無人機集群技術發展現狀調研

隨著無人機自主化和網路化通信技術的發展，無人機的作戰運用模式也在不斷發展，使得無人機已在戰爭中起著越來越重要的作用，單架無人機由於受到探測能力、武器載荷等因素限制，難於完成複雜的作戰任務。採用多架無人機協同方式，無人機之間通過通訊，進行信息共享，擴大對環境態勢的感知，實現協同任務分配、協同搜索、偵察與攻擊，能有效提高無人機的生存能力和整體作戰效能。此外，由於微小無人機雷達截面小，成本低，速度快，可利用數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，用於突破敵方防禦系統，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慧的核心。2002年，美國空軍研究實驗室通過研究表明：採用多無人機集群作戰適合一些簡單反應性作戰任務，包括區域搜索和攻擊、偵察和壓制、心理戰和戰術牽制等。可以說是集群智能是未來無人化作戰的突破口。美國國防部發布的《無人機系統路線圖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年後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發布了小精靈項目公告，提出通過載機在防區外發射攜帶偵察或電子戰載荷、具備組網與協同功能的無人機蜂群，用於離岸偵察與電子攻擊任務，並在任務完成後對倖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：複合材料工程公司、美國Dynetics公司、通用原子航空系統公司和洛馬公司，發展能以集群作戰方式飽和攻擊敵防空系統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，採用齊射方式，具有數量大、尺寸小、廉價、可重複使用等特點，其關鍵技術包括：空中發射與回收技術、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、精確數字飛控與導航、小型高效渦輪發動機、發動機自動關機技術、小型分散式載荷集成技術、精確位置保持技術等。

基於小精靈的作戰樣式變化示意圖

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概念的轉變。DARPA希望以傳統飛機為載機，採用在防區外發射大量具有協同和分散式作戰能力的小型平台，取代如F-35等在內的功能集成型裝備來突破敵防禦系統，以代替目前在拒止環境中使用的傳統綜合式系統。這不但有能力提高在對抗環境中執行任務的有效性，還是探索顯著降低作戰成本的途徑之一。

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———系統設計階段，該階段經費為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，驗證這種空中發射和回收無人機群的可行性及作戰潛力。目前，DARPA設定的裝備規模是生產1000架小精靈無人機和25套載機設備。

DARPA 小精靈公告中的設計技術指標

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項目聚焦於發展通過發射管將大量可進行數據共享、自主協同的無人機快速連續發射至空中的技術。這類發射裝置及無人機體積較小，可方便整合到艦船、裝甲車輛、飛機等平台之上。這種「蜂群」有目的性地集群飛行、協同配合，對敵方目標執行偵察、打擊任務，從作戰使用角度看，具有明顯優勢。美國海軍研究辦公室於2015年3月在多個地點完成演示驗證工作，其中包括發射可攜帶不同任務載荷的郊狼（Coyote）無人機，並完成了9架無人機完全自主同步和編隊飛行的技術驗證。

「蝗蟲」（LOCUST）項目

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）研製。該型無人機採用發射管發射，可在不依賴GPS的環境下，基於光電/紅外感測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）無人機的連續發射及編隊飛行試驗。

3、山鶉（Perdix）項目

山鶉無人機由MIT於2011年研製。2012年，美國防部戰略能力辦公室成立后，採納了該型無人機，並為其配套開發了由戰機進行空中投放的技術，並於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戰機通過曳光彈投放器投放試驗。2016年10月美軍在加州的「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」戰鬥機成功拋灑出103架山鶉微型無人機。無人機在脫離發射箱后的短時間內能相互發現隊友並組成集群隊形，展示了美軍的集群自組網技術達到了實用性階段。

山鶉（Perdix）項目

山鶉無人機由凱芙拉合成纖維和碳纖維通過3D列印而成，其中機翼採用碳纖維材料，機身採用低阻力玻璃凱芙拉縴維，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，隨後降落傘脫離，無人機發動機工作，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，並在30m/s的風速中保持飛行姿態穩定。飛行過程中，具備數據通信能力。該無人機還可由地面發射裝置發射或通過地面人員投擲發射，未來將採用大量、不可回收部署方式。

山鶉（Perdix）項目

美國防部副部長沃克曾表示已經對用30架無人機組網對付敵方綜合防空系統的想法進行了試驗，並驗證了其可行性。F-16搭載誘餌彈MALD對敵方防空系統進行干擾欺騙的技術十分成熟，無人機蜂群與MALD的不同之處在於：首先，單架F-16戰機僅能搭載數枚MALD，而由於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列印的無人機價格較MALD低廉，具備明顯的經濟可承受性，並且由於其數量龐大，可使敵方跟蹤量達到飽和並增加敵防空系統識別難度。

