艦載無人機(jī)集群系統(tǒng)作戰(zhàn)構(gòu)想

趙齊民,陳 晨

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)

隨著無人機(jī)發(fā)射技術(shù)的發(fā)展和海軍新一代大型艦艇的列裝,艦載無人機(jī)集群作戰(zhàn)將成為一種新型的海軍作戰(zhàn)樣式,創(chuàng)新的無人集群技術(shù)將改變傳統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用理念,特別將影響整個(gè)艦艇編隊(duì)攻防體系的變革,成為未來海軍艦艇編隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力提升的一種重要途徑。

2018年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了2030集群作戰(zhàn)視頻。“忠誠(chéng)僚機(jī)”概念中,一架F-35戰(zhàn)斗機(jī)被多架無人機(jī)包圍抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域,由F-35飛行員控制多架無人機(jī)發(fā)起攻擊,實(shí)現(xiàn)有人機(jī)和無人機(jī)的協(xié)同作戰(zhàn)。據(jù)悉,美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)正在開發(fā)能夠讓飛行員控制多架無人機(jī)的算法。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于無人機(jī)集群的研究主要集中在編隊(duì)空間構(gòu)型和任務(wù)分配算法等方面,與現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法相結(jié)合的研究較少,特別是無人機(jī)集群在海戰(zhàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)使用問題。因此,本文緊緊圍繞艦載無人機(jī)集群的作戰(zhàn)場(chǎng)景,分析其帶來的作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì),通過典型場(chǎng)景的作戰(zhàn)流程分析,為創(chuàng)新戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的設(shè)計(jì)提供參考,從而加速推進(jìn)無人機(jī)集群的科研成果向作戰(zhàn)能力的轉(zhuǎn)化。

1 作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)分析

本文討論的無人機(jī)集群有別于現(xiàn)役中高空長(zhǎng)航時(shí)艦載無人機(jī),所指的艦載無人機(jī)集群系統(tǒng)選用輕量級(jí)無人機(jī),搭載廉價(jià)、低功耗的商用微型傳感器,通過開發(fā)先進(jìn)算法,將低成本、可消耗的多無人機(jī)黏合成具有集群智能的作戰(zhàn)輔助系統(tǒng)。利用艦艇作為微小型無人機(jī)的發(fā)射平臺(tái),在海戰(zhàn)場(chǎng)快速形成集群態(tài)勢(shì),將帶來以下作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)。

1) 聯(lián)合執(zhí)行偵察任務(wù),增強(qiáng)戰(zhàn)區(qū)實(shí)時(shí)監(jiān)控能力

在艦艇編隊(duì)遂行以海制陸的任務(wù)中,作戰(zhàn)初期艦艇編隊(duì)都在岸防火力范圍外,此時(shí)常規(guī)的艦載傳感器往往受到地球曲率等環(huán)境限制,也有可能面臨電磁干擾等復(fù)雜拒止環(huán)境,無法第一時(shí)間獲取岸基的布防情況,而無人機(jī)集群由于具有小型、隱身以及便于攜帶電視、紅外等多種傳感器的優(yōu)勢(shì),可以減小對(duì)衛(wèi)星的依賴程度,可提供分布式的飽和偵察方案,成為快速有效獲取戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)的重要裝備。特別在兩棲登陸作戰(zhàn)中,戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域縱深大，協(xié)同復(fù)雜,態(tài)勢(shì)變換急劇,無人機(jī)集群可以采用隱蔽快速突防的方式,快速穿越前沿防空網(wǎng)抵達(dá)目標(biāo)區(qū),到達(dá)最大縱深處,對(duì)敵最重要目標(biāo)實(shí)施抵近空中偵察。

2) 艦艇遠(yuǎn)程對(duì)岸火力打擊的“倍增器”

