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無人機蜂群攔截系統(tǒng)作戰(zhàn)構(gòu)想與關(guān)鍵技術(shù)
來源:無人機集群
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作者:劉立章
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發(fā)布時間: 2021-05-08
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為有效應對敵可能發(fā)起的“飽和式攻擊”,提高重要軍事目標的防護能力,著眼無人技術(shù)的發(fā)展,首先,提出了無人機蜂群攔截系統(tǒng)的概念;隨后,介紹了系統(tǒng)設(shè)計,并針對敵可能的巡航導彈?無人機蜂群?炮彈等各類打擊,進行了具體的作戰(zhàn)構(gòu)想設(shè)計;總結(jié)了無人機蜂群攔截系統(tǒng)構(gòu)建運行的關(guān)鍵技術(shù),包括無人機平臺研制?系統(tǒng)架構(gòu)?集群感知與信息融合?集群控制與群體智能?任務規(guī)劃?蜂群投放及回收補充等,并就技術(shù)實現(xiàn)的可行性和相關(guān)問題進行了分析,為進一步深化研究奠定了基礎(chǔ)?
在2020 年納卡沖突中,阿塞拜疆使用無人機攻擊亞美尼亞地面坦克及士兵的畫面震撼人心,無人作戰(zhàn)的時代已然到來,傳統(tǒng)作戰(zhàn)模式已被以無人作戰(zhàn)為代表的人工智能技術(shù)徹底顛覆,未來戰(zhàn)爭將朝著無人化?智能化的方向大步邁進?可以預見,在不久的將來,大規(guī)模無人進攻將占據(jù)極大優(yōu)勢,不僅能達成戰(zhàn)術(shù)目的,甚至可達成戰(zhàn)役和戰(zhàn)略企圖?無人機力量既可以是攻擊的“利刃”,也可以通過研究開發(fā),成為防守的“堅盾”?
本文首先簡要論述了無人機蜂群攔截系統(tǒng)的概念,隨后對攔截系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和作戰(zhàn)構(gòu)想進行了設(shè)計和闡述,據(jù)此分析了攔截系統(tǒng)構(gòu)建和運行的關(guān)鍵技術(shù),最后對無人機蜂群攔截作戰(zhàn)的未來進行了展望?
1 無人機蜂群攔截系統(tǒng)概念
現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,對重點目標的打擊和防護已經(jīng)成為交戰(zhàn)雙方關(guān)注的焦點,特殊時刻,關(guān)鍵目標往往能左右戰(zhàn)局走向?在未來作戰(zhàn)中,為突破防御系統(tǒng),達成作戰(zhàn)效果,不僅會有針對重點目標的精確打擊,還可能存在“飽和式”的空天打擊?無人機蜂群襲擊等?此外,在非傳統(tǒng)安全領(lǐng)域,重點目標還會面臨自殺式無人機蜂群?火箭彈?空飄氣球等非常規(guī)手段突襲,以達到制造公眾恐慌,引發(fā)社會動亂的目的?與此同時,重點目標的防御也是備受關(guān)注的焦點,但由于當前世界主要國家的防空力量均是按照體系作戰(zhàn)的思想構(gòu)建的,其主要由遠程?中程?近程和末端武器構(gòu)成,表面上看配置層級分明?科學合理,但遠中近程防空武器(如S300 系列?防空導彈等)與末端防空武器(如高射火炮等)之間仍存在一定的火力空白,從而降低了防空攔截效率,特別是在應對可能的“飽和式攻擊”時,這一火力空白尤其致命?美國海軍研究生學院Loc Pham 在2012 年發(fā)表的《無人機蜂群攻擊》曾探討了防空系統(tǒng)對蜂群作戰(zhàn)的防御問題?文章顯示,即使是世界上最先進的防空體系之一的海面“宙斯盾”系統(tǒng)(裝備了干擾器?誘餌彈?“標準”系列防空導彈?127 mm 艦炮?2 座“密集陣”近防武器系統(tǒng)),面對5~10 架從各個方向來襲的無人機蜂群攻擊,也顯得力不從心,根本無法做到全部有效攔截?
一直以來,世界各國都在研究抗擊“飽和式攻擊”的方法,但至今尚沒有較為成熟的作戰(zhàn)理念?無人機蜂群攔截系統(tǒng)是在無人機蜂群技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計一種可實施高度自主攔截的無人機蜂群攔截系統(tǒng)?在該系統(tǒng)中,每架攔截無人機搭載必需的可自主組網(wǎng)控制終端?靈巧式高爆自毀炸彈和可探測來襲目標的模塊,采用“六邊形空間錯位矩陣”的排列結(jié)構(gòu),在預警空域常態(tài)巡航并機動配置在可能出現(xiàn)的防空火力“真空區(qū)”?當來襲目標到達爆炸毀傷半徑時,攔截無人機解鎖其攜帶的高爆炸藥,將攔截目標摧毀或者引爆,以達到攔截的目的?系統(tǒng)通過采用“無人機蜂群對抗無人機蜂群”?“無人機蜂群集中毀傷巡航導彈”的策略,應對敵可能采取的多彈種?高密度?全方位的“飽和式攻擊”,以充實現(xiàn)有防空體系,提高重要目標的防護能力?
