有人—无人空中编队协同作战技术研究进展.pdf

军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products142023 年 6 月 总第 476 期无人装备21 世纪初，F-22 等隐身战斗机的出现将空战带入了隐身时代。隐身平台间空战距离被极度压缩，飞行员执行任务时面临着极大风险。无人机平台以其无人化、低成本、可消耗、战场适应能力强、配置灵活等优点越来越受到重视1，并快速走向空战舞台，在纳卡冲突、俄乌冲突中，无人机在监视、侦察、对地攻击等方面发挥了重大作用，是主要作战手段。2018 年8 月 30 日，美国国防部发布了最新版无人系统综合路线图（20172042）2，明确了人工智能和机器学习是首要支撑技术，人机协作是无人系统的最终发展目标。人机协作的呈现形式是人机编组，即有人机无人机组成空中编队，无人机作为有人机的“忠诚僚机”进行协同作战3，这是世界强国面对强对抗环境的全新作战样式。有人无人空中编队协同作战技术研究进展刘洪全 同志强 王 辉 庞维建北京航空工程技术研究中心摘 要 针对有人-无人空中编队协同作战样式构建问题，首先，分析了国内外无人战斗机平台研发、演示验证项目开展情况；其次，对有人-无人空中编队协同作战主要应用场景和作战样式进行了研究；最后，分析了发展有人-无人协同作战的关键技术领域。对于空中无人作战装备研制论证、发展有人-无人空中编队协同作战任务概念和任务模式、构建适应未来智能化无人化作战的装备体系具有重要的参考价值。关键词 空中编队；有人-无人协同；忠诚僚机；无人机；作战样式目前，美俄等军事强国都在发展有人无人空中编队协同作战项目4-8，并取得了阶段性成果。本文首先从无人战斗机平台和支撑技术两方面介绍有人无人编队协同作战项目的发展情况；然后探讨分析未来有人无人协同作战场景，明确典型作战样式；最后围绕有人无人协同作战关键技术，探讨技术难点，指明应重点关注的发展方向。一、无人战斗机平台项目1.美国“忠诚僚机”项目2015 年，美国空军提出“忠诚僚机”概念，旨在为 F-22 和 F-35 隐身战斗机、B-21 隐身轰炸机以及下一代战斗机等配备一款隐身无人攻击机，由后者充当军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products152023 年 6 月 总第 476 期无人装备前者的僚机，执行远程态势感知、武器投放、欺骗干扰等作战任务。（1）XQ-58A“女武神”隐身无人机XQ-58A“女武神”是美国“忠诚僚机”项目的代表机型，由美国克拉托斯安全防卫公司（Kratos）研制，如图 1 所示，长度 8.8 m，宽度 6.7 m，速度可达 1050 km/h，飞行高度达 13715 m，续航达 3425 km，采用隐身设计，火箭助推弹射起飞、伞降回收，设有 2 个内埋弹舱，可挂载 AIM-120 空空导弹及 GBU-39 小直径炸弹。2019年3月5日完成首飞，成本仅200万至300万美元。2020 年 12 月 9 日，美国 F-22 和 F-35A 隐身战斗机首次与 XQ-58A“女武神”隐身无人机进行了编队飞行，后者作为空中信息节点使 F-22 与 F-35A 实现了数据交换。2021 年 12 月，美国空军部长弗兰克 肯德尔表示，目前首要任务是部署“忠诚僚机”，2022 年克拉托斯安全防卫公司将交付 610 架 XQ-58A 无人机。（2）UTAP-22“灰鲭鲨”无人战斗机UTAP-22 无人战斗机同样由克拉托斯安全防卫公司研制，如图 2 所示，机长 6.1 m，翼展 3.2 m，机重约 930 kg，内部载荷为 160 kg，两侧翼尖可分别挂载质量为 45 kg 的载荷，最大飞行速度马赫数 0.91，续航约 2600 km，单次航时不低于 3 h，最大升限达 15000 m。与 XQ-58A 类似，该无人机采用隐身设计，可携带空空导弹、制导炸弹等武器和多种先进传感器。2021 年5 月，集成自主核心系统（ACS）的 UTAP-22 无人机完成了自主飞行试验。