無人機蜂群：改變遊戲規則的國防應用技術

摘要：蜂群（Swarming）是一種顛覆性的、改變遊戲規則的技術，該技術涉及在多個領域（陸、海、空、太空）中協同部署多個無人系統。新型微電子、導引、導航、感測器和人工智慧技術的發展，使低成本微型無人機能夠執行具有挑戰性的任務。當與新型的決策流程、目標追蹤、通訊技術和演算法相結合時，蜂群可以在戰場上產生巨大影響。其還可用於提供持續且不易被偵測的監視能力以及關鍵的防禦能力，如攔截巡飛彈。本文描述了歐洲在蜂群領域的研究活動，並深入探討了其可能對國防領域的重大影響。

關鍵字：無人機，自主能力，目標追踪，導引和控制，感測器融合

一、概況

#無人機蜂群是由各種不同的無人裝備組成的，具備決策、目標追蹤、導引和控制、感測器融合和指揮的能力，能夠作為一組智慧的自主"系統"運作。蜂群體系中的各項能力也能夠作為一個獨立的智慧自主系統獨立運作

透過利用無人設備、人工智慧（AI）、通訊、導引與控制、感測器融合、航太和無人交通管理（UTM）等領域的發展，設計出具備必要智慧和自主能力的無人機，這些無人機可以像蜂群或鳥群一樣協調飛行。這樣的無人機蜂群可以為那些結合了數位和智慧技術的國防企業帶來改變遊戲規則的能力。無人機蜂群還可以幫助歐洲增強安防能力，並對城市交通、無人交通管理、自動駕駛和無人設備等其他領域產生顛覆性影響

在國防方面，無人機的使用可以顯著降低作戰人員暴露在危險環境中的風險。無人機能夠執行一些枯燥且辛苦的任務，例如對大片地區（如地中海、歐洲邊界）的持續監測。在未來的軍事場景中，無人機還能被用來迷惑和壓倒對手。圖1展示了多域無人機蜂群概念，用於保護和監視高價值資產（如軍營或設施），該概念於2016年在歐洲國防局（European Defence Agency）研發試點計畫“歐洲蜂群” （EUROSWARM）中首次提出。

圖1：多域無人機蜂群概念

二、蜂群技術

#無人機蜂群由一組自主或半自主無人機組成，蜂群內無人機能夠相互合作，以實現共同的目標。無人機蜂群可用於各種軍事任務，如偵察、監視和打擊行動。當涉及無人機蜂群設計時，軍事領域的應用必須考慮以下四個主要技術模組。從感知能力到蜂群通訊協定和路由，每個模組對於無人機蜂群性能和穩定性都非常重要。

1.感知能力：感知能力對於無人機蜂群至關重要。此能力使蜂群能夠感知和理解其所處的環境，偵測障礙物，辨識目標，並保持態勢感知。有效的感知能力使蜂群能夠在複雜的動態環境中工作，並有效率地執行各種複雜任務。機器學習和人工智慧技術可以增強感知能力。蜂群可以透過感測器融合實現前所未有的態勢感知。

2.任務分配與決策：任務分配和獨立決策對無人機蜂群至關重要。高效的任務分配確保每個無人機都能夠獲得一項與其能力匹配的任務，從而優化可用資源的使用。若一個或多個無人機出現故障，蜂群可以自動填補空缺，任務分配有助於決策的快速傳播，使蜂群能夠快速適應變化的環境。任務分配還有助於提高適應性、可擴展性，並加速決策，使蜂群在動態和不確定的環境中更有效。透過蜂群內無人機之間的無縫資料交換，蜂群能夠做出更好的決策，這使得資源的有效利用、穩定性、容錯性、適應性以及可擴展性得以提升。

3.路徑規劃與防撞：無人機蜂群通常由大量的無人機組成。為了實現無人機蜂群的高效和安全運作，路徑規劃和防撞的方法至關重要。蜂群路徑規劃的核心是為每架無人機找到到達目的地的最佳路徑，同時避免障礙，最大限度地減少所需的時間和能源。防撞能夠確保無人機不會相撞，​​讓每架無人機都能成功完成任務。例如，在監視任務中，路徑規劃可以優化無人機的行動路線，以最大限度地減少重疊區域並增加覆蓋範圍。目前，有許多技術可以實現路徑規劃和防撞，其中包括集中法和分散法。集中法涉及單一無人機的規劃和對蜂群中所有無人機路徑的協調。分散法涉及每個無人機根據本地資訊做出自己的路徑規劃決策。

4.通訊：當蜂群內無人機之間的通訊保持通暢且沒有延遲時，蜂群能夠以最佳的方式運作。透過感測器融合，蜂群可以提供高確定性和高解析度的資訊。有效的通訊協定使無人機能夠共享位置、狀態和任務分配等訊息，而路由則負責為無人機之間的訊息傳播尋找最佳路徑。這使得蜂群能夠協同工作，協調行動，並即時共享資訊。目前，有各種技術能夠實現通訊協定和路由，例如自組網技術、網狀網技術以及多跳路由技術。自組網路使無人機能夠直接相互通信，而不需要固定的基礎設施。而網狀網路則利用無人機形成具有冗餘路徑的網路進行通訊。多跳路由能夠實現無人機之間的資訊接力傳遞，從而實現更長距離的通訊。

