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集群智能作为一种颠覆性技术，已成为旋翼无人机领域的一个重要发展方向。本文介绍了旋翼无人机集群作战概念，对当前无人机集群技术研究现状进行了概述，并开展了旋翼无人机集群关键技术分析。最后对未来旋翼无人机集群作战模式进行了研究。
旋翼无人机是指利用旋翼作为飞行和操纵力来源、由无线电地面遥控飞行或/和自主控制飞行的可垂直起降（VTOL）无人飞行器，在构造形式上属于旋翼飞行器，包括无人直升机、多旋翼无人机等，在功能上属于垂直起降飞行器。20世纪50～60年代，美国Gyrodyne公司设计研发了世界上第一种无人直升机-QH-50系列“雄蜂”无人直升机，并交付美国海军执行反潜任务。90年代，在经历过几次伊拉克战乱和几次影响力巨大的地区冲突后，一些国家逐渐认识到旋翼无人机的重要性和多种可用用途。进入21世纪，随着各国对旋翼无人机的重视程度的增加以及计算机技术、网络技术在旋翼无人机上不断的应用和开发，旋翼无人机关键技术水平不断提高，自主飞行能力也进一步提高。面对未来高度对抗性、高度不确定性、高度动态性的作战环境，旋翼无人机的作战模式将逐步从单平台作战向多平台“集群”作战方向发展，从执行单一作战任务向协同执行战场侦察、电子干扰、火力打击等多任务发展方向。本文首先对目前旋翼无人机集群的研究现状做一概述，进而分析了旋翼无人机集群关键技术，最后对旋翼无人机集群作战模式进行了探讨。
旋翼无人机集群研究现状
旋翼无人机集群作战是指一组具备部分自主能力的旋翼无人机系统通过有人/无人操作装置的辅助，在一名高级操作员监控下，多平台协同完成作战任务的过程。与单机作战相比，旋翼无人机集群在作战时具备功能分布化、体系生存率高等优势。在对抗过程中，当部分个体失去作战能力，整个集群仍可以继续执行作战任务。由于无人直升机单机成本较高，目前，针对旋翼无人机集群的研究主要使用微小型四旋翼无人机进行演示试验和技术验证。
自2000年美国国防部预研局（ DARPA）启动了无人机集群空中战役研究计划后，美国国防部于2005年颁布了2005-2030《无人机系统路线图》，规划了多种不同类型的无人机发展计划，对无人机自主飞行能力进行了等级划分，并将无人机完全自主群体定为最高等级。无人机智能集群作为一种颠覆性技术和未来无人化作战的突破口，受到了美国等军事强国的关注。
2002年，美军联合部队司令部（ JFCOM）“阿尔法计划”实验室对无人机“集群作战”的效能进行了研究，结果初步表明无人机集群作战具有较高的效能优势。2008年，美国麻省理工学院的Jonathan How教授所领导的SWARMS健康管理项目，使多无人机系统具备在动态环境中执行预先制定任务的能力，并通过10架四旋翼无人机系统的300余次测试验证了算法的有效性。美国宾夕法尼亚大学“格拉斯帕”（GRASP）实验室成功让16～20架小型四旋翼无人机在室内组成各种形状的飞行编队，具有协同飞行、轨迹规划、规避障碍等能力。
2016年初，Intel公司在CES2016国际消费电子产品展上用100架四旋翼无人机进行了灯光秀表演，开启了无人机集群在民用领域的应用。同年9月，大连万达集团在重庆用101架无人机进行了音乐表演。同年11月，Intel公司使用500架四旋翼无人机进行了编队表演灯光秀。
总的来看，对于旋翼无人机集群的研究，美国依然走在世界前列。当前研究多处于控制算法研究和仿真试验阶段。从数量来看，旋翼无人机集群数量记录一直在不断的刷新，但集群能力还相对较低，特别是民用领域，大多表演仅是在旋翼无人机数量上寻求突破，无人机集群仅是按各自预先规划路径进行单独飞行，自主能力相对较低。
