國(guó)內(nèi)外無人機(jī)蜂群研究現(xiàn)狀綜述

焦士俊, 王冰切, 劉劍豪， 劉 銳， 周棟棟

(空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430019)

0 引言

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)、人工智能、自主系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)也正在由概念變成現(xiàn)實(shí)，從理論走向?qū)嵺`。美國(guó)學(xué)者阿奎拉和朗斐德曾在其專著《蜂群戰(zhàn)與未來沖突》中指出，蜂群戰(zhàn)是有史以來第四種(前三種沖突形式分別是混戰(zhàn)、集結(jié)戰(zhàn)和機(jī)動(dòng)戰(zhàn))，也是最先進(jìn)的一種沖突形式，主要表現(xiàn)在兩方面：一是面對(duì)高度對(duì)抗性、動(dòng)態(tài)性的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，無人機(jī)群具有規(guī)模優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)，通過能力互補(bǔ)和行動(dòng)協(xié)調(diào)，可以彌補(bǔ)單機(jī)能力的不足，實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的作戰(zhàn)效能；二是無人機(jī)自主能力不斷提高，正逐步從簡(jiǎn)單的遙控、程控方式向人機(jī)智能融合的交互控制、甚至全自主控制方式發(fā)展，無人機(jī)蜂群的生存能力和作戰(zhàn)能力大幅提升，現(xiàn)有的防空體系將難以防范。因此，關(guān)注無人機(jī)蜂群的發(fā)展方向，研究無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用局限，對(duì)探索反無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的技術(shù)措施，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 無人機(jī)蜂群的發(fā)展背景

對(duì)集群的研究源于科學(xué)家Grasse在1953年對(duì)昆蟲集群的行為研究，他發(fā)現(xiàn)單個(gè)昆蟲行為簡(jiǎn)單、能力有限，但由它們構(gòu)成的集群卻表現(xiàn)出明顯的群體智能行為，能夠完成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出個(gè)體能力的復(fù)雜任務(wù)，例如螞蟻、蜜蜂等。無人機(jī)集群作戰(zhàn)概念就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展而來。

1984年，美國(guó)洛·馬公司前負(fù)責(zé)人奧古斯丁提出了諾姆·奧古斯丁定律，雖然國(guó)防開支在增長(zhǎng)，但隨著武器成本的上升和研發(fā)周期的增長(zhǎng)，武器數(shù)量會(huì)越來越少，直接影響未來訓(xùn)練與戰(zhàn)爭(zhēng)，因此美軍開始關(guān)注小型無人機(jī)集群的研究與發(fā)展。2000年，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局( DARPA)率先啟動(dòng)了無人機(jī)集群空中戰(zhàn)役研究計(jì)劃，提出了一種基于多智能體(Agent)的非分層結(jié)構(gòu)的自組織空中任務(wù)分配方法。此后，美國(guó)聯(lián)合司令部(JFCOM)、空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)、空軍技術(shù)研究院(AFIT)等多家研究機(jī)構(gòu)展開無人機(jī)集群領(lǐng)域的研究與論證，但大都停留在技術(shù)層面。直至2014年，美國(guó)防部為解決美軍無法在國(guó)防預(yù)算受限的情況下通過更新?lián)Q代高端裝備來保持壓倒性軍事優(yōu)勢(shì)的問題，提出第三次抵消戰(zhàn)略，集群式無人機(jī)作戰(zhàn)概念被正式提出，并將其作為一項(xiàng)可以改變戰(zhàn)場(chǎng)規(guī)則的顛覆性技術(shù)加以大力發(fā)展。此后，對(duì)于無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的研究進(jìn)入快速發(fā)展階段。

