2019-22 年是無人機系統在戰斗空間中使用的轉折點,無人機系統本身已經轉變為混合形式。無人機的發展軌跡與有人駕駛飛機相同,只是速度更快、精度更高。無人機實際上已將有人駕駛飛機從偵察和監視任務中擠出,并正在增加其在打擊任務中的比例。無人機要有效執行防空任務仍需時日。在可預見的未來,最佳的解決方案是將有人和無人系統結合起來,直到技術能夠支持更好地理解態勢感知以及指揮和控制方面的問題。
2019-22 年是無人機系統在戰斗空間中使用的轉折點。2019 年 9 月 14 日,無人機被用來攻擊沙特阿拉伯阿美石油公司(Saudi Aramco)位于阿布凱克(Abqaiq)和胡萊斯(Khurais)的國有石油加工設施,打擊了占世界石油產量 5%的石油生產。幾個月后的 2020 年 1 月 3 日,伊朗將軍卡西姆-蘇萊曼尼(Qasem Solemani)在巴格達國際機場外被美國無人機(UAV)發射的武器暗殺。這兩個最近在西亞有效使用無人作戰系統的例子表明了任務的有效程度及其具有全球影響的戰略意義。2020 年下半年,在阿塞拜疆與亞美尼亞之間的納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭中,大量使用了無人駕駛系統來壓制一支強大的陸軍部隊。駐伊美軍多次遭到無人機襲擊,俄羅斯與烏克蘭的戰爭中也廣泛使用了無人機,這些都證明無人機已成為關鍵的作戰要素,盡管在過去四十年中,無人機一直在沖突地區零星使用。
下一代航空力量將圍繞無人駕駛系統展開,這些系統可以根據來自多個傳感器的輸入,考慮可能出現的情況,并思考最佳解決方案。戰斗將在計算領域進行,由信息提供所需的彈藥,引導機載武器攻擊所需的目標,并躲避攻擊目標的武器。與有人駕駛飛機一樣,該平臺必須具有多重冗余,并與其他平臺同步運行。
在未來的戰斗機概念中,有人-無人編隊與無人戰斗飛行器(UCAV)的組合都是其中的一部分。然而,雖然在設計和研究方面投入了大量精力,但加入 UCAV 是否能帶來更好的任務結果仍有待觀察。此外,理想的設計和作戰概念還存在很多不確定性。這項工作旨在通過解決所有三個要素來改變這種狀況。利用基于知識的工程學,設計了一套用于壓制和摧毀敵方防空系統的 UCAV。在參數研究框架內,使用基于智能體的建模方法進行了基于物理的戰斗模擬。結果通過任務有效性、生存能力、成本和致命性進行分析。采用現代戰術,將包含 UCAV 的編隊性能與不包含 UCAV 的編隊性能進行比較。結果表明,當 UCAV 作為大型載人編隊的一部分部署時,任務效果會有明顯改善。具有低可觀測性和平衡特定過剩功率的 UCAV 可實現最佳效果。作戰概念也有影響。與攜帶兩枚導彈的四架 UCAV 相比,攜帶四枚反輻射導彈的兩架 UCAV 的總體生存能力更高。總體殺傷力則相反。這些結果為 UCAV 的最佳設計和功能以及有人-無人編隊概念提供了寶貴的見解。
圖 2 - 框架描述,包括流程的各個步驟
自 20 世紀 90 年代初以來,無人戰斗飛行器(UCAV)已被證明是現代戰爭中不可或缺的資產。早在第一次世界大戰[2]時,第一批無人飛行器(UAV)就已投入實戰,而 “捕食者”、“死神 ”和 “全球鷹 ”等 UCAV 則徹底改變了現代戰爭。工程師和軍事決策者早就設想 UCAV 取代有人駕駛戰斗機[3],而技術進步也正朝著這個方向發展。
然而,洛克希德-馬丁公司(Lockheed Martin)等公司同時也在開發一種不同的 UCAV 概念。他們設想的系統將 “補充現有的有人和無人系統,而不是與之競爭”,并 “作為未來系統之系統的一個要素運行”[4]。他們在 1995 年描述的無人戰術飛機概念如今被稱為 “忠誠僚機”(Loyal Wingman)或遠程載機(RC)的 “有人-無人編隊”(MUM-T)。
將 UCAVs 作為大型系統的一個組成部分有多種優勢:
UCAV 可以接管危險任務,如壓制敵方防空力量,而有人指揮戰斗機則保持安全距離,從而降低飛行員和機體的風險。
UCAV 不受人類身體條件的限制,可以進行更難或更具挑戰性的機動,從而有可能獲得優勢。
UCAV 有望比有人駕駛飛機更便宜,因為它可能更小、更輕,設計服役時間更短,從而降低成本。
由于 UCAV 將與指揮戰斗機(CF)高度聯網,這一概念也帶來了額外的好處[5, 6]:
通過傳感器融合,UCAV 可以提高指揮戰斗機飛行員的態勢感知能力。
飛行員的工作量可以減少,從而提高他們的工作效率。例如,UCAV 可以應對空中威脅,這樣有人駕駛戰斗機的飛行員就可以專注于不同的任務,如提供近距離空中支援。
與 “捕食者 ”等無人機不同,像 “忠誠僚機 ”這樣的網絡化 UCAV 主要在原地控制,這樣指揮官就能直接目睹情況。這消除了許多技術和后勤方面的困難以及道德方面的擔憂。
認識到這些優勢后,許多國家已著手開發此類網絡化 UCAV 概念。著名的例子包括 Kratos Defense 公司的 XQ-58 Valkyrie 和澳大利亞波音公司的 MQ-28 Ghost Bat。如圖 1 所示,空中客車公司也提出了 MUM-T 的愿景。
圖 1 - 空客公司開發的網絡化 UCAV 效果圖
雖然為開發這些概念做出了巨大努力,但目前只有少數飛行原型。僅有的幾個原型機還處于測試的早期階段。因此,還沒有(公開的)概念證明。出版物通常側重于實施 MUM-T 的 “較小 ”方面。例如控制算法[7]、決策[8]或 UCAV 本身的設計[9]。然而,正如其他文章[10, 11]所述,要評估任何與動態環境交互的系統的有效性,都必須進行全面的系統(SoS)分析,因為 “突發行為”(Emergent Behaviors)在整體性能中發揮著重要作用。在 MUM-T 的背景下,已有此類系統分析的實例[12-14],但保真度較低,與飛機設計方面的聯系甚少。Wei?、Haindl 和 Gr??el 發表了一篇引人注目的文章。該小組將基于代理的建模應用于一個作戰場景,并得出結論認為,包括 UCAV 在內可實現 “力量倍增”[15]。然而,為了驗證 MUM-T 的概念,并更深入地了解新出現的行為,還需要更多的定量數據。UCAV 的加入是否會帶來更好的任務結果還有待觀察。此外,使用 UCAV 的 MUM-T 是否能帶來其所承諾的優勢也有待證明。最后,目前仍不清楚這種 UCAV 應該是什么樣子,也不清楚應該如何使用才能產生上述優勢。本文旨在填補這一研究空白。此外,本文還試圖深入探討網絡化 UCAV 的 “最佳 ”設計和要求及其作戰概念(CONOPS)。本文根據已確定的研究空白確立了一個主要研究問題,旨在提供概念驗證。
問題 1 加入 UCAV 對攻擊機群的效能有何影響?衍生出與 UCAV 設計和使用相關的次要研究問題,即
問題 2 針對特定作戰任務,網絡化 UCAV 的最佳設計是什么?
問題 3 使用網絡化 UCAV 的理想戰術是什么?
