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美《空军杂志》长文:即将到来的无人机“蜂群”

2019年04月15日 15:17:13 来源:空天防务观察

美《空军杂志》2019年4月号刊文,详细介绍和展望了美空军未来无人机蜂群的发展应用。我中心特将此文要点编译如下,以飨读者。

虽然最初的作战能力有限,但无人机蜂群技术很可能会在未来几年进入战场。然而,把人工智能和自主技术有机结合以应对高端作战可能还需要一段时间。美空军负责采办、技术和后勤的助理部长威尔·罗珀在谈到无人机蜂群时认为:“我喜欢蜂群技术,我认为这就是未来战争的样子。”

“灰山鹑”无人机蜂群

罗珀在2018年2月进入空军之前,曾在美国防部国防部战略能力办公室任职6年并推动了“灰山鹑”项目的发展。

可消耗的“灰山鹑”微型无人机蜂群可以在低空执行情报监视侦察任务以及其他短时间的作战任务。它们可以在空中、海上或地面发射,能以小型或大型的蜂群形式执行任务(美空军图片)

“灰山鹑”是一种可消耗的微型无人机,可从各种军用飞机上发射,并在更大、更昂贵的远程遥控飞机(注:如MQ-9等高端无人机)或有人驾驶飞机之前飞行,执行情报监视侦察任务。2016年,战略能力办公室与美国海军航空系统司令部合作,测试了这种先进的无人机蜂群:3架F/A-18在加州中国湖海军航空武器站空射了100多架微型无人机。

罗珀认为:“考虑到战争的复杂性,‘灰山鹑’蜂群无人机在协同时没有预编程,而是通过分布式大脑的决策形成了有机的整体,并能像自然界中的蜂群那样适应彼此。由于每架‘灰山鹑’都能与其他‘灰山鹑’通信和合作,所以蜂群中没有领导者,单架无人机可以自然地进入或离开编队。”

无人机蜂群发展困境

但是,今年2月罗珀对记者说,目前甚至很难找到进行无人机蜂群试验的靶场。他认为国防部在发展这种技术时必须调整思路。

“我去找他们说,‘我想让战斗机空射100架微型无人机,’他们说,‘好吧,告诉我每架无人机的飞行计划,’我说‘我没有。它们会做它们自己的事情,但是我可以画一个确保它们不会离开的空域范围’。我们必须从‘你需要一个飞行计划’转变为‘不,你需要一个飞行边界’,这就可以了。”

但他补充说,在无人机蜂群进入型号研制之前,确实需要回答一些问题:“如何证明它的能力?如何测试和评估?谁将装备它?它是武器系统吗?平台是否拥有自主集群和协同能力,还是各种平台都有自主集群和协同的程序?

美空军负责试验与评价、作战试验和适航的专家必须创造性地找出答案。国防高级研究计划局(DARPA)战术技术办公室“小精灵”项目经理斯科特·韦尔茨巴诺夫斯基(ScottWierzbanowski)表示,研究人员目前仍在思考无人机蜂群如何作战,如何加入人工智能算法和自主能力。但是他同时认为,无人机蜂群从根本上讲仍是有效的作战装备。

DARPA“小精灵”和CODE无人机蜂群项目

无人机蜂群在战争的各个领域都有应用。高端作战方面,在反介入/区域拒止(A2/AD)环境中,实力匹敌的对手会部署多套综合防空系统,使得空域进入变得极其困难。这种情况下,大量小型、价格低廉的无人机可饱和敌雷达系统,降低有人机和昂贵无人机的风险。

韦尔茨巴诺夫斯基表示,低成本无人机可以分享传感器数据并一起作战,如果被击落的话,损失一架无人机在成本上也是可以接受的。“我们真的相信这种威胁环境是十分危险的,但是我们必须尽可能地接近敌人,以确定威胁到底是什么”。

现在,考虑在宽松作战环境下进行的一次秘密行动,C-130从空中发射2到4架小型无人机,部署传感器或拓宽C-130等飞机执行任务的路径。

在这种作战场景中,韦尔茨巴诺夫斯基说:“他们不需要‘死神’‘全球鹰’或战斗机压制敌防空。实际上,他们可以自己解决问题,而且方式可能更加简单,这也和作战中队的目标相一致。可以应对不同复杂度的作战场景是无人机蜂群拥有的关键优势之一,而传统作战装备很难提供这种能力。”

2018年4月,DARPA授予Dynetis公司一份为期21个月价值3860万美元的“小精灵”项目第三阶段合同。该项目聚焦于发展可支持这种分解式作战行动的无人机蜂群技术。具体来说,“小精灵”项目的目的是证明多架无人机可以从一架远离敌防区的C-130上安全发射和回收。“小精灵”无人机长4.267米,加满油重725.75千克。这比罗珀的“灰山鹑”无人机要大很多,韦尔茨巴诺夫斯基表示“小精灵”无人机的尺寸和巡航导弹差不多。