在島嶼登陸作戰(zhàn)中,登陸地段的暗堡、堅(jiān)固火力點(diǎn)等工事,如果不能提前有效清除,將給登陸部隊(duì)造成重大傷害。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,對(duì)于提前標(biāo)注地理位置的火力點(diǎn),可由艦艇武器進(jìn)行超視距攻擊,而由于岸灘遮蔽物等原因臨時(shí)發(fā)現(xiàn)的火力點(diǎn),就需要第一時(shí)間臨時(shí)應(yīng)召遠(yuǎn)程火力,計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo),測(cè)定目標(biāo)參數(shù),輔助生成艦炮武器射擊方案,或者對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光器照射,為激光制導(dǎo)類導(dǎo)彈提供精確制導(dǎo)信息[1],實(shí)施對(duì)岸上重要目標(biāo)的集火打擊,攻擊過后偵察無人機(jī)可測(cè)定彈著點(diǎn)位置提供校正參數(shù),并根據(jù)目標(biāo)毀傷程度進(jìn)行射后評(píng)估,有效提升遠(yuǎn)程火力打擊效果。

3) 體現(xiàn)分布式殺傷,實(shí)施“傳感器-射手”的殺傷鏈任務(wù)

無人機(jī)集群作戰(zhàn)是分布式殺傷理念的重要體現(xiàn),將電子戰(zhàn)、傳感器、武器、定位導(dǎo)航和授時(shí)以及數(shù)據(jù)鏈等能力拆分到大量可實(shí)時(shí)通信的無人平臺(tái)上,在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無人平臺(tái)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享、多機(jī)組網(wǎng)、協(xié)同配合,進(jìn)而形成分布式作戰(zhàn)體系,執(zhí)行ISR和目標(biāo)打擊任務(wù)。類似于敵方臨時(shí)指揮所、導(dǎo)彈發(fā)射架等高價(jià)值時(shí)敏目標(biāo),往往都是臨時(shí)部署的,甚至是機(jī)動(dòng)的,無人機(jī)集群可實(shí)施臨時(shí)火力應(yīng)召,對(duì)此類目標(biāo)實(shí)施動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程火力調(diào)度,必要時(shí)集群可直接在同一時(shí)間段內(nèi)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行自殺性輪番攻擊,占用敵方的防御武器通道,增加敵方的防御難度和成本,適用于對(duì)敵方高價(jià)值時(shí)敏目標(biāo)進(jìn)行飽和攻擊。

鑒于以上無人機(jī)集群的作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì),有必要開展艦載無人機(jī)集群的關(guān)鍵技術(shù)研究,特別是如何與現(xiàn)有的作戰(zhàn)體系相融合,通過戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法的創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)艦艇作戰(zhàn)能力的提升。典型的艦載無人機(jī)集群作戰(zhàn)任務(wù)包括:區(qū)域警戒、聯(lián)合偵察、干擾壓制、攻擊引導(dǎo),以及直接打擊等。本文將主要討論兩種作戰(zhàn)場(chǎng)景下,無人機(jī)集群作戰(zhàn)的任務(wù)實(shí)施方法。

1)在兩棲登陸作戰(zhàn)的過程中,無人機(jī)集群可自主協(xié)同執(zhí)行實(shí)時(shí)偵察任務(wù),無縫對(duì)接艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)系統(tǒng),實(shí)施遠(yuǎn)程對(duì)岸火力保障任務(wù);

2)對(duì)敵海上艦艇進(jìn)行突防時(shí),多無人機(jī)通過攜帶高爆炸藥、箔條、雷達(dá)反射器或干擾機(jī),為高價(jià)值武器(反艦導(dǎo)彈)或者發(fā)射平臺(tái)提供集群掩護(hù)干擾技術(shù),必要時(shí)可破壞敵艦雷達(dá)系統(tǒng)。

本文基于以上兩種典型海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)場(chǎng)景,立足于無人機(jī)集群通信系統(tǒng)設(shè)計(jì),探討無人機(jī)集群參與聯(lián)合作戰(zhàn)的模式。

2 集群通信系統(tǒng)

目前艦載無人機(jī)一般選用中大型無人機(jī),單艘艦艇的配置數(shù)量較少,造價(jià)較高,其配置的數(shù)據(jù)鏈一般指的是艦艇和無人機(jī)之間的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈,可分為上行鏈路和下行鏈路。艦艇指揮控制中心操控人員的指令通過上行數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至無人機(jī),用來控制無人機(jī)的飛行路徑,并對(duì)無人機(jī)的任務(wù)載荷進(jìn)行遙控;無人機(jī)傳感器的實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)信息,以及無人機(jī)的位置、姿態(tài)等數(shù)據(jù)則通過下行鏈路反饋至指揮控制中心。因此，現(xiàn)有無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈主要應(yīng)用于對(duì)中高空長(zhǎng)航無人機(jī)，進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

