隨著無人機自主化和網(wǎng)絡化通信技術的發(fā)展，無人機的作戰(zhàn)運用模式也在不斷發(fā)展，使得無人機已在戰(zhàn)爭中起著越來越重要的作用，單架無人機由于受到探測能力、武器載荷等因素限制，難于完成復雜的作戰(zhàn)任務。采用多架無人機協(xié)同方式，無人機之間通過通訊，進行信息共享，擴大對環(huán)境態(tài)勢的感知，實現(xiàn)協(xié)同任務分配、協(xié)同搜索、偵察與攻擊，能有效提高無人機的生存能力和整體作戰(zhàn)效能。此外，由于微小無人機雷達截面小，成本低，速度快，可利用數(shù)量眾多的具有自主控制能力的微小無人機組成無人機集群，用于突破敵方防御系統(tǒng)，對敵方目標實施飽和攻擊。

集群智能(Swarm Intelligence)作為一種“Game-Changing”的顛覆性技術，一直被中美等軍事強國作為軍用人工智能的核心。2002年，美國空軍研究實驗室通過研究表明：采用多無人機集群作戰(zhàn)適合一些簡單反應性作戰(zhàn)任務，包括區(qū)域搜索和攻擊、偵察和壓制、心理戰(zhàn)和戰(zhàn)術牽制等?？梢哉f是集群智能是未來無人化作戰(zhàn)的突破口。美國國防部發(fā)布的《無人機系統(tǒng)路線圖2005—2030》將無人機自主控制等級分為1-10級，確立“全自主集群”是無人機自主控制的最高等級，預計2025年后無人機將具備全自主集群能力。

無人機集群技術典型研究項目

1、小精靈項目

2015年9月，DARPA發(fā)布了小精靈項目公告，提出通過載機在防區(qū)外發(fā)射攜帶偵察或電子戰(zhàn)載荷、具備組網(wǎng)與協(xié)同功能的無人機蜂群，用于離岸偵察與電子攻擊任務，并在任務完成后對幸存無人機進行回收的技術。

2016年3月，DARPA小精靈項目第一階段合同授予四家公司：復合材料工程公司、美國Dynetics公司、通用原子航空系統(tǒng)公司和洛馬公司，發(fā)展能以集群作戰(zhàn)方式飽和攻擊敵防空系統(tǒng)的廉價小型無人機技術解決方案。這些無人機將配備多種不同載荷，采用齊射方式，具有數(shù)量大、尺寸小、廉價、可重復使用等特點，其關鍵技術包括：空中發(fā)射與回收技術、設備載荷與機體一體化概念設計、低成本結構設計、有限壽命設計、自動復飛策略、精確數(shù)字飛控與導航、小型高效渦輪發(fā)動機、發(fā)動機自動關機技術、小型分布式載荷集成技術、精確位置保持技術等。

基于小精靈的作戰(zhàn)樣式變化示意圖

該型無人機將通過C-130進行空中回收，具體技術方案尚未公布。該項目旨在促成空中作戰(zhàn)概念的轉變。DARPA希望以傳統(tǒng)飛機為載機，采用在防區(qū)外發(fā)射大量具有協(xié)同和分布式作戰(zhàn)能力的小型平臺，取代如F-35等在內的功能集成型裝備來突破敵防御系統(tǒng)，以代替目前在拒止環(huán)境中使用的傳統(tǒng)綜合式系統(tǒng)。這不但有能力提高在對抗環(huán)境中執(zhí)行任務的有效性，還是探索顯著降低作戰(zhàn)成本的途徑之一。

小精靈空中部署及回收示意圖

該項目分三個階段：2016年3月進入第一階段———系統(tǒng)設計階段，該階段經(jīng)費為1580萬美元;第二階段為期約1年的技術成熟階段，而只有第一階段的承包商才有資格進入后兩個階段;第三階段為期約1年半的演示驗證機飛行試驗階段，最終，DARPA希望在2020年左右實施飛行演示驗證，驗證這種空中發(fā)射和回收無人機群的可行性及作戰(zhàn)潛力。目前，DARPA設定的裝備規(guī)模是生產1000架小精靈無人機和25套載機設備。