旋翼无人机集群作战关键技术
未來无人机集群作战需要解决的关键技术问题包括集群智能控制算法、集群通信网络、态势感知、编队控制和一站多机测控等。
（1）集群智能控制算法
旋翼无人机集群在作战过程中，必须要快速并准确的分布到各个作战区域，进行有效的作战编队。集群中每个个体都具有一定自主能力，但其能力具有局限性，集群中每个个体必须相互配合协调才能完成较为复杂的作战任务。旋翼无人机要实现相互间的协同就必须确定个体之间逻辑上和物理上的信息关系和控制关系，针对这些问题而进行的体系结构研究可以保证系统中信息流和控制流的畅通，为旋翼无人机之间的交互提供框架。因此，针对集群智能控制算法的研究是实现旋翼无人机集群作战的关键。目前具有代表性的集群智能算法主要有蚁群算法（Ant Colony System，ACS）、粒子群算法（Particle SwarmOptimization，PSO）和人工蜂群算法（Artificial Bee ColonyAlgorithm，ABC）等。
（2）集群通信网络技术
旋翼无人机集群在作战过程中，对通信链路的要求十分严苛，旋翼无人机和地面站、旋翼无人机和旋翼无人机、编队和编队之间必须存在一定的信息交互，并降低通信延迟，保证信息交互的时效性。同时在作战过程中，很大几率会有旋翼无人机个体被击落和其它个体加入编队进行增援的情况，因此其通信网络在满足正常需求的条件下，应支持旋翼无人机集群完成编队重构功能。当集群与地面之间的测控链路中断之后，集群也要具备一定的自组织能力，以短暂维持集群的战斗力。
针对旋翼无人机集群作战对通信网络技术的要求，国内外都在信息交互技术等方面进行了大量的研究，集群数据链自适应组网技术是实现无人机集群作战的通信网络关键技术之一。自适应组网技术可以将多条链路组成无人机集群数据链网络，充分利用不同链路的优势，实现空（无人机）一天（卫星）一地（地面站）之间的通信互联，数据传输，网络管理，适应动态变化的网络拓扑结构等功能，从而支持无人机集群作战。
（3）态势感知技术
态势感知是旋翼无人机集群作战中能够取得优势的关键技术。旋翼无人机集群作战过程中受到的威胁可以来自任意方向，在集群对抗战斗中，友机与敌机相互缠绕，信息量大，态势评估对比单机作战情况复杂的多。这就需要旋翼无人机集群中每个个体利用对周围环境和敌机的态势感知信息和接收到的友机信息进行综合分析，确定敌方态势、己方态势、自身飞行状态、武器状况等，通过分析感知数据帮助决策作战指令。 目前相关技术包括协同目标探测、协同目标状态融合估计，协同态势理解与共享等。由于无人机集群作战相较单机作战信息量大且复杂，为了正确的进行正确的态势评估，单纯依靠某一种方法是不可能实现的，必须选取多种态势估计方法，已达到方法上的最佳组合。
（4）编队控制技术
集群作战过程中，旋翼无人机起飞后首先要在空中集结编队，然后飞往任务区执行作战任务;作战过程中可能遭到攻击造成部分旋翼无人机的脱离编队;或者根据作战任务需要对旋翼无人机进行分组执行作战任务。因此，旋翼无人机集群需要具备编队构成、保持和重构等能力。
无人机集群编队控制问题主要采用分布式编队控制方式解决。分布式编队是控制人员将信息发送给集群中部分无人机，无人机能选择与其它无人机进行通信，以实现集群编队控制。分布式编队控制可以实现大规模编队时降低无人机系统的通信代价，且当任意编队成员出现问题或故障时，仍能保证编队控制系统的正常运行，极大地增强了整个系统的鲁棒性。目前无人机集群编队控制方法主要有Leader-Follower、虚拟领航法和行为控制法。
（5）一站多机测控技术
