无人机集群作战及其关键技术

张健 曲浩 丁兴志 王斌

无人机集群作战是一种可能改变未来战场规则的新型作战概念。本文探讨了无人机集群作战使用模式，总结了近年来美国在无人机集群作战领域的研究进展，论述了无人机集群作战主要关键技术，指出无人机集群作战未来发展方向。

无人机具有零人员伤亡、持续作战能力强、任务功能多样化等优点，更适合执行枯燥、肮脏和危险的任务。为了应对体系化、信息化，强对抗的未来战场环境，无人机作战样式开始从“单机”向集群（Swarm，也称为“蜂群”）方向发展。大中型空中平台运载并投放大量无人机，组成无人机集群，机群自主协同，通过飞行控制、态势感知、目标分配和智能决策，依靠集群应对瞬息万变的战场环境，通过能力互补和行动协调，实现单架无人机能力扩展以及集群整体作战效能的提升。

无人机集群作战概念

美国人洛克·范姆2012年发表的《无人机蜂群攻击》一文对无人机集群作战概念进行了深入论证。这篇文章假定了一种典型战场环境：在常规气象条件下，美海军一艘驱逐舰被5～]O架从各个方向飞来的无人机攻击，这些无人机全部由货架产品组装而成，受附近一艘渔船遥控。指出即便是美国海军“宙斯盾”系统，在应对无人机集群攻击时也显得力不从心，而这一令人大跌眼镜的结论也得到美国海军数百次的模拟作战试验结果支持。试验中，当由8架无人机组成的集群进行攻击时，平均有2.8架无人机能够避开拦截。即使对舰载防空系统进行技术升级，仍有至少1架无人机能够避开拦截。上述结论还只是针对8架无人机组成的集群，如果无人机数量增加到30架甚至上百架，结果可想而知。

由此可见，无人机集群能实现对重要目标的大范围防御，同时支持从多个方向突防和战场机动性对抗，能在关键时刻和位置形成数量上的优势。无论是防御还是进攻，都能发挥意想不到的效果。

无人机集群作战模式

集群的本质是自主化组网的无人机群，在统一指挥下通过协同工作执行复杂的任务。无人机群是集群战术的基础，通信网络是集群战术的纽带，无人机群通过网络通信协议，不仅能够实时分享个体通过自身传感器获得的局部信息，而且能够及时获取作战体系中其它途径获得的信息，同时监控每个无人机个体和整个“机群”的健康状况，迅速根据战场态势演变，通过自主化决策或外部干预，及时调整集群的作战部署和个体的任务分配。

执行察打任务协同

无人机集群可以用于探测目标，协同执行侦察或攻击任务。该任务可以局限于某一特定区域内，通过提供交互式指挥和控制功能，协同完成空中截击、探测和打击目标、减小附加损失、提供即时的损伤评估（图1）。无人机集群可以执行打击协同和侦察任务，不但有效提高载机的生存力，而且能够有效实施对联合防空系统的渗透。不同于常规的攻击或侦察飞机，蜂群可以作为有人或无人控制的突击队，其可执行的任务包括：定位、校核、穿插识别移动目标、目标排序、更新目标等。

压制/破坏防御系统

无人机非常适合执行压制/破坏敌防御系统任务，它可以破坏防空体系，如指挥控制设施、雷达站和地对空导弹发射装置，而不用付出飞行员的伤亡代价。无人机集群能够对敌防空系统实施饱和化攻击，或吸引敌防空系统的注意力，增加任务成功率并减少已方伤亡。而提前定位，全副武装的网络化无人机集群可以不用预先探测就瘫痪敌防空体系。完成上述任务，要求无人机机群具有以下基本性能：配备武器、高亚音速飞行性能、足够的航程、传感器能在各种气象条件和多种地域内探测、多平台协同控制会进一步简化搜索和完成任务。下图2是美国国防部预研局设想的一种作战场景：通过大型运载平台，在防区外投放无人机群，无人机群在高威胁环境下对敌防空体系实施空中打击。

充当诱饵

由于低成本和低的战场风险，无人机集群适合扮演诱饵角色，集群中的无人机可以发射雷达波、紅外线或其它信号欺骗对手，使其将注意力放在主要任务之外的地方。例如集群可以通过组合排列形成相似的信号，从而掩护重要的目标。另外，可以一部分承担诱饵任务，另一部分执行对敌目标的攻击和杀伤。构建通信网络

