国外无人机蜂群作战样式进展及反蜂群策略研究
源自：现代防御技术 作者：王瑞杰, 王得朝, 丰璐, 赵正党, 陈浙梁
摘要
科技进步和军事需求的联合推动下，无人机蜂群作战成为一种新兴的并能够改变战争规则的颠覆性作战样式，各军事强国围绕“蜂群技术和战术”展开了激烈的竞争。介绍了无人机蜂群的作战概念及优势，归纳了国外无人机蜂群作战样式的进展状况。基于传统装备反蜂群能力不足与缺点，总结与分析了反蜂群装备与技术发展趋势，并针对反蜂群发展手段强、运用弱的现状，提出杀伤链动态构建策略，为后续综合利用多种反蜂群装备实现体系化对抗，提升防空体系整体效能奠定了基础。
关键词
无人机蜂群, 反无人机蜂群, 作战模式, 杀伤链, 动态构建
引言
继纳卡战争、也门战争、叙利亚战争等局部冲突后，俄乌战争再次把世界目光聚焦到人机在现代战争中的重要作用，各种类型无人机以单体或群体、“无人机+”（如无人机+导弹混编）等形式投入战场，创造了大量的成功战例，随之带来对作战模式的深远影响。其中，作为无人作战的高级形式——无人机蜂群作战，集合了无人机和蜂群作战的特点，具有数量、成本、智能协同［1］等优势，是夺取制空权，打赢现代战争的前沿武器。
为此，面对无人机蜂群这一新型智能空中作战体系，本文从无人机蜂群作战的基本概念及作战优势入手，梳理了国外在发展无人机蜂群技术方面的现实举措，针对传统装备反蜂群能力不足，重点分析当前反无人机蜂群的最新技术举措，为推动无人机蜂群的作战应用和反蜂群策略研究具有非常重要的现实意义。
1 无人机蜂群作战概念及作战优势
1.1 概念
无人机蜂群指基于一定智能化水平的无人机群组，通过模拟生物集群行为策略，按照去中心化方式实施管理，实现高智能自主协同的作战活动［2］。美军于20世纪90年代末率先提出了无人机蜂群作战概念，并开展了一系列概念完善和技术积累工作。2018年11月29日，美国智库布鲁金斯学会高级研究员迈克尔·奥汉隆发布题为《人工智能在未来战争中的作用》的报告，以2040年左右构建的俄罗斯与北约在波罗的海附近发生的冲突为背景，分析了人工智能技术，尤其是无人机蜂群可能在未来战争中的应用［3］。2019年，美国空军助理部长威尔·罗珀在《空军》杂志上发表了题为《蜂群：备战未来空战》的文章，明确指出：“蜂群作战就是未来战争的样式”［4］，并将其作为一项可以改变战场规则的颠覆性技术加以大力发展。
1.2 作战优势
以小巧的、功能专业的“蜂”，通过大幅增加功能种类和数量规模，形成复杂的、强大的“群”作战效能，这一设计思路决定了“蜂群”战术的作战优势：①具备数量优势，可以为实施“饱和攻击”创造条件；②去中心化，动态灵活的编队组网方式，提升群体协同作战能力；③载荷丰富，形成结构各异、功能互补的单体，使“蜂群”具备远超单体的打击能力；④突防能力强，作战低耗高效，价格低廉的蜂群重复执行高密度、不间断袭击等作战任务，非对称式消耗敌方的高价值武器，使应对力不从心。图1为无人机蜂群及协同作战模式［5］。
图1 无人机蜂群及协同作战模式
2 国外无人机蜂群技术发展概况
随着无人机技术、组网协同、低延时通信、高精度导航定位以及人工智能等相关技术的迅速发展，目前各国均对无人机蜂群表现高度关注和认可，加强持续投入，大力研发自主式无人机“蜂群”技术，以期待通过提升新质战斗力保持作战能力优势。
2.1 美国
美军认为无人机蜂群是目前世界上最具成本效益和作战威力的武器装备，开展对无人机蜂群技术研究能实现强军事对抗环境下的非对称优势。目前美海军研究实验室（naval research laboratory，NRL）、国防部战略能力办公室（strategic capabilities office，SCO）、海军研究局（office of naval research，ONR）、国防高级研究计划局（defense advanced research projects agency，DARPA）、美国空军等部门积极推进前期的理论研究成果转换，开展多个项目的战法创新、关键技术攻关、演示验证试验等，从侦察打击、集群攻击、有人/无人协同作战等功能上全面推进无人机蜂群作战技术的快速发展，具有代表性的项目如表1所示。其中，“小精灵”（Gremlins）［6-11］项目、“进攻性蜂群使能战术”（offensive swarm-enabled tactics，OFFSET）［12-13］项目、“天空博格人”（Skyborg）［14］项目等最为典型。