為回答這些問題,將采取以下步驟:
上述步驟中沒有一個是未有的。但是,在公開文獻中還沒有發現將各個步驟結合起來的方法。此外,這種方法還未被應用于僚機概念、遠程載具或有人無人編隊(MUM-T)的分析。因此,本文提出了一種新穎的方法,用于設計和評估作為大型異構系統要素之一的新型飛機配置。
概述的步驟形成了一個框架,可用于各種系統的系統分析。該框架如圖 2 所示。之前也有人提出過類似的框架[17],特別是針對城市空中機動[18-20]和空中野火撲救[21, 22]的使用案例。它還被應用于軍用飛機設計 [23, 24]。
上文概述的步驟也是第 2 節的結構,該節涵蓋了方法論。第 3 節介紹結果。第 4 節詳細介紹了從結果討論中得出的結論,并對之前確定的研究問題給出了答案。
盡管當代無人系統在各種環境中都有應用,但它們在空域中占據著壓倒性的優勢。它們通常被稱為空中無人機或無人駕駛飛行器(UAV),而支持和控制無人機的系統則被稱為無人機系統(UAS)。空中無人機技術的廣泛應用導致其在戰場上的使用日益增多。因此,尋找有效的反無人機(反無人機系統)武器已成為一項嚴峻的挑戰。這項任務尤為艱巨,因為面對的是種類繁多的無人機系統,而它們的數量卻在以破紀錄的速度增長。目前,還沒有經過充分驗證的反無人機解決方案,大多數現有系統仍處于研究階段或新推出的原型階段。新出現的問題以及與之相關的一系列不確定性成為本出版物討論和介紹這一問題的基本依據。本文從現代戰爭的角度討論了防御無人機系統這一重要課題。作者探討了如何在軍事行動中規劃和實施反無人機防御,以及哪些技術解決方案可用于這一目的。在整個研究過程中,作者采用了各種方法,包括分析、綜合、比較和案例研究,主要是通過研究有關納戈爾諾-卡拉巴赫近期武裝沖突和烏克蘭持續沖突的公開來源信息。這些方法使作者得以驗證他的主要假設:目前尚無有效的無人機反制系統,尤其是針對可自主運行、利用人工智能算法制導和決策或參與大規模攻擊(被稱為 “蜂群”)的無人機。同時,指出應開發哪些新的技術解決方案以實現有效的反制措施,以及應將哪些戰術納入軍事訓練以應對這一威脅。此外,還討論了現有防空系統在多大程度上可用于反無人機防御,以及是否有針對此類威脅的有效部隊保護方法。
從納戈爾諾-卡拉巴赫沖突(Hecht,2022 年)和烏克蘭沖突(Wyrwa?,2022 年)得出結論,無人機在戰場上的廣泛應用已成為現實,無需再做說服工作。無人機不僅能執行觀察和偵察任務,還能執行打擊、運輸、搜索和救援行動等許多其他任務,顯示了其多功能性。目前,看到的無人機既有單個的,也有成群的,還有像可重構模塊智能作戰陣列(SWARM)這樣的機群。此外,大多數無人機的生產成本非常低,但其效能卻足以成功摧毀高價值目標和先進軍事裝備。無人系統的任務和設計多種多樣,因此需要有效的制衡措施,包括反無人機系統和反無人機防御方法。在這方面,研究課題的重點是反無人機防御,即一套旨在探測、識別和制服無人機(無人駕駛航空系統)的措施和作戰能力,以保護自己的部隊、軍事設施和民用物體。
由于現有的無人機設計種類繁多,因此采用了歸納法來確定具有代表性的無人機類型、任務和飛行特征。為此,采用了北約三級分類模型。隨后,可據此估算現有反無人機系統在打擊特定類別無人機方面的潛在效力。為此,對目前運行的反無人機系統進行了分析,同時考慮到其兩個主要功能:監測空域和打擊空中目標。因此,確定了這些系統在打擊無人機方面的能力和局限性。研究再次證實了作者的觀點,即當代反無人機系統能夠在有限的范圍內制服 1 級無人機,即迷你、微型和小型無人機。遺憾的是,這些系統無法同時對付大群無人機及其蜂群。目前,也沒有專門的反無人機系統可以對付 2 級和 3 級無人機。這些任務只能由防空系統來完成,而防空系統的成本巨大,往往高得不成比例。為尋求這一問題的解決方案,作者介紹了未來利用定向能武器(DEW)的反無人機系統的潛力,以及在推出更有效的反無人機系統之前應采用的新軍事戰術。作者還主張,有效的反無人機防御必須是多層次的,涉及可與不同類別無人機互動的各類反無人機系統。只有這些系統達到適當的飽和狀態,才能使軍隊在陸地和海上不間斷地執行任務。他還認為,反無人機防御的發展應被視為一個持續的過程,在這一過程中,應針對環境變化和新技術進步做出動態響應。換句話說,所提出的系統解決方案應具有開放式架構,允許在無人機平臺出現新設計、新技術和新能力的情況下進行調整。
現代戰爭中使用的無人飛行器設計多種多樣,因此在構建和運行反無人機系統時必須考慮各種因素。其中,應始終考慮無人飛行器的以下特征:推進力、有效雷達截面、制導方式、作戰上限、飛行距離、空中續航時間、預期目的、作戰能力(包括收集情報、攜帶和發射有效載荷的能力)以及電磁干擾對策。
圖 2. C-UAS 參與中考慮的無人機系統特征。
反無人機系統的運作包括以下活動:探測、目標分類(識別)、跟蹤,以及向負責解除其威脅的執行器發出警報和傳送信息。根據目標的類別,這些任務可通過不同的系統、傳感器、探測和交戰技術來完成。目前,反無人機系統可分為兩個基本類別:空域監測系統和反制系統。
監測系統既可以是主動的,也可以是被動的。在這方面,主要有四種無人機探測方法:
現代無人機大多由復合材料制成,因此雷達截面(RCS)非常低,難以被雷達系統探測到。它們可能被誤認為是鳥類,因為無人機通常沒有配備識別系統,而這種設計是有意為之,因為無人機經常在敵方領土上空作業。因此,雷達信息并不總是完整的,可能導致嚴重的并發癥,特別是當友方和敵方的無人機在同一空域運行時(Holland Michel,2019 年)。此外,無人機(UAV)的飛行高度比飛機或直升機低得多,在地形障礙物的掩護下機動更加自如。無人機能夠從簡易跑道和著陸點進行操作,在附近發射時,它們會突然出現在空域。所有這些因素表明,雷達偵察只能作為探測無人機的可能方法之一。
以識別為基礎的反無人機系統應依靠多種探測器或傳感器,基本上是各種組合和配置。其中一種傳感器是頻率信號探測器,可識別使用無線電波與其操作員通信的無人機。大多數遙控無人機的工作頻率在 2.4 GHz 至 5.8 GHz(Wi-Fi 頻率)范圍內(Gupta、Ghonge、Jawandhiya,2013 年),因此監測這些頻率有助于檢測其活動。一些基于三個傳感器的系統可以檢測到發射設備的 IP 地址并找到操作者。另一種無人機探測方法是跟蹤其視頻傳輸頻率。許多裝有攝像頭的無人機會向操作員傳輸實時視頻。視頻傳輸頻率因無人機類型而異,但常用的頻率范圍包括 2.4 GHz、1.2 GHz 和 5.1 GHz(Aouladhadj、Kpre、Deniau、Kharchouf、Gransart、Gaquière,2023 年)。掃描無線電頻譜是一種相對簡單的方法,不需要大量資金投入,但可能會因其他設備使用相同頻率而導致誤報。頻率信號探測器通常用于對付在可視范圍內控制的小范圍商用無人機。該系統的優點是被動性強,但在無線電信號高度集中的城市環境中進行跟蹤存在局限性,而且無法探測到預先計劃好飛行軌跡的無人機。
使用聲學傳感器也可以實現無人機探測。這些傳感器通常是定向麥克風或麥克風陣列,可以探測到無人機的聲音,并指示無人機接近的方向。與頻率信號探測器類似,使用至少三個麥克風是理想的配置,因為這樣可以提供被探測目標的三維圖像。這種系統的優勢在于它是一種被動探測方法,在視覺和無線電能見度有限的地區特別有用,而且可以與其他探測系統互為補充。由于麥克風設備重量輕,這些探測器通常具有很強的移動性。然而,聲學傳感器的一個重要局限是無法在嘈雜的環境(如城市地區或強風中)中工作,這可能導致探測距離有限,僅為 300-500 米左右(Vashisht,2021 年)。此外,一些無人機可能配備了降噪技術,在使用聲學探測器時應考慮到這一點。因此,應將這些探測器視為輔助系統,而不是獨立的解決方案。
光學傳感器,包括日光攝像機和紅外攝像機,也可用于識別空中無人機。這些設備的優點是可以根據無人機的形狀檢測和識別無人機,并記錄涉及無人機的事件。然而,這些系統的缺點是在惡劣天氣條件下可能會失效,如大霧、暴雨,有時甚至在夜間。此外,這些系統觀測空域的視野有限。
應將不同的傳感器和監測技術結合起來使用,以提高無人機探測的有效性并減少誤報。監測系統可以具有被動(觀察和監聽)和主動(向目標發送信號并分析其反射)兩種特性(Wang、Song、Liu,2021 年)。值得注意的是,與其他傳感器相比,雷達系統提供的數據最多,因為它可以探測到很遠距離的目標,并高精度地確定其位置,而不受天氣條件(霧或云等觀測因素)、白天或夜晚時間的影響。不過,應該記住,雷達系統的探測距離始終取決于無人機的大小及其有效雷達截面。
