[技術前沿]無人機蜂群作戰(zhàn)樣式及反蜂群策略研究
科技進步和軍事需求的聯(lián)合有助于下，無人機蜂群作戰(zhàn)成為一種新興的并能夠改變戰(zhàn)爭規(guī)則的顛覆性作戰(zhàn)樣式，各軍事強國圍繞“蜂群技術和戰(zhàn)術”展開了激烈的競爭。介紹了無人機蜂群的作戰(zhàn)概念及優(yōu)勢，歸納了國外無人機蜂群作戰(zhàn)樣式的進展狀況?；趥鹘y(tǒng)裝備反蜂群能力不足與缺點，總結與分析了反蜂群裝備與技術開展趨勢，并針對反蜂群開展手段強、運用弱的現(xiàn)狀，提出殺傷鏈動態(tài)構建策略，為后續(xù)綜合利用多種反蜂群裝備實現(xiàn)體系化對抗，提升防空體系整體效能奠定了基礎。
引言
繼納卡戰(zhàn)爭、也門戰(zhàn)爭、敘利亞戰(zhàn)爭等局部沖突后，俄烏戰(zhàn)爭再次把世界目光聚焦到人機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要作用，各種類型無人機以單體或群體、“無人機+”（如無人機+導彈混編）等形式投入戰(zhàn)場，創(chuàng)造了大量的成功戰(zhàn)例，隨之帶來對作戰(zhàn)模式的深遠影響。其中，作為無人作戰(zhàn)的高級形式——無人機蜂群作戰(zhàn)，集合了無人機和蜂群作戰(zhàn)的特點，具有數(shù)量、成本、智能協(xié)同等優(yōu)勢，是奪取制空權，打贏現(xiàn)代戰(zhàn)爭的前沿武器。
為此，面對無人機蜂群這一新型智能空中作戰(zhàn)體系，本文從無人機蜂群作戰(zhàn)的基本概念及作戰(zhàn)優(yōu)勢入手，梳理了國外在開展無人機蜂群技術方面的現(xiàn)實舉措，針對傳統(tǒng)裝備反蜂群能力不足，重點分析當前反無人機蜂群的最新技術舉措，為有助于無人機蜂群的作戰(zhàn)應用和反蜂群策略研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。
1 無人機蜂群作戰(zhàn)概念及作戰(zhàn)優(yōu)勢
1.1 概念
無人機蜂群指基于一定智能化水平的無人機群組，順利獲得模擬生物集群行為策略，按照去中心化方式實施管理，實現(xiàn)高智能自主協(xié)同的作戰(zhàn)活動。美軍于20世紀90年代末率先提出了無人機蜂群作戰(zhàn)概念，并召開了一系列概念完善和技術積累工作。2018年11月29日，美國智庫布魯金斯學會高級研究員邁克爾·奧漢隆發(fā)布題為《人工智能在未來戰(zhàn)爭中的作用》的報告，以2040年左右構建的俄羅斯與北約在波羅的海附近發(fā)生的沖突為背景，分析了人工智能技術，尤其是無人機蜂群可能在未來戰(zhàn)爭中的應用。2019年，美國空軍助理部長威爾·羅珀在《空軍》雜志上發(fā)表了題為《蜂群：備戰(zhàn)未來空戰(zhàn)》的文章，明確指出：“蜂群作戰(zhàn)就是未來戰(zhàn)爭的樣式”，并將其作為一項可以改變戰(zhàn)場規(guī)則的顛覆性技術加以大力開展。
1.2 作戰(zhàn)優(yōu)勢
以小巧的、功能專業(yè)的“蜂”，順利獲得大幅增加功能種類和數(shù)量規(guī)模，形成復雜的、強大的“群”作戰(zhàn)效能，這一設計思路決定了“蜂群”戰(zhàn)術的作戰(zhàn)優(yōu)勢：①具備數(shù)量優(yōu)勢，可以為實施“飽和攻擊”創(chuàng)造條件；②去中心化，動態(tài)靈活的編隊組網(wǎng)方式，提升群體協(xié)同作戰(zhàn)能力；③載荷豐富，形成結構各異、功能互補的單體，使“蜂群”具備遠超單體的打擊能力；④突防能力強，作戰(zhàn)低耗高效，價格低廉的蜂群重復執(zhí)行高密度、不間斷襲擊等作戰(zhàn)任務，非對稱式消耗敵方的高價值武器，使應對力不從心。圖1為無人機蜂群及協(xié)同作戰(zhàn)模式。
