未来的无人机集群，可根据共享信息自主做出决策，将改变未来的战场形态，也将在很多领域有重要的应用。例如，无人机集群可执行反潜、防空压制及攻击，甚至未来可作为新型导弹防御系统拦截高超声速导弹。虽然无人机集群代表了一项重大的技术进步，但释放其全部潜力将需要开发5个关键领域的能力，即集群自主性、人-集群编组、集群感知、集群网络互联和集群后勤。为实现无人机集群作战组网能力，2017年12月美国空军实验室发布了自主集群弹性战术网络项目，旨在开发成本低廉的技术，用战术波束成形技术为未来自主集群应用组网，这将与当前应用的信息交换要求大不相同。2019年5月空军实验室与智能自动化公司签订合同，用于为自主集群开发分布式相控阵天线系统。自主集群弹性战术网络项目主要解决了集群内网络互连问题，下文将详细阐述该项目的研究目标、研制周期、经费分配、研究内容等，并简要分析该项目与其他项目关系。

2017年12月27日，美国空军实验室信息局（AFR/RI）发布了自主集群弹性战术网络项目（Elastic Network of Autonomous SWARMS，DPAA-SEA）公告，用于广泛征集有关自主集群抗性战术网络创新性科技和技术研究，包括设计、开发、集成、测试、评估和试验等多方面。2019年5月，美空军实验室与智能自动化公司（Intelligent Automation Inc.）签订了约140万美金合同，用于为自主集群开发分布式相控阵天线系统。

该项目的目标是构建、开发和演示具有创新性且成本低廉的技术，以提供符合未来自主集群应用网络要求，该要求与当前应用中的信息交换要求间存在显著性差异。例如，2016年美国国防部国防科学委员会发布的《自主报告》中界定的诸多协同任务所需的潜在要求，通信可使得内部智能体在严酷的交战环境下相互协同，而现有的军事和商业网络协议尚无法达到该要求。在美空军可以成功执行未来基于集群的自主任务之前，需要首先建立新网络模式。因此，从这一角度来说，允许使用现有的网络优化点对点数据链路技术。该技术将主要涉及开放式系统互联通信参考模型（OSI）三层及更高层级的协议组合（如下图），并同时将包含分布式波束成形技术。

图1 OSI模型

该项目研究成果预期可用于解决美空军未来自主集群任务的网络连接问题，包括自主集群网络的功能、方案、理论和应用程序。对于已开发成形的技术，可通过测试和评估活动评估此类技术在潜在作战使用方面的有效性。

项目研制周期原计划为5年，资金支持总额约为2490万美元。具体分配如表1所示。

表1 项目研制周期及经费情况

经费（万美元）

2018财年 107.5

2019财年 272.5

2020财年 772.5

2021财年 650

2020财年 687.5

在美国空军实验室信息局发布自主集群弹性战术网络项目广泛征询公告公告中，具体指出需要解决三个方面的问题，包括动态网络管理、网络协议设计、分布式机载战术（DAT）波束成形。

用于界定通信系统性能的常用指标为吞吐量、延迟和可靠性。尽管在通常情况下，由通信系统设计人员权衡上述3项指标的重要程度，但一般情况下，也可根据实际需要，向其中1项指标赋予更高的优先级。所以，这一重点领域寻求开发动态网络管理（DNM）协议，以便于将一组应用参数转化为网络可行范围之内的一组点值。并在此条件下，动态网络管理协议可以修改网络协议参数，以便于在指定系统物理限制范围内，尽可能地接近最优指标组合。相关应用参数定义如下：

1）吞吐量——目的地接收有用数据的速率；

2）延迟——数据包从发送源传输至目的地所需使用的时间；

3）可靠性——误包率的倒数；

4）周期性——由流生成数据的模式；

5）优先级——由流生成数据包的相对重要性。

下述功能应被视为最终动态网络管理协议的组成部分：

1）动态网络管理协议须要基于逐个数据流实时响应应用程序流要求；

2）动态网络管理协议须要平衡整个网络的公平性和吞吐量；

3）动态网络管理须要通过C++库函数调用予以实现；

本项目旨在开发符合技术成熟度（RLT）5/6级能力要求，且可利用模拟机或无线传输系统演示相关技术。

该方面的首要目标是开发可在第三层及更高网络层（如图1）中分布，并且在延迟、吞吐量和可靠性的相对优先级方面达到预期灵活性要求的网络协议。上述功能需要在特定可行领域内，经设置后可运行的协议，相关参数经追溯后须与初始优化目标相关。

该领域的第二目标是提供一组可实现无缝协作的协议。任何单一协议均不可能完全覆盖网络全部的可行范围。尽管每个协议都具有不同的优势和劣势，但最重要的是所有相关协议应均可同时存在于同一网络。因此，与商用网络协议相类似，作为该领域研发工作的组成部分，任何经开发后确定的协议必须可以和网络中的其他协议并存。该协议须可与其他协议兼容工作。所有获标的参与者均需按照计划参与年度集成活动，以便测试不同协议之间的交互性，同时降低整体研发结束时的集成风险。

