中国指挥与控制学会会刊 
1 无人机蜂群研究
1.1 无人机蜂群作战定义
1.2 无人机蜂群特点
无人机蜂群的主要特点主要体现在以下6个方面。
1)群智涌现
无人机蜂群个体之间可以通过分工合作、相互协调,完成复杂的任务,表现出比较高的智能。它们具有高度的自组织、自适应性,并表现出非线性、涌现性的系统特征,实现适应复杂战场环境的蜂群聚集涌现能力。
2)能力倍增
单个无人机载荷能力小、功能简单,攻击能力有限,根据兰彻斯特平方律,当数量变为2倍,整体作战能力将变为4倍。无人“蜂群”作战时包含几十上百架飞机,一旦形成规模,其作战能力将显著增强。
3)功能分布
蜂群的优势在于可将传统的集成在一个大型平台上的多个功能子系统分布到网络化的大量小型平台节点上,通过通信系统进行有机协同,满足包括预警探测、侦察监视、电子对抗、饱和攻击、战术诱饵等所有功能需求的同时,提高系统灵活性、生存力。
4)去中心化
去中心化的蜂群可避免整个系统对某个单一节点的过分依赖,从而避免此节点失能、故障、受损后,导致全系统的崩溃[11]。如图2 所示。
5)鲁棒自愈
其利用数量上的优势,可有效增强无人机蜂群的抗毁伤能力。当蜂群中的某节点损毁或失能时,蜂群的自组织特性可依据环境进行自调整,从而确保系统的能力自愈以及既定任务的完成。
6)成本优势
国防装备预算往往呈现准线性增长,而战斗机的费用则为指数增长,但无人机“蜂群”却日益朝着低成本化和高作战效费比方向发展,10 000 架 “蝗虫”无人机与1 架 F-22价格相当,组成的蜂群的作战效能远大于1 架 F-22 作战效能,蜂群无人机相比导弹、诱饵等武器装备,具有不对称的成本优势,并且随着材料、能源等技术的发展,蜂群无人机的造价将持续降低。
2 国外无人机蜂群技术发展研究
近年来,无人机蜂群技术[12]在国外军事强国取得了快速发展,无人机发展形成全球化趋势。
2.1 美国无人机蜂群现状
自2014年11月15日,美国国防部部长查克·哈格尔在里根国防论坛的演讲中提出“第三次抵消战略”以来,无人“蜂群”作为一个主攻方向得到了快速发展。
2015年4月,美国海军开始实施“蝗虫”项目,该项目研究可从空中、水面多平台发射无人机集群,集群式攻击敌方目标。2016年4月该项目成功完成30架无人机集群发射和飞行试验。
2015年6月,在阿拉斯加的“北方利刃”军事演习(“北方利刃”演习旨在应对亚太地区的危机)中,美国空军以F-16为载体进行了无人机发射试验。一架F-16战斗机以690 km/h的速度飞行,飞行过程中,通过曳光弹投放器投掷出大量“山鹑”小型无人机。这种无人机是装在一个带降落伞的小型金属容器(保护罩)中发射的,发射几秒钟后,降落伞与无人机分离,螺旋桨开始工作,推动无人机飞行。在这次演习中,共开展了150次“山鹑”微型无人机试验,出动了72架战斗机。这种3D打印微型无人机既可以由F-16和FA/18战机发射,如图3 所示,也可以由地面投掷或通过弹弓发射装置发射。它们拥有情境意识和能力,能够根据实际战场情形发现队友并组成蜂群队形。当通过战机发射时,无人机由保护罩包装,置于飞机诱饵发射装置内。保护罩可帮助无人机承受发射时的推力。保护罩后侧装有减阻的飘带(战略能力办公室试验中使用了降落伞),可降低无人机系统降落时的阻力,确保无人机降落时的机头向下。下降到一定高度后,保护罩打开,无人机被释放,通过被动稳定系统维持机身稳定,随后由飞行控制系统控制无人机自主飞行。无人机的电池电量较低时,将进入滑行模式,滑行期间也可采集数据。无人机装备短程通信系统,可向战斗机、其他无人机或地面传输数据。
2015年9月,美国DARPA开始实施“小精灵”项目,“小精灵”无人机的预期使用寿命大约为20次,与现有导弹和传统飞机相比,在设计及使用上具有一些优势:既无须像导弹一样,执行完一次任务就抛弃整个机身、引擎、航电设备和有效载荷;也无须如当前服役年限达数十年的可重复使用系统那样,带来高额的维修和任务成本负担;如果能如预期利用现有技术,并且仅对当前飞机提出适当的调整要求,“小精灵”项目的成本目标是每架飞行器单次飞行任务成本低于70万美元,载机单次飞行任务成本1 000万美元以下,理想目标是降至200万美元以下。因此,“小精灵”飞机将具备较高的效费比。如图4 给出了基于“小精灵”的作战样式变化示意图。