打擊空中無人機有幾種方法。以下系統可用于此目的:
干擾系統的使用涉及破壞射頻(RF)信號和干擾全球導航衛星系統(GNSS)的衛星導航信號,如全球定位系統(GPS)、格羅納斯(GLONASS)、伽利略(Galileo)或北斗(BeiDou)。射頻干擾需要發射無人機與其操作員之間用于通信的類似頻率的信號。這可能導致操作員失去控制,使無人機無法正常運行,被迫自動降落或返回初始起飛點。無人機通常依靠衛星導航信號來保持飛行方向和穩定性。干擾 GPS 信號可以通過在 GPS 系統使用的頻率范圍內發射強烈的無線電信號來實現。其后果可能是無人機在空域中迷失方向,失去飛行控制。頻率發射器操作的優點是中和無人機的成本低,被稱為 “軟殺傷”,缺點是射程短,可能干擾其他設備,包括自己的無人機。
對付無人機的另一種方法是使用物理攔截系統。在這種情況下,通常會使用地面網狀發射器,以便攔截飛行中的無人機并使其失效。另一種方法是使用其他無人機接近目標無人機,用網捕捉它,然后將其降落到地面。這種解決方案對配備旋轉螺旋槳、運行距離極短的小型無人機尤為有效。地面發射的網在 20 米到 300 米的距離內都有效(Robin Radar,2023 年),而從無人機上布下的網會大大影響無人機的重量、機動性和空中飛行時間。裝有發射器或布設網的無人機的重新裝載和重新發射時間也很長。不過,網基系統的優點是攔截精度高,附帶損害風險低。
最后一種也是最常用的在戰場上打擊無人機的方法是無人機失效,即在飛行過程中摧毀無人機。為此,通常使用機槍、霰彈槍或小口徑速射炮(火炮),它們也可用作高射炮系統。這種火力可以是目視、光學或雷達制導的。此外,就短距離快速摧毀小型空中目標的能力而言,反火箭炮和迫擊炮(C-RAM)系統似乎是理想之選。它們采用半自動作戰模式,由于使用可編程彈藥,擊中目標的概率很高。在火力系統中,還可使用便攜式單兵防空系統(MANPADS)和短程防空導彈系統(Dura,2023 年)。然而,必須注意使用這些系統的成本效益,尤其是在對付裝備旋轉翼的 I 類無人機時。這些無人機的生產成本與向其發射導彈的潛在成本相比低得不成比例。此外,這類無人機的飛行特性,如低速和低空,使其容易成為目標,并容易受到廉價、非專門化火力的攻擊。
在直接使無人機在飛行過程中喪失能力的系統中,最新的解決方案是基于定向能武器(DEW)的武器,這種武器利用光束聚焦能量。其中包括高功率微波(HPM)武器或高能激光(HEL)武器。高功率微波發射器(HPM)能產生強大的電磁脈沖,可摧毀無人機的電子設備或干擾其運行。使用這類武器的優點是非動能破壞。然而,其顯著缺點是需要將大量能量集中在光束中,因此必須使用大型、耗電的發電機,這限制了機動性和作戰能力(美國政府問責局,2023 年)。
高能激光武器(HEL)有多種類型,包括固體激光器(SSL)、化學激光器(CHEL)和自由電子激光器(FEL)。激光武器的工作原理是將電能轉化為光能,然后將光能集中到窄激光束中。與傳統槍械相比,HEL 具有若干優勢。它具有反應時間快、交戰速度快(激光束以光速傳播,可立即使目標喪失作戰能力)、因光束聚焦在較小的表面區域而具有較高的精確度、與傳統彈藥相比成本較低、無活動部件,從而降低了維護成本并提高了可靠性(CRS,2023 年)。
然而,值得注意的是,HEL 武器的開發和利用也伴隨著技術挑戰和限制,如激光系統的有效冷卻、在整個作戰范圍內保持光束穩定、產生足夠強大的光束以打擊遠距離空中目標,以及與 HPM 武器類似,使用機動性有限的大型發電機(D?browski,2017 年)。
說到對抗空中無人機,重要的是要注意沒有 “銀彈 ”方法能提供有效的無人機防御。無人機平臺的多樣化及其執行任務的廣泛性要求反無人機系統進一步專業化,同時利用動能和非動能作戰手段。目前,這些方法的結合以及采用具有不同探測和失效能力的系統的多層次方法可以在一定程度上減輕無人平臺(尤其是最小的無人平臺)帶來的威脅。然而,不幸的現實是,雖然這些系統能有效對付極小型無人機,但卻無法摧毀在高空和遠距離作業的二等和三等無人機。此外,由于缺乏多通道能力,在涉及大群無人機或無人機群的情況下,這些系統可能會失效。即使是最有前途的無人機反制措施,也無法在廣泛的作戰平臺上進行擴展和應用。盡管缺乏明確的解決方案,無人機反制市場仍在快速增長(預計到 2031 年底,市場價值約為 146 億美元)(Alied Marked Reserch,2023 年)。
在考慮應對無人機威脅的可能方法時,有必要討論目前的情況,即很難有經過實戰測試的反無人機系統。在大多數情況下,民用系統是經過改裝的,最初是為了保護機場免受私人用戶未經授權的進入,這些私人用戶通常在機場可視范圍內操作無線電遙控無人機。遺憾的是,如前所述,這些系統由于機動性有限、操作距離短,在作戰環境中通常無法發揮作用。同樣,手持射頻干擾器等便攜式系統也證明無效。其最大干擾范圍為 500-1000 米,電池壽命最長為 30 分鐘。人們很快認識到了這些局限性,因此開始實施在干擾設備射程之外部署無人偵察機的戰術。目前,偵察無人機通常在距離敵方陣地超過 1000 米的地方作業,并采用光學或數字變焦技術進行觀察。此外,烏克蘭沖突中的經驗表明,無人機操作員在野外使用信號增強天線,使干擾工作更加復雜。另一方面,衛星導航(GPS)信號干擾系統只有在選擇性戰術情況下才有效,這意味著它們可以在敵方無人機系統不使用時干擾敵方無人機行動。因此,這些系統更適用于保護城市和關鍵基礎設施,而不是直接用于戰場。同樣,干擾作戰無人機也具有挑戰性,因為無人機飛行高度很低、速度很快,而且利用地形掩護,因此很難將電磁發射器對準它們(Wyrwa?,2022 年)。
戰場上解除無人機威脅的主要手段是火炮和導彈防空系統。但需要注意的是,根據其使用原則,這些系統都部署在軍事行動的后方。因此,前線防線仍然很脆弱,容易受到無人機的攻擊,特別是那些在極低空飛行的最小的 1 類無人機。在這種情況下,對付它們的方法之一是用小口徑單兵火器(小武器、機槍、霰彈槍)與之交戰。然而,由于無人機體積小、速度快、機動性強,這種交戰的效果有限。目前,還可以使用由佩戴護目鏡的操作員控制的第一人稱視角(FPV)無人機,從無人機的視角直接觀察敵方最小的無人機,從而使其失效。FPV 無人機的時速可達 100 公里,可用于直接(自殺式)攻擊敵方無人機。不過,使用這種無人機需要經過嚴格訓練的操作人員,具備在戰場條件下高速操縱這種飛行器的能力。
不過,摧毀 2 級和 3 級無人機的能力仍在專業防空系統的能力范圍之內。遺憾的是,這類措施的成本效益通常不利于防御系統。傳統的中程甚至短程防空導彈非常昂貴,而無人駕駛系統則價格低廉,應用廣泛。相比之下,一枚 “愛國者 ”導彈的成本約為 300 萬美元,一枚用于基輔防御的 NASAMS/AMRAAM 導彈估計為 100 萬美元(Partrige, 2022),而俄方使用的沙赫德-136 “神風 ”無人機的成本(視型號而定)僅為每單元 2 萬至 6 萬美元(Sof, 2022)。
此外,使用無人機群或無人機群的性質要求防空系統達到相當高的飽和度,以保護軍事編隊的優先要素。另一個問題是識別無人機的能力,因為無人機被有意設計為在敵后行動,而且沒有配備敵友(IFF)識別系統。由于這些原因,遵守空域管制規則和執行空域管制措施也具有挑戰性。因此,有必要開發一些系統,如利用人工智能(AI)的系統,可以根據無人機的輪廓、特定偽裝、工作頻率或操作方法識別無人機。
目前,由于缺乏有效的反無人機措施來保護部隊,因此有必要制定反無人機戰術(Michalski & Michalska, 2017)。這些戰術不僅應包括主動措施,如探測、偵察、警戒和制服無人機,還應包括被動防御措施,旨在保持軍事力量的生存能力和存活率。在被動反無人機防御領域,必須規劃隱蔽和偽裝等活動,使用欺騙、人工誘餌、陷阱和誘餌。應盡可能將無線電波輻射、電磁輻射和噪音降至最低。在能見度低或夜間條件下規劃部隊調動和部署至關重要。采用分散兵力和防御網絡有助于攔截在友軍陣地和關鍵作戰系統上方執行神風特攻隊任務的游蕩彈藥和無人機(ATP 3-01.81, 2023)。雖然這些措施可能不是最具創新性的,而且在某種程度上與偽裝和部隊保護的一般原則相一致,但在無人系統威脅很大的情況下,這些措施可能特別有用。