4、119架固定翼無人機集群飛行

2017年10日，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，標誌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。

無人機集群作戰優勢分析

無人機集群作戰是對傳統武器系統及作戰樣式的重大顛覆，方案優勢明顯。

無人機集群作戰憑藉靈活性高、體系配合能力強、經濟可承受等特點，可採取「蜂群」纏鬥方式，以最低代價完成高對抗環境中的作戰任務，是面向拒止環境作戰的重要手段。無人機集群作戰系統技術主要解決無人機集群智能作戰系統的構建方式、運行方式、動態管理、編隊控制、指揮操控等問題，無人機集群作戰系統具有綜合能力強、功能余度多、作戰使用靈活、使用成本低等特點，可執行戰機護航、區域防空、區域反潛、遠程突擊等作戰任務。同時，新型無人機集群作戰體系必然牽引新的作戰樣式，可對現有的傳統防禦能力形成巨大壓力，可以說其影響是顛覆性的。

無人機集群

無人機集群對抗研究的關鍵問題

1、無人機集群協同對抗演化過程機理及其表述

由於集群對抗中信息的多元化和不完全、不確定性，對抗系統是一個複雜的動態隨機過程，空戰對抗態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不斷變化的態勢並依據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過程演化機制，利用系統動力學和複雜系統理論建立各種因素的相互作用和信息的傳遞關係的網路拓撲架構，有利於對無人機集群對抗過程的定量和定性分析。

無人機集群

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出和執行者，無人機個體不斷與環境進行交互並相互作用，促使對抗過程不斷演化。因此，集群對抗最終是要依賴於無人機的對抗規則，即無人機依據敵方態勢、友機態勢及自身飛行狀態、武器狀況、健康情況等因素，採取某種機動和攻擊策略，如攻擊敵機、威脅迴避、支援友機、戰術協同，使在最大化對敵殺傷、對敵態勢、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，大規模的無人集群必須迅速並準確地分佈於各個作戰區域，進行有效的作戰編隊。大規模無人機集群，從其特徵上看，是一類非線性複雜系統，具有群體智能湧現固有的複雜性和隨機性的特性，其控制方法跟傳統方法有很大的區別。集群系統可以視為大量弱耦合子系統的集成，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調才能完成複雜任務，因而，集群無人機具有分散式控制的本質特徵。單一方法控制無人機集群往往不夠理想，可以採用一些外部干預，並進行控制規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同，達到所預期的對抗要求。

4、無人機集群探測與識別

複雜而多變的集群對抗環境具有極大的狀態不確定性和極強的時間約束，對於敵我雙方大規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分，對於集群對抗任務的上層決策具有指導意義。對抗過程中，實時採集到的圖像等各類感測器信號，可以結合信息融合理論與部分可觀馬可夫等規劃理論，推測並優化最佳的個體機動和集群行為，協同感應、定時並協同攻擊，實現無人機集群對抗效果的最優化。

無人機集群

5、無人機集群對抗態勢評估

態勢評估是對抗決策的依據，由於集群對抗威脅可以來自任意方向，數量多，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，態勢評估比單機對抗情況複雜的多。這就需要集群中每個無人機利用其對周圍環境的感知信息和接收到的鄰近友機傳來的信息，根據所獲得的綜合數據信息進行數據挖掘，分析理解敵方的作戰意圖、戰術戰法。例如，目標移動軌跡數據蘊含著豐富的信息，採用機器學習、深度學習等方法對其進行知識挖掘和模式分類，進行敵方戰術意圖推斷，對於態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餘的信息交互，同時應減少通信的延遲，保證信息交互的實時性。空戰過程中，無人機存在受傷、擊落、增援等多個狀態，其動態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，支持無人機數量的變化，完成集群的重構，而且在無人機與地面站失去聯繫時，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。

無人機集群作戰技術發展方向

目前的無人機集群作戰技術正處於快速發展階段，隨著戰場環境的日益惡化，隨著無人機自主能力的不斷提高，無人機集群作戰必將成為解放軍未來無人機系統應用的重要作戰樣式。以察/打一體無人機組成的集群來說，其目標就是搜索並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。作戰中察/打一體無人機集群首先以協同方式在任務區域大範圍搜索可疑目標，一旦發現目標，處於最佳位置和攜帶相應感測器的無人機立即協同定位目標，然後由處於最佳攻擊位置和攜帶精確制導武器的無人機對目標發起攻擊；隨後由一些無人機進行戰場毀傷評估，確定是否發動二次打擊。

無人機集群

在未來的戰爭中解放軍裝備的無人機就可以採用集群作戰方式對敵人的關鍵區域以及導彈陣地、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搜索識別、定位並攻擊然後進行戰果評估。可以相信當成百甚至上千架無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慄。（來源：高端裝備發展研究中心）

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