美军智能无人机集群平台建设、关键技术、作战样式及影响全解析！
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今日荐文的作者为空军工程大学专家陈士涛，方甲永，李大喜；军事科学院专家孙鹏。本篇节选自论文《美军智能无人机集群作战样式及影响分析》，发表于《中国电子科学研究院学报》第16卷第11期。
摘要：从无人机平台和关键技术验证两个维度分析美军智能无人机集群项目发展情况，研究“忠诚僚机”战术骗扰、有人/无人智能协同、“蜂群”智能协同三种作战样式及其对美军作战的影响。根据对美军智能无人机集群的跟踪研判和影响分析，结合我军能力目标和技术发展趋势提出发展建议。研究成果可以为制定智能无人机集群发展计划提供决策参考，为开展装备型号论证工作提供技术发展依据。
关键词：无人机；集群；智能；作战样式
目前，美军重点发展的集群无人机主要有“小精灵”“郊狼”“山鹑”和“蝉”等型号，形成了体积由米级到厘米级，重量由数十千克到数十克，飞行速度和航程梯次搭配，功能组合多样，有潜力满足不同类型作战任务需求的智能无人机集群[1-2]。
表1 美军重点发展的集群无人机平台项目
（1）“小精灵”无人机
“小精灵”无人机是一种由有人机在敌防区外投放，可部分回收使用的低成本无人机，主要用于验证和评估智能无人机集群的投放及回收技术[3]。2020年7月，美国防部高级研究计划局（DARPA）完成了“小精灵”无人机第二次试飞，重点测试了无人机的发射回收系统、发射母机控制台、无人机与母机间的指挥、控制与通信系统等性能和能力。“小精灵”无人机的尺寸与1枚巡航导弹相当，最大飞行速度850 km/h，最大航程556 km。多架“小精灵”在空中组网，相互协作组成任务功能完备的作战综合体。在执行任务过程中，幸存的无人机能够及时弥补某些无人机损失后所引起的任务功能缺失。DARPA希望这些无人机能够用于在对抗空域中执行危险任务，例如执行攻击作战前的侦察监视任务，以及通过电子攻击摧毁或瘫痪敌通信系统、导弹防御系统与战场网络系统等。
（2）“郊狼”无人机
“郊狼”无人机由美海军研究实验室研制，是“低成本无人机集群技术”（LOCUST）项目的主要成果[4]。该无人机长约1 m，重约6 kg，最大飞行速度110 km/h，最大航程32 km。“郊狼”无人机发射平台体积很小，可在舰船、飞机、车辆等无人平台的管状发射器内发射，在特定区域协同执行掩护、巡逻和攻击地面目标任务，通过集群战术对敌方进行压制，协同实施侦察监视或对陆、对海攻击等作战任务。2016年4月，美海军通过构建智能无人机集群自适应网络，在30 s内完成了30架“郊狼”无人机的投放和编组飞行。2018年10月，美海军利用智能无人机集群网络编组软件实现了“郊狼”无人机集群化，该无人机集群在对敌具有相对优势的作战环境中可共享友机信息，具备一定自主和协同能力。
（3）“山鹑”无人机
“山鹑”无人机，由麻省理工学院研制，是一种可利用战斗机的干扰弹发射装置投放，飞往低空执行侦察任务的微型无人机。为便于装入干扰弹发射筒，该无人机的前部和后部机翼在被投放前处于折叠状态。2014年9月，爱德华兹空军基地空军试飞学校完成了F-16战斗机干扰弹发射装置投放“山鹑”无人机的测试。2016年10月，美海军和麻省理工学院成功完成了3架F/A-18战斗机空投103架“山鹑”无人机的集群飞行测试。“山鹑”无人机重约0.29 kg，最大飞行速度110 km/h，最大航程20 km。美军并不满足于仅仅将“山鹑”无人机作为诱饵使用，正在探索发展并验证适用于该无人机的侦察、干扰等载荷设备，拓展该无人机的作战使用领域，并着眼在复杂作战环境中进一步扩大集群规模。
（4）“蝉”无人机