無人機蜂群的通訊協定可以根據任務需求和蜂群特徵進行調整，以實現資訊交換。目前，有三種主要的體系結構方法可用於設計軍用無人機蜂群，它們包括：

1.集中式體系結構：在這種方法中，蜂群內所有無人機的運作都由一個中央控制實體進行協調，例如地面控制站。中央控制實體能夠與蜂群進行通信，並收集數據，處理數據，做出決策。這種方法適用於小規模的蜂群和簡單的任務。

2.分散式體系結構：在這種方法中，沒有中央控制實體，蜂群中的每架無人機都能獨立運行，根據本地資訊做出決策，並與其他無人機進行資訊通信。這種方法適用於大規模的蜂群任務和其他高度複雜的任務。

3.混合架構：這種方法結合了集中式和分散式體系架構的優點。在這種方法中，有一個中央控制實體為無人機提供高水準的導航，而每架無人機都具備自主決策能力。

無人機蜂群在軍事領域有十分廣泛的應用，能夠執行各種不同的任務。以下為一些自主蜂群操作類型的關鍵案例：

1.區域覆蓋：在區域覆蓋行動中，蜂群的任務是利用無人機配備的感測器掃描特定的區域。在大多數情況下，理想的區域覆蓋率是100%，無人機必須對該區域進行完全掃描。使用多架無人機對區域進行覆蓋可能會遇到一些問題，處理這些問題的常見方法包括使用分解技術將重點區域劃分為一組子區域，並在每個子區域部署一架無人機。對於包含不同型號無人機的蜂群，在區域分解過程中必須考慮感測器的範圍、無人機機動能力以及航程，以提高系統的使用效率。在為每架無人機分配了一個子區域後，這些無人機需要在各自區域內獨立規劃路徑。覆蓋路徑規劃方法包括2D、3D和多無人機區域覆蓋。

2.全面且持續的區域覆蓋：全面且持續的區域覆蓋要求部署無人機蜂群，並使其能夠在整個任務期間提供整個給定區域的傳感器覆蓋。蜂群內無人機應根據其感測器的位置和可能的環境特徵（如障礙物或遮擋區），形成編隊。蜂群內無人機進行靜態部署，也可在區域特徵或監測區域隨時間演變的情況下進行動態部署。主要目的是設計一種編隊模式，以最少的無人機實現全靜態覆蓋。

3.區域搜尋：在區域搜尋行動中，無人機蜂群的任務通常是在重點區域中搜尋特定的目標。在該行動中，不需要對該區域進行完全覆蓋。蜂群必須在最短時間內識別該區域中的目標。蜂群內無人機必須在任務的整個過程中進行協作，並且它們將根據自己對環境的感知和其他無人機的行為，使用線上決策和路徑規劃技術來提高系統的性能。可以使用蜂群區域搜尋演算法來預測目標分佈的機率。仿生蜂群演算法也吸引了科學界對區域搜尋行動的興趣。

4.區域監視：區域監視行動要求蜂群對一個特定區域進行持續監視。區域監視通常用於巡邏、監控、偵測突發或動態威脅以及邊境安全。該行動旨在使兩次長時間監視之間所間隔的時間最小化。

5.目標追蹤：普通的目標追蹤行動涉及一個目標和一架無人機。無人機的追蹤範圍是根據其感測器數據和對目標位置的估計，以及在某些情況下對目標的預測行為或未來位置，來進行線上的路徑規劃。無人機必須自行導航，以便始終跟隨目標。隨著蜂群能力的引入，目標追蹤任務可以由多架無人機完成，這些無人機可追蹤單一或多個目標。

軍用無人機蜂群的設計需要綜合考慮多個因素，包括任務要求、蜂群規模、通訊能力和運算資源

三、蜂群專案應用

1.低可觀測性無人機系統－「蓮花」（LOTUS）

#「蓮花」計畫是一個歐洲國防工業發展計畫（EDIDP）項目，由希臘和塞浦路斯的9家公司以及西班牙和荷蘭的另外2家公司組成。該計畫由lntracom Defense公司牽頭，於2020年12月啟動，為期45個月。 「蓮花」專案團隊設計了一種先進的無人機系統用於戰術空中偵察和監視任務。該無人機擁有幾個關鍵特性，包括隱身能力、對峙作戰能力、適航能力、基於北約標準的互通能力、以及考慮到網路安全的可靠通訊。此外，該系統廣泛採用人工智慧技術，確保其能夠準確執行複雜任務。該專案團隊所設計的無人機母艦配備了多個紅外線感測器，具備低可觀測能力和長續航能力，其還配備一個自衛系統以應對敵人的威脅。該無人機母艦可以部署四架管射折疊翼無人機，這種無人機具有先進的自主能力，能夠執行複雜的ISR任務。無人機母艦和無人機共同組成了一個強大的無人機蜂群，蜂群內可實現無延遲協作，為現場決策者提供關鍵的智慧和監控數據。在圖2中，地面目標的情報任務分配（左）和協同覆蓋（右）是透過帕特拉斯大學開發的群體演算法執行的。