2014 年10 月15 日，美智庫(kù)新美國(guó)安全中心發(fā)布了《戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人Ⅱ: 即將到來的蜂群》報(bào)告，首次系統(tǒng)提出無人系統(tǒng)蜂群戰(zhàn)術(shù)。2015年9月，美空軍發(fā)布的《空軍未來作戰(zhàn)概念》中描述了小型無人機(jī)集群的作戰(zhàn)設(shè)想。2016年5月，美空軍發(fā)布了首份《2016—2036年小型無人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃》，其中設(shè)想的新型作戰(zhàn)方式大多與小型無人機(jī)集群作戰(zhàn)相關(guān)。除了編制戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃，美軍技術(shù)研發(fā)機(jī)構(gòu)也啟動(dòng)了大量無人機(jī)蜂群項(xiàng)目，如美國(guó)防部戰(zhàn)略能力辦公室(SCO)的“灰山鶉”微型無人機(jī)項(xiàng)目、國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局( DARPA)的“小精靈”無人機(jī)蜂群項(xiàng)目、美國(guó)海軍研究局(ONR)的“低成本無人機(jī)蜂群”項(xiàng)目等。近幾年，無人機(jī)蜂群在諸多關(guān)鍵技術(shù)逐步成熟的基礎(chǔ)上具備了可觀的發(fā)展前景，并且其在敘利亞戰(zhàn)場(chǎng)上表現(xiàn)出來的生存能力強(qiáng)、效費(fèi)比高等優(yōu)勢(shì)，引起世界各軍事強(qiáng)國(guó)的高度重視，紛紛加大了科研、創(chuàng)新力度，無人機(jī)蜂群相關(guān)的戰(zhàn)術(shù)研究和科研項(xiàng)目如雨后春筍般涌現(xiàn)。

2 無人機(jī)蜂群的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 美軍無人機(jī)蜂群研究項(xiàng)目

1)“小精靈”無人機(jī)蜂群項(xiàng)目：美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局( DARPA)于2015年9月推出“小精靈”項(xiàng)目，計(jì)劃研制具備自組網(wǎng)和智能協(xié)同能力的無人機(jī)蜂群系統(tǒng)。該系統(tǒng)可由C-130運(yùn)輸機(jī)或大型無人機(jī)運(yùn)送至防區(qū)外發(fā)射，通過攜帶偵察或電子戰(zhàn)載荷，執(zhí)行偵察、干擾等任務(wù)。該項(xiàng)目分三個(gè)階段實(shí)施：第一階段，2017年3月順利完成，研究了無人機(jī)空中發(fā)射和回收系統(tǒng)的可行性。第二階段，2018年4月順利完成，進(jìn)行了全尺寸技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)，為單個(gè)系統(tǒng)部件開展風(fēng)險(xiǎn)降低試驗(yàn)。第三階段，2018年5月展開，計(jì)劃研制出一套全尺寸技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)，并在2019年開展“小精靈”蜂群的空中發(fā)射和回收飛行試驗(yàn)，據(jù)公布的資料顯示，計(jì)劃將C-130運(yùn)輸機(jī)和無人機(jī)加載自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)30 min內(nèi)回收4架無人機(jī)。該項(xiàng)目使用的“小精靈”無人機(jī)作戰(zhàn)半徑可達(dá)900 km，巡邏時(shí)間可達(dá)3 h，最大速度Ma數(shù)可達(dá)0.8，出廠單價(jià)(不包括載荷)低于70萬美元。

2)“灰山鶉”微型無人機(jī)項(xiàng)目：美國(guó)防部戰(zhàn)略能力辦公室(SCO)2014年啟動(dòng)了“無人機(jī)蜂群”項(xiàng)目，旨在通過有人機(jī)空射“灰山鶉”微型無人機(jī)蜂群執(zhí)行低空態(tài)勢(shì)感知和干擾任務(wù)。自2014年9月以來，該項(xiàng)目共進(jìn)行了500多次飛行試驗(yàn)。美國(guó)防部披露的最新一次實(shí)驗(yàn)情況為：2016年10月26日，103架“灰山鶉”組成的無人機(jī)蜂群由3架海軍F/A-18F戰(zhàn)斗機(jī)成功投放，創(chuàng)下軍用無人機(jī)蜂群最大規(guī)模飛行紀(jì)錄。此次實(shí)驗(yàn)，無人機(jī)蜂群未預(yù)置飛行程序，發(fā)射后，在地面站的指揮下自主尋的，協(xié)同完成任務(wù)，展現(xiàn)了自修正、自適應(yīng)編隊(duì)飛行能力和集體決策能力，表明美軍空射無人機(jī)蜂群正朝實(shí)戰(zhàn)化方向邁進(jìn)。該項(xiàng)目使用的“灰山鶉”無人機(jī)長(zhǎng)約16.5 cm，翼展30 cm，投放質(zhì)量約0.3 kg，續(xù)航時(shí)間大于20 min，飛行速度可達(dá)110 km/h。

