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分布式無人機與無人機集群

發(fā)布日期:2022-02-28??來源:eet-china??作者:李清我要投稿我要評論

     想象中的無人機集群

 

當前,無人機是航空器發(fā)展的熱門領域。伴隨著無人機熱的持續(xù)升溫,新概念也大量涌現(xiàn)。分布式無人機與無人機集群便是例子。什么是分布式無人機?什么是無人機集群?二者之間什么關系?對于諸如此類的問題,非專業(yè)人士大都一知半解。好吧,我們就來說說這些問題。

 

一、什么是分布式無人機?

 

分布式無人機,即采用分布式結構的無人機。所謂分布式結構,就是將目前集成化的功能系統(tǒng)拆分為若干物理分離、結構相對簡單、功能相對專一的子系統(tǒng),通過信息互通,保持或擴展原有功能。做一個比喻,如果把系統(tǒng)的結構稱之為“形”,系統(tǒng)的功能稱之為“神”,分布式結構就是“形散而神不散”。

 

 

空中作戰(zhàn)從集成到分布

 

分布式結構的概念,由美國人提出。2010年5月,美國空軍首席科學家在《技術地平線報告——2010-2030年間空軍科學與技術構想》中首次提出了分布式結構的概念。

 

分布式結構是相對于集成化而言的。所謂集成,就是把一些孤立、分散的事物或元素集中在一起,產(chǎn)生聯(lián)系,構成一個功能整體。集成化的水平,可以用集成度進行度量。以集成電路為例,目前元件的集成度已經(jīng)超過了1億個,組件數(shù)超過了109個。手機,就是集成化的產(chǎn)物,從最初的單一通話到現(xiàn)在的智能手機,就是元器件和功能模塊的集成度不斷提高的結果。無人機的發(fā)展也離不開零部件、功能模塊與單元體的高度集成,集成化帶來了無人機功能和運用領域的不斷擴展,同時也帶來了一些問題。

 

這些問題突出表現(xiàn)在兩個方面:一是隨著無人機集成度的不斷提高,其技術含量和復雜程度也不斷提升,研發(fā)周期不斷拉長,研發(fā)成本不斷攀升,無人機的成本優(yōu)勢逐漸喪失。目前,就大型高端無人機而言,在單機采購成本上無人機已經(jīng)沒有多少優(yōu)勢,其成本優(yōu)勢主要體現(xiàn)于任務飛行成本。據(jù)統(tǒng)計,有人駕駛飛機的訓練飛行時間約占總壽命的95%,任務飛行時間僅占5%左右,而無人機的大部分訓練都可以在模擬器上進行,任務飛行時間可以達到總壽命的50%左右,因此,無人機的每小時任務飛行費用要顯著低于有人駕駛飛機。二是對于高度集成化的無人機,其任一任務系統(tǒng)的損失都可能導致任務失敗或系統(tǒng)失靈,從而影響其戰(zhàn)場生存力。

 

面對問題,迫使美軍思考新的出路,分布式結構也就應運而生。美軍希望通過分布式結構推出一大批功能單一、成本低廉、可以大量裝備的無人機,部分取代目前成本居高不下的高端無人機,用數(shù)量優(yōu)勢取代質量優(yōu)勢。美軍認為在一定條件下,數(shù)量就是質量??梢姡植际浇Y構其實就是“逆集成化”,是對集成化的反其道而行之。當然,必須指出,分布式結構不是對集成化的否定,而是提供了一種與集成化長期共存的新選擇。

 

分布式發(fā)展的最大好處是通過拆分和冗余技術的組合,在降低研制、使用費用與風險的同時,還具有遠遠超過傳統(tǒng)武器裝備的戰(zhàn)場生存力。目前,實現(xiàn)航空武器裝備的分布式發(fā)展主要面臨兩大難題:一是通信問題,如何在強對抗環(huán)境下保證子系統(tǒng)間通信的有效帶寬、時效性和抗干擾等問題;二是自主協(xié)同控制問題,空中戰(zhàn)場瞬息萬變,如何保證物理分離的各子系統(tǒng)圍繞作戰(zhàn)任務,在作戰(zhàn)空間實現(xiàn)快速協(xié)同。只有解決了這些問題,分布式結構才能走向實用。近年來,5G通信網(wǎng)絡技術和人工智能技術的發(fā)展為解決上述問題帶來了新的希望。

 

二、什么是無人機集群?

