有人/无人机协同电磁频谱作战问题研究

梅 豪,都兴霖,许登荣,杨慧君

(空军预警学院,湖北 武汉 430019)

0 引 言

随着世界军事变革的不断推进,战争形态正向信息化、智能化战争加速演变,各种作战行动对电磁频谱的依赖性越来越强,谁在战争中夺取了电磁频谱优势,谁就能控制未来战场的制高点。近年来,为推进第三次抵消战略,保持电磁频谱的绝对优势,美军不断为电磁空间独立成域造势,提出了电磁频谱作战[1-3]等新型作战概念,持续在电磁频谱领域新战略、新条令、新装备技术的需求上进行突破,进一步调整、优化、扩充电磁频谱领域作战力量,推动电子战向电磁频谱战跨越转型发展。为了提升电磁频谱作战能力,美军尤其注重新技术、新装备的研发和运用。无人机具有成本低、体积小、机动性好、效费比高等特点,运用无人机开展电磁频谱作战是美军在电磁频谱作战领域研究和发展的重点方向之一。例如,美军提出“低-零功率”电磁频谱战[4],并设计了很多作战运用模式,其中之一就是利用无人机蜂群搭载低截获概率/低探测概率的传感器、通信系统以及低功率电子战系统,采取网络化、一体化、自适应、低功率等电磁对抗措施,压制和削弱敌方侦察、预警、探测、定位及引导打击能力,使自身始终占据战场电磁频谱的绝对优势。受限于当前的智能化水平,完全自主的多机协同作战、无人机集群作战、无人机蜂群作战等暂时难以实现。将无人机作为有人机的僚机,由有人机控制无人机编队执行电磁频谱作战任务,是相对容易实现的方案。因此,美国、澳大利亚、俄罗斯等军事强国都纷纷开展有人/无人机协同作战忠诚僚机项目的研究[5]。2020年8月,美国空军在内华达州内利斯空军基地开展了1次有人机/无人机隐身战机协同突防打击试验。试验表明,通过有人-无人隐身战机建立编队进行协同配合,可以极大地提高隐身战机的打击能力和突防水平。可见,随着有人机/无人机协同电磁频谱作战技术和作战运用方式的逐渐成熟,必将改变传统的战争形态,对现有的作战体系也会产生巨大的挑战[6]。因此,亟需对有人机/无人机协同电磁频谱作战的概念内涵、优势特点、运用模式以及关键技术等进行分析,为发展我军的有人机/无人机协同电磁频谱作战系统,提升有人机/无人机协同电磁频谱作战运用水平提供参考。

1 有人/无人机协同电磁频谱作战概念及优势

1.1 概念分析

“有人/无人机协同作战”的概念源自长机和僚机的协同作战[5],随着无人机技术的发展,无人机作为僚机作战成为可能,促进了有人/无人机协同作战概念的形成和发展。有人/无人机协同作战是指有人机与无人机为执行相同任务而建立整体的编队,通过网络互连、平台互操作和资源共享控制,协同完成作战任务的军事行动。根据有人平台控制无人机操作的等级划分,有人机/无人机协同作战可划分为5个层级[7-8],各层级具有的控制功能如表1所示。可以看到,级别越高,有人机控制无人机的能力也越强。目前,世界各国正在开展有人机平台的无人机协同控制系统的开发和完善工作[7]。总体来说,各国的建设目标是要采用1架有人机对1架无人机或多架无人机进行4级控制;对于运输机和海上巡逻机等部分大型平台,可以保留地面控制站的所有功能,即有人机具备对无人机的5级控制能力。

表1 有人机/无人机协同控制层级

“电磁频谱作战”概念最早由美军2012年颁布的《联合电磁频谱管理行动》(JP6-01)条令中给出,但其准确的定义仍在不断的调整和完善之中。2020年5月,美军颁布《联合电磁频谱作战》(JP3-85)条令,其对电磁频谱作战的定义是：为获取电磁频谱优势而对战场电磁环境进行的利用、攻击、防护和管理行动,包括电磁感知、电磁攻击、电磁防御和电磁频谱管控等军事活动[3]。

结合有人/无人机协同作战、电磁频谱作战的概念,可以对有人机/无人机协同电磁频谱作战定义如下：有人/无人机协同电磁频谱作战是指有人机与无人机建立整体的编队,通过网络互连、平台互操作和资源共享控制,协同完成电磁频谱作战任务的军事行动,包括协同电磁感知、协同电磁攻击、协同电磁防御和协同电磁频谱管控等活动。

1.2 作战优势

有人/无人机协同电磁频谱作战可以充分发挥无人机作战成本低、无人员伤亡、续航时间长的特点和有人机应对复杂环境、执行随机任务、判断决策等方面的优势,二者相互协同,实现优势互补,提高作战效能。具体来说,有人/无人机协同电磁频谱作战具有如下优势。

