美無人機蜂群反艦?zāi)芰Ψ抡娣治?/h1>
2022-10-17 07:43程城人楊鏡宇
指揮控制與仿真 2022年5期
程城人,楊鏡宇
(國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院,北京 100091)
無人機蜂群是指大量的小型、低成本無人機形成集群,集群編隊飛行，自主控制，規(guī)劃航路,具有態(tài)勢感知能力以及編隊內(nèi)部無線通信能力,通過智能算法實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)。
無人機蜂群通過飽和攻擊突破單艘宙斯盾艦的研究,無人機蜂群突破航母編隊多層防空體系的研究都證明了無人機蜂群具有反艦?zāi)芰?。目前，國?nèi)對無人機蜂群的研究主要集中在路徑規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同機制等算法層面,沒有對美軍的無人機蜂群能力進行對抗分析,研究美無人機蜂群對抗條件下的作戰(zhàn)能力生成機制具有前瞻意義。
本文在分析無人機蜂群特點與美無人機蜂群發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出了影響無人機蜂群反艦作戰(zhàn)的關(guān)鍵影響因素,并以這些影響因素為研究對象,在仿真環(huán)境中進行實驗分析,給出了戰(zhàn)術(shù)、編成結(jié)構(gòu)等因素對X-61A無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊憴C制。
1 美無人機蜂群特點與現(xiàn)狀
1.1 無人機蜂群特點
無人機蜂群最大的特點是低成本,相比于擁有多套系統(tǒng)的傳統(tǒng)大型空中平臺,其體積更小,功能更為單一,單體遭遇打擊損失更小。無人機蜂群具有自主性,蜂群脫離母機之后在蜂群內(nèi)部完成決策,不依賴遠程指控。無人機蜂群還具有自適應(yīng)性,因為存在大量的異構(gòu)平臺,當(dāng)其中一部分平臺損失之后,殺傷鏈會迅速重構(gòu),網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連通度不會明顯下降,減少了對蜂群能力的影響。
1.2 無人機蜂群發(fā)展現(xiàn)狀
2012年,美國海軍以單艘“伯克”驅(qū)逐艦為對象,使用作戰(zhàn)仿真手段驗證了無人機蜂群的反艦作戰(zhàn)能力,結(jié)果顯示無人機蜂群對宙斯盾系統(tǒng)突防能力較高,在“伯克”驅(qū)逐艦使用更高級的傳感器與武器系統(tǒng)之后，最多也僅能攔截7架無人機。由于無人機蜂群強大的反艦?zāi)芰?美軍后續(xù)對無人機蜂群的研究與采辦持續(xù)展開,比較知名的項目有拒止環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)計劃 (CODE)、進攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)項目 (OFFSET) 、“灰山鶉”項目、“小精靈”項目等。其中，CODE旨在通過開發(fā)算法和軟件來克服大量無人機遠程指控與協(xié)同的挑戰(zhàn),目標(biāo)是提高美軍在拒止環(huán)境或有爭議空域進行作戰(zhàn)的能力;OFFSET項目主要是形成蜂群的集群戰(zhàn)術(shù)、蜂群之間的戰(zhàn)術(shù)交互以及蜂群與人的戰(zhàn)術(shù)交互能力;“灰山鶉”項目旨在開發(fā)微型可消耗的低成本無人機，為有人機以及大型無人機提供偵察指控信息;“小精靈”項目旨在通過空中發(fā)射與回收可重復(fù)利用的無人機蜂群，來支撐分布式作戰(zhàn)概念。這些項目的推動使得無人機蜂群的殺傷能力與復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力進一步提升。
其中，最成熟的項目是“小精靈”無人機,2018年“小精靈”項目開啟了第三階段演示驗證,2019年美空軍將“小精靈”無人機命名為X-61A,X-61A的基本開發(fā)理念是低成本分布式作戰(zhàn),設(shè)計最大航程可以達到500 n mile,作戰(zhàn)半徑300 n mile，飛行速度最大0.8。2020年春,由C-130平臺作為母機進行投放試飛,2021年10月,經(jīng)過多次失敗之后,DARPA成功進行了X-61A回收試驗,將一架X-61A回收到C-130機艙。之后美軍使用兵棋推演驗證了X-61A的海上作戰(zhàn)能力。
2020年,蘭德公司發(fā)布了《在對抗環(huán)境中運用低成本可消耗無人機》的報告,該報告以數(shù)百架無人機在10 000平方千米內(nèi)對1 550艘兩棲登陸艦遂行偵察瞄準(zhǔn)，“捕鯨叉”反艦導(dǎo)彈遂行打擊為想定背景,進行了推演驗證,無人機集群態(tài)勢共享,使用智能算法自主決策,因此具有較強的抗干擾能力。推演結(jié)果顯示,在大規(guī)模反艦作戰(zhàn)中,使用衛(wèi)星與防區(qū)外偵察機提供目指遂行打擊，是使用無人機集群提供目指遂行打擊所需導(dǎo)彈數(shù)量的10倍,無人機集群的使用大大提升了打擊效能。報告將無人機集群的作用定位在偵察與瞄準(zhǔn),進行的推演屬于驗證性推演,對電磁對抗與集群決策仿真的重點關(guān)注是具有啟發(fā)性的,而本文研究的對象是無人機組網(wǎng)協(xié)同反艦,無人機具備打擊能力,集群自身能夠完成殺傷鏈閉合,同時本文進行的推演屬于探索性實驗,重點研究無人機蜂群反艦效能的影響因素。
2 無人機蜂群反艦關(guān)鍵影響因素
無人機蜂群反艦的關(guān)鍵影響因素主要集中在自身的指控、戰(zhàn)術(shù)、結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)的防空力量。
2.1 指控因素
無人機蜂群指控主要分集中式、分布式、智能自主等,X-61A項目基本開發(fā)理念是低成本分布式作戰(zhàn),集中指控條件下中心節(jié)點被毀往往會造成蜂群癱瘓,不符合低成本可回收的設(shè)計理念,而智能自主的集群控制技術(shù)在X-61A項目中沒有得到演示驗證,因此當(dāng)前階段研究X-61A蜂群以分布式指控對其進行建模比較合理。
2.2 戰(zhàn)術(shù)因素
