小型无人机集群作战的关键技术分析

范彬 杨书奎

摘   要：小型无人机集群作战一直被视为无人化作战的突破口。通过大规模配置低成本的小规模作战平台，能够实现更高的作战效率。文章简要描述小型无人机集群作战概念及其优势，并分析实现小型无人机集群在战场中应用所需要的关键技术。

关键词：小型无人机集群;发展现状;集群优势;关键技术

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一类支持无人驾驶、能够自动或者自主控制飞行的空中平台，可代替人执行危险、枯燥的任务[1]。无人机作战的思想在很早以前就已经有人提出并进行应用，从美国内战使用的高空气球观测技术，到阿富汗模式，早已将无人机运用于战场中。由于航空电子工业的大力发展，现在的无人机相比之前具有更好的续航能力、通信能力以及机动能力，具备了在复杂环境中执行多种危险任务的能力，例如，攻击敌方弹药库，执行情报—监视—侦察（Intelligence-Surveillance-Reconnaissance，ISR）任务[2]，以及执行电子干扰，由于具有零人员伤亡的特点。无人机在未来战场中的应用具有广阔的前景。

现在应用于战场环境中的无人机大多具有成本高、体型大的特点，有限的预算环境将限制更多大型无人机的应用。同时，防空系统的迅速发展，大型无人机更易被发现，因此，大型无人机虽然配备复杂的机上系统，但是存活率低。小型无人机也早已运用于战术环境当中，但是只被作为伪装目标吸引敌方防空系统或者渗透敌方防空系统，来达到保护主要作战平台的目的。例如，早在20世纪50年代，ADM-20鹌鹑无人机就是为美国空军B-52战略轰炸机研制的电子对抗诱惑导弹，主要用于在敌方雷达作用范围内，按预定的航线辅助B-52轰炸机实施突防。

随着新兴技术诸如人工智能、微电子产业、组网技术、平台小型化技术的快速发展，小型无人机集群作战概念逐步被提出。通过大大增加集群中无人机的数量，协同有人作战单元，能够完成复杂的作战任务。小型无人机集群作战具有成本低、作战效率高、存活率高的特点，一直被视为无人化作战的突破口。通过与陆、海、空有人作战平台结合，小型无人机集群可以实现多个领域的集群作战。因此，小型无人机集群作战将是未来战场不可缺少的单元。

1    小型无人机集群作战简介

集群是指具有共同目标的群体为实现某种目标时而产生的协调行为，群体中的个体遵循简单的运动和逻辑规则，不受任何中心的控制，而群体却能体现出宏观智能行为。

小型无人机集群的灵感来源于生物当中的集群现象，大量携带不同任务载荷的小规模作战平台，通过个体之间的分工合作、相互协调，可以完成复杂作战任务。目前，小型无人机集群主要被用来执行电子干扰任务。在电子干扰方面，虽然大的空中平台相比小型空中平台，可以携带更高功率的干扰载荷，但是也更加容易被敌方雷达监测到。小型无人机不容易受到威胁，因此，可以更加靠近敌方的雷达。集群中每架无人机装载电磁能或定向能武器等干扰载荷[3]，通过合理分工，相互协调，可以比单架大型无人机更加高效地对敌方目标实施电子干扰。

随着小型化平台的发展，在未来的战场中，小型无人机集群有可能会实现更加复杂的战场任务。图1展示了未来战场中小型无人机集群系统作战的场景，集群当中包含携带侦察监视、电子干扰、打击与评估的无人机，当装载不同侦察载荷的无人机协同完成目标定位时，方便通知附近处于最佳位置且携带攻击载荷的无人机完成打擊任务，之后携带相应载荷的无人机可以完成战场评估，决定是否执行二次打击任务。

2    小型无人机集群作战发展现状

随着技术的发展，无人机小型化已经逐渐趋向成熟。目前，美国已成功采用3D打印技术制造Perdix固定翼无人机。单机技术的可实现性，使得各国积极研究小型无人机集群技术。

美国率先推出多个低成本无人机集群研究项目，主要有DARPA小精灵项目、美国海军低成本无人机集群技术以及空军项目[4-5]。2016年5月，美国空军正式提出《2016—2036年小型无人机系统飞行规划》[6]。

近年来，国内外对小型无人机集群进行了多次验证、测试，试验规模逐渐扩大：2015年美国海军研究生院实现了一人控制50架“西风”（Zephyr）无人机的试验;2016年，在珠海航展上，中国电科CETC披露了我国第一个固定翼无人机集群试验原型系统，实现了67架规模的集群原理验证;2017年，美国公开了103架“灰山鹑”（Perdix）无人机的试验;之后，中国电科再次公开了119架无人机集群的试验。