此外，最终的网络协议应具有下述功能：

1）延迟、可靠性和吞吐量的相对优先级必须可利用另一应用程序实时重新配置；

2）任何经开发后确定的协议必须可以和本领域研发工作开发的任何其他协议并存于同一网络；

3）本领域研发工作开发的任何协议不得局限于任何特定的波形或应用程序。

该任务旨在开发具有成熟度（RLT）5/6级，且可利用模拟机或无线传输演示系统予以验证网络协议。经开发确定的协议必须在美空军模拟实验平台上，并基于美空军现有的相关网络协议予以评估。

该领域研发工作的主要目标是开发全向天线使集群具有低成本分布式波束成形功能。经扩展后，空间分散的协作通信技术可以证明其具有允许利用全向无线系统完成协作的能力，并利用分布式元素构成伪相阵，以便于实现定向传输和范围扩展等功能。这一概念被称为“分布式波束成形”。如下图所示，单个元素的覆盖范围小，利用分布式波束成形技术后，覆盖范围大幅度提高，实现远距离通信。

图2 分布式波束成形概念示意图

除其他考虑事项外，可协作执行分布式波束成形的空中节点集群还需要处理以下事项：

1） 尽管存在相应的多普勒效应、不完善的精确参与定位识别（PPLI）和外部参考源不可用状况，如：GPS不可用时，整个集群可以精确载波、授时同步；

2） 可有效地向任意位置的节点分配传输权重，具有可扩展性，以便达到预期的波束模式属性要求，如旁瓣侧漏最小、窄波束带宽等；

3） 可有效地向集群参与者传输数据和控制消息；

4） 可通过波束成形、参与控制或其他技术，处理因节点空间分散形成的大多数波长间隔而造成的时间延迟问题。

实现这一技术的新理论、新方法极可能会涉及到信号处理，如自适应插值和瞬时频率估计的自我感知运动；可允许轨迹识别和控制，如用于感知和避障、敌我识别系统（IFF）及消除空间冲突；在情景感知推断方面，如基于集群协议预计邻近装置的运动，并结合利用光学传感器、惯性测量单元（IMUS）和雷达等机载设备提供的环境信息等。

该任务旨在开发可利用低成本I/II类无人机演示的成熟度（RLT）5/6级功能，证明基于集群天线装置的分布式波束成形技术在战术环境中所具有的优势。此外，无人机系统的飞行测试将在斯托克布里奇可控对抗环境中予以完成，并由项目经理负责相应的协调工作。

2019年5月20日，美空军研究实验室信息局授予智能自动化公司144.1292万美元，研发分布式机载战术波束形成能力，以支撑下一代的空中无人机能够集群作战。美空军要求智能自动化公司的研究人员设计和开发低成本的分布式波束形成能力，并配备大量的全向天线，以实现无人机编队集群行为和无人机间的协同。据披露，美空军研究人员为该项目寻求新的通信能力，以便在激烈竞争的环境中实现智能体之间的协同，而现有的军事和商业网络协议则无法实现这一点。

智能自动化公司研究人员表示将使用自适应插值、瞬时频率估计、允许轨迹识别以及感知和回避控制，在信号处理中考虑来自机载传感器和邻近消息的自我感知动作。此外，研究人员还将考虑情景感知推断，如基于集群协议的邻近预测动作，并将整合来自机载光学传感器、惯性测量单元(IMUS)和雷达信息。同时，该公司也将展示集群组网技术，使用低成本的I类和II类无人机来展示分布式波束形成技术的优势，在战术环境中聚集空中飞行器。无人机飞行测试将在纽约州罗马附近的斯托克布里奇的可控竞争环境试验场进行。

近年来，美国大力推进系列化集群项目发展，如小精灵（Gremlins）项目、灰山鹑（Perdix）项目、进攻型集群战术（OFFSET）项目、灰狼（Gray Wolf）项目、低成本无人机集群（LOCUST）项目、近距离隐蔽自主一次性无人机（CICADA）项目等。自主集群弹性战术网络项目将从采购和使用的角度考虑，尽量成本可承受，减少对无人机的改装，且要求成熟度5~6级，确保50千克以内无人机之间在干扰环境中的协同能力。该项目是美国空军《2016~2036小型无人机系统飞行规划》下开展的，且一旦试验成功将作为集群作战技术的重要组成部分，将有力支撑美国空军2030年集群作战概念形成作战能力（如下图）。

图3 美国空军2030年集群作战概念

2015年，为适应未来空战复杂的通信环境，美国发布了用于任务优化的动态网络适应性（DyNAMO）项目，通过在复杂的射频环境中寻求能为下述任务提供支持的创新技术：

1）能支持独立设计的网络之间进行交互操作；

2）能使网络在动态射频环境下适应随时间变化的任务。技术本身需要能与传统静态网络，以及未来的自适应网络相互连通，使有人与无人航空系统能在敌方干扰环境中迅速、安全和自主地涵盖不同波形和网络分享信息。DyNAMO项目强调动态作战环境，如何使飞机与使用不同无线电及波形的其他飞机直接进行通信，而自主集群弹性战术网络项目更多地强调为实现无人机间协同及与有人机之间的网络的连通性。从体系作战角度，两个项目形成互补，将实现整个战场的网络互连及信息共享。

自主集群弹性战术网络项目从组网角度，利用动态网络管理、网络协议设计及分布式战术波束成形技术，将有力支撑未来无人机集群协同作战能力形成。智能自动化公司给出了拟采取的方案，而明确的技术方案和方法以及动态网络管理、网络协议设计方面的研究还需进一步跟踪。