最近在烏克蘭、納戈爾諾-卡拉巴赫、敘利亞和利比亞發生的沖突展示了無人機系統(UAS)的多功能性,參與沖突的各方都大量使用了無人機系統。無人機系統提供了精確的情報、電子戰(EW)能力、通信、精確目標捕獲(TA)、近距離空中支援(CAS)、空中攔截以及精確的打擊后戰損評估(BDA)。無人機系統的擴散正在不斷增加。如今,這項技術已不再是富裕國家的專利,因為 "許多發展中國家因財政負擔過重而無法配備航空人員,只能依靠無人機系統作為現成的空軍力量"(Jovanov 2022, 5)。與技術先進的現代飛機相比,無人機系統的采購和運營成本低、續航時間長、操作人員培訓成本低。本文旨在概述采用多功能的無人機系統,可如何促進指揮官執行行動和完成指定任務,從而通過所有作戰功能提高單元的能力。
在需要做出重大決策的關鍵系統中,通常無法實現或不希望實現完全自動化。相反,人類-人工智能團隊可以取得更好的效果。為了研究、開發、評估和驗證適合這種團隊合作的算法,有必要建立輕量級實驗平臺,實現人類與多個智能體之間的互動。然而,此類平臺在國防環境中的應用實例非常有限。為了填補這一空白,我們提出了 Cogment 人機協同實驗平臺,該平臺實現了以異構多智能體系統為特征的人機協同(HMT)用例,可涉及學習型人工智能智能體、靜態人工智能智能體和人類。它建立在 Cogment 平臺上,已被用于學術研究,包括在今年的 AAMAS 的 ALA 研討會上展示的工作。希望通過這個平臺,進一步促進關鍵系統和國防環境中的人機協作研究。
圖 1:該圖顯示了 Cogment HMT 實驗平臺的主用戶界面。左側帶帽的圓圈是由五個藍色智能體組成的團隊防守的禁區。右側的單個紅點是無人機攻擊者。
嵌入式人工智能體,如無人駕駛飛行器(UAV,或無人機),有可能徹底改變各行各業,包括交通、農業和安防。然而,這些智能體在物理世界中發展,因此可能會產生危險影響,尤其是在無人監管的情況下。例如,無人機可能會出現故障或無法識別潛在危險,從而造成財產損失甚至人員傷亡。此外,智能體可以根據算法做出決策,而算法可能不會考慮倫理、道德或法律方面的影響。因此,人類必須有能力對這些智能體進行有意義的控制[2]和監督,以確保它們的安全和負責任的使用。人類操作員可以監控和干預系統故障,評估潛在風險,并在需要其判斷的復雜情況下做出道德或法律決定。
除了監督,人類還可以通過協作在幫助智能體實現任務方面發揮關鍵作用。例如,對于無人機,控制中心的人類操作員可以提供實時指導和支持,確保無人機準確、高效地執行所需的功能。此外,人類還可以在現場充當隊友,與具身的人工智能體并肩作戰,實現既需要人類判斷又需要機器精確度的復雜目標。
此外,必須認識到,人機協作(HMT),即人類與具身智能體建立雙向協作的能力,是安全有效使用人工智能的一個關鍵方面。這類人工智能體的設計、訓練、驗證和操作不能孤立地進行,必須考慮它們如何融入包括它們在內的更大系統中。人類,尤其是作為操作員或隊友的人類,從一開始就應被視為該系統不可分割的一部分。
除了這種雙向協作之外,具身人工智能系統在運行過程中往往沒有考慮到 “道德責任 ”和 “社會技術 ”因素[2]。有意義人類控制(MHC)的概念是由 Santoni de Sio 和 van den Hoven 提出的,目的是讓人類能夠影響具身人工智能體的行為[3]。然而,MHC 的原始定義并不一致,因為人類可能缺乏專業技能或知識,無法完全有效地控制人工智能系統。Cavalcante Siebert 等人[2]提出了四個附加屬性來改進 MHC 的原始定義:“明確的道德操作設計領域”、“適當且相互兼容的表征”、“控制能力和權限 ”以及 “人工智能與人類行動之間的明確聯系”。因此,至關重要的是設計一個協調平臺,將有意義的人類控制和人類在環相結合,以確保人工智能系統的訓練和操作方式符合人類價值觀、社會規范和道德行為。
Cogment HMT 提供了一個設計和實驗人機團隊的平臺,尤其是涉及無人機的人機團隊。它以我們的 Cogment [4] 平臺為基礎,解決了協調自動決策系統(包括人工智能體)、人類之間的協作及其對數據的訪問和對環境的影響等難題。Cogment HMT 實驗平臺目前使用一個模擬環境,可以很容易地進行調整,以適應更真實的模擬和現實世界的部署。我們將在第三節介紹該平臺及其特性。
利用 Cogment HMT 實驗平臺,人工智能從業者可以開發出能夠與人類協同工作的智能體,并從人類的知識和期望中學習,同時考慮有意義的人類控制、信任和認知負荷管理等因素,實現有效的雙向人機協作。我們將在第四部分介紹早期成果。
水下監視技術出現于冷戰時期。該技術解密后,學術界對其進行了深入研究,并取得了諸多進展。無人潛航器(UUV)的開發就是海洋領域的進步之一,它能夠增強作戰能力,同時降低人類生命危險。雖然這項技術已經商業化,但在海軍中的應用卻很有限。其有限的發展主要是由開發商和資助他們的政府推動的。然而,由于這項技術能為軍隊帶來諸多好處,因此需要盡快將其納入海軍。這實質上意味著,要想在海軍使用/應用中獲得更多認可,就必須將該技術融入海軍。反過來,這就需要回答許多問題,了解事實,以增強對該技術及其潛力的信心。因此,本文討論了其中一些有助于彌補知識差距的問題,以促進未來海軍對 UUV 技術的接受和應用。雖然本文試圖提供全面的答案,但這些答案并不完整,只能作為討論的起點。就目前而言,技術是存在的,但缺乏想象力卻阻礙了其使用。
圖 2 已詳細說明了 UUV 在軍事領域可發揮的廣泛作用,在此,將討論每種作用的可能任務概況。迄今為止,已知美國、俄羅斯和中國等國家運營著大量不同大小和形狀的軍用 UUV。圖 3 顯示了美國部分軍用 UUV 的范圍,圖 4 顯示了其他國家部分軍用 LDUUV 的范圍。
(a) 情報、監視和偵察。從海洋中收集關鍵的電磁和光電數據將有助于擴大被拒地區的信息范圍,特別是常規平臺無法進入的淺水區。UUV 可以輕松進入這些區域,提供所需的信息。
(b) 海洋學。為了在極端的海洋環境中實現更高的可操作性,必須收集實時情報數據并提供給操作人員,以便在進攻時更好地制定計劃。出于 "用戶舒適度和安全性 "的考慮,載人平臺收集此類數據的能力有限,因此無人平臺和固定平臺被認為是未來的一種可能(Agarwala,2020 年)。
(c) 通信/導航網絡節點(CN3)。通過在有人和無人平臺之間提供一個閉環網絡,CN3 系統有助于為水下平臺提供更強的連接性和控制性,否則這些平臺就必須浮出水面以刷新其全球定位系統進行導航。這樣的通信網絡可提高無人潛航器的安全性和控制能力,同時幫助它們在不被探測到的情況下輕松、長時間地開展 ISR 活動(Munafò 和 Ferri,2017 年)。
(d) 反水雷措施。為確保港口和航道可供軍艦安全作業,并確保敵方類似港口和航道無法使用,最簡單的進攻方式就是布設 "水雷"。為了在不危及人命的情況下做到這一點,UUV 得到了有效利用。在任何平臺上使用無人潛航器,都能提高在敵方水域布設水雷和在己方水域清除水雷的效率,從而無需依賴專門的掃雷艇。
(e) 反潛戰。為了 "遏制 "在狹窄水域、咽喉地帶或艦隊附近活動的潛艇,UUV 可以發揮巨大作用。在此過程中,UUV 可以為載人平臺提供必要的安全保障,同時限制敵方潛艇的行動。
(f) 檢查/識別。為了對船體、碼頭和停泊區及其周圍的密閉空間進行快速搜索,以排除反恐方面的顧慮,并確保在必要時進行爆炸物處理,UUV 可以得到廣泛而有效的使用。這些努力將確保港口、航道和泊位的安全。
(g) 有效載荷交付。由于無人潛航器難以被探測到,而且可以在淺水區輕松作業,因此可用于秘密投放有效載荷。這種有效載荷可以是敵后補給品,也可以是摧毀敵方資產的彈藥。
(h) 信息作戰。由于 UUV 體型小,在淺水區也能輕松運作,因此是收集信息的有力平臺。此外,它們還可用作誘餌和通信網絡干擾器。
(j) 關鍵時刻打擊。能夠及時精確地投放彈藥并最大限度地減少敵方的反應時間是一項關鍵活動。用無人潛航器投放彈藥時,可將其投放到離海岸較近的地方,確保縮短敵方的反應時間。這種行為還有助于避免暴露大型有人駕駛平臺的位置,以免遭報復性打擊。
