前言
輕量化、小型化無人機(jī)單價(jià)遠(yuǎn)低于大型輪式起降無人機(jī)，結(jié)合人工智能、數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，使數(shù)十，甚至成百上千架規(guī)模的自組織無人機(jī)集群作戰(zhàn)成為可能。在探索研究階段，采用仿真推演方法，以較低時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，是對(duì)智能型無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)模式、自主控制、任務(wù)協(xié)同、動(dòng)態(tài)作戰(zhàn)規(guī)劃算法研究的可行途徑。本文將在CMANO系統(tǒng)中，從作戰(zhàn)樣式、智能控制兩個(gè)方面，探索使用無人機(jī)蜂群對(duì)海上大規(guī)模目標(biāo)實(shí)施偵察與跟蹤。文中相關(guān)想定純屬虛構(gòu)，僅作為CMANO研究之用，不代表本公眾號(hào)認(rèn)同任何一方觀點(diǎn)或做法;所有資料數(shù)據(jù)均為互聯(lián)網(wǎng)公開內(nèi)容，不涉及任何國(guó)家或地區(qū)軍事政治秘密。
一、相關(guān)背景
智能無人機(jī)集群是將大量無人系統(tǒng)基于開放式體系架構(gòu)進(jìn)行綜合集成，以通信網(wǎng)絡(luò)信息為中心，以系統(tǒng)群智涌現(xiàn)能力為核心，以平臺(tái)間的協(xié)同交互能力為基礎(chǔ)，以單平臺(tái)節(jié)點(diǎn)作戰(zhàn)能力為支撐，構(gòu)建具有抗毀性、低成本、功能分布化等優(yōu)勢(shì)和智能特征的作戰(zhàn)體系。無人集群作戰(zhàn)系統(tǒng)可填補(bǔ)戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略之間的空白，以多元化投送方式快速投送到目標(biāo)區(qū)域遂行多樣化軍事任務(wù)，包括與其他武器平臺(tái)協(xié)同攻擊海上、空中、地面目標(biāo)及ISR等，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)戰(zhàn)略威懾、戰(zhàn)役對(duì)抗、戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)。
2016年4月，美軍發(fā)布了《小型無人機(jī)(SUAS)系統(tǒng)路線圖2016-2036》。該路線圖由分管情報(bào)偵察監(jiān)視(ISR)的副參謀長(zhǎng)Robert P. Otto中將簽署并發(fā)布，凸顯了小型無人系統(tǒng)及其集群對(duì)于ISR的重要意義。將SUAS集成到美國(guó)空軍的情報(bào)監(jiān)視偵察資產(chǎn)組合中，幫助美國(guó)空軍滿足未來戰(zhàn)士們?cè)趯捤珊蛷?qiáng)對(duì)抗環(huán)境中的需求，并在首頁(yè)標(biāo)注“填補(bǔ)戰(zhàn)術(shù)與戰(zhàn)略之間的空白”，意指該領(lǐng)域大有可為。美軍已開始研制試驗(yàn)的幾種典型智能型無人機(jī)蜂群如表1所示。
二、智能型無人機(jī)蜂群對(duì)海面大型目標(biāo)作戰(zhàn)模式
(一)偵察探測(cè)模式
對(duì)海面大型目標(biāo)的搜索發(fā)現(xiàn)、定位跟蹤無異于“大海撈針”，利用外部手段(例如天基探測(cè))實(shí)現(xiàn)目標(biāo)概略定位后，通過無人機(jī)蜂群完成大面積覆蓋式掃描探測(cè)與跟蹤是未來一種典型作戰(zhàn)模式。在該模式中，利用重構(gòu)寬頻帶天線、超寬帶低噪復(fù)用信道等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)偵察、干擾、探測(cè)、通信4種功能在系統(tǒng)架構(gòu)、天線設(shè)計(jì)、信道復(fù)用、數(shù)據(jù)處理、信息融合等層面的一體化，解決蜂群無人機(jī)在有限載重下的載荷復(fù)用問題。同時(shí)，蜂群內(nèi)部各無人機(jī)之間通過位置共享、探測(cè)信息共享，多源/多模信息融合可高效實(shí)現(xiàn)蜂群整體對(duì)目標(biāo)的多基線測(cè)量、交叉定位、信號(hào)特征增強(qiáng)、交叉印證，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、跟蹤。