圖1 無人機蜂群及協(xié)同作戰(zhàn)模式Fig. 1 Style and cooperative operation mode of UAV swarm
2 國外無人機蜂群技術開展概況
隨著無人機技術、組網(wǎng)協(xié)同、低延時通信、高精度導航定位以及人工智能等相關技術的迅速開展，現(xiàn)在各國均對無人機蜂群表現(xiàn)高度關注和認可，加強持續(xù)投入，大力研發(fā)自主式無人機“蜂群”技術，以期待順利獲得提升新質(zhì)戰(zhàn)斗力保持作戰(zhàn)能力優(yōu)勢。
2.1 美國
美軍認為無人機蜂群是現(xiàn)在世界上最具成本效益和作戰(zhàn)威力的武器裝備，召開對無人機蜂群技術研究能實現(xiàn)強軍事對抗環(huán)境下的非對稱優(yōu)勢?，F(xiàn)在美海軍研究實驗室（naval research laboratory，NRL）、國防部戰(zhàn)略能力辦公室（strategic capabilities office，SCO）、海軍研究局（office of naval research，ONR）、國防高級研究計劃局（defense advanced research projects agency，DARPA）、美國空軍等部門持續(xù)推進前期的理論研究成果轉(zhuǎn)換，召開多個項目的戰(zhàn)法創(chuàng)新、關鍵技術攻關、演示驗證試驗等，從偵察打擊、集群攻擊、有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)等功能上全面推進無人機蜂群作戰(zhàn)技術的快速開展，具有代表性的項目如表1所示。其中，“小精靈”（Gremlins）項目、“進攻性蜂群使能戰(zhàn)術”（offensive swarm-enabled tactics，OFFSET）項目、“天空博格人”（Skyborg）項目等最為典型。
表1 美軍無人機蜂群典型項目Table 1 Typical projects of American drone swarm
2.1.1 “小精靈”（Gremlins）項目
“小精靈”無人機是一種由有人機在敵防區(qū)外投放，可部分回收使用的低成本無人機，主要用于驗證和評估智能無人機集群的投放及回收技術，預計使用壽命20次飛行。“小精靈”無人機的尺寸與1枚巡航導彈相當，最大飛行速度850 km/h，最大航程556 km。多架“小精靈”在空中組網(wǎng)，相互協(xié)作組成任務功能完備的作戰(zhàn)綜合體，在執(zhí)行任務過程中，幸存的無人機能夠及時彌補某些無人機損失后所引起的任務功能缺失。
現(xiàn)在已在C-130上進行空中發(fā)射試驗。在該項目第3階段，2020年11月的飛行試驗驗證了無人機自主編隊飛行能力，但是9次空中對接嘗試均告失敗；2021年10月，DARPA第4次部署在猶他州試驗場，涉及2架小型無人機，其中一架“小精靈”無人機由C-130在空中成功回收（圖2），第2架在飛行期間被摧毀，由此可見，在當前技術水平下，無人機空中回收的難度仍然很大。
圖2 “小精靈”無人機及執(zhí)行任務Fig. 2 Missions of“Gremlins”drones
2.1.2 “進攻性蜂群使能戰(zhàn)術”（OFFSET）項目