随着现代信息环境的迅速发展，获得详细的战场态势对于战场指挥而言越来越重要。从数量巨大的无人机上获得的图像和视频不仅有助于迅速作出重大决策，而且从成本和风险的角度来看都更有利。在战场环境下，从无人机上获得的信息可以使用指挥官更准确地把握战场态势和未来演变，采取更为有利的行动。

随着电子探测系统、接口程序设计、适应性通信协议、自组网和自修复网络技术的发展，多平台多传感器的无人机网络更促进了无人机集群作战的成熟。机载层次化网络支技多种多样的传感器数据类型，可以快速形成敌对环境下的复杂战场态势图（图3），从而能够支持执行多种任务：如边境保护、持续侦察、桥梁和管线的监控等等。

执行反无人机任务

常规反无人机方法包括摧毁发射平台、伪装欺骗、电磁干扰、直接火力打击等，目前，世界各国除了采用传统防空武器系统执行反无人机任务外，还大力开展通过电子战、网络战、无人机、激光武器等技术执行反无人机任务的研究。当采用集群战术的大编队无人机群来袭时，大型无人机容易发现、定位和跟踪，但对于数量庞大的中小型无人机，留给防御系统的反应时间极短，探测和防范成为日益突出的问题，因此反无人机技术需求日益迫切。事实证明，能对抗无人机集群的战术很可能只能是无人机集群，也就是通过更加严密的无人机集群网络，实现对无人机集群的对抗，见图4。2016年5月，美国特种作战司令部科学和技术部门负责人在国防工业协会主办的特种作战部队行业会议上称，特种作战司令部正在寻求无人系统的集群和自主能力以抵御集群攻击。另外，反无人机武器也可能安装在无人机上，使得无人机集群成为反无人机的利器。

无人机集群战术研究现状

美国将无人机集群作为一个重要发展方向，在美国国防部统一领导下，国防部预研局（ DARPA）、美国战略能力办公室（SCO），以及美国空、海军分别启动了多个项目研究。这些项目在功能上相互独立，各有侧重，在体系上又互为补充。

“小精灵”（Gremlins）项目

2015年8月，美国国防部预研局在前期工作基础上发布启动“小精灵”项目（图4）。该项目的目标是研究一型低成本无人机，以鲁棒、低成本、可快速替代的方式搭载情报、监视、侦察等传感器模块和非动能有效载荷，同时开发一个无人机发射和回收装置，使得未来的作战飞机可以快速部署廉价、可重复使用的无人机集群，支撑美军为着眼大国对抗而聚焦发展的分布式空中作战概念。

“小精灵”项目的研究周期为4年左右，分成3个研究阶段。第1阶段从项目启动到2017财年第1季度，选出4家承包商设计“小精灵”验证系统、制定技术成熟计划；第2阶段计划从2017财年第]季度至2018财年第3季度，选出2家承包商进一步开展技术成熟工作，并进行系统初步设计和风险降低验证；第3阶段计划从2018财年第3季度持续至2020财年第2季度，最终胜出的1家承包商将开展“小精灵”验证系统的详细设计和制造，并将在2020财年第1季度首飞。第2、3阶段的进度将根据第1阶段的研究情况进行动态调整。

“小精灵”无人机的性能指标：作战半径926km；作战半径处可巡逻3h；设计载重54.5kg；最大速度不小于Ma0.8；最大发射高度超过12192m；推进系统可在当前技术基础上全新设计，也可使用现役发动机或其改型；载荷所需功率1200W；载荷类型为模块化设计的射频和光电/红外系统，并可实施基地级更换；设计寿命为使用20次；出厂单价（不包括任务载荷）低于$700000。

“小精灵”作战系统的性能指标：大型平台一次能发射超过20架无人机（图5）；30min内回收8架或更多无人机；回收率成功大于95%；发射或回收平台因搭载“小精灵”无人机实施分布式空中作战而坠毁的概率低于每飞行小时7-10次；回收后再次发射的时间不超过24h；发射或回收平台的改装成本（不包括指控系统）不超过$2000000。

美国国防部预研局指出，上述作战设想和性能指标的实现需突破以下关键技术：创新的空中发射和回收方案；低成本、可损耗的机体设计；有限寿命设计；高精度气动分析；气动弹性分析；蒙特卡洛仿真；自动的发射波次策略；高准确度数字式飞控系统；精确相对导航；小型无人机空中加油技术；高效小型涡轮发动机；保障回收安全的油箱自动惰化和发动机自动关闭；小型分布式载荷集成；模块化载荷能力；精确战位保持；发射和回收平台低成本改装技术及其他赋能技术。