2 無人機蜂群攔截系統(tǒng)組成
根據(jù)系統(tǒng)作戰(zhàn)需求,為提高整體攔截效能,如圖1所示,無人機蜂群攔截系統(tǒng)根據(jù)任務職能區(qū)分,采取群組編隊的方式,構(gòu)建以攔截群為核心,偵察群?反輻射群?誘餌群?電子對抗群(干擾群)?補充群負責協(xié)同的空中無人機蜂群攔截系統(tǒng)?
1)攔截群?正六邊形是能夠不重疊地鋪滿一個平面的三種正多邊形(正三角形?正方形和正六邊形)之一,其中,六邊形以最小量的材料占有最大面積 ?因此,如圖2 所示,攔截群通過采用“六邊形空間錯位矩陣”的排列結(jié)構(gòu),前后交錯排列,可實現(xiàn)攔截效率的最大化?攔截群進行模塊化編組,每個模塊配置攔截無人機若干,前后分層配置,每層在不同平面上,且相鄰兩層之間留有一定的安全距離;每架無人機的位置在組網(wǎng)前根據(jù)編號定位,確保任務規(guī)劃到具體無人機?整個六邊形錯位矩陣攔截網(wǎng)的分層數(shù)量?每層攔截網(wǎng)占有的無人機數(shù)量,以及每層攔截網(wǎng)之間的距離可根據(jù)來襲目標攜帶彈藥的殺傷半徑進行調(diào)整,確保無人機和無人機?攔截層和攔截層之間距離適當,防止出現(xiàn)“一彈引爆多機”的問題?
攔截群在預定區(qū)域展開后,通過地面雷達或無人機偵察群不間斷地向攔截群傳輸和共享指令,隨時調(diào)整攔截群位置?為有效應對各類攻擊,提高攔截效率,如圖3 所示,可采用多層布防?多單元組合布防,以及多層多單元組合布防等方式來增加攔截面積和攔截縱深?
2)偵察群?偵察群主要由搭載合成孔徑雷達?多功能相控陣雷達等設(shè)備的無人機群組成,可部署在攔截系統(tǒng)前側(cè),主要任務是與地面雷達系統(tǒng)協(xié)同判斷敵飛行物的類別?編隊形式?速度?方位?高度?攜帶的武器和精確計算敵飛行物的飛行軌跡等,并將敵飛行物的相關(guān)信息實時傳送給攔截群?
3)反輻射群?反輻射群配置反輻射無人機若干,可部署在偵察群后側(cè),主要任務是根據(jù)敵雷達信號進行攻擊,摧毀飛行物的雷達;如果敵飛行物為無制導能力的火箭彈等武器,則反輻射群不工作?
4)電子對抗群(干擾群)?電子對抗群(干擾群)配置電抗無人機若干,可部署于偵察群后側(cè),主要任務是防敵電磁干擾,同時壓制和干擾敵飛行物通信信號?
5)誘餌群?誘餌群配置各型誘餌無人機若干,可部署于攔截群前側(cè),主要任務是誘導敵空襲目標偏離攻擊目標和攻擊攔截網(wǎng),實現(xiàn)保護我方重要目標的作用?
6)補充群?補充群主要由空中補充群和地面補充群組成,當攔截網(wǎng)絡(luò)中的無人機出現(xiàn)損傷和自毀后,能根據(jù)無人機蜂群指揮控制網(wǎng)絡(luò)的指令自主派遣無人機補充至相應的戰(zhàn)斗位置,保障任務繼續(xù)執(zhí)行?
3 無人機蜂群攔截系統(tǒng)作戰(zhàn)構(gòu)想
當前,世界上較為先進的BGM?109“戰(zhàn)斧”巡航導彈射程已達2 500 km,能夠以最高Ma = 0.73 的速度飛行 ?在不久的將來,“戰(zhàn)斧”BLOCKⅣ型巡航導彈將更加智能化,性能更加完善?根據(jù)現(xiàn)代作戰(zhàn)特點,壓制由巡航導彈和無人機組成的第一梯隊的攻擊將是快速應對沖突的第一步?巡航導彈和無人機等各類空襲兵器打擊方式多種多樣,有針對高價值目標的單發(fā)精確打擊,有密集式飽和攻擊,還存在針對目標群的大范圍火力覆蓋?無人機蜂群攔截系統(tǒng)通過在重點目標外圍適當區(qū)域開辟發(fā)射陣地或采取機動發(fā)射,當來襲目標進入攔截范圍時,進行攔截打擊?
3.1 攔截無人機蜂群
無人機蜂群攻擊具備數(shù)量多?機動靈活等特點,但其突出弱點為易受電子干擾?如圖4 所示,當敵無人機蜂群前方首架無人機進入我方偵察半徑時,偵察群即開始對敵蜂群進行不間斷的偵察;干擾群脫離原有編隊突進至A 點(敵無人機蜂群前側(cè))并迅速向敵蜂群兩側(cè)散開,與之保持一定距離進行干擾壓制;反輻射群隨后突進至B 點,靈活鎖定敵無人機蜂群通訊中樞部分進行打擊;誘餌群至C 點發(fā)出假的通信和雷達信號,持續(xù)誘導敵剩余無人機向攔截群飛行;攔截群梯次配置至D 點,與補充群配合,在一定空域內(nèi)包圍并全殲敵無人機蜂群?
