从无人机蜂群发展趋势看反无人机蜂群策略.pdf

第 44 卷第 3 期 国 防 科 技 Vol.44,No.3 2023 年 6 月 NATIONAL DEFENSE TECHNOLOGY Jun.2023 收稿日期 2023-03-15 修回日期 2023-04-25 采用日期 2023-04-30 作者简介 王波，男，博士，助理研究员，研究方向为无人机总体设计与作战运用；孟志鹏，男，博士，副研究员，研究方向为无人机技术；陈小庆，男，博士，副研究员，研究方向为无人机总体设计；丁超，男，博士，助理研究员，研究方向为非线性系统控制、分布式决策与优化；冯戎，男，博士，助理研究员，研究方向为无人机动力推进技术。从无人机蜂群发展趋势看反无人机蜂群策略 王 波，孟志鹏，陈小庆，丁 超，冯 戎（军事科学院国防科技创新研究院，北京 100071）摘 要 反无人机蜂群作战的需求伴随着无人机蜂群作战概念的提出而产生，并随着无人机作战/无人机蜂群作战相关技术的发展和实战能力的验证而备受关注。为此，在无人机蜂群作战发展趋势和反无人机蜂群作战研究现状分析的基础上，提出了反无人机蜂群作战策略上的两点思考。反无人机蜂群作战策略研究和装备研制应遵循因果逻辑，顺应无人机蜂群技术发展趋势，抓住无人机蜂群作战的软肋，构建强力有效的反制手段，主动防御达成作战目的。关键词 反无人机蜂群；无人机蜂群；蜂巢；体系对抗 中图分类号 E869 文献标志码 A 文章编号 1671-4547(2023)03-0068-06 DOI：10.13943/j.issn 1671-4547.2023.03.09 引言 瞄准未来智能化战争，若将无人机作战蜂群比作“矛”，那么反无人机蜂群作战系统就是“盾”。随着无人机蜂群在全球范围内获得越来越多关注和立项支持，相应的关键技术和演示验证也在不断取得突破。局部冲突中不时有无人机/无人机蜂群斩获成功的案例，反无人机、反无人机蜂群作战形势愈发紧迫。“盾”和“矛”必须同步发展，才能构建有效的反制作战能力，达成新的平衡，从而遏制冲突和战争。1 无人机蜂群作战的发展趋势 近年来，在人工智能、自主控制、高精度导航、自组网抗干扰通信、新概念无人机平台及发射回收等相关技术的推动下，无人机蜂群获得了快速发展的机会。在强烈的军事需求牵引下，无人机蜂群作为新型作战力量，是世界各国争先发展的前沿装备，以美国尤为突出。自2012年8月美国国防部启动山鹑（Perdix）无人机蜂群项目以来，先后启动低成本无人机蜂群（Low-cost UAV Swarming Technology，简称LOCUST）、“小精灵”（Gremlins）无人机蜂群等蜂群构建演示项目，以及进攻性蜂群使能战术（OFFensive Swarm-Enabled Tactics，简称OFFSET）、拒止环境协同作战（Collaborative Operations in Denied Environments，简称CODE）、体系集成技术与试验（System of Systems Intergration Technology and Experimentation，简称SOSITE）等蜂群运用项目1。尽管无人机蜂群作战技术经历了10多年的发展，但截至目前，尚未有无人机蜂群实战的案例。首先，无人机蜂群构建过程本身存在技术难度，如Gremlins蜂群项目于2015年启动，2021年底才完成首次单机空中回收2-3，6年多 王波，等：从无人机蜂群发展趋势看反无人机蜂群策略 69 的试验迭代足见其难。其次，无人机蜂群作战运用和能力生成是否与战场实际相符合的问题。针对现有无人机蜂群项目的研究分析，初步可以发现如下趋势。1.1 消耗型与回收型无人机蜂群并存发展 无人机蜂群的构建，早期较多地借鉴了蜂群、蚁群、鸟群、鱼群等自然群体组织模式，其个体一般较小，预期规模相对较大。如：近战隐蔽自主无人一次性飞机（CICADA）蜂群，单无人机质重仅6.5 g；单架Perdix无人机质量仅300 g。该类蜂群无人机的搭载能力较小，续航能力有限，其优点是单机成本较低，允许大规模部署（102103数量级），使用过程允许出现部分或全部个体损耗。