無人機集群反艦作戰與反集群對策研究?

韓光松 王 忠 李 萍

（1.國防大學聯合作戰學院 石家莊 050000）（2.96823部隊 昆明 650219）（3.火箭軍工程大學 西安 710025）（4.96656部隊 北京 102206）

1 引言

20世紀90年代末，美軍率先提出了集群作戰的概念，也稱為“蜂群作戰”。集群來源于對自然界中蟻群、蜂群、鳥群等生物群體行為的觀察，這些生物在群體中相互合作，完成復雜的工作［1～3］。近幾年來，隨著分布式控制、人工智能、大數據、通信網絡等前沿科技領域的突破創新，美國又率先開始研究無人機集群作戰的相關技術。

戰時，從陸地、艦艇或飛機等平臺快速發射若干個配備不同任務載荷的低成本無人機，這些無人機相互通信構成集群，在指揮員監管下完成特定任務，包括偵察監視、電子干擾、飽和攻擊、應急通信、誘餌等。采用先進計算機算法設計的無人機集群可以與陸上、水面、水下無人系統協同運動，成為一體化任務的一部分。

無人機集群作戰具有快速、機動、密集等特點，持續保持高壓態勢和進攻勢頭，使敵軍防御系統迅速癱瘓，在最短時間內達成作戰目的。無人機集群作為一種“改變戰爭形態”的顛覆性技術，通過數量提升能力、成本創造優勢、集群替代機動的模式制勝。模擬試驗表明［4］，裝有傳感器和武器的100架無人機集群可探測到91%的敵軍部隊并摧毀了63個目標，而現有的火力單元只探測到33%的敵軍部隊，僅消滅了11個目標。試驗充分展示了無人機集群具有極高的作戰效能，將在很大程度上改變未來的作戰模式。

2 無人機集群發展現狀

2.1 國外發展情況

2003年伊拉克戰爭中，美軍將不同型號的無人機組成一個廣域作戰集群。“全球鷹”大型無人機在高空執行戰略偵察，“捕食者”、“先鋒”、“獵人”、“影子200”等無人機在中空執行戰役偵察或打擊，“龍眼”、“指針”等小型無人機在低空執行戰術偵察，通過戰場網絡將這些無人機互聯形成一個全域覆蓋的偵察情報網絡。

2015年8月，美國海軍研究生院Timothy H.Chung領導的無人機團隊完成了50架固定翼無人機集群自主對抗競賽［5］。這些無人機按照主從模式飛行，利用無線自組織網絡進行信息交互和共享，地面控制站同時對50架無人機進行控制。集群飛行將控制權逐漸轉移至無人機，使無人機實現自主飛行和決策，以減輕操控人員的壓力。

2017年1月，由美國國防部戰略能力辦公室與海軍航空系統司令部合作開發的無人系統進行了一次微型無人機集群演示［6］。3 架 F/A-18F“超級大黃蜂”戰斗機共投放了103架3D打印的Perdix微型無人機，它們能夠互相發現隊友并形成集群隊形。微型無人機展示了先進的群體行為，例如集體決策，自修正、自適應編隊飛行及航線恢復能力等。

近年來，在美國國防部的統一領導下，國防高級研究計劃局、戰略能力辦公室以及空軍、海軍等開展了大量的研究和論證工作，啟動了多個項目。這些項目在功能上相互獨立、各有側重，在體系上互為補充、融合發展。無人機將形成以十克級（“CICADA”項目）、百克級（“Perdix”項目）、公斤級（“LOCUST”項目）、十公斤級、百公斤級（“Grem?lins”項目）等平臺為基礎的作戰系統序列［7］。2016年5月，美國空軍發布了《2016-2036年小型無人機系統飛行規劃》，希望構建橫跨航空、太空、網空三大作戰疆域的小型無人機系統，并在2036年實現無人機系統集群作戰。

