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(zhàn)作為一種新的作戰(zhàn)模式,越來越多地運用于軍事作戰(zhàn)中。2017年，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)戰(zhàn)略技術(shù)辦公室首次提出“馬賽克戰(zhàn)”作戰(zhàn)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(zhàn)戰(zhàn)略的分散、敏捷重組軍力設(shè)計概念,旨在解決未來戰(zhàn)略環(huán)境需求,克服當(dāng)前部隊的缺陷。無人機蜂群是“馬賽克戰(zhàn)”作戰(zhàn)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(wù)效能,同時低成本無人平臺的損失不會危害到整個系統(tǒng)的功能。

隨著無人機蜂群技術(shù)的不斷發(fā)展,其在軍事作戰(zhàn)中將得到廣泛研究及應(yīng)用。本文針對當(dāng)前無人機蜂群的特點以及技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,研究了無人機蜂群作戰(zhàn)樣式,并對未來無人機蜂群發(fā)展提出一些建議。

1 無人機蜂群研究

1.1 無人機蜂群作戰(zhàn)定義

無人機蜂群作戰(zhàn)是指由數(shù)十架，甚至幾百架不同功能的小微型無人機，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)編組，形成自主協(xié)同的攻擊蜂群，實現(xiàn)飛行控制、態(tài)勢感知、目標(biāo)分配和智能決策，依靠整體戰(zhàn)斗力，對敵發(fā)動攻擊的作戰(zhàn)方法。如圖1所示。

圖1 無人機蜂群作戰(zhàn)

1.2 無人機蜂群特點

無人機蜂群的主要特點主要體現(xiàn)在以下6個方面。

1)群智涌現(xiàn)

無人機蜂群個體之間可以通過分工合作、相互協(xié)調(diào),完成復(fù)雜的任務(wù),表現(xiàn)出比較高的智能。它們具有高度的自組織、自適應(yīng)性,并表現(xiàn)出非線性、涌現(xiàn)性的系統(tǒng)特征,實現(xiàn)適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的蜂群聚集涌現(xiàn)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(jù)蘭徹斯特平方律,當(dāng)數(shù)量變?yōu)?倍,整體作戰(zhàn)能力將變?yōu)?倍。無人“蜂群”作戰(zhàn)時包含幾十上百架飛機,一旦形成規(guī)模,其作戰(zhàn)能力將顯著增強。

3)功能分布

蜂群的優(yōu)勢在于可將傳統(tǒng)的集成在一個大型平臺上的多個功能子系統(tǒng)分布到網(wǎng)絡(luò)化的大量小型平臺節(jié)點上,通過通信系統(tǒng)進行有機協(xié)同,滿足包括預(yù)警探測、偵察監(jiān)視、電子對抗、飽和攻擊、戰(zhàn)術(shù)誘餌等所有功能需求的同時,提高系統(tǒng)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(tǒng)對某個單一節(jié)點的過分依賴,從而避免此節(jié)點失能、故障、受損后,導(dǎo)致全系統(tǒng)的崩潰。如圖2所示。

圖2 無人機集群協(xié)同網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)

5)魯棒自愈

其利用數(shù)量上的優(yōu)勢,可有效增強無人機蜂群的抗毀傷能力。當(dāng)蜂群中的某節(jié)點損毀或失能時,蜂群的自組織特性可依據(jù)環(huán)境進行自調(diào)整,從而確保系統(tǒng)的能力自愈以及既定任務(wù)的完成。

6)成本優(yōu)勢

國防裝備預(yù)算往往呈現(xiàn)準(zhǔn)線性增長,而戰(zhàn)斗機的費用則為指數(shù)增長,但無人機“蜂群”卻日益朝著低成本化和高作戰(zhàn)效費比方向發(fā)展,10 000 架 “蝗蟲”無人機與1 架 F-22價格相當(dāng),組成的蜂群的作戰(zhàn)效能遠大于1 架 F-22 作戰(zhàn)效能,蜂群無人機相比導(dǎo)彈、誘餌等武器裝備，具有不對稱的成本優(yōu)勢，并且隨著材料、能源等技術(shù)的發(fā)展，蜂群無人機的造價將持續(xù)降低。

2 國外無人機蜂群技術(shù)發(fā)展研究

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

2.1 美國無人機蜂群現(xiàn)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(zhàn)略”以來,無人“蜂群”作為一個主攻方向得到了快速發(fā)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(fā)射無人機集群,集群式攻擊敵方目標(biāo)。2016年4月該項目成功完成30架無人機集群發(fā)射和飛行試驗。

