國外無人機蜂群發展狀況及啟示

孫海文,龐 威,于邵禎,邱千鈞,李 梁,欒偉先,蔡 侃,萬冬陽,葉 帆

(1. 海軍研究院,北京 100091;2. 中國人民解放軍31102部隊,江蘇 南京 210000)

無人機蜂群作戰作為一種新的作戰模式,越來越多地運用于軍事作戰中。2017年，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)戰略技術辦公室首次提出“馬賽克戰”作戰概念,2019年對其進行了全面介紹,認為其是一種針對體系作戰戰略的分散、敏捷重組軍力設計概念,旨在解決未來戰略環境需求,克服當前部隊的缺陷。無人機蜂群是“馬賽克戰”作戰概念的重要元素,具有分解能力的無人機蜂群會大大提高任務效能,同時低成本無人平臺的損失不會危害到整個系統的功能。

隨著無人機蜂群技術的不斷發展,其在軍事作戰中將得到廣泛研究及應用。本文針對當前無人機蜂群的特點以及技術發展現狀,研究了無人機蜂群作戰樣式,并對未來無人機蜂群發展提出一些建議。

1 無人機蜂群研究

1.1 無人機蜂群作戰定義

無人機蜂群作戰是指由數十架，甚至幾百架不同功能的小微型無人機，根據作戰任務編組，形成自主協同的攻擊蜂群，實現飛行控制、態勢感知、目標分配和智能決策，依靠整體戰斗力，對敵發動攻擊的作戰方法。如圖1所示。

圖1 無人機蜂群作戰

1.2 無人機蜂群特點

無人機蜂群的主要特點主要體現在以下6個方面。

1)群智涌現

無人機蜂群個體之間可以通過分工合作、相互協調,完成復雜的任務,表現出比較高的智能。它們具有高度的自組織、自適應性,并表現出非線性、涌現性的系統特征,實現適應復雜戰場環境的蜂群聚集涌現能力。

2)能力倍增

單個無人機載荷能力小、功能簡單,攻擊能力有限,根據蘭徹斯特平方律,當數量變為2倍,整體作戰能力將變為4倍。無人“蜂群”作戰時包含幾十上百架飛機,一旦形成規模,其作戰能力將顯著增強。

3)功能分布

蜂群的優勢在于可將傳統的集成在一個大型平臺上的多個功能子系統分布到網絡化的大量小型平臺節點上,通過通信系統進行有機協同,滿足包括預警探測、偵察監視、電子對抗、飽和攻擊、戰術誘餌等所有功能需求的同時,提高系統靈活性、生存力。

4)去中心化

去中心化的蜂群可避免整個系統對某個單一節點的過分依賴,從而避免此節點失能、故障、受損后,導致全系統的崩潰。如圖2所示。

圖2 無人機集群協同網絡化作戰

5)魯棒自愈

其利用數量上的優勢,可有效增強無人機蜂群的抗毀傷能力。當蜂群中的某節點損毀或失能時,蜂群的自組織特性可依據環境進行自調整,從而確保系統的能力自愈以及既定任務的完成。

6)成本優勢

國防裝備預算往往呈現準線性增長,而戰斗機的費用則為指數增長,但無人機“蜂群”卻日益朝著低成本化和高作戰效費比方向發展,10 000 架 “蝗蟲”無人機與1 架 F-22價格相當,組成的蜂群的作戰效能遠大于1 架 F-22 作戰效能,蜂群無人機相比導彈、誘餌等武器裝備，具有不對稱的成本優勢，并且隨著材料、能源等技術的發展，蜂群無人機的造價將持續降低。

2 國外無人機蜂群技術發展研究

近年來,無人機蜂群技術在國外軍事強國取得了快速發展,無人機發展形成全球化趨勢。

2.1 美國無人機蜂群現狀

自2014年11月15日,美國國防部部長查克·哈格爾在里根國防論壇的演講中提出“第三次抵消戰略”以來,無人“蜂群”作為一個主攻方向得到了快速發展。

2015年4月,美國海軍開始實施“蝗蟲”項目,該項目研究可從空中、水面多平臺發射無人機集群,集群式攻擊敵方目標。2016年4月該項目成功完成30架無人機集群發射和飛行試驗。