無人機蜂群戰(zhàn)術(shù)主要包括投放距離、空間分散程度、攻擊陣型等方面。投放距離太小可能造成母機被毀，太遠可能超過蜂群的作戰(zhàn)半徑;空間分布緊湊會造成對抗中遭遇集火打擊,空間上太分散又存在通信安全與協(xié)同問題;攻擊陣型可多批次逐步瓦解目標(biāo)防空能力,可單側(cè)飽和攻擊,也可多方向造成目標(biāo)決策困境。陸曉安等人在無人機集群飽和攻擊策略的研究中指出,無人機蜂群難以單獨打擊具有高價值高密度防空火力的目標(biāo),因此設(shè)計了潛行抵近、合圍等待、突防打擊三個階段的戰(zhàn)術(shù)行動,并用仿真實驗驗證了作戰(zhàn)效果,認(rèn)為一架無人機突防即可將目標(biāo)摧毀,其中合圍等待階段的陣型為環(huán)形攻擊陣型。由此認(rèn)為設(shè)計攻擊戰(zhàn)術(shù)可以提升蜂群反艦?zāi)芰Α?/p>
2.3 結(jié)構(gòu)因素
無人機蜂群結(jié)構(gòu)因素主要是基于“馬賽克戰(zhàn)”思想,對蜂群進行異構(gòu)平臺比例控制。目前對于“馬賽克戰(zhàn)”所設(shè)計的經(jīng)典場景是以無人機蜂群進行驗證,而“馬賽克戰(zhàn)”的核心思想就是平臺異構(gòu)、快速重組,X-61A包括打擊、偵察、電子干擾三種機型,通過通信組網(wǎng)與分布式指控,以異構(gòu)平臺實現(xiàn)蜂群系統(tǒng)快速重組的自適應(yīng)性。異構(gòu)平臺數(shù)量不同的比值會通過影響各個殺傷環(huán)節(jié)的效能而最終影響蜂群整體的反艦?zāi)芰Α＠畲簌i等人所設(shè)想的“馬賽克戰(zhàn)”對海打擊經(jīng)典場景中,采取了有人無人相結(jié)合,以無人集群為主體完成對海打擊,有人平臺包括E-2D、F-35、C-130,無人平臺包括“小精靈”打擊型、偵察型、電子戰(zhàn)型以及武庫機,設(shè)計了強對抗、弱對抗、無對抗三個交戰(zhàn)區(qū)域,構(gòu)想了全域感知、占據(jù)陣位、無人主戰(zhàn)、動態(tài)重組、協(xié)同交戰(zhàn)五個階段,其編成結(jié)構(gòu)傾向于多使用攻擊型無人機,但均衡的異構(gòu)力量或者突出偵察與干擾能力也有可能以較小代價達成反艦?zāi)繕?biāo)。
2.4 艦艇防空力量
目標(biāo)艦艇的防空力量包括偵察與打擊兩個方面。目標(biāo)艦艇的偵察預(yù)警能力主要包括防空反導(dǎo)雷達對飛行高度較高的空中目標(biāo)的探測，對海偵察雷達對低空與海上目標(biāo)的探測以及聲吶系統(tǒng)對水下目標(biāo)的探測。無人機從高空投放,逐步抵近目標(biāo)的過程中,其反射的雷達信號越來越強,被探測發(fā)現(xiàn)的概率上升,目標(biāo)艦艇的偵察能力決定了特定無人機集群是否能抵近發(fā)起攻擊。而另一方面,采用隱身設(shè)計的無人機會縮小雷達截面積,無人機蜂群中電子干擾機的使用會減少目標(biāo)艦艇雷達接收機中的可用信號,這都會使得目標(biāo)艦艇相對于無人機的偵察能力下降,從而便于集群抵近發(fā)起攻擊。
目前對于小型無人機的打擊主要依賴電子干擾、艦炮、近程防空導(dǎo)彈。目標(biāo)區(qū)域防空半徑較大時,中遠程防空導(dǎo)彈可能威脅到母機而使得無人機蜂群無法投放。在閆海港等人對海上反無人機蜂群作戰(zhàn)概念的研究中,提出反無人機蜂群作戰(zhàn)有以下四個手段:一是搗毀蜂巢，破壞遠程控制無線電鏈路，實現(xiàn)區(qū)域據(jù)止;二是電子干擾、控制劫持、雷達誘餌實現(xiàn)軟對抗防御;三是高功率微波殺傷，蜂群反蜂群，大半徑防空彈殺傷，網(wǎng)捕攔截實現(xiàn)面殺傷防御;四是利用艦炮、定向能、電磁炮等實現(xiàn)精準(zhǔn)的點殺傷防御。上述反無人機手段集中在5 km以內(nèi)或更近的距離,在仿真預(yù)實驗中交戰(zhàn)基本在10 km以外完成,因此不對近距離反無人機手段進行細粒度仿真。
3 美無人機蜂群反艦仿真實驗
本文所使用的實驗方法是聯(lián)合作戰(zhàn)體系仿真試驗床方法,該方法采用人不在回路的仿真系統(tǒng),可以進行高效的探索性實驗,從裝備層級到戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役層級的仿真都十分成功,在聯(lián)合作戰(zhàn)能力評估、新質(zhì)作戰(zhàn)力量評估、作戰(zhàn)體系彈性評估等作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。平臺分為仿真想定設(shè)計、實驗運行以及仿真分析三個模塊。仿真想定設(shè)計基于每個作戰(zhàn)單元及其要素的物理模型,在三維空間對仿真對象的實體、行為、交互進行建模,在運行階段,支持更改隨機數(shù)的自動化多重循環(huán)實驗以消除偶然因素,擁有完整的分析工具,可以針對交戰(zhàn)過程梳理出完整的殺傷鏈,生成探測、瞄準(zhǔn)、毀傷等各個階段的詳細報表,并支持可視化的回溯分析以尋找特定事件發(fā)生的因果鏈。
仿真實驗首先確定一個基本的想定,在基本想定的基礎(chǔ)上針對不同的戰(zhàn)術(shù)與編成分別構(gòu)建不同的場景。主要有四組實驗：分散程度、攻擊陣型、攻擊批次、編成結(jié)構(gòu),其中前三組都屬于攻擊戰(zhàn)術(shù)實驗。每個實驗變量設(shè)置不同的取值,將其對應(yīng)的實驗結(jié)果與基本想定的實驗結(jié)果進行比較,得出該實驗變量對于無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊?并對其影響機制進行分析。
3.1 基本想定
2017年，DARPA針對“小精靈”項目，提出了分布式空中作戰(zhàn)運用的作戰(zhàn)構(gòu)想,基本內(nèi)容是C-130在目標(biāo)防區(qū)外釋放偵察與干擾類型的無人機,以蜂群的形式對目標(biāo)進行探測與干擾,并與攻擊型無人機或F-35進行通信引導(dǎo)打擊,如圖1所示。
圖1 DARPA提出的小精靈作戰(zhàn)構(gòu)想
在DARPA“小精靈”作戰(zhàn)構(gòu)想的基礎(chǔ)上,本文為研究無人蜂群反艦?zāi)芰?將具有威脅的目標(biāo)設(shè)置為紅方驅(qū)逐艦,作戰(zhàn)空間仍為原構(gòu)想中的瀕海地區(qū)。紅方驅(qū)逐艦獨立遂行防空任務(wù),不考慮友鄰部隊支援,配置防空導(dǎo)彈12枚,10枚近程防空火箭彈,艦炮兩座,預(yù)警、跟蹤、火控雷達共3臺。藍方C-130攜帶X-61A共15架,有攻擊型、偵察型、電子戰(zhàn)型3種機型,在C-130投放之后，這15架X-61A組成無人機蜂群脫離母機指控獨立遂行反艦作戰(zhàn)。其中攻擊型只配備作戰(zhàn)部與通信裝備,偵察型配備主動、被動兩種型號雷達及通信裝備,電子戰(zhàn)型配備干擾機以及被動傳感器。其中偵察型與攻擊型之間設(shè)置N-to-N通信網(wǎng)絡(luò)。實驗參數(shù)如表1所示,表格中的參數(shù)均為根據(jù)公開渠道的052C驅(qū)逐艦和“小精靈”無人機參數(shù)推算得出。
