無人機協同作戰分析

趙愛罡

摘 要：無人機作戰在近年來的戰爭中作用明顯，也是未來戰爭主要模式，本文就無人機協同作戰的需求、意義、技術、現狀、發展做一詳細介紹，并分析戰場環境建模、協同體系結構、搜索策略、搜索算法四個方面的發展趨勢。

無人機是一類機上無人駕駛、通過遙控或者自主控制的飛行器，與有人機相比具有無人員傷亡、生存能力強、效費比高、設計尺寸靈活等優勢。無人機在現代戰爭中的應用日漸廣泛，在近幾次局部戰爭中，無人機的參戰投入數量、種類和架次呈迅速增長的態勢。

一、多無人機協同作戰需求

在復雜多變的信息化戰場環境下，單架無人機的作戰能力會受到各種因素的制約，其中主要的影響因素有幾點：

（1）戰場環境復雜性、廣闊性由于作戰區域可能包括城市、湖泊、森林等不同的地理環境待搜索目標的分布具有復雜性和不確定性;待搜索區域中存在高炮、導彈等不同的戰場威脅，單架無人機的生存能力受到了嚴重威脅。

（2）偵察傳感器性能的不穩定性

無人機執行偵察搜索任務的效果很大程度上取決于傳感器的探測能力，常用的機載偵察手段有圖像偵察、紅外偵察、主動 /被動雷達偵察等。面對復雜的戰場電磁環境、惡劣的戰場氣象環境，傳感器的性能會受到不同程度的影響。

（3）作戰任務的時效性

大多數軍事任務對于任務的完成時間具有嚴格的要求，同時由于無人機的航程限制，無人機必須在盡可能短的時間內實現對目標的偵察搜索。因此，單架無人機在執行偵察搜索任務時面臨偵察效果、搜索范圍、生存能力等諸多方面的限制，其執行任務的效率和成功率不斷下降，作戰效能的發揮受到了制約。

二、多無人機協同作戰意義

美國空軍科學顧問委員會指出：“未來的無人機應當以成群的方式工作而不是單獨行動”。相比于單機作戰平臺，多無人機在協同作戰時具備以下優勢：

（1）無人機群具有自主協同、無中心的優勢，不依賴于某架特定的無人機節點執行指揮協調，當部分無人機失去作戰能力時，整個無人機群仍然保持著一定程度的完整性，可以繼續執行作戰任務。

（2）通過協同作戰，擴大了探測范圍，能夠對較大任務區域實現偵察，并且通過無人機群對任務的并行執行，縮短了任務執行時間，提高了任務完成效率。

（3）無人機群可以對單一目標實施多方位實時探測，拓寬了探測角度并且通過利用無人機之間信息的傳輸與共享，彌補了單傳感器探測的不足，提高了對目標協同搜索的效率。

（4）無人機群對目標實施打擊時可以通過協同的方式實現對待攻擊目標的合理分配，并且能夠實現打擊鏈的快速閉合，提高了對目標的打擊效果。

正是由于無人機協同所具備的以上優勢，組織多無人機協同執行偵察搜索、多目標攻擊等任務將成為無人作戰的一種重要軍事行動方式。

三、多無人機協同現狀

目前，國內外對多無人機協同搜索問題開展了一系列的理論研究，并通過相關實驗進行了驗證，取得了較好的效果。多無人機協同搜索問題主要圍繞戰場環境建模、協同體系結構、搜索策略三個方面進行研究。

（1）戰場環境建模

在戰場環境建模方面，主要方法有固定航線的區域掃描法、基于圖論的方法、人工勢場法以及環境柵格搜索圖法。內螺旋式和光柵式在規則地區的搜索問題上進行了改進和應用，實現了在滿足無人機機動性能條件下的對待搜索地區的區域全覆蓋。通過聚類分析和圖論等方法對目標區域進行建模和分區，結合各子區域任務特點對無人機群進行搜索任務分配和航路規劃，產生的航路滿足威脅回避和可飛性要求。

（2）協同體系結構

通常無人機群的協同體系結構有集中式體系結構、分布式體系結構、集散式體系結構。集中式體系結構其主要表現為地面站對無人機群的統一集中控制。集散式體系結構中式結構能夠從全局角度對搜索問題進行協調和優化，但在實際作戰中其中央節點易受打擊，系統健壯性不強，并且對通信的可靠性及帶寬提出了很高的要求。分布式體系結構采用了自主和協作的方法，把復雜求解問題劃分為可以由各節點無人機解決的子問題，各無人機之間是平等的協作關系，它們之間可以直接通信。這種結構能夠發揮各無人機的自主能力，系統健壯性較強，但是通信量較大，對無人機之間的通信能力提出了較高要求。

（3）搜索策略

在搜索策略方面，主要方法有固定航線搜索策略和動態搜索策略。固定航線的搜索策略是指采用固定的搜索路徑以區域覆蓋為目的對任務區域進行搜索，這種方法能夠保證偵察不出現遺漏，但是搜索效率較低，對動態環境的適應能力較差。動態搜索策略主要有近視搜索策略和基于MPC的搜索策略。近視搜索策略是一種貪婪搜索方法，搜索時不斷向著臨近區域中目標存在概率最大的區域進行搜索，是一種通過實時探測信息來修正目標位置分布的搜索策略。模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）策略，該策略是一種基于模型和基于優化的控制策略，其原理主要為三個部分：模型預測、滾動優化和反饋校正。模型預測是指對無人機群的搜索收益和搜索代價的進行預測;滾動優化是指在控制的每一步，定義從現時起指向未來的一個有限時域，求解出這一有限時域內的最優控制輸入，但只實施即時的控制輸入，在下一控制周期，又重復以上步驟，整個優化時域不斷向前滾動;反饋矯正是指在每一步進行優化之前，利用實時信息對預測結果進行校正，能夠在一定程度上補償各種不確定因素對系統的影響。因此，將 MPC 方法用于無人機群協同搜索具有合理性。

四、多無人機協同發展趨勢

隨著作戰環境的日益復雜化，單獨某種搜索方法有時不能很好地解決目標搜索問題，新的發展趨向于將多種方法相結合。傳統方法與人工智能方法相結合近年來，人工智能技術逐漸被引入到無人機群協同問題的研究中來，促使了各種方法的融合發展。