该作战概念不但将颠覆当前以F-35等大型多功能平台为核心的作战样式和装备发展思路，给敌方防御带来重大挑战，也可能成为未来大幅降低作战成本的重要途径。

低成本无人机（LOCUST）技术项目

美国海军研究办公室（ONR）于2015年公布了“低成本无人机蜂群”（LOCUST）项目（图6），项目旨在释放大量无人机通过自适应组网及处主协调，对某个区域进行全面侦察并对诸如指控系统等关键节点及目标进行攻击。

该项目选择使用雷神公司的“郊狼”（Coyote）小型无人机进行试验。“郊狼”无人机长91cm、翼展1.47m、重量5.9kg、最大飞行高度6096m、飞行速度llOkm/h、续航时间1.5h、可携带约0.9kg的载荷、配装电动推进系统，每架约1.5万美元。

2016年5月，LOCUST项目在陆上完成30s内发射30架“郊狼”小型无人机的试验，验证了无人机蜂群的编队飞行、队形变换、协同机动能力。“郊狼”无人机蜂群在迅速发射之后，可使用低功率无线电网络建立彼此之间的通信关系，共享位置信息和其它信息。而且所有无人机将形成“母子”关系，其中1架起领导作用，其余无人机则为下属。担负领导任务的无人机有可能根据机动情况发生改变。在演示过程中，技术人员将察看无人机会形成何种紧密联系，在什么样的高度飞行以及采用什么样的机动方式。飞行时，地面操作员不必对每架无人机进行单独控制，僅需对蜂群进行整体控制。接下来，LOCUST项目计划在墨西哥湾开展舰基的无人机蜂群发射和飞行试验。

“灰山鹑”（ Perdix）项目

美国战略能力办公室在2014年启动了“无人机蜂群”项目，旨在验证先进的无人机群体行为，如集体决策、自修正和自适应编队飞行。

选择麻省理工学院发展的全复合材料、锂电池推进的“灰山鹑”一次性微型无人机。飞机全部采用商用货架产品，机长约16.5cm，翼展展开后30cm，投放重量约0.3kg，续航时间大于20min，飞行速度75—llOkm/h。

自2014年9月首次配装F-16战斗机试投以来，“灰山鹑”共进行了500多次飞行试验。2016年10月25日，在美国海军航空系统司令部设在加利福尼亚中国湖的试验场，3架F/A-18F超级大黄蜂战斗机在Ma0.6的速度下，连续投放103架“灰山鹑”无人机。在地面站的指挥下，通过机间通信和协同，作为集群成功完成了地面站设定的4项任务（图7）。试验中，“灰山鹑”蜂群未预先编写飞行程序，而是在地面站指挥下自主实现协同，展现了集体决策、自修正和自适应编队飞行能力。试验的成功表明，美军的空射无人机蜂群正朝实战化方向稳步迈进。

进攻性蜂群使能技术（OFFSET）项目

2017年1月27日，美国国防部预研局发布“进攻性蜂群使能战术”项目招标书，研究新型蜂群战术、人-蜂群交互、软硬件集成等关键技术，目标是每3个月产生超过10种蜂群战术，评估新蜂群战术的时间小于15min，部署新蜂群战术的时间小于1min。项目最终将开展100架以上规模的无人蜂群作战试验，以提升美军地面部队的防御、火力、精确打击，以及情报监视侦察等能力。

OFFSET项目将基于增强现实、虚拟现实等游戏技术以及手势、触碰和触感装置等发展可以控制蜂群的原型系统。作为第三次抵消战略的一部分，美国防部设想了以大量无人机蜂群压制敌方的空战方式。而在OFFSET项目中，其不仅考虑了无人机的数量，更希望研究复杂的蜂群战术和人机编组。此次公布的的最保守的想法是，OFFSET项目将使100个无人机和无人地面车在2h内在4个城市街区作战。而美国空军的目标是使250个无人平台于6h内在8个街区执行任务。

体系集成技术和试验（SOSITE）项目

2014年5月，美国国防部预研局发布体系集成技术和试验（SOSITE）项目指南，该项目的目标是通过创新的体系架构发展和演示保持空中优势能力的概念，体系架构中包含飞机、武器、传感器和任务系统并把空战能力分布于大量可互操作的有人和无人平台上。如此，可比实力相当的对手更加快速且更低成本地把全新技术和航空系统集成进现有空战系统中。