表1 紅藍雙方裝備性能參數(shù)
基本想定是15架X61-A在距離目標(biāo)300 km脫離C-130,采用單體空間距離小于50 m的密集陣型對目標(biāo)進行飽和攻擊，如圖2所示。
圖2 C-130投放“小精靈”場景示意
紅方雷達探測效果與藍方電子干擾效果是本實驗有效性的重要保證,因此對兩者的部分仿真原理進行說明。
雷達對無人機集群進行探測時滿足回波疊加的原理。當(dāng)無人機集群較為分散時,由于單架無人機雷達截面較小,難以從背景雜波中分辨。而無人機集群較為密集時,空間接近的多架無人機回波可能被連續(xù)的多個分辨單元接收，從而將分散的點狀目標(biāo)識別為大型的擴展目標(biāo),并且目標(biāo)的回波強度是點目標(biāo)回波強度的疊加。但這種關(guān)系并不是簡單的負相關(guān),從極限推理的角度,當(dāng)集群無限密集就將完全重合，而在雷達中只顯示一個點目標(biāo)的回波,因此分散程度從零開始增大時,集群可探測性是先上升后降低的。
電子干擾的手段采用噪聲干擾,噪聲干擾一般包括瞄準(zhǔn)式、阻塞式、掃頻式,實驗中采取瞄準(zhǔn)式,藍方干擾機的主頻與紅方驅(qū)逐艦預(yù)警雷達主頻一致,干擾的帶寬范圍為主頻附近100兆。干擾波束采用最一般的射頻噪聲干擾,原理如下
()=()cos(+)
(1)
其中，()為干擾信號,服從正態(tài)分布,()為服從瑞利分布的包絡(luò)函數(shù),為載頻常數(shù),為服從均勻分布的相位函數(shù),由此控制產(chǎn)生一個頻域上近似方窗的干擾信號。
一般評估干擾是否有效的準(zhǔn)則為信息損失準(zhǔn)則、功率準(zhǔn)則、戰(zhàn)術(shù)運用準(zhǔn)則,本文使用的仿真系統(tǒng)采取功率準(zhǔn)則,雷達是否能夠探測到某個方向的目標(biāo)基于這個方向的信噪比以及回波在自由空間損耗之后的信號強度,多個干擾機在一點產(chǎn)生的干擾效果基于功率進行疊加。干擾效果如圖3所示,左側(cè)白弧線為干擾機上的被動雷達探測范圍,黑色密實線為紅方雷達探測范圍,白色直線為探測線?？梢钥吹?，在紅方艦艇進入干擾機的被動傳感器探測范圍之后,干擾機激活,在其附近形成了條帶狀不可探測區(qū)域,此時紅方驅(qū)逐艦不具備藍方干擾機的目標(biāo)信息。
圖3 基本想定電子干擾情況
基本想定交戰(zhàn)結(jié)果顯示,電磁干擾有效地使蜂群靠近到距離目標(biāo)15 km處并首先發(fā)動了攻擊,之后目標(biāo)暴露,3架攻擊機被摧毀,3架偵察機被摧毀,但此時近防火箭彈彈藥耗盡,轉(zhuǎn)而使用防空導(dǎo)彈,未能有效攔截蜂群,在10 km處剩余的2架攻擊機再次進攻，摧毀了紅方驅(qū)逐艦。蜂群共損失6架無人機并摧毀目標(biāo)。
3.2 攻擊戰(zhàn)術(shù)仿真實驗
攻擊戰(zhàn)術(shù)主要研究無人機蜂群空間分布情況。
無人機蜂群的空間分布情況包含單體之間的分散程度、攻擊陣型、攻擊批次三個變量。數(shù)量因素即對每一個變量進行若干組試驗,每一組實驗進行五次重復(fù)實驗,更改隨機因子以消除偶然因素。在對每一個變量進行實驗時，控制其他變量與基本想定保持一致。
基本想定單體間距小于50 m,視作密集陣型,電子干擾所形成的通道寬度在800 m以內(nèi),區(qū)分單體間距200 m、400 m、600 m三種情況，研究分散程度在單體間距小于50 m的基礎(chǔ)上逐步增大對無人機蜂群反艦效能的影響;陣型實驗在基本想定的基礎(chǔ)上區(qū)分單側(cè)飽和攻擊、對側(cè)攻擊、環(huán)形攻擊;攻擊批次的實驗在基本想定的基礎(chǔ)上區(qū)分一批次、兩批次、三批次,其中每一批次都包含攻擊、偵察、電子干擾3種機型,批次之間間距15 km。
1)分散程度與反艦?zāi)芰ο嚓P(guān)性實驗
蜂群內(nèi)部單體間距對反艦?zāi)芰Φ挠绊懭绫?所示,單體間距200 m的情況下,陣型相比基本想定中的密集陣型更加分散,被發(fā)現(xiàn)的時間提前,在距離目標(biāo)21 km處，紅方驅(qū)逐艦近程火箭彈開火,損失3架攻擊機,隨后蜂群反擊,剩余2架攻擊型無人機對目標(biāo)發(fā)起攻擊,但由于X-61A最大設(shè)計飛行速度為0.8,在十幾千米外命中目標(biāo)需要數(shù)十秒,在此期間紅方驅(qū)逐艦又發(fā)射了全部12枚防空導(dǎo)彈,命中剩余2架攻擊機與3架偵察機。蜂群共計損失無人機8架并摧毀目標(biāo)。單體間距400 m情況下,蜂群在距離目標(biāo)30 km處被紅方驅(qū)逐艦發(fā)現(xiàn),5架攻擊機與3架偵察機被迅速摧毀,紅方驅(qū)逐艦消耗了所有彈藥,迅速摧毀了有威脅的目標(biāo)，保證了自身安全。單體間距600 m情況下,蜂群在距離目標(biāo)50 km處被紅方驅(qū)逐艦發(fā)現(xiàn),5架攻擊機與4架偵察機在距離目標(biāo)25 km～50 km之間被摧毀,紅方驅(qū)逐艦消耗所有彈藥并成功防御。
表2 蜂群內(nèi)部單體間距對反艦?zāi)芰Φ挠绊?/p>
分散程度對蜂群的反艦?zāi)芰τ休^大影響,當(dāng)蜂群較為密集時,整體被發(fā)現(xiàn)的時間更晚,便于蜂群抵近發(fā)起突襲。分散程度較高時，目標(biāo)太大,在較遠距離被發(fā)現(xiàn)并攔截,而此時目標(biāo)不在蜂群火力范圍內(nèi),難以遂行反艦作戰(zhàn)。這一現(xiàn)象說明,實驗所設(shè)置的分散程度都屬于集群探測一般意義上的密集分布,滿足仿真系統(tǒng)雷達回波疊加的條件,集群可探測性隨分散程度上升,集群分散程度越高時，越容易在多個連續(xù)分辨單元上產(chǎn)生回波疊加，易被識別為大型目標(biāo)從而暴露。
2)攻擊陣型與反艦?zāi)芰ο嚓P(guān)性實驗
基本想定是單側(cè)飽和攻擊,因此本節(jié)在基本想定的基礎(chǔ)上，再進行對側(cè)攻擊以及環(huán)形攻擊實驗。圖4與圖5分別對兩種陣型進行了說明。
圖4 對側(cè)攻擊陣型示意圖
圖5 環(huán)形攻擊陣型示意圖
對側(cè)攻擊東側(cè)兵力3架攻擊機、3架偵察機、2架電子干擾機,西側(cè)兵力2架攻擊機、2架偵察機、3架電子干擾機。最終東側(cè)8架全部被擊毀,西側(cè)由于電子干擾力量更強,在較近距離摧毀了紅方驅(qū)逐艦,共損失9架無人機。
環(huán)形攻擊將15架無人機分為5組,每組配置攻擊型、偵察型、電子戰(zhàn)型無人機各一架,最終損失所有5架攻擊機與5架偵察機,蜂群遭遇重創(chuàng)且紅方驅(qū)逐艦未被摧毀。攻擊陣型對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懭绫?所示。