表1 美军无人机蜂群典型项目
| 主管部门 | 项目名称 | 平台性能 | 作战功能 | 启动时间 |
|---|---|---|---|---|
| NRL | “蝉”（Cicada）［15］ | 可携带气象、气压、温湿度等传感器或声学、生化探测等微型电子设备，通过数据链互连成自组织网络 | 渗透侦察型：核生化区域检查、情报搜集，精细化感知目标空域环境信息 | 2011年 |
| SCO | “灰山鹑”（Perdix）［7，16-17］ | 机长约为138 mm，质量约为300 g，速度110 km/h，续航时间20 min，3D打印组装。可作为干扰、自杀式无人机，消耗敌方舰空导弹 | 诱骗干扰型：电子干扰、赛博攻击、侦察监视 | 2014年 |
| ONR | “郊狼”（LOCUST）［7，18-19］ | 机长910 mm，翼展1 470 mm，质量5.9 kg，速度110 km/h，续航时长1.5 h。携带光电/红外传感器 | 侦察打击型：侦察监视、电子战与打击。利用体积小及规模优势对抗舰载武器 | 2015年 |
| DARPA | “小精灵”（Gremlins） | 机长4.267 m，空载320 kg，满载727.75 kg，Ma 0.8。光电/红外传感器、电子战设备。可回收 | 诱骗干扰型、有人无人协同打击：执行侦察监视、电子攻击，压制和摧毁防空任务 | 2015年 |
| DARPA | “进攻性蜂群使能战术”（OFFSET） | 运用多达250个小型空中无人机和/或地面机器人平台组成新型蜂群系统，发展蜂群自主性和人-蜂群编队技术 | 渗透打击型：提供重 要的态势感知信息，提高地面部队在城市环境中的作战效能 | 2016年 |
| DARPA | 拒止环境协同作战［7，13，20-21］ | 开放式系统架构、自主编队 | 集群攻击：100架次以上，模块化软件增加无人机蜂群的自主性 | 2014年 |
| 空军 | “天空博格人”（Skyborg） | 人工智能，开放系统架构，模块系统 | 低成本可消耗的智能无人机与有人机配合执行任务 | 2018年 |
2.1.1 “小精灵”（Gremlins）项目
“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，预计使用寿命20次飞行。“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。
目前已在C-130上进行空中发射试验。在该项目第3阶段，2020年11月的飞行试验验证了无人机自主编队飞行能力，但是9次空中对接尝试均告失败；2021年10月，DARPA第4次部署在犹他州试验场，涉及2架小型无人机，其中一架“小精灵”无人机由C-130在空中成功回收［6］（图2），第2架在飞行期间被摧毁，由此可见，在当前技术水平下，无人机空中回收的难度仍然很大。
图2 “小精灵”无人机及执行任务
2.1.2 “进攻性蜂群使能战术”（OFFSET）项目
“进攻性蜂群使能战术”（OFFSET）项目聚焦于提高小规模作战部队在复杂城市环境下作战的有效性。自2016年末OFFSET项目启动以来，已经进行了6次实地试验，每次“蜂群冲刺”目的是从蜂群战术、蜂群自治、人机组队、虚拟环境以及物理实验平台5个关键技术中的一个或多个为研究对象，力求在某一方面得以突破。2021年11月，DARPA在田纳西州完成了OFFSET项目的第6次城市突袭任务［22］，如图3所示，从现场验证了美军智能作战体系集成技术正在迅速接近未来作战的可用性。
图3 OFFSET项目第6次城市突袭任务试验
2.1.3 “天空博格人”（Skyborg）项目