本文所述的無人機(jī)集群系統(tǒng)根據(jù)攜帶任務(wù)載荷的不同進(jìn)行任務(wù)分工,具有明顯的分布式特點(diǎn),在動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中對(duì)集群網(wǎng)絡(luò)的耦合度等設(shè)計(jì)提出了更高的要求?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)由于在實(shí)時(shí)性、容量動(dòng)態(tài)調(diào)整等方面存在不足,特別是跟艦艇編隊(duì)武器系統(tǒng)缺乏有效鉸鏈,影響實(shí)時(shí)火控?cái)?shù)據(jù)的共享,就不能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群內(nèi)部以及集群和艦艇編隊(duì)火力之間協(xié)同控制。因此，數(shù)據(jù)鏈的總體設(shè)計(jì)必須充分結(jié)合作戰(zhàn)實(shí)際需求,例如：艦艇編隊(duì)與無人機(jī)集群之間的通信數(shù)據(jù)鏈在通信條件允許的情況下,需要為實(shí)時(shí)偵察圖像的傳輸預(yù)留足夠的帶寬;對(duì)時(shí)敏目標(biāo)的識(shí)別信息、炸點(diǎn)偏差等火控?cái)?shù)據(jù)，則需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息優(yōu)先處理。無人機(jī)集群的作戰(zhàn)行動(dòng)可以是智能自主的,但絕對(duì)不是孤立的,因此，艦載無人機(jī)集群通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要以艦艇編隊(duì)傳感器信息共享和火力綜合運(yùn)用為前提。

在實(shí)施無人機(jī)集群作戰(zhàn)指揮時(shí),無人機(jī)集群的中心節(jié)點(diǎn)將負(fù)責(zé)與艦載指揮控制中心進(jìn)行關(guān)鍵指令的交互,中心節(jié)點(diǎn)再通過集群內(nèi)部自主網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)指令,實(shí)施內(nèi)部信息共享。通過艦艇編隊(duì)作戰(zhàn)中無人機(jī)集群的使用場(chǎng)景分析,綜合數(shù)據(jù)鏈突襲隱蔽、QoS能力、高速傳輸、高度自主等設(shè)計(jì)要求,如圖1所示，本文提出艦載無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型,按照艦艇指揮控制中心和無人機(jī)集群中心節(jié)點(diǎn)通信,以及無人機(jī)集群內(nèi)部自組網(wǎng)兩類通信模式設(shè)計(jì)。

圖1 艦載無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)模型示意圖

艦艇指揮控制中心直接或通過中繼節(jié)點(diǎn)(如衛(wèi)星)控制無人機(jī)集群的中心節(jié)點(diǎn),一般考慮作戰(zhàn)的冗余度設(shè)計(jì),集群配置多架中心無人機(jī),具備與指揮控制中心或者中繼節(jié)點(diǎn)的可靠通信能力,除此之外,集群自身還必須具備自組網(wǎng)的能力[2],支持集群柔性的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)能力。

艦艇指揮控制中心和無人機(jī)集群中心節(jié)點(diǎn)的通信可借用現(xiàn)有的無人機(jī)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈進(jìn)行升級(jí),或可以通過相控陣?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信一體化的能力,用來支持實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]結(jié)合艦載雷達(dá)通信一體化發(fā)展的需要,提出了基于艦載相控陣?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)通信一體化設(shè)計(jì)的思路,并從通信系統(tǒng)的鏈路流程、時(shí)間資源、時(shí)隙分配以及通信協(xié)議幾方面進(jìn)行了論述。2007年，雷聲公司演示了基于有源相控陣?yán)走_(dá)的有源陣列,通過升級(jí)相應(yīng)的算法和軟件,將其作為指揮控制中心實(shí)施大數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?并將其命名為“超級(jí)通信”(Super Communication),其表現(xiàn)出了優(yōu)于現(xiàn)有寬帶戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的性能;2013年，雷聲公司在荷蘭岸基設(shè)施上,實(shí)現(xiàn)了雙波段數(shù)據(jù)鏈與先進(jìn)相控陣?yán)走_(dá)(APAR)的集成,增加了歐洲實(shí)現(xiàn)彈道導(dǎo)彈防御的艦船數(shù)量。

