有人—無人空中編隊協同作戰技術研究進展

劉洪全 同志強 王 輝 龐維建

北京航空工程技術研究中心

21 世紀初，F-22 等隱身戰斗機的出現將空戰帶入了隱身時代。隱身平臺間空戰距離被極度壓縮，飛行員執行任務時面臨著極大風險。無人機平臺以其無人化、低成本、可消耗、戰場適應能力強、配置靈活等優點越來越受到重視[1]，并快速走向空戰舞臺，在納卡沖突、俄烏沖突中，無人機在監視、偵察、對地攻擊等方面發揮了重大作用，是主要作戰手段。2018 年8 月30 日，美國國防部發布了最新版《無人系統綜合路線圖（2017—2042）》[2]，明確了人工智能和機器學習是首要支撐技術，人機協作是無人系統的最終發展目標。人機協作的呈現形式是人機編組，即有人機—無人機組成空中編隊，無人機作為有人機的“忠誠僚機”進行協同作戰[3]，這是世界強國面對強對抗環境的全新作戰樣式。

目前，美俄等軍事強國都在發展有人—無人空中編隊協同作戰項目[4-8]，并取得了階段性成果。本文首先從無人戰斗機平臺和支撐技術兩方面介紹有人—無人編隊協同作戰項目的發展情況；然后探討分析未來有人—無人協同作戰場景，明確典型作戰樣式；最后圍繞有人—無人協同作戰關鍵技術，探討技術難點，指明應重點關注的發展方向。

一、無人戰斗機平臺項目

1. 美國“忠誠僚機”項目

2015 年，美國空軍提出“忠誠僚機”概念，旨在為F-22 和F-35 隱身戰斗機、B-21 隱身轟炸機以及下一代戰斗機等配備一款隱身無人攻擊機，由后者充當前者的僚機，執行遠程態勢感知、武器投放、欺騙干擾等作戰任務。

（1）XQ-58A“女武神”隱身無人機

XQ-58A“女武神”是美國“忠誠僚機”項目的代表機型，由美國克拉托斯安全防衛公司（Kratos）研制，如圖1 所示，長度8.8 m，寬度6.7 m，速度可達1050 km/h，飛行高度達13715 m，續航達3425 km，采用隱身設計，火箭助推彈射起飛、傘降回收，設有2 個內埋彈艙，可掛載AIM-120 空空導彈及GBU-39 小直徑炸彈。2019 年3 月5 日完成首飛，成本僅200 萬至300 萬美元。2020 年12 月9 日，美國F-22 和F-35A 隱身戰斗機首次與XQ-58A“女武神”隱身無人機進行了編隊飛行，后者作為空中信息節點使F-22 與F-35A 實現了數據交換。2021 年12 月，美國空軍部長弗蘭克·肯德爾表示，目前首要任務是部署“忠誠僚機”，2022 年克拉托斯安全防衛公司將交付6～10 架XQ-58A 無人機。

圖1 XQ-58A隱身無人機

（2）UTAP-22 “灰鯖鯊”無人戰斗機

UTAP-22 無人戰斗機同樣由克拉托斯安全防衛公司研制，如圖2 所示，機長6.1 m，翼展3.2 m，機重約930 kg，內部載荷為160 kg，兩側翼尖可分別掛載質量為45 kg 的載荷，最大飛行速度馬赫數0.91，續航約2600 km，單次航時不低于3 h，最大升限達15000 m。與XQ-58A 類似，該無人機采用隱身設計，可攜帶空空導彈、制導炸彈等武器和多種先進傳感器。2021 年5 月，集成自主核心系統（ACS）的UTAP-22 無人機完成了自主飛行試驗。

圖2 UTAP-22 “灰鯖鯊”無人戰斗機

（3）MQ-20“復仇者”無人機

MQ-20“復仇者”無人機由美國通用原子公司在MQ-9“死神”無人機基礎上研制，如圖3 所示，采用隱身設計，機長12.5 m，翼展20.12 m，速度可達740 km/h，機腹艙載荷為227 kg，總載荷1360 kg，最大升限18000 m，可配備有源相控陣雷達。2021 年8 月16 日，通用原子公司宣布已獲得美國空軍的合同，將公司的“復仇者”無人機改裝為“天空博格人”自主技術測試平臺。

