樣的高度飛行以及采用什么樣的機動方式。飛行時，地面操作員不必對每架無人機進行單獨控制，僅需對蜂群進行整體控制。接下來，LOCUST項目計劃在墨西哥灣開展艦基的無人機蜂群發(fā)射和飛行試驗。

“灰山鶉”（ Perdix）項目

美國戰(zhàn)略能力辦公室在2014年啟動了“無人機蜂群”項目，旨在驗證先進的無人機群體行為，如集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊飛行。

選擇麻省理工學(xué)院發(fā)展的全復(fù)合材料、鋰電池推進的“灰山鶉”一次性微型無人機。飛機全部采用商用貨架產(chǎn)品，機長約16.5cm，翼展展開后30cm，投放重量約0.3kg，續(xù)航時間大于20min，飛行速度75—llOkm/h。

自2014年9月首次配裝F-16戰(zhàn)斗機試投以來，“灰山鶉”共進行了500多次飛行試驗。2016年10月25日，在美國海軍航空系統(tǒng)司令部設(shè)在加利福尼亞中國湖的試驗場，3架F/A-18F超級大黃蜂戰(zhàn)斗機在Ma0.6的速度下，連續(xù)投放103架“灰山鶉”無人機。在地面站的指揮下，通過機間通信和協(xié)同，作為集群成功完成了地面站設(shè)定的4項任務(wù)（圖7）。試驗中，“灰山鶉”蜂群未預(yù)先編寫飛行程序，而是在地面站指揮下自主實現(xiàn)協(xié)同，展現(xiàn)了集體決策、自修正和自適應(yīng)編隊飛行能力。試驗的成功表明，美軍的空射無人機蜂群正朝實戰(zhàn)化方向穩(wěn)步邁進。

進攻性蜂群使能技術(shù)（OFFSET）項目

2017年1月27日，美國國防部預(yù)研局發(fā)布“進攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)”項目招標(biāo)書，研究新型蜂群戰(zhàn)術(shù)、人-蜂群交互、軟硬件集成等關(guān)鍵技術(shù)，目標(biāo)是每3個月產(chǎn)生超過10種蜂群戰(zhàn)術(shù)，評估新蜂群戰(zhàn)術(shù)的時間小于15min，部署新蜂群戰(zhàn)術(shù)的時間小于1min。項目最終將開展100架以上規(guī)模的無人蜂群作戰(zhàn)試驗，以提升美軍地面部隊的防御、火力、精確打擊，以及情報監(jiān)視偵察等能力。

OFFSET項目將基于增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等游戲技術(shù)以及手勢、觸碰和觸感裝置等發(fā)展可以控制蜂群的原型系統(tǒng)。作為第三次抵消戰(zhàn)略的一部分，美國防部設(shè)想了以大量無人機蜂群壓制敵方的空戰(zhàn)方式。而在OFFSET項目中，其不僅考慮了無人機的數(shù)量，更希望研究復(fù)雜的蜂群戰(zhàn)術(shù)和人機編組。此次公布的的最保守的想法是，OFFSET項目將使100個無人機和無人地面車在2h內(nèi)在4個城市街區(qū)作戰(zhàn)。而美國空軍的目標(biāo)是使250個無人平臺于6h內(nèi)在8個街區(qū)執(zhí)行任務(wù)。

體系集成技術(shù)和試驗（SOSITE）項目

2014年5月，美國國防部預(yù)研局發(fā)布體系集成技術(shù)和試驗（SOSITE）項目指南，該項目的目標(biāo)是通過創(chuàng)新的體系架構(gòu)發(fā)展和演示保持空中優(yōu)勢能力的概念，體系架構(gòu)中包含飛機、武器、傳感器和任務(wù)系統(tǒng)并把空戰(zhàn)能力分布于大量可互操作的有人和無人平臺上。如此，可比實力相當(dāng)?shù)膶κ指涌焖偾腋统杀镜匕讶录夹g(shù)和航空系統(tǒng)集成進現(xiàn)有空戰(zhàn)系統(tǒng)中。

