國外無人機蜂群發展研究

張群亮，籍家亮，褚超，李浩南，蘆海利

95894部隊

無人機蜂群作戰新模式日益成為世界各國軍事領域競相發展的熱點。本文首先研究無人機蜂群概念的起源和目前已經實現的蜂群作戰模式，總結無人機蜂群作戰優勢；其次，對當今世界上軍事技術較為先進的國家和地區如美國、歐盟、英國、俄羅斯的無人機蜂群研究現狀進行分析；第三，圍繞無人機蜂群環境感知能力、任務規劃能力、決策判斷能力、任務執行能力四個方面，總結現有無人機蜂群應用存在的技術難點，并從關鍵技術層面提出相關解決措施；最后，對無人機蜂群的發展方向做出展望。

無人機蜂群的概念、作戰模式與優勢

概念與起源

無人機蜂群項目最初的研發靈感來源于蜜蜂。蜜蜂屬于典型的群居動物，飛行中的蜜蜂群體通過個體間的溝通，如傳播“舞蹈語言”和分泌信息素等方式，傳遞豐富的信息，實現特定的結伴飛行、花粉采集或攻擊等目的。受此啟迪，科學家把這種既能自由變換隊形，個體間又能保持一定安全距離且互不影響各自工作的協同行為應用到無人機領域，無人機蜂群作戰新模式便應運而生。

通過算法模擬，科學家們對群居動物的行為策略進行仿真設計，再將這種設計轉化為算法語言，進而運用到無人機領域，賦予無人機蜂群一定的環境偵察、信息收集、分析、判斷、決策等能力，極大提高了作戰效能。

無人機蜂群作戰模式

依據不同的協同作戰對象,目前研究較為廣泛的無人機蜂群作戰模式可分為“忠誠僚機作戰”和“集群作戰”兩種模式。

“忠誠僚機作戰”模式是指有人長機與無人僚機協同作戰，終極目的是基于有人駕駛戰斗機與無人戰斗機之間的密切配合，以應對復雜作戰環境。很多專家、學者認為，“忠誠僚機作戰”是未來空中作戰的主流形式。筆者認為，有人機和無人機相結合能較好實現優勢互補，“忠誠僚機作戰”模式最終會向有人機/多無人機協同作戰方向發展。

“集群作戰”模式是指大量小型無人機之間的機-機協同作戰。低成本、小型蜂群無人機技術是未來自主無人系統領域中的一項關鍵技術。在執行不同任務時，大量低成本小型無人機之間進行信息傳輸和共享，可最大程度發揮協同聯動性，以數量和規模優勢壓制敵方目標。隨著技術發展，無人機蜂群可以執行偵察、監視、打擊、評估等多樣化任務，將大幅提升作戰效能。

無人機蜂群作戰優勢

（1）發射方式多樣、戰法靈活

蜂群單機具有質量輕、體積小等優勢，可以采用多種方式發射。目前應用較為廣泛且可行性較高的發射方式主要有以下三種。

圖1 地面發射裝置發射蜂群無人機。

一是發射人員利用地面發射裝置預設發射角度、發射高度等參數,然后蜂群無人機借助外力如助推、彈射等方式完成發射，升空后再依靠自身動力裝置向預定區域飛行。

二是母機將小型蜂群無人機運載至指定高度、區域后，在空中投放或發射所載運的小型蜂群無人機。這種方式更符合實際作戰需求，作戰時無人機蜂群確實能突入敵方前沿陣地，可有效解決小型無人機續航時間短的問題。

三是蜂群無人機以“子母彈”形式裝填在母彈內部，母彈突入敵縱深陣地后再發射。采用這種發射方式，無人機的數量更多、規模更大、突襲效果更明顯。

（2）模塊化設計實現多樣化任務

無人機蜂群采用“母機空中投放或發射”“子母彈式空中發射”方式，能充分凸顯單機質量輕、體積小的優勢，而且相同載重和容積的母機能攜帶數量更多的單機。無人機蜂群采用模塊化設計，其應用場景更廣，協同作戰能力更強。當無人機蜂群數量達到一定規模后，模塊化任務載荷能及時滿足不同作戰任務需求。與此同時，針對不同任務需要，對無人機任務載荷進行靈活調整，還能進一步提高無人機的利用率，節約相關成本，甚至根據任務需要臨時改變無人機任務載荷類型也成為可能。由于蜂群單機體積較小，在低空突防時自身雷達散射截面相應縮小，因此其具有良好的隱身性和更強的低空突防能力，作戰能力進一步增強。