表3 攻擊陣型對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊?/p>
從無人機蜂群攻擊陣型來看,攻擊陣型對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懸脖容^大,單側(cè)飽和攻擊運用集中兵力的思想,在一個方向充分發(fā)揮干擾效能、攻擊效能,以較低的成本完成反艦任務(wù)。
3)攻擊批次與反艦?zāi)芰ο嚓P(guān)性實驗
兩批次攻擊時，第一批2架攻擊機、2架偵察機、2架干擾機,剩余9架為第二批,最終第一批全部被摧毀,第二批損失一架攻擊機并摧毀目標(biāo),蜂群共損失7架無人機。
三批次攻擊時，第一批2架攻擊機、2架偵察機、2架干擾機,第二批1架攻擊機、1架偵察機、1架干擾機,剩余6架為第三批。交戰(zhàn)結(jié)果如表4所示,前兩批僅存活電子干擾機一架,最終摧毀目標(biāo)。
表4 攻擊批次對蜂群反艦?zāi)芰τ绊?/p>
攻擊批次的影響在仿真實驗中沒有充分體現(xiàn),因為仿真粒度較粗,不能體現(xiàn)對艦面設(shè)施的毀傷效果,目標(biāo)艦艇的狀態(tài)只有完好與被命中摧毀兩種狀態(tài),因此研究攻擊批次需要更細粒度的仿真。
3.3 編成結(jié)構(gòu)仿真實驗
編成結(jié)構(gòu)實驗包括蜂群機型比例實驗與蜂群無人機總數(shù)實驗?；诜淙寒悩?gòu)屬性,在基本想定的基礎(chǔ)上,改變各種力量的比例,攻擊、偵察、電子干擾的比例設(shè)為3∶1∶1、1∶3∶1、1∶1∶3,分別突出攻擊、偵察、電子戰(zhàn)能力，用于研究比例對蜂群反艦效能的影響。
實驗結(jié)果如表5所示,突出攻擊能力,攻擊、偵察、電子干擾的比例為3∶1∶1的情況下,損失7架攻擊機、摧毀紅方驅(qū)逐艦。突出偵察能力,攻擊、偵察、電子干擾的比例為1∶3∶1的情況下,損失3架攻擊機、6架偵察機,摧毀紅方驅(qū)逐艦。突出干擾能力,攻擊、偵察、電子干擾的比例為1∶1∶3的情況下,損失3架攻擊機、2架偵察機,2架電子干擾機,摧毀紅方驅(qū)逐艦。
表5 機型比例對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊?/p>
從無人機蜂群機型比例來看,各方面數(shù)量均衡是反艦成功并代價最小的,在偵察機與攻擊機組成的網(wǎng)絡(luò)中,偵察機探測的范圍決定了攻擊機開火的時機,在偵察機不受到敵艦電子干擾的情況下,偵察范圍與偵察機數(shù)量相關(guān)性不高,因此偵察機的數(shù)量增加并沒有帶來作戰(zhàn)效能的提升。增加干擾機的數(shù)量雖使紅方預(yù)警能力下降,但其余兩部雷達主頻與預(yù)警雷達不一致,對預(yù)警雷達的瞄準(zhǔn)式干擾不能使其致盲,因此總能在近距離發(fā)現(xiàn)蜂群。改變異構(gòu)蜂群編成比例有效保持了反艦?zāi)芰?預(yù)期在更加極端的作戰(zhàn)環(huán)境中,目標(biāo)防空火力強，探測能力強或隱蔽性高時,改變異構(gòu)蜂群比例將更有效地保持無人機蜂群反艦?zāi)芰Α?/p>
在機型比例的實驗中,各方面數(shù)量均衡是反艦成功并代價最小的,因此無人機蜂群總數(shù)的實驗保持1∶1∶1的機型比例,在15架的基礎(chǔ)上分別改變?yōu)?2、18、21、24、27、30架，以研究無人機總數(shù)對蜂群反艦效能的影響,實驗結(jié)果如表6所示。
表6 無人機總數(shù)對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊?/p>
蜂群無人機總數(shù)對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊戵w現(xiàn)在24架以內(nèi),說明在干擾機與攻擊機都達到8架的時候,蜂群對紅方預(yù)警雷達干擾效能實現(xiàn)最大化,同時攻擊機對紅方驅(qū)逐艦實現(xiàn)了飽和打擊,增加蜂群無人機數(shù)量將不能再提升反艦效能。
4 美無人機蜂群反艦實驗結(jié)論
分散程度對無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懼饕w現(xiàn)在被發(fā)現(xiàn)的距離,單體之間距離越小，越能抵近突襲。攻擊陣型的影響主要體現(xiàn)在電子干擾的效能,基本想定中強調(diào)了電子干擾的重要性,單側(cè)飽和攻擊時，集中了干擾能力，因此損失最低。攻擊批次對無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懖伙@著,因為對艦艇狀態(tài)的仿真粒度較粗,不能反映對艦面設(shè)施部分破壞的情況。編成結(jié)構(gòu)對無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懼饕w現(xiàn)在對作戰(zhàn)環(huán)境的適應(yīng)性,在極端作戰(zhàn)環(huán)境中，通過調(diào)整編成結(jié)構(gòu)，能很好地保持反艦?zāi)芰?同時蜂群機型比例保持1∶1∶1,在總數(shù)達到24架時，反艦效能達到了最大化。綜合五組實驗結(jié)果,X-61A無人機蜂群采取密集陣型,以均衡的異構(gòu)力量進行單側(cè)飽和攻擊,在總數(shù)24架時,犧牲5架無人機能摧毀目標(biāo)艦艇,代價較小。其中，X-61A單架成本70萬美元,如本文研究的小規(guī)模集群成本在2 000萬美元以內(nèi),加上攻擊型號所攜帶的戰(zhàn)斗部以及母機的投放成本,也不超過數(shù)千萬美元,X-61A的回收進一步降低了成本,而一艘驅(qū)逐艦的成本至少是數(shù)億美元,由此可見，無人蜂群反艦效費比很高。
5 結(jié)束語
本文從無人機蜂群的概念與特點出發(fā),從作戰(zhàn)理論層面闡述了無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懸蛩?之后設(shè)計仿真實驗對這些因素進行了分析,給出了較為可信的結(jié)論。隨著美軍“馬賽克戰(zhàn)”思想的成熟與更復(fù)雜的無人機蜂群攻防戰(zhàn)術(shù)的產(chǎn)生,以X-61A為代表的無人機蜂群反艦?zāi)芰⑦M一步提升,通過仿真手段對其反艦?zāi)芰M行定量分析十分必要,智能自主的蜂群指控手段與更加多樣的異構(gòu)無人機類型將對仿真研究提出新的挑戰(zhàn)。本文對艦艇狀態(tài)的仿真粒度較粗,將來使用更底層的仿真手段展開更系統(tǒng)的仿真研究，會進一步提升無人機蜂群反艦?zāi)芰Ψ治龅目尚判浴?/p>
