【深度】​無人機​叢集C2智慧系統設計與國內外發展

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今日薦文

今日薦文的作者為中國電子科技集團公司第十研究所專家吳雪松，中國電子科技集團公司第二十八研究所專家楊新民。本篇節選自論文《無人機叢集C2智慧系統初探》，發表於《中國電子科學研究院學報》第13卷第5期。

摘 要：隨著智慧化、小型化技術發展，無人機得到越來越廣泛的應用，無人機叢集因其較高的作戰效能也越來越受到重視。本文從C2系統角度出發，對無人機叢集作戰的系統組成、資訊關係以及使用流程進行分析和設計，提出了無人機叢集作戰互動資訊分級的概念，通過堆疊及相應策略及時高效處理互動資訊。

關鍵詞: 無人機；叢集；資訊處理堆疊；C2系統

引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）誕生於第一次世界大戰期間，以1916年美國的斯佩裡和勞倫斯進行首次無人機飛行作為標誌事件，至今已有一百多年發展歷史，已廣泛應用於民用和軍事各種領域。

無人機先後經歷三個發展階段，從第一次世界大戰的萌芽期，到上世紀八十年代以色列首創無人機和有人機協同作戰而引起各國對無人機重視開始的發展期，再到當前的蓬勃期，比較著名的企業以中國的大疆無人機公司和美國的3DRobotics無人機公司為代表。

無人機可以從不同角度進行分類，從機身結構特徵可分為無人直升機、無人固定翼飛機、無人多懸翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機和撲翼無人機等；從體積重量特徵可分為大型無人機、中型無人機、小型無人機和微型無人機；從用途可分為軍用無人機、民用無人機和消費級無人機等。

將一組具備部分自主能力的無人機系統通過有人/無人操作裝置的輔助，在一名高階操作員監控下，完成作戰任務的過程稱之為無人機叢集作戰，其目的是採用模擬群聚生物的協作行為與資訊共享，形成自主智慧整體完成作戰任務。

圖1 無人機叢集概念

隨著人工智慧技術和載荷技術的發展，各國越來越重視對無人機叢集作戰的研究和應用，尤其在複雜戰場環境下采用無人機叢集作戰已成為主流作戰樣式。與精確制導彈藥和常規導彈相比，小型無人機成本要小很多，而且能夠被回收和反覆使用。

1 國內外無人機叢集發展現狀

1.1 國外無人機叢集發展現狀

美軍已將無人機叢集作戰列為一種能夠改變作戰規則的「顛覆性技術」。最近幾年，美國陸續公佈或報道了無人機叢集相關的研究情況。從2015年開始，美軍陸續開展了「郊狼」（Coyote drone）無人機、「蟬」（Cicada）微型無人機、「灰山鶉」（Perdix）微型無人機等無人機叢集研究，對無人機叢集的連續發射、編隊飛行、對敵探測、電磁干擾、協同攻擊、自主對抗、發射回收等關鍵技術進行可行性驗證。尤其是2016年10月，美軍成功拋撒出103架「灰山鶉」無人機，並能在短時間內溝通和組成叢集隊形，表明美軍叢集自組網技術已達到了實用性階段。

針對小型無人機發展目標，2016年5月美空軍釋出了《2016—2036年小型無人機系統飛行規劃》，包括微小無人機叢集作戰概念和作戰任務，用於執行壓制或摧毀敵方防空、協同攻擊與偵察、對抗敵方無人系統等。

2018年1月前後，俄羅斯在敘利亞境內的空軍基地多次遭到無人機叢集襲擊。1月6日凌晨，15架無人機突擊俄駐中東機場，俄軍使用了近20臺鎧甲S式近防彈炮合一系統以及30毫米速射炮猛烈開火，才使得機場倖免於難。為狙擊單臺造價僅幾千美元的無人機，俄軍花費近億元。無人機叢集作戰效費比之高令人驚訝。

1.2 國內無人機叢集發展現狀

我國從上世紀50年代開展無人機研究，1966年12月第一架無人機「長空一號」首飛成功。在無人機叢集自主控制研究方面，我國也取得了突破性進展。2016年11月在珠海航展上，某公司公佈了67架規模的無人機叢集編隊飛行原理驗證測試，標誌着中國無人機叢集控制技術進入世界先進行列；2017年又完成了119架固定翼無人機叢集飛行試驗，重新整理了無人機叢集飛行數量的新紀錄，成功演示了編隊起飛、自主叢集飛行、分散式廣域監視、感知與規避等智慧無人機叢集技術。

2 無人機叢集C2智慧系統設計

2.1 功能設計

無人機叢集C2系統從功能組成上包括指揮控制、任務規劃、綜合保障等三類功能，圖2中列出了與無人機叢集緊密相關的功能。

圖2 無人機叢集C2智慧系統組成

1）指揮控制

包括態勢綜合、叢集作戰裝訂引數管理、無人機叢集監控等功能，以及文書指揮、作戰監控等指控功能。其中，叢集作戰裝訂引數管理是對目標作戰方預案進行統一管理，方便戰時快速篩選和匹配；無人機叢集監控是戰時對無人機叢集重要工作狀態和任務執行結果進行監控，適時調整任務分工並下達作戰指令。

2）任務規劃

包括投送規劃、叢集規劃和方案推演評估三塊功能。投送規劃負責無人機叢集進行資訊作戰之前將無人機叢集投送到指定空域的規劃，無人機搭載方式、投送方式、飛行方式不一樣，投送規劃均不一樣；叢集規劃是規劃無人機叢集資訊作戰的方式方法；方案推演評估是對投送規劃和叢集規劃過程進行推演，評估和調整方案。