（3）成本低、損益比高

相比成本動輒千萬元甚至上億元的有人機，蜂群無人機的制造成本可以說微不足道。在戰爭中，最貴的往往不是裝備而是人，無人機蜂群實現“平臺無人、系統有人”后，可以大大降低作戰成本。在實際作戰中，即使無人機被全部擊毀，但相比對手消耗的彈藥成本，損失的無人機成本幾乎不值一提。顯然，無人機蜂群的應用能最大程度消耗對手的對抗成本，而我方損益比較高。

國外無人機蜂群項目研究現狀

美國無人機蜂群項目

美國是最早提出無人機蜂群概念的國家，其初衷是利用無人機蜂群技術，配合完成偵察、干擾、態勢感知、防御、掩護和攻擊等單一或復合任務。下面介紹我們較為熟知的美國無人機蜂群項目。

美國國防預研局（DARPA）推出“小精靈”項目，旨在研制具備自組網和智能協同作戰能力的無人機蜂群。有關資料顯示，該項目已完成多次階段試驗，試驗使用的“小精靈”無人機使用半徑可達900km，最大飛行速度達0.8Ma。

美國國防部戰略能力辦公室（SCO）于2012年提出“灰山鶉”無人機蜂群項目，計劃通過有人機空射微型無人機，完成低空態勢感知等任務。2016年10月，該項目創下軍用無人機單次發射數量和無人機蜂群飛行規模的最高記錄，此次發射的無人機數量達103架，在地面控制站指揮下，無人機蜂群順利完成自主尋的和協同作戰等任務。

圖2 “子母彈”式無人機蜂群發射構想圖。

圖3 美軍XQ-58A“女武神”無人機正在空中發射小型無人機。

圖4 俄羅斯“閃電”無人機系統。

美國海軍研究局（ONR）提出“低成本無人機蜂群”項目，計劃由陸基平臺在短時間內不間斷發射蜂群無人機。無人機蜂群依托機-機之間的短距無線電通信網絡，實時共享信息，蜂群單機協同完成掩護、進攻、防守等任務。

最新資料顯示，美軍正在利用XQ-58A“女武神”（下稱XQ-58A）無人機發射小型無人機，開展分布式無人機蜂群作戰試驗。2021年3月，美軍XQ-58A無人機在空中發射了一架ALTIUS-600小型無人機。有研究者稱，XQ-58A最多能攜帶250kg精確制導炸彈，而ALTIUS-600小型無人機最大起飛重量為12.3kg，如此測算，XQ-58A或將能攜帶多達20架ALTIUS-600無人機。當然受體積、空間等因素影響，實際可攜帶數量可能低于這個數值。但是，這種分布式蜂群攻擊模式，可以大幅降低作戰成本、大型作戰平臺的損失率，并減少戰斗人員的傷亡，因此這種分布式蜂群攻擊技術又被稱為一種“顛覆性技術”。

其他國家和地區的無人機蜂群項目

在美國大力發展無人機蜂群技術的同時，許多國家和地區也在競相發展無人機蜂群技術，并開展相關項目研究。

歐盟委員會圍繞信息通信技術計劃和信息社會技術計劃，分別開展了“面向安全的無線高移動性協同工業系統評估與控制” 項目和“異構無人機實時協同控制”項目研究。雖然兩個項目研究不同的對象，分別是高動態固定翼無人機、旋翼無人機和異構無人機，但最終研究目的都是希望實現分布式控制架構，快速實現任務分配。

圖5 無人機蜂群共享信息需要持續、穩定的通信鏈路。

英國作為一個軍事強國，其國防部也在積極推進無人機技術研究，尤其對無人機蜂群技術展開了潛心研究，例如英國國防部聯合英國“藍熊”系統研究公司等多家企業，共同開發無人機蜂群技術。從已完成的試驗情況看，該無人機蜂群系統已實現20架無人機協同控制，執行態勢感知、醫療援助、后勤補給等多項任務。

在無人機蜂群技術研發方面，俄羅斯緊追不舍。俄羅斯軍工企業正在為其空天軍研發“閃電”無人機系統。即將問世的“閃電”無人機系統可由空天軍各型飛機載運，能攜帶任務載荷完成癱瘓敵防空系統的任務或擔任“偵察員”，并為其它武器裝備提供目標定位。

