未来战场无人机蜂群作战能力分析*

苏雯嘉 方 丹 高欣宝

（陆军工程大学石家庄校区 石家庄 050003）

1 引言

2019年9月，10架无人机组成的作战力量被胡塞武装投入到袭击沙特的两处炼油厂，造成巨大损失，这是典型的以较小代价换取较大作战效果的例子［1］，该战例开启了无人机蜂群作战的时代。回顾无人机的发展历史，在需求牵引、技术支持等因素的影响下，无人机经历了从无到有，再到完善优化的发展历程。1914 年，一战期间，英国的两位将军卡德尔和皮切尔首次提出“无人驾驶空中炸弹”的概念。1917 年，第一台自动陀螺稳定仪的出现，对于飞机自动旋转稳定的研究形成突破。1935 年，“蜂后”式无人机问世，随后，各国都陆续出现了自己的无人机。1966年12月，中国第一架无人机“长空一号”首飞成功。最初，人们研制出无人机只是为了减轻飞行员的负担，让其可以代替人类去完成危险、复杂、肮脏的任务，而无人机也凭借其部署灵活多变、使用成本低、响应速度快等优势在军民领域得到迅速发展［2］。美军作为世界军事强国，在无人机的研发方面，运用了飞行动力学技术、集成化技术、自动控制技术等方面，引领了无人机研制技术的不断优化，并且长期以来一直将无人机空域作战作为其占据军事优势的重要手段之一［3］，图1 展示了美军无人机发展。

美军近年来提出了“小精灵项目”、“山鹑项目”等一系列研发论证无人机集群作战的项目，使得无人机蜂群成为各国重点关注的作战样式，2019 年时任美空军助理部长的威尔·罗珀在《空军》中就曾提出：“未来战争的作战样式就是蜂群作战”［4］。无人机蜂群作战的特点是，模拟蜂群分工、传递信息、协同配合的过程，携带不同类型、数量的弹药，结合作战任务的多少、作战区域的分布、无人机数量的分配、无人机飞行轨迹的规划等情况，预先做出决策，图2是一个无人机蜂群作战概念示意图。

无人机蜂群的出现改变了现有战场环境，使得战场态势变化的速度加快，未来战场环境的改变又对无人机蜂群提出了更高的要求。本文主要结合美军的无人机蜂群发展分析了未来战场的改变和无人机蜂群的关系，以及未来战场对无人机蜂群作战所提出的要求。

图1 美军无人机发展

图2 无人机蜂群作战示意图

2 未来战场环境与无人机蜂群作战的关系

无人机蜂群改变了战场环境，战场环境也影响着无人机蜂群作战，本节将先从无人机蜂群对未来战场变化的影响，再分析未来战场上的作战方式对无人机蜂群发展方向的影响和关键技术对无人机蜂群作战性能的影响三方面来展开分析未来战场环境与无人机蜂群作战的关系。

2.1 无人机蜂群对未来战场的影响

随着无人作战概念逐渐演化，人工智能不断突破，无人武器逐渐成为各国重点发展的武器，其中无人机是目前研发力量最为庞大、使用场景最为全面、利用率最高的无人武器，而随着通信传输力量日益强大，无线通信距离取得突破，无人机蜂群作为新兴武器开始走进人们视野。美国防部早在20世纪90 年代末就提出了无人机蜂群作战概念，并且先后展开了多个项目对其进行论证研究。此外，美空军在2016 年5 月发布的《2016-2036 年小型无人机系统飞行规划》中也提到了无人机蜂群作战概念：低对抗环境下，C-130 运输机投送无人机蜂群，执行情报侦察、监视任务，并且配合中空长航时无人机实施打击和为AC-130 空中炮艇提供目标指示；在强对抗环境下，改由B-2 隐身轰炸机投送无人机蜂群，同时增设对空∕对地电子攻击、压制∕摧毁敌方防空火力等功能。可见，未来战场上，无人机蜂群必将成为重要武器。

无人机蜂群作战的对象一般是坦克和装甲等重型武器，依靠无人机蜂群的小而多、可灵活重组的特点来应对重型武器的大而笨、难以高速移动的特点，使用集群协同打击的方式进行作战，对于敌方攻击在很短时间内变换队形，令敌方难以应对，无人机蜂群的作战规模不是绝对的，会随着当前打击目标的难易程度和无人机的战损情况而具体确定，作战能力取决于当前无人机的数量和所具备的功能，这就使得未来作战环境变成攻击无处不在、目标无处隐形、敌人无处藏身的战场，而又因为反无人机蜂群技术的发展不完全，目标探测技术、电磁干扰技术、精确打击技术难以应对数量庞大的无人机蜂群，未来战场又将具有目标难以发现完全、敌人难以消灭殆尽、武器难以利用到位的特点。

