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          未來戰場新常態:有人/無人機協同作戰
          來源:新聞中心
          發布時間:2021年02月24日 編輯:中國電子科學研究院專家樊銳,張鑫龍,馬磊,周榮坤

          未來戰場新常態:有人/無人機協同作戰

            摘 要:有人/無人機協同將成為無人平臺在未來戰場運用的新常態。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節。有人/無人機協同作戰是分布式協同作戰理念指導下應用較為廣泛的典型作戰模式,通過有人平臺和無人機之間分工協作,形成優勢互補,達到“1+1>2”的作戰效果。本文對近些年美軍在有人/無人機協同領域的項目進行深入分析,總結了有人/無人機協同需要發展的關鍵技術,并對有人/無人機協同作戰的典型作戰場景和作戰流程進行研究,提出對有人/無人機協同作戰領域未來發展的思考。

            關鍵詞: 有人/無人協同;無人機

            

          引 言

            有人/無人機協同作戰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同工作,一方面使作戰能力倍增,另一方面利用無人機實現對有人機的保護,大幅提高體系的抗毀傷能力和魯棒性。有人/無人協同作戰能夠實現有人和無人平臺之間的優勢互補,分工協作,充分發揮各自平臺能力,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展,有人機與無人機協同作戰樣式、協同形態和相關技術也在不斷演進。因此,發展有人/無人機協同編隊提高作戰效能是現階段的明智選擇。

            本文主要研究美軍在有人/無人機協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/無人機協同的關鍵技術;第3章是有人/無人機典型作戰場景和場景模式;第4章是對有人/無人協同未來發展方向的展望;最后對本文進行總結。

            1 美軍有人/無人機協同發展現狀分析

            美軍將有人/無人協同列為“第三次抵消戰略”五大關鍵技術領域之一。有人/無人協同概念最早出現于上世紀60年代,指有人與無人系統之間為實現共同作戰任務目標建立起聯系,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展。

            1.1 體系架構

            為了探索確保美國空中優勢的新方法,2014年,DARPA發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,將單個武器系統的能力分散到多個有人與無人平臺、武器上,尋求開發并實現用于新技術快速集成的系統架構概念,無需對現有能力、系統或體系進行大規模重新設計。SoSITE項目計劃運用開放式系統架構方法,開發可無縫安裝、即裝即用,并能快速完成現代化升級的、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,通過開放式系統架構方法實現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、傳感器、武器系統、作戰管理、定位導航與授時以及數據/通信鏈等功能。

            

            圖1  SoSITE概念圖

            2017年,美軍在SoSITE分布式發展思路的基礎上,進一步提出了“馬賽克戰”的概念,更加強調不同平臺之間動態協同,從平臺和關鍵子系統的集成轉變為戰斗網絡的連接、命令與控制。通過將各類傳感器、指揮控制系統、武器系統等比作“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體系,解決傳統裝備研發和維護成本高、研制周期長的問題。

            1.2 指揮控制

            針對有人/無人機協同的指揮控制,美軍重點研究強對抗/干擾環境下的有人機與無人機協作執行任務的方法,形成分布式的指控管理能力。

            2014年,DARPA提出“拒止環境中協同作戰”(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管下,按照既定交戰規則導航到目的地,協作執行尋找、跟蹤、識別和打擊目標的任務[2,3]。CODE項目通過開發先進算法和軟件,探索分布式作戰中無人機的自主和協同技術,擴展美軍現有無人機系統在對抗/拒止作戰空間與地面、海上高機動目標展開動態遠程交戰的能力。

            CODE項目分為三個階段,

          •   第一階段從2014年到2016年年初,內容包括系統分析、架構設計和發展關鍵技術,完成系統需求定義和初步系統設計;

          •   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,驗證了開發式架構、自主協同規劃等指標;

          •   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同能力,實現單人指揮無人機小組完成復雜任務。

            