（3）MQ-20“复仇者”无人机MQ-20“复仇者”无人机由美国通用原子公司在MQ-9“死神”无人机基础上研制，如图 3 所示，采用隐身设计，机长12.5 m，翼展20.12 m，速度可达740 km/h，机腹舱载荷为 227 kg，总载荷 1360 kg，最大升限 18000 m，可配备有源相控阵雷达。2021 年 8 月 16 日，通用原子公司宣布已获得美国空军的合同，将公司的“复仇者”无人机改装为“天空博格人”自主技术测试平台。图2 UTAP-22“灰鲭鲨”无人战斗机图3 MQ-20“复仇者”无人机图1 XQ-58A隐身无人机军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products162023 年 6 月 总第 476 期无人装备（4）“机外感知站”无人机2021 年 10 月，美国空军研究实验室授予克拉托斯安全防卫公司和通用原子公司一份价值 1770 万美元的合同，用于研制“机外感知站”无人机，如图 4所示。该无人机可配备“红外搜索与跟踪”被动探测传感器，作为分布式传感器平台协助有人机进行隐蔽探测、跟踪。（5）EA-18G 无人电子战飞机美国海军持续改进 EA-18G 电子战飞机，打造“未来武器”作战系统。2020 年 2 月 4 日,美国波音公司宣布已联合美国海军在马里兰州帕图克森特河海军航空站成功演示了 EA-18G 电子战飞机的有人/无人编组飞行能力。测试中一架有人 EA-18G 飞机与两架无人改装的 EA-18G 飞机组成编队，共进行了 4 次飞行，完成了 21 项任务，验证了有人驾驶的 EA-18G 飞机与无人 EA-18G 飞机协同执行任务的能力，使 EA-18G向无人化实战运用又迈进一步。2.俄罗斯“忠诚僚机”项目（1）S-70“猎人”重型无人机S-70“猎人”无人机长约 14 m，机高 2.8 m，翼展 19 m，如图 5 所示，配备有源相控阵雷达，飞行速度可达 1000 km/h，最大起飞质量 22.15 t，内部弹舱可携带 2.8 t 武器弹药，包括空空导弹、空面导弹精确制导和非制导炸弹等，可与“苏”-57 隐身战斗机编队，由后座武器系统控制员，通过机载数据链控制和指挥，实施协同作战。S-70 无人机于 2019 年 8 月完成首飞，2019 年 9 月底与“苏”-57 战机完成首次编队试飞，2022 年 4 月完成了首次空空导弹发射试验。（2）“雷霆”隐身无人机“雷霆”隐身无人机在俄罗斯“军队-2020”防务展上首次亮相，如图 6 所示，机长 13.8 m，翼展 10 m，机高 3.8 m，飞行速度可达 1000 km/h，实用升限 12000 m，作战半径为 700 km，重 7 t，最大有效载荷 2 t，可与有人机编队协同作战，执行侦察和对地打击任务。图4 “机外感知站”无人机图5 S-70“猎人”重型无人机图6“雷霆”隐身无人机军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products172023 年 6 月 总第 476 期无人装备3.欧洲“忠诚僚机”项目（1）“未来空中作战系统”项目2017 年，法国和德国共同发起了“未来空中作战系统”（FCAS）项目。2019 年 6 月，FCAS 概念模型在巴黎航展上揭幕，如图 7 所示。FCAS 项目主要有三大组成部分：一是下一代战斗机，以达索航空公司为主承包商，空客公司为次承包商；二是远程载具无人机，为欧洲版的“忠诚僚机”，以空客公司为主承包商，欧洲导弹集团（MBDA）为次承包商；三是“空战云”作战系统，以空客公司为主承包商，泰雷兹公司为次承包商。“未来空中作战系统”项目计划 2040 年在空中创建一个由新一代战斗机和无人机组成的互联互通、协同作战的空战系统。（2）“蚊子”项目“蚊子”项目用于为英国空军研发轻型/低成本新型作战无人机，由势必锐航空公司贝尔法斯特分公司主导，诺斯洛普格鲁门英国公司和英特佩斯公司参与。