DARPA“小精灵”项目概念图。该项目设想了轰炸机、运输机和战斗机在防区外空射一群无人机并共同攻击目标(美国防部国防高级研究计划局图片)

在“小精灵”无人机蜂群完成预设的作战任务后,C-130将使用类似于空中加油对接装置的“水平对接站”在空中回收无人机。Dynetics公司首席工程师、“小精灵”项目副经理蒂姆·基特(TimKeeter)表示,与回收篮不同,对接装置可以通过机械机构牢固地锁定“小精灵”无人机。

在第三阶段,DARPA计划于2020年1月进行第一次大规模的演示验证:在30分钟内回收4架“小精灵”无人机。未来,一架C-130根据作战需求最多可以回收16架无人机。另外,“小精灵”无人机也可从F-16战斗机、B-52轰炸机和其他飞机上发射,而且还不需要对载机进行大规模改装。这可能会显著提升无人机蜂群的规模。

2019年2月初,Dynetics公司团队在中国湖开展了“水平对接站”的飞行试验,试验中并没有使用实际的“小精灵”无人机。在4月初,公司计划在有人驾驶的利尔喷气飞机上试验“小精灵”无人机的航电系统。肯特表示:“航电系统是无人机的大脑,在试验过程中如果出现任何问题,飞行员可以接管飞机的控制权。”

2019年夏天,“小精灵”无人机将开展第一次飞行试验,以便在与有人机进行协同试验之前证明自身能力。不像罗珀的“灰山鹑”,“小精灵”无人机至少目前没有使用人工智能或者自主行为系统。

然而,韦尔茨巴诺夫斯基在DARPA负责的另一个项目,即“拒止环境协同作战”(CODE)项目正在研发无人机蜂群的自主技术。他说:“自主对无人机蜂群协同作战十分重要,因为在这种情况下,作战人员将更多地处于战略或监管层面。作战人员将提供指挥官的想法,而蜂群系统能够基于该想法制定行动方案。”

2018年年底,DARPA在亚利桑那州尤马试验场测试了CODE无人机在反介入/区域拒止环境中适应和响应未知威胁的能力。无人机最初可以和任务指挥官交互,但是在通信降级或失去时,无人机蜂群证明了在没有作战人员控制下仍然可以完成任务。

韦尔茨巴诺夫斯基表示:“试验中的蜂群行为是自主编队的基石,编队可以协同并适应任务需求和不断变化的环境。”

在空中不断做出改变。CODE项目将使多架装备有CODE系统的无人机实现协同感知、适应和应对意外的威胁和新目标。系统可以共享信息和计划以及分配任务目标,做出协调的战术决策,并在高威胁环境中拥有反应能力(美国防部国防高级研究计划局图片)

在2019年4月之前,DARPA将继续领导CODE项目,之后其将转化到海军航空系统司令部。然而,韦尔茨巴诺夫斯基表示,他真心希望把“小精灵”和CODE项目放在一起。“虽然这两个项目是分别设计的,但是如果把它们相结合并进行演示验证将是很有价值的,可以看看无人机蜂群真正可以执行什么任务。”

韦尔茨巴诺夫斯基目前每周都与国防部相关机构对话,一些人对项目表示出了兴趣,但是兴趣尚未变为投资。

人道主义援助

无人机蜂群也可以用于人道主义援助,例如灾难救援。美空军研究实验室(AFRL)正在和怀特兄弟研究所以及代顿大学研究所联合开展“蜂群和搜索AI挑战”项目。该项目将与英国的一个类似的竞赛项目同时进行。

2018年4月,英国国防科学和技术实验室的代表到怀特兄弟实验室访问时提出了上述想法。当时野火正在加州肆虐,而另一场野火也为英国造成了严重损失。为了进行人道主义挑战赛,两个实验室接触了非传统的小型企业和大学。希区柯克表示:“因为他们并不想参与军事任务。”

挑战赛要求参赛人员研究在绘制火场地图时如何规划和控制小型无人机蜂群。研究团队必须使用基于AFRL平台的无人机设计和传感器工具以及人工智能技术,并提出完成任务的最有效方式。AFRL小型企业高级技术顾问米克·希区柯克(MickHitchcock)表示,英国林业局将为所有团队发布问题描述的视频。“挑战虽然聚焦人道主义救援,但是事实上与空军感兴趣的点也十分契合”。

挑战赛的第一个任务场景让团队熟悉了软件。之后的场景随着挑战的进行而不断增加难度,并在3月29-31的“最终决战”活动中达到了高潮。

人工智能组件

罗珀承认美空军需要更多的人工智能,同时让跨系统的软件和联网技术适应传统的采办规则也是一项挑战。

罗珀表示,目前为止维护任务已被证明是人工智能工作的“沃土”,但在能够影响任务和生命系统中,人工智能的使用风险越来越高。

不过,研究人员正在取得进展。韦尔茨巴诺夫斯基说:“这已经不是10到15年后的事情了。这是一项可以在未来一两年内实施的计划,并与我们现有的武器系统或其改型一起使用。”


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