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有人-无人机协同电磁频谱作战能力发展及趋势分析

2024-06-11马赞东

航天电子对抗 2024年1期
关键词:蜂群频谱电磁

马赞东

(中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海 201802)

0 引言

2015 年美国战略与预算评估中心(CSBA)在《决胜电磁波:重拾美国在电磁频谱领域的主宰地位》的研究报告中明确提出了低-零功率电磁频谱战新型作战概念。低-零功率电磁频谱战作战目的是:通过有人机-无人机、无人机-无人机组成的智能、低功率分布式网络,对预警指挥体系、火控网、通信链、导航接收终端等展开基于认知的电子/赛博攻击,实现破网、断链、迷航;对先进综合防御系统,开展认知侦察、认知电子进攻,对敌电子干扰进行认知电子防护,确保战机命中精度。针对大国竞争,自2015 年以来,美国提出分布式作战、敏捷作战、马赛克战、电磁频谱作战、忠诚僚机及协同作战飞机等许多新作战概念,推动有人-无人机协同电磁频谱作战能力发展。欧洲推出未来空战系统(FCAS)和全球作战航空计划(GCAP)等概念,强调无人机蜂群与有人机的协同。俄罗斯计划发展能指挥控制5~10 架装备高频电磁炮的无人机蜂群作战的下一代战斗机,推进有人-无人机协同电磁频谱作战能力发展。

2023 年10 月7 日爆发的巴以冲突复制俄乌冲突使用方法:利用无人机战术摧毁坦克。巴以、俄乌以及纳卡等局部冲突,大量无人机搭载武器弹药投入战场,成为空中打击力量的主体,在预警机和战斗机的掩护下,发挥无人机低价高效、灵活机动、冗余抗损等作战优势,重创地面部队,取得重大战果,无人机逐渐成为战场上重要的新型作战力量。但由于目前小型无人机智能程度不高、决策能力受限,无人机在强对抗环境下的生存能力还有待提高,在很多作战场景下需要与有人机进行协同电磁频谱作战。

有人-无人机协同电磁频谱作战能够解决有人机执行高危作战任务成本高、无人机难以执行动态环境中复杂任务的问题,能将2 种优势互补,提升整个作战系统能力。有人-无人机协同电磁频谱作战正成为外军提高电磁频谱作战能力的倍增器。随着人工智能和无人机装备技术等不断发展,为有人-无人机协同电磁频谱作战发展提供了技术支撑。本文从有人-无人机协同作战理论、研究项目、演示验证试验,关键技术和发展趋势等方面,全面梳理外军在有人-无人机协同电磁频谱作战能力取得的进展,分析其带来的影响,为有人-无人机协同电磁频谱作战能力发展提供借鉴。

1 有人-无人机协同电磁频谱作战研究状况

有人-无人机协同电磁频谱作战是世界军事强国着眼于未来强对抗环境而探讨的全新作战样式,主要有2 种内涵模式,忠诚僚机模式和与无人机蜂群协同模式。忠诚僚机是指有人机与高性能的无人机进行混合编组,有人机作为长机,无人机充当僚机,有人机的驾驶员控制无人机,进行协同电磁频谱作战的模式。无人机蜂群是指具有一定自主能力的无人机蜂群在少量有人机的辅助下,完成协同电磁频谱作战任务的过程。

有人-无人机协同电磁频谱作战具有融入体系对抗,系统抗毁性较强;态势实时共享,战术实施灵活有效;无人机参与攻击,作战效费比更高;研发过渡平缓,战斗力生成较快等作战特点及优势。鉴于有人-无人机协同电磁频谱作战上述诸多优势,近年来,美国、欧洲和俄罗斯等国都在大力发展有人-无人机协同电磁频谱作战能力。

1.1 美国研究状况

自2015 年以来,美国提出许多有人-无人机协同电磁频谱作战概念,开展了许多协同作战项目和演示验证试验,已取得了不少突破性的成果,并稳步朝着实战化方向迈进。

1.1.1 推进可消耗无人机研制及与有人机协同试验[1]

美国XQ-58A“女武神”无人机是美国忠诚僚机的典型代表,是美国空军与克瑞托斯防务公司合作开发的一款高亚声速、远距离攻击型无人机。该机主要用于监视、侦察和远程作战任务。2020 年12 月,XQ-58A 首次成功地与F-22 和F-35 战机一起进行了半自主飞行试验。2021 年3 月,美军使用F-35 控制XQ-58A 完成了首次内埋式弹舱空射微型无人机的试验。2023 年7 月XQ-58A“女武神”成功完成了一次试飞,演示验证了使用新的人工智能驱动软件主动执行空战任务的能力。美空军表示,该测试是成熟自主“智能体”的分层方法的一部分,未来“智能体”成果将转入美空军协同作战飞机(CCA)项目,支撑研发可与先进战斗机编组协同的无人僚机,CCA 是美空军“下一代空中优势”(NGAD)项目的关键部分。

