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無人機蜂群攔截系統作戰構想與關鍵技術
來源:無人機集群
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作者:劉立章
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發布時間: 2021-05-08
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為有效應對敵可能發起的“飽和式攻擊”,提高重要軍事目標的防護能力,著眼無人技術的發展,首先,提出了無人機蜂群攔截系統的概念;隨后,介紹了系統設計,并針對敵可能的巡航導彈?無人機蜂群?炮彈等各類打擊,進行了具體的作戰構想設計;總結了無人機蜂群攔截系統構建運行的關鍵技術,包括無人機平臺研制?系統架構?集群感知與信息融合?集群控制與群體智能?任務規劃?蜂群投放及回收補充等,并就技術實現的可行性和相關問題進行了分析,為進一步深化研究奠定了基礎?
空飄氣球具有目標明顯?速度較慢等特點,可采取類似攔截炮彈的方法進行攔截?但由于空飄氣球可能數量多?成本低?易摧毀,可增編部分攻擊型無人機將更具經濟性?
4 無人機蜂群攔截系統關鍵技術及可行性分析
通過對無人機蜂群攔截系統構建的關鍵技術和可行性進行研究分析,可對系統構建和作戰運用提供相關理論支撐?
4.1 關鍵技術
無人機蜂群攔截系統構建需要在充分考慮可能面臨的來襲目標特點的基礎上,綜合運用一系列相關關鍵技術?這些關鍵技術主要包括平臺研制?系統架構?集群感知與信息融合?集群控制與群體智能?任務規劃?蜂群投放及回收補充等?
1)平臺研制
無人機平臺的研發和制造技術是無人機蜂群攔截系統實現的基礎?為實現攔截系統的有效運行,達成相應的作戰效費比,無人機平臺在研發和制造技術上需要具備以下條件?
一是先進的研發能力和制造工藝?敵攻擊武器和攻擊時間的不確定性,要求攔截無人機必須擁有良好的機動性和續航能力,從而能夠在預警空域長時間巡航,接到指令可快速完成機動和蜂群排列?因此,無人機平臺須能夠研發和制造出技術先進?工藝精良,在機動性?續航性?穩定性?耐用性方面達到相應要求的無人機,從而形成有效攔截能力?
二是足夠的生產能力和成本控制?由于攔截系統主要以蜂群組網,通過無人機自爆來攔截敵“飽和式攻擊”,無人機平臺必須能夠規模量產,且有效控制成本,確保達成相應的作戰效費比?
2)系統架構
無人機蜂群攔截是集巡航?偵察?攔截?控制等多種行動為一體的復雜任務,攔截系統必須進行科學的系統架構和高效的集群協同,以通過整體效能來應對高度對抗性?高度動態性?高度不確定性的戰場環境?根據系統作戰需求,攔截系統應具備偵察?攔截?反輻射?抗干擾?誘騙?自我補充等功能,以實現對來襲目標從發現?引誘到攔截的作戰全流程,以及自身防護和系統補充?為提高攔截系統的魯棒性和容錯性,可采取分布式人工智能系統中的多智能體系統(MAS)[6] ,該系統核心思想是“分而治之”,即將整個攔截系統分解為各個相對獨立的子系統,子系統之間通過相互協作完成高度復雜的攔截任務?
3)集群感知與信息融合
集群感知與信息融合是無人機蜂群攔截系統控制決策的重要依據?集群感知是指無人機蜂群基于機載傳感器(如多功能相控陣雷達),通過無人機之間相互協同以獲得更廣的探測范圍?更高的定位精度,主要包括對外部環境的協同觀測和無人機蜂群內部的互感能力?信息融合主要是指無人機平臺之間(如蜂群和蜂群之間,蜂群和地面指控系統?雷達探測系統之間等)通過數據鏈路傳遞和共享目標信息?平臺信息?情報指令等,進而獲得任務區域內準確?完整的全局信息,通常要求有可靠的通信中繼衛星?無線接入網和信息處理傳輸網絡?比如當無人機蜂群在預定任務區域待命預警時,地面雷達可提前將來襲目標的類別?數量?編隊形式?速度?方位?高度等基本信息共享傳輸給無人機蜂群?待來襲目標進入無人機蜂群探測范圍后,蜂群進一步協同測算和精確化其飛行信息,并將信息傳遞到控制終端,通過計算確定攔截無人機排列結構及引爆時間,最終完成任務?
4)集群控制與群體智能
集群控制與群體智能是無人機蜂群攔截系統成功運行的核心?無人機個體能力通常較弱,但通過借助蟻群算法(ACA/ ACO)?粒子群算法(PSO)等集群控制算法 ,無人機蜂群可集有限智能個體的協同合作為集體智能,實現自主編隊?分組避障,部分毀傷條件下重構編隊等功能?攔截系統中的無人機應遵循“精準?立體?快速?有序”的原則,在空襲目標來襲的路徑上按照某種排列方法展開形成空中攔截網,使攔截無人機的攔截效能最優化;當空襲目標變化飛行軌道時,攔截無人機蜂群通過自身探測系統?地面雷達和其他無人機群測算其空中實時軌跡,自主修正并快速編隊機動到相應位置;部分毀傷條件下,無人機群自主重構修補空中攔截網?