此类小尺寸、低成本、大规模部署的无人机蜂群能否在激烈的战场环境下胜任作战任务，一直是各方关注的焦点。为此，针对美军已实施演示验证的 3个项目进行梳理，以期发现些许发展脉络。Gremlins、LOCUST和Perdix 3个项目无人机平台的性能参数对比如表1所示1-5。表1 3个蜂群项目中无人机平台的性能参数对比 参数名称 不同蜂群项目中的无人机参数值GremlinsLOCUST Perdix 单机最大起飞质量/kg 680 5.9 0.3 单机航程/km 556 90 单机续航时间/min 240 60 20 最大速度 0.6 Ma130 km/h 110 km/h 单机载荷能力/kg 27.065.7 0.9 预期蜂群规模 820 100+（已实现30）1 000+（已实现103）单机成本估计（美元）/万 70 1.5 0.3 发射/回收方式 空中投放 抓捕回收 地面/空中/水下发射，不回收 空中投放 不回收 上述3个蜂群项目无人机的参数指标存在显著差异：Gremlins的预期作战半径与载荷能力远超LOCUST和Perdix，其单无人机成本也远高于其余两个项目；Gremlins要求无人机可重复使用，发射/回收方式极大地提高了系统实现难度。因此，3个项目的作战运用方式也不同：Gremlins计划以质取胜，强调单机的战技术指标；LOCUST和Perdix预期是以量取胜，依靠大规模部署的低成本无人机协同来实现作战目的。从美军的蜂群发展历程来看，构建一次性使用（可消耗型）的无人机蜂群，为了控制蜂群总体构建成本，势必会降低单无人机的性能。而蜂群个体战技术指标太低，尤其是载荷能力、作战半径和机动速度会严重约束蜂群的作战能力和任务范围，由此催生了中等成本、中等性能的可回收型无人机蜂群。该方案需要蜂群个体能够重复使用，目前可见的是空中回收，将来预计会产生舰上回收、地面回收等多种形式。两种不同类型的无人机蜂群各有优劣，可定位于不同的作战运用场景，执行不同的作战任务，在一定时期内并存发展。两类 蜂群并存发展如图1所示。图1 两类蜂群并存发展 1.2 部署无人机蜂群的投送力量同步发展 为了达成态势感知、火力打击等作战目的，蜂群无人机必须进入覆盖任务目标的作战空域。相较于传统的侦察、打击无人机，蜂群无人机强调群体效能而弱化个体性能，其部署需要尽可能地靠近目标空域。参考自然界蜜蜂与蜂巢的关系，蜂群无人机的部署需要搭载平台（蜂巢）提供远程投送能力，尤其是个体航程航时较小的可消耗型无人机蜂群。典型的案例如美军Gremlins无人机拟用C130运输机完成防区外的空中发射与回收2。Gremlins无人机空中部署回收如图2所示。LOCUST项目要求“郊狼”（Coyote）无人机能够从潜艇、水面舰船、地面车辆、P3反潜巡逻机等平台上发射，以实现远程部署。Perdix无人机在20152017年间的集结演示验证飞行试验，是通过70 国防科技 2023 年第 3 期（总第 340 期）F16、F/A18战斗机完成的空中投放部署。图2 Gremlins无人机空中部署回收 无人机蜂群的部署方式需要综合考虑蜂群无人机个体性能、群体协同、敌我态势、蜂巢安全等多方面的约束，需要在蜂群设计之初结合使用场景加以考虑。在目标位置确定的情况下，蜂群无人机的航程航时越大，蜂巢在远离目标的区域即可完成部署。远/近两种无人机蜂群部署如图3所示。反之，蜂巢平台需要长距离机动，在接近目标空域时完成投放/发射，可能会将自身暴露在敌方的探测或打击范围之内。当然，此类问题可能会产生近距离隐蔽部署解决方案。图3 远/近两种无人机蜂群部署 就当前可参考的无人机蜂群演示验证项目而言，其部署大多是依赖于有人载机、发射车或舰船平台。在部署风险日渐增加的情况下，无人载机/载船/发射车等部署平台及其相关的快速、密集、安全部署技术获得了同步发展的机会。1.3 无人机蜂群的自主能力逐渐增强 无人机蜂群系统的自主性是指其拥有感知、判断、决策和行动的能力，能够理解并适应环境，完成人类通过人机交互系统分配的任务。