3.2 攔截巡航導彈
巡航導彈具有飛行速度快?高度低?機動靈活等特點,但其易受電子干擾及誘餌欺騙?如圖5 所示,當敵巡航導彈進入我方偵察半徑時,偵察群通過自身雷達?地面雷達和預警機配合持續(xù)鎖定目標,預測巡航導彈的彈道軌跡,并將彈道測算的信息傳輸至攔截群;干擾群脫離原有編隊突進至A 點(敵巡航導彈前側(cè))并迅速向巡航導彈兩側(cè)散開,與之保持一定距離進行干擾壓制;誘餌群發(fā)出假的雷達和通信信號,在B 點和C 點持續(xù)誘導敵巡航導彈向攔截群或預定誘騙攻擊區(qū)域飛行;攔截群高速機動到預定的飛行軌道,展開戰(zhàn)斗隊形對巡航導彈預定飛行空域執(zhí)行重點攔截?必要時,可在誘騙攻擊區(qū)域?qū)嵤┐驌?
3.3 攔截炮彈(火箭彈)
炮彈(火箭彈) 具有無制導裝置,密集度大的特點,攔截系統(tǒng)無法破壞其雷達?通信和控制設(shè)備,但通過空地雷達可以精準預測其飛行軌跡 ?如圖6 所示,當敵炮彈(火箭彈)進入我方偵察半徑時,偵察群通過雷達測算彈道并與地面雷達和預警機配合持續(xù)鎖定目標,預測炮彈(火箭彈) 的彈道軌跡?攔截群可提前機動并集中部署到炮彈(火箭彈)的預定軌跡上,展開戰(zhàn)斗隊形對炮彈(火箭彈) 可能飛過的空域執(zhí)行重點攔截?當炮彈(火箭彈) 數(shù)量較大時,補充群及時支援攔截群,并可呼叫地面防空系統(tǒng)與攔截群協(xié)同進行攔截?
3.4 攔截空飄氣球
空飄氣球具有目標明顯?速度較慢等特點,可采取類似攔截炮彈的方法進行攔截?但由于空飄氣球可能數(shù)量多?成本低?易摧毀,可增編部分攻擊型無人機將更具經(jīng)濟性?
4 無人機蜂群攔截系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及可行性分析
通過對無人機蜂群攔截系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)和可行性進行研究分析,可對系統(tǒng)構(gòu)建和作戰(zhàn)運用提供相關(guān)理論支撐?
4.1 關(guān)鍵技術(shù)
無人機蜂群攔截系統(tǒng)構(gòu)建需要在充分考慮可能面臨的來襲目標特點的基礎(chǔ)上,綜合運用一系列相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)?這些關(guān)鍵技術(shù)主要包括平臺研制?系統(tǒng)架構(gòu)?集群感知與信息融合?集群控制與群體智能?任務規(guī)劃?蜂群投放及回收補充等?
1)平臺研制
無人機平臺的研發(fā)和制造技術(shù)是無人機蜂群攔截系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)?為實現(xiàn)攔截系統(tǒng)的有效運行,達成相應的作戰(zhàn)效費比,無人機平臺在研發(fā)和制造技術(shù)上需要具備以下條件?
一是先進的研發(fā)能力和制造工藝?敵攻擊武器和攻擊時間的不確定性,要求攔截無人機必須擁有良好的機動性和續(xù)航能力,從而能夠在預警空域長時間巡航,接到指令可快速完成機動和蜂群排列?因此,無人機平臺須能夠研發(fā)和制造出技術(shù)先進?工藝精良,在機動性?續(xù)航性?穩(wěn)定性?耐用性方面達到相應要求的無人機,從而形成有效攔截能力?
二是足夠的生產(chǎn)能力和成本控制?由于攔截系統(tǒng)主要以蜂群組網(wǎng),通過無人機自爆來攔截敵“飽和式攻擊”,無人機平臺必須能夠規(guī)模量產(chǎn),且有效控制成本,確保達成相應的作戰(zhàn)效費比?
2)系統(tǒng)架構(gòu)
無人機蜂群攔截是集巡航?偵察?攔截?控制等多種行動為一體的復雜任務,攔截系統(tǒng)必須進行科學的系統(tǒng)架構(gòu)和高效的集群協(xié)同,以通過整體效能來應對高度對抗性?高度動態(tài)性?高度不確定性的戰(zhàn)場環(huán)境?根據(jù)系統(tǒng)作戰(zhàn)需求,攔截系統(tǒng)應具備偵察?攔截?反輻射?抗干擾?誘騙?自我補充等功能,以實現(xiàn)對來襲目標從發(fā)現(xiàn)?引誘到攔截的作戰(zhàn)全流程,以及自身防護和系統(tǒng)補充?為提高攔截系統(tǒng)的魯棒性和容錯性,可采取分布式人工智能系統(tǒng)中的多智能體系統(tǒng)(MAS)[6] ,該系統(tǒng)核心思想是“分而治之”,即將整個攔截系統(tǒng)分解為各個相對獨立的子系統(tǒng),子系統(tǒng)之間通過相互協(xié)作完成高度復雜的攔截任務?
