無人機集群對海上艦船的作戰樣式研究

王殿勛，郭 萃，謝 君， 王 亮，王 慎，肖玉杰

(1.海軍工程大學 兵器工程學院， 武漢 430033； 2.海軍研究院， 北京 100161)

1 引言

近年來，無人機集群作戰已從概念研究逐漸轉變為實際作戰應用，從亞美尼亞與阿塞拜疆的武裝沖突中可發現，無人機集群技術具有降維打擊、非對稱打擊優勢，是一項可以顛覆未來海戰規則的技術。

空中無人機集群對海上艦船作戰是未來海上無人系統作戰應用的重要發展趨勢和研究熱點。本文從無人機集群的概念及內涵是什么，其是否具備對海上艦船的作戰能力，以及若具備，其有哪些典型作戰樣式3個典型問題出發，開展無人機集群在復雜海戰場環境下對海上艦船作戰樣式研究。

2 概述

2.1 無人機集群的概念及內涵

1) 集群定義

目前，對于無人機集群的概念，國內學者尚未形成統一的認識。查閱近年來無人機集群理論的最新研究成果，比對了無人機集群概念的提出者、提出單位、定義來源、特征等類別，歸納后如表1所示。

表1 典型無人機集群概念Table 1 Typical UAV cluster concept combing

續表(表1)

從表1可知，近年來從事無人機集群理論的單位主要包括軍事科學院，國防大學，空軍工程大學，以及航空航天、船舶等軍地相關研究機構。如許瑞明、趙齊民、鄒立巖等學者從“集群協同+任務導向”、“機群智能”、“仿生智能+任務導向”、“集群智能+環境交互+任務導向”等方面分別給出了無人機集群的定義。

基于以上分析，本文將以任務為導向、由一定數量無人機組成，可受環境激勵，對環境可作出反饋，具有可自主組網，協同交互和產生涌現智能等特征的集群系統定義為無人機集群系統。

2) 集群規模

最小集群規模：與數學理論中將“2”作為多元函數最小規模(如=(,))分水嶺不同。無人機集群通常指可將無人機編組后構成“V”隊形的最小無人機數量稱之為無人機集群的最小規模，即將3架次以上的無人機組成的平臺之為無人機集群系統。

集群規模分類：通常將無人機集群系統分為大規模、中規模和小規模無人機集群系統，如圖1所示。

無人機集群規模大小主要取決于2個因素：無人機數量、無人機種類。如將20架次小型無人機構成的系統稱之為小規模無人機集群系統，而20架次大型無人機集群構成的系統可稱之為中規模無人機集群系統，50架次小型無人機集群構成的系統也可稱之為中規模無人機集群系統，而1架次超大型無人機和20架次小型無人機集群構成的異構系統可稱之為大規模無人機集群系統等。

2.2 相近概念辨析

1) 與自然界中生物群體辨析

牛軼峰等學者在文獻[8-10]中指出無人機集群的概念最初來源于生物群體，因此辨析無人機集群與自然界中魚群、鳥群、狼群、蟻群等自然群體行為的相似性和不同點有重要的意義。

圖1 無人機集群規模分類框圖Fig.1 UAV cluster scale diagram

表2從自組織、分布式、簡單性、自主性等方面，列出了生物群體與無人機集群相似性。表3從任務種類、人在回路、智能化等級、演進增強等方面，列出了生物群體與無人機群體不同特征。

表2 生物群體與無人機集群相似性Table 2 Comparison of the similarities between biological populations and UAV cluster

表3 生物群體與無人機群體的不同特征Table 3 Comparison of biological populations and UAV cluster

2) 與無人機集群、無人機蜂群辨析

通常可將無人機集群作戰與無人機機群作戰、無人機蜂群作戰并稱為群式作戰。群式作戰的共同特征可描述為“群”(SWARM)特征，即個體成員均為3個以上。

表4從集合屬性、本質屬性、等級屬性、三化屬性、基本特征、優勢、劣勢等方面給出了無人機集群與無人機機群、無人機蜂群等的不同特征。同時從集合概念出發，三者還存在著包含與被包含的關系，如圖2所示。