無人機(jī)集群內(nèi)部自組網(wǎng)設(shè)計(jì),由于本文艦載無人機(jī)集群定位為輕量級(jí)無人機(jī),針對(duì)高密度無人機(jī)集群系統(tǒng)單跳距離不小于3 km,需具備抗干擾、按需帶寬、快速組網(wǎng)、高并發(fā)、低延時(shí)、低功耗、低成本的特點(diǎn),設(shè)計(jì)專用輕量級(jí)MAC層無線信道訪問策略,將采用自組織多跳路由算法設(shè)計(jì),提高集群通信控制鏈路的網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模無人機(jī)集群系統(tǒng)組網(wǎng)(單集群不少于300架)。美軍的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(TTNT)提供了一種無人機(jī)集群自組網(wǎng)設(shè)計(jì)的借鑒思路,美軍當(dāng)年為了解決從“傳感器到射手”的數(shù)據(jù)鏈接問題,迫切需要一種傳輸量大、反應(yīng)時(shí)間短的解決方案。在美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局的資助下,由羅克韋爾·柯林斯公司開發(fā)TTNT網(wǎng)絡(luò),它是一種以互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ),采用Ad Hoc技術(shù),基于IP協(xié)議的高速、寬帶、新型戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),具有高吞吐量、高傳輸速率、低傳輸時(shí)延以及實(shí)時(shí)按需獲得帶寬的性能,能實(shí)時(shí)與作戰(zhàn)平臺(tái)共享感興趣的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)信息,從而精確打擊時(shí)間敏感目標(biāo)。TTNT成功應(yīng)用于機(jī)載網(wǎng)絡(luò),在有人戰(zhàn)機(jī)中實(shí)現(xiàn)高速信息共享,其目的是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)瞄準(zhǔn),并精確快速打擊目標(biāo)。

通過分析TTNT數(shù)據(jù)鏈的技術(shù)特點(diǎn),本文提出符合艦載無人機(jī)集群自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn):

1)采用IP協(xié)議,廣泛連接現(xiàn)有平臺(tái);

2)高吞吐量,高傳輸速率;

3)低時(shí)延、低截獲性和抗干擾性;

4)實(shí)時(shí)按需獲得帶寬;

5)柔性多節(jié)點(diǎn)接入。

無人機(jī)集群空間構(gòu)型根據(jù)任務(wù)需要可能不斷變化,造成了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?傳統(tǒng)路由選擇算法得到的信息可能很快變得不可達(dá),重新計(jì)算路由的概率將很高;無人機(jī)受物理?xiàng)l件限制負(fù)載有限,可用于通信的能源有限,鏈路帶寬有限,并且，由于節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率和天線增益有限,單跳通信距離比通常移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)短,極度依賴其他無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā);由于戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)的快速變化,系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求,節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況將直接影響數(shù)據(jù)傳輸成功與否以及傳輸時(shí)延大小,因而相比傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò),無人機(jī)集群自組網(wǎng)中對(duì)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡有了更高的要求。

通過上述應(yīng)用場(chǎng)景分析,需要為無人機(jī)集群移動(dòng)自組網(wǎng)設(shè)計(jì)專用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、多址方式和路由協(xié)議等。

1)基于多智能體的協(xié)同自組網(wǎng)

本文擬采用多智能體系統(tǒng)的組網(wǎng)方式和路由算法,利用中心無人機(jī)作為移動(dòng)sink節(jié)點(diǎn),通過LEACH分簇算法對(duì)非中心無人機(jī)進(jìn)行分簇,LEACH算法[4]采用的是分布式算法,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行自主決策,而不需要通過任何集中式控制。各簇中作為簇首節(jié)點(diǎn)的無人機(jī)自主選擇與距離最近的sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,從而實(shí)現(xiàn)集群自組網(wǎng)的廣覆蓋。

2)小型無人機(jī)自組網(wǎng)中的改進(jìn)GPSR協(xié)議

貪婪周邊無狀態(tài)路由協(xié)議GPSR,采用簡(jiǎn)單的貪婪轉(zhuǎn)發(fā)和周邊轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則。特別適合載荷小,處理能力和能源有限的小型無人機(jī)進(jìn)行自組網(wǎng)的需求。

