舰载无人机集群系统作战构想

赵齐民,陈 晨

(中国船舶及海洋工程设计研究院,上海 200011)

随着无人机发射技术的发展和海军新一代大型舰艇的列装,舰载无人机集群作战将成为一种新型的海军作战样式,创新的无人集群技术将改变传统的战术运用理念,特别将影响整个舰艇编队攻防体系的变革,成为未来海军舰艇编队战斗力提升的一种重要途径。

2018年，美国空军研究实验室发布了2030集群作战视频。“忠诚僚机”概念中,一架F-35战斗机被多架无人机包围抵达目标区域,由F-35飞行员控制多架无人机发起攻击,实现有人机和无人机的协同作战。据悉,美国空军研究实验室(AFRL)正在开发能够让飞行员控制多架无人机的算法。目前,国内关于无人机集群的研究主要集中在编队空间构型和任务分配算法等方面,与现有战术战法相结合的研究较少,特别是无人机集群在海战场的作战使用问题。因此,本文紧紧围绕舰载无人机集群的作战场景,分析其带来的作战优势,通过典型场景的作战流程分析,为创新战术战法的设计提供参考,从而加速推进无人机集群的科研成果向作战能力的转化。

1 作战优势分析

本文讨论的无人机集群有别于现役中高空长航时舰载无人机,所指的舰载无人机集群系统选用轻量级无人机,搭载廉价、低功耗的商用微型传感器,通过开发先进算法,将低成本、可消耗的多无人机黏合成具有集群智能的作战辅助系统。利用舰艇作为微小型无人机的发射平台,在海战场快速形成集群态势,将带来以下作战优势。

1) 联合执行侦察任务,增强战区实时监控能力

在舰艇编队遂行以海制陆的任务中,作战初期舰艇编队都在岸防火力范围外,此时常规的舰载传感器往往受到地球曲率等环境限制,也有可能面临电磁干扰等复杂拒止环境,无法第一时间获取岸基的布防情况,而无人机集群由于具有小型、隐身以及便于携带电视、红外等多种传感器的优势,可以减小对卫星的依赖程度,可提供分布式的饱和侦察方案,成为快速有效获取战场实时态势的重要装备。特别在两栖登陆作战中,战场区域纵深大，协同复杂,态势变换急剧,无人机集群可以采用隐蔽快速突防的方式,快速穿越前沿防空网抵达目标区,到达最大纵深处,对敌最重要目标实施抵近空中侦察。

2) 舰艇远程对岸火力打击的“倍增器”

在岛屿登陆作战中,登陆地段的暗堡、坚固火力点等工事,如果不能提前有效清除,将给登陆部队造成重大伤害。在现代战争中,对于提前标注地理位置的火力点,可由舰艇武器进行超视距攻击,而由于岸滩遮蔽物等原因临时发现的火力点,就需要第一时间临时应召远程火力,计算目标坐标,测定目标参数,辅助生成舰炮武器射击方案,或者对目标进行激光器照射,为激光制导类导弹提供精确制导信息[1],实施对岸上重要目标的集火打击,攻击过后侦察无人机可测定弹着点位置提供校正参数,并根据目标毁伤程度进行射后评估,有效提升远程火力打击效果。

3) 体现分布式杀伤,实施“传感器-射手”的杀伤链任务

无人机集群作战是分布式杀伤理念的重要体现,将电子战、传感器、武器、定位导航和授时以及数据链等能力拆分到大量可实时通信的无人平台上,在此基础上，实现无人平台间实时数据共享、多机组网、协同配合,进而形成分布式作战体系,执行ISR和目标打击任务。类似于敌方临时指挥所、导弹发射架等高价值时敏目标,往往都是临时部署的,甚至是机动的,无人机集群可实施临时火力应召,对此类目标实施动态远程火力调度,必要时集群可直接在同一时间段内对同一目标进行自杀性轮番攻击,占用敌方的防御武器通道,增加敌方的防御难度和成本,适用于对敌方高价值时敏目标进行饱和攻击。

鉴于以上无人机集群的作战优势,有必要开展舰载无人机集群的关键技术研究,特别是如何与现有的作战体系相融合,通过战术战法的创新,实现舰艇作战能力的提升。典型的舰载无人机集群作战任务包括:区域警戒、联合侦察、干扰压制、攻击引导,以及直接打击等。本文将主要讨论两种作战场景下,无人机集群作战的任务实施方法。