美国空军实验室提出的自主控制水平（Autonomous Control Level，简称ACL）等级分类方法，将无人系统的自主能力等级分成 10级，其中，410级分别为在线航路重规划、群体协同、群体战术重规划、群体战术目标、分布式控制、群体战略目标和全自主集群。按美军对其现役无人机系统的标识，其MQ9、RQ4的ACL等级也只是介于23级之间6，仍算不上真正意义上的自主系统，难以应对相对复杂的作战环境，暂不能执行激烈的空中对抗等复杂任务，且对远程人机交互指挥控制的依赖程度较高。当无人机蜂群系统被作为研究对象时，基于网络通信能力的群体感知与自主协同就成为大部分项目构建无人机蜂群的出发点。例如：美军LOCUST项目的研究目标之一就是通过自适应组网及自主协同技术，使大量密集发射的Coyote无人机能够在特定作战区域内执行掩护、巡逻和对地攻击等任务；OFFSET项目，在2019年的演示验证中，由50架无人机组成的蜂群开展了协同态势感知；Perdix项目在2017年1月的103架无人机蜂群演习中，验证了蜂群的群体决策、协同编队飞行等能力1。若以此对标美国空军实验室的ACL等级，可见无人机蜂群一旦形成作战能力，其自主等级大致能达到45级水平。随着人工智能与无人机蜂群技术深度融合发展，无人机单机智能逐渐向群体智能过渡。在自组织网络通信的支持下，无人机蜂群节点间的交互效率与协同能力进一步增强；蜂群节点分布，群内个体具备低成本、功能异构等特征，群体智能可获得不断试错和训练的机会，这必然会使无人机蜂群的自主能力得到不断增强。2 反无人机蜂群作战面临的挑战 反无人机作战和反无人机蜂群作战，近年来持续获得世界各国在政策法规和研发经费等方面的支持。美军在2016年发布的美陆军 王波，等：从无人机蜂群发展趋势看反无人机蜂群策略 71 反无人机战略中，首次将反无人机问题纳入战略研究，并于次年发布美陆军反无人机系统技术手册。2021年1月，美国国防部发布 反小型无人机系统战略，提出了美军反小型无人机的战略目标、实现途径和行动路线7。该文件认为，无人机蜂群与人工智能的融合可能会造成战争形态的重大变化，无人机蜂群在有人装备、智能算法和高速通信网络的支撑下，可能会极大地提高作战体系的复杂性，对安全形势带来极大挑战。但是，该文件尚未明确针对反无人机蜂群提出具体的计划和行动。国内方面，20182021年，中央军委科学技术委员会连续举办3届“无形截击”反无人机挑战赛，赛事吸引了国内百余家反无人机技术提供单位开展背靠背比测，紧贴实战开展攻防对抗。这项赛事的成功举办，牵引了我国无人机攻防技术的快速发展，推动了相关成果的转化运用。当前，反无人机蜂群作战研究主要聚焦在反制体系论证、关键技术攻关和相关演示验证。文献资料显示8-10，反无人机蜂群大多立足或沿用反无人机技术，其研究主要集中在体系架构、探测预警、群对群空中无人对抗、电抗干扰欺骗软杀伤、火力/高功率硬杀伤等几个方面。其主要场景：预设一个即将被无人机蜂群攻击的高价值目标，将反制着力点聚焦在末端防护，即在该点位附近布设探测、干扰、对抗和软硬杀伤系统，以阻碍蜂群达成作战目的，保护己方人员、装备不受损失。演示验证方面主要是针对某项关键技术的具体实施，以及单套反无人机蜂群装备的具体指标。例如：美国空军在2017年开展Phaser高功率微波 武器反无人机演示验证，试验发现该系统每次可击落23架无人机；在2019年的火力集成演示作战试验中，美军同时使用5种激光/微波定向能武器，将单次拦截无人机的数量提高到了20架11。两次验证均聚焦单套系统的抗饱和能力，鲜有对体系反制防护能力的验证试验。现有反无人机蜂群作战思路存在的问题，主要体现在以下3个方面。第一，单套反蜂群系统的造价太高。为了提升远距离探测/打击能力、抗饱和能力，低空探测雷达、综合光电探测系统、高功率微波/激光武器、远距离电抗干扰系统、“密集阵”近防系统等反蜂群装备的成本都很高，不具备广泛部署的可能性。参考消息2018年3月12日报道，美国海军与洛克希德马丁签署了一份价值1.5亿美元的合同，用于研发、制造2套用在驱逐舰上的“雅典娜”（Athena）激光武器系统12。该系统能产生60150 kW的高能激光，瘫痪或毁坏来袭无人机。