神經觸角“單兵千里眼”

劉 恒，宋 婷，郭立安

(中國航空工業集團公司雷華電子技術研究所，江蘇 無錫 214063)

無人機“蜂群”協同作戰(Unmanned Aerial Vehicle Swarm Fighting)是分布式作戰思路的典型代表，其最大特征在于體系的區域分布性，分系統具有獨立自治性，并且分系統具備全局目標激勵的同步性，涉及系統架構、通信網絡、指揮控制、輔助決策、同一任務指標下的協同作戰等[1]。多無人機協同作戰技術集成了單體靈活的優點和系統簇種群優勢[2]，基于既定的網絡化作戰模式，發揮了無人機“蜂群”作戰的靈活機動性優勢，可以在保持單體作戰能力的基礎上，使系統簇群實現對戰場敏感區的偵察，在特殊情況下可對戰場上敵軍裝備實施欺騙干擾以擾亂敵軍注意力，并消耗敵方資源，使敵方探測裝備的跟蹤目標數目趨于飽和，同時增加敵軍防空系統的識別難度。

本文主要分析了無人機蜂群協同作戰的優勢與發展趨勢，并結合其作戰的特點，提出了一種通過單兵進行遠程無線操作的無人機蜂群作戰云系統——“單兵千里眼”，通過大量低成本無人機快速靈活的配置，擴大單兵偵察范圍，提高單兵作戰效能，并仿真分析了典型天線陣列排布方向下的作用距離，為戰場環境下單兵無人機蜂群協同作戰提供了一定的技術支撐，同時針對“單兵千里眼”作戰的關鍵技術進行了分析。

1 無人機蜂群協同作戰優勢與發展趨勢

1.1 無人機蜂群協同作戰優勢

1.1.1 分布式偵察-探測-對抗-評估優勢

無人機蜂群作戰的技術優勢包括系統的高度密集性、區域協同性、智能決策性和靈活機動性，其系統在戰場上是一種分布式傳感器的武器裝備，通過不同的部署方式、功能區域的劃分、網絡化的通信實現多無人機協同作戰的功能，發揮無人機集群的優勢，使系統達到高于單體裝備的作戰效能。在偵察方面，無人機蜂群作戰[3]利用集群優勢實現在單平臺分布式部署下的集中偵察與廣域偵察，可以在保障偵察效率的情況下實現系統的防御功能；在探測感知方面[4]，無人機蜂群單體之間通過輻射不同頻段、不同體制的信號實現全頻譜、全方位高效率的探測；在電子干擾方面[5]，無人機蜂群單體之間通過協同作戰完成相互之間的定位功能，通過戰場形勢確定合適的干擾作戰計劃，使各單體針對敵方高價值目標實施集中式高效率的電子干擾策略。

1.1.2 動態聚能、靈活配置優勢

無人機“蜂群”協同作戰技術的主要作戰優勢是利用單體之間的委任決策原理，將系統簇之間協同作戰的快速反應效能發揮至極致。在戰場上的分布式單體可消耗分解敵軍裝備的作戰資源，使敵軍的整體作戰效能斷崖式下降，通過干擾分散敵軍裝備資源的注意力鈍化其感知能力，最終從根源上破壞敵軍的“偵察—定位—決策—行動”(OODA作戰環)[6]。同時，無人機“蜂群”協同作戰技術通過系統簇功能的重新配置實現敵方重點關注區域的偵察功能，并實時向作戰指揮系統中心反饋偵察效果信息，作戰指揮中心通過獲取的前方作戰信息做出有效的決策控制，對各單體實施分布式的控制，并基于智能體決策與敵軍裝備進行博弈對抗，使敵軍無法獲取我軍有效戰場信息[7]。根據指揮控制中心的資源管理與智能決策系統的合作，各單體之間具有靈活機動、實時功能配置的特點，各單體具備同等地位，在大規模作戰環境下，避免了傳統戰場上一旦單體失效造成不可彌補的損失。