随着旋翼无人机集群的个体数量增加，对旋翼无人机系统测控技术也提出了新的挑战。旋翼无人机现有地面测控站大多属于“一站一机”，部分地面测控站具备控制3、4架旋翼无人机的能力。对于集群作战来说，旋翼无人机的数量更多，且不同个体之间携带任务载荷也会有所差别。因此针对未来旋翼无人机集群作战需要研发新的地面测控站，以实现旋翼无人机集群控制。
旋翼无人机集群作战探讨
根据旋翼无人机平台大小、任务载荷和作战环境的不同，旋翼无人机集群可以组织执行不同类型的作战任务，包括旋翼无人机集群协同侦察打击，有人/无人机混编集群作战，旋翼无人机集群对抗等。
（1）旋翼无人机集群协同侦察打击
该种作战模式下，旋翼无人机集群可由侦察型旋翼无人机、武装型旋翼无人机和电子干扰型旋翼无人机组成。假设对目标区域A进行侦察打击，旋翼无人机起飞后先在空中按任务类型进行集结编队，然后向区域A方向飞行。抵近后，由干扰编队进行协同干扰，造成区域A雷达系统短暂瘫痪;由侦察和打击编队快速对区域A雷达系统关键部位进行侦察定位并集中火力打击，造成区域A雷达侦察系统彻底瘫痪;然后以小部分侦察型、武装型和干扰型组合的模式对整个集群进行重新编队，对区域A进行分散打击;结束作战任务后编队返航。
执行侦察打击任务时，侦察型旋翼无人机可配置多型传感器，如可见光、红外、雷达等传感器相互配合，实现目标区域复杂条件下的协同搜索侦察。武装型旋翼无人机可携带不同类型的武器装备，如空对地导弹、榴弹、破甲弹、燃烧弹、机炮等，实现对目标区域不同攻击对象的有效打击。干扰型旋翼无人机可采用小型旋翼无人机实现协同干扰，这样可有效降低自身雷达侦察面积，提高自身安全性和对目标区域的干扰面积。
（2）有人/无人机混编集群作战
有人/无人机协同近年来也是各军事强国的研究重点，通过有人直升机对旋翼无人机直接进行飞行和任务载荷控制，可以实施联合目标识别与确认、快速打击和战场动态评估等任务。如察打一体无人直升機与武装直升机混合编队作战，一架有人武装直升机配多架察打一体无人直升机，察打一体无人直升机布置在编队前沿。武装直升机作为指挥机，汇集由无人直升机获得的战场态势，通过指令控制无人机发动攻击任务，由无人直升机对敌方目标进行火力攻击。察打一体无人直升作为先遣机为武装直升机进行出航引导，不仅降低了武装直升机敌方威胁，也使武装直升机起到先敌发现、先敌攻击的能力，大大提高了混合编队的作战效能。
2011年9月，美国陆军在犹他州达格威（ Dugway）靶场进行了有人/无人系统协同作战演习，演习结果表明各系统协同作战可大幅提升陆军作战能力。未来，随着飞行控制技术、测控技术的发展，有人/旋翼无人机协同作战必然演变为有人/旋翼无人机混编集群作战，也最大限度发挥集群作战和有人/旋翼无人机协同作战的优势。
（3）无人机集群对抗
无人机集群作战带来了巨大的规模优势，集群技术必将在军事领域扮演重要角色，那么对于无人机集群的对抗也成为一个重要的研究课题。美国海军研究生院（Naval Postgraduate School）蒂莫西H.钟（Timothy H.Chung）认为，未来战争中唯一能对付集群无人机的将是另一群无人机。因此，采用怎样的编队方式与敌军旋翼无人机集群对抗，对抗中如何有效“打散”敌方集群编队并保持己方优势将是旋翼无人机集群对抗作战中的重要研究方向。如罗德林等提出，大规模无人机的集群对抗可借鉴多agent系统的工作形式，多agent技术具有的自组织能力、学习能力和推理能力，为无人机集群间的对抗控制与决策提供了有效途径。
结束语
旋翼无人机作为未来“无人化”作战的利器，已经引起各国重视。未来战争中，必然是陆、海、空、天、电五维一体化作战，旋翼无人机集群作战必然会和地面、海上等作战单元协同作战。旋翼无人机集群作战必将成为未来战场上取得战争优势的一大关键。通过本文对旋翼无人机集群的若干关键技术问题的简要分析以及对旋翼无人机集群作战模式的探讨。可为我国在旋翼无人机集群的关键技术寻取突破口，在此基础上，同步开展旋翼无人机集群作战战法和反无人机集群研究，以在未来战场中取得对抗优势，实现集群作战效能最大化。