1)在两栖登陆作战的过程中,无人机集群可自主协同执行实时侦察任务,无缝对接舰艇编队作战系统,实施远程对岸火力保障任务;

2)对敌海上舰艇进行突防时,多无人机通过携带高爆炸药、箔条、雷达反射器或干扰机,为高价值武器(反舰导弹)或者发射平台提供集群掩护干扰技术,必要时可破坏敌舰雷达系统。

本文基于以上两种典型海战场作战场景,立足于无人机集群通信系统设计,探讨无人机集群参与联合作战的模式。

2 集群通信系统

目前舰载无人机一般选用中大型无人机,单艘舰艇的配置数量较少,造价较高,其配置的数据链一般指的是舰艇和无人机之间的测控数据链,可分为上行链路和下行链路。舰艇指挥控制中心操控人员的指令通过上行数据链路发送至无人机,用来控制无人机的飞行路径,并对无人机的任务载荷进行遥控;无人机传感器的实时战场信息,以及无人机的位置、姿态等数据则通过下行链路反馈至指挥控制中心。因此，现有无人机数据链主要应用于对中高空长航无人机，进行远程操控。

本文所述的无人机集群系统根据携带任务载荷的不同进行任务分工,具有明显的分布式特点,在动态战场环境中对集群网络的耦合度等设计提出了更高的要求。现有数据链系统由于在实时性、容量动态调整等方面存在不足,特别是跟舰艇编队武器系统缺乏有效铰链,影响实时火控数据的共享,就不能实现无人机集群内部以及集群和舰艇编队火力之间协同控制。因此，数据链的总体设计必须充分结合作战实际需求,例如：舰艇编队与无人机集群之间的通信数据链在通信条件允许的情况下,需要为实时侦察图像的传输预留足够的带宽;对时敏目标的识别信息、炸点偏差等火控数据，则需要实现实时信息优先处理。无人机集群的作战行动可以是智能自主的,但绝对不是孤立的,因此，舰载无人机集群通信系统的设计要以舰艇编队传感器信息共享和火力综合运用为前提。

在实施无人机集群作战指挥时,无人机集群的中心节点将负责与舰载指挥控制中心进行关键指令的交互,中心节点再通过集群内部自主网络传达指令,实施内部信息共享。通过舰艇编队作战中无人机集群的使用场景分析,综合数据链突袭隐蔽、QoS能力、高速传输、高度自主等设计要求,如图1所示，本文提出舰载无人机集群协同作战网络模型,按照舰艇指挥控制中心和无人机集群中心节点通信,以及无人机集群内部自组网两类通信模式设计。

图1 舰载无人机集群协同作战网络模型示意图

舰艇指挥控制中心直接或通过中继节点(如卫星)控制无人机集群的中心节点,一般考虑作战的冗余度设计,集群配置多架中心无人机,具备与指挥控制中心或者中继节点的可靠通信能力,除此之外,集群自身还必须具备自组网的能力[2],支持集群柔性的动态组网能力。

舰艇指挥控制中心和无人机集群中心节点的通信可借用现有的无人机测控数据链进行升级,或可以通过相控阵雷达实现雷达通信一体化的能力,用来支持实现无人机远程数据链系统。文献[3]结合舰载雷达通信一体化发展的需要,提出了基于舰载相控阵雷达实现雷达通信一体化设计的思路,并从通信系统的链路流程、时间资源、时隙分配以及通信协议几方面进行了论述。2007年，雷声公司演示了基于有源相控阵雷达的有源阵列,通过升级相应的算法和软件,将其作为指挥控制中心实施大数据传输的能力,并将其命名为“超级通信”(Super Communication),其表现出了优于现有宽带战术数据链的性能;2013年，雷声公司在荷兰岸基设施上,实现了双波段数据链与先进相控阵雷达(APAR)的集成,增加了欧洲实现弹道导弹防御的舰船数量。