1.2.1 有利于拓展任务空间

有人/无人机协同电磁频谱作战时,有人机处于敌防区外,完成编队航线规划、任务分配等指挥控制任务,无人机通过有人机的中继控制,利用其优越的灵活性、低可探测性深入作战空域,对作战目标实施近距离的侦察定位、干扰压制和反辐射摧毁,大大拓展了作战半径和作战范围。

1.2.2 有利于实现灵活战术

无人机执行任务时,不涉及人员伤亡等问题,可以承担很多有人机无法承担的高危险和高强度任务。比如可以利用隐身无人机前出抵近目标进行长时间的侦察干扰,同时还可以让无人机模拟有人机实施佯动、充当诱饵,引诱敌方雷达开机等,相对有人机单独作战,协同作战的战术战法运用更加多样、灵活。

1.2.3 有利于增强防护能力

现代战争的作战行动往往是在复杂电磁环境下进行,作战飞机的传感器很容易受到敌方强烈的电磁干扰,而有人/无人机协同电磁频谱作战,通过将有人机与无人机的传感器分散配置,形成分布式传感器网络,其中任何一个或多个传感器遭到干扰可以通过调整编队队形等措施进行弥补,抗干扰能力得到提高。另外,有人机/无人机协同作战能提高威胁告警能力,无人机部署在编队的前端,为有人机预留了一定的反应时间和机动时间,就算无人机被击落,比起人员伤亡,损失更容易接受,提高了抗打击能力。

1.2.4 有利于提升作战效能

有人/无人机协同电磁频谱作战可以提高电磁态势感知、电磁攻击等行动的作战效能。在协同电磁态势感知行动中,无人机前出配置,对作战区域电磁目标进行近距离侦察和精确定位,多架无人机将自身侦测到的电磁数据发送到有人机,通过与有人机进行多源情报融合,可以弥补有人机侦测范围有限和识别能力不足,快速准确掌握战场电磁态势。在电磁攻击行动中,凭借有人/无人机协同作战显著的侦察优势,无人机可以利用其隐身性好、高灵活性的特点,灵活编队,深入敌作战区域,配合有人机对目标实施多个方向软硬兼施的电磁攻击,大幅提高攻击效果。

2 有人/无人机协同电磁频谱作战运用模式

关于有人/无人机协同电磁频谱作战,目前还没有成熟的运用模式,借鉴有人/无人机协同网电作战运用方法[9],以下从组合方式、队形配置以及基本流程等方面探析有人/无人机协同电磁频谱作战可能的运用模式。

2.1 总体构想

在有人/无人协同电磁频谱作战中,有人机主要是对无人机进行指挥控制,完成目标分配、航线规划等任务,同时对整个有人/无人机作战编队的电磁频谱使用进行协同控制、优先级排序等,避免自扰互扰,保证整个作战系统对电磁频谱的正常使用。无人机主要接收作战指令,将侦察感知的电磁信息发送给有人机。在有人机的指挥控制下,有人机、无人机协同完成电磁感知、电磁进攻、电磁防御等任务,如图1所示。

图1 有人/无人机协同电磁频谱作战任务框图

2.2 组合方式

有人/无人机协同电磁频谱作战在平台组合上通常需要考虑以下2个方面的问题：一是有人机与无人机在平台特征方面需要具备相似性或一致性,尤其在飞行速度方面要具有相似性;二是在任务系统方面可以相似或互补,任务系统相似可以强化执行单一任务的能力,任务系统互补能够形成“侦—控—打(扰)—评”于一体的电磁频谱作战能力。表2为可进行协同电磁频谱作战的有人/无人机武器平台。

表2 可实施协同电磁频谱作战的有人/无人机武器平台

组合时,通常由1架有人机(表2中有人机平台中的任何一种)担任长机对编队进行指挥控制,若干架无人机(表2中无人机平台中的一种或多种的组合)作为僚机担负侦察感知、干扰压制和毁瘫打击等任务。一般来说,无人机的数量越多,编队的侦察感知、电磁攻击能力也就越强,但是也会增加有人机指挥控制的压力和通信载荷负担。因此,在目前的技术条件下,比较理想的是“1+3”编队模式[9]。即1架有人指挥控制机、1架电子侦察无人机(或察打一体无人机)和2架电子攻击无人机,这种编队兼具电磁侦测和电磁攻击能力。未来,随着有人/无人协同作战技术的逐渐成熟,还可能形成有人机+无人机集群编队或有人机+无人机蜂群编队的组合。