1.1.3 非對稱作戰成本優勢

無人機“蜂群”作戰系統通過集中高效費比的單體，通過軟件化方式配置其功能、部署其位置，組成多功能復雜系統，并且由于單體的低成本與可替代性，使系統具備非對稱作戰成本優勢。通過系統簇之間的高效協同，實現對敵方高價值目標的資源消耗，利用其低成本大規模優勢損耗敵方的裝備[8]；并且系統簇分布范圍廣、數量多，使敵方的感知與攻擊裝備將大量資源消耗在與各單體之間進行攻防對抗上，從而通過提升敵軍裝備的作戰成本來獲取我軍的成本優勢。

1.2 無人機蜂群協同作戰發展趨勢

1.2.1 異構多類型無人機蜂群協同作戰

單體的無人機功能有限，因此即便是多無人機集群也不能對未來復雜多變的戰場環境進行靈活多功能的應變，因此未來的無人機集群作戰環境必須具備異構多類型的單體，使系統具備多功能的強適應性。異構多類型無人機蜂群未來會根據其作戰能力形成以十克級(對標CICADA)、百克級(對標Perdix)、公斤級(對標LoCUST)、十公斤級、百公斤級(對標Gremlins)等系列化平臺為基礎的作戰譜系[9]，并且逐漸在雷達感知、預警探測、目標監視、電子偵察、攻防對抗、飽和攻擊、主動防御、特種作戰等方面發揮重要作用。由于無人機單體朝著多類型異構化的方向發展，無人機集群概念將在“陸、海、空、天、電”五位一體的環境中發揮作用。圖1為異構型無人機戰場分層配置圖。

圖1 異構型無人機戰場分層配置圖

由于異構型多功能無人機所具備的作戰使命、作戰功能、作戰范圍、作戰效能等各不相同，可將其單體獲取的戰場信息進行快速融合，獲取精確的戰場環境信息并進行決策控制。當異構單體中的某一類型無人機數量不夠時，可通過整體系統調配實現其他類型無人機的調用并重置其功能以保證任務的完成。針對異構型無人機戰場需求，進行不同異構無人機的資源配置、功能配置、分布式部署配置，并根據任務實現相互之間的協同工作，以達到整體性能指標最優。指揮控制中心對戰場異構型無人機進行合理的規模配置、位置部署和功能規劃，包括后續的相互補充規劃，以應對未來復雜戰場環境的不確定性，是未來無人機蜂群協同作戰的發展方向。

1.2.2 基于人工智能的無人機蜂群協同作戰

無人機蜂群協同作戰技術主要通過對無人機不同的構建方式、運行模型、動態規劃、編隊方式、指揮控制等，利用無人機集群作戰系統的高效費比、低成本、功能多樣、靈活機動、強綜合能力等優勢，實現廣域目標探測、重點戰機保護、重點區域突防、遠程攻擊作戰等任務。因此，需要未來戰場上的集群無人機具備自主協同的能力。利用人工智能(Artificial Intelligence,AI)技術可在復雜多變的環境下結合精確的戰場環境信息進行控制決策，并將指令傳輸至無人機單平臺執行其分配的任務，并且其反應精確且快速，其決策執行效率為人類的幾百倍，AI技術為無人蜂群作戰系統提供了自主認知和智能決策基礎技術支撐。因此，未來空戰應整合AI無人機蜂群[10]——可以執行空戰的無人機蜂群戰斗管理系統，將能夠聯網處理態勢感知、反應判斷、戰術選擇、資源管理和使用等。

