最近一段時間以來，關于無人機集群的新聞異?；鸨?，例如前不久，2016年11月17日的珠海航展上爆出“中國67架無人機集群飛行，打破美軍紀錄”新聞，迅速引發國內各大媒體鋪天蓋地的報道，令人感覺中國一夜之間就超越了世界無人機霸主美國。而最近的2017年1月10日，美國國防部突然公布了他們自己的無人機集群系統，3架F/A-18戰斗機釋放了103架微型無人機并組成集群，而且美國特地指出這次試驗是在2016年10月26日完成的，即早于中國珠海航展的舉辦時間，顯然是對中國67架無人機集群的回應。

中、美兩國究竟誰的無人機集群技術是真正的第一？且看本文詳細查證。

圖2  美軍F-18戰斗機發射“Perdix”無人機集群

1.美國的103架“山鶉”（Perdix）無人機是變體無人機，中國的67架無人機集群用的是淘寶網的泡沫機

美軍的“山鶉”（Perdix）無人機長不足0.3米，重不足1斤，用3D打印技術制造?！癙erdix”無人機可從戰斗機的干擾彈發射裝置投放，飛往低空并偵察?！癙erdix”的氣動布局特殊，有前后兩副機翼，而且上下高度錯開?！癙erdix”的發射方法也很特殊，如視頻所展示，每架F-18戰斗機攜帶有兩具圓柱形容器，當戰機以接近音速通過任務點時，圓柱形容器開始拋灑微小的黑色包裝箱。小黑點密密麻麻，每個包裝箱尾部閃爍著點點亮光，是白色的減速傘。當包裝箱下落到一定高度后通過減速傘穩定姿態，然后包裝箱打開，預先折疊的集群無人機“破筒而出”，無人機的尾推發動機自啟動，前后機翼自動張開并鎖定，進入穩定飛行狀態。雖然“Perdix”無人機目前還屬于載荷能力較弱的微型無人機，但屬于技術難度較高的變體式無人機。圖1為“Perdix”無人機構造及變體過程。

圖3 “Perdix”無人機構造及變體過程

中國珠海航展上的67架無人機集群，采用的是淘寶上的泡沫航模飛機，產品名稱叫做“天行者X8”，生產廠商是武漢思凱沃克科技有限公司（公司網站http://skywalkermodel.com）。天行者X8采用常見的飛翼布局，有很多淘寶店在售，幾百元一架?！疤煨姓遆8”的主要客戶群是國內的業余航模愛好者。

圖 4  淘寶上的“天行者X8”航模飛機

珠海航展上的67架無人機集群發射方式，是每一架無人機都單獨架設了一部地面金屬彈射架，總共設置了67部發射架。這樣做的好處是大大縮短了整體起飛時間，提高了自動化程度，壞處是系統成本增加了不少，更重要的是占地面積大大增加，難以實用化。這種金屬發射架在航模愛好者中和小型無人機產品上很普及，淘寶有售。

圖5  珠海航展67架無人機集群采用的金屬簡易彈射架

美軍的103架“Perdix”無人機和珠海航展67架的X8無人機都屬于微小型無人機的范疇，但從無人機本身來看，珠海航展67架用的無人機是國內航模愛好者常用的泡沫機；美軍“Perdix”無人機是難度較大的變體無人機。在發射方式上，珠海航展67架采用每一架無人機配一部地面發射架，美軍則用3架戰斗機在高速飛行時拋灑發射103架無人機，第一回合中，美軍的技術占據上風。

但無人機集群的靈魂更在于集群能力，那接下來我們再來看集群能力的對比。

2.美軍 103架“山鶉”（Perdix）無人機具備了集群的基本能力，而珠海航展67架無人機并不具備集群的基本能力

無人機集群是指借鑒自然界的自組織機制，使具備有限自主能力的多架無人機在沒有集中指揮控制的情況下，通過相互間信息通信產生整體效應，實現較高程度的自主協作，從而能在盡量少的人員干預下完成預期的任務目標。