2.3 队形配置

协同作战队形设计的好坏将直接影响电磁频谱作战效能的发挥,因此,必须综合考虑有人机与无人机的飞行能力、机动性能、电磁侦测能力、干扰压制能力、反辐射摧毁能力以及攻击模式等多种因素来设计有人/无人机协同电磁频谱作战编队形状。编队队形配置的基本原则和方法如表3所示。

表3 有人/无人机协同电磁频谱作战编队队形配置方法

根据表3的配置原则和方法,在有人/无人机“1+3”组合方式的条件下,同时要求编队具备“侦—控—打—评”于一体的电磁频谱作战能力时,可以采用“T”型的编队,即电子攻击无人机前置部署,电子侦察无人机或察打一体无人机部署于编队中间靠前位置,而有人机靠后部署,如图2所示。这样部署既能保证无人机进行近距离的侦察干扰,也能防止作战编队飞机之间的自扰互扰,同时还能保证有人机安全和通信指挥畅通。需要注意的是,执行任务不同,编队队形也需要灵活调整,以实现作战效能的最大化。

图2 有人/无人机协同电磁频谱作战编队队形

2.4 基本流程

有人/无人机协同电磁频谱作战的基本流程包括作战数据加载、起飞爬升、巡航、任务执行、返航、降落着陆等过程,如图3所示。首先是有人机、无人机分别在地面进行任务和航路的数据加载,从同一机场或不同机场起飞并爬升到一定的高度后,有人机与无人机地面控制站进行控制权交接,开始对无人机进行指挥控制。然后无人机在有人机的指挥控制下开始巡航进入作战区域,与有人机协同执行电磁频谱作战任务,顺利完成任务后开始返航,接近目的地时,有人机将无人机的控制权交回地面控制站并完成着陆控制。下面重点对可能协同执行的几种电磁频谱作战任务进行介绍。

图3 有人/无人机协同电磁频谱作战的基本流程

协同电磁感知：无人机接收到具体任务后,按照有人机规划的航线进入作战任务区。电子侦察无人机对作战区域的各类电磁目标进行侦察、监视和探测,其他无人机则保持电磁静默,接收有人机的指令。有人机同步进行电磁侦测,与多架侦察无人机进行多源信息融合,实现对目标的多基线测量、交叉定位、信号特征加强和协同印证,形成综合战场电磁态势。此外,为了摸清敌隐蔽兵力位置、频率信息等,可采用编队内的诱饵无人机挂载龙伯球,诱敌进行抗击,暴露其位置、频率信息,而电子侦察无人机、有人机同步进行侦察。

协同电磁攻击：有人机根据协同电磁感知生成的综合战场电磁态势,完成电磁作战任务区分和目标分配,然后由电子攻击无人机单独或配合有人机完成协同电磁攻击任务。

(1) 协同电子干扰。电子干扰无人机利用其隐身性能好的特点深入敌作战区域,多架无人机从不同方位对敌电子信息系统进行持续的干扰压制,有人机配合无人机在防区外进行正面的干扰压制,进一步扩大安全掩护区的范围,为突防战斗机开辟空中安全走廊。

(2) 协同反辐射攻击。电子侦察无人机通过抵近侦察对目标进行侦察定位,并将侦测到的目标信息以及战场态势传送至有人/无人机编队各平台,有人机控制反辐射无人机加载目标数据并对目标实施攻击,或者有人机根据电磁态势数据直接发送辐射导弹对辐射源目标进行攻击。此时,电子干扰无人机对敌防空系统施放欺骗性干扰,模拟大批机群实施攻击,吸引防空探测武器开机,保证反辐射攻击效果。

(3) 软硬一体饱和攻击。有人机在防区外对敌防空雷达实施连续的干扰压制,掩护电子攻击无人机进入攻击区域进行反辐射打击、定向能攻击,侦察无人机密切监视作战区域,将侦测数据实时传回编队各平台,使攻击无人机和有人机实时更新作战目标电磁辐射数据,保证软硬一体攻击的有效性。

协同电磁防御：有人机和无人机对来袭导弹进行协同告警和探测,迅速变化队形进行规避,电子干扰无人机对来袭导弹进行强烈的电磁干扰,降低导弹攻击的准确性,必要时,有人机可控制无人机在导弹来袭方向主动拦截,确保有人机安全。

协同电磁频谱管控：有人机对整个编队电磁频谱使用优先级进行排序和编队队形控制,防止各平台发生自扰互扰,影响作战效能的正常发挥。为了防止己方其他作战编队对编队电磁频谱使用产生影响,侦察无人机可将侦测到的其他作战编队的电磁频谱使用信息发送给有人机,由有人机与地面指挥控制中心进行协调控制,保证整个有人/无人机作战编队对电磁频谱的正常使用。而随着人工智能、信息技术的发展,有人机/无人机电磁频谱作战编队未来还可能作为联合空中作战等行动中电磁频谱管控的专业力量,实时监控作战区域内的用频情况,动态优化调整电磁频谱使用计划,及时解决临时出现的自扰互扰问题,保证整个作战体系效能的最大化。

