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未來戰(zhàn)場新常態(tài)：有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)
摘 要：有人/無人機協(xié)同將成為無人平臺在未來戰(zhàn)場運用的新常態(tài)。隨著武器裝備的智能化、自主化水平不斷提高，人與機器之間的任務剖分會發(fā)生明顯改變，人會逐漸把大量重復且確定的工作交給機器完成，而自己只參與重要決策環(huán)節(jié)。有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)是分布式協(xié)同作戰(zhàn)理念指導下應用較為廣泛的典型作戰(zhàn)模式，通過有人平臺和無人機之間分工協(xié)作，形成優(yōu)勢互補，達到“1+1>2”的作戰(zhàn)效果。本文對近些年美軍在有人/無人機協(xié)同領域的項目進行深入分析，總結(jié)了有人/無人機協(xié)同需要發(fā)展的關鍵技術(shù)，并對有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的典型作戰(zhàn)場景和作戰(zhàn)流程進行研究，提出對有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)領域未來發(fā)展的思考。
關鍵詞: 有人/無人協(xié)同；無人機
引 言
有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)是將體系能力分散到有人和無人平臺之上，通過體系內(nèi)各平臺之間的協(xié)同工作，一方面使作戰(zhàn)能力倍增，另一方面利用無人機實現(xiàn)對有人機的保護，大幅提高體系的抗毀傷能力和魯棒性。有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)能夠?qū)崿F(xiàn)有人和無人平臺之間的優(yōu)勢互補，分工協(xié)作，充分發(fā)揮各自平臺能力，形成“1+1>2”的效果。有人機與無人機在空中作戰(zhàn)將長期保持控制與被控制的關系[1]，隨著無人智能化水平的不斷發(fā)展，有人機與無人機協(xié)同作戰(zhàn)樣式、協(xié)同形態(tài)和相關技術(shù)也在不斷演進。因此，發(fā)展有人/無人機協(xié)同編隊提高作戰(zhàn)效能是現(xiàn)階段的明智選擇。
本文主要研究美軍在有人/無人機協(xié)同領域的項目和技術(shù)突破情況，給出對于有人/無人機未來發(fā)展的思考。本文組織結(jié)構(gòu)如下：第1章對美軍近些年在有人/無人機協(xié)同方向典型項目進行重點分析；第2章主要介紹了有人/無人機協(xié)同的關鍵技術(shù)；第3章是有人/無人機典型作戰(zhàn)場景和場景模式；第4章是對有人/無人協(xié)同未來發(fā)展方向的展望；最后對本文進行總結(jié)。
1 美軍有人/無人機協(xié)同發(fā)展現(xiàn)狀分析
美軍將有人/無人協(xié)同列為“第三次抵消戰(zhàn)略”五大關鍵技術(shù)領域之一。有人/無人協(xié)同概念最早出現(xiàn)于上世紀60年代，指有人與無人系統(tǒng)之間為實現(xiàn)共同作戰(zhàn)任務目標建立起聯(lián)系，用于描述平臺互用性和共享資產(chǎn)控制。近些年，DARPA及各軍兵種在有人/無人機協(xié)同領域開展了大量研究工作，主要從體系架構(gòu)、指揮控制、通信組網(wǎng)以及人機交互四個方面重點發(fā)展。
1.1 體系架構(gòu)
