中国指挥与控制学会会刊 
近年来,无人机蜂群作战在实战中的应用使得相关概念得到了广泛关注,其在海上作战中的应用样式也不断发展。无人机蜂群主要由微、小型无人机根据任务编组而成,通过自主飞控、航路规划、态势感知和目标决策等智能化手段完成诱骗、干扰或攻击,从而以小博大,以假掩真,实现对高价值目标的低成本打击。尤其对于庞大的航母编队而言,防空作战中无人机蜂群攻击的现实威胁日益凸显,虽然航母编队有较强防空作战能力和抗毁伤能力,但是无人机蜂群的攻击依然不可忽视,反无人机蜂群作战能力亟待提高。
目前,反无人机蜂群作战的相关研究中,闫海港等[1]主要针对无人机蜂群作战的弱点和技术难点,提出海上反无人机蜂群作战方式,分为区域拒止、软对抗、面杀伤和点杀伤等手段;闫家鼎、杨永亮等[2⇓-4]以要地防空中反制无人机蜂群的威胁为主要对象,提出反蜂群防御力量部署策略和防御反制手段方式策略;焦士俊等[5⇓⇓-8]分析了未来无人机蜂群作战的优势和弱点,从打击和对抗的角度梳理总结反无人机蜂群作战方法,拓宽了研究思路但针对性不强。总体来说,研究基地防空反无人机蜂群较多,海上反无人机蜂群相对较少,研究武器装备较多,战术战法较少。本文以航母编队反无人机蜂群作战为研究对象,主要从威胁分析,现有反蜂群能力和未来反蜂群能力需求三个方面进行探析。
1 无人机集群对航母编队威胁特点分析
综合各类研究文献[9⇓-11],无人机蜂群对航母编队作战场景可构建为无人机蜂群“蜂巢”(运载及回收无人机的平台,如飞机或水面舰艇)机动至目标防区外,投放出佯动诱骗群、电子干扰群和饱和攻击群等多组不同任务无人机蜂群,超低空自主飞行进入目标防区,佯动诱骗群主动进入目标雷达跟踪范围,分散其探测跟踪力量,诱使目标启动舰载机、防空导弹等高价值防御力量;电子干扰群携带电子干扰设备对目标实施电磁压制,降低目标的探测、识别、跟踪能力;饱和攻击群采取超低空机动突防,利用专用导弹、炸弹进行饱和式攻击或自杀式攻击,即使部分无人机被拦截依然可达到消耗目标防空火力的目的,为后续进攻提供条件。蜂群对航母作战示意图如图1 所示。
根据想定场景,可将无人机蜂群对航母编队威胁分为扰乱综合防御体系、误导侦察预警重心和消耗防空作战火力三个方面。
1.1 扰乱航母编队综合防御体系
航母编队拥有由航空母舰、远中近三层警戒舰和舰载机等组成的多层次、全方位、大纵深立体综合防御体系,具备完备成熟的综合防空和导弹防御(IAMD)能力,可对来袭敌机和导弹等目标进行有效对抗,但对无人机蜂群这类多、散、小目标作战存在一定短板。无人机蜂群的作战正是利用自身的涌现性和传统防御系统对于低空低速目标探测拦截难的弱点,对航母编队进行袭扰,扰乱其综合防御体系,以实现战斗的突然性。面对无人机蜂群,传统的航母编队综合防御体系的防空规则难以较好适用,外层防御区中舰载机对无人机蜂群的打击更多以打击“蜂巢”运载平台为主,而随着无人机蜂群自主协同组网技术的不断发展,更多的无人机蜂群将不再依托运载平台的指挥控制完成预定任务,这将使得外层防御层次对无人机蜂群打击效果大打折扣。因此,航母编队传统防御体系易被无人机蜂群这一新兴作战力量所扰乱。
1.2 误导航母编队侦察预警重心
航母编队预警探测、跟踪识别能力主要由预警机和防空警戒哨舰提供,预警机提供防空预警并为舰载机拦截提供目标指引,由于地球曲率的影响,预警机相较于防空哨舰,对低空或超低空来袭目标有更好的探测预警、识别跟踪能力;远程防空警戒哨舰在指定海域巡逻警戒,主要针对高空来袭目标。与高空高速来袭反舰导弹和敌机相比,航母编队对低空低速无人机蜂群跟踪识别难,当发现疑似蜂群目标时,需多种手段验证,动用大量侦察预警力量。同时,无人机蜂群目标数据库相关数据较少且蜂群类型较多,导致探测预警过程中目标类型难以判明,若目标为佯动干扰型蜂群,航母编队易被占用过多跟踪识别资源,敌传统反舰导弹或攻击机突防概率将增大。另外,由于蜂群单个目标较小,低空飞行时蜂群目标在舰载预警机雷达上的回波易受到海杂波干扰,影响探测效果,延长目标判明时间。
1.3 消耗航母编队防空作战火力