“進攻性蜂群使能戰(zhàn)術”（OFFSET）項目聚焦于提高小規(guī)模作戰(zhàn)部隊在復雜城市環(huán)境下作戰(zhàn)的有效性。自2016年末OFFSET項目啟動以來，已經(jīng)進行了6次實地試驗，每次“蜂群沖刺”目的是從蜂群戰(zhàn)術、蜂群自治、人機組隊、虛擬環(huán)境以及物理實驗平臺5個關鍵技術中的一個或多個為研究對象，力求在某一方面得以突破。2021年11月，DARPA在田納西州完成了OFFSET項目的第6次城市突襲任務，如圖3所示，從現(xiàn)場驗證了美軍智能作戰(zhàn)體系集成技術正在迅速接近未來作戰(zhàn)的可用性。
圖3 OFFSET項目第6次城市突襲任務試驗Fig. 3 The sixth test Urban raid mission of OFFSET project
2.1.3 “天空博格人”（Skyborg）項目
“天空博格人”項目旨在開發(fā)一種人工智能系統(tǒng)，既可以裝備無人機上也可以裝備在有人機上，最終實現(xiàn)虛擬副駕駛和自主無人機作戰(zhàn)飛機能力。該項目主要聚焦于自主起飛和降落；飛行中可避開障礙物、地形、惡劣天氣和其他飛機；將有效載荷和飛機的機身分離，允許模塊化調(diào)整，實現(xiàn)快速配置更換和采用開放式架構4方面的能力。XQ-58A“女武神”隱身無人機是首例“天空博格人”項目支撐部分，2020年末已經(jīng)測試了XQ-58A無人僚機與F-22，F(xiàn)-35A及F-35B戰(zhàn)斗機編隊飛行和交換信息能力；2021年5月，美空軍使用最容易取得平臺的UTAP-22“鯖鯊”無人機完成了“天空博格人”項目“自主核心系統(tǒng)”（autonomy core system，ACS）首飛及第2次飛行試驗，計劃在2023年形成作戰(zhàn)能力。
2.2 歐洲
歐洲防務局于2016年11月啟動“歐洲蜂群”項目，召開無人機蜂群的任務自主決策、協(xié)同導航等關鍵技術研究。
英國防部持續(xù)推進無人機蜂群技術研究，不僅早于美軍創(chuàng)建無人機蜂群中隊，還召開了項目的若干演示驗證試驗。2021年初，英國防科學技術實驗室（Dstl）舉行了一項大規(guī)模的蜂群無人機競賽演示，該競賽作為“多無人機使作戰(zhàn)輕松項目”（many drones mark light work）的收官之作，演示5種不同類型和大小的20架無人機組成異構固定翼無人機蜂群，召開了超視距飛行試驗，試驗飛行了220多架次。另外，英皇家空軍蜂群無人機試驗項目于2021年10月進入新的測試階段，此次測試基于蜂群無人機平臺的多型載荷/通信系統(tǒng)。
俄羅斯也大力開展無人機蜂群技術，下一代戰(zhàn)斗機方案將于2025年公布，戰(zhàn)機飛行Ma可達4~5，并且能夠指揮控制5~10架裝備火力系統(tǒng)的無人機集群作戰(zhàn)；俄還在2020年用“前哨”、“海雕”-10、“獵戶座”三型無人機進行了首次空中“蜂群”試驗，使俄軍的分層覆蓋范圍達到250 km；2021年2月，首次曝光的俄國防部提議的新型“閃電”無人機蜂群項目，涉及從有人/無人平臺發(fā)射多架噴氣動力隱身無人機，執(zhí)行偵察、電子戰(zhàn)和打擊能力，主要用于突破敵軍防空系統(tǒng)。
此外，波蘭、以色列、土耳其也在穩(wěn)步推進無人機蜂群項目。波蘭WB集團正在推進由戰(zhàn)術偵察機和巡飛彈組成W2MPIR集群無人機系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在摧毀對手的分層防空系統(tǒng)；據(jù)《新科學家》（New Scientist）雜志報道，以色列軍隊在世界上第1次使用了人工智能引導蜂群無人機定位、識別和攻擊哈馬斯武裝力量，如圖4所示。土耳其軍方宣布將召開使用500架自殺式無人機實施大規(guī)模“蜂群戰(zhàn)術”攻擊的實驗。
