制导炸弹智能技术现状与发展思考

张 婷,帅 欢,闫 妍,朱豪坤,刘 闯

（湖南云箭集团有限公司,长沙 410199）

0 引言

制导炸弹是在普通炸弹的基础上多了制导装置,在投放后能控制弹道引导炸弹打击目标。与传统炸弹地毯式攻击目标相比,制导炸弹目标命中率能达到50%以上,很大程度上减少了弹药的损耗。由表1可知,1991年～2003年,航空弹药在战争中的使用量大幅增加,高达95%,且精确制导炸弹的使用比例不断提高达到60%以上。在海湾战争中,以美国为首的多国通过使用7%的制导武器摧毁了80%的敌方力量［1］。此后,各国看到了精确制导武器在战争中的发展潜力,纷纷投入大量的人力、财力在精确制导武器的研究中,制导炸弹成为制导武器中不可或缺的军事力量和精确打击目标的有力武器。

表1 近代局部战争中航空弹药的使用情况Table1 Use of aviation ammunition in modern local wars

随着人工智能的快速发展,未来作战样式、作战装备都将发生颠覆性变化。未来战场要满足高对抗、有限信息支援、极端环境、多任务要求,制导炸弹智能化研究将是未来面临的一项艰巨的技术挑战［2-3］。制导炸弹智能化是制导炸弹在打击过程中逐步呈现出的人类智能行为,但这也是一个相对的智能。一般来说,在一场战争中谁能更快占据战争主场、更快速地结束战事且取得胜利,胜方相对败方而言就具备“智能”作战能力,智能化技术的研究是炸弹“智能”的有效途径［4］。

本文首先研究了INS/GPS组合制导炸弹、激光制导炸弹、图像制导炸弹、复合制导炸弹和微小型制导炸弹［5］,在综述了制导炸弹智能化发展现状的基础上,研究了智能感知与识别、智能控制、智能决策和智能弹群协同作战四种关键技术,指出未来智能制导炸弹向着四个智能方向发展来实现制导炸弹智能化,最大程度上具备“人类智能”。

1 制导炸弹智能化发展现状

1.1 发展概述

第二次世界大战中,制导炸弹作为德国的“黑科技”首次在反舰战中亮相,开启了海战新时代。精确制导炸弹具备精确打击目标、作战成本低、投放简单等突出优点,是现代战场的重要军事力量［6-7］。人工智能在各领域的兴起与成功应用奠定了人工智能在军事领域的研究基础,制导炸弹智能化是通过将智能技术引入制导炸弹使其具备智能目标探测及分类、智能目标识别、自主决策、智能自适应抗干扰、智能突防等其中一项或多项智能特征。由于考虑到制导炸弹投放对人员的安全性造成威胁和打击精度低,通常只考虑中制导和末制导两种。以末制导方式为标准,又可将制导方式主要分为:INS/GPS组合制导、激光制导、图像制导和复合制导等。接下来,结合已服役或在研产品来研究制导炸弹智能化发展现状［8］。

1.2 INS/GPS组合制导炸弹

INS/GPS组合制导是卫星导航系统和惯性测量装置的结合,INS/GPS制导炸弹具备全天候、全天时、多发同时投放打击多个目标、投放方式灵活和低成本等优点。INS/GPS组合制导技术在制导炸弹中的应用如:1992年,由美国海军和空军共同启动的联合制导攻击武器JDAM项目是美军目前大量装备的卫星辅助制导炸弹［9］,如图1所示。在传统航空炸弹的基础上,JDAM加装了卫星辅助制导尾翼组件从而具备精确打击的能力,并采用INS/GPS组合制导,其CEP达到13m,JDAM在1999年首次进行了北约对南联盟的空袭实战。到目前为止,该型号仍是采用INS/GPS组合制导的经典精确制导炸弹。