(二)攻擊模式
無人機(jī)蜂群通過自主規(guī)劃能力、編隊(duì)協(xié)同、人機(jī)接口和開放式架構(gòu)，適應(yīng)帶寬限制和通信干擾，減少任務(wù)指揮官的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，支撐拒止環(huán)境下協(xié)同作戰(zhàn)(如圖1)。由于自身平臺(tái)限制，無法攜帶常規(guī)殺傷武器，因此在目標(biāo)打擊階段可行的方式有以下幾種：一是智能精確打擊模式，蜂群內(nèi)部互相協(xié)作，自主選擇目標(biāo)、攻擊形式、編隊(duì)形式，通過多點(diǎn)、多次、快速打擊，以小火力實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)、關(guān)鍵部位的精確打擊，起到“四兩撥千斤”的效果;二是超高速攻擊模式，將無人機(jī)平臺(tái)自身轉(zhuǎn)化為動(dòng)能武器，以大于5馬赫，甚至達(dá)到20馬赫的高速攻擊，使得傳統(tǒng)防御系統(tǒng)面臨“清零”危險(xiǎn);三是電磁干擾壓制模式，即不采用傳統(tǒng)的殺傷性武器系統(tǒng)，利用自身攜帶的多功能偵察干擾一體化載荷，對(duì)目標(biāo)實(shí)施電磁干擾壓制，例如DARPA的“小精靈”無人機(jī)蜂群(如圖2)。
圖1 拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)模式(CODE)
圖2 “小精靈”無人機(jī)集群執(zhí)行電磁干擾壓制任務(wù)
三、CMANO場(chǎng)景設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
在CMANO系統(tǒng)中，從兩個(gè)角度開展無人機(jī)蜂群應(yīng)用研究：一是作戰(zhàn)模式與作戰(zhàn)流程推演，利用CMANO“人在回路”推演，對(duì)無人機(jī)蜂群參與作戰(zhàn)過程推演提供步進(jìn)式、可干預(yù)的閉環(huán)回路仿真;二是在任務(wù)控制階段通過腳本接入人工智能協(xié)同指揮算法、協(xié)同態(tài)勢(shì)感知與評(píng)估、協(xié)同路徑規(guī)劃、協(xié)同語義交互技術(shù)等外部AI控制算法，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)集群內(nèi)部、無人機(jī)集群與有人作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的高度協(xié)同。
(一)想定背景
藍(lán)方某國(guó)近年來長(zhǎng)期在某海域干涉地區(qū)國(guó)家之間事務(wù)，并派駐水面艦艇編隊(duì)在相關(guān)海域巡邏，對(duì)紅方在該區(qū)域經(jīng)貿(mào)商船航行安全造成示威型干擾。
(二)紅方想定
紅方通過天基探測(cè)手段發(fā)現(xiàn)藍(lán)方水面艦艇編隊(duì)通過某海峽進(jìn)入相關(guān)區(qū)域，初步確定其當(dāng)前概略航行范圍在一個(gè)矩形海域內(nèi)，從左上方開始，順時(shí)針方向4個(gè)位置點(diǎn)分別為：(N17°10′07″，E114°02′30″)，(N17°09′57″，E114°49′15″)，(N16°38′50″，E114°50′18″)，(N16°37′48″，E114°02′36″)。為精確掌握藍(lán)方水面艦艇編隊(duì)動(dòng)態(tài)，為后續(xù)應(yīng)對(duì)行動(dòng)提供情報(bào)支援，紅方方向聯(lián)合指揮機(jī)構(gòu)下達(dá)作戰(zhàn)指令。
