什么是无人机集群？未来的无人机集群什么样？

无人机在国产军事电影中，可谓出尽风头：它在《空天猎》里悄悄侦察对方阵地，在《战狼2》里扫射人群，在《红海行动》里直接报销了一辆坦克！不过，电影中的无人机虽然酷炫，但是每架无人机都需要配备一名遥控人员，控制上百架无人机协同作战似乎是个难以完成的任务。

一、国产无人机集群系统已经打入国际市场

2017年6月10日，中国电子科技集团公司成功做到了119架固定翼无人机的集群协同飞行，成功演示了119架无人机的密集弹射起飞、空中自主集结、多目的自动分组、自动编队合围、集群行动等。这一实验的重点，就是“集群智能”，只需要一个人就可以操纵上百架无人机。这一实验刷新此前2016年珠海航展披露的67架固定翼无人机集群试验纪录，标志着智能无人集群领域的又一突破，奠定了我国在该领域的领先地位。

2018年，中国电子科技集团又将这个记录提高到200架，成功实现了国内首次小型折叠翼无人机双机低空投放和模态转换试验。目前，中国电子科技集团已经将国产无人机集群系统打入国际市场，打破美国及西方国家在这个领域的垄断。

“集群智能”作为一种颠覆性技术，一直被各国视作无人系统人工智能的核心，是未来智能无人系统的突破口。大规模、低成本、多功能的无人机集群通过空中组网、自主控制、群智决策，可以应用于多种探测感知、应急通信等任务。中国电科智能无人系统专家赵彦杰表示，自无人机作为一种新型装备问世以来，以集群替代机动、数量提升能力、成本创造优势的方式，重新定义着未来力量运用的形态。  

那么，为什么固定翼无人机集群飞行难？固定翼无人机不像四旋翼无人机可以在空中悬停，更容易精确定位和编写控制程序，它必须保持一定的速度才能维持在空中飞行，每架无人机不仅需要知道自己在哪里，而且还得知道附近其他无人机的位置和方向，并根据情况调整方向，以避免发生“空中撞机”事故。这就意味着固定翼无人机必须有“相互沟通”能力，对它们的传感器、通信、定位等技术提出了极高要求。   无人机机群、集群、蜂群作战简介

二、什么是无人机集群？

无人机集群是由大量的无人机构成，可以是由完全相同的无人机组成，也可以是由红外侦察无人机、雷达探测无人机、图像侦察无人机、战斗机、轰炸机等不同无人机组成。它们彼此间通过无线网络等方式进行态势共享与信息交互，相互协调合作完成任务分配、航迹规划等。在系统内，每个无人机都是一个智能体，具有独立飞行、侦察等能力，而无人机群之间可通过无线网络进行信息交互，无人机群与有人机或地面也存在信息交互，最终实现无人机群体的管理、群体间任务的分配、群体航迹的规划及单无人机航迹的规划等。   下图展示的为多无人机协同搜索的概念图，多架不同功能构成的无人机对特定区域展开搜索，提高探测准确度及探测范围。  

  为更好地理解无人机集群系统，举一个军事对抗的例子：敌方有一个火炮阵地对我方造成严重威胁，必须将其摧毁。有人机虽然操作简单，易于管理，可执行此任务，但体积较大，容易被雷达等设备发现而被击毁，另一方面有人机成本较高，还可能造成飞行员伤亡。这时，无人机就要上场了！为提高执行任务的成功率，利用小型无人机低成本优势，可采取饱和式攻击方案（雷达一次所能探测的数量有限，敌方一次所能拦截的数量也有限，饱和式攻击是指通过增加无人机数量，使其超过敌方雷达所能探测上限或超过敌方一次所能拦截的上限，使部分无人机可渗透进敌方阵地），一次派出10～100架无人机。此外，多架无人机协同执行作战任务，可以扩大探测、攻击范围，提高执行效率。    

三、集群智能：向蜜蜂学习

无人机集群作战来源于对于蚂蚁和蜜蜂等昆虫的研究和启发。人们发现就个体而言，蚂蚁和蜜蜂是非常原始和简单的生物，但是在许多只蚂蚁和蜜蜂聚集在一起，整体效能就可以发生飞跃，完成许多复杂的行为。这样无人机集群技术或者蜂群技术就应运而生，这个技术把许多架无人机组成在一起，形成一个强大的整体，以提高整体作战能力。  

早在1亿2千万年前，蜜蜂就以集群的方式在地球上生活，每个蜂群由蜂王、工蜂、雄蜂组成，蜂王每个种群通常只有1只，工蜂数千至数万不等，雄蜂略少。工蜂则负责日常采蜜、筑巢、保卫、饲养幼虫等工作。无人机集群的操作手可类比于蜂群中的蜂王，负责操控整个无人机群；无人机群中的侦察机则更像勤勤恳恳的工蜂，侦查无人机负责侦查、探测任务，执行正常的作业任务，当危险来临时，又可以充当战斗机，与敌机进行作战；无人机集群中的轰炸机、战斗机则更像负责集群安全的兵蜂，轰炸无人机负责对敌方进行轰炸，战斗机负责护卫群体安全与敌人正面作战。为降低无人机操作手的操作难度，实现1个操作手可轻松操作成百甚至上千架无人机，需要模拟生物的集群行为对这个无人机群进行管理。    