圖2：「蓮花」計畫中的無人機蜂群行動範例

2. 用於國防應用的自主、可重建無人機蜂群－「阿基里斯」（ACHILLES）。 重寫後的內容：阿基里斯（ACHILLES）是一種用於國防應用的自主、可重建無人機蜂群

「阿喀琉斯」計畫是一個歐洲國防局項目，由希臘和德國的公司和大學合作進行。該計畫於2023年1月啟動，由帕特拉斯大學領導，參與該計畫的公司和學校包括ATOS公司、DroniQ公司、Scytalvs公司、Intracom Defense公司、帕特拉斯大學、英戈爾施塔特應用科學大學以及雅典大學。該計畫旨在透過提高用於特定防禦任務的自主、可重構無人機蜂群的TRL，促進無人機蜂群在國防領域中的開發和使用，並展示無人機蜂群進行持續監視的能力和戰備水平。該計畫團隊發現了無人機蜂群的多種優勢和潛在應用，並以此為靈感推動「阿喀琉斯」計畫的進行。最近的科技進步使無人機能夠自動獲取關鍵數據，以增強態勢感知能力。可擴展的自主、可重建無人機蜂群具備高度有效的區域協調能力，具備對各種事件的超強適應能力。預計，該計畫的成果和創新將包括新無人機蜂群能力以及能夠使無人機安全有效地融入軍事和民用空域的方法。這些能力將為基於無人機蜂群的系統和技術的成熟和驗證提供支援。

3. 有人-無人系統護航行動－「指揮」計畫（COMMANDS） 重寫後的內容：3. 有人-無人系統護航行動－「指揮」計畫（COMMANDS）

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「指揮」項目是一個歐洲國防基金（EDF）項目，有來自10個國家的21家公司參與。該計畫於2022年12月啟動，由Sener Aerospace公司領導，為期三年，並獲得了七個國家的國防部的支持。這些國家的國防部也為該項目提供了項目發展的基本要求。此專案的目標是開發敏捷、智慧和協作的有人和無人系統貫穿生命週期的能力（TLC）。該專案將包括幾個模組化系統，這些系統能夠透過無縫功能服務和資料交換實現蜂群能力。該系統將由有人和無人地面車輛以及無人機組成。為了降低專案風險，該專案採用多種技術來制定自持的歐盟國防TLC永續發展路線圖。最終，該項目將對現有的地面車輛進行升級，並整合到未來的車輛中。該專案計劃透過技術演示器對技術進行驗證，演示過程將在實驗室和真實場景的移動演示器中進行，重點是為進行「最後一公里」補給的車隊提供武裝護航

四、影響

#蜂群技術使大量無人機能夠實現高度互聯，有效規劃和分配任務目標，做出協調的戰術決策，並在向操作員提出建議的同時，在最少的監管下協同應對動態環境。隨著蜂群技術的成熟，其在軍事領域的應用也不斷發展。許多人認為，可以將蜂群發展與精確裝備武器的發展進行比較。精確裝備武器在1970年代和1980年代進行了測試和改進，但在1990年代初的第一次海灣戰爭中才出現。蜂群的使用可以使目前執行中低空監視和打擊任務的有人防禦系統變得老舊過時。在未來幾十年裡，無人機等遠端操作的單一無人裝備將逐漸過時，因為空中、地面和海上的無人機系統將能夠部署多架無人機，以蜂群的形式進行作戰，從而擴大了作戰範圍和監視範圍，並提高了無人機的ISTAR能力和用於執行各種任務的攻擊能力。

五、總結

#北約多國國防部宣布，打算將蜂群技術與現有的武器系統進行結合，如F-35戰鬥機、英國風暴下一代戰鬥機以及FCAS飛機/無人機系統。顯然，蜂群技術正在與世界各地的軍事能力結合，並開始影響各國的國防能力。蜂群是一項關鍵的軍事技術，它將能夠直接促進多個技術領域的發展。例如，該技術可以優化嵌入式蜂群以及自主系統的人工智慧技術，有效提高在非結構化、快速變化、受限和對抗的環境中作戰的防禦系統協同作戰的安全性、效率和有效性。正如俄烏戰爭和中東衝突那樣，蜂群技術正在透過使用成群的無人機和巡彈來改變戰爭。因此，開發自主蜂群系統對於歐洲的國防、安全和繁榮至關重要。

以上是無人機蜂群：改變遊戲規則的國防應用技術的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！