“蝉”无人机即“近战隐蔽自主无人一次性飞机”（CICADA，缩写意为“蝉”），由美海军研究实验室研制，是一款自主的GPS控制无人机。与其它嘈杂的无人机不同，“蝉”无人机非常安静，没有电机，在空气中无声无息，几乎无法检测。该无人机仅有手掌般大小，重约35 g，最大飞行速度120 km/h，价格低廉，可一次性使用。2015年5月，美海军展示了可用于集群作战的“蝉”无人机。在2017年4月的无人机集群测试中，美海军从P-3“猎户座”侦察机一次性投放了32架“蝉”无人机。最新的“蝉”原型机具有扁平的机翼和机身设计，可以轻松堆叠，从而能够同时通过战斗机大量部署。迄今为止，美海军已向美国航空航天局（NASA）交付了150架“蝉”无人机。
1.2 关键技术验证情况
美军认为，作战杀伤链的“观察”“判断”“决策”“行动”四个环节中，“判断”和“决策”是制约智能无人机集群作战的关键，重点对智能无人机集群的指挥/控制/管理和智能作战体系集成等关键技术开展了验证研究[5]。
（1）集群指挥/控制/管理技术
美军智能无人机集群指挥/控制/管理关键技术验证项目主要有DARPA的“拒止环境中协同作战”（CODE）项目和空军的“天空博格人”（Skyborg）项目。
表2 美军智能无人机集群指挥/控制/管理关键技术验证项目
“拒止环境中协同作战”项目聚焦于拓展美军现役无人机的能力，实现在拒止或对抗环境中针对高度机动的地面和海面目标执行动态、远距作战任务。2018年11月，DARPA在已验证低带宽协同感知和空中规划能力的基础上，进行了地面和空中测试。该项目通过发展协同算法，基本突破了提升无人机编队自主协同作战能力的关键技术，达到了支撑美军智能无人机集群的能力目标。
“天空博格人”项目聚焦于开发一种人工智能系统，既可以装备在无人机上也可以装备在有人机上。2019年3月，美空军首次公开了“天空博格人”无人僚机项目，并于2020年5月发布项目提案。目前，该项目基本实现了智能无人机集群的“开放”“韧性”“自主”能力，并在“可拓展性”方面取得了突破。美空军希望在2021年准备好“天空博格人”原型，在2023年形成作战能力，“天空博格人”项目一旦成功完成，将有效提升无人作战的可能性。
（2）智能作战体系集成技术
美军无人机智能作战体系集成技术验证项目主要有DARPA的“体系集成技术和实验”（SoSITE）项目和“进攻性蜂群使能战术”（OFFSET）项目。
表3 美军无人机智能作战体系集成技术验证项目
“体系集成技术和实验”项目聚焦于发展空中分布式作战的概念、架构和技术集成工具，旨在通过体系集成的方法保持空中优势，把包含飞机、武器、传感器和任务系统的航空作战能力分布于大量可互操作的有人/无人平台上，分散化部署，集成化使用。2018年7月，DARPA开展了一系列飞行试验，验证了如何在对抗环境中对包括空、天、地、海、网络空间的各个作战域内的系统进行快速“缝合”。
“进攻性蜂群使能战术”项目聚焦于提高小规模作战部队在城市环境下作战的有效性。2020年9月, DARPA完成了该项目的第四次现场试验，以城市作战为试验背景并划分多个互动阶段，测试了无人车辆、固定翼无人机、多旋翼无人机自主定位可疑目标、保卫多个模拟目标的能力[6]。
2、典型作战样式判析
2.1 “忠诚僚机”战术骗扰
美军认为，在敌方综合防空系统的威胁下，以F-22和F-35等隐身战斗机为代表的空中装备将在“反介入/区域拒止”环境中面临极大的生存威胁。因此，美军考虑将智能无人机集群作为“忠诚僚机”来破解这一难题。美空军正在发展的“天空博格人”项目开发了人工智能驱动的“忠诚僚机”控制系统，可以作为F-16改无人机、波音公司“忠诚僚机”和XQ-58A“女武神”无人机的作战管理系统，使“忠诚僚机”作战成为现实。