為了探索確保美國空中優(yōu)勢的新方法，2014年，DARPA發(fā)布體系集成技術(shù)和試驗（SoSITE）項目公告。該項目目標是探索一種更新、更靈活的方式，將單個武器系統(tǒng)的能力分散到多個有人與無人平臺、武器上，尋求開發(fā)并實現(xiàn)用于新技術(shù)快速集成的系統(tǒng)架構(gòu)概念，無需對現(xiàn)有能力、系統(tǒng)或體系進行大規(guī)模重新設計。SoSITE項目計劃運用開放式系統(tǒng)架構(gòu)方法，開發(fā)可無縫安裝、即裝即用，并能快速完成現(xiàn)代化升級的、可互換的模塊和平臺，使得新技術(shù)的集成整合更容易、更快速。如圖1所示，通過開放式系統(tǒng)架構(gòu)方法實現(xiàn)空中平臺關鍵功能在各類有人/無人平臺間的分配，包括電子戰(zhàn)、傳感器、武器系統(tǒng)、作戰(zhàn)管理、定位導航與授時以及數(shù)據(jù)/通信鏈等功能。
圖1 SoSITE概念圖
2017年，美軍在SoSITE分布式發(fā)展思路的基礎上，進一步提出了“馬賽克戰(zhàn)”的概念，更加強調(diào)不同平臺之間動態(tài)協(xié)同，從平臺和關鍵子系統(tǒng)的集成轉(zhuǎn)變?yōu)閼?zhàn)斗網(wǎng)絡的連接、命令與控制。通過將各類傳感器、指揮控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等比作“馬賽克碎片”，通過通信網(wǎng)絡將各個碎片之間進行鉸鏈，形成一個靈活機動的作戰(zhàn)體系，解決傳統(tǒng)裝備研發(fā)和維護成本高、研制周期長的問題。
1.2 指揮控制
針對有人/無人機協(xié)同的指揮控制，美軍重點研究強對抗/干擾環(huán)境下的有人機與無人機協(xié)作執(zhí)行任務的方法，形成分布式的指控管理能力。
2014年，DARPA提出“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項目?！癈ODE”的目標是使配備“CODE”軟件的無人機群在一名有人平臺上任務指揮官的全權(quán)監(jiān)管下，按照既定交戰(zhàn)規(guī)則導航到目的地，協(xié)作執(zhí)行尋找、跟蹤、識別和打擊目標的任務[2,3]。CODE項目通過開發(fā)先進算法和軟件，探索分布式作戰(zhàn)中無人機的自主和協(xié)同技術(shù)，擴展美軍現(xiàn)有無人機系統(tǒng)在對抗/拒止作戰(zhàn)空間與地面、海上高機動目標展開動態(tài)遠程交戰(zhàn)的能力。
CODE項目分為三個階段，
第一階段從2014年到2016年年初，內(nèi)容包括系統(tǒng)分析、架構(gòu)設計和發(fā)展關鍵技術(shù)，完成系統(tǒng)需求定義和初步系統(tǒng)設計；
第二階段從2016年年初到2017年年中，洛馬和雷神公司以RQ-23“虎鯊”無人機為測試平臺，加裝相關軟硬件，并開展了大量飛行試驗，驗證了開發(fā)式架構(gòu)、自主協(xié)同規(guī)劃等指標；
第三階段從2018年1月開始，測試使用6架真實無人機以及模擬飛機的協(xié)同能力，實現(xiàn)單人指揮無人機小組完成復雜任務。
圖2 “拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”項目
2014年，DARPA提出“分布式戰(zhàn)場管理”（DBM）項目。項目背景是未來的對抗性空域，協(xié)同作戰(zhàn)的飛機可能需要限制通信以免被對手發(fā)現(xiàn)，或者會被對方干擾而無法交換信息，這將嚴重影響有人/無人編隊作戰(zhàn)能力，為此，DBM項目的目標是使作戰(zhàn)編隊即使在受到干擾的情況下也能繼續(xù)執(zhí)行任務。
- 2014年啟動第一階段，通過發(fā)展先進算法和軟件，提高分布式空戰(zhàn)任務自適應規(guī)劃和態(tài)勢感知等能力，幫助履行戰(zhàn)場管理任務的飛行員進行快速且合理的決策，以在強對抗環(huán)境下更好地執(zhí)行復雜作戰(zhàn)任務。
