美国无人机作战技术研究
在现代军事需求的引领下，无人作战飞机以其“零生命”风险、更强作战能力以及相对有人机更能适应恶劣作战环境方面的优势，正越来越受到美军方的关注。在过去的几年里，美国针对无人机不同功能、尺寸及作战需求，研究与无人机相关的各种协同作战方式，在以“忠诚僚机”为代表的有人-无人协同，以“小精灵”项目为代表的集群协同作战方面进行了大量探索。
- 技术背景
21世纪以来，小型无人机在有效载荷小型化、续航时间、超视距通信、低成本化等方面持续取得进展，集群技术、自主技术、协同技术等智能化技术正推动着小型无人机的应用领域拓展。未来，小型无人机的作战应用将沿着作战域、作战任务谱、作战样式等三个维度空间延伸，其作战空间将从当前单一的航空域，扩展至网络空间域；作战任务将从当前的近距情报侦察、目标定位指示、通信中继、电子战等简单任务扩展到在反介入/区域拒止（A2/AD）高对抗环境下的超视距侦察监视、防空压制、协同攻击、反无人机、空中分层组网、赛博攻击等全谱作战任务，成为高对抗作战环境下的“指数级力量倍增器”。 近期，美国发布了首份小型无人机系统发展路线图《2016-2036年小型无人机系统飞行规划》。规划指出，在无人机系统方面，美军一直保持着非对称优势，但当前中、俄等国相应能力已有很大提升，美军未来计划加强在该领域上的研发力度。结合美国第三次抵消战略背景，美军将在无人机作战领域进行军事科技创新维持军事优势。
目前美军已提出了三种无人机协同作战样式，分别是：“编队协同”（人-人协同）、“忠诚僚机”（无人-有人协同）、“集群作战”（机-机协同）。这三种作战样式协同对象是不同的，“编队协同”是指控制站与控制站之间的人-人协同，“忠诚僚机”是指无人机与有人机之间的有人-无人协同，“集群作战”为大量小型无人机之间的机-机协同。
编队协同：小型无人机可与有人平台、无人平台开展编队协同作战，但编队之间的协同作战是基于任务、基于人在回路的平台控制级协同，包括小型无人机平台的指挥控制、机上传感器的远程控制等，无人平台、机载传感器的控制权在多个地面站之间流动。其实质是多架无人机平台的远程操控员之间、无人机操控员与有人机飞行员之间的人-人协同，目的是编队现有作战能力的最大化集成。
忠诚僚机：这种概念是人-人编队协同的升级版，由有人机平台充当编队主机，多个无人机作为僚机，典型项目为美国AFRL的“忠诚僚机”项目。此类协同中无人平台、传感器、武器等资源控制权均为有人机控制。在有人机的作战指令下，无人机执行远程态势感知、武器投放、欺骗干扰等作战任务，大大拓展了有人机的作战任务池与作战频次，此外有人机可在防区外作战，提高了作战人员的安全性。根据美国“第三次抵消战略”规划，先进有人/无人作战编组将是美未来作战发展的关键领域。除“忠诚僚机”项目外，美国于2014年使用X-47B无人战机与F-18编队飞行，并于2015年实现X-47B在航母上首次成功起降，成为美海军探索无人战斗机作战领域的重要一步。
集群作战：一群小型无人机自主协同作战，利用传感器三角定位优势，通过网络在集群内各节点实时共享平台自身信息、外部载荷数据等，从而根据交战实际情况快速处理和分配载荷任务。此外集群式作战网络可基于个平台的位置、任务参数、载荷能力、预期效果，为每一项优先作战任务分配最适合的无人机。目前无人机集群作战的在研项目包括“小精灵”、“LOCUST”等多个项目。
- 重点项目分析
2016年美国无人机发展的重点项目是忠诚僚机项目及以小精灵“Gremlins”和LOCUST项目为代表的集群作战概念，并授予了体系集成技术与试验（SoSITE）项目阶段性合同。下面将分别对重点项目进行介绍。
1. 忠诚僚机”项目
由于当前无人机技术尚未达到全自主作战的水准，美国防部认为利用当前现有装备进行有人-无人协同是一种可行的作战方式。在高强度作战中，有人战斗机与察打一体无人机编队执行任务，通过有人机-无人机间数据链，无人机可进行前置获取敌情报并实施打击，而有人机可在敌方防区外进行作战控制、电子压制和空中掩护任务，这拓展了编队作战半径，并降低有人机的危险系数。
