基于MOTE的智能隱身無人機(jī)作戰(zhàn)概念研究

李大喜， 李小喜， 陳士濤， 孫 鵬， 張 航

(1. 空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院， 陜西 西安 710051； 2. 空軍研究院系統(tǒng)工程所，北京 100076；3. 空軍工程大學(xué)裝備管理與無人機(jī)學(xué)院， 陜西 西安 710051；4.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院， 北京 100091； 5. 66137部隊(duì)， 北京 100010)

人工智能(Artificial Intelligence，AI)在軍事領(lǐng)域的快速發(fā)展，開啟了智能化作戰(zhàn)的新篇章。基于AI的隱身無人機(jī)將是下一代“空中主宰”力量，結(jié)合AI的智能隱身無人機(jī)(Intelligent Stealth Unmanned Air Vehicle,ISUAV)應(yīng)是具有自主飛行、任務(wù)規(guī)劃和決策能力、具備“4S”(Super stealth,Super information perception,Super maneuver,Supersonic cruise,超隱身、超信息感知、超機(jī)動(dòng)和超聲速巡航)能力的無人作戰(zhàn)平臺。

與四代機(jī)F-22、F-35和傳統(tǒng)無人機(jī)RQ-4相比，ISUAV的作戰(zhàn)優(yōu)勢體現(xiàn)在以下3方面：1) 無人化作戰(zhàn)，大大提高了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性和航程；2) 隱身化作戰(zhàn)，提高了特殊條件下的突防和前置作戰(zhàn)能力；3) 智能化作戰(zhàn)，提升了無人平臺的自主作戰(zhàn)能力。

基于上述優(yōu)勢，未來戰(zhàn)爭將賦予ISUAV奪取制空權(quán)、對地打擊、偵察監(jiān)視和防空反導(dǎo)等多重任務(wù)。但作戰(zhàn)對抗是復(fù)雜的，作戰(zhàn)進(jìn)程也是瞬息萬變的，更是不可預(yù)測的，即使是具備人工智能的無人機(jī)仍然存在對作戰(zhàn)想定、作戰(zhàn)程序的依賴性，一旦遇到特殊情況，無人機(jī)將可能出現(xiàn)“呆滯”，難以根據(jù)戰(zhàn)場實(shí)際情況進(jìn)行即時(shí)處理。因此，通過探索ISUAV的作戰(zhàn)概念，可對ISUAV在未來作戰(zhàn)體系中的定位及作戰(zhàn)使用提供重要依據(jù)，且作戰(zhàn)概念研究也是牽引ISUAV裝備發(fā)展技術(shù)預(yù)研方向的導(dǎo)向器。

1 ISUAV概念設(shè)計(jì)框架

從武器裝備發(fā)展的歷史沿革可以看出：各代戰(zhàn)斗機(jī)都是在威脅驅(qū)動(dòng)、技術(shù)推動(dòng)和需求牽引三者交互影響下發(fā)展的。作戰(zhàn)能力需求既可能來源于提升能力的要求，也可能來源于消除威脅的要求，需求的明確又牽引了技術(shù)的進(jìn)步。筆者針對ISUAV作戰(zhàn)能力需求，提出了基于MOTE(Mission,Operation,Technique,Equipment)作戰(zhàn)概念描述方法[1-2]，即通過任務(wù)概念(mission concept)、作戰(zhàn)概念(operation concept)、技術(shù)概念(technique concept)和裝備概念(equipment concept)對ISUAV的頂層作戰(zhàn)概念和需求進(jìn)行描述。該方法通過任務(wù)概念、作戰(zhàn)概念和技術(shù)概念逐層聚焦裝備概念，再由裝備概念、任務(wù)概念、作戰(zhàn)概念和技術(shù)概念之間相互映射與迭代，從總體上對ISUAV的作戰(zhàn)概念進(jìn)行描述?；贛OTE的ISUAV概念設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

由圖1可以看出：ISUAV的任務(wù)概念、作戰(zhàn)概念、裝備概念以及技術(shù)概念相互之間是相輔相成的關(guān)系，任務(wù)和作戰(zhàn)概念是對裝備和技術(shù)概念的牽引，裝備和技術(shù)概念是對任務(wù)和作戰(zhàn)概念的支撐，而任務(wù)概念、作戰(zhàn)概念以及技術(shù)概念既決定了裝備概念，同時(shí)又由裝備概念來集中反映[2]。