旋翼无人机是指利用旋翼作为飞行和操纵力来源、由无线电地面遥控飞行或/和自主控制飞行的可垂直起降（VTOL）无人飞行器，在构造形式上属于旋翼飞行器，包括无人直升机、多旋翼无人机等，在功能上属于垂直起降飞行器。20世纪50～60年代，美国Gyrodyne公司设计研发了世界上第一种无人直升机-QH-50系列“雄蜂”无人直升机，并交付美国海军执行反潜任务。90年代，在经历过几次伊拉克战乱和几次影响力巨大的地区冲突后，一些国家逐渐认识到旋翼无人机的重要性和多种可用用途。进入21世纪，随着各国对旋翼无人机的重视程度的增加以及计算机技术、网络技术在旋翼无人机上不断的应用和开发，旋翼无人机关键技术水平不断提高，自主飞行能力也进一步提高。面对未来高度对抗性、高度不确定性、高度动态性的作战环境，旋翼无人机的作战模式将逐步从单平台作战向多平台“集群”作战方向发展，从执行单一作战任务向协同执行战场侦察、电子干扰、火力打击等多任务发展方向。本文首先对目前旋翼无人机集群的研究现状做一概述，进而分析了旋翼无人机集群关键技术，最后对旋翼无人机集群作战模式进行了探讨。
旋翼无人机集群研究现状
旋翼无人机集群作战是指一组具备部分自主能力的旋翼无人机系统通过有人/无人操作装置的辅助，在一名高级操作员监控下，多平台协同完成作战任务的过程。与单机作战相比，旋翼无人机集群在作战时具备功能分布化、体系生存率高等优势。在对抗过程中，当部分个体失去作战能力，整个集群仍可以继续执行作战任务。由于无人直升机单机成本较高，目前，针对旋翼无人机集群的研究主要使用微小型四旋翼无人机进行演示试验和技术验证。
自2000年美国国防部预研局（ DARPA）启动了无人机集群空中战役研究计划后，美国国防部于2005年颁布了2005-2030《无人机系统路线图》，规划了多种不同类型的无人机发展计划，对无人机自主飞行能力进行了等级划分，并将无人机完全自主群体定为最高等级。无人机智能集群作为一种颠覆性技术和未来无人化作战的突破口，受到了美国等军事强国的关注。
2002年，美军联合部队司令部（ JFCOM）“阿尔法计划”实验室对无人机“集群作战”的效能进行了研究，结果初步表明无人机集群作战具有较高的效能优势。2008年，美国麻省理工学院的Jonathan How教授所领导的SWARMS健康管理项目，使多无人机系统具备在动态环境中执行预先制定任务的能力，并通过10架四旋翼无人机系统的300余次测试验证了算法的有效性。美国宾夕法尼亚大学“格拉斯帕”（GRASP）实验室成功让16～20架小型四旋翼无人机在室内组成各种形状的飞行编队，具有协同飞行、轨迹规划、规避障碍等能力。
2016年初，Intel公司在CES2016国际消费电子产品展上用100架四旋翼无人机进行了灯光秀表演，开启了无人机集群在民用领域的应用。同年9月，大连万达集团在重庆用101架无人机进行了音乐表演。同年11月，Intel公司使用500架四旋翼无人机进行了编队表演灯光秀。
总的来看，对于旋翼无人机集群的研究，美国依然走在世界前列。当前研究多处于控制算法研究和仿真试验阶段。从数量来看，旋翼无人机集群数量记录一直在不断的刷新，但集群能力还相对较低，特别是民用领域，大多表演仅是在旋翼无人机数量上寻求突破，无人机集群仅是按各自预先规划路径进行单独飞行，自主能力相对较低。
旋翼无人机集群作战关键技术
未來无人机集群作战需要解决的关键技术问题包括集群智能控制算法、集群通信网络、态势感知、编队控制和一站多机测控等。
（1）集群智能控制算法
