粤ICP备17011316号
扫描二维码关注
   畅行航空网  
公众号
畅行航空网拥有最全最专业的航空网址资源;众多的机型资料、培训资资料。通过手机登陆手机版网站,也可以通过关注畅行航空网公众号,直接链接登陆。
畅行航空网/NiceFlt

中、美无人机集群,谁是真正的第一?

来源:无人机
分享到:

最近一段时间以来,关于无人机集群的新闻异常火爆,例如前不久,2016年11月17日的珠海航展上爆出“中国67架无人机集群飞行,打破美军纪录新闻,迅速引发国内各大媒体铺天盖地的报道,令人感觉中国一夜之间就超越了世界无人机霸主美国。而最近的2017年1月10日,美国国防部突然公布了他们自己的无人机集群系统,3架F/A-18战斗机释放了103架微型无人机并组成集群,而且美国特地指出这次试验是在2016年10月26日完成的,即早于中国珠海航展的举办时间,显然是对中国67架无人机集群的回应。

中、美两国究竟谁的无人机集群技术是真正的第一?且看本文详细查证。


图2  美军F-18战斗机发射“Perdix”无人机集群

1.美国的103架“山鹑”(Perdix)无人机是变体无人机,中国的67架无人机集群用的是淘宝网的泡沫机

美军的“山鹑”(Perdix)无人机长不足0.3米,重不足1斤,用3D打印技术制造。“Perdix”无人机可从战斗机的干扰弹发射装置投放,飞往低空并侦察。“Perdix”的气动布局特殊,有前后两副机翼,而且上下高度错开。“Perdix”的发射方法也很特殊,如视频所展示,每架F-18战斗机携带有两具圆柱形容器,当战机以接近音速通过任务点时,圆柱形容器开始抛洒微小的黑色包装箱。小黑点密密麻麻,每个包装箱尾部闪烁着点点亮光,是白色的减速伞。当包装箱下落到一定高度后通过减速伞稳定姿态,然后包装箱打开,预先折叠的集群无人机“破筒而出”,无人机的尾推发动机自启动,前后机翼自动张开并锁定,进入稳定飞行状态。虽然“Perdix”无人机目前还属于载荷能力较弱的微型无人机,但属于技术难度较高的变体式无人机。图1为“Perdix”无人机构造及变体过程。

图3 “Perdix”无人机构造及变体过程

中国珠海航展上的67架无人机集群,采用的是淘宝上的泡沫航模飞机,产品名称叫做“天行者X8”,生产厂商是武汉思凯沃克科技有限公司(公司网站http://skywalkermodel.com)。天行者X8采用常见的飞翼布局,有很多淘宝店在售,几百元一架。“天行者X8”的主要客户群是国内的业余航模爱好者。

图 4  淘宝上的“天行者X8”航模飞机

珠海航展上的67架无人机集群发射方式,是每一架无人机都单独架设了一部地面金属弹射架,总共设置了67部发射架。这样做的好处是大大缩短了整体起飞时间,提高了自动化程度,坏处是系统成本增加了不少,更重要的是占地面积大大增加,难以实用化。这种金属发射架在航模爱好者中和小型无人机产品上很普及,淘宝有售。

图5  珠海航展67架无人机集群采用的金属简易弹射架

美军的103架“Perdix”无人机和珠海航展67架的X8无人机都属于微小型无人机的范畴,但从无人机本身来看,珠海航展67架用的无人机是国内航模爱好者常用的泡沫机;美军“Perdix”无人机是难度较大的变体无人机。在发射方式上,珠海航展67架采用每一架无人机配一部地面发射架,美军则用3架战斗机在高速飞行时抛洒发射103架无人机,第一回合中,美军的技术占据上风。

但无人机集群的灵魂更在于集群能力,那接下来我们再来看集群能力的对比。

2.美军 103架“山鹑”(Perdix)无人机具备了集群的基本能力,而珠海航展67架无人机并不具备集群的基本能力

无人机集群是指借鉴自然界的自组织机制,使具备有限自主能力的多架无人机在没有集中指挥控制的情况下,通过相互间信息通信产生整体效应,实现较高程度的自主协作,从而能在尽量少的人员干预下完成预期的任务目标。