2 ISUAV概念設(shè)計(jì)

2.1 ISUAV任務(wù)概念設(shè)計(jì)

在未來的空天一體作戰(zhàn)中，無人機(jī)主要執(zhí)行預(yù)警偵察、信息支援[3]，以及對地(海)攻擊任務(wù)和對空作戰(zhàn)任務(wù)[4]。因此，ISUAV的作戰(zhàn)概念應(yīng)突出隱身能力和壓制突防能力，以壓制防空為主,以深入敵縱深區(qū)域打擊關(guān)鍵軍事目標(biāo)為優(yōu)勢發(fā)展方向。首先，ISUAV任務(wù)概念應(yīng)突出空中封鎖能力和空防壓制能力，壓制防空系統(tǒng)將是其核心任務(wù)。其次，依據(jù)2009年美國空軍參謀長施瓦茨曾向?qū)椃烙痔岢龅膶-47B作為理想的反導(dǎo)作戰(zhàn)平臺發(fā)展空基導(dǎo)彈防御計(jì)劃[5]，ISUAV還可作為助推段反導(dǎo)的空基平臺；同時(shí)，施瓦茨還指出X-47B應(yīng)注重電子偵察、欺騙、干擾等電子戰(zhàn)的能力，因此電子戰(zhàn)、導(dǎo)彈預(yù)警及攔截將是其主要任務(wù)。最后，考慮到在空戰(zhàn)對抗中，ISUAV的人工智能還難以替代經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員，因此近距空中支援和空戰(zhàn)任務(wù)僅作為一般任務(wù)和拓展任務(wù)。綜上所述，ISUAV任務(wù)概念設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 ISUAV任務(wù)概念設(shè)計(jì)

2.2 ISUAV作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)

由近幾次局部戰(zhàn)爭和地區(qū)沖突可以看出：未來的無人機(jī)將是一種具有強(qiáng)隱身、高感知、自主決策能力的高度智能化飛機(jī)，可在敵方領(lǐng)土上空飛行，但不被敵方防空系統(tǒng)察覺，且能攜帶精確制導(dǎo)武器對目標(biāo)實(shí)施攻擊。因此，ISUAV必須具有較大的航程、持續(xù)的戰(zhàn)場突防能力、良好的低空作戰(zhàn)能力，以及對目標(biāo)的快速發(fā)現(xiàn)、識別和攔截能力。ISUAV攻擊空中和地面目標(biāo)作戰(zhàn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)概念如圖2所示。圖中：Lkt、Lkd、Lkg(Ldt、Ldd、Ldg)分別代表ISUAV攻擊普通空中(或地面)目標(biāo)的探測、定位和攻擊距離[6]。

圖2 ISUAV作戰(zhàn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)概念

在戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)役使用上，ISUAV應(yīng)具備作戰(zhàn)靈活性，既可獨(dú)立執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，也可與有人機(jī)一起集群執(zhí)行火力壓制、對空(對地)打擊等作戰(zhàn)任務(wù)，還可作為空基平臺攜帶攔截武器對助推段飛行的彈道導(dǎo)彈或者高超聲速武器進(jìn)行攔截。以ISUAV執(zhí)行“防空壓制與封鎖”的核心任務(wù)，以及“助推段反導(dǎo)攔截”的主要任務(wù)為例，針對ISUAV的作戰(zhàn)運(yùn)用，ISUAV持續(xù)壓制作戰(zhàn)概念和助推段反導(dǎo)作戰(zhàn)概念描述如下。

2.2.1 持續(xù)壓制作戰(zhàn)概念

持續(xù)壓制作戰(zhàn)概念是指ISUAV利用其極具優(yōu)勢的隱身性能、危險(xiǎn)識別和規(guī)避能力，悄悄突防到目標(biāo)附近，采用精確制導(dǎo)武器對敵方目標(biāo)進(jìn)行突擊和持續(xù)壓制。

ISUAV持續(xù)壓制作戰(zhàn)概念如圖3所示。首先，ISUAV突防敵雷達(dá)站的探測和跟蹤，如果被敵方雷達(dá)站發(fā)現(xiàn)，ISUAV實(shí)施干擾使其無法穩(wěn)定跟蹤，并對敵防空導(dǎo)彈系統(tǒng)及部署的位置進(jìn)行識別和定位，規(guī)避前沿防空導(dǎo)彈陣地；其次，對重點(diǎn)區(qū)域的防空導(dǎo)彈系統(tǒng)進(jìn)行攻擊，使其喪失防空作戰(zhàn)能力，若受到防空導(dǎo)彈的攻擊，ISUAV施放誘餌進(jìn)行干擾；最后，對重點(diǎn)區(qū)域和目標(biāo)實(shí)施持續(xù)壓制和攻擊，達(dá)到既定作戰(zhàn)目標(biāo)后返航[7]。