图1 JDAM制导炸弹Fig.1 Schematic diagram of JDAM guided bomb

1.3 激光制导炸弹

激光制导炸弹作战方式主要包括地面照射、他机照射和本机照射三种形式［10］,目前主要采用的是本机照射。这种方式下,投弹飞机在目标区内,除投弹前一段外可以一直进行机动,能提高载机战场生存能力。激光制导炸弹是在常规炸弹上增加了激光制导部件,激光的单色性好、抗干扰能力强、光束集中,特别适用于指示目标。以美军装备的Paveway系列激光制导炸弹为例,它是属于激光半主动式制导炸弹,Paveway系列激光制导炸弹彻底改变了战术级空对地打击模式,是目前最成功的低成本空对地武器系统。如图2所示,该系列中的Paveway II炸弹是低成本、高可靠性激光制导炸弹的典范,具备命中精度高、附带毁伤低、可靠性高、采购成本低等优点,已在实战中得到验证。Paveway II炸弹中的GBU-12型激光制导炸弹CEP为3.6ft（英尺）,传统非制导炸弹CEP为310ft［11］,命中精度提高了近100倍。

图2 Paveway II制导炸弹Fig.2 Schematic diagram of Paveway II guided bomb

1.4 图像制导炸弹

图像制导炸弹的原理为:利用弹载成像设备,在外弹道末段实时获取目标区域图像,直接或经数据链传给飞机,机载接收系统实时处理并回传图像数据,最后通过自动识别将炸弹导向目标,能实现“发射后不管”。图像制导可分为红外制导、电视制导、雷达制导和激光制导四种方式。例如,以色列的Elbit公司研制的“奥法尔”红外制导炸弹［12］采用了被动红外制导技术,能达到载机投放后不管的能力,该弹1985年开始载飞试验,1986年完成首弹试验,1992年进入现役。美国的Rockwell International公司在1974年开始研制GBU-15光电精确制导炸弹,如图3所示,该弹前端制导段采用电视制导系统用于昼间作战和红外成像系统用于夜间、恶劣天气作战,是一种采用光电制导方式的无动力滑翔制导武器,主要用于摧毁敌方高价值目标。

图3 GBU-15型光电制导炸弹Fig.3 Schematic diagram of GBU-15photoelectric guided bomb

1.5 复合制导炸弹

世界各大军事强国都在加快研发节奏,新型航空制导炸弹不断出现,其制导方式主要采用以激光和卫星定位辅以惯性系统的复合制导方式,打击精度得到了长足的提高［13］。采用两种以上制导方式的制导称为复合制导,单一制导方式无法满足现代战场对精确制导炸弹的高精度、全天候、抗干扰的要求,而复合制导通过综合不同制导方式的优势弥补了单一制导方式的缺陷。如图4所示,洛克希德·马丁公司2006年研制的增强型Paveway II GPS/Laser双模制导炸弹（DMLGB）使用了半主动激光制导和GPS/INS制导技术,可以实现攻击移动目标和机会目标的精确打击,具有低成本、高精度、全天候等特点。增强型Paveway III GPS/Laser双模制导炸弹采用了GPS和激光半主动末制导双模制导技术,这种方式可以减小目标位置误差,即使在命中目标前10s时丢失光斑,该炸弹也可以精确命中目标。

图4 “宝石路II”复合制导炸弹（DMLGB）Fig.4 Schematic diagram of“Gem road II”composite guided bomb（DMLGB）

1.6 微小型制导炸弹

现今,无人机在军事领域占据着不可忽略的地位,由于其具备减少人员伤亡、成本低、反应能力快等优点,越来越多国家开始研发无人机挂载弹药。微小型制导炸弹凭借其质量小、性价比高且能精确打击目标的优势,是无人机挂载弹药的优先选择。如图5所示,目前美国已经研发的微小型炸弹有:GPS/INS+激光半主动制导的Pyros“圣火”小型战术弹药、激光半主动制导的Shadow Hawk“影子鹰”炸弹、GPS/INS+激光半主动制导的Hatchet“短柄斧”制导炸弹和激光半主动制导的“蝰蛇打击”制导炸弹,能挂载多型无人机平台,主要打击轻型车辆和敌方人员,命中精度小于1m。现阶段,国内在微小型制导炸弹的研制上与美国还存在很大差距,微小型制导组合体是研制上需突破的技术难题。