自主集群飞行技术具有以下三个重要特点:

1)无中心化:没有一个个体处于中心控制主导飞行的地位。一旦有任何一个个体消失或丧失功能,整个群体依然有序地飞行。

2)自主化:飞行期间无人为操控,所有个体只控制个体飞行,并观察临近个体位置,但并不对任何其他个体产生主观影响作用。

3)自治化:所有个体自然形成一个稳定的集群结构,一旦有任何一个个体因丧失功能脱离群体或因任何原因改变群体结构位置,新的集群结构排列会快速自动形成并保持稳定。

因此,无人机集群中个体数量的多少固然是一个考量的因素,但集群真正的难度在于无人机自主性的高低,以及个体数量增多以后带来的集群协同性。

先看美军“Perdix”无人机集群是否具备这三项能力。

美国国防部战略能力办公室主任威廉·罗珀尔(William Roper)表示:“Perdix并不是经过预设程序的协调行动的个体,而是像自然界中类似鸟群的动物群体那样共享一个分布式大脑,相互协调行动”。“每一个Perdix都可以和另一个Perdix通信联络,所以机群没有领袖,可以非常顺利地允许每一个无人机进入或离开这个群体。”因此“Perdix”具有环境感知能力和互相寻找、组队能力。

从美国国防部公布的上述演示视频来看,虽然“Perdix”无人机的尺寸小、飞行速度快,在空中很难看清楚无人机,但在地面的测控站上,无人机集群的信号清晰可见。

图6为地面控制员为集群设置目标点(左侧红点),这是本次演示中为集群设定的第一项任务。

从视频画面上可看到,“Perdix”无人机集群演示了先进的群体行为。被战斗机释放出来后,“Perdix”能找到伙伴,组成类似“蜂群”的队伍,根据任务要求一起协作控制、导航、聚集、解散。整个集群里的每一个体都非常自由,像鸟群一样忽聚忽散,上下翻飞,而且相互之间能有效避撞。当第一项任务出现时,所有无人机从自由飞行状态全都齐刷刷调转机头向目标(左侧红点)飞去,执行任务。图7为“Perdix”无人机集群执行第四次攻击任务。图8为在完成4次任务之后,“蜂群”成员开始绕一个设定的中心点,进行半径约100米的绕圈飞行。

图6  “Perdix”无人机集群执行第一项任务

图7  “Perdix”无人机集群执行第四次攻击任务

图8  “Perdix”无人机集群绕一个设定的中心点进行绕圈飞行 

 从以上可以看出,美军的“Perdix”项目已经完美的诠释了无人机集群的三大特点:无中心化、自主化、自治化。因此有国外媒体用“惊人”(terrifying)一词来形容美军“Perdix”无人机集群所取得的成就。

新闻中还提到:目前“Perdix”无人机集群已经获得美军订单,将于2017年投入实战,并将被部署到敏感地区执行巡逻任务。而且美军的最终目标是1000架微无人机组成集群。

再来看中国珠海航展的67架无人机集群。

尽管这个珠海航展67架无人机的团队声称自己的产品也具备了动态无中心自组网、集群协同、传感与避障等功能,但他们的无人机集群在实飞时仅仅表演了齐步走功能:所有飞机从地面弹射架上依次弹射起飞,然后在空中组成一个整齐的编队,共同飞行一段距离后再依次降落在地面上。至于无中心自组网、集群协同攻击这些关键技术特征居然是用动画来演示的。

图10  珠海67架采用动画演示协同攻击

从以上技术细节可以看出,珠海67架无人机集群还不能算作真正的集群,只能算作无人机编队。

这里有必要清楚解释一下无人机编队和无人机集群之间的异同。由于二者都是大量的无人机升空,因此形式上很相似,以至于现在很多人混淆不清,认为二者是一回事。无人机编队的关键在于路径统一规划,而无人机集群的关键在于无中心化、自主化、自治化,无需预先进行统一路径规划。举个通俗的比喻,无人机编队就好比是一群人跳进游泳池里整齐划一的向前游,无人机集群则相当于一支花样游泳队在水中协同表演,二者性质不同,技术难度也不可同日而语。