GPSR協(xié)議在路由策略上,僅計(jì)算鄰節(jié)點(diǎn)間的直線距離。但是無人機(jī)自組網(wǎng)通信的過程中,受復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響,導(dǎo)致接收到鄰節(jié)點(diǎn)信標(biāo)的節(jié)點(diǎn),并不能傳遞數(shù)據(jù)到此鄰節(jié)點(diǎn)。在貪婪轉(zhuǎn)發(fā)中,會(huì)使單純地用距離來選擇下一跳路由變得不可靠。為解決以上問題,擬進(jìn)行基于信號(hào)強(qiáng)度對(duì)GPSR進(jìn)行修正。主要涉及以下方面:

1)使用無線信號(hào)傳播模型對(duì)節(jié)點(diǎn)覆蓋進(jìn)行檢驗(yàn),排除信號(hào)不能覆蓋的鄰節(jié)點(diǎn);

2)在貪婪轉(zhuǎn)發(fā)模式中,利用信號(hào)傳播模型獲得下一跳轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)覆蓋的局部最優(yōu);

3)結(jié)合信號(hào)傳播模型,檢查是否達(dá)到轉(zhuǎn)換傳播模式的條件。

本文通過上述艦載無人機(jī)集群的通信系統(tǒng)分析,設(shè)計(jì)了基本通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),并根據(jù)移動(dòng)自主網(wǎng)的關(guān)鍵問題,給出了技術(shù)解決途徑,為下一步作戰(zhàn)模式分析打下了基礎(chǔ)。

3 超視距聯(lián)合定位

通過設(shè)計(jì)臨近戰(zhàn)區(qū)自主網(wǎng)信息系統(tǒng),快速深度挖掘戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息,增強(qiáng)超視距前沿戰(zhàn)區(qū)的火力引導(dǎo)和控制能力。

在常規(guī)艦炮對(duì)岸火力支援場(chǎng)景中,大口徑艦炮武器的有效打擊距離較近,武器系統(tǒng)進(jìn)行試射后,一般由前沿觀測(cè)哨(或者高空無人機(jī)、電視偵察彈)實(shí)施炸點(diǎn)觀測(cè),測(cè)得指定坐標(biāo)系下的彈著偏差數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳,或者直接回傳帶地理特征點(diǎn)的偵察圖像,與衛(wèi)星圖片進(jìn)行配準(zhǔn)后獲取偏差數(shù)據(jù),炸點(diǎn)偏差獲取的實(shí)時(shí)性和精確性將直接影響后續(xù)射擊成果。在兩棲登陸作戰(zhàn)中,艦炮對(duì)岸火力的支援能力將延伸至上百千米?，F(xiàn)有戰(zhàn)時(shí)情報(bào)獲取方式,應(yīng)用于未來兩棲登陸作戰(zhàn),存在以下不足:

1) 戰(zhàn)區(qū)環(huán)境復(fù)雜,前沿觀測(cè)哨的布設(shè)受限;

2) 依靠單架/幾架中高空無人機(jī)偵察,容易遭受攻擊,生存率較低,易受地形、煙霧等環(huán)境因素的影響,定位精度不高,而且無法同時(shí)保障多個(gè)綜合打擊任務(wù);

3) 戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域縱深大,依靠回傳圖像到艦艇控制中心,對(duì)數(shù)據(jù)鏈的帶寬和實(shí)時(shí)性要求非常高,在戰(zhàn)時(shí)往往達(dá)不到要求,信息處理不及時(shí),影響武器殺傷鏈的時(shí)間消耗;

4) 圖像配準(zhǔn)要求具備對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域的衛(wèi)星圖片,并且進(jìn)行地理信息標(biāo)注,前期情報(bào)準(zhǔn)備工作周期長(zhǎng),無法應(yīng)對(duì)突發(fā)性作戰(zhàn)任務(wù)。

無人機(jī)集群依靠其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì),特別適合于這種戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域縱深大、協(xié)同復(fù)雜,態(tài)勢(shì)變換急劇的兩棲登陸作戰(zhàn)場(chǎng)景。無人機(jī)集群可采用突擊部隊(duì)單兵攜帶抵進(jìn)發(fā)射、艦載管射,以及高空投放等方式,快速穿透前沿防空網(wǎng)抵達(dá)目標(biāo)區(qū),快速形成集群態(tài)勢(shì)。這種方式速度快,防空武器難以攔截,可在最短的時(shí)間內(nèi)將無人機(jī)投送到最大縱深處,可以對(duì)敵最重要軍事目標(biāo)實(shí)施空中偵察和打擊。

