无人机蜂群关键技术发展综述

    现代战争模式催生了无人机蜂群新型作战样式。系统分析了无人机蜂群利用功能简单的个体,应用自然界蜂群组织算法模型形成高级群体智能行为的概念,介绍无人蜂群的分类和特点,凝练总结无人机蜂群协同组网、协同感知、协同决策、协同控制等关键领域技术及发展现状,针对复杂对抗环境下的实际需求提出集光电探测、通信组网、协同控制、任务规划等多学科于一体的无人机蜂群技术发展的重点和难点,给出无人机蜂群技术发展的途径和举措建议,期望达到牵引无人机蜂群技术发展方向,推动无人机蜂群从技术走向实用的目的。

 

伴随着人工智能、自主系统、网络通信等技术的发展,无人机装备任务谱系日益完善,发展出的低成本可消耗无人机逐步衍生出无人机蜂群概念,无人机蜂群由成本较低的小型无人机平台组成,机动性高、鲁棒性好,且具有抗毁性好的特点。相对简单、单体能力有限的无人机构成的蜂群,通过个体平台之间的局部协作,可实现全局行为的能力涌现,完成动态任务规划、高效快速突防、集群协同组网、长时巡飞监视、持续时空封控、电子侦察对抗、持久跟踪监视、精准火力引导、即时 精确打击、自主协同攻击、实时效果评估等作战能力,实施对严密设防目标、时敏集群目标,以及灰色拒止区域的侦察、干扰、诱骗、打击、评估等一体化作战任务,可形成-----于一体的智能化火力打击武器和网络化协同攻击系统,可以实现灵活高效的智能化集群对抗、网络化协同攻击和分布式协同封控等作战任务,提高任务完成的效率和成功率。由于无人蜂群作战不需要在发射前即确定攻击目标,即便没有详细的目标情报也可以进行发射,可根据战场态势灵活选择目标进行打击,也可以在任务执行过程中改变飞行任务或飞行航迹,具有强机动飞行能力,战术灵活性更强。无人蜂群使得无人机蜂群实战化和主战化趋势日益明显,为谋求构筑高强度作战环境下的规模化优势提供了新型作战模式。

对集群的最初研究源于科学家对昆虫行为的观察和研究,单个昆虫虽然行为相对简单,完成特定任务的能力相对有限。然而,当多个单体聚集到一起形成集群后,通过集体协同分工与合作,即可响应复杂的任务需求,例如蜂群、狼群、蚁群、鸟群等,如图1所示。事实上,集群作战的方式由来已久,冷兵器时代的人海战术、骑兵时代的马群战术,二战时期的狼群战术都是集群作战的典型运用形式,其核心要义在于创造出局部空间的以量取胜、协同取胜,通过成体系对抗和低成本作战获胜。无人机蜂群的节点平台类型丰富、研制周期短、新技术迭代快,具备遂行侦察监视、诱饵欺骗、电子对抗、饱和攻击等能力,可以大幅度提升作战效 能,而且部分节点的损耗不会显著影响整体的系统功能。

美军先后启动了小精灵灰山鹑蝗虫等项目,验证了无人机蜂群多样化作战任务执行能力。美军曾在2014年启动了拒止环境中的协同作战“CODE”项目,实现弱连通、强干扰条件下无人集群的自主协同作业,美国国防高级研究计划局(DARPA)通过一系列试验进行了试验验证。美军的小精灵项目通过大型空中运输平台从空中发射无人机集群实施侦察、干扰等任务,未被打击的无人机具有再回收能力,可大限度节约成本。之后,DARPA2017年启动了进攻性蜂群使能战术 “OFFSET”项目,通过组建无人机蜂群作战系统来支援城市环境下的地面作战部队,并针对该项目开展了多次场地试验。国外典型集群作战系统如图2所示。

近年来,无人装备在实战中的应用愈加频繁,作用日益突出。20209月,阿塞拜疆与亚美尼亚两国在纳卡地区爆发激烈冲突,无人机在此次冲突中发挥了重要作用,被认为是一场无人机的战争。以色列国防军在攻击加沙地带时,第一次使用了人工智能引导巡飞弹集群投入战斗,这是世界上无人机集群第一次被投入实战中。被无人机集群、精确武器和C4I综合电子信息系统赋能的单个连队,完成了30多项任务,摧毁了边界外数公里的几十个敌方目标。无人机集群可在几分钟内在复杂地区确定敌 方位置、指示目标,并让指挥所评估目标、打击选定的目标、进行战斗损伤评估。20222月开始的俄乌冲突中,俄乌双方均投入并持续加强了对无人机作战的使用频率和力度。无人机的长时间制空监视、压制、时敏打击的优势,增强了战场态势感知和高效打击能力。同时,长时间消耗作战亦考验着双方国家的低成本武器研制和生产能力。

总之,无人机蜂群利用大量功能简单的无人飞行器模拟自然界蜂群行为,通过信息共享、自组织编队、自适应飞行、智能决策和协同合作,形成高级群体智能涌现现象和完成多样化任务的能力,以应对瞬息万变的复杂战场环境,具有高抗毁性、低成本、智能化和功能分布的新质特点。针对现实需求,剖析无人机蜂群的决策体制、协同机理、涌现效应等,探索研究无人机蜂群技术发展现状和瓶颈难点,以期达到推动无人机蜂群技术进步和走向实用的目的。