无人机集群作战概念发展对未来战场攻防影响

小三峡大京九 2019-04-19

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转自：战术导弹技术

本文选自《战术导弹技术》2019年第1期

作者：党爱国，王坤，王延密，王晓兵

摘要：针对无人机集群作战技术的快速发展，梳理了国外典型无人机集群作战研究项目，通过分析得出了无人机集群作战条件下战场攻势行动的新特点:战场覆盖全域化、作战行为智能化、侦察打击实时化;分析了无人机集群作战条件下战场设施防护面临的新挑战:威胁探测难、战场防护难、体系稳定受到威胁。研究结论对于预见未来战争作战模式、认清未来战场攻防特点具有参考价值。

关键词：无人机集群; 战场; 攻防; 战场设施防护

无人机（UAV）是无人驾驶飞机的简称，最早出现在20世纪二十年代，1914年第一次世界大战期间，英国的卡德尔和皮切尔两位将军，向英国军事航空学会提出了一项建议：研制一种不用人驾驶，而用无线电操纵的小型飞机，使它能够飞到目标区域上空，将携带的炸弹投下去。时至今日，无人机的发展已从单机按照指令执行作战任务发展到无人机集群作战的智能化阶段。

1无人机集群作战概念的由来及发展

1.1 无人机集群作战概念的由来

早在1959年，法国生物学家PierrePaul Grasse就研究发现，昆虫之间存在高度结构化组织，蜂群内部分工明确，个体之间信息充分交流，社会行为丰富多彩，能够完成远远超出个体能力的复杂任务。无人机集群概念的灵感正是来源于对昆虫蜜蜂的仿生研究，其研究目标就是在一定的任务背景下，通过对群聚生物的信息交互与协作行为进行模仿，使机群作为一个系统整体，智能化协同、自主化动作，完成单机平台难以完成的作战任务。因此，无人机集群作战也被形象地称为“蜂群”作战。

美国国防高级研究计划局（DARPA）早在2000年就曾对无人机集群空战进行了仿真研究，但美军真正大规模开展系统层实物研究是在“第三次抵消战略”之后。美军认为，世界军事强国日益完善的一体化防空系统对其全球介入能力构成了巨大威胁，急需改变观念，开发出具有经济可承受性且能满足作战能力要求的武器系统，继续保持其在强对抗环境下的绝对优势。于是，美国防部于2014年提出了“第三次抵消战略”，该战略的核心任务是构建和部署全球监视和打击网络，及时在全球任何地点发现目标并迅速向目标地点投送兵力，从而有效应对潜在敌人的反介入/区域拒止能力提升，并明确驱动此轮“抵消战略”的五个关键技术领域：具有自主学习能力的机器、人机协作、人类作战行动辅助系统、先进有人/无人作战编制、针对网络（攻击）和电子战环境进行加固的网络赋能自主武器等。无人机集群作战概念正是在这种需求牵引下应运而生，蓬勃发展。

1.2 国外无人机集群作战的发展脉络

鉴于无人机在局部战争中的优异表现，美国国防部自2000年起，定期发布其无人（机）系统发展路线图，根据反恐战争和无人机技术开发过程中积累的大量经验，不断调整和完善路线图的编订工作，使每版路线图既涵盖对前期无人（机）系统发展的总结，又体现出对未来的展望。2000年及2002年版路线图名称均为无人机路线图，05版起名称由无人机变为无人机系统，使无人机的发展从系统的角度（飞行平台、通信、载荷）进行分析、评价和预测，为无人机系统未来解决通用化、互操作性、与整个作战系统的综合等问题提供了基础。自2007版起路线图名称由无人机系统变为无人系统，包括无人机(UAS)、无人驾驶地面车辆（UGV）、无人驾驶海上航行器（UMV）。

美国空军于2009年发布《2009-2047美国空军无人机系统飞行计划》，旨在对未来无人机系统发展提出设想和提供指导，不断增强空军无人机系统的自动化、模块化、可持续发展，以期打造一支更精干、更具适应性、可定制的无人机部队。2014年，美空军公布名为《遥控驾驶飞机指导：愿景与赋能概念2013—2038》的无人机系统路线图，明确了美空军无人机系统，特别是中高端无人机（RPA，起飞重量大于600Kg）系统的发展方向、重点和途径。2016年，美国空军发布了首份针对小型无人机系统（SUAS，起飞重量小于600 kg）的飞行规划——《2016-2036年小型无人机系统飞行计划》，规划首次从战略层面认可并系统阐述了SUAS的前景和价值，描述了“蜂群”“编组”“忠诚僚机”“诱饵”等SUAS基本运用概念，对SUAS用于压制/摧毁敌防空、打击协调与侦察、反UAS、超视距运用等任务进行了说明和想定描绘，提出了SUAS近、中、远期发展规划及目标。