與以往依靠回傳方式進(jìn)行集中式圖像處理的方式不同,本文設(shè)想通過無人機(jī)集群的基礎(chǔ)通信設(shè)施建設(shè),在無人機(jī)集群自主網(wǎng)的基礎(chǔ)上,重視邊緣分布式計(jì)算能力,充分發(fā)揮無人機(jī)集群的群體智能,利用無人機(jī)預(yù)置的戰(zhàn)區(qū)典型地理特征點(diǎn)的坐標(biāo)和模板信息[5],在動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,通過智能算法進(jìn)行任務(wù)自組織,依托自主網(wǎng)按需共享信息,圍繞共同作戰(zhàn)目標(biāo),自發(fā)調(diào)整個(gè)體動(dòng)作,充分發(fā)揮不同類型無人機(jī)的特長(zhǎng)和優(yōu)勢(shì)。在作戰(zhàn)過程中,如圖2所示,一旦戰(zhàn)區(qū)的導(dǎo)航信號(hào)受到干擾,偵察型無人機(jī)可以根據(jù)匹配到的地理特征點(diǎn),通過共線方程完成自身定位[6];打擊型無人機(jī)則通過圖像協(xié)同跟蹤算法保持對(duì)敏感目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤,根據(jù)不同方位,不同高度的多源觀測(cè)信息進(jìn)行融合識(shí)別,并通過與多個(gè)已經(jīng)完成定位的偵察型無人機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息交互,借助網(wǎng)絡(luò)定位算法[7]對(duì)靜止甚至低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行聯(lián)合間接定位,供遠(yuǎn)程艦載武器進(jìn)行火控解算并控制發(fā)射,在火力臨近時(shí),如有需要可通過激光發(fā)射器,提供“飽和”式激光照射指示,在校射過程中根據(jù)炸點(diǎn)觀測(cè),實(shí)時(shí)計(jì)算并反饋偏差信息,無須回傳整幅戰(zhàn)術(shù)圖像到艦艇指揮控制中心進(jìn)行配準(zhǔn),降低了回傳信息對(duì)數(shù)據(jù)鏈的要求,為遠(yuǎn)程艦炮和對(duì)陸攻擊導(dǎo)彈,特別是電磁軌道炮的快速打擊提供持續(xù)可靠的目標(biāo)信息保障。

圖2 對(duì)岸目標(biāo)協(xié)同定位示意圖

4 掩護(hù)干擾

在隱蔽突襲作戰(zhàn)背景下,敵艦艇立體防御手段日益豐富,本文通過無人機(jī)集群為高價(jià)值武器(反艦導(dǎo)彈)或者發(fā)射平臺(tái)提供以下掩護(hù)方式:

1)利用無人機(jī)加裝小型干擾任務(wù)載荷,實(shí)施與反艦導(dǎo)彈的伴隨式飛行任務(wù),輔助反艦導(dǎo)彈對(duì)敵艦艇防空體系進(jìn)行突防。在遠(yuǎn)區(qū),可通過密集編隊(duì),利用遠(yuǎn)程搜索雷達(dá)距離和方位分辨率較低的特點(diǎn),無法將其識(shí)別為群目標(biāo),導(dǎo)致指揮決策方案單一;一旦進(jìn)入近區(qū),雖然可被近程傳感器檢測(cè)為群目標(biāo),然而大大消耗了防空系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間,而且近區(qū)可通過主動(dòng)壓制敵方雷達(dá)傳感器,削弱敵方防空系統(tǒng)的反導(dǎo)攔截概率,提高反艦導(dǎo)彈的突防能力;

2)地效無人機(jī)平臺(tái)攜帶超空泡魚雷等作戰(zhàn)單元[8],如圖3所示，以超低空巡航方式,接近敵艦艇編隊(duì),獲取20 km內(nèi)的最佳攻擊距離,一旦被敵方探測(cè)到以后,以管射方式釋放小型無人機(jī)集群，以干擾、誘餌或者阻攔模式掩護(hù)地效無人機(jī)平臺(tái)，完成發(fā)射以及撤退任務(wù)。

