無人機群分布式協(xié)同通信對抗技術(shù)綜述?

陳 靜 陳光佳 李天保

（1.中國人民解放軍91404部隊 秦皇島 066001）（2.中國電子科技集團公司網(wǎng)絡(luò)通信研究院 石家莊 050000）

1 引言

無人機在當(dāng)今信息化戰(zhàn)爭中，作為電子干擾、通信對抗裝備裝載平臺，能夠完成電子偵查、情報截獲等任務(wù)，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的應(yīng)用價值越來越高［1］。單一的無人機攜帶電子戰(zhàn)系統(tǒng)進行通信對抗時，由于雷達(dá)反射橫截面較大，目標(biāo)較大、易被對方電子信息系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，難以發(fā)揮無人機的靈活性，而無人機群搭載便攜電子戰(zhàn)載荷以分布式協(xié)同方式合作，以多個干擾源協(xié)同，作戰(zhàn)方式較為靈活、隱蔽性高，能夠充分發(fā)揮出通信對抗系統(tǒng)的優(yōu)勢。

2 無人機群分布式協(xié)同作戰(zhàn)

分布式協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)成為通信對抗技術(shù)的重要發(fā)展趨勢，分布式無人機群搭載電子戰(zhàn)系統(tǒng)的作戰(zhàn)方式應(yīng)運而生。由小型無人機構(gòu)成的無人機群具有作戰(zhàn)半徑大、作戰(zhàn)效能精度高以及生存能力強、廉價、容錯性高和機動性強等特點，在信號情報偵查、干擾以及敏感輻射源高精度定位等方面具有顯著效果，能夠?qū)撤降碾娮幼鲬?zhàn)系統(tǒng)造成較大破壞，最大發(fā)揮我方戰(zhàn)斗效能［2］。

隨著分布式協(xié)同作戰(zhàn)理論的發(fā)展，為彌補在通信對抗系統(tǒng)中高性能探測載荷生存性低、系統(tǒng)架構(gòu)靈活性低、生產(chǎn)成本高等不足，考慮敵方的雷達(dá)等通信信號在樣式、幅度以及帶寬等性能方面存在不同，通過將成本高的通信對抗系統(tǒng)按功能細(xì)化、分解、部署到低成本的小型無人機作戰(zhàn)平臺上，利用無人機群個體單元數(shù)量大、機動性高等特點，由多無人機個體單元搭載不同功能探測設(shè)備構(gòu)建異構(gòu)無人機群，以實現(xiàn)無人機群通信對抗性能的多樣性，以降低生產(chǎn)成本，并提高作戰(zhàn)效能，無人機分布式協(xié)同作戰(zhàn)示意圖如圖1所示。

圖1 無人機分布式協(xié)同示意圖

異構(gòu)無人機群分布式協(xié)同戰(zhàn)通過將復(fù)雜、成本高的電子戰(zhàn)裝備進行分解，在降低戰(zhàn)斗裝備損耗成本的同時，提高整個無人機群通信對抗系統(tǒng)的靈活性和生存性。異構(gòu)無人機群分布式協(xié)同技術(shù)通過彼此間的組網(wǎng)、通信和數(shù)據(jù)共享，搭載不同類型的電子戰(zhàn)載荷，通過資源合理配置，具有以下優(yōu)勢：

1）一對多遠(yuǎn)程指控，解放人力資源，避免人員傷亡；

2）無人機單元體積小、靈活性高、生存能力強，降低作戰(zhàn)成本；

3）異構(gòu)無人機群電子戰(zhàn)系統(tǒng)載荷的多樣性可催生新的通信對抗模式；

4）容錯性高，無人機群內(nèi)通過數(shù)據(jù)共享，協(xié)同作戰(zhàn)，可實現(xiàn)去中心化；

5）彌補單個無人機戰(zhàn)力不足的缺點，利用數(shù)量優(yōu)勢，造成強大破壞。

3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1）美國

美國是率先將電子戰(zhàn)系統(tǒng)與無人機群結(jié)合的國家之一，無人機搭載電子戰(zhàn)系統(tǒng)首次應(yīng)用于戰(zhàn)爭是在越南戰(zhàn)場上，美軍通過無人機進行空中偵查和電子情報截獲，是無人機在戰(zhàn)場上的首秀。美國國防高級研究計劃局（DARPA）結(jié)合多個蜂群結(jié)構(gòu)的無人機群項目，啟動了“電磁機動戰(zhàn)資源分配管理”項目，通過將搭載電子戰(zhàn)系統(tǒng)的無人機群與其他海、陸有/無人作戰(zhàn)平臺進行協(xié)同，實現(xiàn)海陸空三方分布式協(xié)同作戰(zhàn)的作戰(zhàn)方式。