图5 几种美国研发的微小型制导炸弹Fig.5 Schematic diagram of several miniature guided bombs developed by USA

随着人工智能的崛起和空中力量的飞速发展,当今战争形态已经发生了变化。在以深度学习为主的人工智能研究浪潮中［14］,美国、俄罗斯、加拿大、英国等国家占据了一定的技术优势,但仍处于制导弹药智能化的初级阶段。美国自20世纪90年代起一直高度关注人工智能技术研究,并持续推进人工智能技术在精确打击武器上的工程化应用,以获得更精确、更安全的军事打击效果。国内许多科研单位正在开展基于专家系统的目标识别技术研究,一些高校院所也在人工智能算法和无人机集群编队飞行等专题方向取得了巨大的进展。

2 智能制导炸弹技术

突破智能制导炸弹相关技术是实现制导炸弹智能化的重要途径,相关的技术主要有智能感知与识别技术、智能控制技术、智能决策技术、智能弹群协同作战技术［15］。

2.1 智能感知与识别技术

智能感知与识别技术等同于制导炸弹的“眼睛”,如何在复杂环境下快速准确识别目标是完成打击的首要任务。随着强拒止、弱通信战场环境的出现,仅依靠GPS卫星导航已不能满足未来多变的战场环境对目标识别的要求［16-17］。智能感知与识别技术就是将人工智能技术加入到探测器设计中,如图6所示,以色列研制的“Spice”250炸弹在自动目标识别的基础上加入了人工智能和场景匹配技术,2019年6月已成功测试其具备自动识别能力,该炸弹可以不依靠GPS,仅凭提前记忆的数字地图导航快速对地面目标识别比对,命中精度达到0.5m。如图7所示,雷神公司正在研制和改进的SDB-II制导炸弹只凭自身搭载的识别和跟踪导引头就可在任何天气情况下防止外界物质干扰完成固定目标的锁定。人工智能在无人领域取得的一系列成功应用推动了智能感知与识别技术的加速发展,如何应对越来越苛刻复杂的环境干扰及在该环境中准确找到目标是突破该技术的核心问题。

图6 “Spice”250炸弹Fig.6 Schematic diagram of“Spice”250bomb

图7 SDB-II制导炸弹Fig.7 Schematic diagram of SDB-II guided bomb

智能感知与识别技术是制导炸弹智能化的基础,能减少制导炸弹对情报信息、GPS卫星导航系统的依赖性,有效提高了抗干扰能力,是智能制导炸弹未来的研究方向之一。

2.2 智能控制技术

控制系统是制导炸弹按照弹道飞行击中目标的关键,传统的控制系统是基于数学模型的,再根据可能存在的误差进行弹道修正。战场环境的复杂和不可预测的威胁带来无法预先掌控的误差,使得难以建立准确的模型,导致飞行弹道在实际飞行中存在打不中目标的可能［18］。智能控制系统能在投放后根据飞行过程中的实际误差自主控制制导炸弹完成打击目标的任务［19］。智能控制系统不受到模型的限制,通过人工智能的学习与训练能自动完成实际战况下的弹道修正,且具备强抗干扰、高精度、高鲁棒性的优点。目前,常用的智能控制方法主要有模糊控制、神经网络控制、分层递阶智能控制、专家控制和学习控制等［20］。

随着战场环境日益复杂,作战形式复杂多变,智能控制技术能够弥补预先设定的控制系统存在的信息实时性差、缺乏灵活性的缺点,是未来制导炸弹快速精确打击目标的关键技术之一。