“天空博格人”项目旨在开发一种人工智能系统，既可以装备无人机上也可以装备在有人机上，最终实现虚拟副驾驶和自主无人机作战飞机能力。该项目主要聚焦于自主起飞和降落；飞行中可避开障碍物、地形、恶劣天气和其他飞机；将有效载荷和飞机的机身分离，允许模块化调整，实现快速配置更换和采用开放式架构4方面的能力。XQ-58A“女武神”隐身无人机是首例“天空博格人”项目支撑部分，2020年末已经测试了XQ-58A无人僚机与F-22，F-35A及F-35B战斗机编队飞行和交换信息能力；2021年5月，美空军使用最容易获得平台的UTAP-22“鲭鲨”无人机完成了“天空博格人”项目“自主核心系统”（autonomy core system，ACS）首飞及第2次飞行试验，计划在2023年形成作战能力。
2.2 欧洲
欧洲防务局于2016年11月启动“欧洲蜂群”项目，开展无人机蜂群的任务自主决策、协同导航等关键技术研究。
英国防部积极推进无人机蜂群技术研究，不仅早于美军成立无人机蜂群中队，还开展了项目的若干演示验证试验。2021年初，英国防科学技术实验室（Dstl）举行了一项大规模的蜂群无人机竞赛演示，该竞赛作为“多无人机使作战轻松项目”（many drones mark light work）的收官之作，演示5种不同类型和大小的20架无人机组成异构固定翼无人机蜂群［23］，开展了超视距飞行试验，试验飞行了220多架次。另外，英皇家空军蜂群无人机试验项目于2021年10月进入新的测试阶段，此次测试基于蜂群无人机平台的多型载荷/通信系统。
俄罗斯也大力发展无人机蜂群技术，下一代战斗机方案将于2025年公布，战机飞行Ma可达4~5，并且能够指挥控制5~10架装备火力系统的无人机集群作战；俄还在2020年用“前哨”、“海雕”-10、“猎户座”三型无人机进行了首次空中“蜂群”试验，使俄军的分层覆盖范围达到250 km；2021年2月，首次曝光的俄国防部提议的新型“闪电”无人机蜂群项目，涉及从有人/无人平台发射多架喷气动力隐身无人机，执行侦察、电子战和打击能力，主要用于突破敌军防空系统。
此外，波兰、以色列、土耳其也在稳步推进无人机蜂群项目。波兰WB集团正在推进由战术侦察机和巡飞弹组成W2MPIR集群无人机系统，该系统旨在摧毁对手的分层防空系统；据《新科学家》（New Scientist）杂志报道，以色列军队在世界上第1次使用了人工智能引导蜂群无人机定位、识别和攻击哈马斯武装力量，如图4所示。土耳其军方宣布将开展使用500架自杀式无人机实施大规模“蜂群战术”攻击的实验。
图4 以色列将无人机蜂群引入地区作战中
2.3 其他地区
韩国陆军早在2017年透露正以朝鲜的弹道导弹阵地和核试验设施为目标，大力发展无人机蜂群技术用于侦察打击。韩2021年9月宣布，计划在2027年前为韩国武装部队增购1 000架无人机。
印度正在加快研发无人机蜂群系统的计划。2020年8月启动“战斗空中协作系统”（combat air team system，CATS）项目，2021年1月，首次展示了75架进攻性无人机组成的蜂群拥有智能计算能力。
3 反无人机蜂群作战策略
无人机蜂群作战样式的出现将使未来战争形态产生重大变革，对未来的防空作战带来了巨大威胁，有矛必有盾，反无人机将成为新的挑战。本文从现有防空装备对抗蜂群作战的短板出发，分析反蜂群装备与技术发展趋势，提出反蜂群杀伤链动态构建准则和方法，为反蜂群作战设计提供理论参考。
3.1 传统装备反蜂群能力短板分析
蜂群无人机一般具有“低慢小”特性，其分散性、智能型、灵活性具备更高效的侦察打击能力，使传统的防御系统难以侦察到目标，以及蜂群作战单机成本低和数量优势，也使传统的反蜂群手段变得效能低下。
基于无人机蜂群作战的优势，现役装备反蜂群能力短板可总结为“看不见，难识别”“辨不清，难拦截”“打不起，作战成本高”“打不完，非对抗作战”。
3.2 反蜂群装备与技术发展趋势
目前，各军事强国均在加强反蜂群装备与技术研究，激光、高功率微波、蜂群反蜂群、电子对抗等反蜂群装备如雨后春笋般大量出现，反制无人机的实现离不开光电侦察、雷达探测系统，即依靠硬毁伤新战法，也依赖于软杀伤新研发，以及硬毁伤与软杀伤相结合的以机制机战术。