圖3 無人機(jī)集群掩護(hù)發(fā)射平臺(tái)示意圖

無人機(jī)集群在實(shí)施對(duì)高價(jià)值反艦武器或者發(fā)射平臺(tái)的掩護(hù)任務(wù)時(shí),由于無人機(jī)雷達(dá)反射面積相對(duì)較小,而無人機(jī)實(shí)施干擾時(shí)距離艦載雷達(dá)較近,干擾對(duì)象明確,一定程度上降低了對(duì)無人機(jī)任務(wù)載荷的功率需求,具有很強(qiáng)的技術(shù)可行性和良好的干擾效果,提供了一種復(fù)雜電磁環(huán)境下提高反艦武器的突防效益的途徑。

2012年，美國(guó)HJ研究院的一份仿真報(bào)告顯示,配備“宙斯盾”系統(tǒng)的導(dǎo)彈驅(qū)逐艦,集成了各類傳感器和武器系統(tǒng),包括干擾器、誘餌彈、防空導(dǎo)彈、127 mm艦炮、“密集陣”近程炮以及機(jī)槍,面對(duì)8架無人機(jī)集群的突防。500次的模擬結(jié)果如圖4所示,其中4架無人機(jī)突防的次數(shù)高達(dá)約132次,仿真結(jié)果表明艦載雷達(dá)系統(tǒng)無法有效引導(dǎo)武器系統(tǒng)進(jìn)行攔截此類無人機(jī)集群目標(biāo)。

圖4 無人機(jī)集群突防模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)

目前,美國(guó)海軍典型的艦空導(dǎo)彈包括標(biāo)準(zhǔn)系列和“海麻雀”系列,均以半主動(dòng)制導(dǎo)體制為主。以美海軍“宙斯盾”艦艇的專用SM-2 Block 3A標(biāo)準(zhǔn)防空導(dǎo)彈為例,其采用慣性/無線電指令+半主動(dòng)尋的制導(dǎo)方式,導(dǎo)彈發(fā)射后的初段按照慣性飛行,中段通過慣性導(dǎo)航和無線電指令接近攔截目標(biāo),一旦進(jìn)入末段需要照射雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)照射,照射雷達(dá)的直波和目標(biāo)的反射回波進(jìn)入防空導(dǎo)彈的接收機(jī),合成處理后形成制導(dǎo)信號(hào),控制導(dǎo)彈的飛控系統(tǒng)按一定的導(dǎo)引規(guī)律,實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)交會(huì)。根據(jù)上述防空導(dǎo)彈制導(dǎo)流程的分析,利用無人機(jī)集群輔助反艦導(dǎo)彈進(jìn)行突防,壓制敵方雷達(dá)傳感器的方法如下:

1)干擾艦載對(duì)空搜索雷達(dá)

降低敵方雷達(dá)傳感器測(cè)得的目標(biāo)信息精度,導(dǎo)致其射擊諸元解算誤差變大,影響發(fā)射準(zhǔn)確性。例如對(duì)空搜索雷達(dá)在干擾信號(hào)的影響下,獲取目標(biāo)仰角信息誤差較大,使艦空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭開機(jī)時(shí),天線主瓣不能有效接收目標(biāo)回波,無法構(gòu)成半主動(dòng)尋的導(dǎo)引條件。

2)干擾艦空導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭

由于導(dǎo)引頭測(cè)角通路帶寬較大,無人機(jī)干擾信號(hào)能夠進(jìn)入導(dǎo)引頭的接收通路[9],其目的在于使艦空導(dǎo)彈在引導(dǎo)過程中,由于額外注入的制導(dǎo)誤差,導(dǎo)致艦空導(dǎo)彈偏離目標(biāo),或者因脫靶量過大,無法對(duì)目標(biāo)實(shí)施有效攔截。

3)干擾艦載單脈沖跟蹤雷達(dá)

常規(guī)艦載單脈沖跟蹤雷達(dá)突出其對(duì)單個(gè)高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)的高精度測(cè)量,用于實(shí)施目標(biāo)火控濾波和預(yù)測(cè),控制艦炮射擊攔截。此類跟蹤雷達(dá)面臨集群目標(biāo)時(shí),將出現(xiàn)“角閃爍”現(xiàn)象,導(dǎo)致對(duì)攔截目標(biāo)測(cè)不準(zhǔn)、跟不穩(wěn),艦炮無法有效毀傷目標(biāo)。

