前沿｜美国分布式低成本无人机集群研究进展
2015年9月16日，DARPA发布了“小精灵”（Gremlins）项目的招标公告，该项目中载机在防区外发射带有多种侦察载荷与电子战载荷的无人机集群来执行任务，并在集群完成任务后对幸存的无人机进行回收。此前2015年4月，美国海军公布“低成本无人机集群技术”（LOCUST）项目，研制可快速连续发射的高自主性无人机，通过集群战术对敌方进行压制。2015年5月，美国空军也透露正在预研微型无人集群，用于抵御和干扰敌方雷达系统或为某个区域布满多种传感器。本文将详细介绍分布式低成本无人机集群的各项目研究内容，并对其技术进行简要分析，以供参考。
2015年9月，DARPA发布的“小精灵”（Gremlins）项目公告，提出通过载机在防区外发射携带有侦察或电子战载荷、具备组网与协同功能的无人机“集群”用于离岸侦察与电子攻击任务，并在任务完成后对幸存无人机进行回收的技术[4]。下图给出了基于小精灵的作战样式变化示意图。
这些无人机将配备多种不同载荷，采用齐射方式，具有数量大、尺寸小、廉价、可重复使用等特点，其关键技术包括：空中发射与回收技术、设备载荷与机体一体化概念设计、低成本结构设计、有限寿命设计、自动复飞策略、精确数字飞控与导航、小型高效涡轮发动机、发动机自动关机技术、小型分布式载荷集成技术、精确位置保持技术等。
该项目分三个阶段：第一阶段是为期10个月的系统设计阶段，第二阶段为期约1年的技术成熟阶段，第三阶段为期约1年半的演示验证机飞行试验阶段，初步计划是2020年完成演示验证试验。目前DARPA设定的装备规模是生产1000架小精灵无人机和25套载机设备。目前该项目集中关注第一阶段。项目阶段1工作规划如下图所示，可以看出小精灵项目重点在于飞行器总体设计和验证。DARPA提出该项目策略是每阶段为决策者提供足够多的信息，决策者将决定是否继续进行下一阶段研究。
阶段1要达到的目标有：
✔ 小精灵正式系统概念设计闭环，尽可能达到理想指标，并进行实现性分析
✔ 完成小精灵演示验证系统的SRR，保证对小精灵正式系统的可溯源性
✔ 在演示验证计划和技术方法等两方面论证小精灵演示验证系统设计的可行性
✔ 通过工作分解结构论证可执行的演示验证计划、预算和时间表
✔ 通过正式系统分析和建模论证技术方法
✔ 技术成熟计划整合所有达成阶段2和阶段3目标所需的风险降低工作，需具备合理的范围、风险、成本和时间表，包括中间的关键演示验证里程碑。
✔ 初步时间表和ROM成本与项目预算和进度目标进行校准
2015年4月16日，美国海军研究办公室公布了“低成本无人机集群技术”（LOCUST，缩写意为蝗虫）项目进行的一系列集群无人机技术验证工作。
LOCUST项目将研制一种管式发射装置将大量无人机快速连续发射至空中，无人机之间可进行信息共享，在进攻或防御任务中实现自主协同工作。这种发射装置和紧凑型无人机体积较小，因此可在舰船、战术车辆、飞机或其他无人平台上发射。LOCUST可发射大群自主式无人机淹没敌人。为海军提供优势。
视频如下 👇
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美国海军研究办公室于3月在多个地点完成演示验证工作，其中包括发射可携带不同任务载荷的丛林狼（Coyote）无人机，以及完成了9架无人机完全自主同步和编队飞行的技术验证。这些演示验证是为了支持在2016年年中进行舰载快速发射30架无人机的试验。
虽然LOCUST的自主性远超过当前的遥控无人机，但在任务中一直会有人工监视，如有需要随时可以人工介入控制。ONR项目经理称这是首次实现这种自主度级别的集群飞行。
此类无人机可损耗并且可重新配置，可以使有人驾驶飞行器和传统武器系统解放出来去完成更复杂的任务，可以减少复杂任务所需的人员，而且也降低了作战人员面临的风险。此类无人机还可以降低成本，并且迫使敌方应对集群无人机的新威胁。
美国空军正在进行微型无人机集群的早期开发，此类无人机集群将设计用于抵御和干扰敌方雷达系统，或为某个区域同时布满多种传感器。空军首席科学家Mica Endsley称，该研究还处于实验室阶段。
该项研究基于蜂群的生物概念，这些生物经常成群飞行但不会相互碰撞，维持相互间的协调活动。美国空军在实验室中已开发了可使小型无人机组群飞行、而不会发生相撞的算法。该类技术的精确作用和任务仍在研究确定中，但专家和分析家已在讨论其潜在应用。
无人机集群可在某个区域上空布满传感器，即使损失一架或数架无人机也不会产生显著影响。该技术可用于高威胁地区实现战略裕度。空军可以为某项任务放出5架或6架无人机，覆盖某个特定领域，这些无人机可以协同工作，可能一架无人机带有某种传感器，而另一架携带不同的传感器。如果某架无人机发现某个目标，它可以指示其他无人机用不同的传感器对其进行更详细侦察，从而协同完成某项任务。
小型无人机协同集群可用于迷惑敌方雷达系统和压制敌方防空系统。另外，协同工作的小型无人机集群还可用于炸弹或武器投放。该科学家还提到现在已经有了一些微型无人机武器，比如航空环境公司的弹簧刀巡飞弹。
