地面無人作戰系統及環境感知雷達發展概述

孫曉舟+劉露

【摘 要】本文對無人作戰系統進行了簡要概述，重點分析了地面無人作戰系統的發展現狀、系統組成和關鍵技術。雷達作為地面無人系統環境感知的一種重要傳感器，具有作用距離遠、不受惡劣環境因素影響的優點。本文分析了環境感知雷達的研究現狀和關鍵技術，并對無人作戰系統環境感知雷達未來發展所面對的主要問題進行了闡述。

【關鍵詞】無人作戰系統；環境感知；雷達

【Abstract】In this paper， the unmanned combat system（UCS） is briefly described， and we focus on the development status，composition and key technologies of the UCS. Radar， as an important sensor for the environment perception of UGV， has the advantages of a remote detection and free from adverse environment effects. This paper analyzes the research status and key technologies of environmental sensing radar（ESR）， and expounds the problems faced by the ESR in the future development.

【Key words】Unmanned combat system；Environment perception；Radar

0 引言

未來戰爭中信息戰、空襲戰、機動戰、甚至核生化戰斗可能同時并存，各種高技術武器裝備充斥戰場，命中精度高，機動性強，射程遠，殺傷威力大，這對交戰上方都構成極大的威脅。如何以最小的損失（包括人員傷亡）取得最大的戰果，這是各國軍事作戰部門優先關注的問題。此外，各國在發展新武器時還面對預算日趨拮據而裝備費用日趨上漲的困境。無人化的作戰系統[1]正是滿足上述需求的經濟有效的途徑。

無人作戰系統的出現標志著無人系統將從過去作為執行偵察監視[2]、通信中繼和毀傷評估[3]等任務的作戰支援裝備，升級為未來能夠對重要目標實施精確打擊的主要作戰裝備之一。

地面無人作戰系統必須具備對復雜環境的適應性，因此對環境感知提出了非常高的要求。雖然可見光/紅外相機、激光雷達可獨立或融合應用于對結構化道路狀態進行感知，但在適應夜晚、雨雪、等不利天氣，以及應對野外地形、植被覆蓋、凹陷障礙等復雜環境時，感知能力即凸顯不足。雷達是一種廣域偵察探測設備，其在地面無人系統環境感知領域將發揮越來越重要的作用。

1 無人作戰系統概述

無人作戰系統[4]是由無人作戰平臺、任務載荷、指揮控制系統以及空-天-地信息網絡組成的綜合化作戰系統，是信息化戰爭中奪取信息優勢、實施精確打擊、完成特殊作戰任務的重要手段之一。根據不同使用區域，無人作戰系統可分為無人機系統、地面無人作戰系統、海上無人作戰系統，包括無人潛航器、無人水面艇等。

相對于有人作戰系統，無人作戰系統的優勢和特點如下：

（1）以作戰任務為中心，簡化系統設計，降低使用和保障費用。隨著信息技術的發展，網絡中心戰體系在美國已進入實踐階段，無人作戰系統發展開始由“以平臺為中心”向“以任務能力為中心”轉變。無人作戰系統的設計可以不考慮乘員需求，許多受到人身安全、人的生理限制的技術都可以在無人作戰系統中使用，因此可以具有更小的體積、更輕的重量、更強的機動性、更好的隱身性能、更長的航時、更高的過載，更強的生存能力等優點，從而極大地提高作戰效能。另外，無人作戰系統不需要駕駛室、環境控制和防護救生等系統，大大降低了研制和生產費用，更重要的是能節省使用與保障費用。

（2）可執行“枯燥的、惡劣的和危險的”任務。作戰人員是作戰行動的最寶貴資源，因而在“非接觸，零傷亡”戰略目標的驅動下，需要將一些必須執行的“枯燥的、惡劣的和危險的”任務交由無人作戰系統去執行。另外，在與有人系統協同作戰時，無人作戰系統還可以在關鍵時刻犧牲自己以保全有人系統人員的安全，從而大幅度降低作戰人員的傷亡程度。