表4 無人機機群/集群/蜂群的特征Table 4 Comparison of the UAV fleet/cluster/swarm

圖2 群式作戰的集合關系示意圖Fig.2 Set relationships for swarm combat

其數學關系如下：

無人機蜂群?無人機集群?無人機機群

(1)

3) 同構/異構無人機集群辨析

同構無人機集群、異構無人機集群、同類無人機集群、異類無人機集群是無人機集群領域另一組常用的名詞術語。表5從概念內涵、核心要素等方面給出了其辨析后的比對結果，進一步可得出計算出其隸屬關系如圖3所示。其數學關系如下：

無人機集群=同類無人機集群∪異類無人機集群

(2)

同類無人機集群∩異類無人機集群=

(3)

同類同構無人機集群?同類無人機集群

(4)

同類異構無人機集群?同類無人機集群

(5)

表5 無人機機群/集群/蜂群等的特征Table 5 Comparison of the UAV fleet/cluster/swarm

圖3 同構/異構無人機集群關系示意圖Fig.3 Homogeneous/heterogeneous UAV cluster relationships

3 空中無人機集群對海上艦船作戰的論證分析

3.1 理論分析

1) 符合利益最大化準則

大型水面艦船制造成本遠遠高于無人機集群制造成本，利用低成本的無人機集群打擊高成本的艦船符合利益最大化準則。

2) 相對理想目標

海戰場環境下水面艦船的目標特征明顯、機動能力弱，是機動能力也相對較弱的無人機集群的理想目標。

3) 反制手段相對薄弱

現有的海上艦船，主要以防空導彈及艦炮為防空手段。其主要針對來襲導彈及戰機等高空高速目標，無法有效應對以無人機為代表的“低慢小”的單目標、群目標。

早在2012年，美國海軍研究生院的論文便探討了無人機集群對海作戰的概念。作者假定使用多架無人機攻擊一艘“宙斯盾”級驅逐艦，數百次模擬結果表明:當有8架無人機參與攻擊時，平均有2.8架無人機能夠避開“宙斯盾”系統的攔截;即便假設艦船升級了防御系統，仍有至少1架無人機能夠突破防御。

基于以上分析可知，空中無人機集群具備海上作戰的能力，可以用于攻擊水面艦船。

3.2 優勢分析

1) 成本低

以國防高級研究計劃局牽頭組織的“小精靈”項目為例，其最大作戰能力幾乎接近F-35戰斗機，而其制造成本極低，低于F-35制造成本兩個數量級，并可進行回收，重復使用20次以上。

2) 數量大

相較于有人戰機，無人機制造成本低，技術復雜度低，可以大批量生產，且美軍近期研究的一種作戰模式，便是運用郊狼無人機對宙斯盾戰艦進行飽和攻擊。一次性發射30架郊狼，圍繞敵艦進攻，證明了無人機集群的數量優勢。

3) 譜系全

以美軍為代表的無人機平臺，量級全、作戰功能完備。其輕量級無人機如“蟬”、“灰山鶉”可擔負戰場偵察與通信任務，重量級如“郊狼”、“小精靈”可擔負火力打擊任務。

4) 載荷搭配靈活

無人機平臺因具有量級譜系全的特點，可根據作戰需要靈活配置不同量級無人機，不同量級無人機可搭載不同量級載荷，從而能夠靈活適應各種戰場環境，擔負偵察、引導、打擊等任務。

5) 分布式

分布式作戰指將能力分散部署到多種、多個平臺上，由多個平臺聯合形成作戰體系共同完成任務。無人機載荷搭配靈活，組網功能強、可用于執行相對危險或相對簡單的單項任務。

6) 效費比高

無人機個體制造成本低廉，在遂行作戰任務時，敵方在應對大量的無人機個體組成的無人機集群的主動攻擊時，需要付出數十倍的成本來進行防御，無人機集群相比有人戰機具備顯著的成本優勢。

