未來無人機多型密集陣列模式技術的研究及應用

胡譯勻，廖露陽

未來無人機多型密集陣列模式技術的研究及應用

胡譯勻1，廖露陽2

（1.四川省綿陽市東辰國際學校高中部，綿陽 621000；2.四川大學計算機學院，成都 610065）

無人機系統具有機動能力強、任務靈活性高、傷亡風險低和運維成本低等優勢，因而成為未來航空飛行器的主要發展方向之一。無人機可廣泛應用于軍事領域，也必將成為未來戰場的主角。當前，無人機的應用仍處于單機單任務或單機多任務的模式，其應用優勢和作戰潛力并未得到充分發揮。在分析無人機產生、應用和優點的基礎上，總結無人機全譜系和智能化發展的趨勢，并根據仿生學原理，提出發展多類型密集陣列的軍事應用架構，以充分發揮無人機的獨特優勢和作戰潛力，形成相對領先的軍事優勢，為贏得未來軍事斗爭奠定技術基礎。

無人機系統；仿生學平臺；多型密集陣列

0 引言

自古以來，自然界就是人類各種技術思想、工程原理及重大發明的源泉。像飛鳥一樣在天空翱翔，從來都是人類長久以來的偉大夢想。據《韓非子》記載，魯班用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”，希臘神話中也有伊卡洛斯與父親代達羅斯使用蠟和羽毛造的翼逃離克里特島的傳說。但直到近代物理學不斷發展后，人類終于在1903年發明了飛機，使人類進入了航空時代。隨后100年，航空技術和工程依托機械、電子、動力學科的進展而突飛猛進。發端于軍事應用的無人機系統[1]（以下簡稱“無人機”），以其巨大的優勢和潛力成為下一個發展趨勢，這將改變整個航空和軍事應用的面貌。

當前，世界各國均在加緊開展無人機及其應用的研究，在無人機的軍事應用上各國基本處于同一水平，無人機也在訓練、偵察、電子對抗、探測、通信等軍事領域獲得了廣泛的應用[2]。實際上，雖然我國綜合國力不斷提升，但仍將長期面臨嚴峻的國家安全挑戰。如何形成軍事優勢，如何形成和平時期戰略威懾是維護國家安全的首要問題。因此，基于我國工業制造的巨大優勢，研究無人機在未來戰場上的各種新的軍事應用，是贏得未來軍事勝利的重要研究方向之一。

1 無人機現狀及發展趨勢

1.1 無人機的產生及特點

無人機是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務設備、執行多種任務并能重復使用的無人駕駛航空器。無人機是戰爭的產物，有悠久的發展歷史。第一架無人機是1917年由英國研制成功的。早期的無人機由退役飛機改裝而成，按預設程序沿固定航線飛行完成簡單任務，主要用于炮兵輔助靶標演練。

20世紀60年代以后，隨著無線電技術、自動控制技術、計算機技術的飛速發展，用于計算機飛行控制系統的無人機可以按照負載的任務剖面飛行，靈活執行多種任務。越戰期間，面臨越軍的蘇制地空導彈帶來的威脅，美國使用“火蜂”無人機收集越軍防空部署的情報，共飛行了近3500架次，返回2900架次，回收率達到80%以上，提供的情報占美軍總情報量的80%，大大減少了人員傷亡或被俘虜的風險[3]。1982年“貝卡谷地”之戰，以軍以無人機為誘餌配合戰斗機作戰，以極小的代價摧毀了敘軍整個防空導彈陣地。隨后，無人機以其準確、高效和靈便的偵查、干擾、欺騙、搜索、校射能力和在非正規條件下作戰等多種作戰能力，在兩次中東戰爭、海灣戰爭、科索沃戰爭、阿富汗戰爭和伊拉克作戰中，發揮了顯著的作用。因此，無人機具有不受人員生理、生命風險限制和適合執行“枯燥”、“危險”、“佯攻”等任務的突出優勢，進而受到世界各國的高度重視。

無人機與有人駕駛飛機相比，有著不可比擬的突出優勢。一是機動能力強，無人機以任務為中心進行設計，可以忽略飛行員的因素，能突破現有飛行限制；二是任務靈活性高，就無人機本身而言，雖然其氣動外形與有人駕駛飛機相同或大同小異，但不需要駕駛艙以及相應的一些設備（如座椅、儀表、生命保障等），因此結構相對簡單；三是傷亡風險低，由于無人機操作員只需要在遠離作戰區域的地面或艦船上的控制站里進行操控，借助無人機以及其他戰場偵察系統傳回的戰場態勢，即可指揮無人機執行各種急難險重的作戰任務。