圖4 以色列將無人機蜂群引入地區(qū)作戰(zhàn)中Fig. 4 Israel introduces drone swarm into regional operation
2.3 其他地區(qū)
韓國陸軍早在2017年透露正以朝鮮的彈道導彈陣地和核試驗設施為目標，大力開展無人機蜂群技術用于偵察打擊。韓2021年9月宣布，計劃在2027年前為韓國武裝部隊增購1 000架無人機。
印度正在加快研發(fā)無人機蜂群系統(tǒng)的計劃。2020年8月啟動“戰(zhàn)斗空中協(xié)作系統(tǒng)”（combat air team system，CATS）項目，2021年1月，首次展示了75架進攻性無人機組成的蜂群擁有智能計算能力。
3 反無人機蜂群作戰(zhàn)策略
無人機蜂群作戰(zhàn)樣式的出現(xiàn)將使未來戰(zhàn)爭形態(tài)產(chǎn)生重大變革，對未來的防空作戰(zhàn)帶來了巨大威脅，有矛必有盾，反無人機將成為新的挑戰(zhàn)。本文從現(xiàn)有防空裝備對抗蜂群作戰(zhàn)的短板出發(fā)，分析反蜂群裝備與技術開展趨勢，提出反蜂群殺傷鏈動態(tài)構建準則和方法，為反蜂群作戰(zhàn)設計給予理論參考。
3.1 傳統(tǒng)裝備反蜂群能力短板分析
蜂群無人機一般具有“低慢小”特性，其分散性、智能型、靈活性具備更高效的偵察打擊能力，使傳統(tǒng)的防御系統(tǒng)難以偵察到目標，以及蜂群作戰(zhàn)單機成本低和數(shù)量優(yōu)勢，也使傳統(tǒng)的反蜂群手段變得效能低下。
基于無人機蜂群作戰(zhàn)的優(yōu)勢，現(xiàn)役裝備反蜂群能力短板可總結為“看不見，難識別”“辨不清，難攔截”“打不起，作戰(zhàn)成本高”“打不完，非對抗作戰(zhàn)”。
3.2 反蜂群裝備與技術開展趨勢
現(xiàn)在，各軍事強國均在加強反蜂群裝備與技術研究，激光、高功率微波、蜂群反蜂群、電子對抗等反蜂群裝備如雨后春筍般大量出現(xiàn)，反制無人機的實現(xiàn)離不開光電偵察、雷達探測系統(tǒng)，即依靠硬毀傷新戰(zhàn)法，也依賴于軟殺傷新研發(fā)，以及硬毀傷與軟殺傷相結合的以機制機戰(zhàn)術。
3.2.1 探測精準化
“看得見”和“辨得清”是反無人機蜂群作戰(zhàn)的第一步，有效的探測、識別、跟蹤和定位是成功反制無人機蜂群的前提條件。一是將雷達、無線電偵測以及光電偵測等手段組成一個優(yōu)勢互補、信息共享的預警探測網(wǎng)絡，并進行優(yōu)化部署、梯次部署和頻率覆蓋；二是將傳感器掛載在無人平臺上，采取集群組網(wǎng)的模式，順利獲得頻率互補和空間優(yōu)化布局等方式充分發(fā)揮各型裝備和手段的作用，形成全方位、多層次、有重點的偵察體系，提高整體預警探測能力。2015年，美國驗證了一種新型地基系統(tǒng)——ICARUS，該系統(tǒng)配備無源成像、聲學探測、射頻探測等多種傳感器，可探測、識別、跟蹤和截獲目標無人機。俄羅斯的卡巴斯基實驗室在2020年研發(fā)了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的“卡巴斯基反無人機系統(tǒng)”，順利獲得構建人工神經(jīng)網(wǎng)絡，分析處理各類數(shù)據(jù)，能迅速發(fā)現(xiàn)識別無人機蜂群，并對目標進行分類，有針對性地做出反應。英國的反無人機防御系統(tǒng)（anti-UAV defense drone，AUDS）采用雷達、光電、紅外日光等多類傳感器，可以干擾進而抵抗無人機機群的攻擊。
3.2.2 硬滅殺顯威力
（1） 火力殺傷