关于无人机编队的起源,一说最初来源于空间飞行器(卫星),目的是为了提高卫星对地观测的覆盖率;另一说来源于仿生学研究,旨在模仿鸟类(大雁,天鹅等)的长途迁徙队形,降低飞行阻力,减少能耗。

当下的无人机编队是指大量的无人机排成密集队形同时起飞,再配合音乐在空中变换队形和灯光色彩,可以做出各种字母、数字、任意图形等,在空旷的夜空中显得场面宏大,极具视觉冲击力。与传统的放烟花表演相比,无人机编队表演的价格更低,且绿色环保,因此具有较高的商业表演价值。正是看到这一点,国内外的许多大小企业如英特尔、亿航、零度智控、道通科技等竞相发布多旋翼无人机空中编队技术。英特尔更是创下“500架无人机齐升空”的世界纪录。在2016年CCTV的一场晚会上,南航的一位老师也做到了一人控80架无人机编队进行表演。

实现一个无人机编队的主要核心技术在于:

1)地面站统一进行飞行路径设计

事先在地面站上规划好不同的表演图案(这个叫做路径规划或航线规划),将每一套表演方案存储起来,在飞行表演时,地面站通过无线数传链路(Wi-Fi)实时发送指令给每一架飞机,让空中编队做出各种飞行图案和灯光变化。需要表演的花样越多,路径规划就越复杂。其实无论是多旋翼编队还是固定翼编队,其核心技术都是地面站路径规划。由于固定翼无人机只能正向飞行,而多旋翼无人机灵活多变、花样众多,反而多旋翼无人机编队的路径规划难度更大。

例如2016年11月4日,英特尔公司500架无人机编队,就是根据预先设计的灯光秀图案,采用软件快速计算出所需的无人机数量,并自动规划出全部路径。而这一切只用了一个10人左右的小团队,放飞的任务仅需一个人就可以完成。

图12  英特尔公司的500架无人机编队组成复杂图案

2)大功率Wi-Fi实现一对多控制,避开了编队中个体之间的相互交互难题

无人机相互间直接通信需要涉及到空中Adhoc组网、天线波束对准、时间基准同步等技术,难度很大。

大家知道我们平时玩遥控航模时,常用到2.4GHz、5.8GHz等数传模块,进行一对一遥控。无人机编队为了实现一对多的集中式控制,将数传模块替换为大功率Wi-Fi定向发射器,这样可以在室外较大范围内保证每一架飞机都能与地面控制站之间相互信息传输,实现一对多测控。这个技术有效避免了无人机之间相互通信的难题,但这也正是编队和集群(Swarm)的重要区别之一。

3)差分GPS技术

差分GPS技术是让室外无人机密集编队而不发生碰撞的保障。众所周知,GPS民码定位误差在10米量级,如果用于近距离无人机编队则很容易发生相互碰撞。这几年市面上迅速普及的差分GPS(Differential GPS,DGPS)技术,有效的解决了这一难题。差分GPS是提前在地面上架设一部已知自己精确三维坐标的差分GPS基准台,求得伪距修正量或位置修正量,再将这个高精度的差分信息通过Wi-Fi实时发送给每一架飞机进行修正,这样每架无人机都能飞各自的航线,互相距离恒定、互不干涉。差分GPS分为位置差分、伪距差分和相位差分三种,其中相位差分的精度最高,可以达到厘米级。

图13   实时差分GPS地面基站

因此,有上述三个技术的保障,无人机编队的核心技术已经简化为路径规划问题,而无需做到无人机集群所要求的“无中心化、自主化、自治化”。如果大家无人机编队对感兴趣,可以参见2016年8月版的《航空模型》杂志中《无人机编队飞行是如何实现的》一文。

多旋翼无人机可以自由悬停,进退,具有完整的6自由度飞行能力(即沿x、y、z三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度)。相比之下,由于固定翼飞机必须正向飞行才能获得升力,在空中只能实现5自由度飞行,难以灵活做出各种复杂的空中编队组合和变换,视觉表演效果较差,所以国内外很少有无人机企业对固定翼无人机编队感兴趣,以至于多旋翼空中编队长期垄断商业表演市场。