2020年,美国DARPA开展了进攻性蜂群战术项目第五次冲刺和“小精灵”项目第四阶段工作,加快低成本可重复利用空中小型无人作战平台的分布式作战能力的开发,并在空战演进项目和“拒止环境协同作战”项目中利用人工智能技术提高作战人员对自主作战技术的信任度和无人系统的自主协同控制能力,推动有人-无人编队自主协同作战能力的实现。
2020年8月,美国海军宣布正在研发数量规模达100万架的“超级蜂群”,这标志着万架无人机蜂群作战即将来临。
2.2 俄罗斯无人机蜂群现状
俄罗斯计划在2025年具有无人机蜂群作战能力,计划同时发射100多架无人机,每架无人机配有2.5 kg重的弹头,能够自组网、网络化协同攻击。同时测试了S-70“奥霍特尼克”忠诚僚机能力,并在2020年公布了代号为“格罗姆”的轻型忠诚僚机项目。
2.3 英国无人机蜂群现状
2021年,英国正计划组建无人机蜂群部队,用于执行自杀式饱和攻击摧毁敌方防空系统。与此同时,启动“蚊子”项目,研发轻量级适用新型作战飞机无人机忠诚僚机计划。此外,英国还测试了携带主动诱饵的自主无人机蜂群,用于电子战。
2.4 印度无人机蜂群现状
印军2019年以“梅赫巴巴”计划,开始了无人机蜂群研发。2021年1月,印度展示了75架自主无人机组成的蜂群拥有智能计算能力。与此同时,印度研发了空射蜂群无人机系统,可利用空中发射的远程载具和蜂群单元的网络来渗透争议空域。
3 无人机蜂群作战样式研究
3.1 无人机蜂群作战任务
无人机蜂群作战任务主要如下。
1)超饱和协同探测
采用大规模异构无人机组成无人机蜂群,不同类型无人机上搭载不同类型传感器,在战场上进行全方位、全时段的预警探测、广域侦察。
2)辅助攻击
在实际作战中,无人机可辅助有人装备,完成侦查、欺骗、干扰、诱饵等任务,从而增强我方作战力量,完成复杂化作战任务。
3)超饱和攻击
大量搭载不同武器装备的无人机蜂群,对敌方目标实行蜂群式攻击,使得超出对方防御系统拦截能力,完成对敌方目标的毁伤打击。
3.2 无人机蜂群作战样式分析
1)蜂群作战
蜂群作战中,往往是通过庞大数量上的优势对敌人形成压倒性的威慑和攻击,蜂群中的个体虽然微不足道,但是成千上万的数量,通过协同配合,具有非常强的抗毁能力,并且具有很强的威慑和攻击能力。
优点:
①分布式协同能力,具有很高的鲁棒性,容错能力强,当群体中某个体损坏,不会影响整体作战能力;
②个体较为简单,成本低;
③数量达到一定程度,方可构成蜂群,蜂群作战往往利用数量上的优势,实现个体无法到达的作战效果。
缺点:
①在强对抗、快变化的信息化战场态势中,要实现自组织、自协同的蜂群作战体系,构建相互统一、时空一致、任务优化的智能控制和决策体系无疑是一个巨大的挑战;
②在强对抗、瞬息变化的战场上,面向不同作战任务生成适用的作战规则困难很大,会受到伦理、道德、法律、社会心理等社会因素,以及感知、计算、决策等技术因素的制约。
2)忠诚僚机
蜂群作战中,无人机蜂群可作为僚机,在实际海上作战中,可以为舰船和舰载机提供情报信息,当有人装备受到威胁时,可对其目标威胁进行拦截和攻击,也可作为诱饵,欺骗和迷惑敌人。
优点:
①忠诚僚机的可靠性和稳定性较高;
②整个系统的智能成本比纯粹的无人机蜂群系统低。
缺点:
①对无人机的机动能力要求较高;
②对无人机之间的通信导航技术要求较高。
3)组队协作
在蜂群作战中,各蜂群功能各异,使命任务也不尽相同,各蜂群可相互配合,协同作战,实现侦察预警、充当诱饵、协同攻击等多项功能和任务,以较低成本实现作战目的。
优点:
①可利用通信网络、智能指挥控制算法,实现无人蜂群密切协同配合,通过计算机超强的计算控制,可实现有人装备无法完成的作战任务;
②作战成本低,有效减少人员数量,保障人员安全。
缺点:
①复杂作战任务的调度与管理技术还不够成熟;
②对无人机的机动能力、通信导航技术等要求较高;
