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无人机蜂群：改变游戏规则的国防应用技术

装备参考 · 公众号 · · 2023-11-14 22:17

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来源：渊亭防务

作者：渊亭防务

摘要：蜂群（Swarming）是一种颠覆性的、改变游戏规则的技术，该技术涉及在多个领域（陆、海、空、太空）中协同部署多个无人系统。新型微电子、制导、导航、传感器和人工智能技术的发展，使低成本微型无人机能够执行具有挑战性的任务。当与新型的决策流程、目标跟踪、通信技术和算法相结合时，蜂群可以在战场上产生巨大影响。其还可用于提供持续且不易被探测的监视能力以及关键的防御能力，如拦截巡飞弹。本文描述了欧洲在蜂群领域的研究活动，并深入探究了其可能对国防领域产生的重大影响。

关键词：无人机，自主能力，目标追踪，制导和控制，传感器融合

概况

无人机蜂群由各种不同的无人装备组成，具备决策、目标跟踪、制导和控制、传感器融合和指挥的能力，能够作为一组智能的自主“系统”运行。其体系中的各项能力也能够作为一个单一的智能自主系统独立运作。

如果利用无人设备、人工智能（AI）、通信、制导和控制、传感器融合、航空航天和无人交通管理（UTM）等领域的发展，通过设计以实现必要的智能和自主能力，那么成群的无人机可以像蜂群或鸟群一样协调飞行。这种无人机蜂群能够为那些结合了数字和智能技术的防务企业创造改变游戏规则的能力。无人机蜂群可以帮助欧洲增强安防能力，同时对城市交通、无人交通管理、自动驾驶或无人设备等其他领域产生颠覆性影响。

在国防方面，无人机的使用可以显著降低作战人员暴露在危险环境中的风险。无人机能够执行一些枯燥且辛苦的任务，例如对大片地区（如地中海、欧洲边界）的持续监测。在未来的军事场景中，无人机还能被用于迷惑和压倒对手。图1展示了多域无人机蜂群概念，用于保护和监视高价值资产（如军营或设施），该概念于2016年在欧洲国防局（European Defence Agency）研发试点项目“欧洲蜂群”（EUROSWARM）中首次提出。

图1：多域无人机蜂群概念

蜂群技术

无人机蜂群由一组自主或半自主无人机组成，蜂群内无人机能够相互合作，以实现共同的目标。无人机蜂群可用于各种军事任务，如侦察、监视和打击行动。当涉及到无人机蜂群设计时，军事领域的应用必须考虑以下四个主要技术模块。从感知能力到蜂群通信协议和路由，每个模块对于无人机蜂群性能和稳定性都非常重要。

1.感知能力：感知能力对于无人机蜂群至关重要。该能力使蜂群能够感知和理解其所处的环境，检测障碍物，识别目标，并保持态势感知。有效的感知能力使蜂群能够在复杂的动态环境中工作，并高效地执行各种复杂任务。机器学习和人工智能技术可以增强感知能力。蜂群可以通过传感器融合实现前所未有的态势感知。

2.任务分配和决策：任务分配和独立决策对无人机蜂群至关重要。高效的任务分配确保每个无人机都能够获得一项与其能力匹配的任务，从而优化可用资源的使用。若一个或多个无人机出现故障，蜂群可以自动填补空缺，任务分配有助于决策的快速传播，使蜂群能够快速适应变化的环境。任务分配还有助于提高适应性、可扩展性，并加速决策，使蜂群在动态和不确定的环境中更有效。通过蜂群内无人机之间的无缝数据交换，蜂群能够做出更好的决策，这使得资源的有效利用、稳定性、容错性、适应性以及可扩展性得以提升。

3.路径规划和防撞：无人机蜂群通常由大量的无人机组成。为了实现无人机蜂群的高效和安全运作，路径规划和防撞的方法至关重要。蜂群路径规划的核心是为每架无人机找到到达目的地的最佳路径，同时规避障碍，最大限度地减少所需的时间和能源。防撞能够确保无人机不会相撞，使每架无人机都能成功完成任务。例如，在监视任务中，路径规划可以优化无人机的行动路线，以最大限度减少重叠区域并增加覆盖范围。目前，有多种技术可以实现路径规划和防撞，其中包括集中法和分散法。集中法涉及单个无人机的规划和对蜂群中所有无人机路径的协调。分散法涉及每个无人机根据本地信息做出自己的路径规划决策。