 

集群,是眾多個體聚集在一起,實現(xiàn)共同目的的群體協(xié)同行為。

 

 

魚類集群

 

集群現(xiàn)象存在于自然界,如一些魚類、鳥類、昆蟲類和哺乳類等動物的自主集群。動物集群有四個特點:一是無中心,沒有任何個體處于主導地位,任一個體的消失或功能喪失,都不影響群體功能;二是自主協(xié)同,每一個體依據(jù)相鄰周邊狀況,自主控制自身行為,實現(xiàn)群體間的自主協(xié)同;三是自主重構,任何原因導致集群受損或受到影響,集群都能夠自主恢復或建立新的構型并保持穩(wěn)定;四是趨利避害,通過集群間的信息、資源共享與相互協(xié)作,動物集群可以增加個體發(fā)現(xiàn)、捕獲獵物的機會,同時也有利于規(guī)避天敵,提高個體的生存率。

 

人們關注動物集群由來已久。近年來,隨著無人機技術的發(fā)展,特別是機間通信技術和自主控制技術的發(fā)展,借鑒動物集群實現(xiàn)無人機集群的問題引發(fā)人們高度關注。無人機集群,包括同構集群和異構集群。由相同類型無人機構成的集群是同構集群,由不同類型無人機構成的集群是異構集群。推而廣之,圍繞同一任務,無人機和有人機也可以構成廣義異構集群。目前,在研究動物集群的基礎上,對于無人機集群問題的研究主要集中在兩個方面,一是無人機自主集群的技術實現(xiàn),二是無人機自主集群的運用研究。

 

無人機自主集群的技術實現(xiàn)。近年來,關于無人機集群的報道屢見不鮮,如今年6月2日,為慶祝建校一百周年,哈爾濱工業(yè)大學放飛了1000架四旋翼無人機,進行了燈光秀表演,炫酷全場。此前,2018年7月19日,為慶祝公司成立50周年,英特爾公司用2018架四旋翼無人機在空中打出了“intel 50”字樣。目前,固定翼無人機的世界放飛紀錄,是2017年中國電子科技集團創(chuàng)造的119架。這類表演可以分為兩種情形:一是通過飛行過程的程序控制,實現(xiàn)無人機的空中集群與飛行表演,目前的表演大多都是這種情形。二是通過無人機的自主控制與機間協(xié)同,實現(xiàn)無人機的自主集群。真正的無人機自主集群,其實是這種。現(xiàn)有報道中,這種情形極其少見。不是不愿意做,而是絕大多數(shù)表演者根本做不到。要實現(xiàn)無人機自主集群,在技術上至少需要解決一系列問題,包括無人機自主控制算法、無人機飛行與環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集與傳輸、寬帶大容量抗干擾網(wǎng)絡通信鏈路、飛行任務規(guī)劃、路徑規(guī)劃、編隊控制等。目前,關于無人機自主控制的公開項目主要有美國國防部先期規(guī)劃局(DAPAR)的“小精靈”項目、拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)(CODE)項目、美國空軍的山鶉(Perdix)項目、美國海軍的低成本無人機集群技術項目等。

 

無人機自主集群的運用研究。包括作戰(zhàn)使用研究和民用研究。前面提到的美軍無人機集群項目中也都包含了作戰(zhàn)使用研究。無人機集群主要用于空中突防與防空壓制,一是利用集群無人機的低成本優(yōu)勢,大量消耗敵方防空導彈,使對手“打不起”;二是利用無人機集群的數(shù)量優(yōu)勢,造成敵方防空預警系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的“通道飽和”,使對手“看不見”“動不了”。此外,無人機集群也可以用于對面打擊和城市巷戰(zhàn)。歸根結底,無人機集群用于作戰(zhàn),主要是發(fā)揮數(shù)量優(yōu)勢,讓對手無從招架。無人機集群用于民用領域,同樣是發(fā)揮無人機集群的數(shù)量優(yōu)勢,有望運用于物流快遞、農業(yè)播種植保、應急救援中的通信組網(wǎng)、遙感對地觀測以及燈光秀等。

 

三、二者之間什么關系?

 

就概念而言,二者本質不同,說的是不同領域的兩碼事。分布式,說的是無人機結構,相對于目前的集成式而言。集群,說的是無人機的使用方式,相對于無人機的單平臺使用和小機群使用而言。

 

但是,二者也不是風馬牛不相及,而是互為依托,相互促進。如果沒有分布式結構,也就很難有真正意義上的低成本無人機,無人機集群也就很難走向實際運用。同樣,如果沒有無人機集群的相關研究和技術鋪墊,分布式結構所要求的信息互通、功能不減也就無從實現(xiàn)。由此決定了二者在一些領域技術上是相通的,在實際發(fā)展中也是相互促進的。

 

分布式無人機與無人機集群,為未來無人機發(fā)展開辟了新路,并有望帶來空中戰(zhàn)場的革命性變化。盡管目前二者都還處于概念探討與技術研究階段,距離工程化還有很長的路要走,但是未來值得期待,讓我們拭目以待。

 

【作者簡介】李清,航空工業(yè)發(fā)展研究中心研究員,航空工業(yè)集團公司特級技術專家,從事航空產(chǎn)品發(fā)展戰(zhàn)略與裝備體系研究。

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