2009年由BAE公司生產(chǎn)的多個小型、垂直起降的無人機搭載“狼群”傳感器構(gòu)成用于通信對抗的“飛狼”（AirWolf）無人機群。如圖2所示。“飛狼”無人機群中的個體無人機通過自我定位、自我部署構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的通信對抗系統(tǒng)，能夠在右方、敵方以及中立方三方混雜的情況下，通多多只“飛狼”的協(xié)同探測，實現(xiàn)1+1>2的探測效果，成功實現(xiàn)定位到3km以外開闊地帶、工作頻段覆蓋范圍為30MHz～20GHz的敵方輻射源。

圖2 “飛狼”實物圖

2014年DARPA正式提出無人機“蜂群”作戰(zhàn)概念，2016年在《2016-2036年小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃》中新增加了無人機群的對空/對地電子攻擊功能，該功能可通過發(fā)射大量攜帶電子干擾載荷的小型無人機在敵防區(qū)構(gòu)建電子干擾云以對敵方雷達(dá)和電子設(shè)備致盲。2017年由DARPA正式提出并開發(fā)“進攻蜂群戰(zhàn)術(shù)”（OFFSET）項目，該項目面向復(fù)雜城區(qū)，由大量小型無人機和無人車構(gòu)成作戰(zhàn)集群執(zhí)行地形構(gòu)建、電子偵查以及通信對抗等多種任務(wù)。

圖3 “蜂群”作戰(zhàn)概念圖

2014年由美國國防戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）發(fā)起的“灰山鶉”（Perdix）項目，該項目由可樂瓶大小的無人機執(zhí)行通信干擾、偵查等任務(wù)，該無人機因其體積較小、成本低廉，可由地面發(fā)射裝置發(fā)射或人員投擲發(fā)射。

2015年由美國空軍研究室（AFRL）代表DAR?PA提出了“小精靈”（Gremlins）項目，“小精靈”項目的作戰(zhàn)構(gòu)想是于敵防區(qū)外由運輸機、轟炸機等有人作戰(zhàn)平臺發(fā)射“小精靈”無人機群，突破防區(qū)后，以“蜂群”方式對敵方進行電子攻防和電子情報的截獲，并與防區(qū)外其余“小精靈”進行通信。該項目通過利用靈活度高的小型無人機裝載射頻、光電等多種電子戰(zhàn)載荷和偵查載荷完成通信對抗任務(wù)，該無人機群容錯性高、具有較強的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適應(yīng)性，當(dāng)某一無人機個體單元受損無法繼續(xù)完成任務(wù)時，可由其他無人機彌補空缺，具有一定的自我修復(fù)能力。

2）俄羅斯

俄羅斯對無人機群搭載通信對抗系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展也十分關(guān)注。由科夫列夫公司研制的“蜜蜂”型無人機構(gòu)建的無人機群可同時存在32架無人機個體單元，通過GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，可只通過一個頂面控制站同時進行指控。

2011年由俄羅斯特種技術(shù)公司研發(fā)的“海雕”-10是俄羅斯軍隊較早大規(guī)模裝配的無人機，該無人機通過搭載“里爾”-3型號的通信對抗系統(tǒng)可實現(xiàn)對敵方通信系統(tǒng)的干擾。由多架搭載“里爾-3”的“海雕-10”無人機構(gòu)成的無人機群已被俄羅斯率先應(yīng)用在烏克蘭以及敘利亞戰(zhàn)場上，主要作用為對戰(zhàn)場上的手機通信信號進行截獲、測向以及定位，成功驗證該作戰(zhàn)方式在反恐作戰(zhàn)中具有重要意義。

3）其他國家

目前其他國家在無人機以集群方式進行分布式協(xié)同通信對抗技術(shù)研究較為薄弱，尚處于理論研究階段，大多集中于對單無人機個體進行通信對抗。我國無人機實戰(zhàn)應(yīng)用較少，目前僅有“翼龍-Ⅱ”、“彩虹”系列等少數(shù)無人機被應(yīng)用于實戰(zhàn)，在無人機群組分布式通信對抗方面研究相較于美國、俄羅斯處于起步階段。