- 2016年5月，DARPA向洛馬公司授予1620萬美元的項目第二階段合同，設計全功能決策輔助軟件原型，幫助策劃有人機和無人機參與的復雜空戰(zhàn)。
- 2018年1月，DARPA已向BAE系統(tǒng)公司授予DBM項目第三階段合同，前兩階段發(fā)展的成果能讓有人/無人機編組在干擾環(huán)境中飛行，具備回避威脅和攻擊目標的能力。圖3是DBM項目的能力驗證環(huán)境。
圖3 “分布式作戰(zhàn)管理”能力驗證環(huán)境
1.3 通信組網(wǎng)
有人平臺和無人平臺通過通信網(wǎng)絡進行連接，有人/無人機協(xié)同能力形成是以平臺之間的互聯(lián)互通為基本前提的。協(xié)同任務一方面對通信網(wǎng)絡的帶寬、時延、抗干擾/毀傷、低探測等性能提出了新要求，另一方面通信組網(wǎng)應能適應傳統(tǒng)平臺的異構(gòu)網(wǎng)絡以及未來新型/改進型網(wǎng)絡。
“中平臺間的通信能力對抗環(huán)境中的通信”（C2E）項目通過發(fā)展抗干擾、難探測的通信網(wǎng)絡技術(shù)，確保在使用相同射頻和波形的飛機之間開展不受限制的通信，以應對各種頻譜戰(zhàn)威脅。
DARPA在2015年發(fā)布 “滿足任務最優(yōu)化的動態(tài)適應網(wǎng)絡”（DyNAMO）項目，通過開發(fā)網(wǎng)絡動態(tài)適應技術(shù)，保證各類航空平臺在面對主動干擾時，能在一定安全等級下進行即時高速通信，C2E項目的硬件成果被用于該項目的演示驗證，保證原始射頻數(shù)據(jù)在目前不兼容的空基網(wǎng)絡之間進行通信，為有人/無人機協(xié)同體系中異構(gòu)平臺之間的實時數(shù)據(jù)共享奠定了基礎。
圖4 美軍現(xiàn)有主要空基網(wǎng)絡示意圖
1.4 人機交互
CODE等項目在有人/無人機協(xié)同的人機交互上也做了大量工作。此外，美軍陸軍于2017年完成“無人機操作最佳角色分配管理控制系統(tǒng)（SCORCH）”研發(fā)。如圖5所示，“SCORCH”系統(tǒng)包含無人機的智能自主學習行為軟件以及高級用戶界面，提供了獨特的協(xié)同整合能力，將人機交互、自主性和認知科學領域的最新技術(shù)融合到一套整體作戰(zhàn)系統(tǒng)中。系統(tǒng)界面針對多架無人機控制進行了優(yōu)化，設有具備觸摸屏交互功能的玻璃座艙、一個配備專用觸摸顯示屏的移動式游戲型手動控制器、一個輔助型目標識別系統(tǒng)以及其他高級特性?！癝CORCH”負責多架無人機的任務分配，并在達到關鍵決策點的時候向空中任務指揮者發(fā)出告警，允許單一操作者同時有效控制三個無人機系統(tǒng)并瀏覽它們傳回的實時圖像。
圖5 無人機操作最佳角色分配管理控制系統(tǒng)
2 有人/無人機協(xié)同關鍵技術(shù)分析
2.1 開放式系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)
有人/無人機協(xié)同包含多種作戰(zhàn)平臺，如果不同的作戰(zhàn)平臺上采用差異較大的技術(shù)體制，將致體系集成難度劇增。開放式系統(tǒng)架構(gòu)正是為了解決該問題進行設計的，推動采辦和商業(yè)模型遠離傳統(tǒng)煙囪式開發(fā)模式，具有可移植、模塊化、解耦合、易升級、可擴展等特點，可降低壽命周期成本，縮短部署時間，獲得了工業(yè)界和國防部的支持。
目前，美軍具有代表性的開放式系統(tǒng)架構(gòu)有未來機載能力環(huán)境（Future Airborne Capability Environment，F(xiàn)ACE）和開放式任務系統(tǒng)（Open Mission Systems，OMS）。
2.1.1 未來機載能力環(huán)境