（3）智能化程度高，能有效應對突發情況。無人作戰系統是高度智能化武器系統，其發展體現了信息化、無人化裝備的特點，是信息化裝備與機械化裝備的有機結合。無人作戰系統區別于有人系統的重要標志就是“人在環內，不在機上”。智能控制不僅表現為可以依據事先的規劃指令和任務實施過程中人在回路的應變指令進行最優自主控制，更重要的是體現在控制系統可以根據自身對內部、外部的感知信息，結合任務要求，自主對路徑、規避、目標等選擇做出決策，形成最優作戰方案，實現最佳作戰效能。在遇到突發事件和信息鏈路中斷時，將需要完全自主控制才能有效應對。

2 地面無人作戰系統

地面無人作戰系統[5]是未來陸軍的重要力量，能代替人在高危險環境下完成各種任務，對保存有生力量、提高作戰效能具有重要意義。20世紀80年代軍事無人車出現，90年代地面無人作戰系統取得了長足的發展，大致分為三個階段：遙控式無人車，半自主無人車和自主無人車，執行任務由偵察和后勤支援發展為掃雷、排爆等。

近年來，國外更為重視半自主式地面無人作戰平臺的研制，它的優點在于：將人類的智能和機器的智能有機地結合在一起，最大限度地發揮平臺的作戰效能。同時，開始由單體地面無人作戰平臺的研究轉向多平臺協同作戰系統的研究，也就是地面無人作戰平臺群的研究。今后，地面無人作戰系統的發展趨勢是面向復雜環境的應用需求，突破新的環境感知、自主規劃與多平臺協同。

2.1 典型地面無人作戰系統的組成

典型地面無人作戰系統由底盤、載荷、智能控制、操控終端四大分系統組成。

通常，地面無人作戰體系采用開放式體系、模塊化結構設計，各分系統在結構上相互獨立，方便調試、升級和更換，并根據作戰需求選裝不同的武器載荷或偵察載荷。操控終端和作戰平臺之間采用無線方式通信，圖像和數據分別采用不同的通道。作戰平臺內部及各分系統間采用總線通信模式，有利于模塊增減和功能擴展。平臺分系統和載荷分系統之間采用方便拆卸的機械和電氣接口，有利于不同功能任務載荷的整體更換或升級。

2.2 地面無人作戰系統的關鍵技術

地面無人作戰系統是底盤、載荷、智能控制、操控終端四大分系統協同作戰的整體，無論是各分系統或通信技術的發展，都對整個系統的發展至關重要。下述給出了九項關鍵性的技術。

（1）自主導航技術。在無法進行可靠通信的環境下，無人地面系統具備自主能力。地面無人系統自主導航能力包括目標識別和智能導航兩個方面，目標識別包括識別戰斗/非戰斗人員、其他活動實體、車輛、道路、路線和標志等；智能導航包括避開靜態與動態障礙、預測動態目標的運動以及適度的遵守交通規則。

（2）通信技術。通信鏈路是無人系統的核心，用于在操控員控制裝置和無人地面系統處理器之間傳輸數據。未來，為了組建具有更佳互操作性的網絡，無人地面系統的無線電臺將需要支持多種波形，使用更寬的頻譜。無線通信技術應具有抗干擾和通信中斷自回復能力，有利于多系統間的組網和互操作性。典型的無人機與地面站、機場及衛星間的通信如圖1所示。

（3）動力技術。無人地面系統有效工作需要高能量密度、可充電、可靠的動力源。這些動力源既要滿足平臺的尺寸和重量限制，還需要滿足環境和安全性要求。

（4）視覺技術。無人地面系統的視覺由圖像傳感器、照明器件、光學器件、操控員控制裝置顯示器等提供，使用的頻帶包括可見光、近紅外和中/長波紅外。可見光和近紅外圖像傳感器使用標準的商用CCD或CMOS技術，已得到廣泛應用。與可見光和近紅外系統相比，熱成像傳感器的價格高出7-10倍，但優點是能看見隱藏在霧、煙、灰塵和黑暗中可見光傳感器看不到的圖像。