2015年，空军研究实验室（AFRL）正式启动了“忠诚僚机”的概念研究项目，寻求有人机-无人机编队作战的能力。“忠诚僚机”项目将僚机的作战角色定义为：充当武器发射平台，对有人长机指定目标发动攻击；对无人机感知到的目标集实施打击；为有人长机吸引防空火力并摧毁威胁目标；实施防区外干扰；作为ISR的信息融合节点。在实施作战时，忠诚僚机自主作战编队应能完成以下五项作战任务[1]：使用较低的通讯带宽，明确接收有人长机的作战任务；通过与长机的通讯，僚机应自主计算出任务规划；僚机确认通信并向长机通告作战目标的可行性；在无需再向长机通告的情况下开始执行任务，完成作战目标；在作战环境改变或作战目的改变时，对作战计划进行动态修改。从作战效果上来看，“忠诚僚机”的作战概念将有人五代机与四代无人机组合搭配成作战编队，借助五代机的作战网络节点角色，能够充分发挥四代机机动性好和火力充足的优势，从而加强二者在空战中的杀伤力。
“忠诚僚机”项目研发的关键为开发自主技术，从而有效增强美空军未来在对抗和拒止环境下的作战行动和能力。同时应实现有人驾驶战斗机与具备一定自主作战能力的无人机的有效集成，研发数据链通信等相关技术，提高作战效能。
根据“忠诚僚机”2020-2022财年自主技术无人机集成验证计划公告[2]，2020财年，项目主要针对防空力量较弱对手的对地攻击场景。在此阶段，无人僚机主要承担空地武器发射平台并为有人长机提供目标指示。该验证的作战场景为GPS和局部通信被一定程度干扰的环境，不考虑敌方打击武器威胁。无人机应能在全方位、全高度使用多种辅助设备（例如GPS制导，激光制导及武器数据链制导）完成打击。同时，忠诚僚机应能够根据作战需求对当前路径、目标等进行再规划和调整，并具备作战效果评估的能力。
2022财年，该项目主要验证有人-无人“忠诚僚机”编队对敌方防空系统的压制能力。此时的验证场景为GPS和卫星通信系统受到一定程度的干扰、欺骗，敌方防空系统较强，且使用了电子对抗措施。作为对敌防空系统压制平台，无人机应能够对作战区域内敌方电子辐射装置进行感知、辨别和定位，同时应具备进行独自或编队电子战的能力。无人机单机或编队应同有人长机进行战术协同，能够根据目标威胁程度和目标反应措施在防区内/防区外进行反辐射作战。
目前，根据无人机作战框架，美国已经提出了一种忠诚僚机可能的作战模式。在作战编队中，有人长机指挥四架无人僚机进行协同作战。长机对单独的忠诚僚机的任务分派包括对两个分离的目标实施打击，并在固定时间、固定位置回到编队中，同时这种控制规划必须考虑到作战风险和所需燃料的最小化。在该种作战概念下，在高危险作战中具备自主功能的无人机可在五代有人机前面扮演突防的角色，承担发现、摧毁目标的任务，而有人机可在对方防空火力之外进行指挥控制，避免遭受敌方打击。
2. 小精灵“Gremlins”项目
2015年9月，DARPA（美国国防高级研究计划局）发布了小精灵“Gremlins”项目公告，通过载机在防区外发射携带有侦察或电子战载荷、具备组网与协同功能的无人机“集群”用于离岸侦察与电子攻击任务，并在任务完成后对幸存无人机进行回收的技术。“小精灵”无人机是一种小型、网络化、蜂群作战型无人机，属于“半一次性”（尽可能回收并重复使用）的侦察与电子战无人机，可以由C-130 运输机携带至防区外并发射，无人机蜂群通过三角定位、时频差等无源精确定位与瞄准技术，综合利用多平台上的侦察资源、统一进行任务的动态分配，为引导目标信号干扰提供决策，压制敌方导弹防御系统、切断敌方通信乃至向敌方数据网络中注入恶意代码，即”赛博攻击”等功能，或引导精确火力打击。
整个项目分为三个阶段：第一阶段是为期10 个月的系统设计阶段，第二阶段是为期约1 年的技术成熟阶段，第三阶段是为期约1 年半的演示验证机飞行试验阶段。初步计划是2020 年完成演示验证试验。目前，DARPA 设定的装备目标规模是生产1000架小精灵无人机和25 套机载设备。
2016年3月24日， DARPA宣布将授予“小精灵”（Gremlins）第一阶段合同授予洛克希德马丁、通用原子航空系统公司、美国挤压研磨公司和复合材料公司四个研究团队。该阶段目标将会涉及技术领域，包括：无人机空中发射发射和回收技术、装置和集成概念；低成本可消耗机体设计（利用现有技术，只需对现有飞行器进行适度改进）；高保真度分析、精确数字飞行控制、导航和位置保持技术等。
3. 低成本无人机集群技术（LOCUST）