3)集群感知與信息融合
集群感知與信息融合是無人機蜂群攔截系統(tǒng)控制決策的重要依據(jù)?集群感知是指無人機蜂群基于機載傳感器(如多功能相控陣雷達),通過無人機之間相互協(xié)同以獲得更廣的探測范圍?更高的定位精度,主要包括對外部環(huán)境的協(xié)同觀測和無人機蜂群內(nèi)部的互感能力?信息融合主要是指無人機平臺之間(如蜂群和蜂群之間,蜂群和地面指控系統(tǒng)?雷達探測系統(tǒng)之間等)通過數(shù)據(jù)鏈路傳遞和共享目標信息?平臺信息?情報指令等,進而獲得任務區(qū)域內(nèi)準確?完整的全局信息,通常要求有可靠的通信中繼衛(wèi)星?無線接入網(wǎng)和信息處理傳輸網(wǎng)絡(luò)?比如當無人機蜂群在預定任務區(qū)域待命預警時,地面雷達可提前將來襲目標的類別?數(shù)量?編隊形式?速度?方位?高度等基本信息共享傳輸給無人機蜂群?待來襲目標進入無人機蜂群探測范圍后,蜂群進一步協(xié)同測算和精確化其飛行信息,并將信息傳遞到控制終端,通過計算確定攔截無人機排列結(jié)構(gòu)及引爆時間,最終完成任務?
4)集群控制與群體智能
集群控制與群體智能是無人機蜂群攔截系統(tǒng)成功運行的核心?無人機個體能力通常較弱,但通過借助蟻群算法(ACA/ ACO)?粒子群算法(PSO)等集群控制算法 ,無人機蜂群可集有限智能個體的協(xié)同合作為集體智能,實現(xiàn)自主編隊?分組避障,部分毀傷條件下重構(gòu)編隊等功能?攔截系統(tǒng)中的無人機應遵循“精準?立體?快速?有序”的原則,在空襲目標來襲的路徑上按照某種排列方法展開形成空中攔截網(wǎng),使攔截無人機的攔截效能最優(yōu)化;當空襲目標變化飛行軌道時,攔截無人機蜂群通過自身探測系統(tǒng)?地面雷達和其他無人機群測算其空中實時軌跡,自主修正并快速編隊機動到相應位置;部分毀傷條件下,無人機群自主重構(gòu)修補空中攔截網(wǎng)?
5)任務規(guī)劃
無人機蜂群攔截系統(tǒng)任務規(guī)劃是完成攔截任務的關(guān)鍵,主要指根據(jù)無人機性能?攔截任務和戰(zhàn)場環(huán)境等因素約束,為蜂群中的無人機進行任務規(guī)劃和組合優(yōu)化,以避免資源沖突,實現(xiàn)整體協(xié)同和全局最優(yōu)[12?13] ?如攔截無人機群應如何進行排列組合,實現(xiàn)攔截面積和攔截縱深的最大化;無人機蜂群根據(jù)偵察結(jié)果,如何進行任務的動態(tài)分配,實施干擾?誘導?攔截等;當來襲目標數(shù)量較多,如何進行任務規(guī)劃,實現(xiàn)攔截效果最大化等?
6)蜂群投放及回收補充
根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的多域性特點,無人機蜂群投放必須具備全域?快速?高效?機動?精準等特點,在現(xiàn)有的武器裝備體系和技術(shù)支撐下,除采取傳統(tǒng)的固定架投放外,還可取車(艦)載投放?戰(zhàn)機(戰(zhàn)斗機?運輸機?直升機)投放?火箭投放等方式?由于無人機攜帶自爆模塊,且在任務中由于自爆而導致數(shù)量減少,當無人機蜂群執(zhí)行完任務時,無人機必須能夠自主返航進行數(shù)量補充和能源補給,以確保攔截系統(tǒng)的經(jīng)濟性?完整性和安全性?
4.2 可行性分析
無人機蜂群作為近些年來迅速崛起并快速發(fā)展的無人化技術(shù),集平臺研制?智能感知?網(wǎng)絡(luò)通信?導航定位?集群組網(wǎng)?自主協(xié)同?智能彈藥等技術(shù)于一體,具有單機成本低?群體數(shù)目大?智能化程度高等顯著優(yōu)勢,其劣勢則主要體現(xiàn)為速度慢?航程短?探測能力差?抗干擾能力有限等?隨著美軍“小精靈” 項目 和“灰山鶉”微型無人機項目的研究論證,以及我國電科集團電科院在2020 年9 月成功進行的200 架固定翼無人機集群作戰(zhàn)試驗 ,無人機蜂群攔截系統(tǒng)構(gòu)建逐步具備了一定的可行性?
1)固定翼無人機平臺技術(shù)基本可實現(xiàn)高航速?長航程?可回收等功能,如“小精靈”無人機和中國電科集團無人機均采用機身細長,機翼可折疊,裝備小型渦扇發(fā)動機,“小精靈”無人機作戰(zhàn)半徑926 km,可空中巡邏3 h,有效載荷54.5 kg,最大速度不低于Ma =0.8 ?
2)無人機蜂群高效投放?智能感知?集群控制?信息共享?任務規(guī)劃與執(zhí)行等技術(shù)已基本趨于可用,美軍公布的“灰山鶉”微型無人機蜂群演示和中國電科集團無人機蜂群作戰(zhàn)試驗已基本實現(xiàn)無人機多方式投放?精確編隊?偵察監(jiān)視?干擾壓制?自主察打等功能?
3)相較于傳統(tǒng)防空體系,無人機蜂群攔截系統(tǒng)具有機動靈活?智能高效等特點,且在應對“飽和式攻擊”方面具有突出優(yōu)勢,通過與傳統(tǒng)防空體系配合可以增強重點目標的防護能力?