目前,航母编队反无人机蜂群的手段依然以直接毁伤手段为主,软杀伤能力为辅,即便无人机蜂群攻击难以对航母造成毁灭性打击,但不论何种类型的无人机蜂群,航母编队均要进行相应的应对、驱离和打击,蜂群数量众多势必会对编队防空火力造成大量消耗。美国一架“郊狼”无人机价格为1.5万美元左右,而一枚标准-3导弹需要1451万美元,造价成本悬殊将使得未来战场上数量差异更大,从而消耗航母编队更多高价值武器装备。另外,航母编队常规防空武器系统首次拦截失败后,再次拦截目标时,武器准备时间短,反应速度要求高,对于目标数量大的无人机蜂群,传统防空火力面临巨大压力,同时,无人机蜂群饱和式攻击会使得防空火控雷达异常繁忙,影响对高威胁度目标的锁定和拦截。
2 航母编队反无人机蜂群作战能力现状分析
面对无人机蜂群的威胁,主要从预警发现、探测跟踪、电子干扰和毁伤打击四个方面对现阶段航母编队反无人机蜂群作战能力进行分析。
2.1 探测预警能力
目前,航母编队探测预警方式仍然以雷达探测技术为主,具有探测距离远,技术成熟等优点,但由于地球曲率的影响,多层防空警戒哨舰雷达视距受限,对于低空或超低空飞行的无人机蜂群,主要采用预警机机载雷达、低空补盲雷达和近程防空雷达进行搜索发现。多数防空雷达为多普勒雷达,针对高速反舰导弹和战斗机设计,多普勒雷达存在速度门限,且对目标反射面积有要求,对无人机蜂群这类小慢目标发现能力较弱。相关研究资料显示,即使是较为先进的美军“福特”号航空母舰,搭载双波段有源相控阵雷达(DBR)可将警戒距离提升到457 km,但双波段雷达最大的优点是可搜索高超声速目标(如反舰弹道导弹),其在无人机蜂群的识别上并未有大幅度性能提升[12]。
2.2 识别跟踪能力
航母编队在发现目标后要进行类型识别,由于目前无人机蜂群目标数据较少,对蜂群的识别判型、连续跟踪存在一定困难,且蜂群一般多使用电机驱动提供动力,功率较小,红外信号微弱,使得光电或红外探测跟踪手段效果不佳。另外,对于散布范围广的蜂群,舰载或机载武器系统的多目标跟踪识别能力不足,同时,无人机广泛采用雷达吸波材料、红外和声隐身性能,更增大了跟踪识别的难度。从微小型无人机雷达反射面积(RCS)相关研究结论可以看出,无人机蜂群中个体的RCS范围在-30 ~-20 dBsm,与鸟类目标的RCS 值相近[13⇓⇓-16],而目前较为先进的E-2D侦察机可发现目标的最小RCS在1~3 m2左右。文献[17]提及“郊狼”和“山鹑”无人机的RCS 分别约为0.01~0.02 m2 和0.001~0.005 m2,并绘制了RCS分布图,如图2 所示。
2.3 电子干扰能力
航母编队对无人机蜂群的电子干扰能力可分为压制式和欺骗式两种,主要武器为舰载电子战飞机和舰载电子战武器。压制式干扰主要依托电子战飞机,利用电子吊舱发射大功率干扰信号,淹没无人机蜂群组网通信或对外数据链的有效信号,使蜂群信息接收机饱和,达到断链阻网的效果。欺骗式干扰主要是依托干扰激励设备产生与无人机蜂群数据链相同或相似的信号,以达到控制无人机蜂群的目标使其掉落或无法完成任务,达到欺骗致盲的效果。另外,可通过切断或模拟GPS信号破坏蜂群导航定位系统,迫使无人机降落或诱骗其飞向假目标。目前,电子干扰能力是应对无人机蜂群有效且效费比较高的方式手段,但针对蜂群专用电子干扰设备种类和能力还有待提高。
2.4 毁伤打击能力
航母编队针对无人机蜂群的毁伤打击可分为硬杀伤和软杀伤两种,硬杀伤主要采用舰载机航炮、防空导弹、激光武器和“密集阵”近程防空武器等,技术成熟稳定,毁伤能力强,但成本高昂;软毁伤主要利用高能微波武器和电子干扰武器等实现。毁伤目标可分为运载控制平台“蜂巢”和无人机蜂群本身两者,舰载机可在防区外对运载平台实施硬杀伤,其他手段一般作用于蜂群本身。防区内硬杀伤主要依托远中近三层防御体系的火炮、导弹和激光武器,系统完备,反应时间充足;软毁伤主要集中在中近程,由于其作用距离短,大部分集中在中近程防区,多波次抗击时作战反应时间相对较短,其中激光武器和高能微波射频武器均属于定向能武器范畴,近年来得到了较快发展,美国海军在2019年提出计划在“伯克”级驱逐舰上安装高能激光武器系统,用以对付小型攻击艇和小型无人机/无人机蜂群,其功率可达60 kW,比早期安装在“庞塞”号上服役的激光武器功率大3倍[17]。但是,在作战运用方面,各国均还未能较好地融入航母编队综合防御体系,战术战法还有待科学验证。
从上述分析可以看出,现阶段航母编队应对无人机蜂群威胁的能力还需进一步提升。