2015年4月16日，美国海军研究办公室（ONR）公布了低成本无人机机群技术项目的研发验证工作。该项目将研制一种管式发射装置将大量无人机快速连续发射至空中，无人机之间可进行信息共享，在进攻或防御任务中实现自主协同工作。这种发射装置和紧凑型无人机体积较小，因此，可在舰船、战术车辆、飞机或其它无人平台上发射。这种蜂群攻击将利用深度学习和神经网络等技术，进行互相通信。根据项目研究人员仿真预估，其对于“宙斯盾”舰船攻击，每8架次将会有2.6次的成功率，尽管其0.9 kg的战斗部无法击毁敌舰，但可破坏敌舰雷达等传感器系统，为后续攻击创造机会，未来LOCUST可发射大群自主式无人机淹没敌人，为海军提供优势。
2016年7月，英媒称雷声公司将会利用“郊狼”无人机在墨西哥湾开展舰基无人蜂群试验，美海军将会对试验全程观察。目前，雷声公司正在为“郊狼”无人机蜂群寻求各种应用的可能。当前该无人机已配装美国国家海洋和大气管理局的P-3“奥利安”飞机上开展飓风监视工作。此外，雷声公司也在C-130H运输机上测试了无人机发射能力，并将在P-8“海神”海上巡逻机、V-22“鱼鹰”倾转旋翼机及MQ-1“捕食者”大小的无人机上进行发射试验。雷声公司声称海上蜂群编队验证将完成无人机蜂群发展的第一阶段，之后将朝着更加复杂的自主能力迈进。
4. SoSITE“体系综合技术和试验”项目
2014年4月，DARPA提出了SoSITE项目，其目的是通过分布式空战体系架构研究，保持美国在竞争环境下的空中优势，发展能够快速集成任务系统/模块到体系的技术，研究验证体系对抗的有效性以及体系架构的稳定性[3]。具体目标包括：1）在无人和有人平台之间分配杀伤链功能，权衡功能与费用；2）基于开放系统架构，将先进任务系统快速集成到有人和无人平台；3）作战人员可以干预、优化分配效果；4）保持系统多样性，避免过于单一导致体系性的脆弱性和低适应性。
下图将现有作战模式与SoSITE作战模式进行了对比。如图所示，在目前作战模式下，1架预警机与3架有人机协同作战，每架战斗机都具有电子战、雷达探测/成像能力，同时携带作战武器。而在SoSITE模式下，仅有1架有人机和1架无人机在预警机指挥下执行任务。有人机与无人机协同作战，具备电子战、雷达探测/成像能力及杀伤武器可在无人机平台发射，而并非将所有能力整合在一个平台上，这将大大增加作战效费比。
SoSITE项目聚焦于发展分布式空战的概念、架构和技术集成工具。这个概念将利用现有航空能力，使用开放式架构在各种有人和无人平台上分散关键的任务功能，比如电子战、传感器、武器、战争管理、定位导航和授时以及数据／通讯数据链等。同时该项目采取的开放式架构为组件和平台提供了统一标准和工具，如有需要可以进行快速的升级和替换，从而降低全新航空系统的研发成本和周期。
该项目的最终目标是将有人战机作战能力分散到大量具备某一个或某些功能的各类小型平台上；在此基础上，实现平台间数据共享、多机组网、协同配合及平台不同任务模块的即装即用、无缝连接，进而形成分布式的空中作战体系[4]。
2016年8月下旬，美国空军研究实验室授予洛克希德马丁公司一份价值3640万美元的合同，用于SoSITE第2阶段的开发，标志着SoSITE项目开发进入了整合验证阶段。在该阶段，洛克希德马丁公司将开发体系架构，验证如何将快速发展的任务系统整合进该架构中，并验证这种架构的作战有效性与鲁棒性，从而高度竞争环境中维持美国的空中优势。
- 主要问题
当前美国无人机协同作战面临的技术问题主要包括：
1. 当前无人机自主等级不能满足无人机协同作战的要求。 从美国近期发布的各项目计划中可看出，无人机自主技术是实现协同作战的重点技术需求。然而，当前美军现役无人机均没有高等级自主能力，下图为美国防部发布的无人机自主控制等级及典型无人系统自主性情况[5]。
如图所示，当前美国装备的“全球鹰”、“影子”和“火力哨兵”无人机目前处于第2、3等级，仅能对各类情况作出有限响应，距离等级10的完全自主集群还有很大差距，尚不能满足协同作战需求。DARPA计划的联合无人空战系统（J-UCAS）及无人战斗武装旋翼飞机（UCAR）的设计自主等级分别为6和8，但项目分别于2009年和2004年取消。针对当前自主技术发展情况，美国空军研究实验室提出了自主系统技术发展规划[6]，开发相关算法技术，其目的是为自主系统提供更好的柔性、能力和多功能性，来满足未来无人协同作战需要。
