无人机集群作战系统的新发展及趋势分析_刘箴.pdf

第 卷 第 期 年 月弹 箭 与 制 导 学 报 ，.：收稿日期：作者简介：刘箴（），女，陕西西安人，高级工程师，研究方向：制导武器、弹药技术情报。无人机集群作战系统的新发展及趋势分析刘 箴，吴馨远，许洁心（西安现代控制技术研究所，西安）摘 要：无人机集群技术的快速发展未来战场新的作战模式，主要分析了美国、俄罗斯、以色列、英国等军事强国正在发展的无人机集群作战系统的现状，包括“小精灵”、“郊狼”、“闪电”等无人机蜂群项目和“天空博格人”、“蚊子”、“猎人”等“忠诚僚机”项目，另外还介绍了基于无人机集群技术的美国“金色部落”弹药蜂群项目，在此基础上，在无人机集群作战系统模块化设计、低成本化发展、多平台应用以及前沿技术探索等方面总结分析了未来的发展趋势。关键词：无人机蜂群；集群作战；弹药蜂群；忠诚僚机；反无人机系统中图分类号：；文献标志码：，（，）：，：；引言无人机集群作战是未来战争的新模式，世界军事强国利用人工智能及自主技术的快速发展，进一步提升武器系统的自主化水平，发展无人机协同及集群编队作战能力。随着机器学习、自主作战等人工智能技术的进一步快速发展，无人机集群项目的研究、试验以及演示验证也得到了进一步推进。年，美国、俄罗斯、英国、以色列等国家在无人机集群作战系统方面进行了广泛的试验，包括无人机蜂群和无人忠诚僚机，为今后无人机 有人机协同作战和无人机自主作战进行技术储备。以美国“金色部落”项目为代表的弹药蜂群项目也取得了里程碑式的进展，在成功完成实弹试验之后，后续工作将转到数字实验室进行，为弹药蜂群的发展打开一条崭新的思路。另外，无人机网络、导航、充电等前沿技术也在积极探索中，为无人机集群作战奠定基础。国外无人机集群作战系统新发展无人机集群的特点是去中心化分布式作战、高度的自主性、网络化通信、协同任务规划等，作战优势明显、成本低、效能高、数量多、人员伤亡小、补充快、战场生存能力强。美国最先提出了分布式作战理念，作战体系需要部署一定数量的具备协同、分布式作战能力的小型无人机，通过智能、自主、协同等技术完成情报、监视、侦察、干扰、打击等作战任务，必要时只需少量有人平台参与；为降低作战成本，部分无人机还可回收和重复使用，而无人机集群作战是美军分布式作战思路的典型代表。无人机集群协同攻击方式主要有两种：一种是集群内无人机相互协同自主作战，另一种是无人机集群与有人机协同作战，有人机指挥无人机作战，提高作战效能。目前，无人机集群独立作战还难以实现，无第 期刘箴等：无人机集群作战系统的新发展及趋势分析人机集群与有人机相互配合，可以充分发挥两者的优势，取长补短，更加有效地完成作战任务。因此，有人 无人协同作战将是未来无人作战系统作战模式的重要方向。有人 无人协同作战有两种模式：有人机 无人机蜂群协同模式和“忠诚僚机”模式。在有人机 无人机蜂群协同模式中，无人机自主性更强，无人机集群在少量有人机的辅助下完成作战任务，对有人机要求降低，逐步向无人机集群作战过渡。未来一段时间内，有人机 无人机蜂群协同模式将是有人 无人机协同作战的一个重要发展方向。“忠诚僚机”作战模式是将第 代有人机与无人机编组，有人机作为长机，无人机充当僚机，有人机控制无人机进行协同作战的模式。“忠诚僚机”模式对单个无人机平台要求较高，造价相对昂贵，可执行空对地攻击、电子战、侦察诱饵干扰等多种任务，是无人机向主战方向发展的代表机型。基于以上背景，世界多国都在积极进行无人机集群作战系统的研究，并进行了多次演示验证试验，包括无人机蜂群的演示验证试验和“忠诚僚机”试验，并积极推动“忠诚僚机”作战无人机的发展。美国、俄罗斯、英国、印度、南非等多个国家积极推动无人机蜂群技术，拓展集群无人机发射平台，并在人工智能、通讯与组网等前沿技术方面进行积极探索。美国美国在无人机集群作战领域处于世界领先地位，核心理念是分布式作战，无人机可回收和重复使用。