SoSITE項目聚焦于發(fā)展分布式空戰(zhàn)的概念、架構(gòu)和技術(shù)集成工具。該項目打算利用現(xiàn)有航空系統(tǒng)的能力，使用開放系統(tǒng)架構(gòu)方法降低全新航空系統(tǒng)的研發(fā)成本和時間。開放系統(tǒng)架構(gòu)為發(fā)展可互換的組件和平臺提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和工具，如有需要可以進行快速的升級和替換。這個概念可使在各種有人和無人平臺上分散關(guān)鍵的任務(wù)功能，比如電子戰(zhàn)、傳感器、武器、戰(zhàn)爭管理、定位導(dǎo)航和授時以及數(shù)據(jù)/通訊數(shù)據(jù)鏈等。SoSITE項目將利用為制造創(chuàng)新無人平臺而研發(fā)的先進小型化技術(shù)、高性能低成本電子元件、全新的算法和軟件以及先進的材料。成本控制將通過在平臺中分散載荷而實現(xiàn)，這樣就允許每一型平臺在成本和能力的權(quán)衡中具有更高的靈活性。

2016年9月，美國國防部預(yù)研局向洛克希德·馬丁公司授予3640萬美元的第二階段合同，繼續(xù)發(fā)展體系架構(gòu)，驗證架構(gòu)的作戰(zhàn)效能和魯棒性。

拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)（CODE）項目

美國國防部預(yù)研局在弗吉尼亞阿靈頓的官員發(fā)布了“惡劣環(huán)境中的協(xié)同操作”（CODE），使偵察和攻擊無人機在電子干擾、通信降級以及其它惡劣運行環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時，可協(xié)同工作。旨在使無人機編隊協(xié)同工作，發(fā)揮各無人機的相對優(yōu)勢。

CODE項目通過增加自主性和跨平臺合作來擴展現(xiàn)有無人機的任務(wù)能力。協(xié)同自主性具有通過組成無人機異構(gòu)隊，來提高現(xiàn)有無人機能力、降低花費的潛力。該方式可以集成各無人機的能力，而無需復(fù)制或集成這些能力到一個無人機上。雖然現(xiàn)在無人機可執(zhí)行許多任務(wù)，但大多數(shù)無人機都無法滿足未來沖突的需求。

2016年6月，美國國防部預(yù)研局向洛克希德·馬丁公司及雷神公司授予項目第二階段系統(tǒng)集成合同，開展由1架或2架真實飛機和若干虛擬飛機組隊的飛行試驗。

對敵防空壓制/摧毀蜂群作戰(zhàn)（SEAD/DEAD）項目

2009年和2012年，雷神公司向空軍分別交付了微型空射誘餌和微型空射誘餌干擾型，并于2013年完成高速反輻射導(dǎo)彈升級版的交付。美國空軍和雷神公司基于這兩種飛行器以及更早研制的模塊化設(shè)計的聯(lián)合防區(qū)外武器，開發(fā)了對敵防空壓制/摧毀的空射集群作戰(zhàn)樣式。

分布式作戰(zhàn)管理系統(tǒng)

2016年5月，美國國防部預(yù)研局向洛克希德·馬丁公司授予1620萬美元的項目第二階段合同，設(shè)計全功能決策輔助軟件原型，幫助策劃有人機和無人機參與的復(fù)雜空戰(zhàn)。“分布式作戰(zhàn)管理”項目通過發(fā)展先進算法和軟件，提高任務(wù)自適應(yīng)規(guī)劃和態(tài)勢感知等能力，幫助履行戰(zhàn)場管理任務(wù)的飛行員進行快速且合理的決策，以在強對抗環(huán)境中更好地執(zhí)行分布式空中作戰(zhàn)等復(fù)雜軍事任務(wù)。

無人機集群作戰(zhàn)主要關(guān)鍵技術(shù)

無人機集群作戰(zhàn)需要重點解決的關(guān)鍵問題包括大規(guī)模無人機管理與控制、無人機自主編隊飛行、集群感知與態(tài)勢共享、集群協(xié)同任務(wù)分配等。

無人機集群管理與控制技術(shù)

