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小型固定翼无人机集群综述和未来发展
来源:尖兵之翼 | 作者:高博特 | 发布时间: 2023-05-08 | 10634 次浏览 | 分享到:
相比于旋翼无人机,固定翼无人机具有速度快、载重大、航程长等特点,在执行任务方面具有明显的优势。……

1.5无人机集群在军民领域有广泛的应用

面对日益复杂的任务环境,小型固定翼无人机集群的运用越发广泛。由多个无人机组成在任务上相互关联的集群执行复杂任务的样式将成为未来军民用领域中无人机使用的一种重要样式,目前已在货物递送、环境保护、灾难响应、农林作业、森林防火、安防巡逻、目标搜索与追踪等领域得到应用。

在民用领域,无人机集群在智能交通、物流运输、森林火灾监测、地质灾害探测、农业植保、国土资源监测、对地观测和遥感、高速公路管理、小区环境监测等场景中具备特有的优势。比如,在国土资源监测中,无人机集群以协同模式同时对区域进行监控,可以很大程度上实现区域的同步监控,增加有效覆盖面积,节约执行任务时间。军事领域中,无人机自主集群势必成为未来作战的主流趋势。无人机集群将带来作战模式的颠覆性变革,可广泛应用于广域搜索侦查监视、边境巡逻搜救、城市反恐维稳等领域,并可衍生新的作战模式,提升体系作战效能。从2001年开始,美军先后发布了8版无人机/无人系统路线图,指导无人系统的顶层设计和规划发展。早在2005年,美军国防部发布的《无人机系统路线图2005~2030》将无人机自主控制等级分为1~10级,包括单机自主、多机自主、集群自主(分布式控制、群组战略目标、全自主集群)3个层面,并预计2025年后将具备全自主集群能力。2016年5月,美国空军发布了首份针对小型无人机系统(起飞重量低于600kg)的飞行规划——《2016~2036年小型无人机系统飞行规划》,从战略层面肯定了小型无人机系统的前景和价值,并对集群作战概念进行了阐述。

无人机集群因其典型优势,有望在未来战场的协同探测、协同攻击、干扰压制等各方面发挥巨大作用,成为一支不可忽视的新质力量。

在协同探测方面,无人机集群在战场上可以协同执行各种侦察、监视任务,对某一军事敏感区域实行常态化不间断监控,以全面获取战场环境监测和评估信息;在通信中继、电子对抗、和欺骗迷惑等方面,无人机集群也具有更高的成功率。特别地,分布式的系统拓扑结构使系统无中心脆弱点,损失部分平台对集群整体任务能力的影响不大,抗毁性好;同时,损毁补充替换简便,系统维护成本低。

在协同攻击方面,无人机集群攻击可避免飞行员伤亡,并且成本可承受,这是完全不同于以往的一种新的“缠斗”方式。任何飞行器,不管是有人还是无人的,都可能被单个导弹打下来,但是无人机集群却能够承受多次打击,继续完成任务。无人机集群系统将迫使敌人形成了“大炮打蚊子”的作战劣势,即使部分无人机被对方摧毁,也不影响集群系统的整体作战能力,通过队形的重组和任务的重新分配,实现核心攻击任务能力不降级。

在干扰压制方面,无人机集群在攻防两端显著成本不对称。集群中的无人机通常是典型“低小慢”目标,易于躲避敌方雷达防空系统,但对无人机实施打击却通常需要动用精确打击武器,如果敌方发动饱和式攻击,将耗尽其防御武器。以美军“提康德罗加”级巡洋舰为例,该巡洋舰装备了“宙斯盾”系统,最多可同时监视空中240个目标。如果无人机集群超过250个,同时又是一种“低小慢”的空中目标,将导致其监视能力达到饱和。因此,无人机集群系统可以“引诱式”耗尽对手的高价值攻击武器,从而增加对手攻击的相对成本,以规模优势给对方造成惨重的损失。又如,可以利用无人机集群搜索隐形战斗机和导弹发射车引诱对方开机,让可消耗的无人机“自杀式”打前阵,让宝贵的有人机/有人车殿后,可能有助于在未来战争中减少人员和昂贵装备损失。在过去,数量较少的极度昂贵的有人机是战场的标准配置,但是在未来的几年中,大量便宜的、消耗性的无人机将广泛地出现在战场上。

近年来,无人机集群成为各国争先研究的热点,不断有集群项目的突破性报道。本节从协同模式探索、分布式指挥体系、核心技术突破和集群验证等方面总结了近年的代表性工作。

2.1 创新协同理论,探索集群协同的模式

日益增多的无人机系统,势必引起其使用模式的颠覆性变革。目前,美军装备的无人机数量已经多于1万架,超过了有人机的数量。如此众多的无人机系统,如何最大效能地发挥作用?对此,集群使用的模式应运而生。正如二战初期,坦克由分散到集中使用带来了“闪电战”革新,小型无人机的集群化应用有可能会像坦克“闪电战”一样,形成新的颠覆性军事能力。

为充分发挥集群数量和低成本优势,并融于现有体系,以美军方为代表,人们探索了各种集群协同模式,并设计了大量作战想定,从顶层指导无人机集群的发展。典型协同模式包括:无人机集群协同、无人机集群和有人机协同、和大型载具协同、以及和其他无人装备的跨域协同等。

2.1.1 无人机集群协同

无人机集群协同是指采用大量(>10数量级)低成本无人机平台,以机间通信为基础,以机间智能协同为核心,形成大规模的同构集群系统。海军研究生院在2012年发表了《无人机群攻击:驱逐舰的防护系统选择》,为探讨驱逐舰对无人机集群协同攻击的防护问题,设计了小型固定翼无人机集群协同作战的想定,见图1。驱逐舰为“宙斯盾”系统,集成了干扰器、诱饵弹、“标准”系列面对空导弹、127ms舰炮和2座“密集阵”近防武器系统;无人机集群由8架速度为250km/h的无人机组成,部分自主飞行,部分受附近渔船遥控。