3 有人/无人机协同电磁频谱作战关键技术

要实现有人机/无人机协同电磁频谱作战,有许多关键技术需要突破,主要包括协同控制技术、协同目标分配技术、协同航线规划技术、数据链技术、协同电磁感知技术等[7-11]。

3.1 协同控制技术

在协同电磁频谱作战行动中,有人机和无人机各司其职,通过信息传输和交互实现任务协同。在这个过程中,有人机操纵员不仅要接收来自地面的指挥控制信息,执行本机作战任务,还要根据战场情况指挥控制无人机。现代战场环境瞬息万变,客观上需要有人机操纵员根据战场态势的变化,及时、准确地制定和调整编队中无人机的作战方案。这样繁重的工作对有人机操纵员的生理和心理都造成了很大的负担,因此需要发展有人/无人机智能协同控制系统为完成作战任务提供保障,在短时间内为有人机操纵员提供决策方案,辅助操纵员进行决策或自主决策,减少在协同指挥控制中人的负担。

3.2 协同任务区分和目标分配技术

有人机/无人机协同电磁频谱作战,涉及电磁感知、电磁进攻、电磁防御等多种作战任务,包括雷达、通信、导航系统等多种作战目标,必须对有人/无人机作战系统进行很好的任务区分和目标分配,才能实现作战效能的最大化。协同任务区分和目标分配是1个组合优化问题,需要考虑各种约束条件,如有人/无人机武器系统配置情况、侦察无人机的最大侦察距离、干扰无人机的最大干扰距离、反辐射无人机攻击范围和精度等。由于该问题是一个多项式复杂程度的非确定问题(NP),解决思路主要有2种：一种是如穷举法的精确搜索方法,另一种是启发式搜索方法,如遗传算法[12]、模拟退火算法等。但这些方法都存在计算量大的问题,因此一些学者在探索应用新的理论和方法来解决协同目标分配问题,如拍卖算法、蚁群算法、满意决策理论、Hopfield神经网络方法等。相对来说,这些方法计算量较小,有望解决有人/无人机协同作战的实时协同目标分配问题。

3.3 协同航线规划技术

协同航线规划是在有人机/无人机协同目标分配方案的基础上规划出各飞机可行的有效协同航线。单个无人机的航线规划,一般是根据地形、作战目标参数以及无人机生存概率等来规划无人机的飞行航线。有人/无人机协同航线规划则需要在单个航线规划的基础上,考虑如何协调一致地共同执行任务,使整体的作战效能最大化。由于战场环境瞬息万变,威胁区域、攻击目标等随时可能发生变化,航线需要重新进行规划修正。这导致协同航线规划的约束条件多、计算复杂,需要综合利用运筹学、智能计算以及计算几何等理论和技术来解决问题。目前,解决协同航线规划问题主要有数学规划、混合整数线性规划等方法。另外,基于人工智能有人/无人机航线规划技术是当前研究的热点,如神经网络法、MAXQ分层强化学习方法[13]等。

3.4 数据链技术

数据链系统是实现有人机与无人机协同的必要条件。有人机与无人机之间控制指令下达、传感器数据传输、战场电磁态势共享都需要经过数据链系统。有人机平台对无人机的控制级别和协同模式的不同,对数据链的要求也不一样。未来,有人机平台控制无人机的级别会越来越高,这也要求数据链功能越多,能力越强。当前,有人/无人机数据链路互通问题还没很好解决,需要发展新型战术数据链、机间数据链、多平台通用数据链等技术,满足有人/无人机协同电磁频谱作战分布式组网、实时大容量信息传输的需要。

4 结束语

未来作战中,谁控制了电磁频谱优势谁就掌控了战场优势。随着人工智能技术、无人机平台技术的发展,有人/无人机协同电磁频谱作战将成为未来电磁频谱作战行动中的一种重要运用方式。本文界定了有人/无人协同电磁频谱作战的概念内涵,从组合方式、队形配置和基本流程等方面探析有人/无人协同电磁频谱作战的基本运用模式,并分析了其关键技术。展望未来,随着军事技术的发展,有人/无人机协同电磁频谱作战的运用模式将更加多样化,有人机+无人机集群编队、有人机+无人机蜂群编队作战将成为可能,并最终改变战争形态。这需要持续研究有人/无人协同电磁频谱作战的新理念、新战法和新技术,提升我国有人/无人机协同电磁频谱作战战技术水平,使其成为未来战争中夺取电磁频谱优势的新质力量。