无人机集群内部自组网设计,由于本文舰载无人机集群定位为轻量级无人机,针对高密度无人机集群系统单跳距离不小于3 km,需具备抗干扰、按需带宽、快速组网、高并发、低延时、低功耗、低成本的特点,设计专用轻量级MAC层无线信道访问策略,将采用自组织多跳路由算法设计,提高集群通信控制链路的网络性能瓶颈,实现大规模无人机集群系统组网(单集群不少于300架)。美军的战术目标瞄准网络技术(TTNT)提供了一种无人机集群自组网设计的借鉴思路,美军当年为了解决从“传感器到射手”的数据链接问题,迫切需要一种传输量大、反应时间短的解决方案。在美国国防预先研究计划局的资助下,由罗克韦尔·柯林斯公司开发TTNT网络,它是一种以互联网络协议为基础,采用Ad Hoc技术,基于IP协议的高速、宽带、新型战场网络技术,具有高吞吐量、高传输速率、低传输时延以及实时按需获得带宽的性能,能实时与作战平台共享感兴趣的战场情报信息,从而精确打击时间敏感目标。TTNT成功应用于机载网络,在有人战机中实现高速信息共享,其目的是实现战术网络瞄准,并精确快速打击目标。

通过分析TTNT数据链的技术特点,本文提出符合舰载无人机集群自组网的设计特点:

1)采用IP协议,广泛连接现有平台;

2)高吞吐量,高传输速率;

3)低时延、低截获性和抗干扰性;

4)实时按需获得带宽;

5)柔性多节点接入。

无人机集群空间构型根据任务需要可能不断变化,造成了网络拓扑变化快,传统路由选择算法得到的信息可能很快变得不可达,重新计算路由的概率将很高;无人机受物理条件限制负载有限,可用于通信的能源有限,链路带宽有限,并且，由于节点的发射功率和天线增益有限,单跳通信距离比通常移动自组织网络短,极度依赖其他无人机节点的中继转发;由于战场形势的快速变化,系统对实时性有较高要求,节点的负载情况将直接影响数据传输成功与否以及传输时延大小,因而相比传统自组织网络,无人机集群自组网中对节点的负载均衡有了更高的要求。

通过上述应用场景分析,需要为无人机集群移动自组网设计专用的网络架构、多址方式和路由协议等。

1)基于多智能体的协同自组网

本文拟采用多智能体系统的组网方式和路由算法,利用中心无人机作为移动sink节点,通过LEACH分簇算法对非中心无人机进行分簇,LEACH算法[4]采用的是分布式算法,网络节点可进行自主决策,而不需要通过任何集中式控制。各簇中作为簇首节点的无人机自主选择与距离最近的sink节点进行通信,从而实现集群自组网的广覆盖。

2)小型无人机自组网中的改进GPSR协议

贪婪周边无状态路由协议GPSR,采用简单的贪婪转发和周边转发规则。特别适合载荷小,处理能力和能源有限的小型无人机进行自组网的需求。

GPSR协议在路由策略上,仅计算邻节点间的直线距离。但是无人机自组网通信的过程中,受复杂战场环境影响,导致接收到邻节点信标的节点,并不能传递数据到此邻节点。在贪婪转发中,会使单纯地用距离来选择下一跳路由变得不可靠。为解决以上问题,拟进行基于信号强度对GPSR进行修正。主要涉及以下方面:

1)使用无线信号传播模型对节点覆盖进行检验,排除信号不能覆盖的邻节点;

2)在贪婪转发模式中,利用信号传播模型获得下一跳转发信号覆盖的局部最优;

3)结合信号传播模型,检查是否达到转换传播模式的条件。

本文通过上述舰载无人机集群的通信系统分析,设计了基本通信网络架构,并根据移动自主网的关键问题,给出了技术解决途径,为下一步作战模式分析打下了基础。

3 超视距联合定位

通过设计临近战区自主网信息系统,快速深度挖掘战场实时信息,增强超视距前沿战区的火力引导和控制能力。

在常规舰炮对岸火力支援场景中,大口径舰炮武器的有效打击距离较近,武器系统进行试射后,一般由前沿观测哨(或者高空无人机、电视侦察弹)实施炸点观测,测得指定坐标系下的弹着偏差数据进行回传,或者直接回传带地理特征点的侦察图像,与卫星图片进行配准后获取偏差数据,炸点偏差获取的实时性和精确性将直接影响后续射击成果。在两栖登陆作战中,舰炮对岸火力的支援能力将延伸至上百千米。现有战时情报获取方式,应用于未来两栖登陆作战,存在以下不足:

1) 战区环境复杂,前沿观测哨的布设受限;

2) 依靠单架/几架中高空无人机侦察,容易遭受攻击,生存率较低,易受地形、烟雾等环境因素的影响,定位精度不高,而且无法同时保障多个综合打击任务;