4.通信：当蜂群内无人机之间的通信保持通畅且没有延迟时，蜂群能够以最佳的方式运行。通过传感器融合，蜂群可以提供高确定性和高分辨率的信息。有效的通信协议使无人机能够共享位置、状态和任务分配等信息，而路由则负责为无人机之间的信息传播寻找最佳路径。这使得蜂群能够协同工作，协调行动，并实时共享信息。目前，有各种技术能够实现通信协议和路由，例如自组网技术、网状网技术以及多跳路由技术。自组网络使无人机能够直接相互通信，而不需要固定的基础设施。而网状网络则利用无人机形成具有冗余路径的网络进行通信。多跳路由能够实现无人机之间的信息接力传递，从而实现更长距离的通信。

无人机蜂群能够利用通信协议交换信息，该通信协议可根据任务的特定要求以及蜂群的特征进行调整。目前，有三种主要的体系结构方法可用于设计军用无人机蜂群，包括：

1.集中式体系结构：在这种方法中，蜂群内所有无人机的运作都由一个中央控制实体进行协调，例如地面控制站。中央控制实体能够与蜂群进行通信，并收集数据，处理数据，做出决策。这种方法适用于小规模的蜂群和简单的任务。

2.分散式体系结构：在这种方法中，没有中央控制实体，蜂群中的每架无人机都能独立运行，根据本地信息做出决策，并与其他无人机进行信息通信。这种方法适用于大规模的蜂群任务和其他高度复杂的任务。

3.混合架构：这种方法结合了集中式和分散式体系架构的优势。在这种方法中，有一个中央控制实体为无人机提供高水平的导航，而每架无人机都具备自主决策能力。

无人机蜂群在军事领域有十分广泛的应用，能够执行各种不同的任务。以下为一些自主蜂群操作类型的关键案例：

1.区域覆盖：在区域覆盖行动中，蜂群的任务是利用无人机配备的传感器扫描特定的区域。在大多数情况下，理想的区域覆盖率是100%，无人机必须对该区域进行完全扫描。使用多架无人机对区域进行覆盖可能会遇到一些问题，处理这些问题的常见方法包括使用分解技术将重点区域划分为一组子区域，并在每个子区域部署一架无人机。对于包含不同型号无人机的蜂群，在区域分解过程中必须考虑传感器的范围、无人机机动能力以及航程，以提高系统的使用效率。在给每架无人机分配了一个子区域后，这些无人机需要在各自区域内独立规划路径。覆盖路径规划方法包括2D、3D和多无人机区域覆盖。

2.全面且持续的区域覆盖：全面且持续的区域覆盖要求部署无人机蜂群，并使其能够在整个任务期间提供整个给定区域的传感器覆盖。蜂群内无人机应根据其传感器的位置和可能的环境特征（如障碍物或遮挡区），形成编队。蜂群内无人机进行静态部署，也可在区域特征或监测区域随时间演变的情况下进行动态部署。主要目的是设计一种编队模式，以最少的无人机实现全静态覆盖。

3.区域搜索：在区域搜索行动中，无人机蜂群的任务通常是在重点区域中搜寻特定的目标。在该行动中，不需要对该区域进行完全覆盖。蜂群必须在最短时间内识别该区域中的目标。蜂群内无人机必须在任务的整个过程中进行协作，并且它们将根据自己对环境的感知和其他无人机的行为，使用在线决策和路径规划技术来提高系统的性能。可以使用蜂群区域搜索算法来预测目标分布的概率。仿生蜂群算法也吸引了科学界对区域搜索行动的兴趣。

4.区域监视：区域监视行动要求蜂群对一个特定区域进行持续监视。区域监视通常用于巡逻、监控、检测突发或动态威胁以及边境安全。该行动旨在使两次长时间监视之间所间隔的时间最小化。

5.目标跟踪：普通的目标跟踪行动涉及一个目标和一架无人机。无人机的跟踪范围是根据其传感器数据和对目标位置的估计，以及在某些情况下对目标的预测行为或未来位置，来进行在线的路径规划。无人机必须自行导航，以便始终跟随目标。随着蜂群能力的引入，目标跟踪任务可以由多架无人机完成，这些无人机可跟踪单个或多个目标。