美国正在开展的典型无人机蜂群系统项目包括“小精灵”（）、“郊狼”（）、“山鹑”（）、“蝗虫”（）、“进攻性蜂群使能战术”（）等。基于以上项目，美国近期在无人机投放与回收、组网与编队飞行、蜂群作战等领域进行了重点验证，目前已突破了蜂群空中投放、集群组网与通信、蜂群协同、智能决策与规划等关键技术，正向综合集成飞行试验转变。“小精灵”（）项目“小精灵”项目由美国国防预先研究计划局（）于 年 月启动，是由运输飞机平台发射、可部分回收、价格低廉的无人机蜂群系统，以降低多用途、价格高昂的空中平台在恶劣战场环境下作战的风险，并在降低作战成本的基础上，进一步提高无人机的战术灵活性。公司获得“小精灵”项目的研发合同，开展“小精灵”作战系统的详细设计和制造，并进行演示验证飞行试验，验证空中发射和回收无人机蜂群的可行性及作战能力。最初“小精灵”项目研制工作分为 个阶段，由于作战潜力较大，和美国空军决定增加第 阶段，聚焦作战能力验证，在两年时间里使无人机能执行压制 摧毁防空任务。项目中的“小精灵”无人机由 公司研制，主要运载和投放平台是“大力神”运输机。近期，“小 精 灵”无 人 机 进 行 了 一 系 列 的 试验，发展路线如图 所示。图 小精灵发展路线图 希望“小精灵”无人机能够执行情报、监视、侦察、攻击目标等多种任务。如图 所示，公司计划在空中重新武装“小精灵”无人机并重新部署，无人机在执行完一个任务之后返回母机，然后加弹 箭 与 制 导 学 报第 卷油和重新武装，执行另一次攻击任务。在此过程中，模块化设计使“小精灵”很容易从一个角色切换到另一个角色。图 首次试验成功在空中回收一架“小精灵”无人机“小精灵”项目的一个关键方面是无人机可以重复使用，目标是每架“小精灵”无人机能够重复使用 次，比一次性无人机更经济。“小精灵”无人机的有效载荷为 ，无人机可能携带一枚小型炸弹、一架或多架更小型的攻击无人机或巡飞弹药，这种“俄罗斯套娃”模式日益得到关注。“小精灵”无人机尺寸足够大，可以携带 无人机，而 可以携带一系列进攻性有效载荷。正在由美国陆军为其“空中发射效应”（）项目开发，并用先进的人工智能技术进行升级。“小精灵”无人机携带子无人机可增加战场生存能力，同时也可迷惑防御方的雷达。约 架“小精灵”无人机可以一次被齐射，可能分别执行侦察、电子战和打击无人机的任务。无人机蜂群采用集群软件，以最 少 的 人 员 有 效 协 调 无 人 机 的行动。希望未来“小精灵”无人机项目能使轰炸机、运输机或战斗机等小型飞机发射装有传感器的小型无人机群，母机将远离敌人的防御范围，无人机蜂群将飞入危险区域，执行情报、监视、侦察或电子战等任务。“进攻性蜂群使能战术”（）项目 于 年启动了“进攻性蜂群使能战术”项目，开发由 个平台组成的自主作战无人机蜂群，在城市作战中协同小型地面部队，提供重要的态势感知信息，提高在城市环境下作战效能。项目自启动以来，在全美效能进行外场实验来测试其能力，近期试验主要包括：年 月，项目进行了第 次外场试验，验证了 个异构无人机蜂群在城区进行突袭作战任务。蜂群发现了建筑物内的多个模拟目标，并实现了以触摸屏或手势等方式指控无人蜂群、绘制建筑物内地形、以及自动分配资源等功能。年 月，项目进行了第 次试验，研究人员测试了自主空中飞行器和地面车辆集群，并寻求开发大规模自主系统编队，能够支援地面部队在市区环境作战。诺斯罗普格鲁曼任务系统公司和雷锡恩 技术公司，为 系统创建蜂群系统架构、界面、以及虚拟和物理集群试验台，并测试了其自主平台，包括地面车辆、多旋翼和固定翼飞机，在一个多级、交互式场景中定位和保护多个与城市作战场景相关的模拟目标。年 月，项目进行了最后一次外场试验，一名操作员可一次操作数百架无人机，检验了复杂环境中多机器人系统的适应性。的研究人员已经开发了基于平板电脑及虚拟现实界面来控制无人机蜂群的技术，他们使用这些界面部署了 多个机器人，绘制出区域地图，并在避开模拟敌人的同时识别高价值目标。项目目前可使无人机和巡飞弹编队，使用连接到操作员界面的数字库进行数十次机动。