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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，總結了有人/無人機協(xié)同需要發(fā)展的關鍵技術，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)能夠實現(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。本文組織結構如下：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；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。
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、指揮控制、通信組網以及人機交互四個方面重點發(fā)展。
1.1 體系架構
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)用于新技術快速集成的系統(tǒng)架構概念，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)的集成轉變?yōu)閼?zhàn)斗網絡的連接、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，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，內容包括系統(tǒng)分析、架構設計和發(fā)展關鍵技術，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、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
有人平臺和無人平臺通過通信網絡進行連接，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，另一方面通信組網應能適應傳統(tǒng)平臺的異構網絡以及未來新型/改進型網絡。
“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、難探測的通信網絡技術，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)適應網絡”（DyNAMO）項目，通過開發(fā)網絡動態(tài)適應技術，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絡之間進行通信，為有人/無人機協(xié)同體系中異構平臺之間的實時數(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)同關鍵技術分析
2.1 開放式系統(tǒng)架構技術
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體制，將致體系集成難度劇增。開放式系統(tǒng)架構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，采用開放式體系結構、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，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標準的產品?！ ?img alt="" src="/zgdk/1593322/1646506/1646730/2021022414364271049.png" style="text-align: center;" title="" />
圖6 FACE架構
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。OMS項目由來自政府、工業(yè)界和學術界成員組成，正在積極協(xié)調新興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構（SOA）概念和中間件。空軍正在尋求擴展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（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”能夠確保快速而安全的實驗。“愛因斯坦盒”不僅是一個通信網關，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 無人機控制權限交接
不同無人機控制權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限交接的指令，目前在無人機控制權限交接上缺乏統(tǒng)一的標準[4,5]。無人機控制權限交接指令主要分成：申請權限請求、釋放權限請求、搶權請求、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、航路自調整、目標自分配等要求和特點[6]，利用戰(zhàn)術驅動的任務自動分解與角色自主分配技術，在有人機上進行強實時戰(zhàn)術驅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，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)同的關鍵技術之一。目前，深度神經網絡在圖像/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，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)行階段和任務結束階段。
（1）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，為有人機的進一步決策提供依據(jù)。
?。?）任務結束階段。
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)同項目和關鍵技術分析和理解的基礎上，可預見未來該領域將會逐漸向以下方向發(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。
（2）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，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 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，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，并分析了與網絡信息體系的關系。
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