            圖2  “拒止環境中協同作戰”項目

            2014年,DARPA提出“分布式戰場管理”(DBM)項目。項目背景是未來的對抗性空域,協同作戰的飛機可能需要限制通信以免被對手發現,或者會被對方干擾而無法交換信息,這將嚴重影響有人/無人編隊作戰能力,為此,DBM項目的目標是使作戰編隊即使在受到干擾的情況下也能繼續執行任務。

          • 2014年啟動第一階段,通過發展先進算法和軟件,提高分布式空戰任務自適應規劃和態勢感知等能力,幫助履行戰場管理任務的飛行員進行快速且合理的決策,以在強對抗環境下更好地執行復雜作戰任務。
          • 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。
          • 2018年1月,DARPA已向BAE系統公司授予DBM項目第三階段合同,前兩階段發展的成果能讓有人/無人機編組在干擾環境中飛行,具備回避威脅和攻擊目標的能力。圖3是DBM項目的能力驗證環境。

           圖3  “分布式作戰管理”能力驗證環境

            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/無人機協同能力形成是以平臺之間的互聯互通為基本前提的。協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境中的通信”(C2E)項目通過發展抗干擾、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,以應對各種頻譜戰威脅。

            DARPA在2015年發布 “滿足任務最優化的動態適應網絡”(DyNAMO)項目,通過開發網絡動態適應技術,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,保證原始射頻數據在目前不兼容的空基網絡之間進行通信,為有人/無人機協同體系中異構平臺之間的實時數據共享奠定了基礎。

          圖4  美軍現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(SCORCH)”研發。如圖5所示,“SCORCH”系統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系統中。系統界面針對多架無人機控制進行了優化,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出告警,允許單一操作者同時有效控制三個無人機系統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

            2 有人/無人機協同關鍵技術分析

            2.1 開放式系統架構技術

            有人/無人機協同包含多種作戰平臺,如果不同的作戰平臺上采用差異較大的技術體制,將致體系集成難度劇增。開放式系統架構正是為了解決該問題進行設計的,推動采辦和商業模型遠離傳統煙囪式開發模式,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,獲得了工業界和國防部的支持。

            目前,美軍具有代表性的開放式系統架構有未來機載能力環境(Future Airborne Capability Environment,FACE)和開放式任務系統(Open Mission Systems,OMS)。

            2.1.1 未來機載能力環境

            美國海軍提出未來機載能力環境概念,目標是建立一個公共操作環境,以支持軟件在任意機載電子系統上的移植和部署。該思想受到了移動設備中使用公共操作環境所帶來優勢的啟發。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和模塊化開放系統分析方法,使航空電子系統內部應用程序之間的互操作性最大化。

            未來機載能力環境(FACE聯盟)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組件之間交換數據的要求,包括正式指定的數據模型,并強調定義標準的通用語言要求。通過使用標準接口,該開放標準實現了系統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單元。

            在航空電子系統中使用開放標準的標準化具有以下幾個方面的優勢:(1)降低FACE系統開發和實施成本(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

            美國空軍發起了開放式任務系統計劃,旨在開發一種非專有的開放式系統架構。OMS項目由來自政府、工業界和學術界成員組成,正在積極協調新興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(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,以降低開發和生命周期成本,同時提供升級和擴展系統功能的可行途徑。由美國空軍開發的開放式任務系統(OMS)標準在其定義中利用商業開發的面向服務的體系結構(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的快速發展。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的航空電子服務總線(ASB)協議,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的復雜組織體開放式系統架構(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·馬丁公司開發的E-OSA兼容了美空軍OMS標準?!皭垡蛩固购小笨蔀橄到y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之前,“愛因斯坦盒”能夠確??焖俣踩膶嶒??!皭垡蛩固购小辈粌H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,具備實現動態任務規劃、ISR以及電子戰的能力。

          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/無人機協同作戰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,主要發生在存在有人機加入和退出有人/無人機協同作戰體系時,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,主要發生在執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,另外當發現無人機出現異常情況,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 協同任務分配和航路智能規劃

            針對有/無人平臺編隊協同作戰任務過程中的任務自規劃、航路自調整、目標自分配等要求和特點[6],利用戰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/無人協同航路臨機規劃技術,基于戰場環境、作戰態勢和平臺狀態的航路在線自動計算與優化,提供多種航路規劃方案。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/無人編隊協同作戰的自主化規劃能力。