圖3 ISUAV持續(xù)壓制作戰(zhàn)概念

2.2.2 助推段反導(dǎo)作戰(zhàn)概念

助推段反導(dǎo)作戰(zhàn)概念[5]是指由ISUAV搭載動(dòng)能攔截彈或激光武器，利用其隱身性能突前部署在敵方領(lǐng)空內(nèi)，對敵方的彈道導(dǎo)彈發(fā)射活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，并在彈道導(dǎo)彈助推段對其實(shí)施預(yù)警、識別和攔截[8]。在某些情況下，還可對敵方彈道導(dǎo)彈發(fā)射陣地(車)實(shí)施攻擊。

ISUAV助推段反導(dǎo)作戰(zhàn)概念如圖4所示。ISUAV作為空基平臺，在整個(gè)反導(dǎo)預(yù)警和指控體系的指揮下遂行助推段攔截作戰(zhàn)任務(wù)，由空天地一體的導(dǎo)彈預(yù)警網(wǎng)提供預(yù)警信息支持，在戰(zhàn)區(qū)反導(dǎo)作戰(zhàn)管理與指控(Battle Management and Command，Control，BM/C2)系統(tǒng)以及戰(zhàn)術(shù)反導(dǎo)BM/C2系統(tǒng)的指控下遂行作戰(zhàn)任務(wù)[9]。

圖4 ISUAV助推段反導(dǎo)作戰(zhàn)概念

2.3 ISUAV技術(shù)概念設(shè)計(jì)

ISUAV技術(shù)概念主要描述未來ISUAV具備的典型技術(shù)特征，以及支撐其作戰(zhàn)運(yùn)用所需的關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)有無人機(jī)的作戰(zhàn)使用環(huán)境具有持續(xù)時(shí)間長、危險(xiǎn)性或損傷性高等特點(diǎn)。為了滿足表1中提出的ISUAV的任務(wù)需求，并將其轉(zhuǎn)化為技術(shù)需求，需要提高平臺續(xù)航時(shí)間、危險(xiǎn)規(guī)避能力和生存能力。除了采用一些通用技術(shù)外，還將采用一些獨(dú)特的技術(shù)，并具備一些典型的技術(shù)特征。

綜合現(xiàn)有先進(jìn)無人機(jī)(以X-47B、RQ-4為例)和隱身飛機(jī)(以F-22、F-35為例)的主要系統(tǒng)技術(shù)特征和下一代主戰(zhàn)飛機(jī)關(guān)鍵的技術(shù)方面，從飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)上給出ISUAV技術(shù)概念設(shè)計(jì)，如表2所示。

具體來說，ISUAV技術(shù)概念設(shè)計(jì)有以下5個(gè)方面：

1) 在總體結(jié)構(gòu)上，應(yīng)采用開放式系統(tǒng)架構(gòu)和飛翼式構(gòu)型，采用智能蒙皮、一體化分布式孔徑、機(jī)翼內(nèi)埋式彈艙和隱身進(jìn)氣道(S形、蚌式等)技術(shù)。

2) 在動(dòng)力和飛控技術(shù)方面，應(yīng)具有遠(yuǎn)航程和持久滯空能力、超聲速巡航和超機(jī)動(dòng)能力，具有推力矢量功能和直接側(cè)向力控制系統(tǒng)，可實(shí)施瞬間直接側(cè)向機(jī)動(dòng)，并具有穩(wěn)定和迅捷的控制特性，采用智能光傳飛控系統(tǒng)，以及多電和全電技術(shù)，具備自主飛行能力。

表2 ISUAV技術(shù)概念設(shè)計(jì)

3) 在航電和武器系統(tǒng)方面，應(yīng)具有分布式雷達(dá)孔徑，實(shí)現(xiàn)寬頻、多波形掃描，具有綜合一體化航電，實(shí)現(xiàn)傳感器孔徑綜合、管控綜合，以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)綜合和融合能力，具有動(dòng)能和定向能武器，實(shí)現(xiàn)瞬間"閃"殺。

4) 在電磁頻譜戰(zhàn)領(lǐng)域，應(yīng)能依托高靈敏傳感器生成戰(zhàn)場電磁圖譜，具備高靈敏威脅探測和告警、微功率靈巧干擾、智能頻譜控制和高功率燒穿干擾能力。

5) 在智能作戰(zhàn)上[8]，應(yīng)具有戰(zhàn)場環(huán)境下的深度自主學(xué)習(xí)和多屬性決策能力，具備智能信息感知、危險(xiǎn)識別、規(guī)避和自主集群攻擊能力等。