1.2 未來發展趨勢

一方面，隨著無線電技術、能源與動力技術、高效氣動技術、自主控制技術和網絡化通信技術的進步，無人機在各個應用層面上不斷進步。例如美國的X-47系列無人機進行了航母搭載和飛行試驗，美制“全球鷹”無人偵察機能高空長航時飛行，續航時間已達到42小時[3]，有些采用太陽能動力系統的無人機續航時間將達到96小時，飛行高度可以達到2萬米。隨著諸如“飛翼布局無人機”和臨近空間超高速無人機、近中程多用途無人機直升機等成為發展熱點，無人機將朝著全譜系、全系列、全領域的方向發展。

另一方面，隨著智能計算技術的發展，無人機與有人機之間的界限將逐步模糊，航空器朝著無人、有人混合駕駛的智能模式發展。隨著無人機的平臺通用化不斷完善，自主能力不斷提高，有人作戰模式的應用（例如編隊、空中充電/加油、戰略巡航）同樣可以由無人機實現，并且能達到比有人模式更強的戰斗力、更好的適應性、更低的風險和更低的成本，從而在未來的作戰中起到無可替代的作用。

未來，無人機會在“大中小微”、“遠中近”、“高中低”各類無人機全譜系全面發展，采取以任務為牽引、平臺為核心的發展模式[4]，即采用“通用平臺、針對不同任務需求系列化發展模式”。根據不同任務需要，基于通用化飛行平臺，通過換裝光電、紅外、多光譜、雷達、電子對抗、通信中繼、氣象探測、地形測繪、磁力探測等任務設備以及武器等各類任務載荷，發展出偵察、電子對抗、探潛、察打一體等多種功能的無人機，為未來新應用構想提供技術和物質基礎。

2 多型密集陣列模式技術研究及應用

2.1 應用背景

在全球化席卷而來的今天，我國綜合國力不斷提升，隨之而來的是戰略利益的不斷拓展，這將與原有世界格局產生沖擊，必定面臨著與大國間的對抗。與“二戰”、“冷戰”和歷次局部戰爭的特征不同，當前和未來我國面臨的對抗將逐漸呈現新的特征和趨勢，即伴隨高技術出現的未來無人化和智能化特征。在表現形式上，是介于有人和無人的混合形態，是以無人控制和智能計算為核心，在現有主戰裝備、信息裝備和保障裝備上相互融合、促進和應用的形態。在發展趨勢上，無人控制、智能計算將逐步代替有人控制和規則化腦力計算，使人們專注更高級的指揮藝術和既定目標。

在目前以及今后的軍事斗爭準備中，無人機必將是未來戰爭中的主角之一，我國無人機的發展水平，與美國、歐洲、俄羅斯等處于同一起跑線上。在有人無人的混合形態下，如何充分發揮無人機的應用優勢，如何在未來爭取領先、取得特色優勢或全面優勢，是取得未來軍事勝利的必要條件。

2.2 仿生學研究過程

仿生學是一門綜合性邊緣學科，是生命科學與工程技術科學互相滲透，彼此結合而產生的，最早由美國空軍科研處于1991年提出，目的就是為了尋求生物學為材料設計和處理提供幫助[5]。可以對仿生學做如下定義：研究生物系統的結構、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的技術學科。仿生學的研究過程包括下圖中的幾個步驟：

圖1 仿生學研究過程

本文應用仿生學的研究方法，從自然界中鳥類集體飛行的生物群體性狀原型，抽象模擬出多類型密集列陣的技術模型。

2.3 多類型密集陣列技術

在自然界中，大型鳥類有時會集體飛行以節省能量并增加飛行距離。列陣飛行時，領頭鳥的翅膀會產生漩渦狀氣流，其后的鳥會得到額外升力，機翼也可以有同樣的效果，稱之為“尾渦”，軍用飛機經常利用列陣飛行減少能耗（燃油量）[6]。

無人機也可以借助列陣飛行方式，通過無人機編隊控制實施列陣飛行，不僅可以提高動力學特性，有效增加航程和飛行時長，同時可以通過密集編隊的方式，由不同任務類型的無人機或有人機構成具有全部作戰能力的密集陣，從而形成新的作戰應用。

多類型密集列陣的無人機應用模式，在實施上具有靈活多變的特征，可以是單機/雙機有人編隊，單無人機、多無人機編隊，也可以有人無人編隊，以及各類型編隊組成的多類型編隊等；在技術上需要解決無人機控制和智能計算的問題，以及對現有體系的沖擊與變革問題，需要解決飛行活動必須的“通信、導航、監視、管理”問題，并在未來統一到“網絡、指揮控制”一體化體系中，進而實現有人無人混淆形態“飛遠、飛高、飛久”的能力。