该系统前期测试的数据显示，击穿卡车发动机舱盖时的距离仅1.6 km13，有效防护半径相对有限。第二，反无人机蜂群作战未成体系。无论是预警探测、电抗干扰系统，还是空中对抗、火力/高功率硬杀伤系统，都存在一定的作战半径和防护能力边界。现代战争是体系与体系的对抗，打击精度越来越高，打击能力已经实现全域覆盖，前线与后方的边界越发模糊。这意味着作战链条上任一环节都可能成为蜂群攻击的目标，反蜂群防护不能只盯着一两个重要点位。结合单套反蜂群系统的成本造价问题，反蜂群系统不可能大规模部署，更不可能做到全域防护。因此，反无人机蜂群难免有“漏网之鱼”，蜂群作战系统总有可乘之机。第三，战场适应能力和改造升级必然滞后。现有反无人机/无人机蜂群系统的研制需求和指标体系，一般是来源于已有或在研的蜂群作战系统。叠加研制周期后，意味着该类系统投入使用时，可能面临原有蜂群系统已经更新换代，甚至退出装备序列的情况。蜂群作战系统的特点是数量多、规模大，提升单一个体能力、改变部分群体功能，均可使群体作战能力和战场适应能力发生重大改变。这些提升和改变，可能会造成“为此而研”的反蜂群系统丧失防护能力。3 反无人机蜂群作战的策略思考 无人机蜂群个体间信息共享、密切协同，可实现整体作战能力达到“1+12”的效果。无72 国防科技 2023 年第 3 期（总第 340 期）人机蜂群具有构建成本低、生存能力强、非对称优势大、任务成功率高、更新换代快等特点。由于反无人机蜂群作战面临着探测、识别和打击等技术方面的挑战，以及比无人机蜂群作战晚一步发展的难题，因此，需要从体系架构上进行总体考量，抓住无人机蜂群的部署等关键环节。3.1 坚持和加强体系对抗能力建设 参考美军的反无人机系统能力建设过程，可见其对反制对抗体系的重视。截至2020年底，美国海军部署了激光武器系统和光学眩目拦截器（ODIN），美国空军部署了高能激光武器系统（HELWS）、战术高功率微波作战响应器（THOR）、相位器（Phaser）微波武器系统，美国陆军部署了“沉默弓箭手”（Silent Archer）和“呼啸者”（Howler）反无人机系统11。据蓝德信息不完全统计，美国军工企业共推出了200多种反无人机武器系统14。直至2021年，美国国防部才认识到军兵种各自为政无法应对无人机蜂群带来的挑战，将当时支持的反无人机系统解决方案从40个缩减至8个，并在反小型无人机系统战略中明确要求各系统方案间应可 互操作，并且可以融入现有的分层防御系统之中7。现代战争是体系与体系的对抗。评价反无人机蜂群策略与相关装备的效能，应用失败的次数、漏掉的节点，而非用成功的案例或打掉的节点数来考量。因此，点状、片状防御只能应对一时之需。反无人机蜂群体系不是孤立系统，而是在现有成熟的防御基础上，由诸军兵种联合构建的、统一的反制网络。反无人机蜂群作战体系的建设，应该立足于现有指挥控制系统和预警探测能力、电子对抗能力、软杀伤/硬打击能力，结合无人机蜂群隐蔽性好、功能节点分散、擅长饱和攻击等特点实现升级改造，完成现有系统针对低小慢空中节点的探测能力以及大规模分布式饱和攻击的反制能力的提升。反无人机蜂群能力现有防御体系如图4所示。图4 反无人机蜂群能力现有防御体系（注：插图来源于互联网）3.2 从源头着手，抓住蜂巢环节 基于对无人机蜂群的发展趋势理解，以及对反无人机系统作战现状的分析，反无人机蜂群作战应该以打击源头为主，末端防护为辅。梳理现有典型无人机蜂群的发射部署平台可以看出，无论是投放Perdix和Gremlins无人机的F16、F/A18战斗机和C130运输机，还是发射“见证者136”（Shahed136）和Coyote无人机的地面车辆和发射阵地，其本身就是高价值目标。针对蜂巢的探测和打击，其作战意义和反制效果远胜于打掉部分蜂群无人机节点。为此，反无人机蜂群作战需顺应无人机蜂群发展趋势，充分利用无人机蜂群分散、低成本节点作战使用中严重依赖投送平台这一典型特征，抓住蜂巢目标明显、价值高、难以隐蔽等缺点，围绕蜂巢探测、发现、识别、跟踪和处置等一系列作战行动开展研究，基于现有能力体系探索反蜂巢策略，研制反蜂巢装备，开展相关演示验证，支撑反无人机蜂群能力建设。