無人駕駛飛行器(UAV)俗稱無人機,目前被廣泛用于邊境監控、空中偵察、交通管制和武裝沖突中的軍事干預等行動。盡管人的因素在編程和控制方面仍起著至關重要的作用,但這些飛行器有望成為可靠、自動、有時甚至自主的機器。無人機在誕生之初,結構復雜,體積龐大,只屬于技術先進的軍事強國的專屬俱樂部。它們往往用于對付技術薄弱的軍事目標定位。現在,無人機在價格、尺寸和先進性方面的發展使幾乎任何人都能購買無人機。這些當代機器通常體積較小,而且隨著人工智能(AI)的使用越來越多,其成本和使用范圍幾乎可以覆蓋所有作戰人員。因此,有必要重新思考使用它們的戰略和戰術。這些 "微型無人機 "很少具備 "傳統 "無人機的復雜性和能力,但它們確實有能力提供大量資產,并不斷增強能力。雖然它們可能不具備大型無人機的起重能力,但它們可以經濟地大規模使用,因此可以產生不同但同樣有效的結果。本文研究了蜂群及其相關能力,它們不僅能壓倒戰斗機,還能通過遍布蜂群的額外傳感器帶來額外功能。因此,復雜的人工智能為無人機群提供了各種類型的功能:例如,假人/曳光無人機、動能和非動能攻擊無人機、監視無人機,以及可配備無線接入點并部署為特設飛行網絡的無人機。本文還探討了無人機/無人駕駛飛機的類別和自主性,以及如何利用自主性和蜂群智能(SI)為各種作戰概念創造效率。
目前正在考慮采用各種類型的制空系統,使軍事力量能夠從空中(以及海上、地面和太空)長時間控制一個地區,并阻止敵人的移動和機動。無人作戰飛機按其運行模式可分為兩類:巡飛型和蜂群型。
目前正在考慮的系統是標準的武器化無人機系統或裝有成像傳感器的小型消耗性巡飛武器,如低成本自主攻擊系統(LOCAAS)。低成本自主攻擊系統以 "智能彈藥 "武器群的形式運行,可自主搜索和摧毀關鍵的移動目標,同時瞄準廣闊的作戰區域。除了傳感器的自主性,蜂群無人機還需要具備自我導航和自我定位的能力,以便有效地收集圖像和信號。
正如廣泛記載的那樣,巡飛彈藥是一種武器系統類別,彈藥在目標區域周圍巡飛一段時間,搜索目標,一旦發現目標就發動攻擊。對于短時間內出現的隱蔽或隱藏目標,巡飛彈藥可以實現更快的反應時間,而無需將高價值平臺置于目標區域附近,并且由于可以中止實際攻擊任務,因此可以實現更有選擇性的目標定位。巡飛彈藥介于巡航導彈和無人戰斗飛行器之間,具有兩者的共同特點。它們與巡航導彈的不同之處在于,巡航導彈被設計為在目標區域周圍相對較長時間的巡飛,而巡飛彈藥與無人戰斗飛行器的不同之處在于,巡飛彈藥的目的是在攻擊中使用,并帶有內置彈頭。
無人機在世界各地的廣泛使用是顯而易見的,但如果能夠使用這些系統組成的蜂群協同作戰以實現共同目標,將對國防和安全大有裨益。蜂群技術是指協調使用不同類型、不同 "智能"、不同大小和不同能力的無人機,使其能夠統一行動。使用蜂群技術,將眾多無人機用于一個目的,越來越受到人們的關注。蜂群可以降低運營成本,提高系統效率,并增強許多領域的復原力。
無人機蜂群有額外的通信需求。有效的分布式行動需要一個戰場網絡,用于無人機之間的通信,以分配傳感器目標和優先級,并將飛機定位到需要的位置。雖然操作員需要看到傳感器和飛機群,但必須將對許多在戰斗中作業的無人機的人為監督減少到最低限度,以執行電子戰。自動目標定位將把主動權移交給自主無人機,而一個強大的抗干擾通信網絡可以防止敵方干擾、捕獲和篡改數據,是無人機蜂群作戰的重要推動因素。
美國國防大學的 Kallenborn(2018)將無人機蜂群技術定義為無人機根據共享信息自主決策的能力。這有可能徹底改變沖突的態勢。事實上,無人機蜂群在國家和國土安全的幾乎每個領域都有重要應用。無人機蜂群可以在海洋中搜索敵方潛艇,也可以分散在大片區域,識別并消滅敵方地對空導彈和其他防空系統。無人機群甚至有可能成為新型導彈防御系統,攔截來襲的高超音速導彈。在國土安全方面,配備有化學、生物、輻射和核(CBRN)探測器、面部識別、反無人機武器和其他功能的安全蜂群可抵御一系列威脅。此外,它們還可在攻擊模式下用作其中某些場景的載體。
McMullan(2019)認為,蜂群無人機有不同的形狀和大小。例如,美國國防部高級研究計劃局(DARPA)一直在開展一項名為 "小精靈"(Gremlins)的計劃;這種微型無人機的大小和形狀與導彈相當,可從飛機上投放,在廣闊的區域內執行偵察任務。另一類是較大型的 XQ-58 Valkyrie 無人機(長 8.8 米)。
圣迭戈的一家名為 Kratos Defense & Security Solutions 的公司生產兩種噴氣式自主無人機:UTAP-22 Mako 和 XQ-58 Valkyrie,它們將與有人駕駛戰斗機合作,成為人類飛行員的 "忠實僚機"。它們可以攜帶精確制導炸彈和監視設備。
DARPA 于 2016 年啟動的 OFFSET-計劃(OFFensive Swarm-Enabled Tactics)設想未來的小單元步兵部隊使用由多達 250 個以上的小型無人機系統(UAS)和/或小型無人地面系統(UGS)組成的蜂群,在復雜的城市環境中完成各種任務。通過利用和結合蜂群自主和人-蜂群協同的新興技術,該計劃旨在實現突破性能力的快速開發和部署。OFFSET 的目標是提供快速生成蜂群戰術的工具,評估這些蜂群戰術的有效性,并將最佳蜂群戰術整合到實戰行動中。OFFSET 將開發一個積極的蜂群戰術開發生態系統和支持性開放系統架構,包括
先進的人類-蜂群界面,使用戶能夠同時實時監控和指揮數百個無人平臺。
支持基于物理的蜂群戰術游戲的實時網絡虛擬環境。
社區驅動的蜂群戰術交流。(Chung, 2016)
目前,機載無人機的飛行路線、傳感器有效載荷和武器系統均由地面控制站協調。然而,自主或半自主僚機的概念正以比預期更快的速度出現。未來的戰斗機將能夠為無人機提供任務和目標,管理傳感器有效載荷,并從空中指導飛行路線。
在OFFSET計劃中,通過利用和結合蜂群自主和人機協同的新興技術,該計劃旨在實現突破性能力的快速開發和部署。該計劃包括五個研究和實驗領域:蜂群技術、人-蜂群團隊合作、蜂群感知、蜂群網絡和蜂群物流。圖 1 展示了自主蜂群能力開發 OFFSET 計劃。
圖 1:OFFSET 計劃中的自主蜂群能力開發
2019 年 8 月,DARPA 進行了一次 OFFSET 測試,使用自主無人機蜂群和地面機器人協助執行軍事任務。DARPA 展示了其機器人如何分析兩個城市街區,尋找、包圍并保護一座模擬城市建筑。
芬蘭國防部(2015 年)指出,在某些情況下,無人機可以比有人駕駛飛機更好、更便宜地執行任務。難以探測的微型飛行器(MAV)的廣泛擴散即將給防空帶來極大挑戰。即使是最小的無人機也適用于情報和精確制導彈藥(PGM)目標定位。此外,它們還可以作為武器,甚至在建筑物內使用。最激進的概念側重于取代 "情報-目標定位-發射 "鏈;其目標是通過協調使用蜂群式無人飛行器來實現快速武器效果。這就要求無人機具有足夠的生存能力和成本效益,以便使防御達到飽和。
Haberl 和 Huemer(2019 年)在他們的會議論文中描述了無人機蜂群攻擊。2018 年,俄羅斯國防部宣布,13 架安裝了小型炸彈的無人機成功襲擊了俄羅斯在敘利亞的基地。這種無人機旨在在撞擊時爆炸,需要經過改裝才能攜帶炸藥,不難想象3D打印技術如何在這方面派上用場,尤其是無人機能夠在不需要任何額外基礎設施或設備的情況下躲避導彈預警系統。
在蜂群行動中,相互連接、相互協作的無人機能夠智能地協同工作。蜂群智能是自然或人工的分散、自組織系統的集體行為(Beni& Wang,1993 年)。一般來說,在處理與安全相關的行為時,有兩個主要重點:壓倒性武力和欺騙。 小型無人機的成本不斷降低(Hambling,2015 年),再加上蜂群的內在冗余性,使得使用眾多無人機進行攻擊更具吸引力,因為這往往會壓倒針對它們的任何反制措施,此外,這也會使欺騙變得更加困難,因為一些無人機被禁用后仍會留下其他無人機執行任務。
目前,這些 "蜂群無人機系統 "被用于和考慮用于在水下保護潛艇等貴重資產,在空中保護有人駕駛飛機,以低廉的成本為軍事單位提供監視。最初使用的 "系留 "無人機與 "母艦 "相連,為控制飛行器及其機組人員提供保護,反過來,"母艦 "通過為中央控制功能提供犧牲無人機,提供額外的監視設施、火力和掩護。這一概念發展到自主式無人機,每架無人機都是獨立的,但與其他無人機保持通信,就像鳥群一樣團結一致,這種實現方式賦予了群體更大的力量,除非其要素始終非常簡單,否則更難欺騙。然而,簡單的自組織蜂群可以在不損失太多功能的情況下失去一些成員--欺騙和/或摧毀蜂群要比欺騙個體難得多。不過,由于蜂群需要相互聯系,因此更容易受到惡意軟件的感染,而具有諷刺意味的是,這可能是蜂群的一個弱點。
水下無人機確實存在通信問題,尤其是在沒有與 "母艦"連接的情況下,因為通信信號會被水介質衰減。信號是通過無線電、聲波或光線(迄今為止一直使用藍色)發送的。不過,通過將每架無人機排列成線,并將信號從一架傳到另一架,從而像傳統網絡技術那樣擴大范圍,已經部分克服了這一問題。