项目研发团队于 2021 年 1 月获得了 3000 万英镑研制经费，计划 2023 年底前进行试飞验证，将挂载空空、空地导弹，可与“台风”战机、F-35 战机和英国下一代战斗机等组成编队进行协同作战。4.澳大利亚“忠诚僚机”项目空中力量编队系统无人机由波音公司与澳大利亚政府共同研制，已被澳大利亚空军正式定名为 MQ-28A“幽灵蝙蝠”无人机，如图 8 所示，机长 11.6 m，续航 3700 km，采用隐身设计，可支持开展侦察、监视、战场预警等飞行任务。原型机于 2019 年发布，2021年 2 月完成首飞，当前的重点工作是集成人工智能系统以实现有人无人协同作战。波音公司目前已在澳大利亚建设了生产线。二、演示验证项目1.“天空博格人”项目“天空博格人”旨在开发人工智能驱动的“计算机大脑”以及一套相关控制系统，以驾驶与有人飞机联网的半/全自主“忠诚僚机”无人机，也可作为有人机的自动驾驶系统，形成有人无人编队协同作战能力。该项目于 2021 年 4 月在 UTAP-22 无人机上成功首飞，6 月在 MQ-20 无人机上完成自主伴飞飞行试验，2022年在 MQ-28A 无人机上继续开展飞行试验。美国为该项目配备了 X-62A 有人母机（F-16D 飞机改装而来）图7“未来空中作战系统”项目概念模型图8 MQ-28A“幽灵蝙蝠”无人机军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products182023 年 6 月 总第 476 期无人装备以方便后面的有人无人编队飞行试验工作。2022 年 7月，“天空博格人”项目完成了两架生产型 XQ-58A 无人机的系列飞行测试。2.“空战演进”项目2019 年 5 月，美国国防高级研究计划局（DARPA）宣布启动“空战演进”项目，旨在研发支持空空作战任务的人工智能引擎。“空战演进”是忠诚僚机的“上层”指挥控制系统，应用人工智能技术实现自动化和智能化的视距内空中格斗。制定空战决策、确定目标优先级和选择最佳武器等高级别认知功能由飞行员执行，飞机机动、编队控制等低级别的飞机操作由“空战演进”系统执行。2022 年 2 月，DARPA 发布针对“空战演进”项目第二阶段第四技术领域（全尺寸飞机）的招标书，计划改装两架 F-16D 战斗机，用于测试“空战演进”系统视距内自主交战能力。2022 年 3 月，动力系统公司公布了该项目的部分细节，计划利用现有成果来完成项目第三技术领域“阿尔法马赛克”项目相关工作，目标是把人工智能应用到更大规模的空战管理任务上。3.“拒止环境下的协同作战”项目2014 年，DARPA 启动了“拒止环境下的协同作战”项目，旨在研发分布式空战无人机的自主和协同技术，以增强无人机（包括巡航导弹、诱饵无人机及其他无人机系统）在拒止或复杂电磁环境的作战能力。关键技术主要包括自主飞行、编队协同、操控界面和开放式架构。2019 年 2 月，6 架美国海军 RQ-23“虎鲨”无人机在美国陆军尤马试验场进行了一系列测试，以验证“拒止环境下的协同作战”项目系统对各种“虚拟目标、威胁和对策”的应对能力。2020 年 10月，该项目人工智能软件控制通用原子公司的“复仇者”无人机进行了两个多小时的自主飞行，试验中 MQ-20“复仇者”无人机与其他 5 架虚拟僚机联手对指定区域的空中威胁进行了自主搜索和打击。4.“空战云”作战系统“空战云”作战系统项目是欧洲 FCAS 项目下的子项目，旨在开发新型的作战协同软件。人类飞行员能够通过“空战云”作战系统建立任务并将其发送给无人机群，而无人机群则能够在“空战云”作战系统软件的协调下自主分配和执行任务。如图 9 所示，“空战云”作战系统将实时连接和同步战斗机、加油机、运输机、无人机等所有平台，增强空战编队态势感知能力以及协同作战的信息处理和分发能力。5.“满足任务最优化的动态自适应网络”项目DARPA 于 2015 年启动了“满足任务最优化的动态自适应网络”项目，旨在解决高对抗复杂电子环境中的动态自适应组网和各机载网络之间兼容通信的问题。