2.2 未来作战方式对无人机蜂群发展方向的影响

未来作战方式是无人作战，无人机蜂群是与无人作战相对应的重要武器之一，除美国外，世界各国都针对无人机蜂群技术展开了研究。以色列于2021 年5 月首次使用无人机蜂群对哈马斯组织发动空袭和到导弹打击，数十个哈马斯目标被摧毁而以色列无一人伤亡；我国中电科集团于2020 年10月开展了由200 架无人机组成的无人机蜂群系统试飞的工作，验证了陆上发射和空中投放无人机蜂群完成对地察打、精确打击等各项任务的能力；近期我国国防科技大学智能科学院自主研发的固定翼∕复合翼异构无人蜂群，于2021 年8 月在“西部-联和-2021”演习中首次亮相并取得圆满成功。

从表1 中美军典型无人机项目情况分析一览表中关键特点一栏中可看出，美军作为军事领头，重点关注的是发展无人机蜂群的低成本和智能化。无人机蜂群可以大幅降低作战成本，对一个航母战斗群发动一次饱和攻击需要240 枚反舰导弹，若无人机蜂群战术发展成熟，将其换成美军目前用于模拟作战的“郊狼”无人机，单价仅为15000 美元，240架无人机的总成本也不过360万美元，仅仅相当于三门“鱼叉”导弹的成本［5］，可见，无人机蜂群的低成本特性极为显著，可以大幅减少武器研发开支。无人机蜂群的作战构想就是让无人机像蜜蜂一样，对目标群起攻之，独立自主完成机群信息共享和协同进攻防御等任务，成为能够“思考”的武器，这就要求无人机在未来战场上变得更加智能化，能够自主控制、灵活机动，必要时还需要能够做出自杀式攻击的决定。只有具备低成本和智能化，才有可能从未来战场上的一系列无人作战武器中脱颖而出。

表1 美军典型无人机项目情况分析一览表

2.3 关键技术对无人机蜂群作战性能的影响

无人蜂群首先强调的是无人化，2016 年3 月AlphaGo 击败世界围棋冠军就证明人工智能可以战胜人类，因此也可以替代人类进行决策，其次强调的就是集群化，假设有20 架小型无人机进行作战，区别于单个无人机作战，这20 架无人机要先分组，比如5 架首先进行战场侦察，侦察结束之后远程返回目标信息并且作为后备力量继续在战场中补给其他分组，3 架打击地面坦克，5 架打击地面雷达车，3 架打击地面作战人员，4 架打击地面防御工事，每个组里面的无人机要进行目标打击情况的信息交流，组与组之间也需要进行一定的交流，以便于进行支援与协助，这其中，每一步都需要无人机可以自主判断当前态势，并根据动作优劣程度做出当前最适宜的决策。

无人机蜂群会结合以往的作战关键技术和最新的关键技术一起发展，弹药制导与控制技术、目标探测与识别技术、光电传导技术等传统技术已经发展比较成熟，无人机蜂群的“眼”“耳”“鼻”“嘴”“手”“脚”已经形成雏形，但是作为最复杂精妙的“脑”却处于刚刚萌芽的状态，这就是现在最热门的人工智能技术。将人工智能技术应用到无人机蜂群中，最初的作战想定才能实现，可以说，人工智能技术推动着无人机蜂群的成熟。无人机蜂群作战本质上就是“无人军”作战，人工智能技术是“无人军”打败有人军的关键。

3 无人机蜂群作战能力

无人机蜂群凭借小型化、低成本、集群作战和重组灵活的特点区别于传统的智能武器，图3 是无人机蜂群作战演示图。2004 年，美国海军陆战队首次提出“分布式作战”概念，来适应当前武器装备“大量、小型、多样”的特点，到2014 年，美国出台的第三次“抵消战略”中就进一步明确了分布式空中作战的概念［6］。分布式作战，是指蜂群中每一架无人机都是一个独立而又和其他无人机有联系的个体，每一架无人机都具备在战场上自主生存的能力，并且可以与其他无人机共同组网实现信息互通，分布式作战的无人机蜂群没有中心无人机，任何一架被毁伤都不会对其他无人机造成影响，剩余的无人机可以继续重组网协同作战。无人机蜂群作战能力，既包含了无人机的的自主生存能力，又囊括了蜂群协同作战方法。