总体而言，为设计军用无人机蜂群需要仔细考虑几个因素，其中包括任务要求、蜂群规模大小、通信能力和计算资源。

蜂群项目应用

1.低可观测性无人机系统——“莲花”（LOTUS）

“莲花”项目是一个欧洲国防工业发展计划（EDIDP）项目，由希腊和塞浦路斯的9家公司以及西班牙和荷兰的另外2家公司组成。该项目由lntracom Defense公司牵头，于2020年12月启动，为期45个月。“莲花”项目团队设计了一种先进的无人机系统用于战术空中侦察和监视任务。该无人机拥有几个关键特性，包括隐身能力、对峙作战能力、适航能力、基于北约标准的互操作能力、以及考虑到网络安全的可靠通信。此外，该系统广泛采用人工智能技术，确保其能够准确执行复杂任务。该项目团队所设计的无人机母舰配备了多个红外传感器，具备低可观测能力和长续航能力，其还配备有一个自卫系统以应对敌人的威胁。该无人机母舰可以部署四架管射折叠翼无人机，这种无人机具有先进的自主能力，能够执行复杂的ISR任务。无人机母舰和无人机共同组成了一个强大的无人机蜂群，蜂群内可实现无延迟协作，为现场决策者提供关键的智能和监控数据。在图2中，地面目标的情报任务分配（左）和协同覆盖（右）是通过帕特拉斯大学开发的群算法执行的。

图2：“莲花”项目中的无人机蜂群行动示例

2.用于国防应用的自主、可重构无人机蜂群——“阿喀琉斯”（ACHILLES）

“阿喀琉斯”项目是一个欧洲国防局项目，由希腊和德国的公司和大学合作进行。该项目于2023年1月启动，由帕特拉斯大学领导，参与该项目的公司和学校包括ATOS公司、DroniQ公司、Scytalvs公司、Intracom Defense公司、帕特拉斯大学、英戈尔施塔特应用科学大学以及雅典大学。该项目旨在通过提高用于特定防御任务的自主、可重构无人机蜂群的TRL，促进无人机蜂群在国防领域中的开发和使用，并展示无人机蜂群进行持续监视的能力和战备水平。该项目团队发现了无人机蜂群的多种优势和潜在应用，并以此为灵感推动“阿喀琉斯”项目的进行。最近的科技进步使无人机能够自动获取关键数据，以增强态势感知能力。可扩展的自主、可重构无人机蜂群具备高度有效的区域协调能力，具备对各种事件的超强适应能力。预计，该项目的成果和创新将包括新无人机蜂群能力以及能够使无人机安全有效地融入军事和民用空域的方法。这些能力将为基于无人机蜂群的系统和技术的成熟和验证提供支持。

3.有人-无人系统护航行动——“指挥”项目（COMMANDS）

“指挥”项目是一个欧洲国防基金（EDF）项目，来自10个国家的21家公司参与了该项目。该项目于2022年12月启动，由Sener Aerospace公司牵头，为期三年，得到了七国国防部的支持，这些国家的国防部还为该项目提供了项目发展的基本要求。该项目旨在为敏捷、智能和协作的有人和无人系统开发贯穿生命周期的能力（TLC）。几个模块化系统将成为该项目的一部分，这些系统能够通过无缝功能服务和数据交换实现蜂群能力。该系统将由有人和无人地面车辆以及无人机组成。为降低项目风险，该项目运用多种技术以制定自持的欧盟国防TLC可持续发展路线图。最终，该项目将对现有的地面车辆进行升级，并集成到未来的车辆中。该项目将通过技术演示器计划对技术进行验证，演示过程将在实验室和真实场景的移动演示器中进行，重点是为进行“最后一公里”补给的车队提供武装护航。

影响

蜂群技术使大量无人机能够实现高度互联，有效规划和分配任务目标，做出协调的战术决策，并在向操作员提出建议的同时，在最少的监管下协同应对动态环境。随着蜂群技术的成熟，其在军事领域的应用也在不断发展。许多人认为，可以将蜂群发展与精确装备武器的发展进行对比。精确装备武器在20世纪70年代和80年代进行了测试和改进，但在20世纪90年代初的第一次海湾战争中才出现。蜂群的使用可以使目前执行中低空监视和打击任务的有人防御系统变得老旧过时。在未来几十年里，无人机等远程操作的单一无人装备将逐渐过时，因为空中、地面和海上的无人机系统将能够部署多架无人机，以蜂群的形式进行作战，从而扩大了作战范围和监视范围，并提高了无人机的ISTAR能力和用于执行各种任务的攻击能力。

总结

北约多国国防部宣布，打算将蜂群技术与现有的武器系统进行结合，如F-35战斗机、英国风暴下一代战斗机以及FCAS飞机/无人机系统。显然，蜂群技术正在与世界各地的军事能力相结合，并开始影响各国的国防能力。蜂群是一项关键的军事技术，它将能够直接促进多个技术领域的发展。例如，该技术可以优化嵌入式蜂群以及自主系统的人工智能技术，有效提高在非结构化、快速变化、受限和对抗的环境中作战的防御系统协同作战的安全性、效率和有效性。正如俄乌战争和中东冲突那样，蜂群技术正在通过使用成群的无人机和巡飞弹来改变战争。因此，开发自主蜂群系统对于欧洲的国防、安全和繁荣至关重要。