旋翼无人机集群在作战过程中，必须要快速并准确的分布到各个作战区域，进行有效的作战编队。集群中每个个体都具有一定自主能力，但其能力具有局限性，集群中每个个体必须相互配合协调才能完成较为复杂的作战任务。旋翼无人机要实现相互间的协同就必须确定个体之间逻辑上和物理上的信息关系和控制关系，针对这些问题而进行的体系结构研究可以保证系统中信息流和控制流的畅通，为旋翼无人机之间的交互提供框架。因此，针对集群智能控制算法的研究是实现旋翼无人机集群作战的关键。目前具有代表性的集群智能算法主要有蚁群算法（Ant Colony System，ACS）、粒子群算法（Particle SwarmOptimization，PSO）和人工蜂群算法（Artificial Bee ColonyAlgorithm，ABC）等。
（2）集群通信网络技术
旋翼无人机集群在作战过程中，对通信链路的要求十分严苛，旋翼无人机和地面站、旋翼无人机和旋翼无人机、编队和编队之间必须存在一定的信息交互，并降低通信延迟，保证信息交互的时效性。同时在作战过程中，很大几率会有旋翼无人机个体被击落和其它个体加入编队进行增援的情况，因此其通信网络在满足正常需求的条件下，应支持旋翼无人机集群完成编队重构功能。当集群与地面之间的测控链路中断之后，集群也要具备一定的自组织能力，以短暂维持集群的战斗力。
针对旋翼无人机集群作战对通信网络技术的要求，国内外都在信息交互技术等方面进行了大量的研究，集群数据链自适应组网技术是实现无人机集群作战的通信网络关键技术之一。自适应组网技术可以将多条链路组成无人机集群数据链网络，充分利用不同链路的优势，实现空（无人机）一天（卫星）一地（地面站）之间的通信互联，数据传输，网络管理，适应动态变化的网络拓扑结构等功能，从而支持无人机集群作战。
（3）态势感知技术
态势感知是旋翼无人机集群作战中能够取得优势的关键技术。旋翼无人机集群作战过程中受到的威胁可以来自任意方向，在集群对抗战斗中，友机与敌机相互缠绕，信息量大，态势评估对比单机作战情况复杂的多。这就需要旋翼无人机集群中每个个体利用对周围环境和敌机的态势感知信息和接收到的友机信息进行综合分析，确定敌方态势、己方态势、自身飞行状态、武器状况等，通过分析感知数据帮助决策作战指令。 目前相关技术包括协同目标探测、协同目标状态融合估计，协同态势理解与共享等。由于无人机集群作战相较单机作战信息量大且复杂，为了正确的进行正确的态势评估，单纯依靠某一种方法是不可能实现的，必须选取多种态势估计方法，已达到方法上的最佳组合。
（4）编队控制技术
集群作战过程中，旋翼无人机起飞后首先要在空中集结编队，然后飞往任务区执行作战任务;作战过程中可能遭到攻击造成部分旋翼无人机的脱离编队;或者根据作战任务需要对旋翼无人机进行分组执行作战任务。因此，旋翼无人机集群需要具备编队构成、保持和重构等能力。
无人机集群编队控制问题主要采用分布式编队控制方式解决。分布式编队是控制人员将信息发送给集群中部分无人机，无人机能选择与其它无人机进行通信，以实现集群编队控制。分布式编队控制可以实现大规模编队时降低无人机系统的通信代价，且当任意编队成员出现问题或故障时，仍能保证编队控制系统的正常运行，极大地增强了整个系统的鲁棒性。目前无人机集群编队控制方法主要有Leader-Follower、虚拟领航法和行为控制法。
（5）一站多机测控技术
随着旋翼无人机集群的个体数量增加，对旋翼无人机系统测控技术也提出了新的挑战。旋翼无人机现有地面测控站大多属于“一站一机”，部分地面测控站具备控制3、4架旋翼无人机的能力。对于集群作战来说，旋翼无人机的数量更多，且不同个体之间携带任务载荷也会有所差别。因此针对未来旋翼无人机集群作战需要研发新的地面测控站，以实现旋翼无人机集群控制。