2、“蝗蟲”(LOCUST)項目

2015年4月16日，美國海軍研究辦公室公布了低成本無人機集群技術(Low-cost UAV Swarming Technology，LOCUST)項目進行的一系列無人機集群技術驗證工作。LOCUST項目聚焦于發(fā)展通過發(fā)射管將大量可進行數(shù)據(jù)共享、自主協(xié)同的無人機快速連續(xù)發(fā)射至空中的技術。這類發(fā)射裝置及無人機體積較小，可方便整合到艦船、裝甲車輛、飛機等平臺之上。這種“蜂群”有目的性地集群飛行、協(xié)同配合，對敵方目標執(zhí)行偵察、打擊任務，從作戰(zhàn)使用角度看，具有明顯優(yōu)勢。美國海軍研究辦公室于2015年3月在多個地點完成演示驗證工作，其中包括發(fā)射可攜帶不同任務載荷的郊狼(Coyote)無人機，并完成了9架無人機完全自主同步和編隊飛行的技術驗證。

郊狼無人機在海軍研究辦公室STTR資助下由先進陶瓷研究公司(后被BAE收購)研制。該型無人機采用發(fā)射管發(fā)射，可在不依賴GPS的環(huán)境下，基于光電/紅外傳感器及慣導裝置進行導航。

郊狼無人機

LOCUST項目自主集群飛行技術具有三個顯著特點：

2016年4月成功完成30架“郊狼”(Coyote drone)無人機的連續(xù)發(fā)射及編隊飛行試驗。

3、山鶉(Perdix)項目

山鶉無人機由MIT于2011年研制。2012年，美國防部戰(zhàn)略能力辦公室成立后，采納了該型無人機，并為其配套開發(fā)了由戰(zhàn)機進行空中投放的技術，并于2014年開始進行試驗。2015年6月在北方利刃軍演中，該無人機進行了150次試驗，其中包括72次由F-16戰(zhàn)機通過曳光彈投放器投放試驗。2016年10月美軍在加州的“中國湖靶場”上空進行了無人機拋灑實驗，三架海軍F/A-18F“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機成功拋灑出103架山鶉微型無人機。無人機在脫離發(fā)射箱后的短時間內能相互發(fā)現(xiàn)隊友并組成集群隊形，展示了美軍的集群自組網(wǎng)技術達到了實用性階段。

山鶉無人機由凱芙拉合成纖維和碳纖維通過3D打印而成，其中機翼采用碳纖維材料，機身采用低阻力玻璃凱芙拉纖維，由鋰離子聚合物電池供電。無人機被投放后同載具分離，降落傘、機翼展開，無人機減速降落，隨后降落傘脫離，無人機發(fā)動機工作，轉自主調整飛行階段。山鶉可在40m/s的速度下正常打開機翼，并在30m/s的風速中保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定。飛行過程中，具備數(shù)據(jù)通信能力。該無人機還可由地面發(fā)射裝置發(fā)射或通過地面人員投擲發(fā)射，未來將采用大量、不可回收部署方式。

美國防部副部長沃克曾表示已經(jīng)對用30架無人機組網(wǎng)對付敵方綜合防空系統(tǒng)的想法進行了試驗，并驗證了其可行性。F-16搭載誘餌彈MALD對敵方防空系統(tǒng)進行干擾欺騙的技術十分成熟，無人機蜂群與MALD的不同之處在于：首先，單架F-16戰(zhàn)機僅能搭載數(shù)枚MALD，而由于山鶉無人機質量極輕、體積小(類似iPhone手機)，在加裝標準ALE-47曳光彈投放器后，可搭載達30架山鶉無人機及其配套載具;其次，3D打印的無人機價格較MALD低廉，具備明顯的經(jīng)濟可承受性，并且由于其數(shù)量龐大，可使敵方跟蹤量達到飽和并增加敵防空系統(tǒng)識別難度。