③空中的携带、投放和回收技术实现比较困难。
4 未来无人机蜂群发展启示
1)无人机蜂群向群体智能化方向发展
人工智能技术为无人系统提供了自主认知和智能决策的能力基础;网络信息技术向自适应、高可靠、大容量发展,促进了无人机蜂群信息交互能力的快速提升;先进平台技术使无人系统的设计具备了更大的自由度和多样性;微纳电子技术,特别是消费类电子技术的发展,推动了无人机任务电子系统的高性能、低成本的发展进程。以上四个技术群使无人机蜂群向系统智能化、网络极大化、平台多样化、节点极小化方向发展。这使得未来无人机蜂群作战具备灵活容错、自主目标跟踪、协同路径规划、自主突防等能力,可识别控制战场上语音、文字和图像的模式,确定目标先后次序,选定适宜的打击手段,进行战术协同执行攻击等一系列战术动作,即无人机脱离地面控制站,自主判断下一步需要做什么。可以预见,当智能无人机集群式作战从想象加速变为现实,势必将成为改变未来战争规则的重要推手。
2)无人机蜂群装备日趋体系化
在海陆空全面无人化的大背景下,未来无人蜂群并不仅限于空中无人系统,无人地面系统、无人水上水下航行系统将全面发展,外太空、地球边缘地带、城市的楼宇之间都会成为无人装备的战争表演舞台,逐步形成包括无人舰艇、无人战车和无人机为代表的海陆空三大无人作战体系,以无人机为例,集群将形成以十克级(对标CICADA)、百克级(对标“山鹑”)、千克级(对标“蝗虫”)、十千克级、百千克级(对标“小精灵”)等为基础的作战系统序列。如图5 所示。
同一体系内的跨平台无人作战系统协作,甚至跨体系跨平台的无人作战系统协作将是无人作战系统的发展方向,集群概念将覆盖到陆、海、空、天全域,从“蜂群”衍生出“狼群”、“鱼群”、“鸟群”、“星群”等作战概念,使电子战争和信息战争向前推进更大的脚步。
无人机蜂群作战既避免了人员伤亡,而且成本也处于可承受范围之内。体系化的无人机蜂群攻击,将成为一种全新的作战模式,将彻底颠覆未来攻防对抗样式,迫使防空体系做出相应的调整。
3)“蜂群”技术应用多样化
以低成本无人机为载体的“蜂群”技术正取得里程碑式的突破,其基础技术和应用技术日趋成熟,相关技术将通过直接移植或借鉴,逐步应用于各类精确制导武器弹药、电子战装备和侦察探测装备等,在预警探测、广域监视、抵近侦察、电子对抗、饱和攻击、主动防御、特种作战等复杂、强对抗、高不确定性的战场场景中发挥关键性作用。
具备高度自主化水平的集群化智能装备将打破传统“平台中心战”空袭模式,依靠具有群体智能和高度自主作战能力的精确制导武器或其他装备,形成内涵更加丰富的新型集群式“弹药中心战”空袭作战样式,这些新型的作战样式将给空袭与反空袭对抗带来更加深刻的变革。例如,美军正在发展的远程反舰导弹(Long Range Anti-Ship Missile,LRASM)的作战概念中,利用少量轰炸机可以投送96枚LRASM远程导弹,弹群之间可利用数据链和自主航路规划能力建立高度的时空同步,形成单波次、多方向饱和攻击,对我防空体系构成巨大挑战;美国空军和雷声公司基于这两种飞行器以及更早研制的模块化设计的联合防区外武器,开发了对敌防空压制/摧毁的空射集群作战样式;美国空军的微型空射诱饵和微型空射诱饵-干扰型,以及高速反辐射导弹升级版的交付都具备一定的集群编队作战能力。
4)无人机蜂群体系结构日趋灵活化
“蜂群”系统本质上是众多的独立个体通过通信网络连接起来的复杂系统。随着数量的增加,“蜂群”系统的复杂程度也在呈指数型增长。因此,在设计体系结构时,要综合考虑系统交互问题和降低系统复杂度和耦合度。通过规范化、统一化的交互协议以及制造标准,将不同类型、数量众多的无人机高效组合在一起,使得整个无人机蜂群体系具有很强的互操作性和可扩展性,具备灵活完成不同环境下多种任务的能力。
5 结束语
无人机集群在作战中具有成本低廉、鲁棒自愈、群智涌现等特点,能够超饱和攻击敌方目标,在未来作战中具有明显的优势性,本文通过分析无人机蜂群的特点、国外无人机蜂群技术发展,研究了无人机蜂群作战样式,并对未来无人机蜂群发展提出一些发展思路,为后续发展提供了借鉴。