来源：导航与控制
智能空战体系下无人协同作战
发展现状及关键技术
黄汉桥1，白俊强1，周欢2，程昊宇1，常晓飞1
（1.西北工业大学无人系统技术研究院，西安710049；2.空军工程大学，西安，710038）
摘要：在未来复杂的战场环境下，运用多架无人机在飞行空间内构成相互协作、优势互补及效能倍增的协同作战系统，是取得智能空战胜利的关键所在。首先阐述了无人系统的定义，并分析了其内涵和分类，指出智能化是无人系统未来的发展方向，根据自主完成任务的能力进行了分级。随后引出了典型的协同作战样式，阐述了国内外协同作战发展的现状。从协同态势感知技术、交互与信息作战云技术、智能决策技术、自主攻击技术、集群协同技术及学习与进化技术等分析了制约协同作战水准的关键技术。
关键词：智能空战体系；协同作战；无人系统；智能决策；自攻击
中图分类号: V19
文献标志码：A
Present Situation and Key Technologies of Unmanned Cooperative Operation under Intelligent Air Combat System
HUANG Han-qiao1, BAI Jun-qiang1, ZHOU Huan2, CHENG Hao-yu1, CHANG Xiao-fei1
(1.Unmanned System Research Institute, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072;2. Air Force Engineering University, Xi’an 710038)
Abstract:In the future complex battlefield environment, the cooperative combat system composed of multiple unmanned aerial vehicles(UAVs) in flight space is the key to achieve the victory of intelligent air combat. Firstly, the definition of UAV is expounded, and its connotations and classifications are analyzed. It is pointed out that intelligentization is the future development direction of UAV, which is classified according to the capability of autonomous mission completion. Then, typical cooperative combat styles are introduced, and the development status of cooperative combat of both domestic and abroad is expounded. The key technologies restricting cooperative operations are analyzed from the aspects of cooperative situational awareness technology, interactive and information warfare cloud technology, intelligent decision-making technology, independent attack technology, cluster cooperation technology and learning and evolution technology.
Key words: intelligent air combat system; cooperative combat; unmanned system; intelligent decision; autonomous attack
0引言
随着无人系统平台的蓬勃发展，运用多架无人机在飞行空间内构成相互协作、优势互补、效能倍增的协同作战系统，已成为各国军方关注的热点和追逐的目标。它要求多架飞机协同分享、分配、分组作战信息资源，然后迅速、准确地做出协同侦察、协同预警、协同探测、协同攻击、协同拦截、毁伤评估或者退出攻击等决策战术任务，通过多架飞机之间的协同配合，最后通过控制系统实现协同，共同完成较复杂的任务，对空中战术和战略任务的顺利执行具有重要意义。