但是,我們也應看到,無人機蜂群攔截系統(tǒng)的構(gòu)建仍然面臨一些問題?首先,在平臺研制技術(shù)上,需要在無人機性能和研發(fā)制造成本之間做好平衡,確保既要滿足基本的作戰(zhàn)需求,又有很好的作戰(zhàn)效費比;其次,由于攔截的實時性要求,無人機蜂群攔截系統(tǒng)需要具__備科學完備的系統(tǒng)架構(gòu),成熟的集群感知與信息融合?集群控制與群體智能?任務規(guī)劃等能力,這需要深入研究和反復論證,才能確保攔截的成效和系統(tǒng)的穩(wěn)定性;再次,在系統(tǒng)安全性問題上,因攔截無人機攜帶靈敏高效炸藥戰(zhàn)斗部,系統(tǒng)運行時存在一定危險,使用時要時刻關(guān)注無人機的飛行狀態(tài),將不適合攔截的區(qū)域作為禁飛區(qū)輸入控制程序中,避免攔截后的殘骸或儀器故障失靈落入人員密集區(qū)域造成損失?
隨著這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,無人機蜂群攔截系統(tǒng)將因成本低廉?機動靈活?智能高效等優(yōu)勢,成為對抗“飽和式攻擊”的有效手段,研究論證后可重點應用在首都或邊境防空?艦船防御?空中集群作戰(zhàn)及應對非傳統(tǒng)安全威脅等領(lǐng)域?當然,我們也應看到無人機蜂群攔截系統(tǒng)需要系統(tǒng)設(shè)計?科學架構(gòu),并針對集群感知?集群控制?群體智能等關(guān)鍵技術(shù)進行持續(xù)攻關(guān)和作戰(zhàn)試驗論證,以提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性?盡管無人機蜂群攔截系統(tǒng)的構(gòu)建還存在諸多難點,但機遇與挑戰(zhàn)往往并存?我國應加強無人機蜂群作戰(zhàn)的前沿技術(shù)研究和大膽創(chuàng)新,強化軍民融合等國家戰(zhàn)略推動關(guān)鍵技術(shù)的進步,進而獲得無人作戰(zhàn)領(lǐng)域的“非對稱”優(yōu)勢?
本文首先簡要論述了無人機蜂群攔截系統(tǒng)的概念,隨后對攔截系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和作戰(zhàn)構(gòu)想進行了設(shè)計和闡述,據(jù)此分析了攔截系統(tǒng)構(gòu)建和運行的關(guān)鍵技術(shù),最后對無人機蜂群攔截作戰(zhàn)的未來進行了展望?
1 無人機蜂群攔截系統(tǒng)概念
現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,對重點目標的打擊和防護已經(jīng)成為交戰(zhàn)雙方關(guān)注的焦點,特殊時刻,關(guān)鍵目標往往能左右戰(zhàn)局走向?在未來作戰(zhàn)中,為突破防御系統(tǒng),達成作戰(zhàn)效果,不僅會有針對重點目標的精確打擊,還可能存在“飽和式”的空天打擊?無人機蜂群襲擊等?此外,在非傳統(tǒng)安全領(lǐng)域,重點目標還會面臨自殺式無人機蜂群?火箭彈?空飄氣球等非常規(guī)手段突襲,以達到制造公眾恐慌,引發(fā)社會動亂的目的?與此同時,重點目標的防御也是備受關(guān)注的焦點,但由于當前世界主要國家的防空力量均是按照體系作戰(zhàn)的思想構(gòu)建的,其主要由遠程?中程?近程和末端武器構(gòu)成,表面上看配置層級分明?科學合理,但遠中近程防空武器(如S300 系列?防空導彈等)與末端防空武器(如高射火炮等)之間仍存在一定的火力空白,從而降低了防空攔截效率,特別是在應對可能的“飽和式攻擊”時,這一火力空白尤其致命?美國海軍研究生學院Loc Pham 在2012 年發(fā)表的《無人機蜂群攻擊》曾探討了防空系統(tǒng)對蜂群作戰(zhàn)的防御問題?文章顯示,即使是世界上最先進的防空體系之一的海面“宙斯盾”系統(tǒng)(裝備了干擾器?誘餌彈?“標準”系列防空導彈?127 mm 艦炮?2 座“密集陣”近防武器系統(tǒng)),面對5~10 架從各個方向來襲的無人機蜂群攻擊,也顯得力不從心,根本無法做到全部有效攔截?
一直以來,世界各國都在研究抗擊“飽和式攻擊”的方法,但至今尚沒有較為成熟的作戰(zhàn)理念?無人機蜂群攔截系統(tǒng)是在無人機蜂群技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計一種可實施高度自主攔截的無人機蜂群攔截系統(tǒng)?在該系統(tǒng)中,每架攔截無人機搭載必需的可自主組網(wǎng)控制終端?靈巧式高爆自毀炸彈和可探測來襲目標的模塊,采用“六邊形空間錯位矩陣”的排列結(jié)構(gòu),在預警空域常態(tài)巡航并機動配置在可能出現(xiàn)的防空火力“真空區(qū)”?當來襲目標到達爆炸毀傷半徑時,攔截無人機解鎖其攜帶的高爆炸藥,將攔截目標摧毀或者引爆,以達到攔截的目的?系統(tǒng)通過采用“無人機蜂群對抗無人機蜂群”?“無人機蜂群集中毀傷巡航導彈”的策略,應對敵可能采取的多彈種?高密度?全方位的“飽和式攻擊”,以充實現(xiàn)有防空體系,提高重要目標的防護能力?