3）綜合保障

包括武器保障、情報保障、氣象水文保障、電抗保障等。其中，武器保障主要為無人機提供測試和維護；情報保障主要處理無人機反饋的各類偵察資訊，並進行相關情報保障工作；氣象水文保障主要提供投送無人機搭載飛行途中、拋撒空域的氣象、水文的作戰保障。

2.2 資訊互動設計

無人機叢集C2智慧系統對外與通信系統互動目標初始資訊和控制指令資訊，與拋撒器互動投送規劃成果、叢集規劃成果、控制指令等資訊互動。無人機叢集C2智慧系統互動關係如圖3所示。

圖3 無人機叢集C2智慧系統資訊互動關係

無人機叢集作戰是一種超視距作戰，戰場環境複雜，作戰態勢瞬息萬變，作戰時機稍縱即逝；無人機叢集內部需要進行資訊互動和共享，同時還需要與地面C2系統進行資訊收發，所有這一切都使得擔負決策和對外通訊功能的無人機的負擔較重。在上述情形下，就存在如何傳遞適當的資訊以滿足無人機叢集作戰的需要。如果傳遞的資訊過少，則無人機叢集或地面C2系統缺少對實時戰場態勢的必要掌握和了解，無法及時決策和指揮後續作戰行動；如果傳遞的資訊過多，則會加重通訊載荷的負擔，使無人機叢集或地面C2系統不能做出及時反應，整個系統反映遲緩，錯失戰機，造成不可彌補的損失。這裏提出無人機叢集作戰互動資訊分級的概念。

無人機叢集作戰互動資訊非常多，而且還隨時間變化而變化，需要對資訊進行分級分類，有區別地對資訊進行互動。將無人機叢集作戰資訊分為兩種，即內部資訊和外部資訊，內部資訊是指描述無人機叢集內部互動的資訊，如無人機飛行狀態、無人機偵察識別資訊、叢集控制指令等；外部資訊是指描述無人機叢集通過通信系統與地面指揮所之間互動的資訊，如作戰指令、目標指示、打擊效果等資訊。在作戰過程中，已預先裝訂和變化極慢的資訊無需互動，對作戰結果影響較大的變化較快的狀態和引數則需要及時互動，如目標變化和叢集自身狀態變化的資訊。對無人機叢集作戰資訊梳理，對其互動資訊分級如下：

S1:目標身份及狀態變化資訊，既包括目標身份資訊，又包括目標正常、被擊毀、消失等狀態變化資訊；

S2:目標動態指示資訊，包括形狀、位置、速度、電磁特徵等；

S3:高等級告警資訊，如重大威脅資訊，這可以提高整體生存能力；

S4:作戰命令等決策結果資訊，如變更打擊目標、明確的干擾頻率、干擾方式等，實現無人機之間協同作戰；

S5:無人機狀態變化資訊，提示叢集工作狀態；

S6:簡要打擊效果評估資訊，影響後續打擊決策。

基於上述分析和確定的無人機叢集作戰互動資訊進行分級，從S1到S6資訊等級越來越低。系統在資訊互動過程中建立互動資訊處理堆疊，優先處理資訊等級高的資訊堆疊；對於相同等級的資訊堆疊，在資訊進棧時，需要對資訊進行比對處理，即在堆疊中如果出現相同物件相同資訊，則不作處理，資訊拋棄，如果出現相同物件的不同狀態資訊時，則該物件最新資訊進棧，舊有資訊從堆疊中移除。資訊分類如表1所示。

表1 無人機叢集作戰資訊分級

2.3 使用流程設計

無人機叢集C2智慧系統使用區分兩個階段，一是平時或準備階段，二是實施階段。

平時或準備階段，接受到準備命令（或受領任務）後，通過系統形成作戰方預案，包括資訊作戰效能規劃方預案、拋撒規劃方預案、行動規劃方預案以及各類保障規劃方預案，並對各類方預案進行推演評估，不斷優化和調整方預案；同時做好拋撒器、無人機及載荷的升級測試和維護。

實施階段，接受打擊命令後，指揮員根據打擊目標資訊進行方案篩選、匹配和調整，形成作戰計劃，並生成拋撒器裝訂諸元和叢集作戰裝訂引數，並進行引數裝訂；按照計劃時間，拋撒器將無人機叢集遠端投送之指定空域，按照拋撒計劃拋撒無人機叢集；無人機叢集根據預先設定的飛行編隊計劃進行協同偵察和干擾，回傳精確目標指示資訊或高價值情報資訊。

在必要情況下根據二次目標指示資訊進行快速方案調整，更新諸元。系統使用流程如圖4所示。

圖4 無人機叢集C2智慧系統使用流程

結 語

目前針對無人機叢集作戰研究深度遠遠不夠，大多停留在理論層面，很多關鍵技術尚未突破，離實戰差距較遠。本文從C2系統角度對無人機叢集作戰的系統組成、資訊互動和作戰流程等進行了初步研究，對無人機叢集作戰過程中的資訊互動內容進行分析，提出了無人機叢集作戰資訊分級的概念，分級分類進行資訊互動，既能實現態勢及時感知，又能減輕通訊載荷負擔。希望研究成果能對無人機叢集作戰研究有所參考和指導。

（參考文獻略）

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