“空中博格”项目于2019 年启动,其目标是将自主可消耗无人机技术与开放任务系统相结合,以实现有人-无人机协同电磁频谱作战。该项目的自主核心系统(ACS)由自主架构和软件组成,实现了机器间协同和有人-无人机协同。2022 年11 月“橙旗”演习期间,F-35A“闪电”Ⅱ和携带ACS 的MQ-20 无人机进行了持续数小时的有人-无人机协同飞行测试。

MQ-25A“黄貂鱼”无人机由美海军和波音公司共同开发,旨在发展不依赖陆基油轮的空中加油能力,扩大舰载机的飞行范围,实现在距离航母926 km 处为4~6 架舰载机加油。2021 年,MQ-25A 验证机相继成功完成对F/A-18E/F 战斗机、E-2D 预警机、F-35C 战斗机的空中加油试验。

1.1.2 推进有人机改装成无人机及与有人机协同试验

2020 年2 月,美国海军成功用一架有人EA-18G“咆哮者”电子战飞机控制了2 架经无人改装的“咆哮者”飞机,验证了相关技术有效性,这些技术可将F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗机和“咆哮者”电子战飞机改装成无人机,执行作战任务。在4 次飞行中,共完成了21 项演示性的任务。经无人化改装的有人机也可与美国海军在研其他无人机系统协同作战。这项技术可使美国海军大幅扩展感知范围,同时保证有人飞机远离威胁区域,确保安全性。一架有人机可控制多架无人机,且不会显著增加飞行员工作负担。

1.1.3 推进无人机蜂群研制及与有人平台协同试验[2]

2016 年4 月,美军发布了《小型无人机系统路线图2016—2036》,该路线图凸显了小型无人蜂群系统的重要意义。美国防高级研究计划局(DARPA)以及海军、空军和陆军等都已经开展了大量的研究和论证工作,启动了多个项目,其中最具影响力的项目包括:“山鹑”“小精灵”“低成本无人机蜂群技术”“金帐汗国”合作式弹群项目等。

2017 年美军采用3 架F/A-18 战斗机释放出103架“山鹑”无人机;2021 年美军采用C-130 在空中成功回收了一架X-61A“小精灵”无人机。2021 年美国防部宣布“郊狼”第3 批次无人机自主性模块已转化到了“金帐汗国”项目。2021 年5 月“金帐汗国”项目成功完成了前阶段最后一次飞行演示试验,2 架F-16 战斗机同时发射6 枚合作式小直径炸弹弹药,并在发射后迅速建立起了彼此间的通信链接。2023 年8 月美国防部长宣布美军未来两年将打造数千个自主无人蜂群系统,同年9 月美退役海军上将发文指出应对大国竞争美军将打造智能无人机蜂群。

1.1.4 推出异构分布式有人-无人机协同电磁频谱作战系统[3]

2022 年7 月,美国洛·马公司推出异构分布式有人-无人机协同电磁频谱作战系统,通过灵活搭配有人机、高价值无人机、低成本可消耗无人机、一次性无人机,寻找装备成本和性能的最佳平衡点,获得更加灵活、高效的有人-无人机协同电磁频谱作战体系。异构分布式无人机与XQ-58A、MQ-20、MQ-25A 之类的“附属式”无人机不同,其采用“分离式”研发思路,具有更高自主水平。洛·马公司计划在3~4 年内部署该系统簇中的低成本机型,重点面向美军驻印太地区部队需求,可与美空军“下一代空中优势”协同作战的高性能机型,计划于21 世纪30 年代研发成熟。

2022 年10 月,美国防部的预算文件出现了此前未披露的“超级蜂群”无人作战项目,“超级蜂群”由水面、水下和空中多模式无人系统组成,无人系统平台可在不同域之间随意切换,规模超过10 000 艘/架,拥有压倒性数量优势的群体,从而彻底瘫毁对手的态势感知、判断决策能力。“超级蜂群”的核心技术,除了计算机处理速度外,就是算法。2022 年1 月,美海军授予佐治亚理工学院合同用于开展“异构自主样机演进”项目研究,重点研究蜂群和“超级蜂群”系统的异构性及最佳指挥与控制架构。研究还将考虑该体系架构如何与其他自治体系架构无缝结合。研究工作预计2025 年1 月完成。