旋翼无人机集群作战探讨
根据旋翼无人机平台大小、任务载荷和作战环境的不同，旋翼无人机集群可以组织执行不同类型的作战任务，包括旋翼无人机集群协同侦察打击，有人/无人机混编集群作战，旋翼无人机集群对抗等。
（1）旋翼无人机集群协同侦察打击
该种作战模式下，旋翼无人机集群可由侦察型旋翼无人机、武装型旋翼无人机和电子干扰型旋翼无人机组成。假设对目标区域A进行侦察打击，旋翼无人机起飞后先在空中按任务类型进行集结编队，然后向区域A方向飞行。抵近后，由干扰编队进行协同干扰，造成区域A雷达系统短暂瘫痪;由侦察和打击编队快速对区域A雷达系统关键部位进行侦察定位并集中火力打击，造成区域A雷达侦察系统彻底瘫痪;然后以小部分侦察型、武装型和干扰型组合的模式对整个集群进行重新编队，对区域A进行分散打击;结束作战任务后编队返航。
执行侦察打击任务时，侦察型旋翼无人机可配置多型传感器，如可见光、红外、雷达等传感器相互配合，实现目标区域复杂条件下的协同搜索侦察。武装型旋翼无人机可携带不同类型的武器装备，如空对地导弹、榴弹、破甲弹、燃烧弹、机炮等，实现对目标区域不同攻击对象的有效打击。干扰型旋翼无人机可采用小型旋翼无人机实现协同干扰，这样可有效降低自身雷达侦察面积，提高自身安全性和对目标区域的干扰面积。
（2）有人/无人机混编集群作战
有人/无人机协同近年来也是各军事强国的研究重点，通过有人直升机对旋翼无人机直接进行飞行和任务载荷控制，可以实施联合目标识别与确认、快速打击和战场动态评估等任务。如察打一体无人直升機与武装直升机混合编队作战，一架有人武装直升机配多架察打一体无人直升机，察打一体无人直升机布置在编队前沿。武装直升机作为指挥机，汇集由无人直升机获得的战场态势，通过指令控制无人机发动攻击任务，由无人直升机对敌方目标进行火力攻击。察打一体无人直升作为先遣机为武装直升机进行出航引导，不仅降低了武装直升机敌方威胁，也使武装直升机起到先敌发现、先敌攻击的能力，大大提高了混合编队的作战效能。
2011年9月，美国陆军在犹他州达格威（ Dugway）靶场进行了有人/无人系统协同作战演习，演习结果表明各系统协同作战可大幅提升陆军作战能力。未来，随着飞行控制技术、测控技术的发展，有人/旋翼无人机协同作战必然演变为有人/旋翼无人机混编集群作战，也最大限度发挥集群作战和有人/旋翼无人机协同作战的优势。
（3）无人机集群对抗
无人机集群作战带来了巨大的规模优势，集群技术必将在军事领域扮演重要角色，那么对于无人机集群的对抗也成为一个重要的研究课题。美国海军研究生院（Naval Postgraduate School）蒂莫西H.钟（Timothy H.Chung）认为，未来战争中唯一能对付集群无人机的将是另一群无人机。因此，采用怎样的编队方式与敌军旋翼无人机集群对抗，对抗中如何有效“打散”敌方集群编队并保持己方优势将是旋翼无人机集群对抗作战中的重要研究方向。如罗德林等提出，大规模无人机的集群对抗可借鉴多agent系统的工作形式，多agent技术具有的自组织能力、学习能力和推理能力，为无人机集群间的对抗控制与决策提供了有效途径。
结束语
旋翼无人机作为未来“无人化”作战的利器，已经引起各国重视。未来战争中，必然是陆、海、空、天、电五维一体化作战，旋翼无人机集群作战必然会和地面、海上等作战单元协同作战。旋翼无人机集群作战必将成为未来战场上取得战争优势的一大关键。通过本文对旋翼无人机集群的若干关键技术问题的简要分析以及对旋翼无人机集群作战模式的探讨。可为我国在旋翼无人机集群的关键技术寻取突破口，在此基础上，同步开展旋翼无人机集群作战战法和反无人机集群研究，以在未来战场中取得对抗优势，实现集群作战效能最大化。