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程城人,楊鏡宇
(國防大學(xué)聯(lián)合作戰(zhàn)學(xué)院,北京 100091)
無人機蜂群是指大量的小型、低成本無人機形成集群,集群編隊飛行，自主控制，規(guī)劃航路,具有態(tài)勢感知能力以及編隊內(nèi)部無線通信能力,通過智能算法實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)。
無人機蜂群通過飽和攻擊突破單艘宙斯盾艦的研究,無人機蜂群突破航母編隊多層防空體系的研究都證明了無人機蜂群具有反艦?zāi)芰?。目前，國?nèi)對無人機蜂群的研究主要集中在路徑規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同機制等算法層面,沒有對美軍的無人機蜂群能力進行對抗分析,研究美無人機蜂群對抗條件下的作戰(zhàn)能力生成機制具有前瞻意義。
本文在分析無人機蜂群特點與美無人機蜂群發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出了影響無人機蜂群反艦作戰(zhàn)的關(guān)鍵影響因素,并以這些影響因素為研究對象,在仿真環(huán)境中進行實驗分析,給出了戰(zhàn)術(shù)、編成結(jié)構(gòu)等因素對X-61A無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊憴C制。
1 美無人機蜂群特點與現(xiàn)狀
1.1 無人機蜂群特點
無人機蜂群最大的特點是低成本,相比于擁有多套系統(tǒng)的傳統(tǒng)大型空中平臺,其體積更小,功能更為單一,單體遭遇打擊損失更小。無人機蜂群具有自主性,蜂群脫離母機之后在蜂群內(nèi)部完成決策,不依賴遠程指控。無人機蜂群還具有自適應(yīng)性,因為存在大量的異構(gòu)平臺,當(dāng)其中一部分平臺損失之后,殺傷鏈會迅速重構(gòu),網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連通度不會明顯下降,減少了對蜂群能力的影響。
1.2 無人機蜂群發(fā)展現(xiàn)狀
2012年,美國海軍以單艘“伯克”驅(qū)逐艦為對象,使用作戰(zhàn)仿真手段驗證了無人機蜂群的反艦作戰(zhàn)能力,結(jié)果顯示無人機蜂群對宙斯盾系統(tǒng)突防能力較高,在“伯克”驅(qū)逐艦使用更高級的傳感器與武器系統(tǒng)之后，最多也僅能攔截7架無人機。由于無人機蜂群強大的反艦?zāi)芰?美軍后續(xù)對無人機蜂群的研究與采辦持續(xù)展開,比較知名的項目有拒止環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)計劃 (CODE)、進攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)項目 (OFFSET) 、“灰山鶉”項目、“小精靈”項目等。其中，CODE旨在通過開發(fā)算法和軟件來克服大量無人機遠程指控與協(xié)同的挑戰(zhàn),目標(biāo)是提高美軍在拒止環(huán)境或有爭議空域進行作戰(zhàn)的能力;OFFSET項目主要是形成蜂群的集群戰(zhàn)術(shù)、蜂群之間的戰(zhàn)術(shù)交互以及蜂群與人的戰(zhàn)術(shù)交互能力;“灰山鶉”項目旨在開發(fā)微型可消耗的低成本無人機，為有人機以及大型無人機提供偵察指控信息;“小精靈”項目旨在通過空中發(fā)射與回收可重復(fù)利用的無人機蜂群，來支撐分布式作戰(zhàn)概念。這些項目的推動使得無人機蜂群的殺傷能力與復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力進一步提升。
其中，最成熟的項目是“小精靈”無人機,2018年“小精靈”項目開啟了第三階段演示驗證,2019年美空軍將“小精靈”無人機命名為X-61A,X-61A的基本開發(fā)理念是低成本分布式作戰(zhàn),設(shè)計最大航程可以達到500 n mile,作戰(zhàn)半徑300 n mile，飛行速度最大0.8。2020年春,由C-130平臺作為母機進行投放試飛,2021年10月,經(jīng)過多次失敗之后,DARPA成功進行了X-61A回收試驗,將一架X-61A回收到C-130機艙。之后美軍使用兵棋推演驗證了X-61A的海上作戰(zhàn)能力。
2020年,蘭德公司發(fā)布了《在對抗環(huán)境中運用低成本可消耗無人機》的報告,該報告以數(shù)百架無人機在10 000平方千米內(nèi)對1 550艘兩棲登陸艦遂行偵察瞄準(zhǔn)，“捕鯨叉”反艦導(dǎo)彈遂行打擊為想定背景,進行了推演驗證,無人機集群態(tài)勢共享,使用智能算法自主決策,因此具有較強的抗干擾能力。推演結(jié)果顯示,在大規(guī)模反艦作戰(zhàn)中,使用衛(wèi)星與防區(qū)外偵察機提供目指遂行打擊，是使用無人機集群提供目指遂行打擊所需導(dǎo)彈數(shù)量的10倍,無人機集群的使用大大提升了打擊效能。報告將無人機集群的作用定位在偵察與瞄準(zhǔn),進行的推演屬于驗證性推演,對電磁對抗與集群決策仿真的重點關(guān)注是具有啟發(fā)性的,而本文研究的對象是無人機組網(wǎng)協(xié)同反艦,無人機具備打擊能力,集群自身能夠完成殺傷鏈閉合,同時本文進行的推演屬于探索性實驗,重點研究無人機蜂群反艦效能的影響因素。
2 無人機蜂群反艦關(guān)鍵影響因素
無人機蜂群反艦的關(guān)鍵影響因素主要集中在自身的指控、戰(zhàn)術(shù)、結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)的防空力量。
2.1 指控因素
無人機蜂群指控主要分集中式、分布式、智能自主等,X-61A項目基本開發(fā)理念是低成本分布式作戰(zhàn),集中指控條件下中心節(jié)點被毀往往會造成蜂群癱瘓,不符合低成本可回收的設(shè)計理念,而智能自主的集群控制技術(shù)在X-61A項目中沒有得到演示驗證,因此當(dāng)前階段研究X-61A蜂群以分布式指控對其進行建模比較合理。
2.2 戰(zhàn)術(shù)因素