3 航母编队反蜂群作战能力仿真分析
以美海军“里根”号航母编队为例,设计场景研究其受到“小精灵”无人机蜂群袭击时,各类技战术参数对反无人机蜂群作战的影响。
3.1 相关参数和基本想定
结合相关资料文献,将仿真参数假定为表1 ,表2 ,表3 ,表4 。
表1 无人机蜂群参数Tab.1 Parameters of UAV swarm |
| 最大速度 | 最大航程 | 有效载荷能力 | RCS | |
|---|---|---|---|---|
| 无人机蜂群 | 850 km/h | 556 km | 65 kg | σ |
表2 不同雷达反射截面积下的探测距离Tab.2 Detection ranges under different RCS |
| RCS/m2 | 1 | 0.5 | 0.1 | 0.01 |
|---|---|---|---|---|
| 探测距离/km | 152 | 116 | 85 | 36 |
表3 不同武器系统一次拦截效果及所用时间Tab.3 Effectiveness and duration of an intercept achieved by different weapon systems |
| 武器系统名称 | 防空导弹 | 舰炮 | 密集阵 | 激光武器 |
|---|---|---|---|---|
| 武器系统编号 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 拦截UAV数量k | 1 | 0.5 | 0.3 | 1 |
| 再次拦截时间 t系统+t系统 | 10t | t | 3t | 0.2t |
表4 不同探测预警系统固有性能Tab.4 Inherent performance of different detection and early-warning systems |
| 探测预警系统 | 预警机 | 警戒护卫舰 | 航空母舰 |
|---|---|---|---|
| Q | 3q | 1.6q | q |
根据航母编队拦截无人机蜂群的武器系统种类,及专家经验综合考虑其作战能力,将其参数假定为表3 ,其中t为归一化处理之后的标准量。
根据雷达方程,雷达最远作用距离Rmax为
Rmax=
其中,Pt为发射功率,G为天线增益,Ae为接收天线有效面积,Smin为检测门限,均由探测预警系统性能决定为常数,设为Q
Q=
根据相关文献中的参数,E-2D预警机搭载的雷达作用距离为555 km,舰载双波段雷达远程警戒距离为457 km,综合考虑将其探测预警系统参数假定为表4 ,对参数进行归一化处理,以q为基准。
基本作战想定:无人机蜂群“蜂巢”(运载及回收无人机的平台)机动至航母编队防区外100 km,投放出电子干扰群和饱和攻击群无人机蜂群,超低空自主飞行进入编队外层防区。无人机饱和攻击蜂群,其目的为突破航母编队三层防空体系,机动至核心航母所在内层防区并实施打击,对飞行甲板、舰岛等高价值目标进行袭扰,影响舰载机起降。
3.2 反蜂群作战模型
简化航母编队抗击无人机蜂群防空作战过程并建立数学模型,主要讨论针对不同蜂群目标采用不同种类探测预警系统和武器系统进行拦截时的整体效能,以此为依据分析航母编队反无人机蜂群作战能力需求。
不同武器系统一次拦截蜂群所需要的时间为ti,其主要由武器系统运动时间、系统反应时间和决策时间决定,公式如下
ti= +ti系统+ti决策
其中,Q为雷达方程中相关系数,与探测预警系统的固有性能有关,决定其对不同RCS目标的发现距离;σ为雷达反射截面积,在理想情况下,雷达探测距离与RCS的关系是1/4次幂,vi武器为不同武器的速度。
无人机蜂群运动至实施饱和攻击任务区域所需要的时间t蜂群为
t蜂群=
其中,D为饱和攻击任务区域到打击目标的距离。
将不同武器系统的一次拦截无人机蜂群的无人机的数量ki定义为拦截效果pi
p1,2,…,n=k1,2,…,n
将不同武器系统拦截效果进行合成,得到最终拦截效果P:
P= [t蜂群/ti]pi
3.3 计算分析
1)探测发现能力对拦截效果的影响
计算在不同预警探测系统下,探测能力与拦截效果直接的差值拟合曲线如图4 。
当探测距离越远,拦截时间越充分的前提下,针对小RCS目标的拦截能力越强。