1.2.3 無人機蜂群分布式網絡化協同作戰云

“作戰云”的本質是融合，結合異構型無人機完成空、時、地域的傳感器探測，利用現有的云計算+邊緣計算技術實現戰場資源的獲取與數據融合，完成戰場態勢實時共享，為指揮者或智能體提供決策信息支持，在提高單機平臺間的協同能力的同時也提升了整體攻防效能。無人機蜂群分布式網絡化協同作戰云是大數據、云計算、邊緣計算等概念在協同作戰領域的新應用，是深入發展網絡中心戰的成果，其核心是陸、海、空、天、電五位一體的作戰力量整合，此概念下的作戰云是各單機平臺組成的傳感器、武器系統構建的虛擬“云”，在系統層面上實現戰場資源的動態高效管控和海量信息高速、實時、分布式處理與共享，構建跨域、跨軍種、分布式、網絡化的 “云殺傷”協同作戰能力[11]?！白鲬鹪啤敝荚跇嫿ㄌ摂M網絡化的作戰資源共享池，融合了虛擬“云”單元的戰場信息。資源共享池具有全域性、分布式、網絡化、虛擬化、動態資源分配、接入自管理、高機動性等特點，與傳統的多平臺協同相比，“作戰云”利用云計算、邊緣計算技術實現系統級陸、海、空、天、電維度的戰場資源整合[12]，匯聚成“云”，完成戰場數據的網狀交互，將對未來的作戰體系產生深遠影響。但限于空時限制，當前各維度平臺之間的信息共享程度有限，空戰模式依舊是傳統的集中指揮、分散執行的線性模式。基于云協同技術，各域平臺可隨時入“云”出“云”，提供數據或從云中獲取信息，采用即插即用模式并利用自然聚散特性，構建出靈活多樣的動態“蜂窩式”力量結構和分布式作戰樣式。

2 單兵無人機蜂群作戰云系統

2.1 單兵無人機蜂群作戰云組成與功能

單兵無人機蜂群作戰云系統可以通過地面裝甲作戰車攜帶至戰場前方并釋放，主要運用于戰場上對敵方敏感區域進行偵聽，獲取全面的戰場信息后進行數據融合，最終將戰場態勢傳遞給大型指揮預警機或地面指揮控制中心，經系統決策后對威脅目標進行攻擊任務分配，大中型無人機蜂群可承擔其攻擊任務。

單兵無人機蜂群作戰云在戰場上的主要功能是通過大量低成本無人機快速靈活的配置擴大單兵偵察范圍，提高單兵作戰效能，圖2為單兵無人機蜂群作戰場景圖。

圖2 單兵無人機蜂群作戰場景圖

前置的無人機作戰云天線陣列主要獲取戰場信息，呈三角隊列，以侵入地方作戰區域，尾隨的綜合信息處理作戰云主要對戰場信息進行處理，得到的戰場態勢信息傳給指揮控制中心進行綜合任務管理與規劃。圖3為無人機蜂群組網編隊圖。

圖3 無人機蜂群組網編隊圖

戰場上各個無人機作戰云承擔不同的功能，可完成偵察、探測、對抗、評估的任務，因此，每個作戰云都可作為單兵的神經觸角，深入敵方各個隱蔽區域，獲取敵方信息。

無人機蜂群作戰云為分布式網絡化協同作戰體系，主要通過協同組網和分布式感知提升作戰能力，采用雷達組網和分布部署來提高偵察和預警能力，實現了各作戰力量間信息的高度共享及指揮控制鏈路與通信鏈路的分離，適應了探測高效化、通信專業化的要求，其即插即用、隨時入網、自然聚散的特性顯著降低了系統破壞敏感性。組網雷達通過指揮控制中心進行動態資源管理，利用高速通信鏈路將多部不同體制、不同頻段和不同工作模式的雷達信號聯合起來，最終通過信號融合處理技術將網內各傳感器的信息整合成最全面可靠的情報。

單兵無人機蜂群作戰云采用分布式網絡化協同作戰體系，可憑借廣域覆蓋實現無縫監視，憑借多角度觀察降低甚至消除敵機隱蔽潛入的風險和組網系統的虛警概率；當系統內一部或幾部收發天線陣因受到攻擊而失效時，其他無人機系統通過編隊重構、資源整合，依然能擔負起偵察敵方敏感區域的重任，避免預警偵察體系整體癱瘓；分布式網絡化系統作戰體系既可以靈活調整工作狀態，充分發揮每部雷達的探測優勢，又可以通過交替開機、輪番機動等方式給敵機造成電磁閃耀干擾，使之混淆跟蹤的方向、頻率和波形。