2国外典型无人机集群作战研究项目

“三个臭皮匠，胜过诸葛亮”。根据战争理论中著名的兰彻斯特（Lanchester）定律可知，作战单元数量是比单元作战能力更重要的胜负决定因素，因此，将功能高度集成、造价高昂的多任务武器系统分解为若干低成本的小规模作战平台，在提高胜率的同时，又可以大幅降低作战成本，实现作战行动的较高效费比。鉴于对无人机集群作战效能的高度期望值，世界各军事强国均致力于开展无人机集群作战研究，其中以美国的发展最具代表性。在美国国防部的统一领导下，美国国防高级研究计划局（DARPA）、战略能力办公室（SCO）和陆、海、空军都展开了大量的研究工作，启动了多个项目，典型的有：“小精灵”（Gremlins）项目、拒止环境中协同作战项目（CODE）、“山鹑”（Perdix）微型无人机项目、低成本无人机集群技术项目(LOCUST)等，如表1所示。

2.1 “小精灵”（Gremlins）项目

2015年8月，DARPA在宣布启动“小精灵”项目，如图1所示。该项目的重点是小型无人机集群的空中发射和回收，目标是在前期研究的基础上，研究低成本、可回收的无人机，同时为运输机、轰炸机等载机平台中开发一个发射和回收装置，实现无人机集群空中快速发射和回收，使得未来作战飞机可快速部署廉价、可重复使用的无人机集群。美国《航空周刊网站》2017年3月15日报道，DARPA选择GA-ASI和Dynetics两家公司进入项目第2阶段，设计全尺寸验证方案，在地面试验验证关键技术，并对安全系统和发射回收系统开展飞行试验。2018年初，DAPRA选择Dynetics公司进入周期21个月的项目第3阶段，2019年底将会在C-130运输机上实施多架无人机的发射和安全回收试验。

图1 “小精灵项目”

2.2拒止环境中协同作战（CODE）项目

DARPA认为，尽管无人机在战场上各任务领域的价值已得到广泛认可，但未来战场更加变化莫测，作战环境更加对抗激烈，美军及盟军将面临更加严峻的威胁，现役无人机已不能满足未来战争需要，必须开发协同算法使未来的无人机能够彼此帮助。2014年，DARPA提出CODE项目，旨在通过开发包含编队协同算法的模块化软件系统，发展无人机协同作战的自主能力，形成一套智能集群无人机协同作战体系架构。集群编队通过成员间信息共享可及时感知编队中成员功能受损情况，并通过自主协同确保集群仍可以有序的执行任务。CODE项目划分为三个阶段，第一个阶段已在2016年年初结束，第二阶段从2016年年初截止到2017年年中，第三阶段将在2018年年底结束，通过三个阶段的飞行试验，发展和验证全任务能力。

2.3 “山鹑”（Perdix）项目

为验证无人机在空中相互通信并自主组成集群编队的能力，美国国防部战略能力办公室（SCO）主导了“山鹑”微型无人机项目。2014年9月至2015年6月，SCO分别利用F-16战机开展了“山鹑”空中发射和编队系列试验。2016年10月26日，“山鹑”无人机集群飞行试验在美国加利福尼亚州中国湖（China Lake）基地成功进行。试验中，3架F/A-18战斗机释放出103架无人机，组成集群，没有经过预先设定程序，而是通过集群间共享信息进行决策，相互协调行动，快速飞行的集群以很高的精度通过一系列航路点，顺利到达控制者设定的目标位置。

图2 “山鹑”（Perdix）项目

2.4 低成本无人机集群技术 (LOCUST) 项目

LOCUST项目由海军研究办公室（ONR）领导，乔治亚州理工大学参与，旨在发展快速释放大量小型无人机，通过自适应组网及自主协同技术，携带各类侦察与攻击载荷，在数量上以压倒性的绝对优势赢得战争的能力。ONR于2015年公布了LOCUST项目，并选择使用雷神公司的“郊狼”小型无人机进行试验。2016年5月，ONR和乔治亚州理工大学联合发布了一份视频，显示该项目已于当年4月完成了30s内30架“郊狼”无人机的快速连续发射试验，并成功验证了无人机编队飞行、队形变换、协同机动能力。ONR项目经理表示，这种自主等级的无人机“蜂群”飞行试验之前从未有过，无人机可配载多种有效载荷，能吸引敌方的防空火力，使得传统武器系统能够执行其他任务，从而有效降低作战人员风险。

3无人机集群作战条件下战场攻势行动新特点

尽管无人机集群作战目前仍处于关键技术研发和试验验证阶段，但就其概念演示而言，无疑已经初步显露出未来战场作战方式的端倪。这一具有颠覆性意义的技术，一旦成熟并应用于战场，必将为战场进攻作战行动带来新的特点和变化。

3.1 战场覆盖全域化，攻势行动“无微不至”