（4）“機外感知站”無人機

圖3 MQ-20“復仇者”無人機

2021 年10 月，美國空軍研究實驗室授予克拉托斯安全防衛公司和通用原子公司一份價值1770 萬美元的合同，用于研制“機外感知站”無人機，如圖4所示。該無人機可配備“紅外搜索與跟蹤”被動探測傳感器，作為分布式傳感器平臺協助有人機進行隱蔽探測、跟蹤。

圖4 “機外感知站”無人機

（5）EA-18G 無人電子戰飛機

美國海軍持續改進EA-18G 電子戰飛機，打造“未來武器”作戰系統。2020 年2 月4 日,美國波音公司宣布已聯合美國海軍在馬里蘭州帕圖克森特河海軍航空站成功演示了EA-18G 電子戰飛機的有人/無人編組飛行能力。測試中一架有人EA-18G 飛機與兩架無人改裝的EA-18G 飛機組成編隊，共進行了4 次飛行，完成了21 項任務，驗證了有人駕駛的EA-18G 飛機與無人EA-18G 飛機協同執行任務的能力，使EA-18G向無人化實戰運用又邁進一步。

2. 俄羅斯“忠誠僚機”項目

（1）S-70“獵人”重型無人機

S-70“獵人”無人機長約14 m，機高2.8 m，翼展19 m，如圖5 所示，配備有源相控陣雷達，飛行速度可達1000 km/h，最大起飛質量22.15 t，內部彈艙可攜帶2.8 t 武器彈藥，包括空空導彈、空面導彈精確制導和非制導炸彈等，可與“蘇”-57 隱身戰斗機編隊，由后座武器系統控制員，通過機載數據鏈控制和指揮，實施協同作戰。S-70 無人機于2019 年8 月完成首飛，2019 年9 月底與“蘇”-57 戰機完成首次編隊試飛，2022 年4 月完成了首次空空導彈發射試驗。

圖5 S-70“獵人”重型無人機

（2）“雷霆”隱身無人機

“雷霆”隱身無人機在俄羅斯“軍隊-2020”防務展上首次亮相，如圖6 所示，機長13.8 m，翼展10 m，機高3.8 m，飛行速度可達1000 km/h，實用升限12000 m，作戰半徑為700 km，重7 t，最大有效載荷2 t，可與有人機編隊協同作戰，執行偵察和對地打擊任務。

圖6 “雷霆”隱身無人機

3. 歐洲“忠誠僚機”項目

（1）“未來空中作戰系統”項目

2017 年，法國和德國共同發起了“未來空中作戰系統”（FCAS）項目。2019 年6 月，FCAS 概念模型在巴黎航展上揭幕，如圖7 所示。FCAS 項目主要有三大組成部分：一是下一代戰斗機，以達索航空公司為主承包商，空客公司為次承包商；二是遠程載具無人機，為歐洲版的“忠誠僚機”，以空客公司為主承包商，歐洲導彈集團（MBDA）為次承包商；三是“空戰云”作戰系統，以空客公司為主承包商，泰雷茲公司為次承包商?！拔磥砜罩凶鲬鹣到y”項目計劃2040 年在空中創建一個由新一代戰斗機和無人機組成的互聯互通、協同作戰的空戰系統。

圖7 “未來空中作戰系統”項目概念模型

（2）“蚊子”項目

“蚊子”項目用于為英國空軍研發輕型/低成本新型作戰無人機，由勢必銳航空公司貝爾法斯特分公司主導，諾斯洛普·格魯門英國公司和英特佩斯公司參與。項目研發團隊于2021 年1 月獲得了3000 萬英鎊研制經費，計劃2023 年底前進行試飛驗證，將掛載空空、空地導彈，可與“臺風”戰機、F-35 戰機和英國下一代戰斗機等組成編隊進行協同作戰。