自主集群飛行技術具有以下三個重要特點：

1）無中心化：沒有一個個體處于中心控制主導飛行的地位。一旦有任何一個個體消失或喪失功能，整個群體依然有序地飛行。

2）自主化：飛行期間無人為操控，所有個體只控制個體飛行，并觀察臨近個體位置，但并不對任何其他個體產生主觀影響作用。

3）自治化：所有個體自然形成一個穩定的集群結構，一旦有任何一個個體因喪失功能脫離群體或因任何原因改變群體結構位置，新的集群結構排列會快速自動形成并保持穩定。

因此，無人機集群中個體數量的多少固然是一個考量的因素，但集群真正的難度在于無人機自主性的高低，以及個體數量增多以后帶來的集群協同性。

先看美軍“Perdix”無人機集群是否具備這三項能力。

美國國防部戰略能力辦公室主任威廉·羅珀爾（William Roper）表示：“Perdix并不是經過預設程序的協調行動的個體，而是像自然界中類似鳥群的動物群體那樣共享一個分布式大腦，相互協調行動”?！懊恳粋€Perdix都可以和另一個Perdix通信聯絡，所以機群沒有領袖，可以非常順利地允許每一個無人機進入或離開這個群體?！币虼恕癙erdix”具有環境感知能力和互相尋找、組隊能力。

從美國國防部公布的上述演示視頻來看，雖然“Perdix”無人機的尺寸小、飛行速度快，在空中很難看清楚無人機，但在地面的測控站上，無人機集群的信號清晰可見。

圖6為地面控制員為集群設置目標點（左側紅點），這是本次演示中為集群設定的第一項任務。

從視頻畫面上可看到，“Perdix”無人機集群演示了先進的群體行為。被戰斗機釋放出來后，“Perdix”能找到伙伴，組成類似“蜂群”的隊伍，根據任務要求一起協作控制、導航、聚集、解散。整個集群里的每一個體都非常自由，像鳥群一樣忽聚忽散，上下翻飛，而且相互之間能有效避撞。當第一項任務出現時，所有無人機從自由飛行狀態全都齊刷刷調轉機頭向目標（左側紅點）飛去，執行任務。圖7為“Perdix”無人機集群執行第四次攻擊任務。圖8為在完成4次任務之后，“蜂群”成員開始繞一個設定的中心點，進行半徑約100米的繞圈飛行。

圖6  “Perdix”無人機集群執行第一項任務

圖7  “Perdix”無人機集群執行第四次攻擊任務

圖8  “Perdix”無人機集群繞一個設定的中心點進行繞圈飛行　

　從以上可以看出，美軍的“Perdix”項目已經完美的詮釋了無人機集群的三大特點：無中心化、自主化、自治化。因此有國外媒體用“驚人”(terrifying)一詞來形容美軍“Perdix”無人機集群所取得的成就。

新聞中還提到：目前“Perdix”無人機集群已經獲得美軍訂單，將于2017年投入實戰，并將被部署到敏感地區執行巡邏任務。而且美軍的最終目標是1000架微無人機組成集群。

再來看中國珠海航展的67架無人機集群。

盡管這個珠海航展67架無人機的團隊聲稱自己的產品也具備了動態無中心自組網、集群協同、傳感與避障等功能，但他們的無人機集群在實飛時僅僅表演了齊步走功能：所有飛機從地面彈射架上依次彈射起飛，然后在空中組成一個整齊的編隊，共同飛行一段距離后再依次降落在地面上。至于無中心自組網、集群協同攻擊這些關鍵技術特征居然是用動畫來演示的。

圖10  珠海67架采用動畫演示協同攻擊

從以上技術細節可以看出，珠海67架無人機集群還不能算作真正的集群，只能算作無人機編隊。

這里有必要清楚解釋一下無人機編隊和無人機集群之間的異同。由于二者都是大量的無人機升空，因此形式上很相似，以至于現在很多人混淆不清，認為二者是一回事。無人機編隊的關鍵在于路徑統一規劃，而無人機集群的關鍵在于無中心化、自主化、自治化，無需預先進行統一路徑規劃。舉個通俗的比喻，無人機編隊就好比是一群人跳進游泳池里整齊劃一的向前游，無人機集群則相當于一支花樣游泳隊在水中協同表演，二者性質不同，技術難度也不可同日而語。

關于無人機編隊的起源，一說最初來源于空間飛行器（衛星），目的是為了提高衛星對地觀測的覆蓋率；另一說來源于仿生學研究，旨在模仿鳥類（大雁，天鵝等）的長途遷徙隊形，降低飛行阻力，減少能耗。