要实现这个目地，首先需要设计集群管理控制器，通过设计控制算法，使这个群体能够像蚁群、鸟群等自主去寻找火炮阵地，同时在飞行过程中，探测周围的障碍物、雷达等威胁，并在机群内共享这些信息，使机群能够自主的规划出最佳飞行路线，避开威胁物，以最短时间到达目的地。   在到达目的地后，根据各个无人机的功能，通过集群管理，给各个无人机分配不同的任务：1）侦察机组负责侦察周边环境、火炮阵地具体坐标等，然后将火炮阵地坐标及周边环境信息发送给轰炸机组。2）轰炸机组根据火炮阵地坐标，规划出最佳攻击路径，对火炮阵地及周边威胁物进行轰炸摧毁。3）战斗机组负责周边警戒、护航，防止敌机进行骚扰拦截。当然除此之外还会有负责引诱、通信、干扰等用途的机组来共同完成此任务。就如同一个球队，有前锋、中锋、后卫、门卫，还有教练，他们共同组成了一个球队，有负责排兵布阵出谋划策的，有负责进攻的，也有负责守卫保护的，他们之间通过语言、手势来彼此配合，提高团队的战斗力，战胜对手。而其中的涉及的关键技术有很多，主要包括整个无人机集群的管理、无人机集群的任务分配、无人机集群的航迹规划、无人机集群间的信息交互等等。

编队控制的具体含义为：当多个无人机组成编队联合飞行时，相互之间要保持固定的几何形态，同时又要满足任务需求和适应周边环境约束（例如障碍规避）。当前无人机编队控制大体可分为两类基本问题：运动协调和覆盖协调。运动协调主要包括编队队形保持（Formation Keeping）、集结（Swarm）、解散（Dissolution）、重构（Formation Reconfiguration）、队形变换（Formation Change）和编队避障（Collision Avoidance）。其中，队形保持是运动协调的核心问题，研究编队在运动中如何保持队形不变。覆盖协调是指无人机编队的任务规划和分配，包括部署、搜救、勘探，以及攻击目标的分配等。

四、未来的无人机集群什么样？

近几年，无人机行业发展迅猛，无人机集群因其低成本、大规模、高智能、高效率的特点，在国内外军事对抗领域已得到广泛关注。   2015年，美国海军实现50架固定翼无人机集群飞行的纪录；这些无人机按照主从模式飞行，利用无线自组织网络进行信息交互和共享。与以往每架飞机需要一个操作员不同，该项目通过集群地面控制站实现了同时对50架无人机的控制，将控制权逐渐转移至飞行器，使无人机实现自主飞行和决策，以减轻操控人员的压力。  

2016年5月，美国空军正式提出《2016-2036年小型无人机系统飞行规划》，希望构建横跨航空、太空、网空三大作战疆域的小型无人机系统，并在2036年实现无人机系统集群作战。明确了美国空军小型无人机系统近期、中期和远期主要发展目标。在美国国防部的领导下，国防先进研究计划局（DARPA）、战略能力办公室（SCO），以及空军、海军等都开展了大量的研究和论证工作，启动了多个项目，如“小精灵”项目、低成本无人机集群技术项目、“山鹑”项目、进攻性蜂群使能战术项目、拒止环境中协同作战项目等。   2017年1月，美军使用三架战斗机在空中释放了103架“山鹑”微型侦察无人机，可连续飞行半小时之久，能自主执行情报搜集和监控任务。   小精灵无人机群概念图 上图为无人机集群在复杂战场环境中协同作战的模拟作战效果图，可以看到机群由多个不同功能的无人机组成，包括一架有人机。有人机负责控制无人机群，对其发送指令，无人机群收到作战指令后，集群内侦查无人机自主探测敌方阵地坐标、探测威胁物，通过无人机群间网络，有人机与无人机群进行信息交互，通过无人机集群协同控制器的计算，规划处最佳的飞行路线及攻击方案，实现对敌方阵地的侦察及最大限度的破坏，最大限度提高任务成功率同时降低己方人员伤亡。     此外，还有欧盟的异构多无人机实时协同和控制(COMETS)项目，以及澳大利亚研究中心的自主导航和环境感知研究项目等。    

未来智能无人集群还将呈现系统智能化、网络极大化、节点极小化、平台多样化、成本低廉化五大特点，并加速推进智能无人集群向装备系列化、应用多样化、覆盖全域化快速发展。无人机集群技术，不仅在在军事对抗领域备受关注，在民事领域也具有较好的发展前景，其大规模协同工作方式将大大提高搜索效率、探测精度，为农林防护、搜索救援等赢取宝贵时间，同时提供准确数据。  

编辑：黄飞