4. 澳大利亞“忠誠僚機”項目

空中力量編隊系統無人機由波音公司與澳大利亞政府共同研制，已被澳大利亞空軍正式定名為MQ-28A“幽靈蝙蝠”無人機，如圖8 所示，機長11.6 m，續航3700 km，采用隱身設計，可支持開展偵察、監視、戰場預警等飛行任務。原型機于2019 年發布，2021年2 月完成首飛，當前的重點工作是集成人工智能系統以實現有人—無人協同作戰。波音公司目前已在澳大利亞建設了生產線。

二、演示驗證項目

1. “天空博格人”項目

“天空博格人”旨在開發人工智能驅動的“計算機大腦”以及一套相關控制系統，以駕駛與有人飛機聯網的半/全自主“忠誠僚機”無人機，也可作為有人機的自動駕駛系統，形成有人—無人編隊協同作戰能力。該項目于2021 年4 月在UTAP-22 無人機上成功首飛，6 月在MQ-20 無人機上完成自主伴飛飛行試驗，2022年在MQ-28A 無人機上繼續開展飛行試驗。美國為該項目配備了X-62A 有人母機（F-16D 飛機改裝而來）以方便后面的有人—無人編隊飛行試驗工作。2022 年7月，“天空博格人”項目完成了兩架生產型XQ-58A 無人機的系列飛行測試。

2. “空戰演進”項目

2019 年5 月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）宣布啟動“空戰演進”項目，旨在研發支持空空作戰任務的人工智能引擎?！翱諔鹧葸M”是忠誠僚機的“上層”指揮控制系統，應用人工智能技術實現自動化和智能化的視距內空中格斗。制定空戰決策、確定目標優先級和選擇最佳武器等高級別認知功能由飛行員執行，飛機機動、編隊控制等低級別的飛機操作由“空戰演進”系統執行。2022 年2 月，DARPA 發布針對“空戰演進”項目第二階段第四技術領域（全尺寸飛機）的招標書，計劃改裝兩架F-16D 戰斗機，用于測試“空戰演進”系統視距內自主交戰能力。2022 年3 月，動力系統公司公布了該項目的部分細節，計劃利用現有成果來完成項目第三技術領域——“阿爾法馬賽克”項目相關工作，目標是把人工智能應用到更大規模的空戰管理任務上。

3. “拒止環境下的協同作戰”項目

2014 年，DARPA 啟動了“拒止環境下的協同作戰”項目，旨在研發分布式空戰無人機的自主和協同技術，以增強無人機（包括巡航導彈、誘餌無人機及其他無人機系統）在拒止或復雜電磁環境的作戰能力。關鍵技術主要包括自主飛行、編隊協同、操控界面和開放式架構。2019 年2 月，6 架美國海軍RQ-23“虎鯊”無人機在美國陸軍尤馬試驗場進行了一系列測試，以驗證“拒止環境下的協同作戰”項目系統對各種“虛擬目標、威脅和對策”的應對能力。2020 年10月，該項目人工智能軟件控制通用原子公司的“復仇者”無人機進行了兩個多小時的自主飛行，試驗中MQ-20“復仇者”無人機與其他5 架虛擬僚機聯手對指定區域的空中威脅進行了自主搜索和打擊。

4. “空戰云”作戰系統

“空戰云”作戰系統項目是歐洲FCAS 項目下的子項目，旨在開發新型的作戰協同軟件。人類飛行員能夠通過“空戰云”作戰系統建立任務并將其發送給無人機群，而無人機群則能夠在“空戰云”作戰系統軟件的協調下自主分配和執行任務。如圖9 所示，“空戰云”作戰系統將實時連接和同步戰斗機、加油機、運輸機、無人機等所有平臺，增強空戰編隊態勢感知能力以及協同作戰的信息處理和分發能力。