當下的無人機編隊是指大量的無人機排成密集隊形同時起飛，再配合音樂在空中變換隊形和燈光色彩，可以做出各種字母、數字、任意圖形等，在空曠的夜空中顯得場面宏大，極具視覺沖擊力。與傳統的放煙花表演相比，無人機編隊表演的價格更低，且綠色環保，因此具有較高的商業表演價值。正是看到這一點，國內外的許多大小企業如英特爾、億航、零度智控、道通科技等競相發布多旋翼無人機空中編隊技術。英特爾更是創下“500架無人機齊升空”的世界紀錄。在2016年CCTV的一場晚會上，南航的一位老師也做到了一人控80架無人機編隊進行表演。

實現一個無人機編隊的主要核心技術在于：

1）地面站統一進行飛行路徑設計

事先在地面站上規劃好不同的表演圖案（這個叫做路徑規劃或航線規劃），將每一套表演方案存儲起來，在飛行表演時，地面站通過無線數傳鏈路（Wi-Fi）實時發送指令給每一架飛機，讓空中編隊做出各種飛行圖案和燈光變化。需要表演的花樣越多，路徑規劃就越復雜。其實無論是多旋翼編隊還是固定翼編隊，其核心技術都是地面站路徑規劃。由于固定翼無人機只能正向飛行，而多旋翼無人機靈活多變、花樣眾多，反而多旋翼無人機編隊的路徑規劃難度更大。

例如2016年11月4日，英特爾公司500架無人機編隊，就是根據預先設計的燈光秀圖案，采用軟件快速計算出所需的無人機數量，并自動規劃出全部路徑。而這一切只用了一個10人左右的小團隊，放飛的任務僅需一個人就可以完成。

圖12  英特爾公司的500架無人機編隊組成復雜圖案

2）大功率Wi-Fi實現一對多控制，避開了編隊中個體之間的相互交互難題

無人機相互間直接通信需要涉及到空中Adhoc組網、天線波束對準、時間基準同步等技術，難度很大。

大家知道我們平時玩遙控航模時，常用到2.4GHz、5.8GHz等數傳模塊，進行一對一遙控。無人機編隊為了實現一對多的集中式控制，將數傳模塊替換為大功率Wi-Fi定向發射器，這樣可以在室外較大范圍內保證每一架飛機都能與地面控制站之間相互信息傳輸，實現一對多測控。這個技術有效避免了無人機之間相互通信的難題，但這也正是編隊和集群（Swarm）的重要區別之一。

3）差分GPS技術

差分GPS技術是讓室外無人機密集編隊而不發生碰撞的保障。眾所周知，GPS民碼定位誤差在10米量級，如果用于近距離無人機編隊則很容易發生相互碰撞。這幾年市面上迅速普及的差分GPS（Differential GPS，DGPS）技術，有效的解決了這一難題。差分GPS是提前在地面上架設一部已知自己精確三維坐標的差分GPS基準臺，求得偽距修正量或位置修正量，再將這個高精度的差分信息通過Wi-Fi實時發送給每一架飛機進行修正，這樣每架無人機都能飛各自的航線，互相距離恒定、互不干涉。差分GPS分為位置差分、偽距差分和相位差分三種，其中相位差分的精度最高，可以達到厘米級。

圖13   實時差分GPS地面基站

因此，有上述三個技術的保障，無人機編隊的核心技術已經簡化為路徑規劃問題，而無需做到無人機集群所要求的“無中心化、自主化、自治化”。如果大家無人機編隊對感興趣，可以參見2016年8月版的《航空模型》雜志中《無人機編隊飛行是如何實現的》一文。

多旋翼無人機可以自由懸停，進退，具有完整的6自由度飛行能力（即沿x、y、z三個直角坐標軸方向的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉動自由度）。相比之下，由于固定翼飛機必須正向飛行才能獲得升力，在空中只能實現5自由度飛行，難以靈活做出各種復雜的空中編隊組合和變換，視覺表演效果較差，所以國內外很少有無人機企業對固定翼無人機編隊感興趣，以至于多旋翼空中編隊長期壟斷商業表演市場。