此外，2016年2月，俄羅斯的Vega Radio Engi?neering公司在愛國者公園舉行機器人技術展會，展出了一種可以同時操控十架無人機和地面機器人協同作戰的技術系統。

2.2 國內發展情況

2016年11月，中國電子科技集團公司在第11屆珠海航展上公布了67架小型固定翼無人機集群飛行試驗，完成了編隊起飛、集群飛行、動態無中心自組網、感知與規避、自主集群控制、協同探測、分布式廣域監視、飽和打擊等任務。

2017年6月，中國電子科技集團公司完成了119架小型固定翼無人機集群飛行試驗，無人機集群成功演示了密集彈射起飛、空中集結、多目標分組、編隊合圍、集群行動等一系列空中活動。此次無人機集群試驗標志著我國在無人機集群技術領域取得了重大突破。在短短兩年內，中美兩國四次刷新無人機集群飛行的規模，該領域的競爭日趨激烈，我國的無人機集群作戰技術正處于快速發展階段。

由于飛行速度和續航時間的要求，固定翼無人機一直是集群對抗的主要成員。與四旋翼無人機集群相比，固定翼無人機僅編隊飛行的難度就高得多，這是因為四旋翼無人機可以在空中懸停，更容易精確定位和編寫控制程序，而固定翼無人機不能在空中懸停，集群飛行時通過傳感器、定位系統和通信設備進行“溝通”，每架固定翼無人機不僅需要測量自己的位置，還得測量與附近無人機之間的相對位置和方向，隨時根據周邊態勢調整位置和方向，以避免發生碰撞。

3 無人機集群的特點及優勢

3.1 無人機集群的特點

1）功能分布

無人機集群將單個作戰平臺所具備的復雜功能分散到大量功能單一的微小型無人機，比如一些無人機搭載偵察設備，一些無人機搭載干擾設備，一些無人機搭載武器，通過無人機集群實現原本復雜的功能，系統的倍增效益將使無人機集群具備遠超單一平臺的作戰能力，實現“1+1＞2”的效果［8］。

2）具備集群智能

螞蟻的個體行為非常簡單，但它們構成的群體卻表現出高度結構化的社會組織特性，能夠完成遠遠超出個體能力的復雜任務，例如螞蟻搬家就是集群智能行為的體現。無人機集群技術就是借鑒生物的信息交互方式與協作行為，使多架無人機在盡量少的人工干預下通過信息交互產生整體效應，完成預期的任務［9］。

3）去中心化自組網

無人機集群是一個自組織的系統，機群中沒有領導者，個體之間彼此平等。無人機集群采用集群智能控制算法，保證無人機之間能夠有效協同，與無人機的數量無關，無人機退出或者加入集群不會影響集群的整體結構，具備去中心化自組網提升抗故障的能力。在對抗過程中，當部分無人機被干擾或摧毀時，無人機群可重新配置，繼續執行作戰任務，并不影響任務的完成。

3.2 無人機集群的優勢

無人機集群是一個作戰體系，能夠完成偵察監視、電子干擾、火力打擊、毀傷評估等一系列行動，具有以下顯著優勢。

1）數量優勢

集群作戰的無人機功能單一，多采用低成本的微小型無人機。戰時我軍可大量分散配置這種隱蔽性很強的無人機，敵方為應對無人機集群需要消耗數十倍甚至上百倍的成本進行防御，消耗掉有限數量的高成本防空彈藥，這將在戰爭中為我軍帶來顯著的成本優勢，且機群的突防能力很強。

2）情報優勢

無人機運用攜帶的各型偵察探測設備，飛行到目標區域進行抵近偵察，協同完成對目標的精準探測、識別與定位等，通過數據鏈將情報回傳，為其它作戰單元提供可靠的情報信息。例如，圖像偵察時，多架無人機從不同角度對目標進行偵察，完成相互印證和信息補充；電子探測時，多架無人機用不同頻率的雷達實施全頻段探測。