一是充当诱饵角色，通过将大量无人机投入敌方空域，诱使敌方预警雷达和制导雷达开机，从而精准攻击其防空阵地；二是充当掩护，通过将智能无人机集群组成电子战编队，对敌方预警雷达和制导雷达实施电子干扰，导致敌方武器系统和指挥控制失能。“忠诚僚机”战术骗扰作战样式如图1所示。
图1 “忠诚僚机”战术骗扰作战样式示意图
“忠诚僚机”战术骗扰作战样式下，“忠诚僚机”作为长机的“左膀右臂”，主要负责观察、警戒和掩护，与长机密切协同，共同完成任务。其中，探测僚机负责探测敌方目标，射手僚机负责向敌方发射导弹，“忠诚僚机”在敌方发起攻击后可吸引敌方导弹，充当“挡弹盾牌”角色。通过发挥无人机的自主优势，为空战体系激发出赋能、涌现等新质战斗力，大幅提升体系的对抗能力和打击能力。
美军认为，目前无人机对战场环境的感知能力和对环境态势的自动理解能力还不能替代人的思维和判断，难以满足复杂作战环境对无人作战系统高层次自主和智能性的要求，采用有人/无人机协同作战方式更有利于执行战略纵深攻击等典型攻击任务。2015年，美空军探索了F-16改无人机与F-35隐身战斗机的协同战法，体现了作战由平台对抗向体系对抗演进的要求和趋势。美军正在开展“天空博格人”项目在有人机上的拓展，从而支持有人/无人机协同作战，前置部署大量装载各型任务模块的低成本无人机，有人机在安全区域指挥控制智能无人机集群对敌方目标实施协同打击[7]。有人/无人智能协同作战样式如图2所示。
图2 有人/无人智能协同作战样式示意图
有人/无人智能协同作战样式下，编队中突前的无人机对任务区域进行探测，或依据预警机的目标指示，静默接敌；探测机发现目标，或依据预警机目标指示飞抵超视距攻击线；突前的无人机打开雷达跟踪目标，将目标信息通过数据链路发送给编队成员；编队中其他成员依据有人机的任务分配，对目标发射导弹，进行超视距静默攻击；编队中的有人机或无人机对导弹实施中制导。
该作战样式下，无人机自主能力的提升将大幅促进有人/无人机的协同能力，但在技术和战术层面还存在一些制约因素。
技术制约因素主要是数据链路的性能（尤其是可靠性）、无人机的智能化水平等； 战术制约因素主要是作战过程的有效战术协同和作战使用准则的建立等。
有人/无人智能协同作战对数据链路的性能提出了很高的需求，尤其是在强对抗战场环境下，对数据链路的可靠性需求更高。只有在完善的作战使用准则指导下，无人机的自主能力才有可能落地。建立编队作战使用准则是一项困难的任务，好在人工智能、大数据、机器学习、数据训练等技术的快速发展为我们提供了可用的方法手段。
2.3 “蜂群”智能协同
无人机“蜂群”指基于一定智能化水平的无人机编成群组，通过模拟生物集群行为策略，按照去中心化方式实施管理，实现高度智能自主协同的作战活动[8]。
2020年1月，美军利用C-130A运输机成功发射并试飞了X-61A“小精灵”无人机，标志着美军即将具备利用“小精灵”“郊狼”“山鹑”这一类低成本无人机打造“蜂群”作战的能力，从而开启“天空母舰”时代。根据不同类型作战任务，美军可在“蜂群”作战系统内配置侦察探测、电子干扰、信息处理、火力打击等多种任务模块，形成兼具侦察、干扰和打击能力的复合空中编队。利用无人机“蜂群”组群平台成本低、可大量组网、覆盖范围大、使用灵活、抗损能力强等优点，实现无人机间的实时数据共享、多机组网、协同配合，并在操作员引导下，完成区域搜索与攻击、侦察与压制、心理战、战术压制等作战任务，如图3所示[9-10]。
图3 “蜂群”智能协同作战样式示意图
“蜂群”智能协同高度依赖快速准确的定位能力，但在未来拒止环境下，难以获得精确的卫星定位以及机间通信，低成本、被动式相对定位将成为“蜂群”智能协同的优先选择；另外，还需要解决可靠有效信息共享；低成本、模块化、小型化任务载荷；时间、空间、行动精确协调控制；低功耗、小型智能芯片；小型、轻质、长航时动力等技战术难题，真正将“蜂群”智能协同的数量优势转化为作战优势。