無人機蜂群戰(zhàn)術(shù)主要包括投放距離、空間分散程度、攻擊陣型等方面。投放距離太小可能造成母機被毀，太遠可能超過蜂群的作戰(zhàn)半徑;空間分布緊湊會造成對抗中遭遇集火打擊,空間上太分散又存在通信安全與協(xié)同問題;攻擊陣型可多批次逐步瓦解目標(biāo)防空能力,可單側(cè)飽和攻擊,也可多方向造成目標(biāo)決策困境。陸曉安等人在無人機集群飽和攻擊策略的研究中指出,無人機蜂群難以單獨打擊具有高價值高密度防空火力的目標(biāo),因此設(shè)計了潛行抵近、合圍等待、突防打擊三個階段的戰(zhàn)術(shù)行動,并用仿真實驗驗證了作戰(zhàn)效果,認(rèn)為一架無人機突防即可將目標(biāo)摧毀,其中合圍等待階段的陣型為環(huán)形攻擊陣型。由此認(rèn)為設(shè)計攻擊戰(zhàn)術(shù)可以提升蜂群反艦?zāi)芰Α?/p>
2.3 結(jié)構(gòu)因素
無人機蜂群結(jié)構(gòu)因素主要是基于“馬賽克戰(zhàn)”思想,對蜂群進行異構(gòu)平臺比例控制。目前對于“馬賽克戰(zhàn)”所設(shè)計的經(jīng)典場景是以無人機蜂群進行驗證,而“馬賽克戰(zhàn)”的核心思想就是平臺異構(gòu)、快速重組,X-61A包括打擊、偵察、電子干擾三種機型,通過通信組網(wǎng)與分布式指控,以異構(gòu)平臺實現(xiàn)蜂群系統(tǒng)快速重組的自適應(yīng)性。異構(gòu)平臺數(shù)量不同的比值會通過影響各個殺傷環(huán)節(jié)的效能而最終影響蜂群整體的反艦?zāi)芰Α＠畲簌i等人所設(shè)想的“馬賽克戰(zhàn)”對海打擊經(jīng)典場景中,采取了有人無人相結(jié)合,以無人集群為主體完成對海打擊,有人平臺包括E-2D、F-35、C-130,無人平臺包括“小精靈”打擊型、偵察型、電子戰(zhàn)型以及武庫機,設(shè)計了強對抗、弱對抗、無對抗三個交戰(zhàn)區(qū)域,構(gòu)想了全域感知、占據(jù)陣位、無人主戰(zhàn)、動態(tài)重組、協(xié)同交戰(zhàn)五個階段,其編成結(jié)構(gòu)傾向于多使用攻擊型無人機,但均衡的異構(gòu)力量或者突出偵察與干擾能力也有可能以較小代價達成反艦?zāi)繕?biāo)。
2.4 艦艇防空力量
目標(biāo)艦艇的防空力量包括偵察與打擊兩個方面。目標(biāo)艦艇的偵察預(yù)警能力主要包括防空反導(dǎo)雷達對飛行高度較高的空中目標(biāo)的探測，對海偵察雷達對低空與海上目標(biāo)的探測以及聲吶系統(tǒng)對水下目標(biāo)的探測。無人機從高空投放,逐步抵近目標(biāo)的過程中,其反射的雷達信號越來越強,被探測發(fā)現(xiàn)的概率上升,目標(biāo)艦艇的偵察能力決定了特定無人機集群是否能抵近發(fā)起攻擊。而另一方面,采用隱身設(shè)計的無人機會縮小雷達截面積,無人機蜂群中電子干擾機的使用會減少目標(biāo)艦艇雷達接收機中的可用信號,這都會使得目標(biāo)艦艇相對于無人機的偵察能力下降,從而便于集群抵近發(fā)起攻擊。
目前對于小型無人機的打擊主要依賴電子干擾、艦炮、近程防空導(dǎo)彈。目標(biāo)區(qū)域防空半徑較大時,中遠程防空導(dǎo)彈可能威脅到母機而使得無人機蜂群無法投放。在閆海港等人對海上反無人機蜂群作戰(zhàn)概念的研究中,提出反無人機蜂群作戰(zhàn)有以下四個手段:一是搗毀蜂巢，破壞遠程控制無線電鏈路，實現(xiàn)區(qū)域據(jù)止;二是電子干擾、控制劫持、雷達誘餌實現(xiàn)軟對抗防御;三是高功率微波殺傷，蜂群反蜂群，大半徑防空彈殺傷，網(wǎng)捕攔截實現(xiàn)面殺傷防御;四是利用艦炮、定向能、電磁炮等實現(xiàn)精準(zhǔn)的點殺傷防御。上述反無人機手段集中在5 km以內(nèi)或更近的距離,在仿真預(yù)實驗中交戰(zhàn)基本在10 km以外完成,因此不對近距離反無人機手段進行細粒度仿真。
3 美無人機蜂群反艦仿真實驗
本文所使用的實驗方法是聯(lián)合作戰(zhàn)體系仿真試驗床方法,該方法采用人不在回路的仿真系統(tǒng),可以進行高效的探索性實驗,從裝備層級到戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)役層級的仿真都十分成功,在聯(lián)合作戰(zhàn)能力評估、新質(zhì)作戰(zhàn)力量評估、作戰(zhàn)體系彈性評估等作戰(zhàn)仿真領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。平臺分為仿真想定設(shè)計、實驗運行以及仿真分析三個模塊。仿真想定設(shè)計基于每個作戰(zhàn)單元及其要素的物理模型,在三維空間對仿真對象的實體、行為、交互進行建模,在運行階段,支持更改隨機數(shù)的自動化多重循環(huán)實驗以消除偶然因素,擁有完整的分析工具,可以針對交戰(zhàn)過程梳理出完整的殺傷鏈,生成探測、瞄準(zhǔn)、毀傷等各個階段的詳細報表,并支持可視化的回溯分析以尋找特定事件發(fā)生的因果鏈。
仿真實驗首先確定一個基本的想定,在基本想定的基礎(chǔ)上針對不同的戰(zhàn)術(shù)與編成分別構(gòu)建不同的場景。主要有四組實驗：分散程度、攻擊陣型、攻擊批次、編成結(jié)構(gòu),其中前三組都屬于攻擊戰(zhàn)術(shù)實驗。每個實驗變量設(shè)置不同的取值,將其對應(yīng)的實驗結(jié)果與基本想定的實驗結(jié)果進行比較,得出該實驗變量對于無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊?并對其影響機制進行分析。
3.1 基本想定
2017年，DARPA針對“小精靈”項目，提出了分布式空中作戰(zhàn)運用的作戰(zhàn)構(gòu)想,基本內(nèi)容是C-130在目標(biāo)防區(qū)外釋放偵察與干擾類型的無人機,以蜂群的形式對目標(biāo)進行探測與干擾,并與攻擊型無人機或F-35進行通信引導(dǎo)打擊,如圖1所示。
圖1 DARPA提出的小精靈作戰(zhàn)構(gòu)想
在DARPA“小精靈”作戰(zhàn)構(gòu)想的基礎(chǔ)上,本文為研究無人蜂群反艦?zāi)芰?將具有威脅的目標(biāo)設(shè)置為紅方驅(qū)逐艦,作戰(zhàn)空間仍為原構(gòu)想中的瀕海地區(qū)。紅方驅(qū)逐艦獨立遂行防空任務(wù),不考慮友鄰部隊支援,配置防空導(dǎo)彈12枚,10枚近程防空火箭彈,艦炮兩座,預(yù)警、跟蹤、火控雷達共3臺。藍方C-130攜帶X-61A共15架,有攻擊型、偵察型、電子戰(zhàn)型3種機型,在C-130投放之后，這15架X-61A組成無人機蜂群脫離母機指控獨立遂行反艦作戰(zhàn)。其中攻擊型只配備作戰(zhàn)部與通信裝備,偵察型配備主動、被動兩種型號雷達及通信裝備,電子戰(zhàn)型配備干擾機以及被動傳感器。其中偵察型與攻擊型之間設(shè)置N-to-N通信網(wǎng)絡(luò)。實驗參數(shù)如表1所示,表格中的參數(shù)均為根據(jù)公開渠道的052C驅(qū)逐艦和“小精靈”無人機參數(shù)推算得出。