3）速度優勢

無人機集群具有自主決策能力，根據戰場態勢在線自動分解任務并賦予相應的無人機，不同功能的無人機迅速做出反應，協同實施干擾壓制、火力打擊、毀傷評估等行動，打通“偵察-控制-打擊-評估”鏈路，提高了作戰行動速度。

4 無人機集群在反艦作戰中的應用

隨著我國無人機的快速發展，無人機在反艦作戰中的應用逐漸引起研究人員的關注。無人機集群可充當分布式傳感器和武器的角色。

4.1 提供目標指示信息和毀傷評估

反艦彈道導彈打擊海上大中型作戰艦船，需要綜合利用天基、空基、陸基和海基等多種偵察監視設備，對艦艇編隊的主戰艦艇進行搜索、識別和定位。現有的目標情報保障手段和能力支撐反艦作戰仍有一定差距，而且相關的預警探測裝備是敵方戰時對我軍進行首輪攻擊的重要目標。

戰時，戰斗機、運輸機或轟炸機把小型無人機搭載到抗衡空域邊緣再發射。首先，搭載探測設備的小型無人機協同搜索、識別與定位艦艇編隊的主戰艦船；然后，通過協同數據鏈向飛行中的反艦彈道導彈群提供主戰艦船的指示信息，導彈集群根據戰場態勢完成目標動態分配任務，導彈協同完成機動飛行并分別跟蹤各自的目標艦船，在末段臨近目標時開啟導引頭完成攻擊任務；最后，無人機集群對目標艦船進行偵察，將目標艦船圖像通過協同數據鏈傳到指揮中心，完成毀傷效果評估。

無人機集群可向飛行中的反艦彈道導彈提供艦艇編隊主戰艦艇的精確位置信息，因此，反艦彈道導彈發射前只需要知道艦艇編隊所在區域即可，這樣不僅可以減少對目標情報保障系統的依賴，還可以縮短反艦彈道導彈的作戰流程，提升我軍的反艦作戰能力。

4.2 實施電子干擾與攻擊

針對無人機集群突防“宙斯盾”防空系統，美國海軍研究生院進行了多次模擬試驗［10］，結果表明，由8架無人機集群攻擊“宙斯盾”防空系統，至少有2.8架無人機能夠避開攔截，即使系統升級也至少有1架無人機可以成功突防；如果無人機數量增加至10架以上，“宙斯盾”防空系統只能攔截前面的7架左右。因此，采取“全向式”集群突防是快速癱瘓敵作戰體系、突入敵縱深作戰的重要方式。

反艦作戰時，根據反艦彈道導彈發射時間，預先通過無人機、運輸機或轟炸機在不同高度釋放多個小型無人機集群，這些小型無人機有的搭載電子干擾設備，有的搭載反輻射導彈。首先，搭載電子干擾設備的無人機集群飛行到艦艇編隊附近空域，協同干擾、壓制與欺騙艦艇編隊的預警雷達、制導武器等，掩護無人機集群和反艦導彈等武器突防。然后，搭載反輻射導彈的無人機集群飛行到導彈能夠攻擊艦艇編隊的空域時發射導彈，這些導彈利用艦艇編隊發射的電磁信號，跟蹤并摧毀其雷達系統。最后，發射完導彈的無人機可小編組、多方向從不同高度對艦艇編隊的主戰艦艇進行自殺式攻擊。

電子干擾與攻擊可以迷惑艦艇編隊的搜索雷達和預警系統，誘使反導系統發射導彈和艦載機起飛，以數量優勢分散艦艇編隊的防御力量，使“宙斯盾”防空系統的探測、跟蹤和攔截能力飽和。因此，無人機集群攻擊一方面可在一定程度上癱瘓艦艇編隊的防御體系，提高反艦彈道導彈等武器的突防效果，另一方面海上大中型作戰艦船是一個搭載易燃易爆物品的平臺，一旦反輻射導彈和無人機命中艦艇上的艦載機等，就可能引發連環爆炸，對艦艇產生致命的破壞。

