《微型无人机蜂群及其在冲突局势中的潜力》

无人驾驶飞行器（UAV）俗称无人机，目前被广泛用于边境监控、空中侦察、交通管制和武装冲突中的军事干预等行动。尽管人的因素在编程和控制方面仍起着至关重要的作用，但这些飞行器有望成为可靠、自动、有时甚至自主的机器。无人机在诞生之初，结构复杂，体积庞大，只属于技术先进的军事强国的专属俱乐部。它们往往用于对付技术薄弱的军事目标定位。现在，无人机在价格、尺寸和先进性方面的发展使几乎任何人都能购买无人机。这些当代机器通常体积较小，而且随着人工智能（AI）的使用越来越多，其成本和使用范围几乎可以覆盖所有作战人员。因此，有必要重新思考使用它们的战略和战术。这些 "微型无人机 "很少具备 "传统 "无人机的复杂性和能力，但它们确实有能力提供大量资产，并不断增强能力。虽然它们可能不具备大型无人机的起重能力，但它们可以经济地大规模使用，因此可以产生不同但同样有效的结果。本文研究了蜂群及其相关能力，它们不仅能压倒战斗机，还能通过遍布蜂群的额外传感器带来额外功能。因此，复杂的人工智能为无人机群提供了各种类型的功能：例如，假人/曳光无人机、动能和非动能攻击无人机、监视无人机，以及可配备无线接入点并部署为特设飞行网络的无人机。本文还探讨了无人机/无人驾驶飞机的类别和自主性，以及如何利用自主性和蜂群智能（SI）为各种作战概念创造效率。

无人机蜂群

目前正在考虑采用各种类型的制空系统，使军事力量能够从空中（以及海上、地面和太空）长时间控制一个地区，并阻止敌人的移动和机动。无人作战飞机按其运行模式可分为两类：巡飞型和蜂群型。

目前正在考虑的系统是标准的武器化无人机系统或装有成像传感器的小型消耗性巡飞武器，如低成本自主攻击系统（LOCAAS）。低成本自主攻击系统以 "智能弹药 "武器群的形式运行，可自主搜索和摧毁关键的移动目标，同时瞄准广阔的作战区域。除了传感器的自主性，蜂群无人机还需要具备自我导航和自我定位的能力，以便有效地收集图像和信号。

正如广泛记载的那样，巡飞弹药是一种武器系统类别，弹药在目标区域周围巡飞一段时间，搜索目标，一旦发现目标就发动攻击。对于短时间内出现的隐蔽或隐藏目标，巡飞弹药可以实现更快的反应时间，而无需将高价值平台置于目标区域附近，并且由于可以中止实际攻击任务，因此可以实现更有选择性的目标定位。巡飞弹药介于巡航导弹和无人战斗飞行器之间，具有两者的共同特点。它们与巡航导弹的不同之处在于，巡航导弹被设计为在目标区域周围相对较长时间的巡飞，而巡飞弹药与无人战斗飞行器的不同之处在于，巡飞弹药的目的是在攻击中使用，并带有内置弹头。

无人机在世界各地的广泛使用是显而易见的，但如果能够使用这些系统组成的蜂群协同作战以实现共同目标，将对国防和安全大有裨益。蜂群技术是指协调使用不同类型、不同 "智能"、不同大小和不同能力的无人机，使其能够统一行动。使用蜂群技术，将众多无人机用于一个目的，越来越受到人们的关注。蜂群可以降低运营成本，提高系统效率，并增强许多领域的复原力。

无人机蜂群有额外的通信需求。有效的分布式行动需要一个战场网络，用于无人机之间的通信，以分配传感器目标和优先级，并将飞机定位到需要的位置。虽然操作员需要看到传感器和飞机群，但必须将对许多在战斗中作业的无人机的人为监督减少到最低限度，以执行电子战。自动目标定位将把主动权移交给自主无人机，而一个强大的抗干扰通信网络可以防止敌方干扰、捕获和篡改数据，是无人机蜂群作战的重要推动因素。

美国国防大学的 Kallenborn（2018）将无人机蜂群技术定义为无人机根据共享信息自主决策的能力。这有可能彻底改变冲突的态势。事实上，无人机蜂群在国家和国土安全的几乎每个领域都有重要应用。无人机蜂群可以在海洋中搜索敌方潜艇，也可以分散在大片区域，识别并消灭敌方地对空导弹和其他防空系统。无人机群甚至有可能成为新型导弹防御系统，拦截来袭的高超音速导弹。在国土安全方面，配备有化学、生物、辐射和核（CBRN）探测器、面部识别、反无人机武器和其他功能的安全蜂群可抵御一系列威胁。此外，它们还可在攻击模式下用作其中某些场景的载体。