3    小型无人机集群作战的优势

3.1  作战效率高

小型无人机集群作战相比于单架大型无人机具有作战效率高的优点。根据Lanchester平方率，作战单元数量是比单元作战能力更重要的战争胜负决定因素，无人机集群能够实现对敌优势战机更大的胜率。将原本造价高昂的多任务系统分解为若干低成本的小规模作战平台，可以比单架大型系统更有效挫败对手，同时，对于同一个任务，集群无人机协同完成所需的时间将远小于单个完备作战平台所需要的时间。

3.2  任务完成率高

具有“无中心”和“自主协同”的无人机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。如果集群中的一架无人机离开集群或被击落，那么剩下的无人机仍然可以完成任务。对于单架无人机而言，无人机被击落则意味着任务的失败。同时，由于小型无人机具有体型小、速度快的特点，相比于大型无人机受敌方防空系统的威胁更小。

3.3  作战成本低

功能单一的小型无人机平台成本较低，即使1 000架小型无人机的价格也远远小于一架大型无人机的成本。同时，击落一架小型无人机所需的成本远远大于小型无人机本身的价格。因此，在战争预算有限的情况下，小型无人机具有更低的作战成本。

4    集群作战的关键技术

生物中的群体通过信息素及相应的协调行为来实现共识主动性，进而体现出集群行为。对于小型无人机构成的群体，需要采用一定的技术来实现集群行为。

4.1  避撞技术

一个成功的无人机集群必须能够在不和集群当中其他无人机碰撞的前提下飞行，可以说，避撞技术是无人机作战应用的基础。目前，避撞技术主要采用传感器和交互辅助信息的方式。

当集群的协同较好时，可以使用传感器避撞技术，通过传感器构建“视线系统”，并采用一定的路径规划原则与相邻的无人机保持一定的相对位置，这种路径规划原则可以是：（1）沿着与邻居相同的方向移动。（2）个体保持靠近邻居。（3）个体避免与邻居碰撞。

使用交互辅助信息的方式是一种补充的避撞技术。在集群中，节点通过生成包含无人机速度、方向、位置、加速度等信息的报文，并使用相应的物理层及链路层技术，将报文分发给一跳范围内的其他节点，收到报文的节点及时更新与安全飞行相关的信息，并根据信息内容决定是否需要规划新的路径以防止碰撞。

4.2  协同技术

协同技术是一个比较大的概念，它既涉及上层的算法，诸如分布式决策算法、任务分配算法、分布式融合算法等，又包括底层的信息交互技术。协同技术可以帮助无人机集群实现分工合作、相互协调、高效执行战术环境下的多种任务。

由于小型无人机集群当中功能分布化的特点，每架无人机携带不同的任务载荷，因此，完成一个复杂的任务需要多架无人机之间的协同合作。当面临复杂任务和需要协作的任务时，当前无人机可以把任务信息和资源需求发布到由各无人机组成的集群网络上，各无人机可以根据当前自身任务和资源情况予以响应。例如，携带A类侦察载荷的无人机发现可疑任务目标时，可以发送信息寻求附近的装载其他类型侦察载荷的无人机参与对可疑目标的协同确认。

为了使所交互的信息及时、完整地进行传输，对于通信网络性能有一定的要求。因此，在一定的空间分布下，为了实现高速飞行的多个无人机之间有效的协同，提高通信质量也是集群的关键技术。

4.3  数据安全技术

集群中的安全问题应该和集群其他关键技术同时考虑，而不应该在集群发展到一定程度之后再去实现安全目标。数据安全技术应该融入集群关键技术的各个环节，同时，应该考虑到集群所能出现的各种情况。例如，考虑如下场景：小型无人机集群用于作战时，发生集群中的某架无人机被捕获，如果没有良好的安全措施，就会导致敏感数据和信息的泄露，不利于集群系统的生存。可见，实现集群当中的数据安全技术将是集群当中必须考虑的关键技术。

5    结语

小型无人机集群作为一种颠覆性技术，具有作战效率高、任务完成率高、成本低的优势，将会成为未来战场的突破口。小型无人机集群的实现，不仅需要人工智能、微电子产业等新兴技术的支撑，同时，需要基于集群研究其中的关键技术。小型无人机集群中各种技术的研究仍处于起步阶段，实现小型无人机集群在作战中的应用仍然有很长的路要走。

[参考文献]

[1]牛轶峰，肖湘江，柯冠岩.无人机集群作战概念及关键技术分析[J].国防科技，2013（5）：37-43.

[2]CEVIK P，KOCAMAN I，AKGUL A S，et al.The small and silent force multiplier：a swarm uav—electronic attack[J].Journal of Intelligent&Robotic Systems，2013（1）：595-608.

[3]刘丽，汪涛.无人机集群协同电子攻击的作战优势及挑战[J].国防科技，2016（6）：126-130.

[4]宋怡然，申超，李东兵.美国分布式低成本无人机集群研究进展[J].飞航导弹，2016（8）：17-22.

[5]佚名.美國防部秘密开发下一代集群无人机技术[J].现代军事，2016（10）：15.

[6]杨王诗剑.引领海战革命—浅析无人机“蜂群战术”[J].兵器知识，2016（3）：60-63.