利用速射防空火炮和彈炮結合系統(tǒng)都能夠?qū)o人機蜂群進行攔截攻擊，是最實用的方法，像俄羅斯的“鎧甲”-S1防空系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn)30多個目標并同時對24個目標進行有效跟蹤攔截，如圖5所示。
圖5 “鎧甲”-S1野戰(zhàn)防空系統(tǒng)Fig. 5 “Armor”-S1 field air defence system
（2） 定向能武器
當前，定向能武器已由“新概念”步入實戰(zhàn)應用，被一些國家列為應對無人機蜂群威脅的重要裝備。美、俄等國都將激光與微波武器作為未來反無人機定向能武器開展的重點，其應用情況見表2。但受體積、質(zhì)量、功耗等限制，定向能反無人機系統(tǒng)主要以地基平臺為主，模塊化、固態(tài)化和小型化以及新材料的采用，都是未來改進的方方向。
表2 定向能武器應用于反無人機蜂群Table 2 Application of directed energy weapons to anti-UAV swarm
3.2.3 軟殺巧布局
圖6 “雅典娜”激光武器系統(tǒng)Fig. 6 Athena laser weapon system
欺騙干擾、布設陷阱和控制接管等軟殺傷方式也是一種新思路。2021年6月美國測試完成了飄帶式反無人機系統(tǒng)，該無人機升空后，追上來襲的敵方無人機，然后發(fā)射類似“強大的、細長的繩索飄帶”將纏著敵方無人機的旋翼，使其失去推進力并墜入地面；2011年，伊朗順利獲得電子戰(zhàn)技術，修改美軍無人機GPS坐標，誘捕了一架RQ-170“哨兵”無人機；俄軍最新型的ROSC-1反無人機系統(tǒng)，不僅能屏蔽敵無人機信道、發(fā)送錯誤坐標，還配備了“狼”-18無人機，攔截了10架無人機蜂群。
圖7 THOR“蜂群”無人機殺手Fig. 7 THOR drone swarm killer
圖8 “無人機穹頂”激光系統(tǒng)Fig. 8 Drone Dome laser system
3.2.4 以機制機全阻擊
任何武器裝備的最大敵人就是自己，無人機蜂群也不例外。以無人集群對無人集群的反蜂群“對抗”模式更適合作用于中近程作戰(zhàn)，順利獲得技術與戰(zhàn)術的結合，在無人機的態(tài)勢感知、編隊協(xié)同、對空攔截等方面，進行技術攻關和升級改造，實現(xiàn)無人機的一機多用、攻防兼?zhèn)?，例如在空中布設網(wǎng)墻［28］，對無人機進行捕獲；攜帶進攻武器摧毀對方無人機；采取自殺式襲擊的方式和對方無人機進行物理碰撞，使其喪失作戰(zhàn)能力等。
3.3 反蜂群殺傷鏈動態(tài)構建策略
任何單一的武器裝備在面對蜂群時均存在短板和不足，由不同射程的導彈、高炮、激光、高功率微波等硬殺傷手段，以及通信干擾、導航干擾、探測干擾等軟殺傷手段等多種反蜂群裝備實施體系化對抗，從而提升多樣化作戰(zhàn)場景適應性以及整體效能是當今反蜂群作戰(zhàn)的必然選擇。一個要素完整的反蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)由不少于10種裝備組成，其作戰(zhàn)運用設計難度相比傳統(tǒng)防空系統(tǒng)成幾何級增長，傳統(tǒng)的基于規(guī)則的設計方法已不再適用。
人工智能技術的快速開展為復雜系統(tǒng)求解給予了有效方法，可以預見，未來人工智能技術也將在反蜂群系統(tǒng)作戰(zhàn)運用設計中發(fā)揮重要作用。本文不過多討論如何將人工智能算法運用到反蜂群系統(tǒng)作戰(zhàn)路徑求解中，而是提出反蜂群殺傷鏈動態(tài)構建策略，作為反蜂群作戰(zhàn)運用設計的基本框架。該框架可縮小人工智能算法的解空間，簡化求解過程。
3.3.1 殺傷鏈動態(tài)構建概念