1.2 其它国家研究状况

除美国外,欧洲和俄罗斯等国也在大力推进有人-无人机协同电磁频谱作战的相关研究。

1.2.1 欧洲研究状况

2023 年6 月举行的巴黎航展上,空客公司展示了其未来空战系统(FCAS)的作战愿景[4]:全域指挥控制和信息交换能力增强,将为基于多域作战云的有人-无人机与机载预警机的混编作战模式提供更加敏捷的作战环境。每架有人机将搭载4 架可消耗远程无人机,当进入竞争空域时,指挥控制权可以自动移交给其中一架有人机,使机载预警机摆脱危险。未来空战系统涉及2 项关键技术开发:一是适用于下一代欧洲战斗机发动机的创新技术,包括已明确定义的低雷达特征、防止网络攻击和电磁效应。德国、法国与西班牙的3 家公司正在合作开发新技术和发动机演示,计划于2027—2032 年进行演示;二是可消耗远程无人机,可充当诱饵、干扰器、通信节点、情报监视与侦察(ISR)、空对地攻击平台等,或上述所有功能,目前尚未有明确定义。

2022 年12 月空客公司完成欧洲首次大规模有人-无人机协同电磁频谱作战演示,空客公司的“里尔-35”飞机充当战斗机,机组人员远程指挥控制5 架改装的Do-DT25 无人机,所有平台由网络数据链路连接,其中2架无人机配备MBDA 公司电子支援措施传感器,以检测假想敌方的地空导弹阵地,其余3 架无人机配备电光摄像机,可直观地记录并确认防空系统的位置;在防空系统被摧毁的同时,地面部队通过前沿联合终端攻击控制器请求近距离空中支援,一架H145M 直升机立即响应,并指挥控制一架无人机侦察周边环境,为特种部队提供数据,帮助地面部队捕获目标。此次飞行演示将为欧洲推进“未来空战系统”项目铺平道路。

1.2.2 俄罗斯研究状况

俄乌冲突中,俄罗斯号称列装2 000 多架无人机,且正在研制“猎人”和“雷霆”等先进的隐身无人机,发展有人-无人协同电子频谱作战能力。

2019 年俄罗斯通过视频公布S-70“猎人”隐身攻击无人机首次试飞,并指出该无人机设计的目的是与苏-57 战斗机协同执行作战任务。S-70“猎人”作为俄罗斯的“忠诚僚机”于2018 年6 月完成首次地面滑行试验。2020 年12 月“猎人”无人机完成数次携空空导弹模拟装置的起飞测试,以评估机载无线电电子设备与弹药导引头的适配性。目前正在研究与苏-57 战机协同作战的任务。2022 年2 月俄罗斯契卡洛夫飞机制造厂启动为期5 年的S-70“猎人”无人机生产线升级计划,加速批产列装,同年5 月俄罗斯使用S-70 完成Kh-59MK2 等多型精确制导弹药试射,初步验证其火力打击能力。俄军还计划为S-70 开发一种苏-57 双座机改型,进一步提升苏-57 与S-70 编队协同电磁频谱作战效率。2023 年6 月俄武装部队首次在特别军事行动中使用了S-70“猎人”察打一体无人机,用于打击乌克兰部队在苏梅地区的目标。

2020 年9 月在“军队-2020”论坛上,俄罗斯喀琅施塔得集团公司展示了“雷霆”无人机示意图。有人机可以引导3~4 架“雷霆”无人机。作为“忠诚僚机”,“雷霆”无人机可发射火力摧毁地面目标或使用电子战载荷执行压制和致盲等,协助有人机突破对手防空体系和摧毁其它地面目标。2021 年俄公开了“雷霆”无人机全比例模型,并已完成风洞试验,样机正在制造中。俄罗斯下一代战斗机方案将于2025 年公布,其能指挥控制5~10 架装备高频电磁炮的无人机蜂群作战。

2 关键技术

在信息化时代,迫切要求采用大数据、云计算、数据挖掘和机器学习等最新技术,支撑有人-无人机协同电磁频谱作战模式向智能化方向发展,提高自主协同作战水平,推动其作战能力实现跨越式发展。[5]

1) 开放式系统架构技术

有人-无人机协同电磁频谱作战包含多种作战平台,如果不同的作战平台上采用差异较大的技术体制,将致体系集成难度剧增。开放式系统架构正是为了解决该问题进行设计的,推动采办和商业模型远离传统烟囱式开发模式,具有可移植、模块化、解耦合、易升级和可扩展等特点,可降低寿命周期成本,缩短部署时间,获得了工业界和国防部的支持。目前,美军具有代表性的开放式体系架构有未来机载能力环境(FACE)和开放式任务系统(OMS)等。

2) 战场态势研判及预测技术

我的伯父当年也是一位英雄,骑马、打枪绝对的好。后来虽然已经五十岁了,但是风采犹存。我们都爱伯父的,伯父从小也就爱我们。诗、词、文章,都是伯父教我们的。翠姨住在我们家里,伯父也很喜欢翠姨。今天早饭已经开好了。催了翠姨几次,翠姨总是不出来。