復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下，無人機集群執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時，通常出動架數(shù)要比目前使用的多得多。譬如，現(xiàn)在美軍“捕食者”無人機通常一次出動由3—4架無人機組成編隊，由一個起降站和一個任務(wù)控制站指揮控制。而集群作戰(zhàn)時，通常無人機的數(shù)量將達(dá)到8架以上，美軍“阿爾法計劃”仿真演示中使用了100架無人機，如此規(guī)模龐大的無人機數(shù)量對空域使用提出了更高的要求，必須綜合考慮任務(wù)和空間的要求，確定合理的作戰(zhàn)空域，避免與其他有人機或者無人機等空中目標(biāo)發(fā)生碰撞。目前，美國計劃將民航領(lǐng)域采用的空中告警與防撞系統(tǒng)（Traffic alert and CollisionAvoidance System，TCAS）引入無人機系統(tǒng)，實現(xiàn)空中障礙規(guī)避。

另外，無人機的自主能力可能是由操作員遙控的，也可能是半自主的，將來還可能是具有較高自主能力，需要操作員的介入程度、時機和頻率各不相同。較低自主能力的無人機組成集群，需要操作員或者輔助系統(tǒng)管理與控制的事情較多，反之則較少。需要引入多智能體技術(shù)，基于智能體完成對無人機的輔助管理與控制。

因此，大規(guī)模無人機管理與控制技術(shù)需要解決基于智能體的無人機集群管理與控制體系結(jié)構(gòu)、作戰(zhàn)空域態(tài)勢評估、集群空域使用規(guī)劃與調(diào)度、集群空域沖突檢測與消解、以及人有限干預(yù)下的無人機集群管理與控制等技術(shù)。

無人機編隊飛行技術(shù)

編隊控制是無人機集群執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)和最基本形式。編隊控制是指無人機集群在執(zhí)行任務(wù)過程中，如何形成并保持一定的幾何構(gòu)型，以適應(yīng)平臺性能、戰(zhàn)場環(huán)境、戰(zhàn)術(shù)任務(wù)等要求的控制技術(shù)。主要解決兩個問題：一是編隊構(gòu)成/重構(gòu)，包括飛行前編隊生成問題，遇到障礙時編隊的拆分、重建等問題，增加或減少無人機時的編隊重構(gòu)問題等；二是編隊保持，包括飛行中編隊保持問題，在不同幾何形態(tài)間的編隊切換問題，保持幾何形態(tài)不變條件下的編隊收縮、擴張、旋轉(zhuǎn)控制問題等。無人機集群編隊控制方法主要有領(lǐng)航-跟隨法（Leader-Follower）、虛擬領(lǐng)航法和行為控制法。

空中障礙識別與規(guī)避技術(shù)

感知與規(guī)避是提高無人機集群主動安全能力和生存能力的必要條件。無人機本身要具備機間局部環(huán)境感知能力，能夠?qū)χ車簝?nèi)無人機進行狀態(tài)估計與跟蹤，從而實現(xiàn)對集群內(nèi)它機軌跡的跟蹤與避碰，保持集群編隊構(gòu)型，實現(xiàn)協(xié)同飛行，見圖8。同時，集群對前方遇到的障礙要能夠作出有效的反應(yīng)，進行編隊隊形變換，通過障礙物后進行隊形重構(gòu)。常用的集群避障方法有人工勢場法（Artiificial Potentials）、模型預(yù)測法（Model Predictive）等。

集群信息感知與共享技術(shù)

集群感知與信息共享是無人機集群控制與決策的依據(jù)?；跓o人機機載傳感器，實現(xiàn)集群戰(zhàn)場態(tài)勢感知，能夠獲得更廣的觀測范圍、更高的定位精度以及更高的魯棒性。基于機間鏈，實現(xiàn)態(tài)勢信息共享，形成統(tǒng)一的通用作戰(zhàn)視圖（Common Operational Picture，COP），為集群作戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。相關(guān)技術(shù)主要包括協(xié)同目標(biāo)探測、協(xié)同目標(biāo)狀態(tài)融合估計、協(xié)同態(tài)勢理解與共享等。

洛克希德·馬丁公司開發(fā)了無人機通用態(tài)勢感知模塊，包含多個層級：第一級融合來自機載傳感器、友機傳感器、外部數(shù)據(jù)源（例如C41SR網(wǎng)絡(luò)）等的數(shù)據(jù)，明確戰(zhàn)場上的友方和敵方，消除友機數(shù)據(jù)沖突。第二級形成融合后的跟蹤視圖，評估友方、敵方傳感器覆蓋范圍、通視性、潛在威脅等。第三級完成戰(zhàn)場態(tài)勢預(yù)估，判斷可能的威脅意圖、機動和未來位置。第四級判斷態(tài)勢感知模塊產(chǎn)生的。