SoSITE项目聚焦于发展分布式空战的概念、架构和技术集成工具。该项目打算利用现有航空系统的能力，使用开放系统架构方法降低全新航空系统的研发成本和时间。开放系统架构为发展可互换的组件和平台提供了统一的标准和工具，如有需要可以进行快速的升级和替换。这个概念可使在各种有人和无人平台上分散关键的任务功能，比如电子战、传感器、武器、战争管理、定位导航和授时以及数据/通讯数据链等。SoSITE项目将利用为制造创新无人平台而研发的先进小型化技术、高性能低成本电子元件、全新的算法和软件以及先进的材料。成本控制将通过在平台中分散载荷而实现，这样就允许每一型平台在成本和能力的权衡中具有更高的灵活性。

2016年9月，美国国防部预研局向洛克希德·马丁公司授予3640万美元的第二阶段合同，继续发展体系架构，验证架构的作战效能和鲁棒性。

拒止环境中协同作战（CODE）项目

美国国防部预研局在弗吉尼亚阿灵顿的官员发布了“恶劣环境中的协同操作”（CODE），使侦察和攻击无人机在电子干扰、通信降级以及其它恶劣运行环境中执行任务时，可协同工作。旨在使无人机编队协同工作，发挥各无人机的相对优势。

CODE项目通过增加自主性和跨平台合作来扩展现有无人机的任务能力。协同自主性具有通过组成无人机异构队，来提高现有无人机能力、降低花费的潜力。该方式可以集成各无人机的能力，而无需复制或集成这些能力到一个无人机上。虽然现在无人机可执行许多任务，但大多数无人机都无法满足未来冲突的需求。

2016年6月，美国国防部预研局向洛克希德·马丁公司及雷神公司授予项目第二阶段系统集成合同，开展由1架或2架真实飞机和若干虚拟飞机组队的飞行试验。

对敌防空压制/摧毁蜂群作战（SEAD/DEAD）项目

2009年和2012年，雷神公司向空军分别交付了微型空射诱饵和微型空射诱饵干扰型，并于2013年完成高速反辐射导弹升级版的交付。美国空军和雷神公司基于这两种飞行器以及更早研制的模块化设计的联合防区外武器，开发了对敌防空压制/摧毁的空射集群作战样式。

分布式作战管理系统

2016年5月，美国国防部预研局向洛克希德·马丁公司授予1620万美元的项目第二阶段合同，设计全功能决策辅助软件原型，帮助策划有人机和无人机参与的复杂空战。“分布式作战管理”项目通过发展先进算法和软件，提高任务自适应规划和态势感知等能力，帮助履行战场管理任务的飞行员进行快速且合理的决策，以在强对抗环境中更好地执行分布式空中作战等复杂军事任务。

无人机集群作战主要关键技术

无人机集群作战需要重点解决的关键问题包括大规模无人机管理与控制、无人机自主编队飞行、集群感知与态势共享、集群协同任务分配等。

无人机集群管理与控制技术

复杂战场环境下，无人机集群执行作战任务时，通常出动架数要比目前使用的多得多。譬如，现在美军“捕食者”无人机通常一次出动由3—4架无人机组成编队，由一个起降站和一个任务控制站指挥控制。而集群作战时，通常无人机的数量将达到8架以上，美军“阿尔法计划”仿真演示中使用了100架无人机，如此规模庞大的无人机数量对空域使用提出了更高的要求，必须綜合考虑任务和空间的要求，确定合理的作战空域，避免与其他有人机或者无人机等空中目标发生碰撞。目前，美国计划将民航领域采用的空中告警与防撞系统（Traffic alert and CollisionAvoidance System，TCAS）引入无人机系统，实现空中障碍规避。

另外，无人机的自主能力可能是由操作员遥控的，也可能是半自主的，将来还可能是具有较高自主能力，需要操作员的介入程度、时机和频率各不相同。较低自主能力的无人机组成集群，需要操作员或者辅助系统管理与控制的事情较多，反之则较少。需要引入多智能体技术，基于智能体完成对无人机的辅助管理与控制。

因此，大规模无人机管理与控制技术需要解决基于智能体的无人机集群管理与控制体系结构、作战空域态势评估、集群空域使用规划与调度、集群空域冲突检测与消解、以及人有限干预下的无人机集群管理与控制等技术。

无人机编队飞行技术

编队控制是无人机集群执行任务的基础和最基本形式。编队控制是指无人机集群在执行任务过程中，如何形成并保持一定的几何构型，以适应平台性能、战场环境、战术任务等要求的控制技术。主要解决两个问题：一是编队构成/重构，包括飞行前编队生成问题，遇到障碍时编队的拆分、重建等问题，增加或减少无人机时的编队重构问题等；二是编队保持，包括飞行中编队保持问题，在不同几何形态间的编队切换问题，保持几何形态不变条件下的编队收缩、扩张、旋转控制问题等。无人机集群编队控制方法主要有领航-跟随法（Leader-Follower）、虚拟领航法和行为控制法。