            

          圖8  協同任務分配和航路智能規劃

            2.4 綜合識別和情報融合

            針對不同的有人/無人協同作戰任務,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據。為了提高遠距離目標識別的置信度,增強態勢感知、改善目標檢測,提高精確定位,提高生存能力,不同平臺多模態傳感器情報的綜合識別和融合將會是有人/無人協同的關鍵技術之一。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,比傳統方法具有明顯優勢。借助人工智能技術,通過對多源情報數據進行綜合識別和情報融合,形成戰場統一態勢信息,為決策過程提供快速、精確、可靠的依據。

          3 典型作戰場景和作戰流程

            以空中預警機為例,下面對有人/無人協同作戰典型作戰場景進行介紹。如圖9所示,預警機實現有人/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、聯合編隊的戰術決策、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、戰場態勢感知以及對空/地/海目標的最終打擊[7]。有人戰機充當體系中的通信節點,將有人/無人作戰編隊嵌入到整個對抗體系中,從而實現戰場的信息共享、可用資源的統一調度及作戰任務的綜合管理。

            

            圖9  有人/無人機協同典型作戰場景

            有人/無人機協同作戰典型作戰流程如圖10所示,共分成任務準備階段、任務執行階段和任務結束階段。

           ?。?)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,共同飛往任務區域。

           ?。?)任務執行階段。

            有人機根據當前戰場態勢信息,分配各個無人機的作戰任務,并對無人機的航線和傳感器進行規劃。無人機在有人機的指揮下,按照規劃結果執行飛行任務,抵達目標區域后,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,形成新的態勢信息,為有人機的進一步決策提供依據。

           ?。?)任務結束階段。

            任務執行完成后,有人機指揮無人機抵達交接區域,有人機將無人機的控制權限移交給無人機地面控制站。有人機和無人機執行各自的任務或返航。

            

            圖10  有人/無人機協同典型作戰流程

            4.對有人/無人機協同領域發展的展望

            有人/無人機協同作戰是未來重要的發展方向,在對當前美軍有人/無人協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展。

           ?。?)“即來即用”的大規模無人機控制

            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,實現有人/無人機協同作戰體系中作戰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據,通過更加智能化的手段,對目標進行精確檢測、識別、跟蹤,融合生成統一態勢信息。

           ?。?)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/無人機協同作戰能力集成周期和裝備采購成本,同時將有人/無人機的協同作戰快速擴展到與無人車、無人船和無人艇的協同,形成更全面的體系作戰能力。

            結 語

            本文深入分析了近些年美軍在有人/無人機協同領域的項目,提出了有人/無人機協同需要發展的關鍵技術,并對有人/無人機協同作戰的典型作戰場景和作戰流程進行研究,最后對有人/無人機協同作戰領域未來發展進行了展望,并分析了與網絡信息體系的關系。

            【參考文獻】

            [1] United States Department of Defense. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2017-2042. Report, 2018.

            [2] 李磊,王彤,蔣琪. 美國CODE項目推進分布式協同作戰發展[J]. 無人系統技術, 2018, (3): 63-70.

            [3] 申超,李磊,吳洋,等. 美國空中有人/無人自主協同作戰能力發展研究[J]. 戰術導彈技術, 2018, (1): 22-27. 

            [4] STANAG 4586 Ed.3 Nov 2012, Standard Interfaces of UAV Control System (UCS for NATO UAV Interoperability, NATO Standardization Agency (NSA), 2012.

            [5] Mário Monteiro Marques, STANAG 4586 –Standard Interfaces of UAV Control System (UCS) for NATO UAV Interoperability.

            [6] 楊帆,董正宏. 有人/無人平臺協同技術與行動模式研究[J]. 國防科技, 2018, 39(4): 57-62.

            [7] 孫曉聞. 無人/有人機協同探測/作戰應用研究[J]. 中國電子科學研究院學報, 2014, 9(4): 5-8.

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