無人機蜂群的概念源于尋找非對稱方法來發展恐怖主義和叛亂戰爭的需要。從美國的角度來看,與常規部隊相比,21 世紀初的敵人往往是相對分散的小團體。雖然這些戰術并不新鮮(Arquilla 和 Ronfeldt,2000 年),但似乎確實需要這些戰術來彌補大型、等級森嚴的部隊的不足,因為事實證明這些部隊不如這些小團體靈活、迅速。隨著軍用無人機的發展和不斷進步,技術上有能力生產出更小更靈活的無人機。隨著技術的發展,通信和人工智能技術的提高使這些機器的潛力不斷增加,從而發展出無人機蜂群。網絡理論的擴展使智能蜂群得以發展,從廣義上講,智能蜂群可以是分層的,也可以是網絡化的(在組織意義上)。
無人機蜂群的設計可以使無人機蜂群系統的每個元素都能獨立工作,并在需要時匯聚成群,這樣無人機群就可以隨著所處理問題的不同而擴大或縮小。因此,不同能力、功能和形態的無人機可以根據需要進行協調。這種能力非常強大,需要對手在群體層面開展工作,而不是針對單個無人機(盡管精心選擇的目標定位無人機可能會產生預期的影響,但這取決于網絡的架構)。
蜂群理念從本質上推動了無人機向自主化方向發展。智能無人機群技術可對軍事能力的各個領域產生重大影響,包括加強供應鏈、C5ISR 和投送動能彈藥。能迷惑和壓制防空系統的小型攻擊無人機群很快就會成為現代軍事武器庫的重要組成部分,這將標志著機器人戰爭的重大發展。
計算機能力、處理速度和人工智能的進步正在迅速改變平臺無需人工干預就能執行任務的范圍。目前,控制一架無人機往往需要多人,而提高無人機自主性的新算法可能會大大改變這一比例。
無人機蜂群的各個組成部分可以相互通信,這使得無人機群不同于單個無人機群。智能通信和自主性使蜂群能夠根據實時信息調整行為。裝有攝像頭和其他環境傳感器的無人機(傳感器無人機)可以識別潛在的目標定位、環境危害或防御措施,并將這些信息傳遞給蜂群的其他成員。然后,蜂群可進行機動以避開危險或防御,或者由配備武器的無人機(攻擊無人機)對目標或防御進行攻擊。實時信息收集使無人機群非常適合在軍事或民事行動中在廣闊區域搜索移動或其他難以發現的單元。
雖然單個無人機可能很有用,但無人機群更難被消滅。在復雜的環境中,如城市或覆蓋地形,很難看到長距離,無人機群將會有所幫助。與單個無人機相比,一大群無人機可以提供更好的態勢感知。
根據 Kallenborn(2018 年)的說法,未來的無人機群不需要由相同類型和大小的無人機組成,而是要結合配備不同有效載荷的大型和小型無人機。將不同類型的無人機組合在一起,就能形成一個比單個部分能力更強的整體。單個無人機群甚至可以跨域行動,由海底和水面無人機或地面和空中無人機協調行動。如上文所述,信息主導權是留給有遠見的軍事規劃者的,他們要在戰爭中接受 "系統的系統"(system-of-systems),即有人和無人平臺、武器、傳感器和電子戰系統相互影響的網絡。
除其他弊端外,必須承認蜂群作戰也增加了新的脆弱性。無人機群尤其容易受到電子戰攻擊。由于無人機群依賴于無人機之間的通信,破壞這種信號也會破壞無人機群。隨著無人機群變得越來越復雜,它們也更容易受到網絡攻擊。對手可能會通過向蜂群提供虛假信息、黑客攻擊或產生操縱性環境信號等手段,試圖劫持蜂群。
自 20 世紀 30 年代末以來,國際情報界就一直在關注這一問題。根據洛斯阿拉莫斯實驗室解密的美國情報記錄,這種無人機可能只是在 1944 年德國設計的無人駕駛飛行器(UAV)基礎上進行了修改,目的是散播致命的空中生物活性物質。
如何抵御無人機蜂群攻擊?美國空軍最近為此推出了一種新工具:名為 "戰術高功率微波作戰應答器"(THOR)的高功率微波系統,旨在保護基地免受無人機群的攻擊。據美國空軍稱,該系統可一次性擊毀大量無人機,射程比子彈或網更遠。
近年來,未經授權的無人駕駛飛行器(UAV)所造成的危險已大大增加,因此,至少需要采取適當的探測、跟蹤和反制措施來消除這種威脅。除了射頻干擾器、全球定位系統欺騙、高壓激光、電磁脈沖和射彈槍之外,反無人駕駛航空系統(cUAS)也是對付未經授權的小型無人駕駛飛行器的一種非常高效和有效的對策。
本文介紹的 cUAS 是一種全自動、多功能、可移動部署的系統,能夠利用氣壓驅動的網狀發射器攔截市場上幾乎所有的小型無人機。與上述替代方案相比,所開發的 cUAS 不受未經授權的小型無人機操作模式的影響,即手動或自動控制,甚至不受全球導航衛星系統或射頻的影響。我們的多傳感器方法(照相機、激光雷達和雷達傳感器)以及所實施的算法使 cUAS 能夠在各種環境下運行,如開放式機場、軍用場地和城市空間,在這些環境下,許多雷達反射通常會阻礙對小型物體的探測和跟蹤。cUAS 可獨立接近、跟蹤和/或攔截速度高達 20 米/秒的已識別無人機,成功率超過 90%。
本文對 cUAS 原型機的性能進行了演示和評估。對小型無人機的攔截能力和狗斗性能進行了測試和研究。此外,我們還概述了該系統的具體攻擊和防御策略,以及從最初的探測和分類到最終攔截和清除未授權無人機的過程階段特征,并說明了所開發的多傳感器平臺相對于現有單傳感器系統的優勢。
圖 1:地面探測與控制站(左)和攔截無人機系統(右)的硬件組件[產品圖片來自相關制造商]。
圖 3:攔截過程的各個階段及其條件。
問題其實不在于 "是否",而在于 "何時何地 "在實時作戰中使用無人機群,這是機器人戰爭的下一個發展階段。
圖:無人機群表現出維持凝聚力和自我修復能力的生物行為
2018 年 1 月初,在俄羅斯位于敘利亞西部的 Khmeimim 空軍基地操控龐大防空網絡的俄羅斯操作人員發現了 13 架低空飛來的無人機。當俄羅斯防空作戰人員使用 EW 和 SHORAD 系統與這些無人機交戰時,俄羅斯人清楚地意識到,他們正在目睹一種新類型的無人機協同攻擊。
俄軍在千鈞一發之際擊落了 7 架無人機,并干擾了其余 6 架。雖然 "伊斯蘭國 "和阿富汗塔利班都曾使用無人機投放臨時爆炸物,但當晚對赫梅米姆的襲擊失敗令無人機戰爭的密切觀察者感到不安,因為這是首次記錄在案的非國家行為體在作戰行動中發動大規模無人機襲擊的事例。在整個 2018 年、2019 年和 2020 年,俄羅斯在敘利亞的設施遭到了更多無人機襲擊,迄今為止,俄羅斯反導人員在敘利亞使 150 多架無人機失效。
2019 年 9 月 14 日,25 架集群無人機分兩波襲擊了沙特阿美石油公司位于 Abqaiq 和 Khurais 的國有石油加工設施。對襲擊前后阿布蓋克設施的衛星圖像分析顯示,共發生了 19 次單獨襲擊。值得注意的是,沙特的防空力量,包括強大的 MIM-104 "愛國者 "和 Crotale NG,都未能阻止這些無人機和巡航導彈的襲擊。這表明,從多個方向飛來的無人機和巡航導彈群如何能長時間不被發現,并壓垮常規防空系統。
多年來,美國和以色列在各種作戰行動中廣泛使用了無人機,而土耳其在敘利亞和利比亞以及阿塞拜疆在 2020 年納戈爾諾-卡拉巴赫戰爭中對亞美尼亞的使用,則真實地展示了未來戰爭將如何隨著無人駕駛飛行器的使用而演變。通過電子網絡對坦克和防空系統協調使用武裝無人機和閑散彈藥非常有效。
這一點在阿塞拜疆擊落亞美尼亞 S-300 和 SHORAD 網絡以及戰術戰區(TBA)200 多輛軍車的行動中得到了特別的體現。與俄羅斯從 2014 年起在烏克蘭使用無人機(UAV)相比,這次行動的規模要大得多,在烏克蘭,網絡化無人機與俄羅斯地面進攻武器系統合作,摧毀了烏克蘭軍隊的主要縱隊和補給站。
隨著世界注意到這些小國展示先進作戰能力的里程碑事件,軍用無人機的使用將迅速擴大,主要是在全球范圍內大量引進偵察和攻擊型無人機。在這方面,以色列、土耳其、俄羅斯和中國正在提供一個有效的替代工業基地,以挑戰西方在先進無人機和相關技術擴散方面的主導地位。
圖:斯捷潘納克特附近的亞美尼亞 S-300 薩姆炮兵連(插圖),顯示阿塞拜疆以色列制造的 Harop 游蕩彈藥無人機的大規模無人機襲擊造成的破壞
然而,對赫梅米姆空軍基地和沙特石油設施的無人機襲擊,以及在烏克蘭、敘利亞、利比亞和納戈爾諾-卡拉巴赫協調使用無人機,顯示了未來空戰向所謂 "無人機群 "概念演變的早期跡象。尤其是對敘利亞境內俄羅斯兵力的大規模無人機襲擊,凸顯了無人機群日益構成的猖獗危險,即使在非國家行為者手中也是如此。這種小型無人機團隊相互協作,不僅為美國、俄羅斯、中國等大國提供了改變游戲規則的能力,也為小國和非國家行為者提供了改變游戲規則的能力,他們將利用無人機群發揮高度不對稱的作用。非常重要的是,低成本、不復雜的無人機協同作戰,通過數量達到目標飽和,會給防空部隊帶來高昂的代價。