2)不同武器系统对拦截效果的影响
采用单一武器系统针对不同RCS无人机蜂群目标拦截,其拦截效果对比如图5 。
新概念武器虽有较强拦截效果,但整体距离较短,无人机蜂群对航母编队中警戒护卫舰的威胁更大,但总体拦截效果更好。
4 航母编队反无人机蜂群作战能力需求
综合上文分析,将航母编队反无人机蜂群作战能力需求总结为以下四点。
4.1 从被动“防”向主动“反”转变
航空母舰作为高价值目标,势必成为敌重点打击对象,针对航母编队防御体系重心易被扰乱的问题,在面对无人机蜂群攻击时,传统的防空作战思路难以应对,必须从被动防御向主动反击转变。从战术战法方面,传统的三层防御体系应对来袭飞机和导弹时主要以火力拦截为主,目标高速高空突防,力争尽早发现、尽早拦截;但面对无人机蜂群低速低空进入防区攻击时,应主要以跟踪、控制和压制打击为主,牢牢把握主动权,判明其目的,掌握其节奏,不能让其牵制我防御重心和干扰我防御体系。从建设训练方面,在发展舰载机打击蜂群运载体战法的同时,建强航母舰载反无人机电子战中队,将反蜂群作战纳入训练大纲,制定标准化反蜂群作战规程和战法,形成反蜂群作战队形,并融入航母编队防空作战体系中。
4.2 从“电磁红外”向“多维探测”转变
提升航母编队探测预警能力是有效实施反蜂群作战的首要任务,应该立足现有探测手段,构建声光电磁等多维度探测能力,主要从技术和战术两个角度考虑。技术方面,发展中高空雷达探测预警能力的同时,寻求针对低空目标和集群目标探测技术有效突破。微波光子技术雷达是下一代雷达技术发展的重要方向,其对小型无人机/无人机蜂群探测识别能力有较大提升[18],若能部署于水面舰艇或航母上,将对反蜂群作战能力有质的改变。另外,战术战法方面,航母编队在未来海战中,不论何种作战样式都更加依靠联合作战大体系,需要依托大体系构建自身探测预警体系,提升协同探测能力,依托低成本小范围有人/无人探测平台组织预警探测网,从多方向多维度发现来袭蜂群并准确跟踪识别。
4.3 从“火炮导弹”向“微波激光”转变
航母编队反无人机蜂群作战中使用高炮和导弹等武器显然是“不划算”的,效费比较低,应从传统的“火炮导弹”武器向“微波激光”等新兴武器转变。航母编队通常在远海作战,武器弹药补给成本高,压力大,使用传统硬杀伤手段反蜂群需要高昂成本,而“微波激光”等手段在现代战争中准备时间短,再次打击周期短,可以实现发现和打击几乎同时进行,应作为航母编队反无人机蜂群作战的主要手段。从装备发展方面,传统武器主要以发现并杀伤为主,应发展主动式舰载机载式反无人定向能武器,把加强反小型化无人机蜂群激光与微波武器作为反无人装备发展重点,从技术源头探究反蜂群作战方法。相比高空高速的反舰导弹飞行器,在航母编队中层防空哨舰装配定向能武器对无人机蜂群这种低空低速目标杀伤力更大,定向能武器的跟踪系统可以使航母编队掌握反蜂群主动权,实现更快速的发现即摧毁,即使激光武器未完全拦截蜂群,还可用高功率微波武器进行末端面压制,且蜂群动力装置较脆弱,压制拦截成功率高。
4.4 从“空海一体”向“全维全域”转变
无人机蜂群在远海对航母编队进行的攻击行动更加依赖电磁网络空间和卫星导航能力,航母编队反蜂群作战同样要从传统“空海一体”防御打击向包含网电太空的“全维全域”作战转变。随着自动控制和人工智能技术的发展,无人机蜂群执行作战任务对运载母体的依赖降低,甚至不需要其指挥控制,但蜂群自主组网通信和导航定位依然需要依靠无线电信号和卫星通信,电磁网络压制应成为航母编队反蜂群全域作战的重要手段。向无人机发送虚假GPS信号使其偏离预定航线的反无人机手段已在实战中得到应用验证[19],足以说明在未来反无人机蜂群作战中太空作战能力的高效性和重要性,航母编队应拓展多域作战能力扰乱无人机蜂群数据链系统、无线电通信系统和导航定位系统,破坏蜂群飞行稳定性,降低导航定位准确性,从而达到降低蜂群作战效能的目的。
5 结束语
在未来战场上航母编队必然面临无人机蜂群的威胁,本文在分析无人机集群对航母编队威胁特点的基础上,重点从预警发现、探测跟踪、电子干扰和毁伤打击四个方面对航母编队现有反无人机蜂群作战能力进行分析,进而结合防空装备发展和航母编队战法研究实际,对未来航母编队反无人机蜂群作战能力需求提出四个方面的建议。