圖1 “灰山鶉”微型無人機(jī)

3)“低成本無人機(jī)蜂群”項(xiàng)目：美國(guó)海軍研究局(ONR)于2014年4月公布了“低成本無人機(jī)蜂群”(LOCUST)項(xiàng)目，研發(fā)可快速連續(xù)發(fā)射的無人機(jī)蜂群，無人機(jī)之間利用近距離射頻網(wǎng)絡(luò)共享態(tài)勢(shì)信息，協(xié)同執(zhí)行掩護(hù)、攻擊或防御任務(wù)。目前，0NR共進(jìn)行了兩次陸基試射實(shí)驗(yàn)，最近一次為：2016年5月，30架無人機(jī)蜂群在30 s內(nèi)由路基平臺(tái)成功連續(xù)發(fā)射，驗(yàn)證了無人機(jī)蜂群的編隊(duì)飛行、隊(duì)形變換、協(xié)同機(jī)動(dòng)能力。該項(xiàng)目使用雷錫恩公司的“郊狼”無人機(jī)長(zhǎng)0.91 m，翼展1.47 m，起飛質(zhì)量5.4～6.3 kg，可攜帶約0.9 kg的載荷，飛行速度110 km/h，續(xù)航時(shí)間90 min，配裝電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，每架約1.5萬美元。

除上述幾個(gè)項(xiàng)目外，美軍還開展了很多配套支撐項(xiàng)目，如拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)、分布式作戰(zhàn)管理、近戰(zhàn)隱蔽自主一次性飛行、摧毀蜂群作戰(zhàn)、進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)等項(xiàng)目，這些項(xiàng)目在功能上相互獨(dú)立，各有側(cè)重，在體系上又互為補(bǔ)充，融合發(fā)展。

2.2 歐洲無人機(jī)蜂群研究項(xiàng)目

1)多異構(gòu)無人機(jī)實(shí)時(shí)協(xié)同和控制項(xiàng)目(COMETS)：該項(xiàng)目由歐盟委員會(huì)信息社會(huì)技術(shù)計(jì)劃(IST)資助，研究多個(gè)異構(gòu)航空器平臺(tái)的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)與控制問題，針對(duì)多類異構(gòu)無人機(jī)組成的協(xié)同探測(cè)和監(jiān)視系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分布式控制結(jié)構(gòu)，集成分布式信息感知和實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)。

2)面向安全無線的高移動(dòng)性協(xié)同工業(yè)系統(tǒng)的估計(jì)與控制項(xiàng)目(EC-SAFEMOBIL)：歐盟委員會(huì)信息通信技術(shù)計(jì)劃(ICT)于2011年正式啟動(dòng)該項(xiàng)目，針對(duì)高動(dòng)態(tài)固定翼和旋翼無人機(jī)，開發(fā)新的預(yù)測(cè)和協(xié)同控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跟蹤多個(gè)地面目標(biāo)時(shí)的分布式安全可靠的協(xié)同與協(xié)調(diào)。

3)俄羅斯也將無人機(jī)集群作為重點(diǎn)發(fā)展的方向。2016年7月13日，俄羅斯塔斯社報(bào)道，俄羅斯下一代戰(zhàn)斗機(jī)方案將于2025年公布，戰(zhàn)機(jī)飛行速度Ma數(shù)可達(dá)4～5，并且能夠指揮控制5～10架裝備高頻電磁炮的無人機(jī)集群作戰(zhàn)。