从珠海航展的67架无人机公布的视频来看,这个无人机编队有可能采用的是航模爱好者常用的APM、Pixhawk、PPZ等开源飞控。这种开源飞控目前的能力越来越强大,新一代飞控已经加入了无人机编队模式。例如APM飞控就具备Swarm模式,就是一台无人机作为领队,其他无人机当为僚机全程跟随飞行(即领航—跟随编队模式)。注意,这里开源飞控的Swarm模式,并非真正的集群模式,而是编队模式。

图14 具备无人机编队能力的APM开源飞控

图15 APM开源飞控的Swarm模式设置

3.中国67架无人机打破“美军记录”所提到的美军,并不是真正的美军,而是美国海军研究生院的大学生

最先报道美国创造50架无人机纪录的是英国的《每日邮报》,时间是2015年9月16日,报道原文是“一个美国科研团队近日创下了一项新的世界纪录——实现一人独自操控50架无人机,无人机可通过无线电排成整齐的队列进行飞行。”

上网一查才知道,原来放飞50架无人机编队的,其实并不是真正的美军,而美国加利福尼亚州蒙特利市的海军研究生院(Naval Postgraduate School)的一群大学生。

图16  放飞50架无人机编队的美国海军研究生院的大学生

从这群美国大学生发布的视频中可以看出,他们的设备都属于业余水平,50架无人机同样是航模爱好者常用的飞翼泡沫机。相信判断力正常的人都能明白,美军水平不可能这么简陋。

而且这群大学生做的也是无人机编队,而非集群。从下文截图可以看出,他们也是通过大功率Wi-Fi来实现相互间通信,准确的说,是通过地面站中介而非无人机之间直接通信。

图17  美国海军研究生院大学生同样使用了大功率Wi-Fi来进行编队飞行群控

另外,美国这群大学生的所谓世界纪录,也很值得怀疑。一般来说,美国的科研机构等包括美军在内,一般不使用“世界第一”、”首创”、”打破记录”等之类夸大吹嘘的字眼,只有中国人经常喜欢用(俄国人同样也有此特点,将俄制武器性能无限夸大)。关于这群美军大学生的创造世界纪录,不知这个世界纪录是哪家机构给公证的。对照英特尔去年创造的500架无人机编队记录,则是由吉尼斯世界纪录公证的。

其实美军的“Perdix”项目之前已有零星报道,例如2015年,美国空军在一次演习中就投放了90架“Perdix”无人机。而珠海航展67架无人机团队,也不知为何没有注意到美军“Perdix”项目,反而把美国海军研究生院大学生创造的50架无人机编队当成“美军记录”,并迫不及待的声称自己“67架”打破了美军多年保持的“50架”纪录,有点以讹传讹的意思,不符合科学务实求真精神。令人怀疑“打破美军纪录”这件事是只一场刻意炒作。

4.要想将微小型无人机集群应用到实战,还将面临不少挑战

无人机编队和集群并不是最近才爆出的黑科技,因为无人机集群技术仍是建立在“网络中心战”的思想基础上。早在2003年的伊拉克战争中,美军就将多种不同型号的无人机组成一个广域无人机作战集群,“全球鹰”大型无人机在高空执行战略侦察,“捕食者”、“先锋”、“猎人”、“影子200”等无人机部署在中空执行战役侦察或打击,“龙眼”、“指针”等小型无人机部署在低空执行战术侦察。最关键的一点是,美军通过战场网络将所有的无人机互联,实现信息共享,从而形成了一个全面覆盖的无人机侦察情报网络。这种集群应称作“异类平台无人机集群”。

相比之下,当前大热的无人机集群,应称作“同类平台无人机集群”。要想将这种微小型无人机集群应用到实战,还将面临不少挑战。因为微小型无人机的载荷能力、通信能力、飞行能力等都有限,导致自身防护能力和攻击能力也很有限,因此小型无人机的单体作战效能较低。当小型无人机编队密集出现时,很容易被一网打尽。