任務(wù)簡(jiǎn)報(bào)：
紅方空軍第×飛行團(tuán)，由××機(jī)場(chǎng)出動(dòng)大型運(yùn)輸機(jī)1架，每架搭載10架小規(guī)模無人機(jī)蜂群前出相關(guān)海域，在搜索任務(wù)區(qū)域內(nèi)，完成對(duì)藍(lán)方大型水面艦艇編隊(duì)的發(fā)現(xiàn)、定位，并實(shí)現(xiàn)持續(xù)時(shí)間不小于30分鐘的持續(xù)跟蹤監(jiān)視，同時(shí)將目標(biāo)航行信息實(shí)時(shí)上報(bào)聯(lián)合指揮機(jī)構(gòu)。
(三)CMANO場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)
第一步：在CMANO系統(tǒng)中設(shè)置紅藍(lán);并在藍(lán)方添加水面艦艇編隊(duì)，設(shè)置其航行路線。在紅方××機(jī)場(chǎng)添加大型運(yùn)輸機(jī)1架，分配巡邏偵察任務(wù)。
第二步：設(shè)置事件觸發(fā)機(jī)制，當(dāng)紅方1架運(yùn)輸機(jī)飛抵任務(wù)區(qū)域后，釋放10架微小無人機(jī)，每架無人機(jī)搭載電子、光電偵察載荷，并通過內(nèi)嵌自組織、協(xié)同規(guī)劃算法開始對(duì)任務(wù)區(qū)域進(jìn)行搜索。整體場(chǎng)景如圖3所示。本想定中，設(shè)定運(yùn)輸機(jī)搭載的蜂群無人機(jī)平臺(tái)為瑞典研制生產(chǎn)的Sperwer偵察無人機(jī)，搭載1副CCD相機(jī)、1副紅外偵察相機(jī)以及1副激光雷達(dá)(如圖4)。
圖3 想定整體場(chǎng)景
圖4 Sperwer無人機(jī)平臺(tái)及搭載偵察載荷
(四)蜂群無人機(jī)集群控制的實(shí)現(xiàn)
從CMANO1.13版本開始，系統(tǒng)腳本語言LUA由1.0升級(jí)至2.0版本，開放并提供給用戶的應(yīng)用函數(shù)接口達(dá)到數(shù)百個(gè)，通過腳本語言LUA可以實(shí)現(xiàn)之前版本必須通過手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)的想定編輯以及作戰(zhàn)單元的精細(xì)化控制(如對(duì)每個(gè)作戰(zhàn)單元部署位置的精細(xì)化控制);通過腳本接口函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)外部AI控制程序的接入。此次想定中，通過LUA腳本，初步設(shè)計(jì)了對(duì)小規(guī)模蜂群無人機(jī)的協(xié)同偵察任務(wù)與路徑規(guī)劃的簡(jiǎn)單AI算法。想定中，將釋放無人機(jī)設(shè)置為事件觸發(fā)，觸發(fā)開關(guān)為“PLAN Y8 Remains in Area”，即運(yùn)輸機(jī)平臺(tái)進(jìn)入搜索區(qū)域(如圖5)。后續(xù)研究中，還可以擴(kuò)展蜂群無人機(jī)協(xié)同指揮控制、數(shù)據(jù)融合、協(xié)同態(tài)勢(shì)融合與評(píng)估等其它AI算法。本想定中，通過LUA腳本語言實(shí)現(xiàn)在想定中，紅方大型運(yùn)輸機(jī)釋放10架小型無人機(jī)的事件編輯腳本函數(shù)CreateUAVFromTriggerUnit(triggerUnit)如圖6所示。
圖5 設(shè)置釋放無人機(jī)觸發(fā)事件
圖6 釋放無人機(jī)蜂群事件腳本函數(shù)