集群協(xié)同任務(wù)分配

集群突防與攻擊是實現(xiàn)無人機集群作戰(zhàn)的核心能力。無人機之所以構(gòu)成集群協(xié)同作戰(zhàn)，就是要面對高對抗的戰(zhàn)場環(huán)境，提高系統(tǒng)的整體生存能力，在可能損失部分無人機的條件下，確保任務(wù)的完成率。在面臨來自地面防空系統(tǒng)和空中敵方戰(zhàn)機的高威脅環(huán)境中，集群必須首先能夠突破敵方的嚴(yán)密防空圈，到達(dá)任務(wù)區(qū)域，然后對目標(biāo)發(fā)起協(xié)同攻擊，確保摧毀敵方重要目標(biāo)，實現(xiàn)既定的作戰(zhàn)目標(biāo)。

無人機集群在威脅環(huán)境遂行作戰(zhàn)任務(wù)，需要進行集群任務(wù)分配與任務(wù)規(guī)劃。首先針對不同任務(wù)目標(biāo)，指派最適合的無人機去完成，完成多機多目標(biāo)的任務(wù)分配。針對預(yù)知的威脅，制定高效合理的集群突防策略。通過分析集群任務(wù)過程及任務(wù)特點，建立突防與攻擊的任務(wù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，研究相應(yīng)的規(guī)劃算法，從而生成高效合理的任務(wù)計劃，使得無人機集群執(zhí)行不同任務(wù)的生存概率和作戰(zhàn)效能達(dá)到最佳。在對抗、不確定以及時間敏感的環(huán)境中，隨時可能出現(xiàn)突發(fā)情況，包括突發(fā)任務(wù)、突發(fā)威脅、平臺可能出現(xiàn)毀損等，需要實時評估集群的任務(wù)能力，進行任務(wù)重新分配和重規(guī)劃，使無人機集群能夠快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化，提高戰(zhàn)術(shù)使用靈活性。

無人機空中發(fā)射與回收技術(shù)

美國國防部預(yù)研局認(rèn)為，在沒有可靠陸基或?；扅c時，空基回收將是小型、大作戰(zhàn)半徑無人機最簡易后勤和最低成本的解決方案，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，“小精靈”項目的主要目標(biāo)被定為探索小型無人機集群空中發(fā)射和回收的可行性，并最終以試驗進行驗證。按照美國國防部預(yù)研局的設(shè)想，“小精靈”無人機集群將在敵防區(qū)外由包括運輸機、轟炸機和戰(zhàn)斗機在內(nèi)的各類平臺發(fā)射，在滲透到敵防區(qū)內(nèi)之后，針對特定目標(biāo)共同執(zhí)行情監(jiān)偵、電子攻擊或地理空間定位等作戰(zhàn)任務(wù)。任務(wù)完成后退出敵防區(qū)，并由C-130運輸機完成空中回收。

美國國防部預(yù)研局指出，上述作戰(zhàn)設(shè)想和性能指標(biāo)的實現(xiàn)需突破以下16項關(guān)鍵技術(shù)：創(chuàng)新的空中發(fā)射和回收方案；低成本、可損耗的機體設(shè)計；有限壽命設(shè)計；高精度氣動分析；氣動彈性分析；蒙特卡洛仿真；自動的發(fā)射波次策略；高準(zhǔn)確度數(shù)字式飛控系統(tǒng)；精確相對導(dǎo)航；小型無人機空中加油技術(shù)；高效小型渦輪發(fā)動機；保障回收安全的油箱自動惰化和發(fā)動機自動關(guān)閉；小型分布式載荷集成；模塊化載荷能力；精確戰(zhàn)位保持；發(fā)射和回收平臺低成本改裝技術(shù)及其他賦能技術(shù)。

展望

無人機集群作戰(zhàn)將牽引未來空中作戰(zhàn)裝備呈現(xiàn)出自主化、低成本、多功能、小型化等特點，必將對未來航空裝備體系發(fā)展產(chǎn)生變革性影響。