4 典型海上無人集群對艦船的作戰樣式

4.1 壓制和破壞艦載信息感知戰

1) 概念內涵

現代戰爭已經由機械化向信息化轉變，奪取信息權、確保信息優勢是戰爭能夠取得勝利的關鍵點。而艦載雷達、光電等設備是艦船信息感知能力生成的核心裝備，是艦船作戰系統的基礎核心裝備。

壓制和破壞艦載信息感知戰的主要目標是通過摧毀艦載雷達、光電等艦船信息感知設備，對艦船進行信息壓制和破壞，以癱瘓敵方艦船的信息感知和信息交互等能力為目標。

2) 可行性分析

典型艦船的光電設備分布位置如圖4所示，艦載雷達、光電等設備通常安裝在艦船甲板上，工作時裸露在空中，防護能力弱，易受攻擊，并且電子元器件抗損性差，如通過無人機攜帶反輻射載荷可實現對其有效破壞和壓制。

圖4 典型艦船光電設備分布位置示意圖Fig.4 Distribution diagram of typical ship photoelectric equipment

4.2 消耗艦載資源戰

1) 概念內涵

艦載資源消耗戰的核心概念來源于前蘇聯針對美軍航母編隊提出的飽和攻擊戰術。通過飽和攻擊，擠占敵方艦船的防空資源，通過數量優勢彌補突防效率的不足。是一種攻擊海上艦船的重要戰術思想。在傳統戰法中，主要使用艦船大密度連續發射導彈來進行飽和攻擊，主要缺陷是艦載導彈數量少，成本高，補給不便，且導彈突防命中率低，海戰時我方艦船使用導彈進行飽和攻擊，導彈消耗完畢后，艦船戰斗力大幅減弱，相當于退出戰斗。

消耗艦載資源戰是指通過大量低成本、分布式、自組網構成的無人機集群采用飽和攻擊策略，在有限時間約束下，消耗艦船的探測資源、計算資源、武器資源等。

2) 可行性分析

一方面，無人機集群作戰時無人機數量多，成本低，且分布零散，不易被攔截。另一方面，可從不同方向、不同梯次同時向對方艦船發射連續密集的火力流，對方艦船不得不耗費大量的探測資源、計算資源(用于群目標威脅排序、武器-目標分配)、武器資源(軟硬武器)等應對，使得此時艦船難以應對其他目標的威脅。

4.3 集群引導-反艦導彈跟隨打擊戰

1) 概念內涵

受地球曲率半徑的影響,艦載雷達探測距離為雷達視距。典型雷達視距推導公式如式(6)所示，其中、分別為天線架高和目標高度，為雷達視距。

(6)

其中，典型艦載對海警戒雷達天線架高約為20 m，被探測目標高度約為15 m，由式(6)可得出艦載雷達對海探測距離不超過35 km。

假定海面被探測目標高度約為15 m時，由式(6)可得，不同高度下的無人機探測目標的最遠距離，如圖5所示。

圖5 無人機高度與探測范圍關系示意圖Fig.5 Schematic diagram of the relationship between UAV height and detection range

由此可知，無人機對海探測距離遠遠大于艦載雷達對海探測距離。隨著導彈技術發展，艦載雷達已遠遠無法滿足反艦導彈作戰所需的探測距離。無論是使用艦船前出作為觀察哨艦還是利用預警機進行引導均需要在戰場取得一定的制空權，并且需要承擔傷亡風險。而無人機集群布放模式靈活可變，戰場適應性強，且無人員傷亡風險，利用無人機集群前出，通過對敵艦船第一波次交戰，使用數據鏈將對方艦船目標信息(相對位置、航速航向等)發送至我方艦船，為反艦導彈裝訂參數可實施第二波次交戰，可有效克服地球曲率半徑影響，使導彈遠程攻擊作用距離大大增加,提升海上單艦作戰能力。

集群引導-反艦導彈跟隨打擊是指通過前出的無人機集群將遠距離的海上艦船目標鎖定，后方艦船為反艦導彈裝訂參數后，可實施對艦船目標的打擊任務。

2) 可行性分析

2021年4月，美國海軍舉行“無人綜合作戰問題”(UxS IBP 21)軍事演習。在4月26日的演習中，美海軍“約翰·芬恩號”驅逐艦在完全不使用自身探測傳感器的情況下，接收前出無人機提供的靶艦坐標，發射“標準”-6導彈進行打擊，驗證了“集群引導-反艦導彈跟隨打擊”作戰概念。