在該函數(shù)中，triggerUnit表示觸發(fā)事件的作戰(zhàn)單元，“mission”為新釋放的無人機(jī)需要執(zhí)行的任務(wù)，函數(shù)“ScenEdit_GetMission()”為L(zhǎng)UA接口函數(shù)，即獲取想定中相關(guān)任務(wù)，參數(shù)1為想定某一方名稱，參數(shù)2為任務(wù)名稱;函數(shù)“ScenEdit_AddUnit( )”為在想定中添加作戰(zhàn)單元的接口函數(shù)，參數(shù)依次為單元類型、名稱、數(shù)據(jù)庫(kù)裝備ID、作戰(zhàn)方、位置經(jīng)緯度等信息;函數(shù)ScenEdit_AssignUnitToMission( )為給指定任務(wù)分配作戰(zhàn)單元的接口函數(shù)。
四、推演過程與結(jié)果分析
(一)無人機(jī)集群釋放過程
圖7 運(yùn)輸機(jī)進(jìn)入搜索區(qū)域后釋放10架無人機(jī)集群
由于想定中設(shè)置運(yùn)輸機(jī)載機(jī)進(jìn)入指定區(qū)域后釋放無人機(jī)集群，在圖7所示場(chǎng)景中，已完成10架小型無人機(jī)的釋放，將按照集群內(nèi)部自主控制模式開始指定區(qū)域搜索偵察任務(wù)。
(二)無人機(jī)集群協(xié)同偵察探測(cè)過程
本次想定推演中，設(shè)定2種無人機(jī)搜索控制模式，一是平行推進(jìn)掃描搜索;二是自主協(xié)同區(qū)域分配搜索。在想定推演中，2種模式的運(yùn)行過程分別如圖8、9所示。
圖8 無人機(jī)集群平行推進(jìn)掃描
圖9 無人機(jī)集群自主協(xié)同區(qū)域分配搜索模式
(三)偵察結(jié)果
方式1中，在時(shí)刻2:01:03，進(jìn)入搜索區(qū)域的藍(lán)方艦艇被7號(hào)和8號(hào)無人機(jī)同時(shí)發(fā)現(xiàn)：“Contact: SKUNK #6 has been classified as: WPB 1338 Grand Isle [Island C-Series] - Determined as: Hostile (Classification by: UAV7 (UAV 01 Ugglan [Sperwer] UAV) [Sensor: Euroflir [FLIR]] at 27.9 nm)”。
方式2中，在時(shí)刻2:15:06，進(jìn)入搜索區(qū)域的藍(lán)方艦艇被10號(hào)無人機(jī)發(fā)現(xiàn)：“Contact: WPB 1338 Grand Isle [Island C-Series] #5 has been positively identified as: WPB 1338 Grand Isle [Island C-Series] - Determined as: Hostile (ID by: UAV10 (UAV 01 Ugglan [Sperwer] UAV) [Sensor: Euroflir [CCD]] at 29.9 nm)”。
對(duì)比兩種方式結(jié)果，由于方式1使用的平行推進(jìn)掃描覆蓋面積大于方式2，因此較快實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)。
五、結(jié)論
無人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)應(yīng)用模式和內(nèi)部控制模式非常復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究基本都處于起步階段。本文此次設(shè)計(jì)的想定功能較為簡(jiǎn)單，旨在拋磚引玉，通過人在回路的推演仿真驗(yàn)證無人機(jī)集群作戰(zhàn)模式，通過LUA語言實(shí)現(xiàn)集群自組織控制模式;驗(yàn)證在CMANO平臺(tái)中開展作戰(zhàn)模式研究和算法試驗(yàn)兩種模式研究的可行性，今后對(duì)CMANO平臺(tái)的研究和使用中將蜂群無人機(jī)的應(yīng)用仿真、推演驗(yàn)證作為一個(gè)主要方向，請(qǐng)大家持續(xù)關(guān)注。
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