5 反集群作戰策略

無人機集群作戰與反集群作戰是相伴而生的，相互牽引形成有效的攻防體系。無人機及其發射的反輻射導彈成本低，且雷達散射截面積小、紅外特征不明顯。面對蜂擁而至的無人機集群，美軍艦艇編隊的“海麻雀”、“海拉姆”等導彈的火力昂貴且有限，效費比太低。根據無人機集群作戰的特性，艦艇編隊可能采用低成本、大覆蓋、高效能的反集群作戰策略。

1）“搗毀蜂巢”策略

因為“搗毀蜂巢”要比四處捕捉馬蜂容易得多，反集群作戰的立足點應首先放在摧毀微小型無人機搭載平臺或者拒止平臺進入投放空域。微小型無人機的航程較短，需要使用平臺將其運載到距離艦艇編隊較近的空域，搭載平臺不得不進入艦艇編隊防空反導系統的火力攻擊范圍內，這給艦艇編隊摧毀我軍的無人機群搭載平臺提供了一個可用時間窗口。

由于我軍具備多型反艦武器，特別是反艦彈道導彈，這使得敵方的艦艇編隊戰時不得不在遠離我國海岸線的大洋深處移動。因此，我們應該選擇機動能力和隱身性能好的無人機、運輸機或轟炸機將機群運送至艦艇編隊附近空域投放，盡可能減少搭載平臺被摧毀的情況。

2）集群對抗

無人機集群對抗是未來無人機作戰的重要模式，它是一群無人機對另一群無人機進行攔截而形成的空中協作式纏斗。對抗中無人機具有自組織、自適應特點和擬人思維屬性，通過感知環境對周圍態勢進行判斷，依據一定的行為規則，采取攻擊、避讓、分散、集中、協作、援助等有利策略，使得在整體上涌現出集群對抗系統的動態特性［5］。

在持續顯示力量方面，能夠與一個無人機集群相匹敵的唯有另一個無人機集群。戰時，敵方的無人機集群發射小型格斗導彈或者進行自殺式撞擊，對我軍投放的微小型無人機集群構成嚴重威脅。要想在集群對抗中立于不敗之地，我們需要進一步發展無人機集群對抗的關鍵技術，主要包括自主決策對抗、集群智能控制算法、集群探測與識別、集群對抗態勢評估、集群通信技術等。

3）高能武器摧毀

高能武器主要包括激光武器、微波武器、電磁軌道炮等。美軍的“福特”號航母安裝了兩座A1B型壓水式核反應堆，其發電能力為“尼米茲”級航母的2.5～3倍，達160兆瓦以上，能夠滿足未來高能武器上艦的需求［11］。

激光武器是用高能激光對遠距離目標進行精確射擊或用于防御導彈等的武器。高能激光照射到無人機上可以使機體升溫、熔化或汽化，破壞機械結構或電子元件，從而毀傷無人機。激光武器的發射次數基本不受限制，激光幾乎在瞬間就能從發射器抵達目標，激光束對準目標幾秒就能將其摧毀，然后轉向瞄準其它目標。

微波武器是利用高功率微波束毀壞敵方的電子設備或殺傷作戰人員的一種定向能武器。微波武器能在一次脈沖發射充足的微波能量，通過天線進入無人機系統內部，瞬間燒毀一定范圍內幾乎所有無人機的智能控制系統，使無人機集群失去控制。與激光武器相比，微波武器的作用距離更遠，受氣候影響更小，攻擊時只需確定大概指向，不必精確瞄準，易于火力控制。2016年7月，美國陸軍使用Phaser高功率微波武器進行小型無人機集群攔截測試，Phaser系統不但可以在發現無人機后迅速將其癱瘓，還可以同時擊落多架無人機。