目前国内外已经出现了许多反微小型无人机武器系统,非常适合于战场地面防空和城市安保。美国陆军正在测试一种称为“Phaser”的武器,旨在摧毁成群的无人机。“Phaser”是一种高功率微波辐射发射器,“Phaser”朝来袭无人机发生短促的微波能量射流,中断无人机与控制中心的通信,并可使所有蜂群无人机上的电子器件瘫痪而坠毁。俄国也推出了类似的反无人机系统。

另一种反无人机集群的有效武器是激光炮。中国保利公司最近展示了车载“沉默猎人”(silent hunter)激光防空系统,利用电力能源,可在4km范围内瞬间击落大量的小型无人机。中国工程物理研究院也推出了“低空卫士”反无人机激光炮,射程5km。由于反无人机激光炮的效果显著,甚至我国南方电网公司都开始使用激光炮来清理线路上的漂浮物、缠绕的塑料袋、风筝等(参见2017-01-11新闻《中国南方电网的专用清理神器“激光大炮”走红》)。

图18 美测试扫荡无人机集群武器“Phaser”系统

图19 (上)国产的“低空卫士”反无人机激光炮  (下)击落的无人机

图20 (a)中国南方电网公司的清理神器“激光大炮”  (b)激光烧灼痕迹

大型无人机具有航程、速度、高度、载荷能力上的优势(例如全球鹰无人机升限为20km,巡航速度635km/h,航程超过25000km),可以采用各种高性能的防护材料和技术,加之平时都是防区外飞行,进行超视距作战,而无需像微小型无人机那样必须近距离接触作战,因此很难被击落。

众所周知,飞行器和舰船相比,最大的区别在于舰船不具有速度优势,在战场上的对抗节奏较慢,因此一般需要密集编队以协同作战。而微小型无人机密集编队的军事价值有多高,还有待观察。

最近网上出现文章称,中国正在把3000架退役的歼六无人机改造成无人机,用来对美国航母编队和台海进行饱和攻击。(参见文章《我军3千架歼六改无人机攻台纯属谣传》)还有文章说:“未来作战中,需要出动海量无人机,就像二战时期伦敦上空的鹰和东京上空的B29机群一样”。其实这种情况只可能出现在敌方基本丧失了防空能力的非对称战争中。这种情况下,无人机数量的多少和战场取胜之间没有什么必然关系。

从美军新闻中批露的“Perdix”无人机用途来看, “Perdix”无人机能够作为诱饵来迷惑敌人的防空系统或配备电子发射机去干扰雷达。如果遇到导弹袭击,这种无人机也可以作为雷达诱饵发射出去,将敌方导弹引向他处,保证战机的安全。“Perdix”无人机还可以执行近距离侦察等任务。

从以上可以看出,目前美军并未把微小型无人机集群当成主力兵器,而是当成在某些特定的情况下能出奇制胜的奇兵,相当于武林中的暗器。

国内还有一种观点认为小型无人机编队或集群可以“将单个完备作战平台所具备的各项功能分散到大量低成本、功能单一的作战平台中,通过大量异构、异型的个体来实现原本复杂的系统功能,系统的倍增效益将使无人机集群具备远超单一平台的作战能力。”这种说法同样值得商榷。虽说无人机集群协同作战,可以取得更好的综合效果,但并不能否定大型平台的作用。如果一群小飞机通过密集编队就能取代大飞机的作用,那就没必要去花大力气去研发波音747、空客380、C-17、运20了。因此无人机编队或集群只是一种使用方式,与平台的大小并无必然关系。从这一点来说,国内目前运用无人机集群的最高水平之一,应属中国航天的五站四机协同飞行。这次试验采用的是著名的大型无人机“彩虹-4”,多机间可以相互感知、相互协作,并且地面控制端通过机上的卫星通信系统实现了超视距测控。(参见2017年01月06日新闻:《彩虹4无人机完成多机协同任务 可与战斗机共同作战》)

综上,珠海航展上的“67架无人机集群”并非集群,而是无人机编队,而且是难度较小的固定翼无人机编队,美军如此详细的公布其103架无人机集群的技术细节和核心能力展示,则是对珠海航展67架无人机编队的回应。

作者:袁舟子  转自:战略前沿技术


留言提交