無人機蜂群重要能力提升

相較無人機蜂群發射與回收技術，其空中協同控制技術更加復雜。如何實現無人機蜂群單機間的協同控制，讓它們彼此間協同作業又互不干擾，是無人機蜂群發展過程中亟需解決的技術問題。無人機不是人，缺少人類獨立思考、隨機應變等獨有能力，為實現無人機蜂群自主協同作戰能力，利用人工智能技術和深度學習算法提升其環境感知、任務規劃、分析決策和任務執行等能力，不失為明智之舉。

環境感知能力提升

無人機蜂群環境感知能力是決策和執行任務的基礎。當無人機須要在復雜現實場景中做動態對抗時，感知缺陷將導致信息失真，使無人機做出錯誤決策，還將直接導致單機損失甚至無人機蜂群網絡毀滅。要想提升無人機蜂群環境感知能力，首先要通過蜂群單機機載傳感器獲取其目標范圍內的全面態勢情況，保證信息真實準確；其次要確保其他單機能通過持續、穩定的通信鏈路共享信息，實現全域作戰態勢共享，保證各單機之間的高效協同控制。

任務規劃能力提升

無人機蜂群任務規劃是完成作戰任務的關鍵環節。面對不同的任務和場景，其任務規劃也不盡相同。無人機蜂群在執行攻擊任務時，戰術協同是關鍵，火力協同才是目的。如何把基于仿生學的算法用于單機間的任務規劃，如何合理分配任務并實現單機間的協同控制，這是無人機蜂群面臨的技術挑戰。目前多目標任務分配的求解算法主要有遺傳算法、蟻群算法和粒子群算法等。

分析決策能力提升

面對強對抗、須要快速響應的高危任務，現有無人機蜂群技術還無法實現某些作戰能力，如實時評估當前戰場態勢和無人機蜂群網絡狀態，及時調整任務并重新規劃任務路徑等。當蜂群單機由于性能不佳或受到較嚴重的外界干擾而無法協同作業時，整個蜂群網絡如何快速、準確鎖定故障單機，及時替換并分配新的單機，從而不影響既定任務順利執行，是目前無人機蜂群領域又一項技術難題。筆者認為，可以考慮將具有不同優勢和功能的單機所收集的各種信息進行實時傳輸，并進行拼接和整合，從而得到較為及時、全面、準確的全戰場立體態勢圖，這在一定程度上可以降低因信息收集不全而做出錯誤決策的風險。此外，應該充分發揮人工智能和深度學習優勢，把每一次任務的整個過程數據，即從最初收集的信息到最后決策的信息進行存儲，作為后期無人機學習訓練的素材。利用計算機的快速運算、數據加工處理技術并輔以人的思維決策，將大大提高決策準確性、可行性。人工智能技術經過大量樣本訓練和實操后，將在分析決策環節中減小失誤、發揮更大作用。

圖6 在執行須要快速響應的高危任務時，無人機蜂群應及時、重新規劃任務路徑。

圖7 小型蜂群無人機編隊飛行概念圖。

任務執行能力提升

當前大部分無人機均為半自主式，即采用程控與人控相結合的方式，也就是所謂的“平臺無人、系統有人”，且大部分情況下都是多人操控一架無人機。隨著無人機蜂群數量的增加，其網絡內部的組織機制更加復雜，須要投入的人力成本也相應增加。要想降低整個作戰系統的人機比，就必須改變現有模式，提升無人機自主決策、獨立執行任務的能力。值得一提的是，無論無人機自主性達到何種等級，無論其為操控者提供的各項建議如何明智可行，最重要的攻擊決策權，應該始終由操控員牢牢掌控。

未來展望

毫無疑問，無人作戰平臺是未來軍事變革和作戰樣式創新的催化劑，是各國武器裝備建設的重點，無人機蜂群作戰也必將成為未來作戰的主要模式。目前國外一些無人機蜂群技術較為先進的國家已構建有人機/無人機集群協同作戰新模式，利用無人機作戰成本低、機動性強等優勢，在復雜作戰場景下由人工操控系統、無人機快速響應，從而大大提升無人機作戰能力。雖然目前國內外在無人機研究及應用領域取得了一定成果，但戰場形勢變化莫測，愈發復雜的信息環境對無人機作戰能力提出了越來越高的要求，未來，在縮短無人機感知-分析-決策-行動整個回路的時間，提升無人機操控準確性和執行命令靈活性等方面還有極大的改進空間，無人機蜂群創新研發和運用之路必定是一個曲折、漫長的發展過程。