4.4 精準對海上艦船目標識別的態勢感知增強戰

1) 概念內涵

戰場態勢是指揮員實施高效指揮控制的必要條件。在現代海戰中只有得到海戰場精確態勢信息，才能奪取信息優勢、進而贏得海戰勝利。目前遠距離對海上目標識別主要依靠衛星、雷達等。識別能力弱，精度低，僅能大體判斷是否有艦船目標，影響指揮員下定戰場決心。

精準對海上艦船目標識別是指通過無人機集群抵近偵察和異構傳感器組網大幅提升對海上艦船探測識別能力，可提升海戰場快速響應能力。

2) 可行性分析

無人機集群組網后可顯著增強對海上艦船目標的態勢感知能力，如可近距離識別艦船的種類、甚至是搭載的武器類型和數量等。

4.5 海戰場打擊效果精確評估戰

1) 概念內涵

在現代海戰中對打擊效果評估是戰場情報偵察的重要環節，對目標進行打擊后，需要有精準、全面、細致的目標打擊效果評估作為后續作戰行動的依據。目前海戰場打擊效果評估主要依靠天基偵察、空基偵察、水面和水下偵察等手段。考慮到海戰場地理環境、氣象條件、電磁環境和海上雜波復雜，當前手段存在精度低、延時高等缺點。

海戰場打擊效果精確評估是指依靠無人機集群數量多、成本低、聲光磁等載荷搭配靈活、無人員安全威脅等優勢，通過無人機集群抵近偵察和異構傳感器組網，合理運用不同的手段，使其相互彌補、相互印證，可大幅提升海上艦船打擊效果精確評估能力。

2) 可行性分析

在精準對海上艦船目標識別、跟蹤的基礎上，依托無人機集群探測能力，有效提升海戰場打擊效果精確評估能力。

4.5 五大作戰樣式

經典OODA環可描述無人機集群對海上艦船作戰的全流程，若將OODA環改進為“探測—決策—打擊—評估”等環節，可得出五大作戰樣式的OODA環貢獻度與優勢分析，如表6所示。

表6 大作戰樣式OODA環貢獻度Table 6 Comparative analysis of the contribution degree of the five major combat styles in OODA

5 無人機集群關鍵基礎支撐技術

1) 無人機集群的海上組網能力

作為集群行為的前提和保障,無人集群需要依賴穩健可靠的集群內部通信.協同執行任務。海戰場的復雜電磁環境對無人機集群的海上組網能力提出了更高的要求。是否具備海上組網能力，能否以較高的魯棒性應對復雜的電磁干擾，是無人機集群邁向對海作戰的第一步。

2) 無人機集群的海上任務規劃能力

無人機集群的海上任務規劃能力是對海上艦船作戰指揮及控制的核心，海戰場態勢和環境的瞬息萬變，面對海上目標活動范圍廣、機動性強、戰場態勢復雜等特點，使用“人在回路”的方式進行無人機集群任務規劃存在一定制約，因此迫切需要提升無人機集群的自主任務規劃能力.無人為干預情況下的海上任務規劃能力是對無人機集群對海上艦船作戰的關鍵支撐。

3) 無人機個體及集群的海上智能化能力

海戰場態勢復雜，無人機個體及集群的海上自主程度決定了任務執行能力的上限，能否在低人為操控甚至無人為干預情況下快速反應實現高度自主性，決定了無人機集群對海作戰的有效性和自適應性。

6 結論

無人機集群具有成本低廉、數量規模龐大、作戰時無人員傷亡損失等優勢，將其應用于對海上艦船作戰已成為海上無人系統作戰的利器。本文提出的壓制和破壞艦載信息感知戰、消耗艦載資源戰、集群引導-反艦導彈跟隨打擊戰、精準對海上艦船目標識別的態勢感知增強戰、海戰場打擊效果精確評估戰等五大典型作戰樣式，對無人機集群作戰研究具有重大意義。