2.3 智能决策技术

在战场态势感知、数据融合、大数据、高性能计算及先进算法的基础上,对战场态势信息进行判读、理解、预测及分析,判断战况走向,形成对战场态势的认知［21］,通过对环境威胁的探测和感知,自主制定攻击方式,调整作战方案,提高作战效率。如图8所示,由洛克希德·马丁公司与美国国防高级研究计划局（DARPA）和海军研究办公室（ONR）合作开发的LRASM反舰导弹就是智能决策技术的典型应用,该导弹能够根据对目标和周围环境的探测,将探测信息回传进行分析和预判,自主制定新的方案对目标最薄弱部位进行打击［22］。在基于探测目标的基础上,智能决策技术根据周围环境的变化和威胁制定最优决策完成任务,其关键在于自主决策的实时性,根据目标进行预判实时修改打击路径,在完成任务的基础上达到最佳打击效果［23-25］。

图8 LRASM反舰导弹Fig.8 Schematic diagram of LRASM anti-ship missile

在自主识别的基础上,智能决策根据复杂战场环境的变化趋势提前判断思考是否需要调整原计划并生成更优的打击目标代替方案,它是人工智能引入作战决策的一次全新探索。

2.4 智能弹群协同作战技术

智能协同作战就是制导炸弹与作战平台之间通过数据链进行信息融合、信息共享［26］,自主进行毁伤评估、自主决策、自组织,分配打击任务的智能行为。协同作战技术的智能化程度与感知与识别技术、控制技术和决策技术的智能水平联系紧密,智能协同作战技术是在这三种及以上技术的基础上对弹群进行的体系作战［27-28］。如图9所示,智能弹群协同作战技术应用最典型的例子就是美军在GBU-39小直径精确制导炸弹的基础上研发的CSDB-1“金帐汗国”小直径自主协同攻击炸弹,其具有高命中精度、低附带毁伤和低成本等特点。该炸弹加装了新一代的数据链和处理器,多弹投射后能够进行“多弹联网”,根据预设的攻击任务进行协同分配打击,能做到多弹之间相互通信、信息共享,避免已击毁的目标多弹再次攻击,完成任务的基础上有效节约了作战成本［29-31］。

图9 “金帐汗国”协同炸弹Fig.9 Schematic diagram of“Golden tent Khanate”coordinated bomb

协同作战是制导炸弹智能化积极研究的领域,也是提高制导炸弹智能化的一个显著特征。目前,如何做到多弹信息融合、信息共享、高效协同分配是智能制导炸弹技术研究中一个富有挑战性的领域。

3 制导炸弹智能技术发展趋势

面对战场对精确制导炸弹需求量的持续增加,随着人工智能技术的高速发展,越来越多的国家与研究机构将人工智能引入制导炸弹中,以实现制导炸弹的精确化、自主化、智能化,达到占据战场主导地位的目的。目前,制导炸弹还处于形式上的智能化,看似做到了“投放后不管”,但很大程度上会受到复杂环境（电磁波、光波、天气、目标伪装）干扰和远距离探测信号变弱的影响,所以制导炸弹智能化涉及的感知、识别、控制、决策、协同等关键技术还需要研究突破。很多国家已在智能制导炸弹方面进行了很多年的探索,也得到了一些基础的研究成果。在未来,制导炸弹智能技术发展趋势如下:

3.1 智能制导炸弹向着自主识别目标、自主决策方向发展

在自主识别方面,准确快速在复杂干扰环境中自主识别目标是发展导航系统需要解决的首要问题,未来战场目标有更难识破的伪装和更复杂的多炸弹掩护,完成该任务的关键在于制导炸弹通过自主识别、智能探测在短时间内分析判断找出目标的最薄弱部位进行精确打击。未来,自主识别主要是复合制导为主逐步向智能化导引头的发展过程,做到投放后能自主在多伪装、多威胁中更准确、更快速地找到目标。

在自主决策方面,提前预定的方案已不适合未来多变的战场,当智能制导炸弹遭遇威胁时,需要及时对周围环境、打击效果有一个提前的预测、分析、处理和评估,并得出新的方案。自主决策智能化的智能程度取决于其实时性,自主决策主要是实时更新任务的航迹得到最优的路径。目前,取得一定进展并重点研究的航迹规划算法有交叉的遗传算法（GA）、模拟人脑系统的神经网络算法（NNA）、蚁群算法（ACO）、粒子群算法（PSO）及它们的改进算法。未来,自主决策将向着多种算法融合的方向发展,智能制导炸弹能在其执行任务的路径中实时探测到威胁和障碍,及时反馈并通过实时修正航迹以最小的代价完成任务。

