无人机蜂群拦截系统作战构想与关键技术
来源:无人机集群
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作者:刘立章
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发布时间: 1494天前
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为有效应对敌可能发起的“饱和式攻击”,提高重要军事目标的防护能力,着眼无人技术的发展,首先,提出了无人机蜂群拦截系统的概念;随后,介绍了系统设计,并针对敌可能的巡航导弹､无人机蜂群､炮弹等各类打击,进行了具体的作战构想设计;总结了无人机蜂群拦截系统构建运行的关键技术,包括无人机平台研制､系统架构､集群感知与信息融合､集群控制与群体智能､任务规划､蜂群投放及回收补充等,并就技术实现的可行性和相关问题进行了分析,为进一步深化研究奠定了基础｡
空飘气球具有目标明显､速度较慢等特点,可采取类似拦截炮弹的方法进行拦截｡但由于空飘气球可能数量多､成本低､易摧毁,可增编部分攻击型无人机将更具经济性｡ 4 无人机蜂群拦截系统关键技术及可行性分析 通过对无人机蜂群拦截系统构建的关键技术和可行性进行研究分析,可对系统构建和作战运用提供相关理论支撑｡ 4.1 关键技术 无人机蜂群拦截系统构建需要在充分考虑可能面临的来袭目标特点的基础上,综合运用一系列相关关键技术｡这些关键技术主要包括平台研制､系统架构､集群感知与信息融合､集群控制与群体智能､任务规划､蜂群投放及回收补充等｡ 1)平台研制 无人机平台的研发和制造技术是无人机蜂群拦截系统实现的基础｡为实现拦截系统的有效运行,达成相应的作战效费比,无人机平台在研发和制造技术上需要具备以下条件｡
一是先进的研发能力和制造工艺｡敌攻击武器和攻击时间的不确定性,要求拦截无人机必须拥有良好的机动性和续航能力,从而能够在预警空域长时间巡航,接到指令可快速完成机动和蜂群排列｡因此,无人机平台须能够研发和制造出技术先进､工艺精良,在机动性､续航性､稳定性､耐用性方面达到相应要求的无人机,从而形成有效拦截能力｡
二是足够的生产能力和成本控制｡由于拦截系统主要以蜂群组网,通过无人机自爆来拦截敌“饱和式攻击”,无人机平台必须能够规模量产,且有效控制成本,确保达成相应的作战效费比｡ 2)系统架构 无人机蜂群拦截是集巡航､侦察､拦截､控制等多种行动为一体的复杂任务,拦截系统必须进行科学的系统架构和高效的集群协同,以通过整体效能来应对高度对抗性､高度动态性､高度不确定性的战场环境｡根据系统作战需求,拦截系统应具备侦察､拦截､反辐射､抗干扰､诱骗､自我补充等功能,以实现对来袭目标从发现､引诱到拦截的作战全流程,以及自身防护和系统补充｡为提高拦截系统的鲁棒性和容错性,可采取分布式人工智能系统中的多智能体系统(MAS)[6] ,该系统核心思想是“分而治之”,即将整个拦截系统分解为各个相对独立的子系统,子系统之间通过相互协作完成高度复杂的拦截任务｡ 3)集群感知与信息融合 集群感知与信息融合是无人机蜂群拦截系统控制决策的重要依据｡集群感知是指无人机蜂群基于机载传感器(如多功能相控阵雷达),通过无人机之间相互协同以获得更广的探测范围､更高的定位精度,主要包括对外部环境的协同观测和无人机蜂群内部的互感能力｡信息融合主要是指无人机平台之间(如蜂群和蜂群之间,蜂群和地面指控系统､雷达探测系统之间等)通过数据链路传递和共享目标信息､平台信息､情报指令等,进而获得任务区域内准确､完整的全局信息,通常要求有可靠的通信中继卫星､无线接入网和信息处理传输网络｡比如当无人机蜂群在预定任务区域待命预警时,地面雷达可提前将来袭目标的类别､数量､编队形式､速度､方位､高度等基本信息共享传输给无人机蜂群｡待来袭目标进入无人机蜂群探测范围后,蜂群进一步协同测算和精确化其飞行信息,并将信息传递到控制终端,通过计算确定拦截无人机排列结构及引爆时间,最终完成任务｡ 4)集群控制与群体智能 集群控制与群体智能是无人机蜂群拦截系统成功运行的核心｡无人机个体能力通常较弱,但通过借助蚁群算法(ACA/ ACO)､粒子群算法(PSO)等集群控制算法 ,无人机蜂群可集有限智能个体的协同合作为集体智能,实现自主编队､分组避障,部分毁伤条件下重构编队等功能｡