表1 紅藍雙方裝備性能參數(shù)
基本想定是15架X61-A在距離目標(biāo)300 km脫離C-130,采用單體空間距離小于50 m的密集陣型對目標(biāo)進行飽和攻擊，如圖2所示。
圖2 C-130投放“小精靈”場景示意
紅方雷達探測效果與藍方電子干擾效果是本實驗有效性的重要保證,因此對兩者的部分仿真原理進行說明。
雷達對無人機集群進行探測時滿足回波疊加的原理。當(dāng)無人機集群較為分散時,由于單架無人機雷達截面較小,難以從背景雜波中分辨。而無人機集群較為密集時,空間接近的多架無人機回波可能被連續(xù)的多個分辨單元接收，從而將分散的點狀目標(biāo)識別為大型的擴展目標(biāo),并且目標(biāo)的回波強度是點目標(biāo)回波強度的疊加。但這種關(guān)系并不是簡單的負相關(guān),從極限推理的角度,當(dāng)集群無限密集就將完全重合，而在雷達中只顯示一個點目標(biāo)的回波,因此分散程度從零開始增大時,集群可探測性是先上升后降低的。
電子干擾的手段采用噪聲干擾,噪聲干擾一般包括瞄準(zhǔn)式、阻塞式、掃頻式,實驗中采取瞄準(zhǔn)式,藍方干擾機的主頻與紅方驅(qū)逐艦預(yù)警雷達主頻一致,干擾的帶寬范圍為主頻附近100兆。干擾波束采用最一般的射頻噪聲干擾,原理如下
()=()cos(+)
(1)
其中，()為干擾信號,服從正態(tài)分布,()為服從瑞利分布的包絡(luò)函數(shù),為載頻常數(shù),為服從均勻分布的相位函數(shù),由此控制產(chǎn)生一個頻域上近似方窗的干擾信號。
一般評估干擾是否有效的準(zhǔn)則為信息損失準(zhǔn)則、功率準(zhǔn)則、戰(zhàn)術(shù)運用準(zhǔn)則,本文使用的仿真系統(tǒng)采取功率準(zhǔn)則,雷達是否能夠探測到某個方向的目標(biāo)基于這個方向的信噪比以及回波在自由空間損耗之后的信號強度,多個干擾機在一點產(chǎn)生的干擾效果基于功率進行疊加。干擾效果如圖3所示,左側(cè)白弧線為干擾機上的被動雷達探測范圍,黑色密實線為紅方雷達探測范圍,白色直線為探測線?？梢钥吹?，在紅方艦艇進入干擾機的被動傳感器探測范圍之后,干擾機激活,在其附近形成了條帶狀不可探測區(qū)域,此時紅方驅(qū)逐艦不具備藍方干擾機的目標(biāo)信息。
圖3 基本想定電子干擾情況
基本想定交戰(zhàn)結(jié)果顯示,電磁干擾有效地使蜂群靠近到距離目標(biāo)15 km處并首先發(fā)動了攻擊,之后目標(biāo)暴露,3架攻擊機被摧毀,3架偵察機被摧毀,但此時近防火箭彈彈藥耗盡,轉(zhuǎn)而使用防空導(dǎo)彈,未能有效攔截蜂群,在10 km處剩余的2架攻擊機再次進攻，摧毀了紅方驅(qū)逐艦。蜂群共損失6架無人機并摧毀目標(biāo)。
3.2 攻擊戰(zhàn)術(shù)仿真實驗
攻擊戰(zhàn)術(shù)主要研究無人機蜂群空間分布情況。
無人機蜂群的空間分布情況包含單體之間的分散程度、攻擊陣型、攻擊批次三個變量。數(shù)量因素即對每一個變量進行若干組試驗,每一組實驗進行五次重復(fù)實驗,更改隨機因子以消除偶然因素。在對每一個變量進行實驗時，控制其他變量與基本想定保持一致。
基本想定單體間距小于50 m,視作密集陣型,電子干擾所形成的通道寬度在800 m以內(nèi),區(qū)分單體間距200 m、400 m、600 m三種情況，研究分散程度在單體間距小于50 m的基礎(chǔ)上逐步增大對無人機蜂群反艦效能的影響;陣型實驗在基本想定的基礎(chǔ)上區(qū)分單側(cè)飽和攻擊、對側(cè)攻擊、環(huán)形攻擊;攻擊批次的實驗在基本想定的基礎(chǔ)上區(qū)分一批次、兩批次、三批次,其中每一批次都包含攻擊、偵察、電子干擾3種機型,批次之間間距15 km。
1)分散程度與反艦?zāi)芰ο嚓P(guān)性實驗
蜂群內(nèi)部單體間距對反艦?zāi)芰Φ挠绊懭绫?所示,單體間距200 m的情況下,陣型相比基本想定中的密集陣型更加分散,被發(fā)現(xiàn)的時間提前,在距離目標(biāo)21 km處，紅方驅(qū)逐艦近程火箭彈開火,損失3架攻擊機,隨后蜂群反擊,剩余2架攻擊型無人機對目標(biāo)發(fā)起攻擊,但由于X-61A最大設(shè)計飛行速度為0.8,在十幾千米外命中目標(biāo)需要數(shù)十秒,在此期間紅方驅(qū)逐艦又發(fā)射了全部12枚防空導(dǎo)彈,命中剩余2架攻擊機與3架偵察機。蜂群共計損失無人機8架并摧毀目標(biāo)。單體間距400 m情況下,蜂群在距離目標(biāo)30 km處被紅方驅(qū)逐艦發(fā)現(xiàn),5架攻擊機與3架偵察機被迅速摧毀,紅方驅(qū)逐艦消耗了所有彈藥,迅速摧毀了有威脅的目標(biāo)，保證了自身安全。單體間距600 m情況下,蜂群在距離目標(biāo)50 km處被紅方驅(qū)逐艦發(fā)現(xiàn),5架攻擊機與4架偵察機在距離目標(biāo)25 km～50 km之間被摧毀,紅方驅(qū)逐艦消耗所有彈藥并成功防御。
表2 蜂群內(nèi)部單體間距對反艦?zāi)芰Φ挠绊?/p>
分散程度對蜂群的反艦?zāi)芰τ休^大影響,當(dāng)蜂群較為密集時,整體被發(fā)現(xiàn)的時間更晚,便于蜂群抵近發(fā)起突襲。分散程度較高時，目標(biāo)太大,在較遠距離被發(fā)現(xiàn)并攔截,而此時目標(biāo)不在蜂群火力范圍內(nèi),難以遂行反艦作戰(zhàn)。這一現(xiàn)象說明,實驗所設(shè)置的分散程度都屬于集群探測一般意義上的密集分布,滿足仿真系統(tǒng)雷達回波疊加的條件,集群可探測性隨分散程度上升,集群分散程度越高時，越容易在多個連續(xù)分辨單元上產(chǎn)生回波疊加，易被識別為大型目標(biāo)從而暴露。
2)攻擊陣型與反艦?zāi)芰ο嚓P(guān)性實驗
基本想定是單側(cè)飽和攻擊,因此本節(jié)在基本想定的基礎(chǔ)上，再進行對側(cè)攻擊以及環(huán)形攻擊實驗。圖4與圖5分別對兩種陣型進行了說明。
圖4 對側(cè)攻擊陣型示意圖
圖5 環(huán)形攻擊陣型示意圖
對側(cè)攻擊東側(cè)兵力3架攻擊機、3架偵察機、2架電子干擾機,西側(cè)兵力2架攻擊機、2架偵察機、3架電子干擾機。最終東側(cè)8架全部被擊毀,西側(cè)由于電子干擾力量更強,在較近距離摧毀了紅方驅(qū)逐艦,共損失9架無人機。
環(huán)形攻擊將15架無人機分為5組,每組配置攻擊型、偵察型、電子戰(zhàn)型無人機各一架,最終損失所有5架攻擊機與5架偵察機,蜂群遭遇重創(chuàng)且紅方驅(qū)逐艦未被摧毀。攻擊陣型對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懭绫?所示。