2.3 國(guó)內(nèi)無人機(jī)蜂群研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)在無人機(jī)蜂群研究方面起步較晚，但經(jīng)過多年的鉆研探討和學(xué)術(shù)積累，也取得了一些成果。在理論研究方面，西北工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)和空軍工程大學(xué)等高校圍繞無人機(jī)蜂群的任務(wù)分配、編隊(duì)控制和航跡規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)取得了實(shí)質(zhì)性突破，如葉媛媛等利用滿意解集合，降低計(jì)算復(fù)雜度，解決無人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配問題；宋紹梅等人采用層次分解策略建立了多UAV航跡規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并將多UAV的協(xié)同航跡進(jìn)行了分解；曹菊紅等人設(shè)計(jì)了一種指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多智能體系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制；2013年國(guó)防科技大學(xué)出版《多無人機(jī)自主協(xié)同控制理論與方法》，對(duì)多無人機(jī)任務(wù)分配、航跡規(guī)劃、協(xié)同控制等課題進(jìn)行了歸納與研究等等。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面， 2017年6月，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司成功完成了119架固定翼無人機(jī)蜂群飛行試驗(yàn)，演示了密集彈射起飛、空中集結(jié)、多目標(biāo)分組、編隊(duì)合圍、蜂群行動(dòng)等動(dòng)作，刷新了2016年珠海航展上67架固定翼無人機(jī)蜂群飛行記錄，但此次實(shí)驗(yàn)無人機(jī)預(yù)先設(shè)置了飛行程序，距離實(shí)現(xiàn)無人機(jī)蜂群自主協(xié)同、智能作戰(zhàn)還有很大的差距。

目前，國(guó)內(nèi)外都認(rèn)識(shí)到無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的巨大前景，將其作為前沿課題開展了很多研究工作。歐美軍事強(qiáng)國(guó)設(shè)立了多個(gè)無人機(jī)蜂群相關(guān)的重點(diǎn)項(xiàng)目，涵蓋了從作戰(zhàn)概念到實(shí)質(zhì)驗(yàn)證的無人機(jī)蜂群的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，涉及了從大型到微型的各種級(jí)別的無人機(jī)，取得了不少突破性的成果，并且穩(wěn)步向著實(shí)戰(zhàn)化邁進(jìn)。國(guó)內(nèi)的研究大多還停留在概念和理論研究階段，實(shí)質(zhì)性的驗(yàn)證試驗(yàn)較少。顯然，國(guó)內(nèi)外的研究仍然存在著很大的差距，但是就目前來看，即使對(duì)于處在領(lǐng)先地位的美國(guó)而言，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)也還處于起步階段，距離真正實(shí)現(xiàn)能用于復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下無人機(jī)蜂群還有很大的差距，面臨一系列問題需要解決。

3 目前面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

無人機(jī)蜂群的實(shí)質(zhì)是由大量單功能和多功能無人機(jī)共同組成，在交感網(wǎng)絡(luò)的支撐下，以群體智能涌現(xiàn)能力為核心，基于開放式體系架構(gòu)綜合集成構(gòu)建的，具有抗毀性強(qiáng)、低成本、功能分布化等優(yōu)勢(shì)和智能特征的作戰(zhàn)體系。因此其研發(fā)過程中面臨諸多的技術(shù)難題，主要包括：

1)環(huán)境感知與認(rèn)識(shí)。無人機(jī)蜂群的感知與認(rèn)識(shí)能力是其控制與決策的依據(jù)。作戰(zhàn)過程中，無人機(jī)蜂群所面臨的是動(dòng)態(tài)的、對(duì)抗的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，任務(wù)、威脅及自身狀態(tài)均處于不斷變化中，任何感知偏差都可能產(chǎn)生災(zāi)難性后果，因此精準(zhǔn)的態(tài)勢(shì)感知與認(rèn)識(shí)至關(guān)重要。目前集群感知手段主要有：一是基于機(jī)載傳感器，主動(dòng)獲取戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的態(tài)勢(shì)感知；二是基于數(shù)據(jù)鏈，接收蜂群其他個(gè)體的態(tài)勢(shì)共享信息，形成統(tǒng)一的通用操作視圖。相關(guān)技術(shù)主要包括協(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。