图3 无人机蜂群作战演示图

3.1 无人机蜂群自主生存能力

无人机蜂群中的每一架无人机都是一个节点，关系着蜂群通信和蜂群网络的构建，要想无人机蜂群能够在战场环境下良好地生存下来，不仅需要单个无人机的功能正常运行，还需要保证蜂群组网的正常通信。在没有敌方威胁的情况下，对于单个无人机而言，在完成一定高度、一定时长的飞行任务时，需要有航时长、稳定好和定位准的能力；对于蜂群系统而言，最主要的是要有交流顺和转轨快的能力。

1）航时长

无人机蜂群作战空间较大，被投放后很容易出现距离预定作战位置很远的情况，而且在战场中作战的时间并不是固定的，这就需要无人机能够长时间航行，具有充足的作战时间来完成作战任务。

无人机要想航行时间长，就必须保证有充足的动力，无人机的动力系统包括电动机和内燃机两种，以电动机为主，目前无人机的动力装置普遍采用活塞式发动机系统，但是对于无人机蜂群中的微型无人机而言，体积更小、重量更轻的电动动力系统更为合适。无人机蜂群作战讲究的是快速高效，以量取胜，所以，对于无人机的续航时间要求并没有大型无人机那么高，通常保持在两小时，单纯采用锂电池供电能量供应有限，单纯采用燃油供电又影响速度，目前针对该问题的解决方法一般都是实现油动和电动混合，其中宗剑等提出一种油电混合式动力系统［7］，结合两种供电方式的优点来给无人机提供充足的动力，并且，为了减轻无人机负担，燃油可以换为固体高密度机油，在无人机工作前期使用电力系统供电，电力消耗到一定程度后开始进行固体机油的融化使用，这样既保证了动力的充足，又可以提高能源利用率。

2）稳定好

无人机进行空域作战，自身体积较小，不仅风向、风速、天气状况会对无人机飞行产生影响，自身转弯、加减速、起飞、降落等需要改变无人机姿态的过程也会导致无人机发生偏转、坠毁等情况，所以，空中飞行的不确定性使得无人机必须具有良好的稳定性。

无人机要想获得稳定的飞行姿态，一定要控制飞行的角度和速度，以往一般采用加速度计和陀螺仪来进行无人机飞行姿态解算得到无人机飞行的速度和角度的信息，但是这两种方法的误差较大，基于此，潘亚文等融合两者优点提出了一种四元素互补滤波混合算法［8］，唐俊等则为提高精度提出了一种动态梯度补偿的算法对加速度计和陀螺仪输出的数据进行实时处理［9］，Lara Alabazares 等研制了一种小型无人机姿态稳定鲁棒控制器［10］。无人机飞行姿态控制的研究目前取得了一部分成果，但是仍旧需要为进一步提高控制精度，缩短控制时间而不断努力。

3）定位准

无人机蜂群在完成任一任务前，都需要进行航迹规划，碰到来袭炮弹等突发情况，还需要快速改变原有轨迹，无人机蜂群进行轨迹规划需要准确掌握每一架无人机当前位置，根据无人机的速度和转角范围测算最适宜的路径到达目标位置，这样，既能提高作战效率，又能避免无人机之间发生碰撞。

通常，无人机地定位分为两种，自主定位和被动定位，自主定位是自己实现定位，不借助外界配合，主要是惯导和陀螺仪，被动定位就是GPS、北斗和格拉斯。无人机蜂群不仅要定位准，还得能够和战场进行信息交互，得到敌方目标和己方无人机的位置，所以一般采用被动定位，使战场上所有作战力量在相同的坐标系下，无需进行坐标转换。被动定位是利用24颗GPS卫星或者55颗北斗卫星来确定无人机的位置，随着科技的不断进步，据悉，美国GPS 民用定位精度提高到了10m 左右，而军用GPS的定位精度约为0.4m，俄罗斯的格拉斯定位精度稍逊于美国，约为10m，我国的北斗卫星定位系统虽然起步较晚，定位精度均值却已达到2.34m，未来北斗还将与5G 网络结合使用，做到定位速度更快，定位精度更高，覆盖面更广，应用更多［11］。

4）交流顺

随着信息技术的发展，远距离通信已不成问题，但是由于无人机的数量众多，通信信息的大量发射和接收使得战场电磁环境变得愈加复杂，如何保证无人机之间的顺畅交流成为一个关键问题。

