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美国国防部推进“进攻性蜂群战术”研究

2022-06-27 14:13 国际航空 国际航空 专栏

2021年11月,美国国防预研局的“进攻性蜂群战术(OFFSET)”项目完成最后一次外场试验,将蜂群算法和蜂群管理交互技术推向实战水平战。

城区巷战历来是最为艰难,也是最易造成己方和平民伤亡的作战形式。美军目前正瞄准与中俄之间未来可能的高强度城市战,着手为超大城区作战做准备。但是,城区地带建筑众多,形成各种垂直、狭小及管道空间,使美军无法掌握建筑内部的信息,极易遭遇“冷枪”袭击。同时,对手可能隐藏在尚未撤离的平民之中,使美军难以分辨。在伊拉克战争的巷战中,美军通常需要粗暴地清空所有建筑,既消耗大量时间,又增加了己方和平民的伤亡概率,而清空超大城市中的建筑更是难上加难。

为克服美军在城市作战中面临的各种挑战,提高小单位作战部队的作战效能,美国国防预研局(DARPA)启动了“进攻性蜂群战术(OFFSET)”项目。美军认为,无人机蜂群系统可以协助地面部队开展城区作战任务,分辨敌人和平民,侦察建筑内部信息,为地面部队提供掩护。虽然目前无人机蜂群系统的作战潜力没有被完全开发,还难以在瞬息万变的战场环境下响应地面部队的动态需求,但已通过OFFSET项目打下良好的基础,从中吸取的经验教训有助于未来蜂群战术的进步。

一、“进攻性蜂群战术”项目概况

DARPA于2017年1月27日发布了OFFSET项目的跨部门公告(BAA),该项目设立了三个阶段性目标。

01.区域封锁任务,即基于陆军和海军陆战队的现有战术、装备和指控系统,在15~30min内用50架无人机将所有目标隔离在两个城区内,利用无人机蜂群建立防御圈并执行警戒,提早发现潜在的袭击和人员转移。

02.区域侦察,无人机数量将增加到100架,在城市的四个街区内进行1~2h的室内外侦察活动,执行建筑出入口侦察、目标定位和信号发送。

03.区域占领,利用250辆地面无人车和空中无人机占领城市区域,包括广场、桥梁和其他目标,并在6~8个街区内进行4~6h的侦察,可以借助虚拟现实平台进行模拟和演练.

随着OFFSET项目的推进,DARPA希望能更深入地研究如何利用大量自主的空中无人机或地面无人车协助城市作战人员,提供一种快速生成群体战术并评估群体战术有效性的工具,并将最优的群体战术整合到作战任务中,为城市作战带来全新的、可扩展的动态能力,例如分布式感知、分布式计算、弹性通信、自适应性行为等等。

OFFSET项目设想图

OFFSET项目内容

OFFSET项目研发计划的概念描述,包括一个或多个“蜂群系统”集成商、多个“蜂群冲刺”承包商,以及定期的整合活动。

DARPA为OFFSET项目设立名为“蜂群冲刺”的技术快速研发和集成活动,目的是鼓励系统集成商、部件承包商、政府团队和用户进行交流,使军事需求与技术研发结合,生产高质量的蜂群战术。

该活动有两种:

一是“核心蜂群冲刺”,每半年一轮,聚焦无人机蜂群战术、蜂群自主、人-机蜂群编队、虚拟试验台、实物试验台中的某几项,且均需在真实和虚拟环境中开展试验。活动将逐渐提升无人机蜂群作战场景的复杂度,如蜂群的尺寸、数量、作战时间等,以挑战蜂群架构和战术;

二是“无中心自组织(ADHOC)蜂群冲刺”,可面向特定技术开展活动,“蜂群冲刺”的参与者可与系统集成商合作,基于后者提供的基线功能,设计和试验各自的蜂群战术和使能技术。

OFFSET“核心蜂群冲刺”方案

OFFSET将开发活跃的集群战术生态系统并支持开放的系统架构,包括:

①先进的人机集群界面,用户能够实时监控和指挥潜在的数百个无人平台,利用快速发展的沉浸式直观交互技术(例如增强现实、虚拟现实、基于语音/手势/触摸的人机交互技术等)创建具有沉浸式态势感知和决策推演功能的新型命令界面,该界面将包括集群交互算法,实现集群战术的自由设计和集群互动,采取临时反应以应对突发情况;

②联网的虚拟环境,支持具备物理反馈的集群战术游戏,在游戏中玩家可以快速探索、改进和评估集群战术,无论是在现实世界中使用无人系统还是在虚拟世界中探索新型集群战术,用户可以提交他们的集群策略并在排行榜上展示他们的表现,以鼓励竞争和协作;

③用于集群战术开发的工具,例如可以“拖拽”创建和操纵群体战术的可视化界面,类似RTS(即时战略)游戏的编辑器功能;

④由社区驱动的集群战术交流平台,通过集群算法、评估集体行为帮助参与者设计并改进集群战术,为用户的集群战术生成提供可扩展的框架,凭借社区的长期发展维持集群战术的创新和有效性;

⑤由地面和空中无人机组成的物理集群测试平台,用于进行实时战术评估。

OFFSET集群战术生态系统架构

二、“进攻性蜂群战术”项目进展

DARPA在2017年1月启动了OFFSET项目。

2017年10月

DARPA向雷神BBN科技公司(雷神的子公司)和诺格授予第一阶段系统集成商合同,设计无人蜂群架构、接口,并搭建蜂群战术交流环境。雷神BBN公司开发了软件、虚拟现实交互界面和实物试验台等内容。诺格设计了具有指挥、控制和协作能力的“快速集成蜂群生态系统”(RISE)。

虚拟现实交互界面(上)和RISE系统(下)