2.4 ISUAV裝備概念設(shè)計(jì)

裝備概念主要描述ISUAV的裝備形態(tài)，裝備組成、功能關(guān)系、戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能、關(guān)鍵技術(shù)以及技術(shù)發(fā)展預(yù)期等[9]。ISUAV以防空壓制、縱深精確打擊為核心任務(wù)的概念設(shè)計(jì)，需具備高隱身性、高機(jī)動(dòng)性、強(qiáng)突防攻擊能力和高自主飛行控制能力。根據(jù)現(xiàn)有無人機(jī)的技術(shù)水平和發(fā)展預(yù)期，預(yù)想未來ISUAV裝備概念設(shè)計(jì)，如表3所示。

根據(jù)圖3所示的裝備概念，對比現(xiàn)有先進(jìn)無人機(jī)X-47B、RQ-4和四代機(jī)F-22，可初步設(shè)想ISUAV的作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表4所示。

表3 未來ISUAV裝備概念設(shè)計(jì)

表4 ISUAV作戰(zhàn)概念設(shè)計(jì)指標(biāo)

3 ISUAV關(guān)鍵技術(shù)分析

ISUAV將涉及如下8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

1) 下一代隱身技術(shù)[10]。ISUAV的核心任務(wù)是壓制敵防空系統(tǒng)，要接近敵防空陣地并實(shí)施有效攻擊，ISUAV必須具備強(qiáng)隱身能力以規(guī)避防空雷達(dá)的探測和跟蹤。

2) 飛翼式氣動(dòng)結(jié)構(gòu)技術(shù)[11]。采用無尾飛翼式構(gòu)型提高隱身能力和機(jī)動(dòng)能力。無尾布局戰(zhàn)斗機(jī)需要解決的技術(shù)包括：先進(jìn)的氣動(dòng)技術(shù)、非常規(guī)操縱技術(shù)、推力矢量及先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)噴口，為飛機(jī)提供偏航和俯仰操縱力矩。

3) 動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)[11]。高推重比的發(fā)動(dòng)機(jī)可降低飛機(jī)的尺寸和重量，高的燃燒室溫度將取消發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室，而變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)可將紅外信號降到最小。

4) 具有重構(gòu)的自適應(yīng)飛行控技術(shù)[11]。航空電子設(shè)備的高度集成、光傳操縱技術(shù)革新及動(dòng)力電傳操縱、高功率的電力作動(dòng)器、先進(jìn)的控制系統(tǒng)等，使智能無人戰(zhàn)斗機(jī)可以隨飛行動(dòng)態(tài)行為的改變進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，在飛機(jī)出現(xiàn)不可預(yù)知的損傷和動(dòng)作失效時(shí)，可重構(gòu)飛行控制系統(tǒng)。

5) AI和群體智能理論技術(shù)[12-13]。采用AI和群體智能理論技術(shù)可自動(dòng)尋找、識別目標(biāo)，確定攻擊目標(biāo)的優(yōu)先順序，選擇恰當(dāng)?shù)奈淦鳎⒆龀鰬?zhàn)術(shù)決策，執(zhí)行必要的攻擊機(jī)動(dòng)動(dòng)作。

6)無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)組網(wǎng)技術(shù)[14]。無人平臺之間以及無人平臺與有人平臺之間在C4ISR(Command,Control,Communication,Computer,Intelligence Surveillance,Reconnaissance)系統(tǒng)的支持下，要實(shí)現(xiàn)多平臺協(xié)同作戰(zhàn)，就必須組成網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)分散的平臺聯(lián)結(jié)成為一個(gè)有機(jī)的整體，才能充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。

7) 通信與數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。無人平臺對數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘俊?、作用距離、數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹皬?qiáng)壯”性、抗干擾性和安全性均提出了更高要求。新型數(shù)據(jù)鏈技術(shù)主要包括：高效、遠(yuǎn)距離光學(xué)通信，用于抗干擾通信的多波束天線，數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以及自動(dòng)目標(biāo)識別等。

8) 綜合電子系統(tǒng)技術(shù)[11]。包括對無人平臺的遙控、遙測、定位、運(yùn)動(dòng)控制、通信導(dǎo)航，電磁頻譜管理和電子戰(zhàn)，以及作戰(zhàn)任務(wù)載荷管理等技術(shù)。

4 結(jié)論

新型裝備概念探索是牽引武器裝備發(fā)展技術(shù)預(yù)研方向的導(dǎo)向器，概念探索描繪未來裝備的概念、作戰(zhàn)能力特性和技術(shù)結(jié)構(gòu)框架。智能無人戰(zhàn)斗機(jī)是未來空中力量發(fā)展的重要方向，筆者對ISUAV進(jìn)行了概念研究，設(shè)計(jì)了ISUAV的任務(wù)概念、作戰(zhàn)概念、技術(shù)概念和裝備概念，提出了MOTE概念設(shè)計(jì)方案，對未來ISUAV的發(fā)展和研制具有一定的借鑒意義。