无人机集群作战技术研究专刊201705.pdf

1、无人机集群无人机集群作战作战技术技术研究研究进展及发展建议进展及发展建议作者:牧野 远望智库导言:本文主要聚焦于近年来无人机集群作战技术的发展前沿，分析在该领域的创新成果、矛盾问题和经验启示，为有关部门开展无人机集群作战技术的研究、运用和决策提供参考借鉴。一、无人机集群技术概述（一）概念与起源正如上世纪初发明飞机就是受到了飞鸟的启发一样，无人机集群技术概念的灵感来源于对昆虫蜜蜂的仿生研究。蜂群内部分工明确，个体之间存在着丰富有趣的信息交流语言，社会行为丰富。所以无人机集群作战系统又形象地称为“蜂群”无人机。无人机集群技术研究目标就是模拟群聚生物的协作行为与信息交互方式，作为一个自主化和智能化的

2、整体协同完成任务。无人机集群作战系统是由大量无人机基于开放式体系架构进行综合集成，以通信网络信息为中心，以系统的群智涌现能力为核心，以平台间的协同交互能力为基础，以单平台的节点作战能力为支撑，构建具有抗毁性、低成本、功能分布化等优势和智能特征的作战体系。无人集群作战系统可填补战术与战略之间的空白，以多元化投送方式快速投送到目标区域遂行多样化军事任务，包括与其他武器平台协同攻击海上、空中、地面目标及情报侦察监视（ISR）等，实现对热点地区的常规战略威慑、战役对抗、战术行动。（二）优势与特点相比于功能复杂全面的某一单机作战平台，无人机集群在作战时具备以下优势：1 1功能分布化功能分布化将单个完备作

3、战平台所具备的各项功能如侦察监视、电子干扰、打击与评估等能力“化整为零”，分散到大量低成本、功能单一的作战平台中，通过大量异构、异型的个体来实现原本复杂的系统功能，系统的倍增效益将使无人机集群具备远超单一平台的作战能力。2 2体系生存率体系生存率无人机集群具有“无中心”和“自主协同”的特性，集群中的个体并不依赖于某个实际存在的、特定的节点来运行。在对抗过程中，当部分个体失去作战能力时，整个无人机集群仍然具有一定的完整性，仍可继续执行作战任务。3 3效费交换比效费交换比功能单一的无人机平台成本较低，在进行作战任务时，敌方应对大量的无人机个体需要消耗数十倍甚至上百倍的成本来进行防御，这将在战争中为

4、我方带来显著的成本优势。（三）问题与矛盾与无人机集群作战的优势特点相对应,这一新概念技术和作战运用在发展过程中，仍然面临着一些亟待解决的问题和矛盾：1 1传统理念与技术创新之间传统理念与技术创新之间的矛盾的矛盾美军是最早开展无人机集群技术创新研究的国家，但在美军内部也存在着对于无人作战可能阻碍或反作用于传统常规作战的担忧。在诸多任务中,高自主等级的无人机系统被视为尚未经过检验的技术。一部分美军指挥官坚持认为,如果减少了人在无人机系统中的控制权限,无人机系统可能成为未来战场上的威胁。在无人机自主性技术、集群技术未得到广泛认可的情况下,“减缓无人系统发展”策略曾经一度被美国军方所采纳。直到 201

5、2 年 8 月，在时任美国防部副部长卡特主导下，建立美国国防部战略能力办公室（SCO），通过创新装备用途、发挥集群作用、融合军民技术三大途径，开展可在约 4 年的周期内生成战斗力的快速装备技术创新，支持“亚太再平衡”战略和第三次“抵消战略”。其中以“山鹑”微型蜂群无人机为代表的集群作战技术已经取得了阶段性成功（在本文第二部分内容中将详细介绍）。2 2新技术快速转化应用与战术运用研究滞后之间的矛新技术快速转化应用与战术运用研究滞后之间的矛盾盾无人机集群技术是多项新技术融合创新的成果，并且美国国防部战略能力办公室采用了创新管理模式，实现了从思想到技术，从技术到原型，从原型到装备的快速转化。但在战术