4、119架固定翼無人機集群飛行

2017年10日，中國電子科技集團公司完成119架固定翼無人機集群飛行試驗，刷新此前2016年珠海航展披露的67架固定翼無人機集群試驗紀錄，標志著智能無人集群領域的又一突破。試驗中，119架小型固定翼無人機成功演示了密集彈射起飛、空中集結、多目標分組、編隊合圍、集群行動等動作。

無人機集群作戰(zhàn)優(yōu)勢分析

無人機集群作戰(zhàn)是對傳統(tǒng)武器系統(tǒng)及作戰(zhàn)樣式的重大顛覆，方案優(yōu)勢明顯。

無人機集群作戰(zhàn)憑借靈活性高、體系配合能力強、經(jīng)濟可承受等特點，可采取“蜂群”纏斗方式，以最低代價完成高對抗環(huán)境中的作戰(zhàn)任務，是面向拒止環(huán)境作戰(zhàn)的重要手段。無人機集群作戰(zhàn)系統(tǒng)技術主要解決無人機集群智能作戰(zhàn)系統(tǒng)的構建方式、運行方式、動態(tài)管理、編隊控制、指揮操控等問題，無人機集群作戰(zhàn)系統(tǒng)具有綜合能力強、功能余度多、作戰(zhàn)使用靈活、使用成本低等特點，可執(zhí)行戰(zhàn)機護航、區(qū)域防空、區(qū)域反潛、遠程突擊等作戰(zhàn)任務。同時，新型無人機集群作戰(zhàn)體系必然牽引新的作戰(zhàn)樣式，可對現(xiàn)有的傳統(tǒng)防御能力形成巨大壓力，可以說其影響是顛覆性的。

無人機集群對抗研究的關鍵問題

1、無人機集群協(xié)同對抗演化過程機理及其表述

由于集群對抗中信息的多元化和不完全、不確定性，對抗系統(tǒng)是一個復雜的動態(tài)隨機過程，空戰(zhàn)對抗態(tài)勢隨著時空不斷演化，每個無人機作為一個智能體必須依據(jù)不斷變化的態(tài)勢并依據(jù)一定的準則調整自己的策略，進行己方個體之間的合作、與對方的博弈。因此，在充分分析無人機集群對抗演化過程特點及其內涵的基礎上，理解無人機集群對抗的非線性動態(tài)過程演化機制，利用系統(tǒng)動力學和復雜系統(tǒng)理論建立各種因素的相互作用和信息的傳遞關系的網(wǎng)絡拓撲架構，有利于對無人機集群對抗過程的定量和定性分析。

2、無人機自適應自主決策對抗行為

集群對抗中，無人機個體是直接動作發(fā)出和執(zhí)行者，無人機個體不斷與環(huán)境進行交互并相互作用，促使對抗過程不斷演化。因此，集群對抗最終是要依賴于無人機的對抗規(guī)則，即無人機依據(jù)敵方態(tài)勢、友機態(tài)勢及自身飛行狀態(tài)、武器狀況、健康情況等因素，采取某種機動和攻擊策略，如攻擊敵機、威脅回避、支援友機、戰(zhàn)術協(xié)同，使在最大化對敵殺傷、對敵態(tài)勢、瓦解敵方意圖和最小化自身損失等方面的綜合效益取得最大化。

3、無人機集群智能控制方法

實際對抗過程中，大規(guī)模的無人集群必須迅速并準確地分布于各個作戰(zhàn)區(qū)域，進行有效的作戰(zhàn)編隊。大規(guī)模無人機集群，從其特征上看，是一類非線性復雜系統(tǒng)，具有群體智能涌現(xiàn)固有的復雜性和隨機性的特性，其控制方法跟傳統(tǒng)方法有很大的區(qū)別。集群系統(tǒng)可以視為大量弱耦合子系統(tǒng)的集成，每個個體均具有一定的自主能力，但其能力具有局限性，而且集群中每個個體必須相互配合與協(xié)調才能完成復雜任務，因而，集群無人機具有分布式控制的本質特征。單一方法控制無人機集群往往不夠理想，可以采用一些外部干預，并進行控制規(guī)則深度化和廣度化對集群效果進行量化研究，使得不同對抗階段的無人機集群能夠進行精準的單機或多機協(xié)同，達到所預期的對抗要求。