3.2.1 探测精准化
“看得见”和“辨得清”是反无人机蜂群作战的第一步，有效的探测、识别、跟踪和定位是成功反制无人机蜂群的前提条件。一是将雷达、无线电侦测以及光电侦测等手段组成一个优势互补、信息共享的预警探测网络，并进行优化部署、梯次部署和频率覆盖；二是将传感器挂载在无人平台上，采取集群组网的模式，通过频率互补和空间优化布局等方式充分发挥各型装备和手段的作用，形成全方位、多层次、有重点的侦察体系，提高整体预警探测能力。2015年，美国验证了一种新型地基系统——ICARUS，该系统配备无源成像、声学探测、射频探测等多种传感器，可探测、识别、跟踪和截获目标无人机。俄罗斯的卡巴斯基实验室在2020年研发了基于人工神经网络的“卡巴斯基反无人机系统”，通过构建人工神经网络，分析处理各类数据，能迅速发现识别无人机蜂群，并对目标进行分类，有针对性地做出反应。英国的反无人机防御系统（anti-UAV defense drone，AUDS）采用雷达、光电、红外日光等多类传感器，可以干扰进而抵抗无人机机群的攻击。
3.2.2 硬灭杀显威力
（1） 火力杀伤
利用速射防空火炮和弹炮结合系统都能够对无人机蜂群进行拦截攻击，是最实用的方法，像俄罗斯的“铠甲”-S1防空系统可发现30多个目标并同时对24个目标进行有效跟踪拦截，如图5所示。
图5 “铠甲”-S1野战防空系统
（2） 定向能武器
当前，定向能武器已由“新概念”步入实战应用，被一些国家列为应对无人机蜂群威胁的重要装备。美、俄等国都将激光与微波武器作为未来反无人机定向能武器发展的重点，其应用情况见表2。但受体积、质量、功耗等限制，定向能反无人机系统主要以地基平台为主，模块化、固态化和小型化以及新材料的采用，都是未来改进的方方向。
表2 定向能武器应用于反无人机蜂群
| 种类 | 国家 | 应用情况 |
|---|---|---|
| 激光武器 | 美国 | 2010年，美军首次进行激光武器试验，成功击中3 km外飞行的4架无人机； |
| 2019年11月，美国洛克希德·马丁公司为美空军演示了“雅典娜”激光武器系统［24］（图6），一次能摧毁多架固定翼和旋翼无人机； | ||
| 微波射频 | 2019年，美空军采用雷锡恩公司研制的高功率微波武器系统［25］，通过使用能量脉冲击落敌方无人机蜂群； | |
| 2021年12月，美空军新型“战术高能作战应答器”（THOR）［26］（图7），通过干扰无人机的电子装置，使整个目标区域的多个无人机同时丧失行动能力 | ||
| 激光武器 | 俄罗斯 | 2019年，“佩列斯韦特”PERESVET激光武器就开始战斗值班；2020年在叙利亚的俄军事基地成功拦截了以色列无人机； |
| 微波射频 | KRET公司的Krasukha-2车载高功率微波干扰器和Krasukha-4联合使用，可覆盖区域内的多个无人机集群目标，其效能已在叙利亚战争中得到证明 | |
| 激光武器 | 以色列 | 研发出“无人机穹顶”激光系统，该系统配备了探测雷达、高能激光发射器以及干扰无线电系统，可以实现对“无人机蜂群”的搜索、识别和摧毁［27］，如图8所示 |
3.2.3 软杀巧布局
图6 “雅典娜”激光武器系统
欺骗干扰、布设陷阱和控制接管等软杀伤方式也是一种新思路。2021年6月美国测试完成了飘带式反无人机系统，该无人机升空后，追上来袭的敌方无人机，然后发射类似“强大的、细长的绳索飘带”将缠着敌方无人机的旋翼，使其失去推进力并坠入地面；2011年，伊朗通过电子战技术，修改美军无人机GPS坐标，诱捕了一架RQ-170“哨兵”无人机；俄军最新型的ROSC-1反无人机系统，不仅能屏蔽敌无人机信道、发送错误坐标，还配备了“狼”-18无人机，拦截了10架无人机蜂群。
图7 THOR“蜂群”无人机杀手
图8 “无人机穹顶”激光系统
3.2.4 以机制机全阻击