当前，世界正在经历大发展、大变革和大调整，我国国家利益拓展和周边安全形势正在经历严峻挑战。为捍卫国家领空利益，我们必须准备面对与强敌的对抗。强敌具有隐身战斗机与无人机协同、制空与防空一体的空天地体系化作战能力。因此，快速提升我军智能空战体系下的协同作战能力显得极为紧迫。要想取得对强敌的胜利，必须获得OODA概念上的优势如信息探测能力、电子战能力、通信能力和火力打击能力及系列“不对称”优势。
本文首先阐述了无人系统的内涵，指出智能化是无人系统未来的发展方向，根据自主完成任务的能力对无人系统进行了分级。随后，从协同侦察、协同预警、协同对地攻击及协同空战等多个不同角度探讨了协同作战样式，结合美军CODE计划及OFFSET计划等，阐述了国内外无人系统协同作战发展的现状。从协同态势感知技术、交互与信息作战云技术、智能决策技术、自主攻击技术、集群协同技术及学习与进化技术等，分析了制约无人系统协同作战水准的关键技术。
1 无人系统内涵与分类
1.1无人系统内涵
随着近几年以无人驾驶汽车等为代表的无人系统自主性的不断提高，以组成为特征来定义无人系统已经不全面了，不适应无人系统的发展需要。给出以能力为特征的无人系统定义：具有信息感知、交互、处理、自主决策、学习和执行能力的系统。在现阶段， 一些冠以“无人”定义的系统还不完全具有上述6个能力特征。随着科学技术的发展， 高级的无人系统将更加完美地诠释这些基本特征。
智能化技术的应用可以显着提升无人系统的能力，是无人系统的发展方向，无人系统将向着高自主等级的方向发展。
美军采用无人机自主控制水平来评价无人机的智能化水平，如图1所示。无人机的自主控制等级可分为10级，等级越高，无人机自主完成任务的能力越强。1~4级用于描述个体的智能化程度，5~10级用于描述群体的智能化程度。无人机由遥控制导向完全自主进化，由个体自主向群体完全自主发展，由模拟人的个体属性向模拟人的社会属性发展。无人作战飞机的发展趋势如图2所示。
图1美军无人机自主控制等级
Fig.1 Autonomous control level of U.S. unmanned aerial vehicles
图2 UCAV发展趋势图
Fig.2 Development trend chart of UCAV
1.2无人系统分类
根据自主完成任务的能力，可以把无人系统分为初级、中级、高级和超级4个级别。
（1）初级无人系统
将传统的由人在平台上操作完成的任务变为人在平台下完成， 即“人在系统内，不在平台上”。无人平台具有一定的感知、处理和执行能力，具备与操作员的交互能力，但不具备决策和学习能力。由人设定任务目的并操纵完成任务，典型代表为无人机。
（2）中级无人系统
具有一定的感知、交互、信息处理、执行、决策和学习能力， 能自主完成特定的任务。可模拟人类在某方面的能力，具有学习能力。由人设定目的，无人系统自主完成任务，典型代表为无人驾驶车辆。
（3）高级无人系统
具有完善的感知、交互、信息处理、决策控制、学习和执行能力，并且可以通过群体协作完成较为复杂的任务。系统具有集群协同能力。行为目的由人设定，可自主完成复杂任务，典型代表为无人机群。
（4）超级无人系统
具有自主的目的，并且可以通过自主的行为达成目的。在感知、交互、信息处理、决策控制、学习和执行能力方面达到甚至超越了人类的水准，形成了类人甚至超人的无机生命，典型代表为科幻的未来无人系统
2 无人协同作战及国内外发展现状
2.1 无人协同作战技术
无人协同作战系统要求多架有人机/无人机、无人机/无人机之间协同分享、分配、分组控制信息资源，然后迅速、准确地做出侦察、协同目标跟踪、协同攻击、协同空中拦截、毁伤评估或者退出攻击等决策战术任务。通过多架飞机之间的协同配合，最后通过控制系统实现协同，共同完成较为复杂的任务。
从协同作战模式和战术任务来看，无人作战飞机的协同作战主要可分为：
1）无人机和有人机的协同作战；
2）无人机与无人机的协同作战。
在今后一段时间的战争中，有人机与无人机及其他无人支援飞机的联合编队作战将成为一种全新且主要的作战模式。无人机直接接受有人机平台的指挥控制，实施联合目标确定、协同指挥控制、一体化作战、快速打击等决策及动态评估，从而实现传感器-控制器-射手的一体化作战模式。
根据美军的一项针对有人/无人协同的试验分析，有人机/无人机协同作战，可使任务成功率上提升35%，作战效率提升25%，生存力提升25%，作战时间缩短50%。
对于无人机而言，其可利用人的智慧和综合判断能力，弥补无人机在智能决策方面的不足；依托有人机在态势感知、指挥控制等方面的优势，拓展任务类型，增强复杂对抗环境下的作战能力，摆脱对地面站及卫通链路的依赖，使得作战半径提高，抗干扰、反欺骗能力增强。
对于有人机而言，可拓展有人机的态势感知能力与打击范围，丰富有人机的任务域；降低有人机遂行高危作战任务的风险，提高生存力；有人机在空战中的角色由单机“战斗员”作战变集群“指挥员”作战，可实现效能的提升。
无人机与无人机协同作战将是未来作战的主要模式，其发展的最终目的是在无人干预或极少有人干预的条件下，协同自主完成作战任务。
2.2 无人协同作战发展现状
