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浅谈无人机“蜂群”技术中的六大核心技术

微型无人机在军事上的应用有着广泛的前景。试想:千架无人机“蜂群”亮相,打造成一个集群作战的智能蜂群,战斗力就将以数量级提升。这样的“蜂群”可以覆盖广泛的侦查监控范围,相互之间、与后方指挥控制中心之间高速互联,将大量个体融为一个无孔不入的作战集群。部分无人机携带小体积爆炸物摧毁目标,可以实施打击任务。


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无人机“蜂群”CG图

据媒体消息,近期中国电科集团电科院展开了陆空协同的无人机“蜂群”系统,进行相关试飞工作和验证试验。可以有些人还不清楚这个无人机“蜂群”系统到底是个啥?实际上无人机“蜂群”是指一组具备部分自主能力的无人机在有/无人操作装置辅助下,实现无人机间的实时数据通信、多机编队、协同作战,并在操作员的指引下完成多种作战任务,包括战场侦察、对地打击、防空压制、电子干扰、充当诱饵、通信中继等等。如同自然界的蜂群一样,既有很大的数量同时在空中飞行,又有各自不同的分工。而本次试验的“蜂群”无人机可以采用陆上发射、空中投射的方式,从公布的视频画面可以发现,“蜂巢”无人机在地面是由48管发射装置进行快速发射,能够在很短时间内将大量无人机发射到空中;在空中则是由直升机进行悬停投放,在展开的降落伞减速稳定作用下,无人机调整好姿态进行飞行。据悉,这款无人机系统一次可发射200架无人机,形成庞大的“蜂群”,使打击效果倍增。而从整个流程中,也能看出本次试验基本都是基于实战化。这也意味着一旦我国首个实用化的无人机“蜂群”通过测试,那么恐怕距离服役也不会太远。
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而一直对无人机“蜂群”技术高度重视的美国人,在得知这个消息后,也发出了不一般的评价。据美国《战争地带》发表文章称,从公布的视频中可以看到,无人机群代表了中国军队现在具有的实际作战能力,整个系统,尤其是地面移动发射器,看起来确实非常成熟,所有这一切都在强调,即使中国现在可能没有无人机集群作战的能力,但是有个不可忽略的事实是,这些“蜂群”无人机已经越来越接近于实际部署,并且从地面和空中多个平台部署的集群,可以从多个方向接近目标区域,这将使整个系统具有极大的灵活性和弹性。而更让他们感到担忧的是,无人机集群天生就很难防御,其最明显的应用之一就是使敌方的防空系统失去作用,美媒认为,即使是用当今最好的短程防空系统,也很难抵御“蜂群”无人机这种饱和性的攻击。简单来说,就是依据现有的手段,根本是拦截不了的。从美国人的评价,我们也可以看出这种无人机“蜂群”技术的强大之处。

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早在2016年,美国军方进行了F/A-18“超级大黄蜂”战斗攻击机释放无人机蜂群的测试。3架F/A-18战斗攻击机放出130架“山鹑”微型无人机,组成一个协调的集群,集体安全飞到指定目标位置。这只是一个短暂的试验,标志了美国已具备了控制蜂群的能力。无人机“蜂群”战术看似简单,但实际涉及多种高科技“人工智能”先进技术,在这个智能化的集成系统当中有六大核心技术:

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F-18控制无人机“蜂群”

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F-18控制无人机“蜂群”

其一:集群控制算法

多无人机系统要实现相互之间的协同就必须确定无人机之间逻辑和物理上的信息关系和控制关系,针对这些问题而进行的体系结构研究,可以将多无人机系统的结构和控制有机的结合起来,保证多无人机系统中信息流和控制流的畅通,为无人机之间的交互提供框架。集群控制算法不仅要保证多无人机之间有效的进行协同,而且不依赖于无人机的数量,即无人机可以随时退出或者加入集群,而不影响控制系统的整体结构。


其二:网络通信设计

在多无人机协同任务自组织系统中,无人机作为通信网络节点。其空间的布局决定了网络的拓扑结构,而不同的网络拓扑结构有着不同的通信性能。在一定的通信拓扑及性能条件下,根据所执行的任务分配通信资源,提高通信质量,是集群技术的难题之一。


其三:控制算法与通信技术的耦合

多无人机为了提高协同完成任务的效率,需要进行信息交互。为了促使所交互的信息及时完整地进行传输,对于通信网络性能就有了一定的要求。基于通信质量约束的协同控制方法,就是在当前的通信服务质量约束条件下,设计多无人机协同控制方法,并在这种控制方法条件下,使多无人机的运动既满足任务需求,又可以使多无人机构造的通信网络性能,满足通信及时完整传输的需求,进而提高多无人机协同完成任务的效能。

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无人机蜂群可摧毁航空母舰作战系统

其四:任务规划技术

为了实现无人机之间有效的任务协同,同时保证控制结构不依赖于无人机的数量,构建多无人机协同任务自组织系统分布式体系结构。各无人机的基本行为和简单任务由无人机自主完成,当面临复杂任务和需要协同任务时,当前无人机可以把任务信息和资源需求发布到由各无人机组成的网络系统上,其他无人机则根据各自当前的任务和资源情况予以响应。这样任意一架无人机的退出或者加入,都不会对系统组织结构带来影响。


其五:路径规划技术

无人机在实际飞行中如果发生突发状况,必须进行航迹重新规划,以规避危险和变换需求。为满足协同工作的实效性,重新规划所采用的算法必须具有实时、高效的特点。因此可以根据蜂群算法领域搜索的特点,以参考航迹的突发威胁作为“领航峰”航迹,“领航蜂”仅在参考航迹的突发威胁段进行领域搜索,而不需要对整条航迹进行搜索,由此可以快速获得修正航迹段,并替换原突发威胁航迹段。在整个飞行过程中,无人机可以根据获得的威胁信息,不断修正参考航迹,直至抵达目标节点。

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无人机蜂群作战或将成为未来作战新趋势

其六:编队控制技术

在模型算法上,保持一定空间距离的无人机集群可以看作一个高阶群系统识别与时变编队问题。其控制问题具有挑战性,集通信时延的存在又为编队分析增加了难度。

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无人机蜂群作战概念


总结:无人机群技术,正处于快速发展阶段,随着科学技术的不断发展,无人机自主智能的不断提高,无人机集群必将成为未来无人机发展的主要趋势之一。由此演化而来的无人机“蜂群”作战,已经成为一种全新概念的作战模式,对未来战争的影响也将是颠覆式的。

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权威媒体曝光的“蜂群”试验算得上是为未来无人机集群作战的基础准备


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