McMullan（2019）认为，蜂群无人机有不同的形状和大小。例如，美国国防部高级研究计划局（DARPA）一直在开展一项名为 "小精灵"（Gremlins）的计划；这种微型无人机的大小和形状与导弹相当，可从飞机上投放，在广阔的区域内执行侦察任务。另一类是较大型的 XQ-58 Valkyrie 无人机（长 8.8 米）。

圣迭戈的一家名为 Kratos Defense & Security Solutions 的公司生产两种喷气式自主无人机：UTAP-22 Mako 和 XQ-58 Valkyrie，它们将与有人驾驶战斗机合作，成为人类飞行员的 "忠实僚机"。它们可以携带精确制导炸弹和监视设备。

DARPA 于 2016 年启动的 OFFSET-计划（OFFensive Swarm-Enabled Tactics）设想未来的小单元步兵部队使用由多达 250 个以上的小型无人机系统（UAS）和/或小型无人地面系统（UGS）组成的蜂群，在复杂的城市环境中完成各种任务。通过利用和结合蜂群自主和人-蜂群协同的新兴技术，该计划旨在实现突破性能力的快速开发和部署。OFFSET 的目标是提供快速生成蜂群战术的工具，评估这些蜂群战术的有效性，并将最佳蜂群战术整合到实战行动中。OFFSET 将开发一个积极的蜂群战术开发生态系统和支持性开放系统架构，包括

• 先进的人类-蜂群界面，使用户能够同时实时监控和指挥数百个无人平台。

• 支持基于物理的蜂群战术游戏的实时网络虚拟环境。

• 社区驱动的蜂群战术交流。(Chung, 2016）

目前，机载无人机的飞行路线、传感器有效载荷和武器系统均由地面控制站协调。然而，自主或半自主僚机的概念正以比预期更快的速度出现。未来的战斗机将能够为无人机提供任务和目标，管理传感器有效载荷，并从空中指导飞行路线。

在OFFSET计划中，通过利用和结合蜂群自主和人机协同的新兴技术，该计划旨在实现突破性能力的快速开发和部署。该计划包括五个研究和实验领域：蜂群技术、人-蜂群团队合作、蜂群感知、蜂群网络和蜂群物流。图 1 展示了自主蜂群能力开发 OFFSET 计划。

图 1：OFFSET 计划中的自主蜂群能力开发

2019 年 8 月，DARPA 进行了一次 OFFSET 测试，使用自主无人机蜂群和地面机器人协助执行军事任务。DARPA 展示了其机器人如何分析两个城市街区，寻找、包围并保护一座模拟城市建筑。

芬兰国防部（2015 年）指出，在某些情况下，无人机可以比有人驾驶飞机更好、更便宜地执行任务。难以探测的微型飞行器（MAV）的广泛扩散即将给防空带来极大挑战。即使是最小的无人机也适用于情报和精确制导弹药（PGM）目标定位。此外，它们还可以作为武器，甚至在建筑物内使用。最激进的概念侧重于取代 "情报-目标定位-发射 "链；其目标是通过协调使用蜂群式无人飞行器来实现快速武器效果。这就要求无人机具有足够的生存能力和成本效益，以便使防御达到饱和。

Haberl 和 Huemer（2019 年）在他们的会议论文中描述了无人机蜂群攻击。2018 年，俄罗斯国防部宣布，13 架安装了小型炸弹的无人机成功袭击了俄罗斯在叙利亚的基地。这种无人机旨在在撞击时爆炸，需要经过改装才能携带炸药，不难想象3D打印技术如何在这方面派上用场，尤其是无人机能够在不需要任何额外基础设施或设备的情况下躲避导弹预警系统。

在蜂群行动中，相互连接、相互协作的无人机能够智能地协同工作。蜂群智能是自然或人工的分散、自组织系统的集体行为（Beni& Wang，1993 年）。一般来说，在处理与安全相关的行为时，有两个主要重点：压倒性武力和欺骗。 小型无人机的成本不断降低（Hambling，2015 年），再加上蜂群的内在冗余性，使得使用众多无人机进行攻击更具吸引力，因为这往往会压倒针对它们的任何反制措施，此外，这也会使欺骗变得更加困难，因为一些无人机被禁用后仍会留下其他无人机执行任务。

目前，这些 "蜂群无人机系统 "被用于和考虑用于在水下保护潜艇等贵重资产，在空中保护有人驾驶飞机，以低廉的成本为军事单位提供监视。最初使用的 "系留 "无人机与 "母舰 "相连，为控制飞行器及其机组人员提供保护，反过来，"母舰 "通过为中央控制功能提供牺牲无人机，提供额外的监视设施、火力和掩护。这一概念发展到自主式无人机，每架无人机都是独立的，但与其他无人机保持通信，就像鸟群一样团结一致，这种实现方式赋予了群体更大的力量，除非其要素始终非常简单，否则更难欺骗。然而，简单的自组织蜂群可以在不损失太多功能的情况下失去一些成员--欺骗和/或摧毁蜂群要比欺骗个体难得多。不过，由于蜂群需要相互联系，因此更容易受到恶意软件的感染，而具有讽刺意味的是，这可能是蜂群的一个弱点。