无人机融入现有航空武器的装备体系是必然趋势，是提升空军作战体系整体效能的重要手段。未来的空中优势作战，将由“平台中心”演进为“有人/无人联合”的体系协同作战。
，美军两架X-45协同飞行。，英国空军1架改装的“狂风”与3架无人模拟机BAC-111改装协同。，美军AV-8B飞机与“捕食者”无人机协同作战。11月，美军2架F/A-18与1架X-47B协同航母起降。4月22日，X-47B验证机与K-707加油机协同。美军提出，计划实现F-35与F-16无人版的协同。综合国外无人协同作战的发展趋势，可总结出如下几点：
1）重视有人机/无人机协同的顶层规划与体系建设；
2）重点突破平台、链路通信、指挥控制、传感器和火控协同等关键技术；
3）围绕装备综合能力的拓展，逐步提升控制层级和互操作性；
4）从编队技术攻关到协同战术飞行验证，推动协同作战走向实用化。
下面介绍以美国国防部高级研究计划局DARPA为代表的3大计划：进攻性蜂群战术OFFSET、拒止环境中的无人协同作战，CODE和体系集成技术及试验SoSITE。
（1）进攻性蜂群战术（OFFSET）
项目背景是克服城市作战所面临的挑战，进一步发展颠覆性的蜂群能力。项目目标是激发创新蜂群战术的产生，丰富及提升未来蜂群系统的作战能力，并以此建立及维持美军在城市作战环境中的非对称性优势；设计、研发和验证1个蜂群系统架构——在1个现实的基于游戏的情境中产生，并被嵌入到物理的蜂群自主平台中——以推进创新互动和整合新颖的蜂群战术；寻求构建1个多功能、异构的蜂群系统，这个系统能够使250个以上的无人自主协作平台于6h内在8个街区执行任务。
OFFSET项目旨在推进及加快蜂群使能战术的发展，并将重点放在蜂群自主性和人-蜂群编队这两个领域，重视作为蜂群能力发展基础的作战相关蜂群战术。
（2）拒止环境中的无人协同作战（CODE）
项目背景是针对未来作战环境对抗性更强且更加变幻莫测的特点，拓展无人机自主协同能力，以满足未来作战所需。
CODE项目的示意图如图3所示，项目目标是开发及验证新的算法和软件，这些算法和软件能够通过自主性和协同行为扩展传统及新型无人机在拒止环境中的任务能力。内容包括协同自主性、无人自主性、人机控制界面、分布式系统开放架构等。
图3 CODE项目示意简图
Fig.3 Schematic diagram of the CODE project
第1阶段（~）：通过模拟的方式验证概念系统和架构设计， 项目成功验证了自主协同在战术层面上的应用潜力。2个研究团队雷神公司和洛马公司 选择了大约20个可极大提升无人机在拒止或对抗环境中有效作战能力的自主行为。
第2阶段（~）：完成详细设计和飞行试验。洛马公司和雷神公司以RQ-23“虎鲨” 无人机为试验平台，并为其加装了CODE软件和硬件。试验情况：2架真实无人机+2架虚拟无人机，测试了编队飞行、在GPS拒止环境中相对导航、动态环境适应等自主行为。DARPA项目的经理表示：“阶段2的测试飞行超出了项目支撑基础设施原本的能力， 面向未来的协作自主能力CODE的发展取得了可喜的进展”。
第3阶段（至今）：通过系列飞行试验发展和验证全任务能力， 试验由6架真实无人机和若干虚拟无人机组成。1月，DARPA授予雷神公司第3阶段的合同，以进一步完成CODE软件的开发和最终的飞行试验。DARPA项目的经理表示：“CODE正在努力开发一种低成本的方法，来升级传统的无人驾驶飞机的作战能力， 并通过开创性的算法和软件 使他们能够在最少人员的监督下协调工作，从而极大地提高作战效能。预计通过在更复杂的情况下测试更多的飞机和高度自主的行为，进一步扩大代码能力”。
（3）体系集成技术及试验（SoSITE）
项目背景是美军空中优势正在受到挑战，包括美军自身内在发展的受限和潜在敌手技术能力的发展，SoSITE项目的概念图如图４ 所示。项目目标是维持在强对抗性环境中的空中优势，提升和改进算法、软件和电子技术，包括杀伤链、开放系统架构、作战管理控制系统、系统多样性和适应性。
图4 SoSITE项目概念图
Fig.4 Conceptual graphs of SoSITE
DARPA发布的项目广泛机构公告（BAA）可被分为2个阶段：第1阶段为4月~10月，主要完成系统架构和集成技术的研发；第2阶段为10月~10月，主要进行体系集成技术试验。
国内针对无人协同方向的研究，主要经历了教练机改有人/ 无人协同、三代机与无人机协同、三代半与无人机协同、四代机与无人机协同及制空型无人机与有人机协同阶段，但以上研究仅仅实现了简单的数字和半物理仿真，针对关键技术攻关不足，缺少有人/ 无人协同作战的效能评估体系，缺少体系的仿真与验证手段。
无人协同方向在国内的发展趋势正由编队非隐身、编队协同、同构平台协同向编队隐身、集群协同、异构平台协同方向发展。
（待续）
作者简介：黄汉桥，男，博士研究生，副教授，研究方向为飞行器导航、制导与控制，无人飞行器作战系统与技术。