2 無人機蜂群攔截系統(tǒng)組成
根據(jù)系統(tǒng)作戰(zhàn)需求,為提高整體攔截效能,如圖1所示,無人機蜂群攔截系統(tǒng)根據(jù)任務職能區(qū)分,采取群組編隊的方式,構(gòu)建以攔截群為核心,偵察群?反輻射群?誘餌群?電子對抗群(干擾群)?補充群負責協(xié)同的空中無人機蜂群攔截系統(tǒng)?
3)反輻射群?反輻射群配置反輻射無人機若干,可部署在偵察群后側(cè),主要任務是根據(jù)敵雷達信號進行攻擊,摧毀飛行物的雷達;如果敵飛行物為無制導能力的火箭彈等武器,則反輻射群不工作?
4)電子對抗群(干擾群)?電子對抗群(干擾群)配置電抗無人機若干,可部署于偵察群后側(cè),主要任務是防敵電磁干擾,同時壓制和干擾敵飛行物通信信號?
5)誘餌群?誘餌群配置各型誘餌無人機若干,可部署于攔截群前側(cè),主要任務是誘導敵空襲目標偏離攻擊目標和攻擊攔截網(wǎng),實現(xiàn)保護我方重要目標的作用?
6)補充群?補充群主要由空中補充群和地面補充群組成,當攔截網(wǎng)絡(luò)中的無人機出現(xiàn)損傷和自毀后,能根據(jù)無人機蜂群指揮控制網(wǎng)絡(luò)的指令自主派遣無人機補充至相應的戰(zhàn)斗位置,保障任務繼續(xù)執(zhí)行?
3 無人機蜂群攔截系統(tǒng)作戰(zhàn)構(gòu)想
當前,世界上較為先進的BGM?109“戰(zhàn)斧”巡航導彈射程已達2 500 km,能夠以最高Ma = 0.73 的速度飛行 ?在不久的將來,“戰(zhàn)斧”BLOCKⅣ型巡航導彈將更加智能化,性能更加完善?根據(jù)現(xiàn)代作戰(zhàn)特點,壓制由巡航導彈和無人機組成的第一梯隊的攻擊將是快速應對沖突的第一步?巡航導彈和無人機等各類空襲兵器打擊方式多種多樣,有針對高價值目標的單發(fā)精確打擊,有密集式飽和攻擊,還存在針對目標群的大范圍火力覆蓋?無人機蜂群攔截系統(tǒng)通過在重點目標外圍適當區(qū)域開辟發(fā)射陣地或采取機動發(fā)射,當來襲目標進入攔截范圍時,進行攔截打擊?
3.1 攔截無人機蜂群
3.2 攔截巡航導彈
巡航導彈具有飛行速度快?高度低?機動靈活等特點,但其易受電子干擾及誘餌欺騙?如圖5 所示,當敵巡航導彈進入我方偵察半徑時,偵察群通過自身雷達?地面雷達和預警機配合持續(xù)鎖定目標,預測巡航導彈的彈道軌跡,并將彈道測算的信息傳輸至攔截群;干擾群脫離原有編隊突進至A 點(敵巡航導彈前側(cè))并迅速向巡航導彈兩側(cè)散開,與之保持一定距離進行干擾壓制;誘餌群發(fā)出假的雷達和通信信號,在B 點和C 點持續(xù)誘導敵巡航導彈向攔截群或預定誘騙攻擊區(qū)域飛行;攔截群高速機動到預定的飛行軌道,展開戰(zhàn)斗隊形對巡航導彈預定飛行空域執(zhí)行重點攔截?必要時,可在誘騙攻擊區(qū)域?qū)嵤┐驌?
炮彈(火箭彈) 具有無制導裝置,密集度大的特點,攔截系統(tǒng)無法破壞其雷達?通信和控制設(shè)備,但通過空地雷達可以精準預測其飛行軌跡 ?如圖6 所示,當敵炮彈(火箭彈)進入我方偵察半徑時,偵察群通過雷達測算彈道并與地面雷達和預警機配合持續(xù)鎖定目標,預測炮彈(火箭彈) 的彈道軌跡?攔截群可提前機動并集中部署到炮彈(火箭彈)的預定軌跡上,展開戰(zhàn)斗隊形對炮彈(火箭彈) 可能飛過的空域執(zhí)行重點攔截?當炮彈(火箭彈) 數(shù)量較大時,補充群及時支援攔截群,并可呼叫地面防空系統(tǒng)與攔截群協(xié)同進行攔截?
空飄氣球具有目標明顯?速度較慢等特點,可采取類似攔截炮彈的方法進行攔截?但由于空飄氣球可能數(shù)量多?成本低?易摧毀,可增編部分攻擊型無人機將更具經(jīng)濟性?
4 無人機蜂群攔截系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及可行性分析
通過對無人機蜂群攔截系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)和可行性進行研究分析,可對系統(tǒng)構(gòu)建和作戰(zhàn)運用提供相關(guān)理論支撐?
4.1 關(guān)鍵技術(shù)
無人機蜂群攔截系統(tǒng)構(gòu)建需要在充分考慮可能面臨的來襲目標特點的基礎(chǔ)上,綜合運用一系列相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)?這些關(guān)鍵技術(shù)主要包括平臺研制?系統(tǒng)架構(gòu)?集群感知與信息融合?集群控制與群體智能?任務規(guī)劃?蜂群投放及回收補充等?
1)平臺研制
無人機平臺的研發(fā)和制造技術(shù)是無人機蜂群攔截系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)?為實現(xiàn)攔截系統(tǒng)的有效運行,達成相應的作戰(zhàn)效費比,無人機平臺在研發(fā)和制造技術(shù)上需要具備以下條件?