3.2 智能制导炸弹向着抗强干扰方向发展

未来的战场环境由于受到众多因素影响和强干扰的作用,不同的谱段、不同的位置和不同的环境使得作战目标的变化性组合呈现出爆炸性的增长,导致了目标的不可预测性,这对制导炸弹识别目标增加了困难维度。目前,抗干扰的手段主要是采用以激光和卫星定位辅以惯性系统的复合制导方式,复合制导的发展就是为了增强制导炸弹作战的可靠性,既要能快速准确识别出伪装、隐蔽、欺骗的目标,还要能在弱通信或无网络情况下在较少的样本或有噪声的信息中剔除“杂波”有效处理数据,来准确定位目标位置。为了达到抗强干扰的目的,未来制导装置将向着复合制导和小型化的方向发展,复合制导主要是激光/电磁波/红外/雷达/INS等方式的复合,提高其稳定性且未来导航系统还能在复杂情况下对不确定性进行提前的预测和分析,小型化带来的灵巧结构能够让导航系统更好地适应极端环境发展,具有更好的越障能力和高效作战性能。

3.3 智能制导炸弹向着多炸弹、多载机、多平台协同作战方向发展

在协同作战方面,面对多变复杂的战场环境和不断更新的作战样式,单一的制导炸弹作战方式已不能满足激烈的现代战场需求。随着无人机在协同作战领域的大量研究,协同作战具备适应体系作战、多目标打击的能力,体现出“1+1＞＞2”的高效毁伤效能的优势。各国意识到协同作战在制导炸弹上的巨大潜力和军事效益,炸弹协同作战研究也早已展开多年,已是智能技术研究中的重要领域之一。协同作战是未来战场制导炸弹智能化的重要体现,智能制导炸弹协同是单个制导炸弹打击——同类型制导炸弹协同——不同类型制导炸弹协同的渐进发展过程。制导炸弹协同智能化是首先基于提升单体制导炸弹作战效能,再通过数据链实现多弹间的信息共享完成协同作战。未来,作战不再是区分制导炸弹、导弹、舰船独立作战,而是多型武器、多载机、多平台,甚至是海陆空天一体的体系化作战,协同作战也向着更多武器装备、更广作战域发展。

3.4 智能制导炸弹向着智能检测、智能保障方向发展

制导炸弹智能化的发展已是未来必然趋势,未来大批量的智能制导炸弹除了要解决其精确化、智能化、自主化的问题,智能检测和智能保障也是智能制导炸弹面临的难题。大批量智能制导炸弹储存需要定期检测和保障,若是人工逐个进行检查维护,工作量巨大且存在风险,不利于部队使用和管理。未来,制导炸弹后勤保障、管理、检测和维护系统向着智能化、体系化方向发展,操作更简便,管理人员只需会使用简单的软件操作即可实现对大批量智能制导炸弹的定期检测和保障。智能检测、智能保障的发展能够大幅提高部队保障效率、延长炸弹寿命、降低保障成本,是未来武器后勤保障重点研究方向之一。

4 结论

智能化是未来制导炸弹发展的趋势之一,是在日益复杂的战场环境中精确打击目标、提高作战效率的有效手段。大力发展智能制导炸弹,重点研究智能制导炸弹关键技术,才能在未来高速发展的智能战争中占据一席之地。制导炸弹的智能化是一个逐步提高自主性的过程,目前人工智能发展迅速,应用领域越来越广,但在制导炸弹上的应用还处于尝试阶段,率先掌握智能技术将能在未来战场中遥遥领先其他国家。我国各科研所与高校都投入了大量精力进行武器智能技术的研究,也取得了一些突破,在未来,智能制导炸弹将会成为我军空中打击的主要力量,开启智能装备新时代。