美國海軍提出未來機載能力環(huán)境概念，目標是建立一個公共操作環(huán)境，以支持軟件在任意機載電子系統(tǒng)上的移植和部署。該思想受到了移動設備中使用公共操作環(huán)境所帶來優(yōu)勢的啟發(fā)。FACE通過制定一個嚴格的開放標準集合，采用開放式體系結(jié)構(gòu)、集成式模塊化航空電子系統(tǒng)和模塊化開放系統(tǒng)分析方法，使航空電子系統(tǒng)內(nèi)部應用程序之間的互操作性最大化。
未來機載能力環(huán)境（FACE聯(lián)盟）成立于2010年，旨在為所有軍用機載平臺類型定義開放的航空電子環(huán)境。FACE技術(shù)標準是一種開放的實時標準，用于使安全關鍵計算操作更加健壯、可互操作更強、便攜且安全。該標準的最新版本（2017年發(fā)布3.0版本）進一步提升了應用程序的互操作性和可移植性，增強了在FACE組件之間交換數(shù)據(jù)的要求，包括正式指定的數(shù)據(jù)模型，并強調(diào)定義標準的通用語言要求。通過使用標準接口，該開放標準實現(xiàn)了系統(tǒng)和組件之間的互操作性以及接口重用。圖6是FACE的軟件架構(gòu)，共分為可移植組件單元、傳輸服務單元、平臺特定服務單元、輸入輸出服務單元以及操作系統(tǒng)單元。
在航空電子系統(tǒng)中使用開放標準的標準化具有以下幾個方面的優(yōu)勢：（1）降低FACE系統(tǒng)開發(fā)和實施成本（2）使用標準接口將導致功能的重用（3）跨多個FACE系統(tǒng)和供應商的應用程序的可移植性（4）采購符合FACE標準的產(chǎn)品?！ ?img alt="" src="/zgdk/1593322/1646506/1646730/2021022414364271049.png" style="text-align: center;" title="" />
圖6 FACE架構(gòu)
2.1.2 開放式任務系統(tǒng)
美國空軍發(fā)起了開放式任務系統(tǒng)計劃，旨在開發(fā)一種非專有的開放式系統(tǒng)架構(gòu)。OMS項目由來自政府、工業(yè)界和學術(shù)界成員組成，正在積極協(xié)調(diào)新興OMS標準的制定，包括多個機載平臺和傳感器采集程序，以及無人機系統(tǒng)（UAS）指揮和控制計劃（UCI）和通用任務控制中心（CMCC）。
OMS以及其他OSA工作的目標是確定新的采購和架構(gòu)方法，以降低開發(fā)和生命周期成本，同時提供升級和擴展系統(tǒng)功能的可行途徑。由美國空軍開發(fā)的開放式任務系統(tǒng)（OMS）標準在其定義中利用商業(yè)開發(fā)的面向服務的體系結(jié)構(gòu)（SOA）概念和中間件?？哲娬趯で髷U展OMS標準的能力，以促進航空電子系統(tǒng)的快速發(fā)展。UCS OMS參考架構(gòu)建立了面向服務的基本設計模式和原則以及關鍵接口和模塊。航空電子系統(tǒng)的功能被表征為一組服務和一組客戶。在某些情況下，程序或系統(tǒng)可以是客戶端和服務。OMS標準定義了客戶端和服務的基本行為以及用于進入和退出系統(tǒng)的航空電子服務總線（ASB）協(xié)議，支持測試，容錯，隔離和身份驗證。
在SoSITE項目的最新試驗中，使用了臭鼬工廠開發(fā)的復雜組織體開放式系統(tǒng)架構(gòu)（E-OSA）任務計算機版本2（EMC2），即所謂的“愛因斯坦盒”，如圖7所示。洛克希德·馬丁公司開發(fā)的E-OSA兼容了美空軍OMS標準?！皭垡蛩固购小笨蔀橄到y(tǒng)之間的通信提供了安全保護功能，在將相關能力部署到操作系統(tǒng)之前，“愛因斯坦盒”能夠確?？焖俣踩膶嶒?。“愛因斯坦盒”不僅是一個通信網(wǎng)關，它可被比作一部智能手機，能夠運行很多不同的應用程序，具備實現(xiàn)動態(tài)任務規(guī)劃、ISR以及電子戰(zhàn)的能力。
圖7 使用EMC2的美軍試驗
2.2 無人機控制權(quán)限交接