水下无人机确实存在通信问题，尤其是在没有与 "母舰"连接的情况下，因为通信信号会被水介质衰减。信号是通过无线电、声波或光线（迄今为止一直使用蓝色）发送的。不过，通过将每架无人机排列成线，并将信号从一架传到另一架，从而像传统网络技术那样扩大范围，已经部分克服了这一问题。

无人机蜂群的概念源于寻找非对称方法来发展恐怖主义和叛乱战争的需要。从美国的角度来看，与常规部队相比，21 世纪初的敌人往往是相对分散的小团体。虽然这些战术并不新鲜（Arquilla 和 Ronfeldt，2000 年），但似乎确实需要这些战术来弥补大型、等级森严的部队的不足，因为事实证明这些部队不如这些小团体灵活、迅速。随着军用无人机的发展和不断进步，技术上有能力生产出更小更灵活的无人机。随着技术的发展，通信和人工智能技术的提高使这些机器的潜力不断增加，从而发展出无人机蜂群。网络理论的扩展使智能蜂群得以发展，从广义上讲，智能蜂群可以是分层的，也可以是网络化的（在组织意义上）。

无人机蜂群的设计可以使无人机蜂群系统的每个元素都能独立工作，并在需要时汇聚成群，这样无人机群就可以随着所处理问题的不同而扩大或缩小。因此，不同能力、功能和形态的无人机可以根据需要进行协调。这种能力非常强大，需要对手在群体层面开展工作，而不是针对单个无人机（尽管精心选择的目标定位无人机可能会产生预期的影响，但这取决于网络的架构）。

结论

蜂群理念从本质上推动了无人机向自主化方向发展。智能无人机群技术可对军事能力的各个领域产生重大影响，包括加强供应链、C5ISR 和投送动能弹药。能迷惑和压制防空系统的小型攻击无人机群很快就会成为现代军事武器库的重要组成部分，这将标志着机器人战争的重大发展。

计算机能力、处理速度和人工智能的进步正在迅速改变平台无需人工干预就能执行任务的范围。目前，控制一架无人机往往需要多人，而提高无人机自主性的新算法可能会大大改变这一比例。

无人机蜂群的各个组成部分可以相互通信，这使得无人机群不同于单个无人机群。智能通信和自主性使蜂群能够根据实时信息调整行为。装有摄像头和其他环境传感器的无人机（传感器无人机）可以识别潜在的目标定位、环境危害或防御措施，并将这些信息传递给蜂群的其他成员。然后，蜂群可进行机动以避开危险或防御，或者由配备武器的无人机（攻击无人机）对目标或防御进行攻击。实时信息收集使无人机群非常适合在军事或民事行动中在广阔区域搜索移动或其他难以发现的单元。

虽然单个无人机可能很有用，但无人机群更难被消灭。在复杂的环境中，如城市或覆盖地形，很难看到长距离，无人机群将会有所帮助。与单个无人机相比，一大群无人机可以提供更好的态势感知。

根据 Kallenborn（2018 年）的说法，未来的无人机群不需要由相同类型和大小的无人机组成，而是要结合配备不同有效载荷的大型和小型无人机。将不同类型的无人机组合在一起，就能形成一个比单个部分能力更强的整体。单个无人机群甚至可以跨域行动，由海底和水面无人机或地面和空中无人机协调行动。如上文所述，信息主导权是留给有远见的军事规划者的，他们要在战争中接受 "系统的系统"（system-of-systems），即有人和无人平台、武器、传感器和电子战系统相互影响的网络。

除其他弊端外，必须承认蜂群作战也增加了新的脆弱性。无人机群尤其容易受到电子战攻击。由于无人机群依赖于无人机之间的通信，破坏这种信号也会破坏无人机群。随着无人机群变得越来越复杂，它们也更容易受到网络攻击。对手可能会通过向蜂群提供虚假信息、黑客攻击或产生操纵性环境信号等手段，试图劫持蜂群。

自 20 世纪 30 年代末以来，国际情报界就一直在关注这一问题。根据洛斯阿拉莫斯实验室解密的美国情报记录，这种无人机可能只是在 1944 年德国设计的无人驾驶飞行器（UAV）基础上进行了修改，目的是散播致命的空中生物活性物质。

如何抵御无人机蜂群攻击？美国空军最近为此推出了一种新工具：名为 "战术高功率微波作战应答器"（THOR）的高功率微波系统，旨在保护基地免受无人机群的攻击。据美国空军称，该系统可一次性击毁大量无人机，射程比子弹或网更远。