4、無人機集群探測與識別

復雜而多變的集群對抗環(huán)境具有極大的狀態(tài)不確定性和極強的時間約束，對于敵我雙方大規(guī)模無人機個體和集群進行精確地探測和識別是對抗行為成功與否的先決條件。在不確定和部分確定條件下，實時在線進行主動感知和目標區(qū)分，對于集群對抗任務的上層決策具有指導意義。對抗過程中，實時采集到的圖像等各類傳感器信號，可以結合信息融合理論與部分可觀馬爾科夫等規(guī)劃理論，推測并優(yōu)化最佳的個體機動和集群行為，協(xié)同感應、定時并協(xié)同攻擊，實現(xiàn)無人機集群對抗效果的最優(yōu)化。

5、無人機集群對抗態(tài)勢評估

態(tài)勢評估是對抗決策的依據(jù)，由于集群對抗威脅可以來自任意方向，數(shù)量多，友機與敵方飛機相互纏繞，信息量大，且存在不完全、不確定性，態(tài)勢評估比單機對抗情況復雜的多。這就需要集群中每個無人機利用其對周圍環(huán)境的感知信息和接收到的鄰近友機傳來的信息，根據(jù)所獲得的綜合數(shù)據(jù)信息進行數(shù)據(jù)挖掘，分析理解敵方的作戰(zhàn)意圖、戰(zhàn)術戰(zhàn)法。例如，目標移動軌跡數(shù)據(jù)蘊含著豐富的信息，采用機器學習、深度學習等方法對其進行知識挖掘和模式分類，進行敵方戰(zhàn)術意圖推斷，對于態(tài)勢評估和對抗決策有著重要意義。

6、無人機集群通信技術

集群對抗環(huán)境對通信鏈路的要求也十分嚴苛，既要滿足地面站與無人機、無人機與無人機、無人機編隊與無人機編隊之間必須存在一定冗余的信息交互，同時應減少通信的延遲，保證信息交互的實時性?？諔?zhàn)過程中，無人機存在受傷、擊落、增援等多個狀態(tài)，其動態(tài)加入和退出也使得通信鏈路必須滿足在正常通信需求的條件下，支持無人機數(shù)量的變化，完成集群的重構，而且在無人機與地面站失去聯(lián)系時，無人機群應具有通信鏈路的自組織能力。其次，在某些關鍵操作上，通信鏈路還必須保證地面操作員能夠對無人機任務進行授權和確認。

中國無人機集群作戰(zhàn)技術發(fā)展方向

目前中國的無人機集群作戰(zhàn)技術正處于快速發(fā)展階段，隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益惡化，隨著無人機自主能力的不斷提高，無人機集群作戰(zhàn)必將成為解放軍未來無人機系統(tǒng)應用的重要作戰(zhàn)樣式。以察/打一體無人機組成的集群來說，其目標就是搜索并摧毀敵方的地面目標，如敵方首腦所在、武器裝備、移動防空設施。作戰(zhàn)中察/打一體無人機集群首先以協(xié)同方式在任務區(qū)域大范圍搜索可疑目標，一旦發(fā)現(xiàn)目標，處于最佳位置和攜帶相應傳感器的無人機立即協(xié)同定位目標，然后由處于最佳攻擊位置和攜帶精確制導武器的無人機對目標發(fā)起攻擊;隨后由一些無人機進行戰(zhàn)場毀傷評估，確定是否發(fā)動二次打擊。

在未來的戰(zhàn)爭中解放軍裝備的無人機就可以采用集群作戰(zhàn)方式對敵人的關鍵區(qū)域以及導彈陣地、地面飛機、裝甲車、坦克、中小型運輸車、小型房屋及小型掩體等目標進行持續(xù)搜索識別、定位并攻擊然后進行戰(zhàn)果評估?？梢韵嘈女敵砂偕踔辽锨Ъ軣o人機飛抵目標上空那是何等的壯觀，而一大場面將令任何敵人都不寒而栗。