圖9 “空戰云”作戰系統網絡示意圖

5. “滿足任務最優化的動態自適應網絡”項目

DARPA 于2015 年啟動了“滿足任務最優化的動態自適應網絡”項目，旨在解決高對抗復雜電子環境中的動態自適應組網和各機載網絡之間兼容通信的問題。2020 年12 月在美國空軍研究實驗室完成演示驗證測試?；陧椖砍晒?，Link 16 數據鏈、戰術瞄準網絡技術、通用數據鏈和WiFi 網絡等多種軍用戰術數據鏈實現了復雜電子對抗環境中的互聯互通。

6. “韌性組網分布式馬賽克通信”項目

2020 年6 月，DARPA 啟動了“韌性組網分布式馬賽克通信”項目，計劃在2021 年投資740 萬美元，開發用于當前戰術無線電作戰波形的空間分布式收發元器件（或貼片），替代高功率放大器以及大型定向天線，通過將其部署在地面車輛、無人機、高空平臺和低軌道衛星上，在反介入/區域拒止環境中提供遠距通信，具有可移動、低成本、可消耗、抗干擾、自修復等特點，可從根本上改變遠程戰術通信方法，可支撐“馬賽克戰”概念落地。

三、有人-無人空中編隊協同作戰場景

空中作戰的主要任務包括防御性制空、進攻性制空和搜救、情報、通信指揮控制等其他作戰任務，如圖10 所示。無人戰斗機采用模塊化設計，可根據任務需要換裝包括武器、偵察傳感器在內的各種任務載荷，可執行情報搜集、偵察警戒、掃蕩護航及戰斗巡邏等大多數空中作戰任務。

圖10 空中作戰任務分類

1. 防御性制空應用場景

根據任務需要選擇合適任務載荷的無人機組成有人—無人空中編隊，執行防御性制空任務，如圖11 所示。隱身無人戰斗機以雙機為單位在前線戰斗巡邏，配備紅外搜索與跟蹤系統，可進行分布式隱蔽探測；有人戰斗機居后，可配備高空長航時無人偵察機提高預警探測能力。在發現威脅后，有人機指揮隱身無人戰斗機前出攔截，適時發射空空導彈攻擊目標。無人戰斗機也可為預警機等高價值空中目標執行防護任務，預警機發現威脅后，指揮無人戰斗機前出攔截并攻擊威脅目標。

圖11 有人—無人空中編隊防御性制空作戰場景

2. 進攻性制空應用場景

在進攻性制空作戰中，根據任務類型，有人機與不同類型的無人機協同形成立體作戰效果，完成不同的作戰任務，如圖12 所示。

圖12 有人—無人編隊協同進攻性制空作戰場景

（1）偵察

在偵察任務中，有人機居于防區外，不同類型或不同載荷的無人機部署在前線，利用隱身、長航時、分布式等優勢[12]，使用光電攝像機、紅外成像傳感器、合成孔徑雷達成像傳感器等傳感器載荷，通過協同方式開展廣域測繪與監測、目標跟蹤、近地偵察等任務。無人機上配備基于人工智能機器學習的處理、利用和分發系統，將處理后的偵察信息匯總到有人機上進行決策，實現非傳統情報、監視和偵察效果。

（2）掃蕩/護航

在空中掃蕩任務中，基于無人機可消耗、隱身強和分布式探測等優勢，每架有人機配對4～6 架無人機，以編隊形式進入戰區，對戰區上空敵方目標進行掃蕩，奪取制空權。無人戰斗機具備空空武器掛載能力，可作為轟炸機、運輸機等特種有人機的護航機，發現威脅后，在有人機的指揮下完成攻擊任務，確保被護航機的安全。