2015年6月,在阿拉斯加的“北方利刃”軍事演習(xí)(“北方利刃”演習(xí)旨在應(yīng)對亞太地區(qū)的危機)中,美國空軍以F-16為載體進行了無人機發(fā)射試驗。一架F-16戰(zhàn)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(fā)射的,發(fā)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(xí)中,共開展了150次“山鶉”微型無人機試驗,出動了72架戰(zhàn)斗機。這種3D打印微型無人機既可以由F-16和FA/18戰(zhàn)機發(fā)射,如圖3所示,也可以由地面投擲或通過彈弓發(fā)射裝置發(fā)射。它們擁有情境意識和能力,能夠根據(jù)實際戰(zhàn)場情形發(fā)現(xiàn)隊友并組成蜂群隊形。當(dāng)通過戰(zhàn)機發(fā)射時,無人機由保護罩包裝,置于飛機誘餌發(fā)射裝置內(nèi)。保護罩可幫助無人機承受發(fā)射時的推力。保護罩后側(cè)裝有減阻的飄帶(戰(zhàn)略能力辦公室試驗中使用了降落傘),可降低無人機系統(tǒng)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(wěn)定系統(tǒng)維持機身穩(wěn)定,隨后由飛行控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)。無人機裝備短程通信系統(tǒng),可向戰(zhàn)斗機、其他無人機或地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。

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(yù)期使用壽命大約為20次,與現(xiàn)有導(dǎo)彈和傳統(tǒng)飛機相比,在設(shè)計及使用上具有一些優(yōu)勢:既無須像導(dǎo)彈一樣,執(zhí)行完一次任務(wù)就拋棄整個機身、引擎、航電設(shè)備和有效載荷;也無須如當(dāng)前服役年限達數(shù)十年的可重復(fù)使用系統(tǒng)那樣,帶來高額的維修和任務(wù)成本負擔(dān);如果能如預(yù)期利用現(xiàn)有技術(shù),并且僅對當(dāng)前飛機提出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整要求，“小精靈”項目的成本目標(biāo)是每架飛行器單次飛行任務(wù)成本低于70萬美元,載機單次飛行任務(wù)成本1 000萬美元以下,理想目標(biāo)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(zhàn)樣式變化示意圖。

圖4 基于“小精靈”項目的作戰(zhàn)樣式變化

2020年，美國DARPA開展了進攻性蜂群戰(zhàn)術(shù)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(fù)利用空中小型無人作戰(zhàn)平臺的分布式作戰(zhàn)能力的開發(fā),并在空戰(zhàn)演進項目和“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”項目中利用人工智能技術(shù)提高作戰(zhàn)人員對自主作戰(zhàn)技術(shù)的信任度和無人系統(tǒng)的自主協(xié)同控制能力,推動有人-無人編隊自主協(xié)同作戰(zhàn)能力的實現(xiàn)。

2020年8月,美國海軍宣布正在研發(fā)數(shù)量規(guī)模達100萬架的“超級蜂群”,這標(biāo)志著萬架無人機蜂群作戰(zhàn)即將來臨。

2.2 俄羅斯無人機蜂群現(xiàn)狀

俄羅斯計劃在2025年具有無人機蜂群作戰(zhàn)能力,計劃同時發(fā)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(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)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(xiàn)狀

2021年,英國正計劃組建無人機蜂群部隊,用于執(zhí)行自殺式飽和攻擊摧毀敵方防空系統(tǒng)。與此同時，啟動“蚊子”項目,研發(fā)輕量級適用新型作戰(zhàn)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(zhàn)。

2.4 印度無人機蜂群現(xiàn)狀

印軍2019年以“梅赫巴巴”計劃,開始了無人機蜂群研發(fā)。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(fā)了空射蜂群無人機系統(tǒng),可利用空中發(fā)射的遠程載具和蜂群單元的網(wǎng)絡(luò)來滲透爭議空域。

3 無人機蜂群作戰(zhàn)樣式研究

3.1 無人機蜂群作戰(zhàn)任務(wù)

無人機蜂群作戰(zhàn)任務(wù)主要如下。

1)超飽和協(xié)同探測

采用大規(guī)模異構(gòu)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(zhàn)場上進行全方位、全時段的預(yù)警探測、廣域偵察。