3) 战场区域纵深大,依靠回传图像到舰艇控制中心,对数据链的带宽和实时性要求非常高,在战时往往达不到要求,信息处理不及时,影响武器杀伤链的时间消耗;

4) 图像配准要求具备对战场区域的卫星图片,并且进行地理信息标注,前期情报准备工作周期长,无法应对突发性作战任务。

无人机集群依靠其独有的技术优势,特别适合于这种战场区域纵深大、协同复杂,态势变换急剧的两栖登陆作战场景。无人机集群可采用突击部队单兵携带抵进发射、舰载管射,以及高空投放等方式,快速穿透前沿防空网抵达目标区,快速形成集群态势。这种方式速度快,防空武器难以拦截,可在最短的时间内将无人机投送到最大纵深处,可以对敌最重要军事目标实施空中侦察和打击。

与以往依靠回传方式进行集中式图像处理的方式不同,本文设想通过无人机集群的基础通信设施建设,在无人机集群自主网的基础上,重视边缘分布式计算能力,充分发挥无人机集群的群体智能,利用无人机预置的战区典型地理特征点的坐标和模板信息[5],在动态战场环境中,通过智能算法进行任务自组织,依托自主网按需共享信息,围绕共同作战目标,自发调整个体动作,充分发挥不同类型无人机的特长和优势。在作战过程中,如图2所示,一旦战区的导航信号受到干扰,侦察型无人机可以根据匹配到的地理特征点,通过共线方程完成自身定位[6];打击型无人机则通过图像协同跟踪算法保持对敏感目标的实时跟踪,根据不同方位,不同高度的多源观测信息进行融合识别,并通过与多个已经完成定位的侦察型无人机进行网络信息交互,借助网络定位算法[7]对静止甚至低速运动目标进行联合间接定位,供远程舰载武器进行火控解算并控制发射,在火力临近时,如有需要可通过激光发射器,提供“饱和”式激光照射指示,在校射过程中根据炸点观测,实时计算并反馈偏差信息,无须回传整幅战术图像到舰艇指挥控制中心进行配准,降低了回传信息对数据链的要求,为远程舰炮和对陆攻击导弹,特别是电磁轨道炮的快速打击提供持续可靠的目标信息保障。

图2 对岸目标协同定位示意图

4 掩护干扰

在隐蔽突袭作战背景下,敌舰艇立体防御手段日益丰富,本文通过无人机集群为高价值武器(反舰导弹)或者发射平台提供以下掩护方式:

1)利用无人机加装小型干扰任务载荷,实施与反舰导弹的伴随式飞行任务,辅助反舰导弹对敌舰艇防空体系进行突防。在远区,可通过密集编队,利用远程搜索雷达距离和方位分辨率较低的特点,无法将其识别为群目标,导致指挥决策方案单一;一旦进入近区,虽然可被近程传感器检测为群目标,然而大大消耗了防空系统的反应时间,而且近区可通过主动压制敌方雷达传感器,削弱敌方防空系统的反导拦截概率,提高反舰导弹的突防能力;

2)地效无人机平台携带超空泡鱼雷等作战单元[8],如图3所示，以超低空巡航方式,接近敌舰艇编队,获取20 km内的最佳攻击距离,一旦被敌方探测到以后,以管射方式释放小型无人机集群，以干扰、诱饵或者阻拦模式掩护地效无人机平台，完成发射以及撤退任务。

图3 无人机集群掩护发射平台示意图

无人机集群在实施对高价值反舰武器或者发射平台的掩护任务时,由于无人机雷达反射面积相对较小,而无人机实施干扰时距离舰载雷达较近,干扰对象明确,一定程度上降低了对无人机任务载荷的功率需求,具有很强的技术可行性和良好的干扰效果,提供了一种复杂电磁环境下提高反舰武器的突防效益的途径。

2012年，美国HJ研究院的一份仿真报告显示,配备“宙斯盾”系统的导弹驱逐舰,集成了各类传感器和武器系统,包括干扰器、诱饵弹、防空导弹、127 mm舰炮、“密集阵”近程炮以及机枪,面对8架无人机集群的突防。500次的模拟结果如图4所示,其中4架无人机突防的次数高达约132次,仿真结果表明舰载雷达系统无法有效引导武器系统进行拦截此类无人机集群目标。