（3）防空壓制/摧毀

隨著防空系統的發展，防空壓制/摧毀任務的復雜度和危險系數越來越高，有人機越來越難以適應未來防空壓制任務的作戰需求。在未來防空壓制任務中，無人機將扮演重要角色，執行誘餌欺騙、電子干擾/壓制和突防打擊等任務，可采用“有人機+忠誠僚機+無人機集群”作戰模式，低成本無人機集群由空中大型平臺釋放，其敵方防空系統的探測、跟蹤和攔截能力能夠迅速飽和，同時可實施電磁干擾壓制和智能精確打擊；忠誠僚機利用防空系統輻射信號，使用反輻射導彈摧毀敵方防空作戰關鍵節點；有人機可實施大規模跟進打擊。

（4）遮斷/近距空中支援

空中遮斷是對地面部隊實施支援的一種重要方式，其主要打擊目標為指揮與控制系統、后勤運輸系統和地面部隊。有人戰斗機和察打一體無人機構成協同編隊，由無人機提供持續滲透偵察能力，必要時通過其攜帶的空地導彈、制導炸彈和電子干擾載荷執行攻擊任務；有人機則在無人機的協同下，對關鍵節點實施精確打擊。

近距空中支援是由飛機打擊與我軍/友軍距離較近的敵方目標的作戰任務。有人—無人編隊執行近距空中支援任務時，有人機居于肩扛式防空導彈攻擊范圍之外，作為決策中心，指揮無人機適時攻擊敵方目標，并在無人機的協同下對關鍵目標進行打擊；無人機持續近距離支援地面部隊，為有人機或后方指揮系統提供戰場偵察信息，也可自主或在有人機控制下直接參與火力打擊。

3. 其他空中作戰應用場景

在未來戰斗搜救、情報獲取等任務中，有人—無人編隊亦將發揮重要作用。例如，有人機居中，小型偵察無人機散布四方進行搜尋工作，發現搜救對象后，由有人機前往搜救。配備傳感器、通信設備的無人機亦可作為情報獲取終端和通信中繼節點。

四、有人-無人協同作戰關鍵技術

無人機在技術上重點關注結構設計、載荷平臺等問題，以實現隱身性、低成本、可變載荷等發展目標；有人-無人協同作戰則需重點關注跨域異構通信網絡、無人機自主操控系統和協同作戰系統三方面。

一是跨域異構通信網絡?？缬虍悩嬐ㄐ啪W絡技術是有人—無人得以協同作戰得以實現的基礎，是各作戰平臺得以通信的前提條件，它需支撐復雜電磁環境下的動態組網以及異構機載網絡間的高速通信。該網絡采用近地通信衛星、5G 基站、無人通信中繼等資源構建協同作戰網絡環境，在設計上注重魯棒性、安全性和抗毀性，可應對未來電磁網絡戰的攻擊。

二是無人機自主操控系統。自主操控系統使用人工智能、自動控制等技術，實現無人機自動駕駛、智能作戰等自主化、智能化操作，使無人機配備“人工智能飛行員”，是有人—無人協同的核心技術，它可使有人機飛行員將精力重點放在戰斗決策和監督上，也可作為有人機的自動駕駛系統。

三是協同作戰系統。協同作戰系統是空中作戰任務得以實現的支撐軟件平臺技術[13-15]。通過協同作戰系統，戰斗編隊內的各無人平臺將傳感器獲得的信息進行初步處理后，匯總至有人機平臺，有人機飛行員通過系統提供的操作界面，制定、建立作戰任務后，系統自主分配到各無人平臺。無人平臺上的協同作戰系統將任務轉化成自主操控系統的操作指令，最終驅動“人工智能飛行員”完成協同作戰任務。

五、結束語

隨著無人系統、人工智能、信息網絡等技術的發展，有人—無人編隊協同作戰是未來空戰的必然作戰樣式，可在防御性制空和進攻性制空等制空作戰任務中發揮舉足輕重的作用。經過近幾年的快速發展，美歐等軍事強國的“忠誠僚機”項目即將列裝部隊。無人機平臺重點關注一體化、模塊化設計，采用開放式架構，注重解決隱身性、低成本、可消耗、多任務、變載荷等問題。有人—無人編隊協同則應重點發展跨域異構通信網絡、無人機自主操控系統和協同作戰系統，確保協同作戰落到實處。