2)輔助攻擊

在實際作戰(zhàn)中,無人機可輔助有人裝備,完成偵查、欺騙、干擾、誘餌等任務(wù),從而增強我方作戰(zhàn)力量,完成復(fù)雜化作戰(zhàn)任務(wù)。

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(biāo)實行蜂群式攻擊,使得超出對方防御系統(tǒng)攔截能力,完成對敵方目標(biāo)的毀傷打擊。

3.2 無人機蜂群作戰(zhàn)樣式分析

1)蜂群作戰(zhàn)

蜂群作戰(zhàn)中,往往是通過龐大數(shù)量上的優(yōu)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(shù)量,通過協(xié)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(yōu)點:

①分布式協(xié)同能力,具有很高的魯棒性,容錯能力強,當(dāng)群體中某個體損壞,不會影響整體作戰(zhàn)能力;

②個體較為簡單,成本低;

③數(shù)量達到一定程度,方可構(gòu)成蜂群,蜂群作戰(zhàn)往往利用數(shù)量上的優(yōu)勢,實現(xiàn)個體無法到達的作戰(zhàn)效果。

缺點:

①在強對抗、快變化的信息化戰(zhàn)場態(tài)勢中,要實現(xiàn)自組織、自協(xié)同的蜂群作戰(zhàn)體系,構(gòu)建相互統(tǒng)一、時空一致、任務(wù)優(yōu)化的智能控制和決策體系無疑是一個巨大的挑戰(zhàn);

②在強對抗、瞬息變化的戰(zhàn)場上,面向不同作戰(zhàn)任務(wù)生成適用的作戰(zhàn)規(guī)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(shù)因素的制約。

2)忠誠僚機

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

優(yōu)點:

①忠誠僚機的可靠性和穩(wěn)定性較高;

②整個系統(tǒng)的智能成本比純粹的無人機蜂群系統(tǒng)低。

缺點:

根據(jù)馬斯洛需求層次理論，隨著社會生產(chǎn)力的不斷提高，企業(yè)員工自主性和自我價值實現(xiàn)的訴求不斷增強，而企業(yè)利用人力資源管理信息系統(tǒng)可以滿足員工發(fā)展的要求。員工可以通過e-HR平臺，很方便地獲得有關(guān)自己的考勤、薪資、培訓(xùn)記錄等信息，了解自己的績效考核情況，并可以對考核結(jié)果進行申訴，提升管理的可信度和透明度。E-HR系統(tǒng)的使用使全體員工都能參與到企業(yè)的管理中來，改變了以往被動接受命令的工作狀態(tài)，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(guān)培訓(xùn)課程或提供相應(yīng)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(dǎo)航技術(shù)要求較高。

3)組隊協(xié)作

在蜂群作戰(zhàn)中,各蜂群功能各異,使命任務(wù)也不盡相同,各蜂群可相互配合,協(xié)同作戰(zhàn),實現(xiàn)偵察預(yù)警、充當(dāng)誘餌、協(xié)同攻擊等多項功能和任務(wù),以較低成本實現(xiàn)作戰(zhàn)目的。

優(yōu)點:

①可利用通信網(wǎng)絡(luò)、智能指揮控制算法,實現(xiàn)無人蜂群密切協(xié)同配合,通過計算機超強的計算控制,可實現(xiàn)有人裝備無法完成的作戰(zhàn)任務(wù)；

②作戰(zhàn)成本低,有效減少人員數(shù)量,保障人員安全。

缺點:

②對無人機的機動能力、通信導(dǎo)航技術(shù)等要求較高；

③空中的攜帶、投放和回收技術(shù)實現(xiàn)比較困難。

4 未來無人機蜂群發(fā)展啟示

1)無人機蜂群向群體智能化方向發(fā)展

人工智能技術(shù)為無人系統(tǒng)提供了自主認知和智能決策的能力基礎(chǔ);網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)向自適應(yīng)、高可靠、大容量發(fā)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(shù)使無人系統(tǒng)的設(shè)計具備了更大的自由度和多樣性;微納電子技術(shù),特別是消費類電子技術(shù)的發(fā)展,推動了無人機任務(wù)電子系統(tǒng)的高性能、低成本的發(fā)展進程。以上四個技術(shù)群使無人機蜂群向系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)極大化、平臺多樣化、節(jié)點極小化方向發(fā)展。這使得未來無人機蜂群作戰(zhàn)具備靈活容錯、自主目標(biāo)跟蹤、協(xié)同路徑規(guī)劃、自主突防等能力,可識別控制戰(zhàn)場上語音、文字和圖像的模式，確定目標(biāo)先后次序，選定適宜的打擊手段，進行戰(zhàn)術(shù)協(xié)同執(zhí)行攻擊等一系列戰(zhàn)術(shù)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。可以預(yù)見,當(dāng)智能無人機集群式作戰(zhàn)從想象加速變?yōu)楝F(xiàn)實,勢必將成為改變未來戰(zhàn)爭規(guī)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(tǒng),無人地面系統(tǒng)、無人水上水下航行系統(tǒng)將全面發(fā)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(zhàn)爭表演舞臺,逐步形成包括無人艦艇、無人戰(zhàn)車和無人機為代表的海陸空三大無人作戰(zhàn)體系,以無人機為例,集群將形成以十克級(對標(biāo)CICADA)、百克級(對標(biāo)“山鶉”)、千克級(對標(biāo)“蝗蟲”)、十千克級、百千克級(對標(biāo)“小精靈”)等為基礎(chǔ)的作戰(zhàn)系統(tǒng)序列。如圖5所示。

圖5 無人機裝備體系

同一體系內(nèi)的跨平臺無人作戰(zhàn)系統(tǒng)協(xié)作,甚至跨體系跨平臺的無人作戰(zhàn)系統(tǒng)協(xié)作將是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)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(zhàn)概念,使電子戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭向前推進更大的腳步。

無人機蜂群作戰(zhàn)既避免了人員傷亡,而且成本也處于可承受范圍之內(nèi)。體系化的無人機蜂群攻擊,將成為一種全新的作戰(zhàn)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(yīng)的調(diào)整。

3)“蜂群”技術(shù)應(yīng)用多樣化

以低成本無人機為載體的“蜂群”技術(shù)正取得里程碑式的突破,其基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)日趨成熟,相關(guān)技術(shù)將通過直接移植或借鑒,逐步應(yīng)用于各類精確制導(dǎo)武器彈藥、電子戰(zhàn)裝備和偵察探測裝備等,在預(yù)警探測、廣域監(jiān)視、抵近偵察、電子對抗、飽和攻擊、主動防御、特種作戰(zhàn)等復(fù)雜、強對抗、高不確定性的戰(zhàn)場場景中發(fā)揮關(guān)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(tǒng)“平臺中心戰(zhàn)”空襲模式,依靠具有群體智能和高度自主作戰(zhàn)能力的精確制導(dǎo)武器或其他裝備,形成內(nèi)涵更加豐富的新型集群式“彈藥中心戰(zhàn)”空襲作戰(zhàn)樣式,這些新型的作戰(zhàn)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(fā)展的遠程反艦導(dǎo)彈(Long Range Anti-Ship Missile,LRASM)的作戰(zhàn)概念中,利用少量轟炸機可以投送96枚LRASM遠程導(dǎo)彈,彈群之間可利用數(shù)據(jù)鏈和自主航路規(guī)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(gòu)成巨大挑戰(zhàn);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(shè)計的聯(lián)合防區(qū)外武器,開發(fā)了對敵防空壓制/摧毀的空射集群作戰(zhàn)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(dǎo)彈升級版的交付都具備一定的集群編隊作戰(zhàn)能力。

4)無人機蜂群體系結(jié)構(gòu)日趨靈活化

“蜂群”系統(tǒng)本質(zhì)上是眾多的獨立個體通過通信網(wǎng)絡(luò)連接起來的復(fù)雜系統(tǒng)。隨著數(shù)量的增加,“蜂群”系統(tǒng)的復(fù)雜程度也在呈指數(shù)型增長。因此,在設(shè)計體系結(jié)構(gòu)時,要綜合考慮系統(tǒng)交互問題和降低系統(tǒng)復(fù)雜度和耦合度。通過規(guī)范化、統(tǒng)一化的交互協(xié)議以及制造標(biāo)準(zhǔn),將不同類型、數(shù)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(huán)境下多種任務(wù)的能力。

5 結(jié)束語

無人機集群在作戰(zhàn)中具有成本低廉、魯棒自愈、群智涌現(xiàn)等特點,能夠超飽和攻擊敵方目標(biāo),在未來作戰(zhàn)中具有明顯的優(yōu)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(shù)發(fā)展,研究了無人機蜂群作戰(zhàn)樣式,并對未來無人機蜂群發(fā)展提出一些發(fā)展思路,為后續(xù)發(fā)展提供了借鑒。