以色列在無人機通信對抗技術(shù)處于較為領(lǐng)先地位，其國內(nèi)Elta公司、Elisra公司等都對無人機進行通信對抗任務(wù)所攜帶的電子載荷發(fā)展具有一定貢獻。Elta公司于2014年研制的EL/K-7065高頻測向電子偵查設(shè)備可搭載于“蒼鷺”型無人機，對高頻無線電信號進行截獲及定位。

歐盟各國對于無人機通信對抗技術(shù)研究主要有德國、法國、英國。其中德國MEDAV公司生產(chǎn)的ART-8000型系列產(chǎn)品和MOTRS通信偵查載荷可供小型無人機搭載，為后續(xù)發(fā)展無人機群協(xié)同通信對抗打下基礎(chǔ)；法國無人機通常搭載泰勒斯公司所研制的TRC-274/UHF型號通信對抗載荷在20MHz～3000MHz頻段內(nèi)進行多種模式的通信干擾；英國QINETIQ公司為小型無人機進行通信對抗任務(wù)所研制的ASX系列的通信對抗系統(tǒng)能夠?qū)ぷ黝l段為30MHz～3GHz的通信信號進行截獲。

4 關(guān)鍵技術(shù)

1）無人機協(xié)同控制技術(shù)

無人機群作為通信對抗的作戰(zhàn)平臺時，需形成有效的編隊隊形。在無人機以集群方式出現(xiàn)時，集群控制是一個強非線性的控制系統(tǒng)，具有群體智能的復(fù)雜性和隨機性，可視為若干個弱耦合無人機控制子系統(tǒng)集成為群體控制系統(tǒng)，每個無人機個體通過彼此的協(xié)調(diào)和配合彌補自身能力的局限性，通過對集群控制規(guī)則進行深度和廣度的擴展，使無人機群在各個控制階段滿足單機和多機的控制需求，為后期通信對抗提供穩(wěn)定可靠的作戰(zhàn)平臺［3］。

2）態(tài)勢感知技術(shù)

無人機群組在進行通信對抗時，通常會面臨復(fù)雜的電磁環(huán)境、地理環(huán)境以及敵方威脅等，因此需要無人機群協(xié)同系統(tǒng)對復(fù)雜多變的工作域整體環(huán)境做出感知并進行預(yù)測，以實現(xiàn)對對抗目標(biāo)狀態(tài)和屬性的估計，建立通信對抗戰(zhàn)場綜合態(tài)勢圖。

戰(zhàn)場態(tài)勢感知技術(shù)目前存在的難點在于如何利用我方所獲取的有限情報資源，在通信條件受限情況下，能夠完成自適應(yīng)的無人機群協(xié)同態(tài)勢感知，并將各無人機單元的感知信息進行一致性融合，實現(xiàn)對整體環(huán)境的態(tài)勢感知，并對敵方的對抗意圖做出預(yù)測和估計，最終形成敵我雙方的對抗態(tài)勢圖［4］。

3）實時信息共享

無人機以集群形式進行通信對抗時，各無人機會產(chǎn)生海量戰(zhàn)場數(shù)據(jù)與通信資源緊張、通信鏈路帶寬約束形成矛盾，故如何將海量數(shù)據(jù)進行實時下發(fā)，使各無人機獲取到自己所需要的信息，避免無關(guān)信息對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)造成“信息淹沒”，實現(xiàn)智能數(shù)據(jù)下發(fā)［5］。

當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈常用的智能數(shù)下發(fā)模式有“發(fā)布-訂閱”模式和“預(yù)測分發(fā)”模式，前者是誰提需求下發(fā)給誰，后者是基于各無人機單元當(dāng)前狀態(tài)判斷信息需求，進行數(shù)據(jù)下發(fā)。

5 發(fā)展趨勢

1）注重戰(zhàn)場中的實際效能

美國DARPA在實戰(zhàn)模式下、以分布式協(xié)同作戰(zhàn)作為理論依據(jù)，結(jié)合有/無人作戰(zhàn)平臺，完成對無人作戰(zhàn)體系架構(gòu)的重構(gòu)，作戰(zhàn)任務(wù)、想定、流程細(xì)化等內(nèi)容。