電磁軌道炮（EMRG）是利用電磁發射技術制成的一種先進的動能殺傷武器。由于電磁場作用時間長，彈丸出膛速度能達到5.9～7.5Ma，射程超過185km，射速為每分鐘10發。電磁軌道炮有能力遠距離跟蹤小反射面積的目標，可用于水面炮火支援、防空和反艦。電磁軌道炮及其發射的成本很低，動力系統很小便于上艦安裝，無需在彈頭內裝填炸藥使其安全性很高，必將成為艦艇編隊的重要武器，給未來的海戰模式帶來根本性轉變。

4）密集陣系統攔截

美國海軍為解決軍艦近程防空問題專門設計制造了六管20mm口徑自動旋轉式密集陣火炮系統，即MK15“火神”密集陣系統。兩部雷達配合使用可在5km內確定反射面積為0.1m2的目標位置，并計算其運動參數［12］。目前密集陣系統裝備在“阿利·伯克”級驅逐艦、“尼米茲”級航母和各種登陸艦上，是美軍航母編隊的最后屏障，它能有效地打擊從其它防空系統漏掉的無人機及反輻射導彈等。

5）電子干擾與壓制

微小型無人機體積小、容量有限、抗電子干擾功能缺乏，其導航系統、電子偵察系統在受到強烈電子干擾時很可能會部分失靈，甚至徹底失效。針對無人機的這些系統，艦艇編隊可能采取的干擾形式包括欺騙式干擾、壓制式干擾、煙霧干擾以及瞄準式噪聲干擾等。無人機之間的通信以及無人機同后方指揮控制中心之間的通信可能遭受艦艇編隊實施的頻率跟蹤式干擾、寬頻段攔阻式干擾等，導致通信鏈路無法接收或傳輸相關指令，從而癱瘓無人機集群。

［1］E.Shaw.Fish in schools［J］.Natural History，1975，84（8）：40-45.

［2］E.Bonabeau，M.Dorigo，and G.Theraulaz.Swarm Intelli?gence：From Natural to Artificial Systems［M］.Oxford：Oxford Press，1999：7-9.

［3］邱華鑫，段海濱.從鳥群集群飛行到無人機自主集群編隊［J］.北京科技大學學報，2017，39（3）：317-322.

［4］趙先剛，趙璐.智能化集群技術將顛覆未來戰爭法則［EB/OL］.［2017-07-08］.http：//m.wj001.com/news/js/1650550.

［5］羅德林，徐揚，張金鵬.無人機集群對抗技術新進展［J］. 科技導報，2017，35（7）：26-31.

［6］支點軍事.美軍3架F18拋灑103架微型無人機組成自協 同 集 群［EB/OL］.［2017-01-16］.https：//m.baidu.com/mip/c/www.360doc.cn/mip/622942678.html.

［7］宋怡然，申超，李東兵.美國分布式低成本無人機集群研究進展［J］.飛航導彈，2016（8）：17-22.

［8］韓光松.多智能體系統的多一致性與多跟蹤性研究［D］.武漢：華中科技大學，2015：4-5.

［9］G.-S.Han，D.-X.He，Z.-H.Guan，et al.Multi-con?sensus of multi-agent systems with various intelligence us?ing switched impulsive protocols［J］.Information Scienc?es，2016，349-350：188-198.

［10］L.Pham.UAV swarm attack：protection system alterna?tives for Destroyers［D］.Monterey：Naval Postgraduate School，2012：8-10.

［11］丁宏.美海軍在“福特”號航母成功測試電磁彈射器［EB/OL］. ［2015-05-18］. http：//finance.ifeng.com/a/20150518/13712967_0.shtml.

［12］宋貴寶，孔麗，李紅亮，等.密集陣反導系統攔截反艦導彈模型研究［J］.系統仿真學報，2004，16（10）：2218-2230.