4)占用武器系統(tǒng)通道

依靠無人機(jī)集群性價(jià)比高,充分發(fā)揮數(shù)量和小型化等優(yōu)勢(shì),模擬反艦導(dǎo)彈的雷達(dá)信號(hào)特征,形成虛假飽和攻擊態(tài)勢(shì),占用艦載防御武器系統(tǒng)通道,突破艦載立體防御體系,甚至破壞艦艇雷達(dá)系統(tǒng)。

5 關(guān)鍵技術(shù)

1)集群發(fā)射系統(tǒng)

根據(jù)作戰(zhàn)場(chǎng)景分析,無人機(jī)集群的突防距離至少要超過100 km,甚至要達(dá)到200 km,而且需要快速形成集群態(tài)勢(shì)?？紤]到低成本、可消耗的設(shè)計(jì)要求,以及艦面空間的約束,無法為艦載無人機(jī)集群?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)復(fù)雜的發(fā)射系統(tǒng)。因此，可考慮使用大口徑艦炮發(fā)射，即類似于火箭炮的管式發(fā)射,以及空基平臺(tái)的投射方式,助推段結(jié)束后采用電池驅(qū)動(dòng),支持一次作戰(zhàn)過程不少于2小時(shí),并考慮實(shí)施戰(zhàn)后回收。

2)網(wǎng)絡(luò)安全性

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究仍處在理論研究階段,至多是進(jìn)行一些演示、示范系統(tǒng)的研制或仿真,鮮有實(shí)用的工程實(shí)現(xiàn),而且反無人機(jī)手段日益豐富,電子干擾壓制對(duì)集群通信系統(tǒng)會(huì)造成致命打擊,因此，自組網(wǎng)的安全性對(duì)無人機(jī)集群任務(wù)執(zhí)行的影響至關(guān)重要,應(yīng)作為關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)行研究。

3)定位與導(dǎo)航

在無人機(jī)集群行動(dòng)中,GPS/北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)用于提供高精度的定位服務(wù),但在戰(zhàn)時(shí)衛(wèi)星信號(hào)拒止環(huán)境中,只能依靠少數(shù)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地形匹配,從而，輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航,其他無人機(jī)節(jié)點(diǎn)則需利用有限無人機(jī)的匹配定位信息(信標(biāo)節(jié)點(diǎn)),通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系為全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供聯(lián)合導(dǎo)航定位服務(wù)。

4)任務(wù)自組織

無人機(jī)集群所處戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬變,任務(wù)區(qū)域具有高度的動(dòng)態(tài)和不確定性,無人機(jī)集群根據(jù)不同載荷分工各不相同,具有分布式系統(tǒng)的特點(diǎn),在戰(zhàn)場(chǎng)通信條件受限的情況下,將難以保證個(gè)體都獲取全局的實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)信息。動(dòng)態(tài)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下,為增強(qiáng)無人機(jī)集群的自主適應(yīng)能力,需要研究惡劣環(huán)境下多無人機(jī)分布式協(xié)同任務(wù)自組織技術(shù),按需共享關(guān)鍵戰(zhàn)場(chǎng)信息,甚至在通信網(wǎng)絡(luò)中斷后,無人機(jī)個(gè)體仍可依靠視覺等機(jī)載信息,圍繞同一目標(biāo),自發(fā)調(diào)整各自行動(dòng),以最大限度發(fā)揮無人機(jī)集群的群體智能,取得最佳的作戰(zhàn)效果。

6 結(jié)束語

未來艦載無人機(jī)集群系統(tǒng)將大幅提升艦艇編隊(duì)的信息化水平,通過數(shù)據(jù)鏈與艦艇編隊(duì)探測(cè)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直接鉸鏈,將極大增強(qiáng)超視距情況下艦艇編隊(duì)聯(lián)合火力的組網(wǎng)能力。本文以艦載無人機(jī)集群系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用為背景,通過遠(yuǎn)程聯(lián)合定位和掩護(hù)干擾兩種不同作戰(zhàn)場(chǎng)景下的作戰(zhàn)流程分析,體現(xiàn)了無人機(jī)集群與艦炮武器系統(tǒng)、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)聯(lián)合作戰(zhàn)的效果,提供了將艦載無人機(jī)集群的信息優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的參考途徑。