表3 攻擊陣型對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊?/p>
從無人機蜂群攻擊陣型來看,攻擊陣型對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懸脖容^大,單側(cè)飽和攻擊運用集中兵力的思想,在一個方向充分發(fā)揮干擾效能、攻擊效能,以較低的成本完成反艦任務(wù)。
3)攻擊批次與反艦?zāi)芰ο嚓P(guān)性實驗
兩批次攻擊時，第一批2架攻擊機、2架偵察機、2架干擾機,剩余9架為第二批,最終第一批全部被摧毀,第二批損失一架攻擊機并摧毀目標(biāo),蜂群共損失7架無人機。
三批次攻擊時，第一批2架攻擊機、2架偵察機、2架干擾機,第二批1架攻擊機、1架偵察機、1架干擾機,剩余6架為第三批。交戰(zhàn)結(jié)果如表4所示,前兩批僅存活電子干擾機一架,最終摧毀目標(biāo)。
表4 攻擊批次對蜂群反艦?zāi)芰τ绊?/p>
攻擊批次的影響在仿真實驗中沒有充分體現(xiàn),因為仿真粒度較粗,不能體現(xiàn)對艦面設(shè)施的毀傷效果,目標(biāo)艦艇的狀態(tài)只有完好與被命中摧毀兩種狀態(tài),因此研究攻擊批次需要更細粒度的仿真。
3.3 編成結(jié)構(gòu)仿真實驗
編成結(jié)構(gòu)實驗包括蜂群機型比例實驗與蜂群無人機總數(shù)實驗?；诜淙寒悩?gòu)屬性,在基本想定的基礎(chǔ)上,改變各種力量的比例,攻擊、偵察、電子干擾的比例設(shè)為3∶1∶1、1∶3∶1、1∶1∶3,分別突出攻擊、偵察、電子戰(zhàn)能力，用于研究比例對蜂群反艦效能的影響。
實驗結(jié)果如表5所示,突出攻擊能力,攻擊、偵察、電子干擾的比例為3∶1∶1的情況下,損失7架攻擊機、摧毀紅方驅(qū)逐艦。突出偵察能力,攻擊、偵察、電子干擾的比例為1∶3∶1的情況下,損失3架攻擊機、6架偵察機,摧毀紅方驅(qū)逐艦。突出干擾能力,攻擊、偵察、電子干擾的比例為1∶1∶3的情況下,損失3架攻擊機、2架偵察機,2架電子干擾機,摧毀紅方驅(qū)逐艦。
表5 機型比例對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊?/p>
從無人機蜂群機型比例來看,各方面數(shù)量均衡是反艦成功并代價最小的,在偵察機與攻擊機組成的網(wǎng)絡(luò)中,偵察機探測的范圍決定了攻擊機開火的時機,在偵察機不受到敵艦電子干擾的情況下,偵察范圍與偵察機數(shù)量相關(guān)性不高,因此偵察機的數(shù)量增加并沒有帶來作戰(zhàn)效能的提升。增加干擾機的數(shù)量雖使紅方預(yù)警能力下降,但其余兩部雷達主頻與預(yù)警雷達不一致,對預(yù)警雷達的瞄準(zhǔn)式干擾不能使其致盲,因此總能在近距離發(fā)現(xiàn)蜂群。改變異構(gòu)蜂群編成比例有效保持了反艦?zāi)芰?預(yù)期在更加極端的作戰(zhàn)環(huán)境中,目標(biāo)防空火力強，探測能力強或隱蔽性高時,改變異構(gòu)蜂群比例將更有效地保持無人機蜂群反艦?zāi)芰Α?/p>
在機型比例的實驗中,各方面數(shù)量均衡是反艦成功并代價最小的,因此無人機蜂群總數(shù)的實驗保持1∶1∶1的機型比例,在15架的基礎(chǔ)上分別改變?yōu)?2、18、21、24、27、30架，以研究無人機總數(shù)對蜂群反艦效能的影響,實驗結(jié)果如表6所示。
表6 無人機總數(shù)對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊?/p>
蜂群無人機總數(shù)對蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊戵w現(xiàn)在24架以內(nèi),說明在干擾機與攻擊機都達到8架的時候,蜂群對紅方預(yù)警雷達干擾效能實現(xiàn)最大化,同時攻擊機對紅方驅(qū)逐艦實現(xiàn)了飽和打擊,增加蜂群無人機數(shù)量將不能再提升反艦效能。
4 美無人機蜂群反艦實驗結(jié)論
分散程度對無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懼饕w現(xiàn)在被發(fā)現(xiàn)的距離,單體之間距離越小，越能抵近突襲。攻擊陣型的影響主要體現(xiàn)在電子干擾的效能,基本想定中強調(diào)了電子干擾的重要性,單側(cè)飽和攻擊時，集中了干擾能力，因此損失最低。攻擊批次對無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懖伙@著,因為對艦艇狀態(tài)的仿真粒度較粗,不能反映對艦面設(shè)施部分破壞的情況。編成結(jié)構(gòu)對無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懼饕w現(xiàn)在對作戰(zhàn)環(huán)境的適應(yīng)性,在極端作戰(zhàn)環(huán)境中，通過調(diào)整編成結(jié)構(gòu)，能很好地保持反艦?zāi)芰?同時蜂群機型比例保持1∶1∶1,在總數(shù)達到24架時，反艦效能達到了最大化。綜合五組實驗結(jié)果,X-61A無人機蜂群采取密集陣型,以均衡的異構(gòu)力量進行單側(cè)飽和攻擊,在總數(shù)24架時,犧牲5架無人機能摧毀目標(biāo)艦艇,代價較小。其中，X-61A單架成本70萬美元,如本文研究的小規(guī)模集群成本在2 000萬美元以內(nèi),加上攻擊型號所攜帶的戰(zhàn)斗部以及母機的投放成本,也不超過數(shù)千萬美元,X-61A的回收進一步降低了成本,而一艘驅(qū)逐艦的成本至少是數(shù)億美元,由此可見，無人蜂群反艦效費比很高。
5 結(jié)束語
本文從無人機蜂群的概念與特點出發(fā),從作戰(zhàn)理論層面闡述了無人機蜂群反艦?zāi)芰Φ挠绊懸蛩?之后設(shè)計仿真實驗對這些因素進行了分析,給出了較為可信的結(jié)論。隨著美軍“馬賽克戰(zhàn)”思想的成熟與更復(fù)雜的無人機蜂群攻防戰(zhàn)術(shù)的產(chǎn)生,以X-61A為代表的無人機蜂群反艦?zāi)芰⑦M一步提升,通過仿真手段對其反艦?zāi)芰M行定量分析十分必要,智能自主的蜂群指控手段與更加多樣的異構(gòu)無人機類型將對仿真研究提出新的挑戰(zhàn)。本文對艦艇狀態(tài)的仿真粒度較粗,將來使用更底層的仿真手段展開更系統(tǒng)的仿真研究，會進一步提升無人機蜂群反艦?zāi)芰Ψ治龅目尚判浴?/p>
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