俄羅斯和美國等國家的無人機群的通信對抗技術(shù)都會以戰(zhàn)場中實際的作戰(zhàn)目標(biāo)和作戰(zhàn)任務(wù)為研制目標(biāo)，會根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)做出獨特設(shè)計以滿足真實戰(zhàn)場中的作戰(zhàn)需求，并敢于在真實戰(zhàn)爭中驗證無人機群的作戰(zhàn)性能，在真實的電子戰(zhàn)戰(zhàn)場中暴露缺點，并加以不斷完善［6］。

2）海陸空異構(gòu)無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)

各國注重未來海陸空電子戰(zhàn)系統(tǒng)聯(lián)合作戰(zhàn)體系發(fā)展，美國、俄羅斯等國家已初步完成結(jié)合無人機、無人戰(zhàn)車、無人艇以及無人水下航行相聯(lián)合的電子戰(zhàn)作戰(zhàn)體系，如圖4所示。

圖4 異構(gòu)無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)示意圖

目前異構(gòu)無人平臺協(xié)同架構(gòu)發(fā)展尚不成熟，協(xié)同作戰(zhàn)能力尚需優(yōu)化，主要表現(xiàn)為協(xié)同配合程度較低，目前多表現(xiàn)為無人車投放無人機，如美國“灰山鶉”項目；由地面無人車發(fā)射無人機群、無人機投放無人車，如UH-60MU黑鷹無人機投放Land Tamer全地形無人車等。

目前，異構(gòu)無人通信對抗平臺主要在智能程度、工作域、對抗能力以及行為模式存在差異，這種差異會導(dǎo)致指控人員工作量加大，難以高效專注。因此，異構(gòu)無人通信對抗平臺應(yīng)建立扁平高效的協(xié)同架構(gòu)，以提高異構(gòu)無人協(xié)同系統(tǒng)的協(xié)同性、智能性和自適應(yīng)能力［7］。

3）無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)

當(dāng)前通信對抗系統(tǒng)主要依賴于已知輻射單元的數(shù)據(jù)庫進行工作，在面臨未知輻射源時需對其進行采樣，待研究出對抗策略時再重新應(yīng)用于戰(zhàn)場，而隨著通信設(shè)備轉(zhuǎn)向自適應(yīng)頻譜的使用，實施通信對抗的電子戰(zhàn)設(shè)備也應(yīng)具備自主應(yīng)對多變頻譜和信號的功能，因此具備認(rèn)知功能的電子戰(zhàn)通信對抗設(shè)備應(yīng)運而生。

認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)是以具有自主認(rèn)知功能的電子戰(zhàn)設(shè)備為基礎(chǔ)，實現(xiàn)自主式電磁環(huán)境學(xué)習(xí)和智能化通信對抗功能，主要包括認(rèn)知偵查、認(rèn)知干擾和認(rèn)知防御這三方面。無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)基于認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)，通過無人機群自組網(wǎng)實現(xiàn)對某一區(qū)域目標(biāo)的認(rèn)知電子戰(zhàn)，可同時應(yīng)對不同威脅類型的對抗目標(biāo)，自主展開相應(yīng)的對抗策略［8］，其作戰(zhàn)示意圖如圖5所示。

圖5 無人機群組認(rèn)知電子戰(zhàn)示意圖

當(dāng)前認(rèn)知電子戰(zhàn)技術(shù)處于理論研究階段，并未經(jīng)過信號級的仿真驗證和工程論證，且電子戰(zhàn)裝備在設(shè)計硬件時并未考慮電子戰(zhàn)的自我認(rèn)知方面，缺乏智能化考慮。DARPA在2010年啟動了“行為學(xué)習(xí)自適應(yīng)電子戰(zhàn)”項目用于自適應(yīng)電子戰(zhàn)裝備的研制，目前正處于裝備轉(zhuǎn)化階段。

6 結(jié)語

無人機群分布式協(xié)同通信對抗系統(tǒng)是世界各國無人機作戰(zhàn)的中堅力量，美國、俄羅斯等國家在無人機群分布式協(xié)同作戰(zhàn)架構(gòu)已漸具規(guī)模。無人機群作為通信對抗核心作戰(zhàn)平臺之一，將不斷向系統(tǒng)化、智能化、異構(gòu)化等方面發(fā)展，以滿足日益變化的作戰(zhàn)需求。