海上无人机及蜂群作战指挥控制系统发展

孙海文，于邵祯，孟祥尧，周 末，李 丹，唐嘉钰

(海军研究院,北京 102442)

从1917年英国研制第一架无人飞行器至今,无人机系统的发展已有百年历史,从长航时高空战略无人机到战役战术小微型无人机,都离不开无人机指挥控制系统的指挥决策和行动控制,因此，无人机指挥控制系统是无人机系统的核心中枢。近年来，无人机及蜂群在海上作战的运用越来越广泛,其零伤亡、续航时间长、隐身性能好、灵活性强、可携带各类载荷等特点,使其具备超视距预警探测、通信中继、毁伤评估等能力,还可以参与执行反舰突击、协同防空、两栖登陆等作战任务。这都需要无人机指挥控制系统担负态势信息感知、数据处理、态势分析、任务规划、行动控制等职能,协同控制各类无人机平台完成作战任务。随着无人技术、人工智能技术、通信网络技术的不断发展,无人机指挥控制系统正在向着通用化、系列化、网络化、智能化方向发展。世界各国正在大力推进无人机及蜂群指挥控制系统研发,其中,美国无人机指挥控制系统的研发工作一直走在世界前列。

本文分析了无人机及蜂群海上作战运用的特点,介绍了美国无人机及蜂群作战指挥控制系统发展情况,在此基础上,对无人机及蜂群海上作战指挥控制系统未来发展方向提出了一些启示建议。

1 无人机及蜂群海上作战运用研究

随着无人机及蜂群指挥控制技术的不断发展,其在海上作战运用也越来越广泛,催生出各种海上作战样式。各类无人机蜂群根据各自战技性能完成海上作战任务，具体有以下3个方面的作战任务。

1.1 无人机蜂群协同攻击水面舰艇

水面舰艇目标价值高,而无人机蜂群价值相对较低,采用无人机蜂群攻击水面舰艇具有较高的效费比;此外,水面舰艇特征明显、行动相对迟缓,便于无人机蜂群机动打击,如图1所示。预警探测、通信中继无人机在空中组成无人机蜂群编队,可在远距离进行预警探测,发现敌方水面舰艇后,将信息回传给无人机及蜂群作战指挥控制系统,指控系统进行数据融合信息处理,获取目标指示信息,结合战场态势信息和指挥员作战意图,进行任务规划,控制无人机蜂群对敌展开攻击。在敌舰艇防区外投放无人机蜂群,蜂群进行超低空突防,抵近目标后,进行超饱和式攻击,既可以消耗敌方防空火力资源，又可以利用自身的战斗部毁伤敌方雷达、光电等预警探测设备,降低敌方舰艇防空预警能力,便于巡航导弹等武器突防打击。

图1 无人机蜂群协同攻击水面舰艇

1.2 无人机蜂群协同编队防空作战

在编队远航作战中,无人机蜂群可以协同编队防空系统遂行防空作战任务,蜂群无人机可以根据需要具备多种功能,其中包括预警侦察、欺骗干扰、携弹打击、感应式自毁伤等,可以协同防空系统进行空袭目标拦截。预警侦察无人机可将超视距空袭目标信息及时回传给无人机及蜂群指挥控制系统,指控系统进行数据处理、决策分析,向各作战单元下达作战指令,指挥控制各类无人机蜂群到达指定作战地点,按照作战指令对空袭目标进行电子干扰、红外致盲、火力打击等作战任务,尽可能在远距离对空袭目标进行拦截,减轻防空导弹系统压力,提高编队防空拦截能力。

1.3 无人机蜂群协同两栖登陆作战

舰载平台或机载平台发射投放侦察无人机蜂群,可对登陆区域海岸及腹地、周边海域进行侦察探测,掌握水雷、登陆障碍设置、岸滩火力配置等信息,并回传指挥控制系统,指挥控制系统根据作战任务和态势信息,制定作战任务方案,控制干扰型无人机蜂群对岸基敌方雷达光电等预警探测设备进行干扰压制,攻击型无人机蜂群进行低空突击,对登陆障碍、防空火力系统进行协同打击，并对登陆火力点进行定点清除,利用其数量优势、隐蔽性优势进行超饱和式突袭,对岸上有生力量进行清除,便于后续作战力量执行登陆作战。

根据上述无人机蜂群海上作战运用分析可知,无人机蜂群在海上执行各类作战任务时,均离不开指挥控制系统,需要指挥控制系统进行高效态势分析和作战任务规划,同时下达作战控制指令,协同蜂群无人机之间、无人机蜂群之间的作战行动,效益最大化地完成既定作战任务。