拦截系统中的无人机应遵循“精准､立体､快速､有序”的原则,在空袭目标来袭的路径上按照某种排列方法展开形成空中拦截网,使拦截无人机的拦截效能最优化;当空袭目标变化飞行轨道时,拦截无人机蜂群通过自身探测系统､地面雷达和其他无人机群测算其空中实时轨迹,自主修正并快速编队机动到相应位置;部分毁伤条件下,无人机群自主重构修补空中拦截网｡ 5)任务规划 无人机蜂群拦截系统任务规划是完成拦截任务的关键,主要指根据无人机性能､拦截任务和战场环境等因素约束,为蜂群中的无人机进行任务规划和组合优化,以避免资源冲突,实现整体协同和全局最优[12⁃13] ｡如拦截无人机群应如何进行排列组合,实现拦截面积和拦截纵深的最大化;无人机蜂群根据侦察结果,如何进行任务的动态分配,实施干扰､诱导､拦截等;当来袭目标数量较多,如何进行任务规划,实现拦截效果最大化等｡ 6)蜂群投放及回收补充 根据现代战争的多域性特点,无人机蜂群投放必须具备全域､快速､高效､机动､精准等特点,在现有的武器装备体系和技术支撑下,除采取传统的固定架投放外,还可取车(舰)载投放､战机(战斗机､运输机､直升机)投放､火箭投放等方式｡由于无人机携带自爆模块,且在任务中由于自爆而导致数量减少,当无人机蜂群执行完任务时,无人机必须能够自主返航进行数量补充和能源补给,以确保拦截系统的经济性､完整性和安全性｡ 4.2 可行性分析 无人机蜂群作为近些年来迅速崛起并快速发展的无人化技术,集平台研制､智能感知､网络通信､导航定位､集群组网､自主协同､智能弹药等技术于一体,具有单机成本低､群体数目大､智能化程度高等显著优势,其劣势则主要体现为速度慢､航程短､探测能力差､抗干扰能力有限等｡随着美军“小精灵” 项目 和“灰山鹑”微型无人机项目的研究论证,以及我国电科集团电科院在2020 年9 月成功进行的200 架固定翼无人机集群作战试验 ,无人机蜂群拦截系统构建逐步具备了一定的可行性｡
1)固定翼无人机平台技术基本可实现高航速､长航程､可回收等功能,如“小精灵”无人机和中国电科集团无人机均采用机身细长,机翼可折叠,装备小型涡扇发动机,“小精灵”无人机作战半径926 km,可空中巡逻3 h,有效载荷54.5 kg,最大速度不低于Ma =0.8 ｡
2)无人机蜂群高效投放､智能感知､集群控制､信息共享､任务规划与执行等技术已基本趋于可用,美军公布的“灰山鹑”微型无人机蜂群演示和中国电科集团无人机蜂群作战试验已基本实现无人机多方式投放､精确编队､侦察监视､干扰压制､自主察打等功能｡
3)相较于传统防空体系,无人机蜂群拦截系统具有机动灵活､智能高效等特点,且在应对“饱和式攻击”方面具有突出优势,通过与传统防空体系配合可以增强重点目标的防护能力｡ 但是,我们也应看到,无人机蜂群拦截系统的构建仍然面临一些问题｡首先,在平台研制技术上,需要在无人机性能和研发制造成本之间做好平衡,确保既要满足基本的作战需求,又有很好的作战效费比;其次,由于拦截的实时性要求,无人机蜂群拦截系统需要具__备科学完备的系统架构,成熟的集群感知与信息融合､集群控制与群体智能､任务规划等能力,这需要深入研究和反复论证,才能确保拦截的成效和系统的稳定性;再次,在系统安全性问题上,因拦截无人机携带灵敏高效炸药战斗部,系统运行时存在一定危险,使用时要时刻关注无人机的飞行状态,将不适合拦截的区域作为禁飞区输入控制程序中,避免拦截后的残骸或仪器故障失灵落入人员密集区域造成损失｡
5 结束语
随着科技发展,在未来战争中,针对重点目标的“饱和式攻击”将成为新常态,而由于无人机蜂群等新型打击力量的加入,攻防双方的相对平衡将被彻底打破｡针对重点目标的防护需求和无人技术的迅速发展,本文首先提出了无人机蜂群拦截系统的概念及其构建意义;随后对拦截系统的系统架构和功能设计进行了介绍,并针对敌可能的来袭武器进行了相应的作战构想;基于此,引出了拦截系统构建运行的各项关键技术,并就技术实现的可行性和相关问题进行了分析｡ 随着这些关键技术的发展,无人机蜂群拦截系统将因成本低廉､机动灵活､智能高效等优势,成为对抗“饱和式攻击”的有效手段,研究论证后可重点应用在首都或边境防空､舰船防御､空中集群作战及应对非传统安全威胁等领域｡当然,我们也应看到无人机蜂群拦截系统需要系统设计､科学架构,并针对集群感知､集群控制､群体智能等关键技术进行持续攻关和作战试验论证,以提高系统运行的安全性和稳定性｡尽管无人机蜂群拦截系统的构建还存在诸多难点,但机遇与挑战往往并存｡我国应加强无人机蜂群作战的前沿技术研究和大胆创新,强化军民融合等国家战略推动关键技术的进步,进而获得无人作战领域的“非对称”优势｡