2)多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與決策。無人機(jī)蜂群的規(guī)劃與決策能力是其作戰(zhàn)過程的核心能力。不同的任務(wù)在作戰(zhàn)目標(biāo)、時(shí)序約束、任務(wù)要求等方面存在顯著的差異性，并且任務(wù)之間可能存在約束關(guān)系，因此如何規(guī)劃最優(yōu)作戰(zhàn)策略顯得尤為關(guān)鍵。針對(duì)預(yù)知的低威脅任務(wù)，通過分析集群任務(wù)過程和特點(diǎn)，建立任務(wù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，生成高效合理的任務(wù)計(jì)劃，以達(dá)到最佳的作戰(zhàn)費(fèi)效比。針對(duì)對(duì)抗、不確定的高威脅任務(wù)，需要實(shí)時(shí)評(píng)估戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和無人機(jī)蜂群的整體狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行任務(wù)再分配和重規(guī)劃，快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，提高完成任務(wù)的概率。

3)信息交互與自主編隊(duì)控制。無人機(jī)蜂群的信息交互與自主控制能力是完成作戰(zhàn)任務(wù)的前提。信息交互要考慮在受單機(jī)性能、通信帶寬、電磁干擾等影響，通信次數(shù)和通信量受限的情況下，如何確保系統(tǒng)的可靠性和魯棒性。自主編隊(duì)控制是指在執(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(tái)性能、任務(wù)環(huán)境等要求，主動(dòng)解決編隊(duì)生成、編隊(duì)保持、智能避障和不同環(huán)境下編隊(duì)重組等問題。目前，無人機(jī)蜂群編隊(duì)控制方法主要有領(lǐng)航-跟隨法、虛擬領(lǐng)航法和行為控制法。

4)人機(jī)智能融合與自適應(yīng)學(xué)習(xí)。目前大部分無人機(jī)是遙控的或半自主的，并且每個(gè)操作員只能實(shí)時(shí)控制單架無人機(jī)，這樣的能力顯然不能滿足無人機(jī)蜂群的需要。對(duì)于集群而言，無人機(jī)數(shù)量越多，集群內(nèi)部的自組織機(jī)制越復(fù)雜，需要的人機(jī)融合能力越高，因此無人機(jī)蜂群的指控關(guān)系必須被重新定義與設(shè)計(jì)。根據(jù)《美國(guó)空軍無人機(jī)系統(tǒng)飛行計(jì)劃2009—2047》的描述，隨著技術(shù)的發(fā)展，一名操作員將監(jiān)督或操作多架多任務(wù)無人機(jī)實(shí)施“更加集中、更加持續(xù)、更具規(guī)模”的集群任務(wù)，到2047年，使集群完成“觀察—判斷—決策—行動(dòng)”(OODA)回路的時(shí)間縮短為微秒，甚至納秒級(jí)，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合和自適應(yīng)學(xué)習(xí)的職能作戰(zhàn)模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無人機(jī)蜂群的研究仍然處于起步階段，除了技術(shù)問題，無人機(jī)蜂群仍面臨著一些發(fā)展問題：一是無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)尚沒有明確、統(tǒng)一的的作戰(zhàn)概念，致使其發(fā)展方向相對(duì)獨(dú)立分散; 二是無人機(jī)蜂群自主化和智能化會(huì)削弱人在回路中的作用，很多學(xué)者擔(dān)心其將來可能失控，甚至成為人類的威脅，使得這一新的理念難以被廣泛認(rèn)可，限制了蜂群技術(shù)的發(fā)展。

無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)是一個(gè)復(fù)雜、長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展的過程，盡管存在諸多難點(diǎn)，但是隨著作戰(zhàn)理念的發(fā)展和智能化水平的提高，無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)將是一種必然趨勢(shì)。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)的研究，從無人機(jī)與有人機(jī)的協(xié)同作戰(zhàn)向智能蜂群、立體蜂群方向過渡，穩(wěn)扎穩(wěn)打，搶占無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)領(lǐng)域的制高點(diǎn)?！?/p>