一是先進的研發(fā)能力和制造工藝?敵攻擊武器和攻擊時間的不確定性,要求攔截無人機必須擁有良好的機動性和續(xù)航能力,從而能夠在預警空域長時間巡航,接到指令可快速完成機動和蜂群排列?因此,無人機平臺須能夠研發(fā)和制造出技術(shù)先進?工藝精良,在機動性?續(xù)航性?穩(wěn)定性?耐用性方面達到相應要求的無人機,從而形成有效攔截能力?
二是足夠的生產(chǎn)能力和成本控制?由于攔截系統(tǒng)主要以蜂群組網(wǎng),通過無人機自爆來攔截敵“飽和式攻擊”,無人機平臺必須能夠規(guī)模量產(chǎn),且有效控制成本,確保達成相應的作戰(zhàn)效費比?
2)系統(tǒng)架構(gòu)
無人機蜂群攔截是集巡航?偵察?攔截?控制等多種行動為一體的復雜任務,攔截系統(tǒng)必須進行科學的系統(tǒng)架構(gòu)和高效的集群協(xié)同,以通過整體效能來應對高度對抗性?高度動態(tài)性?高度不確定性的戰(zhàn)場環(huán)境?根據(jù)系統(tǒng)作戰(zhàn)需求,攔截系統(tǒng)應具備偵察?攔截?反輻射?抗干擾?誘騙?自我補充等功能,以實現(xiàn)對來襲目標從發(fā)現(xiàn)?引誘到攔截的作戰(zhàn)全流程,以及自身防護和系統(tǒng)補充?為提高攔截系統(tǒng)的魯棒性和容錯性,可采取分布式人工智能系統(tǒng)中的多智能體系統(tǒng)(MAS)[6] ,該系統(tǒng)核心思想是“分而治之”,即將整個攔截系統(tǒng)分解為各個相對獨立的子系統(tǒng),子系統(tǒng)之間通過相互協(xié)作完成高度復雜的攔截任務?
3)集群感知與信息融合
集群感知與信息融合是無人機蜂群攔截系統(tǒng)控制決策的重要依據(jù)?集群感知是指無人機蜂群基于機載傳感器(如多功能相控陣雷達),通過無人機之間相互協(xié)同以獲得更廣的探測范圍?更高的定位精度,主要包括對外部環(huán)境的協(xié)同觀測和無人機蜂群內(nèi)部的互感能力?信息融合主要是指無人機平臺之間(如蜂群和蜂群之間,蜂群和地面指控系統(tǒng)?雷達探測系統(tǒng)之間等)通過數(shù)據(jù)鏈路傳遞和共享目標信息?平臺信息?情報指令等,進而獲得任務區(qū)域內(nèi)準確?完整的全局信息,通常要求有可靠的通信中繼衛(wèi)星?無線接入網(wǎng)和信息處理傳輸網(wǎng)絡(luò)?比如當無人機蜂群在預定任務區(qū)域待命預警時,地面雷達可提前將來襲目標的類別?數(shù)量?編隊形式?速度?方位?高度等基本信息共享傳輸給無人機蜂群?待來襲目標進入無人機蜂群探測范圍后,蜂群進一步協(xié)同測算和精確化其飛行信息,并將信息傳遞到控制終端,通過計算確定攔截無人機排列結(jié)構(gòu)及引爆時間,最終完成任務?
4)集群控制與群體智能
集群控制與群體智能是無人機蜂群攔截系統(tǒng)成功運行的核心?無人機個體能力通常較弱,但通過借助蟻群算法(ACA/ ACO)?粒子群算法(PSO)等集群控制算法 ,無人機蜂群可集有限智能個體的協(xié)同合作為集體智能,實現(xiàn)自主編隊?分組避障,部分毀傷條件下重構(gòu)編隊等功能?攔截系統(tǒng)中的無人機應遵循“精準?立體?快速?有序”的原則,在空襲目標來襲的路徑上按照某種排列方法展開形成空中攔截網(wǎng),使攔截無人機的攔截效能最優(yōu)化;當空襲目標變化飛行軌道時,攔截無人機蜂群通過自身探測系統(tǒng)?地面雷達和其他無人機群測算其空中實時軌跡,自主修正并快速編隊機動到相應位置;部分毀傷條件下,無人機群自主重構(gòu)修補空中攔截網(wǎng)?
5)任務規(guī)劃
無人機蜂群攔截系統(tǒng)任務規(guī)劃是完成攔截任務的關(guān)鍵,主要指根據(jù)無人機性能?攔截任務和戰(zhàn)場環(huán)境等因素約束,為蜂群中的無人機進行任務規(guī)劃和組合優(yōu)化,以避免資源沖突,實現(xiàn)整體協(xié)同和全局最優(yōu)[12?13] ?如攔截無人機群應如何進行排列組合,實現(xiàn)攔截面積和攔截縱深的最大化;無人機蜂群根據(jù)偵察結(jié)果,如何進行任務的動態(tài)分配,實施干擾?誘導?攔截等;當來襲目標數(shù)量較多,如何進行任務規(guī)劃,實現(xiàn)攔截效果最大化等?