從珠海航展的67架無人機公布的視頻來看，這個無人機編隊有可能采用的是航模愛好者常用的APM、Pixhawk、PPZ等開源飛控。這種開源飛控目前的能力越來越強大，新一代飛控已經加入了無人機編隊模式。例如APM飛控就具備Swarm模式，就是一臺無人機作為領隊，其他無人機當為僚機全程跟隨飛行（即領航—跟隨編隊模式）。注意，這里開源飛控的Swarm模式，并非真正的集群模式，而是編隊模式。

圖14 具備無人機編隊能力的APM開源飛控

圖15 APM開源飛控的Swarm模式設置

3.中國67架無人機打破“美軍記錄”所提到的美軍，并不是真正的美軍，而是美國海軍研究生院的大學生

最先報道美國創造50架無人機紀錄的是英國的《每日郵報》，時間是2015年9月16日，報道原文是“一個美國科研團隊近日創下了一項新的世界紀錄——實現一人獨自操控50架無人機，無人機可通過無線電排成整齊的隊列進行飛行?！?/p>

上網一查才知道，原來放飛50架無人機編隊的，其實并不是真正的美軍，而美國加利福尼亞州蒙特利市的海軍研究生院（Naval Postgraduate School）的一群大學生。

圖16  放飛50架無人機編隊的美國海軍研究生院的大學生

從這群美國大學生發布的視頻中可以看出，他們的設備都屬于業余水平，50架無人機同樣是航模愛好者常用的飛翼泡沫機。相信判斷力正常的人都能明白，美軍水平不可能這么簡陋。

而且這群大學生做的也是無人機編隊，而非集群。從下文截圖可以看出，他們也是通過大功率Wi-Fi來實現相互間通信，準確的說，是通過地面站中介而非無人機之間直接通信。

圖17  美國海軍研究生院大學生同樣使用了大功率Wi-Fi來進行編隊飛行群控

另外，美國這群大學生的所謂世界紀錄，也很值得懷疑。一般來說，美國的科研機構等包括美軍在內，一般不使用“世界第一”、”首創”、”打破記錄”等之類夸大吹噓的字眼，只有中國人經常喜歡用（俄國人同樣也有此特點，將俄制武器性能無限夸大）。關于這群美軍大學生的創造世界紀錄，不知這個世界紀錄是哪家機構給公證的。對照英特爾去年創造的500架無人機編隊記錄，則是由吉尼斯世界紀錄公證的。

其實美軍的“Perdix”項目之前已有零星報道，例如2015年，美國空軍在一次演習中就投放了90架“Perdix”無人機。而珠海航展67架無人機團隊，也不知為何沒有注意到美軍“Perdix”項目，反而把美國海軍研究生院大學生創造的50架無人機編隊當成“美軍記錄”，并迫不及待的聲稱自己“67架”打破了美軍多年保持的“50架”紀錄，有點以訛傳訛的意思，不符合科學務實求真精神。令人懷疑“打破美軍紀錄”這件事是只一場刻意炒作。

4.要想將微小型無人機集群應用到實戰，還將面臨不少挑戰

無人機編隊和集群并不是最近才爆出的黑科技，因為無人機集群技術仍是建立在“網絡中心戰”的思想基礎上。早在2003年的伊拉克戰爭中，美軍就將多種不同型號的無人機組成一個廣域無人機作戰集群，“全球鷹”大型無人機在高空執行戰略偵察，“捕食者”、“先鋒”、“獵人”、“影子200”等無人機部署在中空執行戰役偵察或打擊，“龍眼”、“指針”等小型無人機部署在低空執行戰術偵察。最關鍵的一點是，美軍通過戰場網絡將所有的無人機互聯，實現信息共享，從而形成了一個全面覆蓋的無人機偵察情報網絡。這種集群應稱作“異類平臺無人機集群”。

相比之下，當前大熱的無人機集群，應稱作“同類平臺無人機集群”。要想將這種微小型無人機集群應用到實戰，還將面臨不少挑戰。因為微小型無人機的載荷能力、通信能力、飛行能力等都有限，導致自身防護能力和攻擊能力也很有限，因此小型無人機的單體作戰效能較低。當小型無人機編隊密集出現時，很容易被一網打盡。