小精灵飞行器设计技术指标如下表所示，其给出了战技指标但没有给出尺寸、质量等。按其理想性能推算，其最大飞行速度Ma0.8，考虑最高续航时间和最低作战半径往返航程后最低速度不能小于Ma0.34，因此该无人机极大可能使用采用涡喷发动机或涡扇发动机。根据与使用涡喷和涡扇发动机的导弹、无人机和靶机进行对比，像小精灵这样航程如此之高、有效载荷又很低的型号比较少见。
DARPA小精灵飞行器设计技术指标
海军LOCUST项目目前采用的试验无人机是丛林狼（Coyote）无人机。丛林狼无人机是2004年为海军ONR的声纳槽无人机(SL-UAV)项目设计，通过空射声纳浮标发射器进行发射的低成本可消耗无人机，计划用于装备P-3C海上巡逻机和SH-60反潜直升机。该型号目前属于雷锡恩公司，还在与海军合作不断改进。丛林狼无人机是典型的管式发射无人机，美国有许多类似的无人机或巡飞弹研究项目。该无人机不依赖射频通信，而是完全基于光电/红外传感器以应对GPS受限环境，同时还装有惯导装置。
丛林狼无人机技术指标
无人机集群一次任务数量大、协同作战样式多，靠人来进行任务规划难度大、负担重，会降低实际作战效能，因此自主化技术是集群无人机的重点关键技术。美国海军和空军均将自主协同作战作为集群无人机的重点技术来研发，DARPA的小精灵项目虽然没有把重点放在自主协同技术，但这是因为DARPA已有其他项目支持此类关键技术，例如今年1月发布的“拒止环境中的协同作战”（CODE）项目即是针对无人机编队的算法研究项目。
LOCUST无人机的任务模式以预编程为主，如果集群中因任何原因损失一架无人机，集群可以适应并调整该变化，以继续完成任务。ONR希望2016年验证机群无人机之间共享位置和任务，将在2016年夏季开展30架规模的集群测试。
自主与协同作战技术使无人机集群可在各种环境下独立执行任务，全自主编队飞行，基于任务需求选择最优化编队组合与资源使用，使得少量操作人员可同时操纵多架具备不同能力的无人机搭配、联合执行任务。自主与协同作战技术主要靠先进软件与算法来实现，并需要可靠的传感器和通信链路支撑。
小精灵项目发射与回收的概念如下图所示，能力目标如下表所示。小精灵无人机的发射很可能与一般导弹或无人机的区别不大，因此DARPA希望可以由尽可能多的平台进行发射；小精灵无人机通过C-130进行空中回收，具体技术方案尚未公布，可能还没有确定具体方案，将是该项目的重点研究内容。
小精灵作战系统发射与回收能力目标
LOCUST项目当前目标是30秒发射30架无人机，美军官员称速度有望进一步提高，理想是达到6秒发射30架无人机。项目采用6联装气体弹射发射装置，采用气体弹射发射装置可减少无人机受到的应力，无人机结构质量可以设计得更低。该发射器目前发射间隔是1秒，正在研究如何减少间隔。丛林狼无人机是一种可消耗无人机没有设计回收方法，LOCUST项目描述中也强调是可消耗无人机。
美国空军的项目主要聚焦于组队飞行算法，目前没有具体设定采用哪些发射和回收手段。
目前美国军方针对实用需求以可消耗无人机为背景开展研究。而DARPA作为前沿探索机构，提出小精灵项目就是为了论证可回收使用的无人机在作战效能和成本上是否更有优势。
小精灵项目设定的前提是“可重复使用的系统作战成本低于一次性消耗系统”，通过回收利用机体和载荷降低单次作战成本。小精灵系统的“生存性能”也不是围绕单架无人机能否存活，而是取决于系统中可存活的无人机总数量。小精灵项目的成本目标是每架飞行器单次飞行任务成本低于70万美元，载机单次飞行任务成本1000万美元以下，理想目标是降至200万美元以下。小精灵项目的成本假设是否成立，不仅取决于现有技术可否达到理想成本，也取决于采用了更大更昂贵的载荷是否能显著提高作战效能，更取决于如此大的亚声速无人机在高对抗环境的生存性能是否达到预期的最多重复使用20次。
LOCUST项目经理称丛林狼无人机单价仅为15000美元。
近期公开的洛克·范姆（Loc Pham）2012年发表的《无人机集群攻击》一文中假定了一种简单的战场环境：在良好的天气条件下，美海军一艘驱逐舰被5~10架从各个方向飞来的无人机攻击，驱逐舰的宙斯盾系统在应对无人机集群攻击时显得力不从心。小型无人机的雷达信号特征很小，发现时已经来不及使用导弹或者127毫米舰炮拦截，干扰弹不能影响无人机的控制系统，可发挥作用的只有“密集阵”近防系统和机枪。当无人机集群以250千米/小时的速度来袭时，防御系统从发现目标到启动拦截只有15秒钟时间。并且防御系统往往难以合理分配火力，从而导致部分无人机能够避开拦截，对舰艇发动攻击。
该研究团队对这一作战模式进行了数百次模拟，结果表明，由8架无人机组成的集群进行攻击时，有2.8架无人机能够避开拦截系统。即使舰艇防御系统进行了升级（例如采用了更好的传感器、更多的机枪和“密集阵”系统），仍有至少1架无人机能够避开拦截。这还只是8架无人机组成集群的情况，如果无人机数量增加到10架、20架或者50架，那么防御系统也只能拦截到前面的7架左右。这个弱点意味着可以使用大量廉价的无人机来攻击舰艇，而这些无人机的总成本仅与一枚导弹的成本相当。
无人机集群攻击避免了飞行员伤亡，并且成本也可承受，这是一种完全不同于以往的新作战方式。随着技术的发展和研究的深入，无人机的成本还可进一步降低，无人机集群战术的研究可能重塑未来战争的形式。
本文刊自《无人系统》2016年第2期
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