2020 年 12 月在美国空军研究实验室完成演示验证测试。基于项目成果，Link 16 数据链、战术瞄准网络技术、通用数据链和 WiFi 网络等多种军用战术数据链实现了复杂电子对抗环境中的互联互通。6.“韧性组网分布式马赛克通信”项目2020 年 6 月，DARPA 启动了“韧性组网分布式马赛克通信”项目，计划在 2021 年投资 740 万美元，开发用于当前战术无线电作战波形的空间分布式收发元器件（或贴片），替代高功率放大器以及大型定向天线，通过将其部署在地面车辆、无人机、高空平台和低轨道卫星上，在反介入/区域拒止环境中提供远距通信，具有可移动、低成本、可消耗、抗干扰、自修复等特点，可从根本上改变远程战术通信方法，可支图9“空战云”作战系统网络示意图军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products192023 年 6 月 总第 476 期无人装备撑“马赛克战”概念落地。三、有人-无人空中编队协同作战场景空中作战的主要任务包括防御性制空、进攻性制空和搜救、情报、通信指挥控制等其他作战任务，如图 10 所示。无人战斗机采用模块化设计，可根据任务需要换装包括武器、侦察传感器在内的各种任务载荷，可执行情报搜集、侦察警戒、扫荡护航及战斗巡逻等大多数空中作战任务。1.防御性制空应用场景根据任务需要选择合适任务载荷的无人机组成有人无人空中编队，执行防御性制空任务，如图 11 所示。隐身无人战斗机以双机为单位在前线战斗巡逻，配备红外搜索与跟踪系统，可进行分布式隐蔽探测；有人战斗机居后，可配备高空长航时无人侦察机提高预警探测能力。在发现威胁后，有人机指挥隐身无人战斗机前出拦截，适时发射空空导弹攻击目标。无人战斗机也可为预警机等高价值空中目标执行防护任务，预警机发现威胁后，指挥无人战斗机前出拦截并攻击威胁目标。2.进攻性制空应用场景在进攻性制空作战中，根据任务类型，有人机与不同类型的无人机协同形成立体作战效果，完成不同的作战任务，如图 12 所示。（1）侦察在侦察任务中，有人机居于防区外，不同类型或不同载荷的无人机部署在前线，利用隐身、长航时、分布式等优势 12，使用光电摄像机、红外成像传感器、合成孔径雷达成像传感器等传感器载荷，通过协同方式开展广域测绘与监测、目标跟踪、近地侦察等任务。无人机上配备基于人工智能机器学习的处理、利用和分发系统，将处理后的侦察信息汇总到有人机上进行决策，实现非传统情报、监视和侦察效果。（2）扫荡/护航在空中扫荡任务中，基于无人机可消耗、隐身强图11 有人无人空中编队防御性制空作战场景隐身有人战斗机战斗巡逻隐身无人战斗机前线战斗巡逻高空长航时无人侦察机时间链我防区前沿图10 空中作战任务分类空中作战防御性制空进攻性制空其他快速反应警戒非传统情报、监视和侦察护航防空摧毁近距空中支援情报高价值目标防护指挥、控制、通信战斗巡逻侦察扫荡防空压制遮断战斗搜救图12 有人无人编队协同进攻性制空作战场景敌方防区外军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products202023 年 6 月 总第 476 期无人装备和分布式探测等优势，每架有人机配对 46 架无人机，以编队形式进入战区，对战区上空敌方目标进行扫荡，夺取制空权。无人战斗机具备空空武器挂载能力，可作为轰炸机、运输机等特种有人机的护航机，发现威胁后，在有人机的指挥下完成攻击任务，确保被护航机的安全。（3）防空压制/摧毁随着防空系统的发展，防空压制/摧毁任务的复杂度和危险系数越来越高，有人机越来越难以适应未来防空压制任务的作战需求。在未来防空压制任务中，无人机将扮演重要角色，执行诱饵欺骗、电子干扰/压制和突防打击等任务，可采用“有人机+忠诚僚机+无人机集群”作战模式，低成本无人机集群由空中大型平台释放，其敌方防空系统的探测、跟踪和拦截能力能够迅速饱和，同时可实施电磁干扰压制和智能精确打击；忠诚僚机利用防空系统辐射信号，使用反辐射导弹摧毁敌方防空作战关键节点；有人机可实施大规模跟进打击。