态势研判及预测的重点是通过研究敌方作战部署的调整,深度分析战场态势的变化,对未来战场态势进行初步预测。利用复杂网络对有人-无人机协同电磁频谱作战体系进行建模,以作战体系中各有人-无人机之间的指挥、控制和协同等关系为边设计复杂网络,研究点和边在复杂网络中的分布,探索其变化规律,认识作战体系的演化,分析有人-无人机协同电磁频谱作战重心以及协同关系,实现对战场态势的研判。同时,通过多智能体建模技术构建有人-无人机协同电磁频谱作战实体模型,演示有人-无人机协同作战能力是如何影响作战体系的演化,利用复杂网络技术构建大量有人-无人机之间的交互关系模型,进而反映作战实体之间的交互关系和网络演化趋势。收集大量有人-无人机协同作战样式涉及到的相关数据,如飞行速度、航向、高度等参数作为协同作战训练数据,训练支持向量回归机得到战场预测模型;依据战场预测模型及已获取的敌方实时战场态势辅助作战行动决策,从而为有人-无人机协同作战提供更精准的敌方目标动态监视情报支撑。

3) 协同交互控制技术

完整的有人-无人机协同交互方式必然包含一套指令集,保证无人机能够识别来自系统内有人机的指令,同时也保证有人机能够实时接收无人机对战场信息的检测情况。指令集按功能分为3 种类型:有人机任务命令、无人机系统命令以及指令编码。这套指令集的设计首先应尽可能满足实际作战中存在的可能性和突发性,以便在任何情况下系统内部都能保持流畅的信息交互。其次命令集应尽量简单,作战任务的执行中包含了大量的数据传输和计算,简单的命令集是信息传输实时性的保证。最后,命令集应符合设计规范,以减少实际作战中信息交互过程中所存在的干扰和噪声,确保信息的正常发送和接收。近年来,随着人工智能理论的发展,基于自然语言的智能人机接口技术受到越来越高的重视。

4) 协同任务分配和航路智能规划技术

针对有人-无人机编队协同电磁频谱作战任务过程中的任务自规划、航路自调整、目标自分配等要求和特点,利用战术驱动的任务自动分解与角色自主分配技术,在有人机上进行强实时战术驱动的任务自动解算与有人-无人平台角色智能化分配,自主生成多种可行的任务规划方案,为有人机操作人员选择最佳方案提供辅助决策支撑。

5) 作战方案智能推演与评估技术

3 发展趋势

随着计算机、人工智能、多智能体理论等的快速发展,有人-无人机协同电磁频谱作战呈现出如下的发展趋势。

1) 无人机向高能、智能、体系化发展提升作战体系的生存性。

高能化主要体现在无人平台的超高速、超耐久、高隐身以及微小型平台的高能力等;武器系统的高动能、高聚能和高释能等;传感器的高分辨率和高集成度等特点。智能化主要体现在无人平台具备更高的认知智能、群体智能以及人机混合智能等。体系化主要体现在作战应用由单体使用向有人-无人机协同、多域集群使用方向发展,平台和体系结构由专用化、单一化向通用化、标准化方向发展。有人-无人机协同电磁频谱作战中,有人机统筹在防区外作为指控节点,无人机分散部署在防区内协同突防,这种配合方式有效提升有人机的生存能力和整个作战体系的抗风险性。

2) 有人-无人机协同电磁频谱作战体系以多样性的组合和战术增加对手对抗难度。

有人机与各类异构无人机可形成更为分布的电磁频谱作战编队,针对各项任务灵活组合,增加了战场复杂性。同时,基于智能技术,生成多样化的战术,使对手难以预测,提升了兵力运用的弹性。

3) 数字孪生技术将加快有人-无人机协同的战场应用。

利用数字孪生协同设计方式将改变现有装备的研发范式:目前主要是设计飞机,训练飞行员和研发装备;未来,研发工程师和作战使用人员将一起设计自主平台,一起训练,增加训练的可预测性,从而增加使用人员对自主系统的信任,加快自主系统的战场使用,从而加快了有人-无人机协同电磁频谱作战能力形成。

4 结束语

外军正用新型作战概念牵引有人-无人机协同电磁频谱作战样式发展。同时,通过发展无人僚机、自主技术、组网技术、信任度、数字孪生技术等,不断推进着有人-无人机协同电磁频谱作战能力的形成。应紧密跟踪了解掌握外军有人-无人机协同电磁频谱作战发展状况,加强对其作战效能、战术、规则、关键技术和发展趋势等的探索。■

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