雖然防空部隊也許能抵御少數幾架臨時拼湊的無人機實施的松散協調攻擊,但近鄰國家的競爭者卻能派出更先進、更密集、更靈活、適應性更強和網絡化的兵力。
那么,究竟什么是無人機蜂群呢?蜂群機器人技術是一種將多個自主機器人協調為一個系統的方法,該系統由大量實體機器人組成,只需極少的人工干預即可控制。這些機器人通過機器人之間的互動和凝聚力,以及機器人與環境的互動,表現出集體自組織(SO)行為。
對昆蟲、魚類、鳥類和動物的蜂群行為進行的生物學研究為蜂群算法提供了支持。全球的蜂群研發工作主要集中在開發分布式人工蜂群智能能力、技術商品化以降低成本影響,以及提高蜂群中各代理之間的自主性。
在壯觀的燈光秀中,大規模無人機都是由中央控制的,而在真正的蜂群中,每架無人機都會根據機載人工智能自行飛行,以模擬自然的算法保持編隊和避免碰撞--沒有真正的領導者和追隨者,蜂群中的所有代理都有自己的 "頭腦",能夠進行集體決策、自適應編隊飛行和自我修復。這種蜂群的好處是,如果有一架無人機掉隊,或者有幾架無人機墜毀,蜂群可以重新安排,繼續執行任務,直到最后一架無人機升空。
隨著時間的推移,軍隊的通信、訓練和組織能力不斷增強,他們能夠以越來越復雜的方式作戰,利用更先進的條令形式,每一次演變都優于前一次。如今,軍隊主要進行機動作戰。在這里,蜂群將是戰爭的下一個演變--蜂群表現出近戰的分散性和機動戰的機動性。它們具有不同程度的自主性和人工智能。自主性可將軍事影響力擴展到防御嚴密的作戰空間,與載人系統相比,其作戰范圍更大,持續時間更長;而人工智能則可確保執行危險的自殺式任務,從而實現更大膽的作戰概念(CONOPs)。面對日益嚴重的威脅和對有爭議空域的快速滲透,兩者都能取得更大的成功。
這種向無人機的轉變正在全世界發生。而投送動能和非動能有效載荷的首選途徑是空運。傳統上,在美國這樣的空中力量密集型軍隊,幾十年來,空中作戰一直依靠能力日益增強的多功能有人駕駛飛機來執行關鍵的作戰和非作戰任務。然而,對手從更遠距離探測和攻擊這些飛機的能力不斷提高,導致飛行器的設計、運行和替換成本上升。因此,如果能派出大量具有協調和分布能力的小型無人機系統(UAS),就能以更低的成本為全球各國軍隊提供更好的作戰范圍。這些無人機系統與有人機系統結合在一起,將作為一個 "系統之系統 "有效地打擊敵方目標。在這種情況下,有人與無人協同作戰(MUM-T)將發揮兵力倍增器的作用,實現自主與協作,作戰人員的角色也將轉變為指揮,而不是控制蜂群。配備分布式人工智能的全自動武裝無人機群(AFADS)一旦投入使用,將在無需人工干預的情況下定位、識別和攻擊目標。
圖:AFADS將被證明是下一代戰場的游戲規則改變者
雖然新技術,特別是人工智能和邊緣計算,將推動無人機群的發展,但關鍵因素仍然是群軟件。為此,所有集體行為最好都能歸入 "蜂群 "一詞。然而,協作自主有 "三個 "變革性的行為梯隊--成群結隊,即數量可觀的無人機自主執行抽象指令,但還達不到真正的蜂群行為。攻擊敘利亞俄羅斯空軍基地和沙特油田的無人機就是利用了這一梯隊。蜂群(Swarming),即大量無人機完全通過蜂群算法實時聚集在一起,是協作自主的最高境界。“忠誠僚機”(Loyal Wingman) 通過緊急成群或核心成群行為實現協作自主。這些平臺將以 MUM-T 模式運行,與戰斗機一起高速飛行,并攜帶導彈、ISR 和 EW 有效載荷。預計 "忠誠僚機 "將以地面設施為目標,擊落敵機,并在有爭議的空域抵御防空導彈和電子攻擊。
美國在蜂群技術方面處于世界領先地位,并開展了一系列蜂群無人機和彈藥計劃。它在 2017 年展示了 Perdix 蜂群。三架F/A-18 "超級大黃蜂 "戰斗機在空中釋放了共計103架Perdix無人機。
無人機在預選點編隊,然后出動執行四項不同任務。其中三個任務是在目標上空盤旋,第四個任務是在空中形成一個 100 米寬的圓圈。演示展示了 Perdix 的集體分布式智能、自適應編隊飛行和自我修復能力。
這種無人機群有很多用途。戰斗機可以釋放無人機,為地面部隊提供偵察,獵殺敵軍并報告其位置。它們還可以干擾敵方通信,形成大范圍飛行通信網絡,或對特定區域進行持續監視。它們可以裝載小型炸藥,攻擊敵方單個士兵。在空對空作戰中,它們可以偽裝成更大的目標,欺騙敵方飛機、地面車輛和導彈上的雷達。
圖:2017年的Perdix Swarm無人機演示是一次重要的能力演示
美國國防部高級研究計劃局(DARPA)也展示了 X-61A Gremlin 空射無人機。DARPA Gremlins 計劃背后的理念是將 C-130 等貨機變成能夠發射和回收成群小型無人機的母機。這將為軍方開辟一個充滿可能性的世界,允許部署成群的小型、廉價、可重復使用的無人機,這些無人機裝有不同于傳統飛機的傳感器和有效載荷。
美國海軍和海軍陸戰隊的低成本無人機群技術(LOCUST)項目是另一項正在進行中的無人機群開發項目,該項目從一個管狀發射器發射小型無人機,以執行各種類型的任務。
美國陸軍也在研究無人機群和基于強化學習(RL)的人工智能算法,以用于多領域戰斗場景中的戰術戰場,在這種場景中,無人機群將與異構移動平臺動態耦合和協調,以超越敵方能力。
圖:采用基于強化學習的架構將提高集群的效率
美國還在試驗使用集群無人機系統的導彈部署智能彈藥進行協作智能彈藥投放,有效載荷可從 GMLRS 或 ATACMS 平臺發射和部署。有效載荷由多個可部署的智能無人機組成,能夠向指定目標投送小型爆炸穿甲彈(EFP)。美國空軍的 "金帳汗"(Golden Horde)是開發下一代進攻性技術的 "先鋒"(Vanguard)計劃的一部分,它將把小直徑炸彈(SDB)等彈藥聯網,在按照一套預先確定的規則發射后協同作戰,從而提高有效性。
此外,美國空軍的 "天堡 "計劃旨在設計和部署一支由忠誠的僚機無人戰斗機(UCAV)組成的人工智能機隊。作為 "天堡 "計劃的一部分,Kratos XQ-58A、Sierra 5GAT 和波音公司的 ATS 正在進行開發試驗。
另一方面,英國可能會在 2021 年中期擁有世界上第一支投入使用的蜂群無人機部隊,以執行包括深入敵后執行自殺式任務和壓倒對手防空部隊在內的任務。英國皇家空軍的№216中隊已被賦予測試和部署未來無人機群能力的任務。英國還宣布了 "蚊子 "項目,該項目是英國皇家空軍 "輕型廉價新型戰斗機(LANCA)"無人機 "忠誠僚機 "計劃的一部分。該項目旨在到 2023 年實現無人僚機聯網飛行。
英國還測試了由無人機組成的自主蜂群,每架無人機都攜帶萊昂納多公司的 "光云"(BriteCloud)可消耗主動誘餌變體,作為電子戰有效載荷。利用含有電子戰干擾器的 "光輝云",無人機能夠對假想敵綜合防空網絡的雷達發動模擬非動能攻擊。
法國空中客車公司為未來戰斗航空系統(FCAS)/未來戰斗機系統(SCAF)項目首次展示了協作遠程載機群(RC)和僚機技術。
俄羅斯人在烏克蘭和敘利亞擁有操作協作無人機和反擊無人機的豐富經驗。過去十年來,俄羅斯加大了無人機的研發力度,其目標是到 2025 年在軍隊中部署大量機器人飛行器。俄羅斯提出了一項名為 "Flock 93 "的計劃,目的是在協調飽和打擊任務中使用高密度的無人機。這一概念最初由茹科夫斯基空軍學院和私營企業提出,包括同時發射 100 多架無人機,每架配備 5.5 磅重的彈頭。
俄羅斯還測試了 S-70 Okhotnik UCAV,該無人機與俄羅斯戰斗機編隊一起扮演 "忠誠僚機 "角色,穿透對手領空。俄羅斯還在 2020 年公布了一個更輕型的 "忠誠僚機 "項目,代號為 "Grom"。俄羅斯人意識到美國和中國在蜂群自主領域的領先地位,并正在開展研發和產品開發活動,以便在未來十年縮小在這些細分領域的差距。
圖:俄羅斯的S-70“鄂霍特尼克”忠誠僚機與蘇-57戰斗機
中國是最接近美國高密度無人機群能力的國家,正在開發人工智能賦能的自主無人機群。最近,中國電子信息產業研究院(CAEIT)測試了由 CH-901 無人機組成的 48 x 管發射無人機群。中國電子信息產業研究院過去曾在 2017 年演示過 200 架無人機的軍用蜂群。中國公司還展示了令人印象深刻的 1000 多架無人機群,使用四旋翼無人機進行大型公開展示,但這些無人機是地面控制的,不具備分布式智能。中國正在整合現有的無人機群,與軍方一起發揮強大的協作自主作用。中國還在研制一款忠實的僚機--中航工業 601-S "暗劍",它將與第四代和第五代戰斗機平臺協同作戰。