空中障碍识别与规避技术

感知与规避是提高无人机集群主动安全能力和生存能力的必要条件。无人机本身要具备机间局部环境感知能力，能够对周围集群内无人机进行状态估计与跟踪，从而实现对集群内它机轨迹的跟踪与避碰，保持集群编队构型，实现协同飞行，见图8。同时，集群对前方遇到的障碍要能够作出有效的反应，进行编队队形变换，通过障碍物后进行队形重构。常用的集群避障方法有人工势场法（Artiificial Potentials）、模型预测法（Model Predictive）等。

集群信息感知与共享技术

集群感知与信息共享是无人机集群控制与决策的依据。基于无人机机载传感器，实现集群战场态势感知，能够获得更广的观测范围、更高的定位精度以及更高的鲁棒性。基于机间链，实现态势信息共享，形成统一的通用作战视图（Common Operational Picture，COP），为集群作战奠定基础。相关技术主要包括协同目标探测、协同目标状态融合估计、协同态势理解与共享等。

洛克希德·马丁公司开发了无人机通用态势感知模块，包含多个层级：第一级融合来自机载传感器、友机传感器、外部数据源（例如C41SR网络）等的数据，明确战场上的友方和敌方，消除友机数据冲突。第二级形成融合后的跟踪视图，评估友方、敌方传感器覆盖范围、通视性、潜在威胁等。第三级完成战场态势预估，判断可能的威胁意图、机动和未来位置。第四级判断态势感知模块产生的。

集群协同任务分配

集群突防与攻击是实现无人机集群作战的核心能力。无人机之所以构成集群协同作战，就是要面对高对抗的战场环境，提高系统的整体生存能力，在可能损失部分无人机的条件下，确保任务的完成率。在面临来自地面防空系统和空中敌方战机的高威胁环境中，集群必须首先能够突破敌方的严密防空圈，到达任务区域，然后对目标发起协同攻击，确保摧毁敌方重要目标，实现既定的作战目标。

无人机集群在威胁环境遂行作战任务，需要进行集群任务分配与任务规划。首先针对不同任务目标，指派最适合的无人机去完成，完成多机多目标的任务分配。针对预知的威胁，制定高效合理的集群突防策略。通过分析集群任务过程及任务特点，建立突防与攻击的任务规划数学模型，研究相应的规划算法，从而生成高效合理的任务计划，使得无人机集群执行不同任务的生存概率和作战效能达到最佳。在对抗、不确定以及时间敏感的环境中，随时可能出现突发情况，包括突发任务、突发威胁、平台可能出现毁损等，需要实时评估集群的任务能力，进行任务重新分配和重规划，使无人机集群能够快速响应外界环境的变化，提高战术使用灵活性。

无人机空中发射与回收技术

美国国防部预研局认为，在没有可靠陆基或海基著陆点时，空基回收将是小型、大作战半径无人机最简易后勤和最低成本的解决方案，还具有对无人机性能影响最小和再次发射迅速等优势。因此，“小精灵”项目的主要目标被定为探索小型无人机集群空中发射和回收的可行性，并最终以试验进行验证。按照美国国防部预研局的设想，“小精灵”无人机集群将在敌防区外由包括运输机、轰炸机和战斗机在内的各类平台发射，在渗透到敌防区内之后，针对特定目标共同执行情监侦、电子攻击或地理空间定位等作战任务。任务完成后退出敌防区，并由C-130运输机完成空中回收。

美国国防部预研局指出，上述作战设想和性能指标的实现需突破以下16项关键技术：创新的空中发射和回收方案；低成本、可损耗的机体设计；有限寿命设计；高精度气动分析；气动弹性分析；蒙特卡洛仿真；自动的发射波次策略；高准确度数字式飞控系统；精确相对导航；小型无人机空中加油技术；高效小型涡轮发动机；保障回收安全的油箱自动惰化和发动机自动关闭；小型分布式载荷集成；模块化载荷能力；精确战位保持；发射和回收平台低成本改装技术及其他赋能技术。

展望

无人机集群作战将牵引未来空中作战装备呈现出自主化、低成本、多功能、小型化等特点，必将对未来航空装备体系发展产生变革性影响。