3、对美军作战的影响分析
（1）加快了OODA环的闭合速度
博伊德的“OODA环”理论将作战划分为“观察（O）—判断（O）—决策（D）—行动（A）”4个环节，作战过程即作战实体循环OODA环的过程，OODA环对美军作战飞机的发展和运用研究起到了难以估量的作用。智能无人机集群作战样式下，美军作战体系中各平台将在协同态势下发挥各自优势，简单的平台在体系中只担负“O”“D”或“A”的角色，OODA环在美军整个作战体系中闭合，而不是由各节点自行闭合。美军传统的依托OODA环设计的空中作战流程可能被改变，需要在新的OODA环闭合方式下重新设计其作战样式[11]。
（2）促进了作战组织方式的变化
智能无人机集群作战样式将改变美军传统的空中作战组织方式，作战组织将更加灵活。在智能无人机集群发展的影响下，美军可能改变目前固定的作战编队模式，转而采用更加灵活多变、按需整合、面向战场自适应的作战模式。美军可能不再限于两机、三机的单一功能协同编队，而是以满足任务需求为原则，动态定制适合其任务需求的可变规模、异型异构协同攻击体系。
（3）体现了综合作战效果的变化
智能无人机集群使美军空中作战从指挥协同、信息协同、火力协同向任务协同能力提升，并且可以实现跨域任务协同，不仅可提升美军各平台的能力，而且可以弥补各平台的不足。美军基于智能无人机集群的空中作战体系，其综合作战效果将是单个平台作战效果的乘积。智能无人机集群将颠覆性地改变美军作战“杀伤链”设计，传统的以单平台作战效果为衡量标准的作战规划将不再适应新型作战样式需求。
结语
美军智能无人机集群攻击依靠数量形成能力，具有较大韧性，是一种开放式的体系架构，可随时集成未来先进的技术和能力，在全域覆盖、协同行动、实时打击等方面具有明显优势。随着美军智能无人机集群项目研究的不断深入，美军在智能无人机集群作战研究与运用领域已走在了世界前列。智能无人机集群在美军的作战理论、作战样式、作战概念、作战效能等诸多层面引发了一系列深远的影响与变革。我军应加强对美军智能无人机集群的跟踪研判和影响分析，结合其能力目标和发展趋势制定应对策略。
一方面，应推动前沿理论和技术创新研究。智能无人机集群的快速发展，使美军掌握了通过技术优势获得未来战争主导权的先决条件，催生了“分布式作战”“马赛克战”等新型作战概念。面对这一新形势，我军应主动求变，不断创新，占领先机，赢得优势，需要对应调整作战组织方式，避免传统的应对模式和既有作战样式在智能无人机集群作战样式下降能失效。一是要深入理解智能无人机集群自主的概念特点、作战样式和制胜机理，研究掌握复杂战场环境感知与理解、人机智能协同等基础技术；二是梳理智能无人机集群作战条件下的关键能力需求目录，逐个攻破技术和战术难题，系统提升智能协同作战水平；三是推动人才培养模式与学科专业设置，创新飞行员训练机制，深度培养指挥员和飞行员适应智能与协同作战的能力，体系培养智能军事人才。
另一方面，应加强反无人机集群能力和条件建设。虽然无人机集群具有小型化、数量多、成本低的作战优势，但同时也存在机动能力弱、防护能力弱、网络信号弱等问题。因此，可针对这些弱点，加强反无人机集群能力和条件建设。一是改进现有预警探测系统，包括研发和部署新型探测设备，整合陆海空的空中情报和指挥控制系统，建立联合空域管理和一体化空情显控系统，提升对无人机集群目标的目标探测和识别能力；二是探索新概念打击武器，发展空基和地基的小型多任务防空武器，以及激光、高功率微波等定向能武器，电子干扰拦截武器等；三是建立无人机假想敌部队，通过改进和发展模拟系统，利用演习检验防空系统探测和打击无人机集群的能力，强化反无人机集群战术训练。
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