2.2 單兵無人機蜂群作戰云主要性能指標

2.2.1 無人機蜂群作戰云天線陣列方向圖分析

通過無人機飛行編隊的協同控制，完成對特定區域的偵察。圖4和圖5分別為10架無人機和36架無人機形成的作戰云天線陣列編隊結構圖，圖6和圖7分別為兩種不同無人機形成的作戰云天線陣列的天線方向圖。

圖4 10架無人機作戰云天線陣列編隊圖

圖5 36架無人機作戰云天線陣列編隊圖

由圖6和圖7可知，飛行編隊的規模越大，形成的方向圖越好，將能量動態聚集，可對戰場態勢進行很好的評估，并可對無人機飛行編隊進行靈活配置以實現波束指向的控制。

圖6 10架無人機作戰云天線陣列的天線方向圖

圖7 36架無人機作戰云天線陣列的天線方向圖

2.2.2 無人機蜂群作戰云作用距離分析

針對36架無人機作戰云天線陣列進行作用距離分析，無人機工作頻率為300 MHz，飛行間隔為0.5 m，天線增益為21.25 dB，目標雷達截面積(Radar Cross Section,RCS)為1 m2。

空空探測時，雷達距離方程[13]為

(1)

式中，GT為天線發射增益；GR為天線接收增益；λ為波長；σ為目標的RCS；Ti為相參積累時間；SNR為檢測所需信噪比；Pav為天線平均發射功率；k為玻爾茲曼常數；T0為系統噪聲溫度；Ls為雷達系統損耗；La為大氣損耗；Fs為雷達系統等效噪聲系數。

根據雷達作用距離方程可得作用距離與天線輻射功率之間的關系圖，如圖8所示。由圖8可知，只需9.8 W的天線輻射功率就能探測到50 km的距離，這將極大提高單兵的作戰效能。

圖8 空空探測時作用距離與輻射功率之間的關系圖

空地探測時，雷達方程[14]為

(2)

式中，k為玻爾茲曼常數；To為發射信號脈寬；H為飛行高度；Vg為在即速度；c為光速；R為作用距離；Br為系統噪聲溫度；Fn為系統接收通道損耗；Loss為總損耗；λ波長；Lr和La為距離和方位處理中加權引起的信號處理增益損失；awr和awa為距離和方位處理中加權引起的主瓣展寬系數；NEσo為噪聲等效系數。

根據雷達作用距離方程可得SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔徑雷達)模式下作用距離與天線輻射功率之間的關系圖，如圖9所示。由圖9可知，只需0.07 W的天線輻射功率就能實現50 km的1.5 m分辨率探測距離，這將極大提高單兵的作戰效能。

圖9 SAR模式作用距離與輻射功率之間的關系圖

2.2.3 無人機蜂群作戰云空時魯棒性分析

由于陣列信號處理的時空誤差魯棒性能力有限，因此針對空間與時間魯棒性進行分析。

(1)陣列信號處理空間魯棒性分析。

陣列信號處理的空間魯棒性需要嚴格保證，前端天線陣元間距至少為半波長的一半，由于工作頻率為300 MHz，因此波長為1 m，無人機蜂群間距應至少大于0.5 m。由于現在無人機控制定位技術成熟，采用RTK技術可實現地面控制點幾何定位平面中的中高程誤差為0.08 m，因此只需保證無人機蜂群間距大于0.6 m，設計的前端無人機天線陣列就不會出現柵瓣，具有良好的天線特性，即可滿足陣列信號處理的空間魯棒性要求。

(2)陣列信號處理時間魯棒性分析。

本文設計的無人機陣列蜂群的工作頻率為300 MHz，考慮前端天線陣列無人機群向后端信號處理陣列無人機群的傳輸帶寬在寬帶SAR情況下為最大，由于傳輸的僅為A/D采樣后的基帶信號，實現1.5 m的分辨率需要的帶寬為100 MHz，采樣率為150 MHz，又由于現在常用的雷達相關A/D芯片量化位數一般為12-bit，因此前端天線陣列無人機群向后端信號處理陣列無人機群的傳輸速率至少為