针对己方指挥所、导弹阵地等高价值目标的末端防御固然重要，但在人工智能驱动下的无人机蜂群面前，这种针对蜂群的软杀伤/硬打击可能会适得其反。一方面，这种点状、区域打击会促使无人机蜂群产生自愈能力，蜂群通过自主协同实现节点重构，可能给高价值目标带来更大的防护压力。另一方面，智能驱动的无人机蜂群具备一定的认知能力，能够基于节点损失勾勒出威胁态势等级。这种点状、区域的防护，会诱导无人机蜂群将防御一方的目标重要等级进行划分，从而获取 王波，等：从无人机蜂群发展趋势看反无人机蜂群策略 73 比目标本身价值更高的情报信息。因此，点状目标的末端防御应该作为一种弥补手段，即源头打击之后的有效补充，确保反无人机蜂群“滴水不漏”。4 结语 无人机蜂群技术的发展，催生了反无人机蜂群系统的出现，反无人机蜂群技术的进步促使无人机蜂群向实战转化。反无人机蜂群系统的研制，需要顺应无人机蜂群作战的发展趋势，按照体系设计思路超前部署。反无人机蜂群作战策略的制定，需要抓住蜂群威胁的源头，以反制投放发射平台为主，核心关键目标防护为辅，形成协同立体防御屏障。参考文献 1 贾高伟,侯中喜.美军无人机集群项目发展J.国防科技,2017,38(4):53-56.2 X-61A Gremlins Air VehicleEB/OL.(2020-02-18)2020-02-18.https:/www.airforce- gremlins air vehicle/.3 DARPAs X-61A Gremlin Air Vehicle(GAV)Recovered Inflight For The First TimeEB/OL.(2021-11-09)2022-03-21.https:/ 胡乔林,焦士俊,刘剑豪,等.反美军无人机蜂群作战问题研究J.飞航导弹,2021(12):88-92.5 胡杰,陈桦,付宇,等.无人机蜂群技术现状及反蜂群应对策略J.飞航导弹,2020(9):32-36.6 刘树光,茹乐,王柯.无人机自主性评价方法新进展J.飞航导弹,2019(2):43-49.7 U.S.Department of Defense:Counter-Small Unmanned Aircraft Systems strategyEB/OL.(2021-01-07)2022-03-21.https:/media.defense.gov/2021/Jan/07/2002561080/-1/-1/1/DEPARTMENT-OF-DEFENSE-COUNTER-SMALL-UNMANNED-AIRCRAFT-SYSTEMS-STRATEGY.PDF.8 胡利平,黄晓阳,梁晓龙,等.美军无人机蜂群作战研究动态及应对策略J.国防科技,2021,42(4):17-25.9 张冬冬,王春平,付强.国外无人机蜂群发展状况及反蜂群策略研究J.飞航导弹,2021(6):56-62.10 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by proactive defense,robust and effective anti-UAV swarm strategies should be formulated to address the weaknesses of UAV swarms.By analyzing the development trends of UAV swarm technologies and the current research status of anti-UAV swarm combat,considerations and suggestions on anti-UAV swarm combat strategies are provided in this paper.Key words:anti-UAV swarm;UAV swarm;swarm hive;systemic confrontation （责任编辑：李素瑀）