2015年6月,在阿拉斯加的“北方利刃”軍事演習(“北方利刃”演習旨在應對亞太地區的危機)中,美國空軍以F-16為載體進行了無人機發射試驗。一架F-16戰斗機以690 km/h的速度飛行,飛行過程中,通過曳光彈投放器投擲出大量“山鶉”小型無人機。這種無人機是裝在一個帶降落傘的小型金屬容器(保護罩)中發射的,發射幾秒鐘后,降落傘與無人機分離,螺旋槳開始工作,推動無人機飛行。在這次演習中,共開展了150次“山鶉”微型無人機試驗,出動了72架戰斗機。這種3D打印微型無人機既可以由F-16和FA/18戰機發射,如圖3所示,也可以由地面投擲或通過彈弓發射裝置發射。它們擁有情境意識和能力,能夠根據實際戰場情形發現隊友并組成蜂群隊形。當通過戰機發射時,無人機由保護罩包裝,置于飛機誘餌發射裝置內。保護罩可幫助無人機承受發射時的推力。保護罩后側裝有減阻的飄帶(戰略能力辦公室試驗中使用了降落傘),可降低無人機系統降落時的阻力,確保無人機降落時的機頭向下。下降到一定高度后,保護罩打開,無人機被釋放,通過被動穩定系統維持機身穩定,隨后由飛行控制系統控制無人機自主飛行。無人機的電池電量較低時,將進入滑行模式,滑行期間也可采集數據。無人機裝備短程通信系統,可向戰斗機、其他無人機或地面傳輸數據。

圖3 飛機投擲無人機流程圖

2015年9月，美國DARPA開始實施“小精靈”項目,“小精靈”無人機的預期使用壽命大約為20次,與現有導彈和傳統飛機相比,在設計及使用上具有一些優勢:既無須像導彈一樣,執行完一次任務就拋棄整個機身、引擎、航電設備和有效載荷;也無須如當前服役年限達數十年的可重復使用系統那樣,帶來高額的維修和任務成本負擔;如果能如預期利用現有技術,并且僅對當前飛機提出適當的調整要求，“小精靈”項目的成本目標是每架飛行器單次飛行任務成本低于70萬美元,載機單次飛行任務成本1 000萬美元以下,理想目標是降至200萬美元以下。因此,“小精靈”飛機將具備較高的效費比。如圖4給出了基于“小精靈”的作戰樣式變化示意圖。

圖4 基于“小精靈”項目的作戰樣式變化

2020年，美國DARPA開展了進攻性蜂群戰術項目第五次沖刺和“小精靈”項目第四階段工作,加快低成本可重復利用空中小型無人作戰平臺的分布式作戰能力的開發,并在空戰演進項目和“拒止環境協同作戰”項目中利用人工智能技術提高作戰人員對自主作戰技術的信任度和無人系統的自主協同控制能力,推動有人-無人編隊自主協同作戰能力的實現。

2020年8月,美國海軍宣布正在研發數量規模達100萬架的“超級蜂群”,這標志著萬架無人機蜂群作戰即將來臨。

2.2 俄羅斯無人機蜂群現狀

俄羅斯計劃在2025年具有無人機蜂群作戰能力,計劃同時發射100多架無人機,每架無人機配有2.5 kg重的彈頭,能夠自組網、網絡化協同攻擊。同時測試了S-70“奧霍特尼克”忠誠僚機能力,并在2020年公布了代號為“格羅姆”的輕型忠誠僚機項目。

2.3 英國無人機蜂群現狀

2021年,英國正計劃組建無人機蜂群部隊,用于執行自殺式飽和攻擊摧毀敵方防空系統。與此同時，啟動“蚊子”項目,研發輕量級適用新型作戰飛機無人機忠誠僚機計劃。此外，英國還測試了攜帶主動誘餌的自主無人機蜂群,用于電子戰。

2.4 印度無人機蜂群現狀

印軍2019年以“梅赫巴巴”計劃,開始了無人機蜂群研發。2021年1月,印度展示了75架自主無人機組成的蜂群擁有智能計算能力。與此同時，印度研發了空射蜂群無人機系統,可利用空中發射的遠程載具和蜂群單元的網絡來滲透爭議空域。