“雀鹰”（）集群无人机“雀鹰”无人机是从通用原子公司竞争“小精灵”项目失败机型的迭代设计，以降低成本，增加新的任务能力，是空中发射和回收的演示机型，研发的重点是先进战斗管理系统的 技术，如图 所示。图 “雀鹰”无人机与“小精灵”的设计不同，“雀鹰”无需有人驾驶飞机平台发射和回收，而采用了中空长航时无人机平台作为母机，典型的是“守卫者”、“灰鹰”无人机，“女武神”无人机同样也具备装载“雀鹰”的能力，这一重要区别带来了设计理念、作战第 期刘箴等：无人机集群作战系统的新发展及趋势分析模式和战技指标方面的巨大差异，可以为更大型无人机带来“改变游戏规则”的新能力。“雀鹰”与“小精灵”无人机的性能参数对比如表 所示。表 “小精灵”和“雀鹰”无人机性能参数对比参数及特征“小精灵”无人机“雀鹰”无人机长 宽 高 重 翼展 最大起飞重量 动力系统 涡扇发动机混合电动推进系统最大巡航时间 最大有效载荷 航程 最大速度（）最大高度 （发射）、（回收）（飞行）发射数量 回收（数量）（重复使用次数）有效载荷光电成像 红外系统，成像合成孔径雷达，激光指示器，电子战支援 电子攻击设备，动力学载荷成像雷达，（信号情报）设 备，干 扰器，日间 夜间成像传感器，动力学载荷任务类型电子战、侦察、攻击电子战、干扰敌方雷达，（信号情报）、侦察、攻击发射平台“大力神”运输机“守 卫者”、“灰鹰”，“女武神”无人机 年 月，通用原子公司进行了“雀鹰”无人机的首次系留挂载飞行试验，“雀鹰”由 无人机运载，但没有发射，试验目的是收集系统以及发射平台在许多情况下处理飞行应力的数据，年，通用原子公司首次披露“雀鹰”无人机在飞行中被回收至 无人机的细节。等大型无人机发射更小型无人机，小型无人机有可能进行半自主合作，甚至成为完全自主集群的一部分。“雀鹰”无人机扩展了 等大型无人机传感器的性能，增加了情报、监视和侦察范围，也可进行防区内电子战干扰，甚至前出作战，充当诱饵使敌方综合防空系统致盲并致其迷惑，并且“雀鹰”的目标特征小于，这将很大程度增加发射平台的生存能力，甚至为其他有人和无人机、以及防区外打击导弹开辟一条路径。另外，若配备战斗部，“雀鹰”还可作为巡飞弹发挥作用。“雀鹰”无人机采用 软件定义的控制站进行控制，该控制站驻留在笔记本电脑上，而不是标准的地面控制站，减少了系统的后勤占用空间。近年来通用原子公司一直在探索以大型无人机发射小型无人机集群的技术体系。“灰鹰”无人机可携带 枚巡飞弹，美国陆军已经选择 作为空射效应（）无人机集群的搭载平台。“郊狼”（）巡飞弹“郊狼”巡飞弹由雷锡恩公司研制，现已形成一个系列，包括“郊狼”基本型、“郊狼”、“郊狼”，“郊狼”正在研制中。基本型“郊狼”巡飞弹长 ，重 ，续航时间超过，由电池提供动力，最大速度为 ，采用管式发射装置发射，如图 所示。图 基本型“郊狼”巡飞弹“郊狼”预计将成为海军、空军和陆军众多后续行动和项目的基础。美国军方已经完成了“郊狼”无人集群技术的研究，并将其移交给空军、陆军、海军和海军陆战队。美海军研究办公室通过 无人机蜂群项目，已对“郊狼”巡飞弹开展多次编队飞行试验，均采用“人在回路”任务模式。年 月和 月，在两次“金色部落”自主弹药蜂群技术演示中，所使用的弹 箭 与 制 导 学 报第 卷“小直径炸弹”（）实现了弹间通信，达到了半自主武器的水平；年 月，“郊狼”巡飞弹的自主性模块已转化到了“先锋”（）计划中的“金色部落”项目。除了作为无人机集群的重要组成部分之外，“郊狼”在其它领域也进行了功能拓展。“郊狼”巡飞弹与雷锡恩公司的 波段射频系统相集成，形成美国陆军的“呼啸者”反无人机系统。年 月，可重复使用的“郊狼”改型在美国陆军组织的一次试验中演示了摧毁集群无人机的能力。“郊狼”采用了非动力学战斗部消灭敌方的无人机，减少附带毁伤，并且在不离开战场的情况下可以被回收、翻新并重复使用。实验中，“郊狼”攻击和摧毁了 架异构无人机蜂群，实现了几个突破：空对空非动力学摧毁、相同试验中的生存性、回收、翻新和重新使用