不同無人機控制權(quán)限交接流程和交接指令差異較大，STANAG 4586通用控制標準目前并不涵蓋無人機控制權(quán)限交接的指令，目前在無人機控制權(quán)限交接上缺乏統(tǒng)一的標準[4,5]。無人機控制權(quán)限交接指令主要分成：申請權(quán)限請求、釋放權(quán)限請求、搶權(quán)請求、同意、不同意和確認等。
有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)在控制權(quán)交接上可大致分成空地交接和空空交接兩種模式?？罩胁煌挠腥藱C平臺之間對無人機控制權(quán)限進行交接，主要發(fā)生在存在有人機加入和退出有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系時，如有人機油料不足需要返航或者被敵方擊中，需要將無人機控制權(quán)限交給其他有人機。有人機與地面控制站之間對無人機的控制權(quán)限進行交接，主要發(fā)生在執(zhí)行任務前和任務完成后，無人機起降過程還需地面控制站作為主控方，另外當發(fā)現(xiàn)無人機出現(xiàn)異常情況，有人機操作不及時時，也需將無人機控制權(quán)限交給地面控制站。
2.3 協(xié)同任務分配和航路智能規(guī)劃
針對有/無人平臺編隊協(xié)同作戰(zhàn)任務過程中的任務自規(guī)劃、航路自調(diào)整、目標自分配等要求和特點[6]，利用戰(zhàn)術(shù)驅(qū)動的任務自動分解與角色自主分配技術(shù)，在有人機上進行強實時戰(zhàn)術(shù)驅(qū)動的任務自動解算與有人/無人平臺角色智能化分配，自主生成多種可行的任務規(guī)劃方案，為有人機操作人員選擇最佳方案提供輔助決策支撐。
如圖8所示，利用有人/無人協(xié)同航路臨機規(guī)劃技術(shù)，基于戰(zhàn)場環(huán)境、作戰(zhàn)態(tài)勢和平臺狀態(tài)的航路在線自動計算與優(yōu)化，提供多種航路規(guī)劃方案。建立任務自主分配策略和輔助決策知識庫、航路自規(guī)劃與自適應飛行控制策略和輔助決策知識庫，提高有/無人編隊協(xié)同作戰(zhàn)的自主化規(guī)劃能力。
圖8 協(xié)同任務分配和航路智能規(guī)劃
2.4 綜合識別和情報融合
針對不同的有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)任務，有人機和無人機攜帶的載荷類型差異較大，特別是無人機可攜帶的載荷包括雷達、可見光、紅外、多光譜/超光譜、電子偵察等，通常情況下無人機同時攜帶多種類型載荷進行探測，多個無人機平臺將會采集大量多源情報數(shù)據(jù)。為了提高遠距離目標識別的置信度，增強態(tài)勢感知、改善目標檢測，提高精確定位，提高生存能力，不同平臺多模態(tài)傳感器情報的綜合識別和融合將會是有人/無人協(xié)同的關鍵技術(shù)之一。目前，深度神經(jīng)網(wǎng)絡在圖像/視頻的目標檢測和識別領域取得廣泛的應用，比傳統(tǒng)方法具有明顯優(yōu)勢。借助人工智能技術(shù)，通過對多源情報數(shù)據(jù)進行綜合識別和情報融合，形成戰(zhàn)場統(tǒng)一態(tài)勢信息，為決策過程提供快速、精確、可靠的依據(jù)。
3 典型作戰(zhàn)場景和作戰(zhàn)流程
以空中預警機為例，下面對有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)典型作戰(zhàn)場景進行介紹。如圖9所示，預警機實現(xiàn)有人/無人編隊的指揮控制與引導，由預警機完成信息的綜合處理、聯(lián)合編隊的戰(zhàn)術(shù)決策、任務管理以及對無人機的指揮控制，由無人機完成自主飛行控制、戰(zhàn)場態(tài)勢感知以及對空/地/海目標的最終打擊[7]。有人戰(zhàn)機充當體系中的通信節(jié)點，將有人/無人作戰(zhàn)編隊嵌入到整個對抗體系中，從而實現(xiàn)戰(zhàn)場的信息共享、可用資源的統(tǒng)一調(diào)度及作戰(zhàn)任務的綜合管理。