6、运用研究方面却远远滞后于技术创新，到目前为止,对无人机集群作战技术的战术研究仅限于相对独立的 4 种形式:近战（Melee）、聚合（Massing）、机动（Maneuver）和群集（Swarming）,尚未形成符合现代战争特点的技术-战术集成体系。为此，美国国防先进研究计划局（DARPA）在 2016年组织美军三所军校学员开展了无人机集群作战运用竞赛，并在 2017 年 5 月的决赛中，实现了 25 架对 25 架无人机之间的集群对抗，对无人机集群战术进行了探索和验证（详见本刊附录 6）。3 3集群数量优势与集群数量优势与个体个体性能性能劣势之间的劣势之间的矛盾矛盾为保证无人机集群的数量优势和

7、成本优势，只能在无人机性能上作出让步，选用小型或微型无人机组成集群系统，但小无人机受制于航程和载荷能力，目前并不具备实战价值。若要使无人机集群作战系统在强对抗战场条件下具备实战价值，或者要在无人机的航程上取得突破，或者要在机载武器和传感器的小型化上取得突破，或者要在无人机群搭载平台的隐身性能上取得突破，但这些都不是在未来中短期内可以实现的。4 4反无人机集群反无人机集群作战的技术作战的技术也在也在迅猛发展迅猛发展无人机与反无人机技术是相伴相生发展的。目前普遍采用的反制技术措施，一是发展一是发展高功率高功率微波武器微波武器，能在一次脉冲中发射充足的微波能量，可清除数千平米区域内的无人机。例如，美

8、国雷声公司自 2013 年以来，持续进行陆基高功率微波（HPM）武器的演示验证。二是二是采取采取“捣毁蜂巢捣毁蜂巢”策略策略。反蜂群作战，立足点应放在摧毁或拒止无人机搭载平台上，因为“捣毁蜂巢”要比四处捕捉马蜂容易得多。无人机群搭载平台与目标的距离必须处在无人机的航程内，才能释放无人机，而小型无人机的航程往往要小于现代先进防空反导系统的探测距离，这就给先行摧毁无人机群搭载平台提供了较大的时间窗口。因此，无人机集群技术的研究，必须与反制技术一起进行博弈论证、对抗式发展验证，相互牵引、快速发展，形成有效的攻防体系。（四）未来发展趋势未来，无人机集群作战技术将呈现以下三大发展趋势：装备系列化趋势装备

9、系列化趋势：以组成集群的无人机为例，将形成以十克级（对标 CICADA）、百克级（对标 Perdix）、千克级（对标 LoCUST）、10 千克级、100 千克级（对标 Gremlins）等系列化平台为基础的作战系统序列。应用多样化趋势应用多样化趋势：集群将逐步应用于预警探测、广域监视、抵近侦察、电子对抗、饱和攻击、主动防御、特种作战等复杂、强对抗、高不确定性的战场场景。覆盖全域化趋势覆盖全域化趋势：随着无人平台的多样化发展，集群概念将覆盖到陆、海、空、天全域，从“蜂群”衍生出“狼群”、“鱼群”、“鸟群”、“星群”等作战概念。二、美国无人机集群作战技术发展情况（一）发展规划2016 年 5 月

10、，美国空军正式提出20162036 年小型无人机系统飞行规划，希望构建横跨航空、太空、网空三大作战疆域的小型无人机系统，并在 2036 年实现无人机系统集群作战。明确了美国空军小型无人机系统近期、中期和远期主要发展目标。特别是提出了“蜂群”“编组”“忠诚僚机”和“诱饵”四种作战概念，以及将其用于压制摧毁敌防空、打击协调与侦察、反无人机、超视距运用、传感器空投、气象探测等 10 项任务。（二）在研项目简介在美国国防部的统一领导下，国防先进研究计划局（DARPA）、战略能力办公室（SCO），以及空军、海军等都开展了大量的研究和论证工作，启动了多个项目。这些项目在功能上相互独立、各有侧重，在体系上又

11、互为补充，融合发展。1 1.“小精灵小精灵”（GremlinsGremlins）项目）项目2014 年，DARPA 发 布 信 息 征 询 书（Request ForInformation，RFI），征求新的分布式空战能力。2015 年 8月，DARPA 在前期工作基础上宣布启动“小精灵”项目。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(ISR)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。图 1“小精灵”（Gremlins）项目2 2低成本无人机集群技术（低成本无人机集