任何武器装备的最大敌人就是自己，无人机蜂群也不例外。以无人集群对无人集群的反蜂群“对抗”模式更适合作用于中近程作战，通过技术与战术的结合，在无人机的态势感知、编队协同、对空拦截等方面，进行技术攻关和升级改造，实现无人机的一机多用、攻防兼备，例如在空中布设网墙［28］，对无人机进行捕获；携带进攻武器摧毁对方无人机；采取自杀式袭击的方式和对方无人机进行物理碰撞，使其丧失作战能力等。
3.3 反蜂群杀伤链动态构建策略
任何单一的武器装备在面对蜂群时均存在短板和不足，由不同射程的导弹、高炮、激光、高功率微波等硬杀伤手段，以及通信干扰、导航干扰、探测干扰等软杀伤手段等多种反蜂群装备实施体系化对抗，从而提升多样化作战场景适应性以及整体效能是当今反蜂群作战的必然选择。一个要素完整的反蜂群作战系统由不少于10种装备组成，其作战运用设计难度相比传统防空系统成几何级增长，传统的基于规则的设计方法已不再适用。
人工智能技术的快速发展为复杂系统求解提供了有效方法，可以预见，未来人工智能技术也将在反蜂群系统作战运用设计中发挥重要作用。本文不过多讨论如何将人工智能算法运用到反蜂群系统作战路径求解中，而是提出反蜂群杀伤链动态构建策略，作为反蜂群作战运用设计的基本框架。该框架可缩小人工智能算法的解空间，简化求解过程。
3.3.1 杀伤链动态构建概念
杀伤链一般由搜索—决策—跟踪—杀伤—评估等环节组成，每个环节上可能有一个或多个装备节点参与，如搜索环节可能由预警探测雷达、光电探测系统等多个装备节点完成，杀伤环节可能由防空导弹、高炮、电抗等多个装备节点组成。决策环节根据搜索环节提供的空情信息对每一个来袭目标均选取最优的跟踪、杀伤和评估节点，实施决策中心战思想，以实现整体效能达到实时最优，即杀伤链动态构建。
3.3.2 杀伤链动态构建基本原则
对于反蜂群作战系统，在其跟踪、杀伤和评估各环节上均存在大量可选节点，排列组合后将使其解空间极为庞大，通过设计一些基本原则作为求解的约束条件将使求解过程大幅简化。一般可考虑的基本原则主要包括：
（1） 电磁兼容原则
电磁兼容是装备运用的重要原则。在反蜂群作战系统中，电抗装备的使用可能对自身的雷达、导弹、无人机等装备的使用造成影响，需要从时域、空域、频域进行电磁兼容设计，避免造成“1+1<2”的不良结果。
（2） 杀伤优先及精度匹配原则
在构建杀伤链时，一般先确定杀伤环节要使用的装备，再根据精度匹配原则和火力通道资源反推要使用的跟踪节点。像导弹、高炮、激光和高功率微波对跟踪精度均有较高要求，部分体制的导弹还需要对导弹本身进行跟踪，在选择跟踪节点时，要确保其精度能够满足杀伤环节中对精度要求最高的装备的使用需求，从而保证杀伤链是有效的。
（3） 成本匹配原则
针对蜂群目标数量大、单体成本低的特点，在选择杀伤装备时要重点考虑作战成本，一般应选择单次作战成本不高于或与目标价值基本相当的装备，即做到成本匹配。根据无人机的5级分类方法［29］可综合考虑防御武器能力及作战成本，建立攻防匹配表可大幅缩减解空间，如将中远程防空武器与4级、5级无人机进行匹配；将近程防空武器与3级、4级无人机进行匹配；将激光武器与3级及以下无人机进行匹配等。
3.3.3 杀伤链动态构建方法
根据杀伤链动态构建基本原则，进一步考虑系统通道数资源、剩余弹量、目标来袭方向、有无干扰等多方面约束条件，利用人工智能算法进行求解，得到实时最优杀伤链。在构建目标函数时，一般可考虑将综合拦截概率、作战效费比或两者加权作为最优指标，也可以考虑将二者其一作为最优指标，另一个作为求解的约束条件，如在保证综合拦截概率不低于95%的前提下使作战效费比最高。
4 结束语
随着无人机蜂群战术战法的发展成熟，分布式打击、智能化作战、无人化技术等新型理论和技术赋予了无人机蜂群崭新的面貌，无人机蜂群将由作战辅助与支援装备跃升为重点作战装备，会对防空体系造成巨大威胁。本文针对传统防空装备反蜂群存在的短板及不足，提出了未来反蜂群装备与技术发展方向，在此基础上，针对反蜂群作战求解的关键难题，提出了杀伤链动态构建策略，为后续人工智能等求解算法的应用提供了基本框架，可大幅简化求解过程，对未来反蜂群作战设计和提升作战效能具有重要意义。
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