圖9 有人/無人機協(xié)同典型作戰(zhàn)場景
有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)典型作戰(zhàn)流程如圖10所示，共分成任務準備階段、任務執(zhí)行階段和任務結(jié)束階段。
?。?）任務準備階段。
分別完成對有人機和無人機的任務/航路裝訂。有人機和無人機分別起飛，并飛至交接區(qū)域，無人機地面控制站將無人機的控制權(quán)限移交給有人機，在有人機的指揮下，共同飛往任務區(qū)域。
?。?）任務執(zhí)行階段。
有人機根據(jù)當前戰(zhàn)場態(tài)勢信息，分配各個無人機的作戰(zhàn)任務，并對無人機的航線和傳感器進行規(guī)劃。無人機在有人機的指揮下，按照規(guī)劃結(jié)果執(zhí)行飛行任務，抵達目標區(qū)域后，傳感器開機。有人機上的操作人員對無人機傳感器進行控制，無人機負責采集并回傳目標情報至有人機。通過多源情報綜合處理，形成新的態(tài)勢信息，為有人機的進一步?jīng)Q策提供依據(jù)。
（3）任務結(jié)束階段。
任務執(zhí)行完成后，有人機指揮無人機抵達交接區(qū)域，有人機將無人機的控制權(quán)限移交給無人機地面控制站。有人機和無人機執(zhí)行各自的任務或返航。
圖10 有人/無人機協(xié)同典型作戰(zhàn)流程
4.對有人/無人機協(xié)同領域發(fā)展的展望
有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)是未來重要的發(fā)展方向，在對當前美軍有人/無人協(xié)同項目和關鍵技術(shù)分析和理解的基礎上，可預見未來該領域?qū)饾u向以下方向發(fā)展。
?。?）“即來即用”的大規(guī)模無人機控制
隨著未來無人機自主能力不斷提升，只在重大決策點需要人為介入，無人機操作人員控制的無人機數(shù)量將大幅提升。另外，人機交互的手段將越來越豐富，對無人機的控制效率將得到本質(zhì)改善。有人機通過通用指令對不同型號、不同類型的無人機進行控制，無人機的技術(shù)體制和通信也能夠全面兼容，實現(xiàn)有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系中作戰(zhàn)平臺的無縫進入和離開。
?。?）情報處理的智能化
針對不同平臺、不同傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過更加智能化的手段，對目標進行精確檢測、識別、跟蹤，融合生成統(tǒng)一態(tài)勢信息。
?。?）更快、更低成本的體系能力集成
全面采用開放式體系架構(gòu)，縮短有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力集成周期和裝備采購成本，同時將有人/無人機的協(xié)同作戰(zhàn)快速擴展到與無人車、無人船和無人艇的協(xié)同，形成更全面的體系作戰(zhàn)能力。
結(jié) 語
本文深入分析了近些年美軍在有人/無人機協(xié)同領域的項目，提出了有人/無人機協(xié)同需要發(fā)展的關鍵技術(shù)，并對有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的典型作戰(zhàn)場景和作戰(zhàn)流程進行研究，最后對有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)領域未來發(fā)展進行了展望，并分析了與網(wǎng)絡信息體系的關系。
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