2018年3月

DARPA向洛马和查尔斯河分析公司授予首轮“核心蜂群冲刺”合同,为50个异构蜂群平台开发蜂群战术,用以在15~30min内隔离两个街区内的目标。同年10月,向卡内基梅隆大学、科尔诺瓦技术公司、西门子公司等8家机构授予第二轮“核心蜂群冲刺”合同,利用现有技术或开发全新技术提高蜂群自主能力。

2019年4月

DARPA向卡内基梅隆大学、腾飞科技公司等5家机构授予第三轮“核心蜂群冲刺”合同,发展人-机蜂群编队和蜂群战术,使异构蜂群在1~2h和4个街区内执行搜捕任务。

2019年9月

DARPA向约翰·霍普金斯大学应用物理实验室和密歇根理工学院授予第4轮“核心蜂群冲刺”合同,包含两个主题:在虚拟环境中发展合成技术、研究可支撑蜂群战术的人工智能技术。

2020年4月

DARPA向9家机构授予第五轮“核心蜂群冲刺”合同,发展实物试验台和蜂群战术。在实物试验台方向,授予了约翰-霍普金斯大学应用物理实验室、密歇根理工学院、得克萨斯州农工大学、哨兵机器人公司和HDT远征系统公司五家机构“核心蜂群冲刺”合同。在蜂群战术方向,授予西北大学、密歇根理工学院、腾飞科技公司、查尔斯河分析公司四家机构“核心蜂群冲刺”合同。上述“蜂群冲刺”合同将最终集成到OFFSET蜂群系统架构中,并在2020年12月开展外场试验。

2021年4月

诺格和雷神BBN科技公司成功演示了一名操作员控制100架无人机执行作战任务的场景。同年11月,DARPA举办的“顶峰(Capstone)”活动中测试了一名操作员控制200个无人系统的场景,接近OFFSET项目希望达成的组成250个异构蜂群的最优目标。

另外,DARPA还为OFFSET项目规划了6次外场试验,每隔大约半年进行一次,验证最新的蜂群技术,逐步增加试验环境的复杂性和偶然性,以在众多测试变量的考验中,不断提高蜂群架构和蜂群战术的可靠性。

OFFSET的前5次外场试验

DARPA为OFFSET项目规划了6次外场试验

三个“蜂群冲刺”团队参与了最后一次外场试验,并展示了最新研究成果。

其一,哨兵机器人公司展示了HiveXL无人机母机,采用全自动化管理,最多可以让80架不同型号的无人机自动发射、回收和充电。实验中HiveXL发射的是来自ModalAI公司的VOXL m500和Seeker四旋翼无人机。

其二,约翰-霍普金斯大学应用物理实验室展示了多架固定翼无人机,装有先进的环境传感器和物理防撞装置,可以快速绘制建筑内部的三维地图,能够在狭窄的城市环境中实现复杂的空中机动,具备与四旋翼无人机比肩的机动性。

其三,密歇根理工学院展示了用于虚拟场景的分布式“透视墙”传感器、声学欺骗和射频信号无人机集群定位等多项技术。分布式“透视墙”传感器采用群体结构态势感知(SSAS)技术,通过基于图形的任务规划器重建透视墙平面图,并在2022年2月的“陆军远征战士”实验(AEWE)上演示更多内容。

OFFSET第6次外场试验

HiveXL无人机母机(上),固定翼无人机穿越密集建筑群(下)

经过4年发展,OFFSET社区已经建立了六个主题板块:蜂群策略、自主蜂群、蜂群研发团队、虚拟环境、人工智能应用和物理测试平台。OFFSET社区的成员包括太平洋海军信息战中心实验团队、系统集成商和多个“蜂群冲刺”团队。每个团队专注于特定的研究领域,以推动前沿技术的融合创新。

三、“进攻性蜂群战术”项目前景与影响

面向城区作战的跨域协同异构无人机蜂群比其他无人机蜂群的技术要求更高。相比美军其他无人机蜂群项目采用同构平台在空中或海面开展演示验证,OFFSET项目的技术难度更大。

地面环境复杂,无人蜂群机动困难,且通信网络容易中断;

异构跨域协同,要综合考虑不同平台的各种能力如何相互配合以执行战术;

平台尺寸小,作战时还要承受较多过载和颠簸,易损坏。

以上问题均对无人蜂群的作战自主性、网络强韧性和平台可靠性提出了更高的要求。美军急于解决当前城区巷战难题,希望尽快为潜在的大规模城区作战做好准备。OFFSET项目取得的技术突破极大地加快了美军装备城区作战无人蜂群系统的进程。

未来,无人机蜂群系统预计将大量部署至美军地面作战部队。除了OFFSET项目,DARPA还正与美陆军合作实施“体系增强小型作战单元”项目,打算向200~300名士兵提供大量配有传感器和武器的无人机蜂群,以在未来的高端战争中帮助美军地面部队击败中俄。

由此可见,美军正打算利用无人机蜂群具备的可消耗性、大规模和强韧性等特点,探索全新的地面作战方式,解决当前地面作战面临的一些重要问题,牵引装备体系更新并生成全新的地面战争制胜机理。

DARPA项目一般采取三阶段竞争的研发和管理方式,由最终获胜的承包商完成技术研发,并由局方寻求技术转化,而OFFSET项目采用的创新研发和管理方式非常成功。从2017年1月启动到2021年11月完成最后一次外场试验,历时4年11个月,共授出五轮“核心蜂群冲刺”合同并完成六次外场试验,准时高效地完成了BAA文件设立的三个阶段性目标。OFFSET项目的成功案例可能在未来其他新概念武器研发项目中继续推广,对DARPA的项目研发管理模式产生深远影响。

(纪宇晗 航空工业发展研究中心)

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