2 美国无人机及蜂群作战指挥控制系统发展情况

2017年8月，美国国防部高级研究计划局(DARPA)首次提出“马赛克战”概念,利用动态、协调和具有高度自适应性的可组合力量,像搭积木一样,将低成本、低复杂度的系统连接到一个网络中。其中,无人机及蜂群作战是“马赛克”作战体系中的重要组成部分。而无人机及蜂群作战运用离不开无人机及蜂群指挥控制系统,其是无人机及蜂群大规模作战的神经中枢,具备数据融合、态势生成、决策分析、任务规划、行动控制以及系统监控、评估、显示等功能,如图2所示。

图2 无人机指挥控制结构图

无人机及蜂群作战指挥控制分为三个层级,分别是无自主时空指挥控制、半自主编组指挥控制、全自主任务指挥控制。近几年,美国无人机及蜂群装备技术和相应的指挥控制系统等均引领世界无人机技术发展,美MQ-9指挥控制系统如图3所示。但其无人机指挥控制技术还处在半自主编组指挥控制阶段,美国正在加大投入向全自主任务指挥控制发展。

图3 MQ-9指挥控制系统

1)美海军战术控制系统(Tactical Control System,TCS)

美国海军通用的无人机指挥控制系统是战术控制系统，由美国海军无人控制系统项目办公室(PMA-263)和雷声公司联合研发,能够联合操作多种类型的海上/岸上计算机,对各类传感器信息进行数据处理,实现态势分析、指挥决策、任务规划、信息接收/分发等功能,可控制“全球鹰”、“火力侦察兵”、“海神”等多种类无人机完成既定作战任务。未来TCS的逐渐发展将有望使美海军所有海上作战无人机数据链信息互相兼容,实现海上各类无人机互联、互通、互操作。

2)美陆军一体化控制系统(One System Ground Control Station,OSGCS)

美陆军通用的无人机地面指挥控制系统是一体化控制系统,该系统由AAI公司研发,用于指挥控制美陆军使用的“影子200”、“猎人”、“先锋”、“勇士”等各型无人机,遂行作战任务。该系统具有较强的兼容性,除了能够控制多类型无人机平台外,还可以与北大西洋公约组织成员国无人机指控数据链兼容,实现无人机平台互操作。

3)美国空军先进作战管理系统(ABMS)

美空军为了应对强对抗条件下的作战,开发了新一代的作战管理指挥控制系统,其是一个多域指挥控制系统,可以支持陆、海、空、天、网多域联合作战,具备自主多域信息融合能力以及自主目标识别、跟踪、威胁评估、自主决策、行动控制等能力,其可以控制XQ-58“瓦尔基里”型隐形无人机进行协同作战。

4)美国空军“天空博格人”控制系统

该系统以XQ-58A“女武神”和MQ-20“复仇者”无人机为基础,能够把低成本无人机平台与自主能力相结合,实现有人机-无人机编队协同作战,如图4所示,其不仅降低了制造和维护保障成本,而且当面对全新威胁时，可开展快速的软件升级。模块化设计使其可携带多种传感器和武器,以适应不同作战环境,并与其他平台联合编组,执行战场预警侦察、自杀式攻击、搜索跟踪等任务。

图4 天空博格人指挥控制系统实现有人无人协同

5)小精灵蜂群无人机指挥控制系统

该系统是由“拒止环境中的协同作战”项目(CODE)开发,可以完成小精灵无人机蜂群大规模控制战术行动，推进任务规划，与无人机交互，感知当前和未来状态,支持自主任务规划执行，如图5所示。

图5 小精灵蜂群无人机作战

6)美国“拒止环境中协同作战”(Collaborative Operations in Denied Environment,CODE)

该项目由美国雷声公司承接,项目第3阶段的目的是在美军遭受电子干扰、通信阻塞等恶劣电磁环境下,通过开展无人机自主、集群自主等关键技术研究验证,实现复杂电磁环境下的侦察、打击任务分配和集群自主协同控制能力,从而提升美军在恶劣条件下的作战能力。

7)美国“分布式作战管理”(Distributed Battle Management,DBM)

该项目由美国洛克希德·马丁公司和BAE系统公司联合承接,该项目目的是提升美军在未来拒止作战环境中的协同作战能力,在各无人机上安装分布式辅助决策软件,使得无人机集群在通信干扰的情况下,可以自主持续地完成既定作战任务。

此外,通用战术控制系统(UCS)和多飞行器指挥控制系统(MVCS)均是针对小型无人机指挥控制设计研发的,其可以同时指挥控制8架小型无人机进行协同作战行动。

从上述美国无人机及蜂群指挥控制系统的研发情况来看,其指挥控制系统正在向着通用化、系列化、全自主化方向发展,能够控制不同类型的大规模的无人机蜂群在复杂电磁环境下,完成各类作战任务,提升美军在拒止环境下的作战能力。