2(IQ兩路基帶數據)×150×12=3600Mbit/s=3.52Gbit/s

而業界標桿的5G峰值下載速率在Sub-6GHz頻段(低頻頻段，5G的主用頻段)可達4.6 Gbit/s，在毫米波頻段(高頻頻段，5G的擴展頻段)可達6.5 Gbit/s，均大于所需的傳輸速率，因此本文設計的陣列信號處理在時間魯棒性方面可以滿足要求。

綜上，本文設計的動平臺分布式陣列信號處理在時空誤差上具有較好的魯棒性，但僅限于設計的低頻段，在高頻段需要實現如此高的探測性能，其對動平臺的時空誤差魯棒性要求更高且更敏感，可能會不滿足需求。

3 無人機蜂群協同作戰關鍵技術

3.1 無人機蜂群協同作戰數據鏈技術

無人機蜂群作戰實現是關鍵是數據傳輸的時效性，因此數據鏈承擔著無人機指揮控制和信息傳輸的重要任務，不同類型無人機平臺的數據鏈類型也各不相同，但都隨著通信技術的發展而不斷演進，無人機數據鏈面臨著頻譜資源短缺、頻譜環境復雜、受環境干擾和人為干擾嚴重等諸多挑戰。因此，數據鏈技術是實現無人機蜂群協同作戰的基礎，用于連接地面單兵指揮控制中心與無人機編隊內各指揮控制節點、作戰平臺和武器平臺，主要傳輸數字信號，是具有標準化消息格式、組網和通信協議的信息系統[15]，該系統能根據需要以不同數據速率及信道傳輸，作戰指揮系統的戰術信息無人機蜂群協同作戰數據鏈的關鍵技術包括統一通信協議和消息標準制定、復雜電磁環境下抗干擾保密通信、多型數據鏈協同作戰、一體化數據鏈、相對導航定位等[16]。

3.2 無人機蜂群協同作戰信息融合技術

信息融合技術是統一戰場態勢生成的基礎，包括對多源信息進行檢測、相關、組合和估計等技術，用以提高狀態和身份估計的精度，并對戰場態勢和威脅的重要程度進行適時且完整的評價。無人機蜂群協同作戰體系根據自身傳感器(雷達、光電、電子對抗和紅外等)及編隊內其他指揮控制平臺提供的空中、陸地和水面航跡消息進行目標信息融合，形成統一的戰場態勢。無人機蜂群協同作戰信息融合的關鍵技術主要包括時間空間配準、精確導航定位、多機動目標跟蹤與識別、航跡關聯與維持、態勢評估與威脅估計等[17]。

3.3 無人機蜂群協同探測技術

隨著無人機協同環境感知、無人機等關鍵技術的突破，無人機蜂群分布式網絡化協同探測系統通過分集增益對目標進行高精度定位，在軍事作戰領域將會越來越受到重視。協同探測包含無人機蜂群有源/無源協同探測、外輻射源探測、無人機與有人機協同探測、協同任務分配、無人機在線協同航跡規劃、無人機協同編隊、無人機協同資源管理等。

3.4 無人機蜂群分布式供電技術

現階段的無人機體積小、質量輕，但由于多數機載電池在單次充電后續航能力一般不足1 h，這使無人機蜂群執行任務的能力受到了極大限制，未來可利用電路板、電源和銅線圈打造獨立的無線供電平臺。當無人機接近這個平臺后，機上的銅線圈就會作為磁場的接收天線，產生交變電流，然后通過無人機上的修正電子將交流轉化為直流，從而為無人機供電。

4 結束語

無人機蜂群協同作戰云可發揮平臺數量優勢，在單兵作戰方面可充分整合有限的航空資源，本文提出了一種單兵無人機作戰云系統，在此基礎上構建起新型空中作戰力量，通過快速敏捷的飛行編隊控制無人機天線作戰云陣列，完成戰場態勢實時共享和決策支持，提升作戰云平臺間的協同防御能力與單兵偵察效能，可在未來戰場上形成一種新的顛覆性作戰體系。

今后應根據作戰需求，深入研究單兵無人機作戰云陣列排布與實時路徑規劃，利用有限的航空資源最大化實現探測效率，發揮單兵千里眼優勢。