12、群技术（LOCUSTLOCUST）项目）项目为实现无人机快速发射并进行集群作战，以达成对敌方的压倒性优势，美国海军研究办公室(ONR)开展名为低成本无人 机集 群技术(Low-Cost UAV Swarming Technology,LOCUST)的项目研究。项目旨在释放大量小型无人机，通过自适应组网及自治协调，对某个区域进行全面侦察并对诸如指控系统等的关键节点及目标进行攻击破坏等。图 2 LOCUST 无人机项目3“山鹑”（Perdix）项目美国国防部战略能力办公室（SCO）主导了“山鹑”(Perdix)微型无人机高速发射演示项目。2014 年 9 月，SCO 首次利用 F-16 战机开展“

13、山鹑”无人机空中发射试验。2017 年 1 月，美国军方公布了其近期开展的一次微型无人机蜂群演示。演示中，美国海军 3 架 F/A-18F“超级大黄蜂”战斗机以 0.6 马赫速度投放了 103 架 Perdix 无人机，这群小型无人机演示了先进的群体行为，如集体决策、自修正和自适应编队飞行。图 3 Perdix 项目4近战隐蔽自主无人一次性飞机（CICADA）项目该项目旨在通过空中布撒由 3D 打印、PCB 印刷电路板等制成的无动力自主滑翔无人机集群，在空中沿途收集电磁、气象等环境信息，从而实现按需对目标区域上空空域的精细化环境感知。图 4 CICADA 项目5进攻性蜂群使能战术（OFFSET

14、）项目2017 年 1 月，DARPA 发布了进攻性蜂群使能战术（OFFSET）项目的招标书。OFFSET 项目主要工作将聚焦于开放式软件与系统架构、博弈软件设计与基于博弈的社群开发、沉浸式交互技术、以及用于分布式机器人的机器人系统集成与算法开发，以开发并测试专为城市作战蜂群无人系统设计的蜂群战术。此外，DARPA 研究人员希望这种蜂群系统还能引出新的蜂群无人系统使能技术，比如分布式感知、可靠与弹性通信、分布式计算与分析、以及适应性集体行动等。图 5 OFFSET 项目6体系集成技术和试验（SoSITE）项目2014 年 5 月，DARPA 发布体系集成技术和试验(SoSITE)项目指南，寻求

15、开发并实现用于新技术快速集成的系统架构概念，无需对现有能力、系统或体系进行大规模重新设计。其目标是探索一种更新、更灵活的方式，将单个武器系统的能力分散到多个有人/无人/武器平台上。图 6 SoSITE 项目7拒止环境中协同作战（CODE）项目2014 年，DARPA 提出“拒止环境中协同作战”(CODE)项目。项目目标是发展一套包含协同算法的软件系统，可以适应带宽限制和通信干扰，减少任务指挥官的认知负担，通过自主能力、编队协同、人机接口和开放式架构支撑拒止环境下协同作战。图 7 CODE 项目及第一阶段任务模拟8对敌防空压制/摧毁蜂群作战（SEAD/DEAD）项目2009 和 2012 年，雷

16、神公司向空军分别交付了微型空射诱饵(MALD)和微型空射诱饵-干扰型(MALD-J)，并于 2013 年完成高速反辐射导弹(HARM)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(JSOW)，开发了对敌防空压制/摧毁(SEAD/DEAD)的空射集群作战样式。图 8 SEAD/DEAD 项目（三）国外无人系统集群作战演示验证和实战战例在研究的模拟试验中，装有传感器和武器的 100 架无人机集群与现有的一个可部署单位进行了作战效能的比较，结果无人机集群摧毁了 63 个目标并探测到 91的敌军部队，而现有的可部署单位只消灭了 11 个目标，只探测到 33的敌军部队。试验充分展现了无人系统集群作战极为可观的作战效能。因此，近年来不少国家在陆海空战场领域都展开了无人系统集群作战的研究。在陆地战场，以地面无人系统为主体的集群作战已经走上战场并初露锋芒。2017 年 1 月 19 日，俄军在叙利亚首次使用战斗机器人参加作战行动。据悉，俄军是在支持叙利亚军队攻占位于拉塔基亚郊区名为 754.5 高地的战斗中使用了两种型号共 10 部战斗机器人，分别是 6 部