綜上，多類型密集陣列模型的抽象過程如下：

圖2 模型的建立過程

人類因模仿鳥類的飛翔而發明了飛機，同樣，可以通過模仿動物族群活動特征[7]，應用仿生學研究方法，以智能計算為工具，使未來軍事戰爭主角之一的無人機，突破單機單任務或單機多任務的模式，發展多機多編隊、有人無人混合編隊、多任務分工編隊等應用模式，充分發揮無人機的獨特優勢和作戰潛力，形成相對

領先的軍事應用構想，從而形成所需的軍事優勢。

2.4 無人機多型密集陣列模型的應用

無人機系統的多類型密集列陣應用模式，可以應用于島礁巡航。實際上，我國正面對東海和南海的復雜局勢，為有效應對敵方不同強度的介入情況，可以依托現有島礁平臺提供“飛”、“管”、“控”、“保”等體系，盡可能利用無人機進行巡航[8]。實施無人機密集列陣飛行，快速彌補我軍在情報、偵查和監視領域的短板，同時充分發揮無人機的小成本優勢，由無人機混合編隊實施島礁大批次巡航，盡可能降低人工巡航成本和風險，形成實際控制和威懾能力，逐步收回被占島礁，并形成主動防御能力。

無人機系統的多類型密集列陣應用模式，可以應用于高原山地等惡劣環境下的突襲奇襲。我國西南西北地區高原多山的復雜環境條件，極大限制了現役各型主戰裝備，特別是重型武器的使用，而另一側印度等國則是以平原丘陵為主，便于大規模應用部署，形成戰略上的不平衡。多類型密集列陣應用模式，可以采用多機分任務編隊模式，由負責引導、偵察、環境感知、攻擊和通信中繼等多種類型的無人機構成，實現以地形匹配導航、自主飛行和低空快速突防等作戰能力，避讓地形、障礙物和危險天氣，突破地域限制、時間限制和飛行員生理限制，實現峽谷低空飛行和突防，穿越喜馬拉雅山脈進入印度河平原，實施戰役低空奇襲，形成和保持巨大的戰略威懾力，使敵邊防和裝甲進攻成為無效手段。

3 結語

隨著信息技術進入云計算和智能化時代，越來越多的智能計算技術逐步應用到了傳統工業領域，無人機系統也不例外。如何形成聯合作戰條件下的有人機、無人機、導彈和火力彈藥、電磁等高效打擊和對抗防護能力？如何利用無人機編隊、有人無人混合編隊等實施長航程大范圍偵察預警？如何利用臨近空間或高空長航時無人系統實現大范圍空中戰略機動？在無人機工業制造技術和智能化技術不斷完善的前提下，基于仿生學理論發現新的軍事構想從而形成新的技術架構，是解決上述問題一種的可行方法，可以作為今后研究的重點方向。

參考文獻：

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[5]Biomimetics．Greating Material from Natare Blueprcints[J]．The Scientist，1991，5(14)：14.

[6]樊瓊劍，沈春林.多無人機協同編隊仿生飛行控制關鍵技術研究[D].南京航空航天大學，2008. [7]王品，姚佩陽.多無人機系統分布式編隊控制[J].計算機工程與應用，2016.16.

[8]劉勇，呂志浩，劉琦.淺談我國海防建設之無人機戰略偵察[J].信息系統工程，2016.03.

Research and Application of Multi-Type Dense Array Mode on UAV for Future

HU Yi-yun1，LIAO Lu-yang2

（1．High School of Dong-Chen International School,Mianyang621000；2.College of Computer Science,Sichuan University,Chengdu610065）

Unmanned aerial vehicle(UAV)system has the advantages of strong maneuverability,high task flexibility,low risk of casualty and low cost of operation and maintenance,and thus become one of the main development directions of the future aviation aircraft.UAV can be widely used in the military field,will also become the protagonist of the future battlefield.At present,the application of UAV is still in singlemachine single task or single machine multi-task mode,its application advantage and combat potential have not been fully exerted.Based on the analysis of UAV production,application and advantages,summarizes the trend of UAV full spectrum and intelligent development. According to bionics theory,puts forward the military application conception of developing multi-type dense array,Machine's unique advantages and operational potential,the formation of a relatively leading military superiority,to win the future military victory contribution.

Unmanned Aerial Vehicle System;Bionics Platform;Multi-Type Dense Array

1007-1423（2017）02-0045-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.02.012

2016-11-22

2017-01-05

胡譯勻，女，江西吉安人，綿陽市東辰國際學校高中部通訊作者：廖露陽，男，江西新余人，碩士