5)任務規劃
無人機蜂群攔截系統任務規劃是完成攔截任務的關鍵,主要指根據無人機性能?攔截任務和戰場環境等因素約束,為蜂群中的無人機進行任務規劃和組合優化,以避免資源沖突,實現整體協同和全局最優[12?13] ?如攔截無人機群應如何進行排列組合,實現攔截面積和攔截縱深的最大化;無人機蜂群根據偵察結果,如何進行任務的動態分配,實施干擾?誘導?攔截等;當來襲目標數量較多,如何進行任務規劃,實現攔截效果最大化等?
4 無人機蜂群攔截系統關鍵技術及可行性分析
通過對無人機蜂群攔截系統構建的關鍵技術和可行性進行研究分析,可對系統構建和作戰運用提供相關理論支撐?
4.1 關鍵技術
無人機蜂群攔截系統構建需要在充分考慮可能面臨的來襲目標特點的基礎上,綜合運用一系列相關關鍵技術?這些關鍵技術主要包括平臺研制?系統架構?集群感知與信息融合?集群控制與群體智能?任務規劃?蜂群投放及回收補充等?
1)平臺研制
無人機平臺的研發和制造技術是無人機蜂群攔截系統實現的基礎?為實現攔截系統的有效運行,達成相應的作戰效費比,無人機平臺在研發和制造技術上需要具備以下條件?
一是先進的研發能力和制造工藝?敵攻擊武器和攻擊時間的不確定性,要求攔截無人機必須擁有良好的機動性和續航能力,從而能夠在預警空域長時間巡航,接到指令可快速完成機動和蜂群排列?因此,無人機平臺須能夠研發和制造出技術先進?工藝精良,在機動性?續航性?穩定性?耐用性方面達到相應要求的無人機,從而形成有效攔截能力?
二是足夠的生產能力和成本控制?由于攔截系統主要以蜂群組網,通過無人機自爆來攔截敵“飽和式攻擊”,無人機平臺必須能夠規模量產,且有效控制成本,確保達成相應的作戰效費比?
2)系統架構
無人機蜂群攔截是集巡航?偵察?攔截?控制等多種行動為一體的復雜任務,攔截系統必須進行科學的系統架構和高效的集群協同,以通過整體效能來應對高度對抗性?高度動態性?高度不確定性的戰場環境?根據系統作戰需求,攔截系統應具備偵察?攔截?反輻射?抗干擾?誘騙?自我補充等功能,以實現對來襲目標從發現?引誘到攔截的作戰全流程,以及自身防護和系統補充?為提高攔截系統的魯棒性和容錯性,可采取分布式人工智能系統中的多智能體系統(MAS)[6] ,該系統核心思想是“分而治之”,即將整個攔截系統分解為各個相對獨立的子系統,子系統之間通過相互協作完成高度復雜的攔截任務?
3)集群感知與信息融合
集群感知與信息融合是無人機蜂群攔截系統控制決策的重要依據?集群感知是指無人機蜂群基于機載傳感器(如多功能相控陣雷達),通過無人機之間相互協同以獲得更廣的探測范圍?更高的定位精度,主要包括對外部環境的協同觀測和無人機蜂群內部的互感能力?信息融合主要是指無人機平臺之間(如蜂群和蜂群之間,蜂群和地面指控系統?雷達探測系統之間等)通過數據鏈路傳遞和共享目標信息?平臺信息?情報指令等,進而獲得任務區域內準確?完整的全局信息,通常要求有可靠的通信中繼衛星?無線接入網和信息處理傳輸網絡?比如當無人機蜂群在預定任務區域待命預警時,地面雷達可提前將來襲目標的類別?數量?編隊形式?速度?方位?高度等基本信息共享傳輸給無人機蜂群?待來襲目標進入無人機蜂群探測范圍后,蜂群進一步協同測算和精確化其飛行信息,并將信息傳遞到控制終端,通過計算確定攔截無人機排列結構及引爆時間,最終完成任務?
4)集群控制與群體智能
集群控制與群體智能是無人機蜂群攔截系統成功運行的核心?無人機個體能力通常較弱,但通過借助蟻群算法(ACA/ ACO)?粒子群算法(PSO)等集群控制算法 ,無人機蜂群可集有限智能個體的協同合作為集體智能,實現自主編隊?分組避障,部分毀傷條件下重構編隊等功能?攔截系統中的無人機應遵循“精準?立體?快速?有序”的原則,在空襲目標來襲的路徑上按照某種排列方法展開形成空中攔截網,使攔截無人機的攔截效能最優化;當空襲目標變化飛行軌道時,攔截無人機蜂群通過自身探測系統?地面雷達和其他無人機群測算其空中實時軌跡,自主修正并快速編隊機動到相應位置;部分毀傷條件下,無人機群自主重構修補空中攔截網?
5)任務規劃
無人機蜂群攔截系統任務規劃是完成攔截任務的關鍵,主要指根據無人機性能?攔截任務和戰場環境等因素約束,為蜂群中的無人機進行任務規劃和組合優化,以避免資源沖突,實現整體協同和全局最優[12?13] ?如攔截無人機群應如何進行排列組合,實現攔截面積和攔截縱深的最大化;無人機蜂群根據偵察結果,如何進行任務的動態分配,實施干擾?誘導?攔截等;當來襲目標數量較多,如何進行任務規劃,實現攔截效果最大化等?