殺傷鏈一般由搜索—決策—跟蹤—殺傷—評估等環(huán)節(jié)組成，每個環(huán)節(jié)上可能有一個或多個裝備節(jié)點參與，如搜索環(huán)節(jié)可能由預警探測雷達、光電探測系統(tǒng)等多個裝備節(jié)點完成，殺傷環(huán)節(jié)可能由防空導彈、高炮、電抗等多個裝備節(jié)點組成。決策環(huán)節(jié)根據(jù)搜索環(huán)節(jié)給予的空情信息對每一個來襲目標均選取最優(yōu)的跟蹤、殺傷和評估節(jié)點，實施決策中心戰(zhàn)思想，以實現(xiàn)整體效能達到實時最優(yōu)，即殺傷鏈動態(tài)構建。
3.3.2 殺傷鏈動態(tài)構建基本原則
對于反蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)，在其跟蹤、殺傷和評估各環(huán)節(jié)上均存在大量可選節(jié)點，排列組合后將使其解空間極為龐大，順利獲得設計一些基本原則作為求解的約束條件將使求解過程大幅簡化。一般可考慮的基本原則主要包括：
（1）電磁兼容原則
電磁兼容是裝備運用的重要原則。在反蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)中，電抗裝備的使用可能對自身的雷達、導彈、無人機等裝備的使用造成影響，需要從時域、空域、頻域進行電磁兼容設計，避免造成“1+1<2”的不良結果。
（2）殺傷優(yōu)先及精度匹配原則
在構建殺傷鏈時，一般先確定殺傷環(huán)節(jié)要使用的裝備，再根據(jù)精度匹配原則和火力通道資源反推要使用的跟蹤節(jié)點。像導彈、高炮、激光和高功率微波對跟蹤精度均有較高要求，部分體制的導彈還需要對導彈本身進行跟蹤，在選擇跟蹤節(jié)點時，要確保其精度能夠滿足殺傷環(huán)節(jié)中對精度要求最高的裝備的使用需求，從而保證殺傷鏈是有效的。
（3）成本匹配原則
針對蜂群目標數(shù)量大、單體成本低的特點，在選擇殺傷裝備時要重點考慮作戰(zhàn)成本，一般應選擇單次作戰(zhàn)成本不高于或與目標價值基本相當?shù)难b備，即做到成本匹配。根據(jù)無人機的5級分類方法［29］可綜合考慮防御武器能力及作戰(zhàn)成本，建立攻防匹配表可大幅縮減解空間，如將中遠程防空武器與4級、5級無人機進行匹配；將近程防空武器與3級、4級無人機進行匹配；將激光武器與3級及以下無人機進行匹配等。
3.3.3 殺傷鏈動態(tài)構建方法
根據(jù)殺傷鏈動態(tài)構建基本原則，進一步考慮系統(tǒng)通道數(shù)資源、剩余彈量、目標來襲方向、有無干擾等多方面約束條件，利用人工智能算法進行求解，得到實時最優(yōu)殺傷鏈。在構建目標函數(shù)時，一般可考慮將綜合攔截概率、作戰(zhàn)效費比或兩者加權作為最優(yōu)指標，也可以考慮將二者其一作為最優(yōu)指標，另一個作為求解的約束條件，如在保證綜合攔截概率不低于95%的前提下使作戰(zhàn)效費比最高。
4 結束語
隨著無人機蜂群戰(zhàn)術戰(zhàn)法的開展成熟，分布式打擊、智能化作戰(zhàn)、無人化技術等新型理論和技術賦予了無人機蜂群嶄新的面貌，無人機蜂群將由作戰(zhàn)輔助與支援裝備躍升為重點作戰(zhàn)裝備，會對防空體系造成巨大威脅。本文針對傳統(tǒng)防空裝備反蜂群存在的短板及不足，提出了未來反蜂群裝備與技術開展方向，在此基礎上，針對反蜂群作戰(zhàn)求解的關鍵難題，提出了殺傷鏈動態(tài)構建策略，為后續(xù)人工智能等求解算法的應用給予了基本框架，可大幅簡化求解過程，對未來反蜂群作戰(zhàn)設計和提升作戰(zhàn)效能具有重要意義。
關注微博
關注微信
關注公眾號
關注抖音號