2. 预设通信协议妨碍编队重组能力。 在多无人机系统中，定义良好的通讯协议是降低网络复杂性的关键步骤。但是，需要权衡考虑系统通信协议限制与系统集群动态重组能力。通信协议通过提前设定通讯路径可降低无人集群系统之系统复杂程度，而这种预先设定的通讯协议可能会对编队动态重组造成障碍：作战中，一旦编队中某节点出现故障或被击毁，原有的通讯路径将会被破坏，这妨碍了编队重组作战任务。此外，大批量无人机作战可能会降低系统可靠性。随着体系中无人机数量的增加，作战系统的复杂性急剧上升，总而导致系统更加脆弱，降低整体可靠性，所以在大批次编队集群打乱的状况下实现动态重组成为了一个关键问题。美国当前开发的“战术目标瞄准网络技术”（TTNT）可能会彻底解决以上难题。TTNT是一种基于IP嵌入到联合战术无线电系统(JTRS)中使用的高速、宽带、新型战场网络技术，具备自动组网、网络部署迅速、网络带宽宽、实时性强等特点，其理论网络容量可达1000个节点，满足大批量无人机集群要求。未来无人机集群采用TTNT数据链将能够实现临时快速组网，保证编队在各种状况下的编队动态重组能力。
3. 无人机机种、功能不同妨碍系统集成。 对于未来无人机群协同作战，体系中的无人机种类、功能各不相同，各种无人机具有不同特点（飞行参数、形状及尺寸等）和适应性，这对于无人机系统之系统集成造成了挑战[7]。
4. 小型无人机雷达传感器技术限制。 雷达是无人机重要的传感系统，根据NATO SET会议内容，小型无人机载荷重量应在18 kg以下，但当前无人机装备的雷达传感器具有较大重量，难以满足技术需求。以“掠夺者”装备的AN/APY-8雷达为例，其重量约为52 kg，超出了小型无人机负载能力。而且，在技术水平相同的情况下，较小尺寸、较轻重量的载荷往往意味着雷达功率更低、孔径更小，会缩短无人机探测距离，降低作战效能。
- 发展趋势
根据美军对于无人机作战系统项目的规划和发展，可以看出美无人机作战正呈现出自主化、集群化、分布化趋势，具体如下：
1. 无人机系统向智能自主化发展。系统将具备感知、认知、分析、计划、决策和执行等各种能力，将针对战场环境、任务需求，自动调整和选择行动方式，优化作战路径，提高任务效率，自主完成任务。
2. 无人机作战由单一平台作战向集群化发展。从“小精灵”、“LOCUST”等项目可以看出，具备自主能力的大批量无人机蜂群协同作战将成为重要作战方式。无人机集群中存在的大量目标将使敌方防御系统产生“饱和”而无法全部应对，而无人机群即便受到部分损失，作为整体仍可完成任务。
3. 无人机作战体系将会把不同作战功能分布在各类无人平台上。未来美空军将会根据作战环境和需求，在战斗中投入不同种类、数量的有人/无人作战平台完成作战任务，对当前各项作战功能进行重新整合，将昂贵大型装备的功能分解到大量小型平台上。在该体系中，大量具有分布式协同作战能力无人机的应用将会大幅降低任务成本，提高作战灵活性。
参考文献
[1] Clay J. Humphreys. Optimal mission paths for the uninhabited loyal wingman. 16th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference, 2015
[2] Air Force Research Laboratory. Autonomy for loyal wingman. BFI-AFRL-RQKH-2015-0003
[3] DARPA. System of systems integration technology and experimentation (SoSITE). DARPA-BAA-14-40
[4] 蒋琪，葛悦涛，张冬青. “动态”与“分布”—空中力量建设的“新“方向. 航天电子对抗，2016 (1)
[5] Department of Defence. Unmanned Aerial Vehicle Roadmap 2000-2025, 2001
[6] Air Force Research Laboratory. Air force research laboratory autonomy science and technology strategy. 2013
[7] Edwin Ordoukhanian. Resilient Multi-UAV Operations: Key Concepts and Challenges. 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, 2016