图4 无人机集群突防模拟结果统计

目前,美国海军典型的舰空导弹包括标准系列和“海麻雀”系列,均以半主动制导体制为主。以美海军“宙斯盾”舰艇的专用SM-2 Block 3A标准防空导弹为例,其采用惯性/无线电指令+半主动寻的制导方式,导弹发射后的初段按照惯性飞行,中段通过惯性导航和无线电指令接近拦截目标,一旦进入末段需要照射雷达进行连续照射,照射雷达的直波和目标的反射回波进入防空导弹的接收机,合成处理后形成制导信号,控制导弹的飞控系统按一定的导引规律,实现与目标交会。根据上述防空导弹制导流程的分析,利用无人机集群辅助反舰导弹进行突防,压制敌方雷达传感器的方法如下:

1)干扰舰载对空搜索雷达

降低敌方雷达传感器测得的目标信息精度,导致其射击诸元解算误差变大,影响发射准确性。例如对空搜索雷达在干扰信号的影响下,获取目标仰角信息误差较大,使舰空导弹导引头开机时,天线主瓣不能有效接收目标回波,无法构成半主动寻的导引条件。

2)干扰舰空导弹的导引头

由于导引头测角通路带宽较大,无人机干扰信号能够进入导引头的接收通路[9],其目的在于使舰空导弹在引导过程中,由于额外注入的制导误差,导致舰空导弹偏离目标,或者因脱靶量过大,无法对目标实施有效拦截。

3)干扰舰载单脉冲跟踪雷达

常规舰载单脉冲跟踪雷达突出其对单个高速机动目标的高精度测量,用于实施目标火控滤波和预测,控制舰炮射击拦截。此类跟踪雷达面临集群目标时,将出现“角闪烁”现象,导致对拦截目标测不准、跟不稳,舰炮无法有效毁伤目标。

4)占用武器系统通道

依靠无人机集群性价比高,充分发挥数量和小型化等优势,模拟反舰导弹的雷达信号特征,形成虚假饱和攻击态势,占用舰载防御武器系统通道,突破舰载立体防御体系,甚至破坏舰艇雷达系统。

5 关键技术

1)集群发射系统

根据作战场景分析,无人机集群的突防距离至少要超过100 km,甚至要达到200 km,而且需要快速形成集群态势。考虑到低成本、可消耗的设计要求,以及舰面空间的约束,无法为舰载无人机集群单独设计复杂的发射系统。因此，可考虑使用大口径舰炮发射，即类似于火箭炮的管式发射,以及空基平台的投射方式,助推段结束后采用电池驱动,支持一次作战过程不少于2小时,并考虑实施战后回收。

2)网络安全性

目前，国内对于Ad Hoc网络的研究仍处在理论研究阶段,至多是进行一些演示、示范系统的研制或仿真,鲜有实用的工程实现,而且反无人机手段日益丰富,电子干扰压制对集群通信系统会造成致命打击,因此，自组网的安全性对无人机集群任务执行的影响至关重要,应作为关键核心技术进行研究。

3)定位与导航

在无人机集群行动中,GPS/北斗卫星定位系统用于提供高精度的定位服务,但在战时卫星信号拒止环境中,只能依靠少数无人机节点进行地形匹配,从而，辅助惯性导航系统实现自主导航,其他无人机节点则需利用有限无人机的匹配定位信息(信标节点),通过网络拓扑关系为全网络节点提供联合导航定位服务。

4)任务自组织

无人机集群所处战场环境瞬息万变,任务区域具有高度的动态和不确定性,无人机集群根据不同载荷分工各不相同,具有分布式系统的特点,在战场通信条件受限的情况下,将难以保证个体都获取全局的实时战场信息。动态战场环境下,为增强无人机集群的自主适应能力,需要研究恶劣环境下多无人机分布式协同任务自组织技术,按需共享关键战场信息,甚至在通信网络中断后,无人机个体仍可依靠视觉等机载信息,围绕同一目标,自发调整各自行动,以最大限度发挥无人机集群的群体智能,取得最佳的作战效果。

6 结束语

未来舰载无人机集群系统将大幅提升舰艇编队的信息化水平,通过数据链与舰艇编队探测系统、武器系统实现直接铰链,将极大增强超视距情况下舰艇编队联合火力的组网能力。本文以舰载无人机集群系统战术运用为背景,通过远程联合定位和掩护干扰两种不同作战场景下的作战流程分析,体现了无人机集群与舰炮武器系统、导弹武器系统联合作战的效果,提供了将舰载无人机集群的信息优势转化为作战优势的参考途径。