其他開發無人機群技術的國家還有以色列,但以色列對此類計劃的細節保密。不過,考慮到以色列多年來使用無人機作戰的性質,我們有理由相信,該技術已經成熟,并已部署到其無人機機隊和巡航彈藥上,其中一些已通過癱瘓敘利亞反導網絡得到驗證。
有趣的是,IAI 提供了基于智能手機的蜂群指揮和控制應用程序,并在全球銷售。土耳其已通過 TB-2 等國產平臺在敘利亞和利比亞證明了成熟的 MALE 無人機能力,該國也有各種蜂群無人機計劃。其中最主要的是 "卡古"(Kargu)四旋翼無人機,它可以在戰術戰場上發揮動能攻擊作用。土耳其正力爭在未來成為全球無人機大國。然而,最近美國對其國防工業的制裁很可能會限制從西方引進高科技。
圖:土耳其軍隊已經部署了500多架卡爾古蜂群無人機系統進行動能攻擊
伊朗是另一個在團體作戰中使用無人機的中東國家。伊朗已將無人機作為其軍事戰略的主要支柱。伊朗當局使用無人機主要有兩個目的--偵察和攻擊,伊朗有能力在地平線上空和大多數天氣條件下執行任務。其中包括能夠投擲炸彈或發射導彈并返回基地的無人機,以及尋找機會目標的 "神風特攻隊 "無人機。
伊朗當局在后者上取得了更大的成功,這在 2019 年沙特油田襲擊事件中就可見一斑,當時使用了伊朗制造的無人機和巡航導彈。雖然在飛行器集群方面可以實現基線協作自主,但伊朗和土耳其尚未在其無人機群中展示出真正的分布式情報能力。但他們的努力清楚地表明了該技術的成熟和擴散。
在印度,印度空軍自 2019 年以來一直在通過其 "美赫巴巴"(Meher Baba)計劃開拓蜂群無人機的研發工作。該計劃旨在深入開展人道主義援助和救災(HADR)行動。
另一方面,印度陸軍在 2021 年 1 月新德里的印度建軍節閱兵式上展示了成熟的進攻能力,75 架自主無人機組成的蜂群采用分布式智能和邊緣計算,以神風特攻的方式摧毀了各種模擬目標。在演示中,偵察無人機對目標進行調查,然后由攻擊無人機和母機釋放有效載荷和裝有爆炸物的神風特攻隊無人機實施攻擊。西方評論家注意到印度陸軍演示的幾個重要特點,并將其與美國圍繞無人機所做的努力進行了比較,后者通常強調大型同質蜂群。他們指出,印度的原創性工作在世界上首次公開展示了異質蜂群,這可能是該領域的未來發展方向。印度的一家新創公司 "新空間研究與技術公司"(NewSpace Research & Technologies)與印度陸軍合作開展了蜂群開發項目。
圖:2021年建軍節,印度陸軍在新德里展示了一架75架無人機
印度的印度斯坦航空有限公司(HAL)推出了空中發射靈活資產(ALFA -S)空中發射蜂群無人機系統,作為其下一代空中作戰編隊系統(CATS)的一部分。這是一項獨特的計劃,利用空中發射的遠程載具和蜂群單元網絡來滲透有爭議的空域。美國空軍的空軍研究實驗室正在就 ALFA-S 的各個方面與印度進行合作。NewSpace Research & Technologies Pvt Ltd 也是 HAL ALFA 計劃的合作伙伴。
HAL CATS 計劃的另一個組成部分是 "勇士 "忠誠僚機資產。該僚機用于執行防空和進攻性打擊任務,將與印度的 Tejas LCA 和即將問世的 AMCA 第五代戰斗機一起發揮 MUM-T 的作用。值得注意的是,印度的本土研究力量和政府的 "印度制造 "推動了印度對顛覆性技術的接受,在某些領域與世界各國的類似努力不相上下。HAL 在班加羅爾舉行的 "2021 印度航空展 "上首次展示了 "勇士 "的 1:1 模型。
值得注意的是,雖然無人機群可能還不能成為最終的 "產品",但在未來十年內,基本的無人機群技術在全球范圍內的擴散是不可避免的。無人機蜂群技術是機器人戰爭的下一個發展方向,雖然各國政府在過去幾年中已經透露了無人機蜂群技術的進展情況,但這些進展大多是保密的。問題不在于是否使用無人機群,而在于何時何地使用無人機群作為成熟的作戰概念(ConOps)的一部分。
圖:HAL的CATS Warrior無人僚機在2021年印度航空展上亮相
對大多數國家來說,"蜂群作戰概念 "是一個 "障眼法",只有通過利用數百個異質蜂群單位進行臨床和強有力的實地試驗,才能使其成熟起來。最終用戶承擔的這種 "規模和相關成本 "將決定動態采用、有意義的作戰方式和可接受的將蜂群作為真正戰劑加以利用的上崗時間表。正是在這一點上,美國和中國等國家比世界其他國家具有明顯的優勢,可以在各種任務中部署蜂群無人機能力,其規模將使其在未來數字化競爭的空域中處于有利地位。
Sameer Joshi 是印度空軍退役戰斗機飛行員,擁有駕駛米格-21 和幻影-2000 噴氣式戰斗機的經驗。除了是一名創業企業家,他還對航空航天、國防和軍事歷史有著濃厚的興趣。
對使用無人駕駛飛行器(UAV),即無人機,在不同的應用中,如包裹遞送、交通監測、搜索和救援行動以及軍事戰斗交戰,有越來越多的需求。在所有這些應用中,無人機被用來自主導航環境--沒有人的互動,執行特定的任務和避免障礙。自主的無人機導航通常是通過強化學習(RL)完成的,智能體作為一個領域的專家,在避開障礙物的同時導航環境。了解導航環境和算法限制在選擇適當的RL算法以有效解決導航問題中起著至關重要的作用。因此,本研究首先確定了主要的無人機導航任務并討論了導航框架和仿真軟件。接下來,根據環境、算法特點、能力和在不同無人機導航問題中的應用,對RL算法進行了分類和討論,這將有助于從業人員和研究人員為他們的無人機導航用例選擇合適的RL算法。此外,確定的差距和機會將推動無人機導航研究。
自主系統(AS)是能夠在沒有人類干擾的情況下執行所需任務的系統,如機器人在沒有人類參與的情況下執行任務、自動駕駛汽車和無人機送貨。自主系統正在侵入不同的領域,以使操作更加有效,并減少人為因素產生的成本和風險。
無人駕駛航空器(UAV)是一種沒有人類飛行員的飛機,主要被稱為無人機。自主無人機由于其多樣化的應用而受到越來越多的關注,如向客戶交付包裹、應對交通事故以滿足傷員的醫療需求、追蹤軍事目標、協助搜索和救援行動,以及許多其他應用。
通常情況下,無人機配備有攝像頭和其他傳感器,可以收集周圍環境的信息,使無人機能夠自主地導航該環境。無人機導航訓練通常是在虛擬的三維環境中進行的,因為無人機的計算資源和電源有限,而且由于墜毀而更換無人機部件可能很昂貴。
不同的強化學習(RL)算法被用來訓練無人機自主導航的環境。強化學習可以解決各種問題,在這些問題中,代理人就像該領域的人類專家一樣。代理人通過處理環境的狀態與環境互動,用行動作出回應,并獲得獎勵。無人機相機和傳感器從環境中捕捉信息,用于表示狀態。代理人處理捕捉到的狀態并輸出一個行動,決定無人機的運動方向或控制螺旋槳的推力,如圖1所示。
圖1:使用深度強化智能體的無人機訓練
研究界對不同的無人機導航問題進行了回顧,如視覺無人機導航[1, 2]、無人機植群[3]和路徑規劃[4]。然而,據作者所知,目前還沒有與RL在無人機導航中的應用有關的調查。因此,本文旨在對各種RL算法在不同無人機自主導航問題上的應用進行全面系統的回顧。這項調查有以下貢獻:
本文的其余部分組織如下: 第2節介紹了系統回顧過程,第3節介紹了RL,第4節全面回顧了各種RL算法和技術在無人機自主導航中的應用,第5節討論了無人機導航框架和仿真軟件,第6節對RL算法進行分類并討論了最突出的算法,第7節解釋了RL算法的選擇過程,第8節指出了挑戰和研究機會。最后,第9節對本文進行了總結。
無人機系統(UAS)和其他相關技術(人工智能或AI、無線數據網絡、擊敗敵方電子戰的電子支援措施)已經發展到一個新的地步,無人機系統被認為原則上能夠執行目前由有人駕駛飛機執行的幾乎任何任務。
因此,許多武裝部隊正在積極試驗有人-無人編隊協作(不同的縮寫為MUM-T或MUMT)。通過將有人和無人資產作為一個單位而不是單獨部署,無人機最大限度地發揮了其作為力量倍增器的價值,提高了在高度競爭性空域的殺傷力和生存能力。無人機系統的直接控制權可由飛行中的有人單位或單獨的空中、地面或海上指揮中心掌握。隨著時間的推移,人工智能的進步將允許無機組人員的編隊元素自主地執行大部分任務。這最終可以將人類干預減少到最低,只保留任務目標的輸入、交戰規則的定義和武器釋放的授權。事實上,這種自主能力對于MUM-T概念來說是至關重要的,以防止人類飛行員被控制無人機的額外任務所淹沒。 無人機系統的主要應用包括:
在“武裝護衛”角色中,無人機系統可以在有人平臺執行任務之前壓制敵人的防空設施(SEAD角色),或者作為一個外部武器庫,使單一的有人駕駛飛機在每次任務中能夠攻擊大量的目標。