传统的射频通信因为易被战场环境磁场干扰，针对此问题，于志亮等提出了自由空间光（FSO）通信［12］，FSO 通信的带宽更大、不易受干扰，更适合无人机蜂群的机间通信。而针对无人机的无线通信频段与其他用户共享，造成拥挤的问题，Touati等提出了一种基于集中式认知无线电网络的无人机通信方式，地面控制站作为中央协调器处理无人机群带宽使用，有效解决无人机通信拥堵问题［13］。目前针对无人机蜂群的通信问题提出的很多方法都没有投入实战中验证，无人机蜂群的通信问题是未来作战急需解决的问题之一。

5）转轨快

无人机蜂群的轨迹并不是一直不变的，会根据战场情况随时进行调整，比如无人机蜂群被击落或者通信遭遇阻断时，会需要快速改变原有轨迹，而要想实现达到快速的目的，就需要无人机的大脑——飞控系统，能够正常工作。飞控是用来接收指令并解算成无人机参数来控制无人机的飞行速度、倾角等因素的，其解算发送信息的能力是通过改进其算法而实现的，目前其算法已经能够大幅缩短解算时间，所以只需要避免其在战场环境中受到电磁干扰无法工作问题的出现。对于传输的信息，吴佳楠等介绍了构成可重构系统以及余度技术两种方法［14］，同时，对于飞控系统的保护还需要考虑部件布置和屏蔽。

3.2 无人机蜂群协同作战能力

无人机蜂群的协同作战能力，主要体现在任务的完成度以及对自身的保护上。

无人机发展到无人机蜂群，作战任务不再是简单的察打一体，集群作战中，每一架无人机的功能都变得更加多样化，执行的任务也变得更加复杂。信息化作战背景下，无人机蜂群的集中式控制决策和半集中式控制决策不再适用，针对每一架无人机的不同功能，采用分布式控制决策才能够最大化发挥蜂群效能，提高任务完成度。为了能够更好地完成任务，针对无人机蜂群的协同作战决策以及任务分配方面，Kai Virtanen 等提出一种影响图博弈的方法对空战中的每一步动作进行决策［15］；杨利斌等提出基于遗传算法的分布式栅格计算方法来提高多无人机协同决策的计算效率［16］；彭维平等提出采用多无人机直播体育赛事的方法来解决无人机执行任务过程中计算量大和能耗高的问题［17］；左家亮等则采用最新的启发式强化学习理论来计算无人机空战机动决策序列［18］；吴傲等采用一种以信息素为决策机制的方法来进行无人机蜂群协同搜索作战［19］。针对提高加强无人机蜂群协同作战能力的研究又很多，大多都是以算法为基础来进行研究，这样就更加需要主义提高无人机蜂群的计算和响应速度问题。

在现代空域作战过程中，随着电磁波的广泛应用，无人机蜂群对自身的保护主要体现在电磁防护上，只要无人机蜂群在投入作战前系统设定良好，基本不会出现撞击障碍物被毁伤的情况。无人机蜂群在空战过程中，会被敌方反无人机枪打击，一旦被击中，无人机就会缓缓落地，因为失联而迫降。为此，无人机既需要对干扰信号进行有效的滤除，又需要及时防护电子设备被强电磁干扰损坏，王永胜等人在光电系统、天线端口以及机体设计三方面给出了防护思路，为无人机的自身保护提出有效建议［12］；张冬晓等提出了一种基于环境感知的数据链干扰自适应方法，来提高无人机的主动抗扰能力［20］；赵敏等则提出一种基于前门耦合的电磁敏感度注入效应实验方法，来研究数据链电磁干扰机理从而提出防护方法。电磁环境日渐复杂，针对电磁武器的研究层出不穷，电磁防护也不容忽视，无人机蜂群可以向着模块化方向发展，针对不同方面做出不同模块来应对复杂多变的战场环境，再根据不同的需求装备不同的模块，提高无人机的自主作战能力。

4 结语

无人机蜂群是目前急速发展的智能武器之一，国内外都予以高度重视，本文先根据无人机蜂群的发展史，重点介绍了美军的情况，明确无人机蜂群是未来作战的主要武器。接着分析了无人机蜂群对未来战场的影响、未来作战方式对无人机蜂群作战性能的影响和关键技术对无人机蜂群的影响，无人机群蜂群改变着未来战场环境，未来战场也在促进无人机蜂群的发展，最后从自主生存和协同作战两方面分析了无人机蜂群的作战能力，并且指明了无人机蜂群现在仍旧存在的问题和将来的发展方向。