6)蜂群投放及回收補充
根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的多域性特點,無人機蜂群投放必須具備全域?快速?高效?機動?精準等特點,在現(xiàn)有的武器裝備體系和技術(shù)支撐下,除采取傳統(tǒng)的固定架投放外,還可取車(艦)載投放?戰(zhàn)機(戰(zhàn)斗機?運輸機?直升機)投放?火箭投放等方式?由于無人機攜帶自爆模塊,且在任務中由于自爆而導致數(shù)量減少,當無人機蜂群執(zhí)行完任務時,無人機必須能夠自主返航進行數(shù)量補充和能源補給,以確保攔截系統(tǒng)的經(jīng)濟性?完整性和安全性?
4.2 可行性分析
無人機蜂群作為近些年來迅速崛起并快速發(fā)展的無人化技術(shù),集平臺研制?智能感知?網(wǎng)絡(luò)通信?導航定位?集群組網(wǎng)?自主協(xié)同?智能彈藥等技術(shù)于一體,具有單機成本低?群體數(shù)目大?智能化程度高等顯著優(yōu)勢,其劣勢則主要體現(xiàn)為速度慢?航程短?探測能力差?抗干擾能力有限等?隨著美軍“小精靈” 項目 和“灰山鶉”微型無人機項目的研究論證,以及我國電科集團電科院在2020 年9 月成功進行的200 架固定翼無人機集群作戰(zhàn)試驗 ,無人機蜂群攔截系統(tǒng)構(gòu)建逐步具備了一定的可行性?
1)固定翼無人機平臺技術(shù)基本可實現(xiàn)高航速?長航程?可回收等功能,如“小精靈”無人機和中國電科集團無人機均采用機身細長,機翼可折疊,裝備小型渦扇發(fā)動機,“小精靈”無人機作戰(zhàn)半徑926 km,可空中巡邏3 h,有效載荷54.5 kg,最大速度不低于Ma =0.8 ?
2)無人機蜂群高效投放?智能感知?集群控制?信息共享?任務規(guī)劃與執(zhí)行等技術(shù)已基本趨于可用,美軍公布的“灰山鶉”微型無人機蜂群演示和中國電科集團無人機蜂群作戰(zhàn)試驗已基本實現(xiàn)無人機多方式投放?精確編隊?偵察監(jiān)視?干擾壓制?自主察打等功能?
3)相較于傳統(tǒng)防空體系,無人機蜂群攔截系統(tǒng)具有機動靈活?智能高效等特點,且在應對“飽和式攻擊”方面具有突出優(yōu)勢,通過與傳統(tǒng)防空體系配合可以增強重點目標的防護能力?
但是,我們也應看到,無人機蜂群攔截系統(tǒng)的構(gòu)建仍然面臨一些問題?首先,在平臺研制技術(shù)上,需要在無人機性能和研發(fā)制造成本之間做好平衡,確保既要滿足基本的作戰(zhàn)需求,又有很好的作戰(zhàn)效費比;其次,由于攔截的實時性要求,無人機蜂群攔截系統(tǒng)需要具__備科學完備的系統(tǒng)架構(gòu),成熟的集群感知與信息融合?集群控制與群體智能?任務規(guī)劃等能力,這需要深入研究和反復論證,才能確保攔截的成效和系統(tǒng)的穩(wěn)定性;再次,在系統(tǒng)安全性問題上,因攔截無人機攜帶靈敏高效炸藥戰(zhàn)斗部,系統(tǒng)運行時存在一定危險,使用時要時刻關(guān)注無人機的飛行狀態(tài),將不適合攔截的區(qū)域作為禁飛區(qū)輸入控制程序中,避免攔截后的殘骸或儀器故障失靈落入人員密集區(qū)域造成損失?
5 結(jié)束語
隨著科技發(fā)展,在未來戰(zhàn)爭中,針對重點目標的“飽和式攻擊”將成為新常態(tài),而由于無人機蜂群等新型打擊力量的加入,攻防雙方的相對平衡將被徹底打破?針對重點目標的防護需求和無人技術(shù)的迅速發(fā)展,本文首先提出了無人機蜂群攔截系統(tǒng)的概念及其構(gòu)建意義;隨后對攔截系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計進行了介紹,并針對敵可能的來襲武器進行了相應的作戰(zhàn)構(gòu)想;基于此,引出了攔截系統(tǒng)構(gòu)建運行的各項關(guān)鍵技術(shù),并就技術(shù)實現(xiàn)的可行性和相關(guān)問題進行了分析?隨著這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,無人機蜂群攔截系統(tǒng)將因成本低廉?機動靈活?智能高效等優(yōu)勢,成為對抗“飽和式攻擊”的有效手段,研究論證后可重點應用在首都或邊境防空?艦船防御?空中集群作戰(zhàn)及應對非傳統(tǒng)安全威脅等領(lǐng)域?當然,我們也應看到無人機蜂群攔截系統(tǒng)需要系統(tǒng)設(shè)計?科學架構(gòu),并針對集群感知?集群控制?群體智能等關(guān)鍵技術(shù)進行持續(xù)攻關(guān)和作戰(zhàn)試驗論證,以提高系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性?盡管無人機蜂群攔截系統(tǒng)的構(gòu)建還存在諸多難點,但機遇與挑戰(zhàn)往往并存?我國應加強無人機蜂群作戰(zhàn)的前沿技術(shù)研究和大膽創(chuàng)新,強化軍民融合等國家戰(zhàn)略推動關(guān)鍵技術(shù)的進步,進而獲得無人作戰(zhàn)領(lǐng)域的“非對稱”優(yōu)勢?
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