目前國內外已經出現了許多反微小型無人機武器系統，非常適合于戰場地面防空和城市安保。美國陸軍正在測試一種稱為“Phaser”的武器，旨在摧毀成群的無人機?！癙haser”是一種高功率微波輻射發射器，“Phaser”朝來襲無人機發生短促的微波能量射流，中斷無人機與控制中心的通信，并可使所有蜂群無人機上的電子器件癱瘓而墜毀。俄國也推出了類似的反無人機系統。

另一種反無人機集群的有效武器是激光炮。中國保利公司最近展示了車載“沉默獵人”（silent hunter）激光防空系統，利用電力能源，可在4km范圍內瞬間擊落大量的小型無人機。中國工程物理研究院也推出了“低空衛士”反無人機激光炮，射程5km。由于反無人機激光炮的效果顯著，甚至我國南方電網公司都開始使用激光炮來清理線路上的漂浮物、纏繞的塑料袋、風箏等（參見2017-01-11新聞《中國南方電網的專用清理神器“激光大炮”走紅》）。

圖18 美測試掃蕩無人機集群武器“Phaser”系統

圖19 （上）國產的“低空衛士”反無人機激光炮  （下）擊落的無人機

圖20 （a）中國南方電網公司的清理神器“激光大炮”  (b)激光燒灼痕跡

大型無人機具有航程、速度、高度、載荷能力上的優勢（例如全球鷹無人機升限為20km，巡航速度635km/h，航程超過25000km），可以采用各種高性能的防護材料和技術，加之平時都是防區外飛行，進行超視距作戰，而無需像微小型無人機那樣必須近距離接觸作戰，因此很難被擊落。

眾所周知，飛行器和艦船相比，最大的區別在于艦船不具有速度優勢，在戰場上的對抗節奏較慢，因此一般需要密集編隊以協同作戰。而微小型無人機密集編隊的軍事價值有多高，還有待觀察。

最近網上出現文章稱，中國正在把3000架退役的殲六無人機改造成無人機，用來對美國航母編隊和臺海進行飽和攻擊。（參見文章《我軍3千架殲六改無人機攻臺純屬謠傳》）還有文章說：“未來作戰中，需要出動海量無人機，就像二戰時期倫敦上空的鷹和東京上空的B29機群一樣”。其實這種情況只可能出現在敵方基本喪失了防空能力的非對稱戰爭中。這種情況下，無人機數量的多少和戰場取勝之間沒有什么必然關系。

從美軍新聞中批露的“Perdix”無人機用途來看， “Perdix”無人機能夠作為誘餌來迷惑敵人的防空系統或配備電子發射機去干擾雷達。如果遇到導彈襲擊，這種無人機也可以作為雷達誘餌發射出去，將敵方導彈引向他處，保證戰機的安全?！癙erdix”無人機還可以執行近距離偵察等任務。

從以上可以看出，目前美軍并未把微小型無人機集群當成主力兵器，而是當成在某些特定的情況下能出奇制勝的奇兵，相當于武林中的暗器。

國內還有一種觀點認為小型無人機編隊或集群可以“將單個完備作戰平臺所具備的各項功能分散到大量低成本、功能單一的作戰平臺中，通過大量異構、異型的個體來實現原本復雜的系統功能，系統的倍增效益將使無人機集群具備遠超單一平臺的作戰能力?！边@種說法同樣值得商榷。雖說無人機集群協同作戰，可以取得更好的綜合效果，但并不能否定大型平臺的作用。如果一群小飛機通過密集編隊就能取代大飛機的作用，那就沒必要去花大力氣去研發波音747、空客380、C-17、運20了。因此無人機編隊或集群只是一種使用方式，與平臺的大小并無必然關系。從這一點來說，國內目前運用無人機集群的最高水平之一，應屬中國航天的五站四機協同飛行。這次試驗采用的是著名的大型無人機“彩虹-4”，多機間可以相互感知、相互協作，并且地面控制端通過機上的衛星通信系統實現了超視距測控。（參見2017年01月06日新聞：《彩虹4無人機完成多機協同任務 可與戰斗機共同作戰》）

綜上，珠海航展上的“67架無人機集群”并非集群，而是無人機編隊，而且是難度較小的固定翼無人機編隊，美軍如此詳細的公布其103架無人機集群的技術細節和核心能力展示，則是對珠海航展67架無人機編隊的回應。

作者：袁舟子  轉自：戰略前沿技術