在美国空军提出的《2016—2036年小型无人机系统飞行规划》里，描述了其构建横跨航空、太空、网空三大作战疆域的小型无人机系统的目标，并在2036年实现无人机集群作战。无人机集群作战的核心关键技术之一是集群内的信息共享、智能决策和协同行动，这一技术的最终成熟，势必大幅推进海、陆、空、天、潜不同类型无人平台系统的军事应用，引发其他空间领域无人化集群作战系统大量涌现，集群概念将覆盖到海陆空天潜全疆域，届时，空中“蜂群”“鸟群”、陆上“兽群”“虫群”、海上“鱼群”“虾群”将充斥整个战场空间。同时，由于集群作战系统所依托的是大量低成本、次复杂子系统，开发成本和牺牲成本远远小于传统的多任务复杂系统，可进行大规模部署而不用过分担心作战成本问题，作战单元能够散布到战场细微空间，战场控制方式从传统的“能力覆盖”向实际占领转变，传统武器系统的作战盲区和能力空白得到有效填补，进攻行动将充斥战场每个角落。

3.2 作战行为智能化，协同动作“浑然一体”

美国将无人机自主控制的能力分为10个等级，其中最高等级为集群自主控制，这一最高控制等级要求无人机集群系统在复杂环境下实现无人多任务目标全自主规划，目前，美国无人机集群技术研究也正在朝着这个目标努力。2016年4月，美国海军研究办公室成功进行了30架“郊狼”无人机30s内快速发射和编队飞行试验，其项目经理表示这是截至当时自主级别最高的无人机集群飞行试验。而在同年10月，美国国防部战略能力办公室组织的“山鹑”无人机集群试验中，103架无人机由3架F/A-18战斗机释放，并成功组成集群，自主完成了预定任务。可见，在无人机集群自主协同研究的道路上，用“一日千里”形容其进展也并不为过。无人机集群自主控制技术有几个重要的特点：①去中心化。集群的每一个个体都处在平等地位，任何一个个体消失或丧失功能，整个编队依然能够有序执行任务。②高度自主。飞行期间没有人为操控，集群中每个成员都与其他成员保持联络和通讯，掌握其位置和状态信息，但不对其他成员个体产生主动影响，只控制自身行动。③高度自治。所有个体自然形成一个稳定的集群结构，任何一个个体功能受损或脱离集群，其他成员能够自动补位，新的集群结构排列快速自动形成并保持稳定。这些特点使得无人机集群成员之间的能够高效稳定协同，不会因为外部扰动而导致集群能力空缺或断链。

3.3 侦察打击实时化，指挥控制“无缝对接”

侦-控-打-评，是作战行动的基本程序，形成了打击周期的闭合链路，而其中每一环节的执行效率则决定了作战行动周期的长短和最终作战效率。尽管无人机集群自主决策无法取代人在解决模糊问题和新问题方面的作用，但是自动化情报收集、传输、处理能够大幅提高战场信息数据的处理速度，加快作战节奏。同时，传统的功能高度集成的复杂任务系统经过分解，并赋予无人机集群各子系统之后，“侦”“控”“打”“评”呈现物理结构分散、作战功能一体的显著特征，这样保证了各个功能子系统的持续稳定，任务执行更加迅速高效，战场指挥控制更加流畅、“无缝对接”。

4 无人机集群作战概念下战场设施防护面临的新挑战

攻与防是战场上永恒不变的一对矛盾，二者总是在此消彼长的“跷跷板”式动态平衡中向前发展。无人机集群作战这一改变传统作战方式的颠覆性作战理念，为战场设施防护带来了全新挑战。

4.1 威胁探测形同“大海捞针”

探测识别威胁是做好针对性防护的前提，没有有效的探测手段，防护行动无异于“盲人瞎马”。无人机集群作战情况下，战场设施防护面临的首要问题就是探测捕捉难。无人机单个目标特征太小，对集群攻击中单个无人机目标的识别、瞄准、锁定十分困难。例如，美国海军研究办公室LOCUST项目采用的廉价“郊狼”型无人机，长1m左右，重约5.44~6.33kg。美国防部战略能力办公室主导“山鹑”项目中，使用的“山鹑”无人机，机身使用碳纤维、凯芙拉等材料，配备锂聚合物电池，整机重量仅为0.45kg，尺寸不足一部苹果6 Plus手机。这类无人机尺寸小，而且采用特殊材料，电磁信号特征十分小，难以被有效探测和锁定。

4.2 战场防护难以“面面俱到”

无人机集群因其目标特征小、部署数量多等特点，对现代防空体系具有很强的突防能力。目前防空系统对于诸如超音速巡航导弹、喷气式战斗机等传统武器系统具有很高的作战效能，但如果面对一群彼此协作的无人机，其效果则不尽人意。美国海军在2012 年曾对“伯克”级驱逐舰遭受无人机“蜂群” 攻击的情况进行过研究，结果其“宙斯盾”系统在应对无人机集群攻击时就显得力不从心。一方面，由于小型无人机的雷达信号特征很小，等发现时已经来不及使用导弹或舰炮拦截；另一方面，由于来袭无人机数量众多，对舰艇进行超饱和攻击，防御系统难以合理分配火力，导致部分无人机能够避开拦截，成功突防。美国对这一作战模式进行的数百次模拟表明，由8架无人机组成的集群进行攻击时，可实现突防的有2.8架。如果无人机数量进一步增加，那么防御系统也只能拦截到前面的7架左右。由此可见，即便是这种世界上防御最为严密的空防系统，面对无人机集群攻击时，仍显力不从心，遑论其他。