3 发展启示

本文根据海上无人机蜂群作战运用的需求以及美国无人机及蜂群作战指挥控制系统发展情况,对未来无人机及蜂群作战指挥控制系统的发展提出以下4个方面的启示。

3.1 通用化、系列化、模块化发展

海上作战无人机类型众多,性能各异,且型号还会不断增加,与之相应的无人机指挥控制系统也是“烟囱”耸立,各自独立,自成体系,无法实现互联、互通、互操作。未来海上无人机指挥控制系统要向着通用化、系列化、模块化发展。

1)通用化

未来海上无人机指挥控制系统需要整合、控制全类型海上作战无人机资源,各类型无人机数据通信模块及协议要统一标准化,数据链相互兼容,信息能够相互共享,当某一平台指控台损坏时,其他无人机指控台可继续执行指挥控制任务,提高无人机指挥控制的可靠性。

2)系列化

随着无人机技术的不断发展,海上无人机指控系统要形成系列化产品谱系,在原有产品基础上迭代升级,提升性能,可以有效地节约时间和经济成本,并能够提高系统的维护效率,降低维护成本。

3)模块化

指挥控制系统要采用开放式模块化设计思想,预留标准化软硬件接口,可以在岸基或舰载、机载平台上根据实际需要灵活添加补充、升级、完善指挥控制系统的各功能模块。

3.2 综合指挥控制集群式作战

从美国的“小精灵”“郊狼”“山鹑”等蜂群无人机项目发展来看,美国正在研发无人机蜂群作战指挥控制系统。未来海上作战无人机指挥控制系统不仅能够控制战略大型无人机遂行作战任务,还可以对大规模多编组无人机蜂群进行协同控制,执行海上作战任务。这需要无人机指挥控制系统能够快速高效地处理庞大数量的各类信息资源,满足大规模无人机协同目标探测跟踪、威胁评估、任务规划、协同控制、毁伤评估等需求,单靠人工处理操作已无法满足,需要引入人工智能技术,包括动态自适应分配技术、态势认知技术、数据挖掘技术、深度强化学习技术等,提升系统数据处理、决策分析、人机交互等能力,辅助指挥操作人员在时敏环境下能够快速制定决策,完成大规模蜂群协调海上作战任务分配。

3.3 网络化、自主化指控系统设计

当前，无人机及蜂群作战智能化水平较低,还需要依赖各指挥控制平台进行遥控和预编程控制,无法适应复杂的海上作战环境。随着海上大规模无人机蜂群的作战运用,除了岸基、舰载、机载无人机指挥控制系统之外,还要大力发展无人机蜂群网络化、自主化控制系统,例如无中心自组网技术,采用该技术联合人工智能技术,实现无人机蜂群在脱离地面控制站指控的情况下,蜂群无人机之间、无人机蜂群之间自组网控制,具备自主决策、协同控制,能够根据实际作战环境需要,灵活调整作战方案,完成既定作战任务。当部分无人机损毁时,剩余无人机仍然可以重新组网,继续执行任务分配,协同完成既定作战任务,这将会极大提高大规模蜂群作战抗干扰毁伤能力,减轻指挥和操作人员压力。

3.4 全域互联互通互操作

未来无人机指挥控制系统可以与无人水面船、水下潜航器、两栖无人车等无人指挥控制系统实现互联、互通、互操作,协同完成海上作战任务。无人机指挥控制系统与其他无人装备指挥控制系统建立异构平台通用协议,规范各指控系统之间通信协议、信息传输方式,实现平台与指挥控制系统的解耦,实现陆、海、空、天、潜全域无人装备互联、互通、互操作。此外,进一步发展各无人装备指挥控制系统与编队指挥信息系统互联、互通、互操作,使得编队指挥信息系统能够统一调度有人/无人装备资源进行联合探测、进攻、防御等作战任务,构建海上编队联合作战体系,实现编队一体化有人/无人平台协同作战,提升编队整体作战能力，如图6所示。

图6 有人/无人协同指挥控制

4 结束语

随着无人机在海上作战中的广泛应用,迫切需要发展通用化、系列化、模块化、网络化、自主化无人机及蜂群作战指挥控制系统,提升无人机及蜂群海上作战指挥控制能力,从而提高编队海上作战整体效能。本文通过分析无人机及蜂群海上作战运用特点和介绍当前美国无人机及蜂群作战指挥控制系统,对新一代海上无人机及蜂群作战指挥控制系统提出了4个发展思路,为后续无人机及蜂群作战综合指挥控制系统提供借鉴。