3 無人機蜂群作戰樣式研究

3.1 無人機蜂群作戰任務

無人機蜂群作戰任務主要如下。

1)超飽和協同探測

采用大規模異構無人機組成無人機蜂群,不同類型無人機上搭載不同類型傳感器,在戰場上進行全方位、全時段的預警探測、廣域偵察。

2)輔助攻擊

在實際作戰中,無人機可輔助有人裝備,完成偵查、欺騙、干擾、誘餌等任務,從而增強我方作戰力量,完成復雜化作戰任務。

3)超飽和攻擊

大量搭載不同武器裝備的無人機蜂群,對敵方目標實行蜂群式攻擊,使得超出對方防御系統攔截能力,完成對敵方目標的毀傷打擊。

3.2 無人機蜂群作戰樣式分析

1)蜂群作戰

蜂群作戰中,往往是通過龐大數量上的優勢對敵人形成壓倒性的威懾和攻擊,蜂群中的個體雖然微不足道,但是成千上萬的數量,通過協同配合,具有非常強的抗毀能力,并且具有很強的威懾和攻擊能力。

優點:

①分布式協同能力,具有很高的魯棒性,容錯能力強,當群體中某個體損壞,不會影響整體作戰能力;

②個體較為簡單,成本低;

③數量達到一定程度,方可構成蜂群,蜂群作戰往往利用數量上的優勢,實現個體無法到達的作戰效果。

缺點:

①在強對抗、快變化的信息化戰場態勢中,要實現自組織、自協同的蜂群作戰體系,構建相互統一、時空一致、任務優化的智能控制和決策體系無疑是一個巨大的挑戰;

②在強對抗、瞬息變化的戰場上,面向不同作戰任務生成適用的作戰規則困難很大,會受到倫理、道德、法律、社會心理等社會因素,以及感知、計算、決策等技術因素的制約。

2)忠誠僚機

蜂群作戰中,無人機蜂群可作為僚機,在實際海上作戰中,可以為艦船和艦載機提供情報信息,當有人裝備受到威脅時,可對其目標威脅進行攔截和攻擊,也可作為誘餌,欺騙和迷惑敵人。

優點:

①忠誠僚機的可靠性和穩定性較高;

②整個系統的智能成本比純粹的無人機蜂群系統低。

缺點:

根據馬斯洛需求層次理論，隨著社會生產力的不斷提高，企業員工自主性和自我價值實現的訴求不斷增強，而企業利用人力資源管理信息系統可以滿足員工發展的要求。員工可以通過e-HR平臺，很方便地獲得有關自己的考勤、薪資、培訓記錄等信息，了解自己的績效考核情況，并可以對考核結果進行申訴，提升管理的可信度和透明度。E-HR系統的使用使全體員工都能參與到企業的管理中來，改變了以往被動接受命令的工作狀態，形成了一種互動的工作模式，集團也可以及時掌握員工需求，有針對性地開展相關培訓課程或提供相應的知識介紹，提升員工綜合滿意度。

①對無人機的機動能力要求較高;

②對無人機之間的通信導航技術要求較高。

3)組隊協作

在蜂群作戰中,各蜂群功能各異,使命任務也不盡相同,各蜂群可相互配合,協同作戰,實現偵察預警、充當誘餌、協同攻擊等多項功能和任務,以較低成本實現作戰目的。

優點:

①可利用通信網絡、智能指揮控制算法,實現無人蜂群密切協同配合,通過計算機超強的計算控制,可實現有人裝備無法完成的作戰任務；

②作戰成本低,有效減少人員數量,保障人員安全。

缺點:

②對無人機的機動能力、通信導航技術等要求較高；

③空中的攜帶、投放和回收技術實現比較困難。

4 未來無人機蜂群發展啟示

1)無人機蜂群向群體智能化方向發展

人工智能技術為無人系統提供了自主認知和智能決策的能力基礎;網絡信息技術向自適應、高可靠、大容量發展，促進了無人機蜂群信息交互能力的快速提升;先進平臺技術使無人系統的設計具備了更大的自由度和多樣性;微納電子技術,特別是消費類電子技術的發展,推動了無人機任務電子系統的高性能、低成本的發展進程。以上四個技術群使無人機蜂群向系統智能化、網絡極大化、平臺多樣化、節點極小化方向發展。這使得未來無人機蜂群作戰具備靈活容錯、自主目標跟蹤、協同路徑規劃、自主突防等能力,可識別控制戰場上語音、文字和圖像的模式，確定目標先后次序，選定適宜的打擊手段，進行戰術協同執行攻擊等一系列戰術動作,即無人機脫離地面控制站,自主判斷下一步需要做什么?？梢灶A見,當智能無人機集群式作戰從想象加速變為現實,勢必將成為改變未來戰爭規則的重要推手。