（4）遮断/近距空中支援空中遮断是对地面部队实施支援的一种重要方式，其主要打击目标为指挥与控制系统、后勤运输系统和地面部队。有人战斗机和察打一体无人机构成协同编队，由无人机提供持续渗透侦察能力，必要时通过其携带的空地导弹、制导炸弹和电子干扰载荷执行攻击任务；有人机则在无人机的协同下，对关键节点实施精确打击。近距空中支援是由飞机打击与我军/友军距离较近的敌方目标的作战任务。有人无人编队执行近距空中支援任务时，有人机居于肩扛式防空导弹攻击范围之外，作为决策中心，指挥无人机适时攻击敌方目标，并在无人机的协同下对关键目标进行打击；无人机持续近距离支援地面部队，为有人机或后方指挥系统提供战场侦察信息，也可自主或在有人机控制下直接参与火力打击。3.其他空中作战应用场景在未来战斗搜救、情报获取等任务中，有人无人编队亦将发挥重要作用。例如，有人机居中，小型侦察无人机散布四方进行搜寻工作，发现搜救对象后，由有人机前往搜救。配备传感器、通信设备的无人机亦可作为情报获取终端和通信中继节点。四、有人-无人协同作战关键技术无人机在技术上重点关注结构设计、载荷平台等问题，以实现隐身性、低成本、可变载荷等发展目标；有人-无人协同作战则需重点关注跨域异构通信网络、无人机自主操控系统和协同作战系统三方面。一是跨域异构通信网络。跨域异构通信网络技术是有人无人得以协同作战得以实现的基础，是各作战平台得以通信的前提条件，它需支撑复杂电磁环境下的动态组网以及异构机载网络间的高速通信。该网络采用近地通信卫星、5G 基站、无人通信中继等资源构建协同作战网络环境，在设计上注重鲁棒性、安全性和抗毁性，可应对未来电磁网络战的攻击。二是无人机自主操控系统。自主操控系统使用人工智能、自动控制等技术，实现无人机自动驾驶、智能作战等自主化、智能化操作，使无人机配备“人工智能飞行员”，是有人无人协同的核心技术，它可使有人机飞行员将精力重点放在战斗决策和监督上，也可作为有人机的自动驾驶系统。三是协同作战系统。协同作战系统是空中作战任务得以实现的支撑软件平台技术 13-15。通过协同作战系统，战斗编队内的各无人平台将传感器获得的信息进行初步处理后，汇总至有人机平台，有人机飞行员通过系统提供的操作界面，制定、建立作战任务后，系统自主分配到各无人平台。无人平台上的协同作战系统将任务转化成自主操控系统的操作指令，最终驱动“人工智能飞行员”完成协同作战任务。军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products212023 年 6 月 总第 476 期无人装备五、结束语随着无人系统、人工智能、信息网络等技术的发展，有人无人编队协同作战是未来空战的必然作战样式，可在防御性制空和进攻性制空等制空作战任务中发挥举足轻重的作用。经过近几年的快速发展，美欧等军事强国的“忠诚僚机”项目即将列装部队。无人机平台重点关注一体化、模块化设计，采用开放式架构，注重解决隐身性、低成本、可消耗、多任务、变载荷等问题。有人无人编队协同则应重点发展跨域异构通信网络、无人机自主操控系统和协同作战系统，确保协同作战落到实处。参考文献1 朱超磊,袁成,杨佳会,等.2021 年国外军用无人机装备技术发展综述 J.战术导弹技术,2022(1):43-50.2 李磊,王彤,蒋琪.从美军 2042 年无人系统路线图看无人系统关键技术发展动向 J.无人系统技术,2018,(4):79-84.3 申超,李磊,吴洋,等.美国空中有人/无人自主协同作战能力发展研究 J.战术导弹技术,2018(1):16-21.4 李磊,汪贤锋,王骥.外军有人-无人机协同作战最新发展动向分析 J.战术导弹技术,2022(1):113-119.5 张旭东,孙智伟,吴利荣,等.未来有人机/无人机智能协同作战顶层概念思考 J.无人系统技术,2021,4(2):62-68.6 刘丽,武坦然,邵东青.美军空中无人作战概念解析 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