2)無人機蜂群裝備日趨體系化

在海陸空全面無人化的大背景下,未來無人蜂群并不僅限于空中無人系統,無人地面系統、無人水上水下航行系統將全面發展,外太空、地球邊緣地帶、城市的樓宇之間都會成為無人裝備的戰爭表演舞臺,逐步形成包括無人艦艇、無人戰車和無人機為代表的海陸空三大無人作戰體系,以無人機為例,集群將形成以十克級(對標CICADA)、百克級(對標“山鶉”)、千克級(對標“蝗蟲”)、十千克級、百千克級(對標“小精靈”)等為基礎的作戰系統序列。如圖5所示。

圖5 無人機裝備體系

同一體系內的跨平臺無人作戰系統協作,甚至跨體系跨平臺的無人作戰系統協作將是無人作戰系統的發展方向,集群概念將覆蓋到陸、海、空、天全域,從“蜂群”衍生出“狼群”、“魚群”、“鳥群”、“星群”等作戰概念,使電子戰爭和信息戰爭向前推進更大的腳步。

無人機蜂群作戰既避免了人員傷亡,而且成本也處于可承受范圍之內。體系化的無人機蜂群攻擊,將成為一種全新的作戰模式,將徹底顛覆未來攻防對抗樣式,迫使防空體系做出相應的調整。

3)“蜂群”技術應用多樣化

以低成本無人機為載體的“蜂群”技術正取得里程碑式的突破,其基礎技術和應用技術日趨成熟,相關技術將通過直接移植或借鑒,逐步應用于各類精確制導武器彈藥、電子戰裝備和偵察探測裝備等,在預警探測、廣域監視、抵近偵察、電子對抗、飽和攻擊、主動防御、特種作戰等復雜、強對抗、高不確定性的戰場場景中發揮關鍵性作用。

具備高度自主化水平的集群化智能裝備將打破傳統“平臺中心戰”空襲模式,依靠具有群體智能和高度自主作戰能力的精確制導武器或其他裝備,形成內涵更加豐富的新型集群式“彈藥中心戰”空襲作戰樣式,這些新型的作戰樣式將給空襲與反空襲對抗帶來更加深刻的變革。例如,美軍正在發展的遠程反艦導彈(Long Range Anti-Ship Missile,LRASM)的作戰概念中,利用少量轟炸機可以投送96枚LRASM遠程導彈,彈群之間可利用數據鏈和自主航路規劃能力建立高度的時空同步,形成單波次、多方向飽和攻擊,對我防空體系構成巨大挑戰;美國空軍和雷聲公司基于這兩種飛行器以及更早研制的模塊化設計的聯合防區外武器,開發了對敵防空壓制/摧毀的空射集群作戰樣式;美國空軍的微型空射誘餌和微型空射誘餌-干擾型,以及高速反輻射導彈升級版的交付都具備一定的集群編隊作戰能力。

4)無人機蜂群體系結構日趨靈活化

“蜂群”系統本質上是眾多的獨立個體通過通信網絡連接起來的復雜系統。隨著數量的增加,“蜂群”系統的復雜程度也在呈指數型增長。因此,在設計體系結構時,要綜合考慮系統交互問題和降低系統復雜度和耦合度。通過規范化、統一化的交互協議以及制造標準,將不同類型、數量眾多的無人機高效組合在一起,使得整個無人機蜂群體系具有很強的互操作性和可擴展性,具備靈活完成不同環境下多種任務的能力。

5 結束語

無人機集群在作戰中具有成本低廉、魯棒自愈、群智涌現等特點,能夠超飽和攻擊敵方目標,在未來作戰中具有明顯的優勢性,本文通過分析無人機蜂群的特點、國外無人機蜂群技術發展,研究了無人機蜂群作戰樣式,并對未來無人機蜂群發展提出一些發展思路,為后續發展提供了借鑒。