（5）系統構架技術。系統構架包括硬件和軟件部分的功能描述以及這些部件之間的接口。開放式構架的接口采用開放式標準，能夠升級互換和增加部件。高級無人地面系統的系統構架至少包括以下部件和接口：無人地面平臺、無人地面系統載荷、數據傳輸鏈和控制裝置。

（6）人機接口技術。人機接口是為士兵提供安全有效執行任務能力的物理設備。目前已經實現了先進控制輔助技術，如點擊式目標設置、路徑規劃、高級指揮接口等，以提高無人地面系統半自助操作能力。人機接口技術的發展必須解決同步任務完成和關于通用圖標、圖形、警報、控制以及其他領域的互操作標準問題。未來，觸摸屏顯示器將會取代現有大部分無人地面系統采用的手柄操控裝置，通用型人機接口正逐步成為發展趨勢。

（7）操縱技術。操縱技術使無人地面系統能舉起和重新定位各種尺寸或形狀的目標。操縱技術的發展主要集中在機械臂硬件和控制方面，主要是設計利用多關節和力反饋成功進行操縱的末端操縱裝置。

（8）復雜地形機動技術。復雜地形機動技術使無人地面系統能夠克服復雜地形和障礙物。通常，微小型機器人采用輪式行走裝置，用于在城區或者室內環境的光滑地面上行駛；小型機器人多采用履帶式行走裝置，以提高越野機動能力和越障能力；大型無人車多采用輪式和履帶式滑動轉向系統。在未來較長一段時期內，履帶式和輪式行走裝置將繼續占據主導地位，而腿式行走裝置的研究將會繼續。

（9）載荷技術。無人地面系統載荷可分為傳感器、發射器和執行器。傳感器包括視覺、測距、聲傳感器等；發射器包括武器、反簡易爆炸裝置系統等；執行器包括機械臂、夾具、履帶擺臂等。未來無人地面系統載荷的開發必須滿足通用性和模塊化要求，支持通用物理和軟件接口的應用，并且必須考慮平臺尺寸、重量和功耗的制約以及總體系統的實用性和可用性。隨著無人系統在實戰中應用越來越多，為來還將針對無人系統開展專用武器和偵察設備的專門研究。

3 地面無人作戰平臺環境感知雷達

3.1 環境感知雷達研究現狀

微波雷達[6]是地面無人系統廣泛采用的一種重要的環境感知傳感器，在發展過程中，其任務內涵從汽車防撞逐漸延伸至障礙探測、運動目標識別、地形測繪等，目前地面無人系統所采用的雷達主要有防撞雷達、一維成像雷達、二維成像雷達和三維成像雷達。

3.1.1 防撞雷達

防撞雷達[7]是目前地面無人系統采用的最為廣泛的一種主動型避障手段，通過發射調頻連續波信號，計算接收信號與發射信號的差頻，即可換算為目標距離，在無人平臺的前后安裝或干防撞雷達，可防止在前進后退過程中發生碰撞。和商用汽車工作于聲波頻段的雷達不同，微波防撞雷達的作用距離可達數十米，并有多種產品。地面無人系統在早期使用防撞雷達較多，近些年隨著技術的發展，車輛底盤通常集成了聲波防撞雷達，因此額外加裝微波防撞雷達逐漸減少。究其原因，主要是防撞雷達作用距離有限，獲取的信息量較少，無目標識別能力，不管是無法跨越的墻壁還是能夠通過的草叢都會報警，因此防撞雷達常用于室內和結構化道路環境中低速自主行駛。

3.1.2 成像雷達

成像雷達[8]是雷達環境感知能力的一次提升，成像雷達主要包括一維成像雷達、二維成像雷達和三維成像雷達。

（1）一維成像雷達

一維成像雷達通過發射寬帶信號，生成前方場景高分辨一維距離像，可獲得障礙的散射強度和距離信息。一維成像雷達是為了消除近距離盲區（常規脈沖雷達體制存在），通常采用連續波體制或雙天線收發體制，具有體積、重量、功耗和成本等方面的優勢，廣泛應用于各型無人地面系統。市場上已有多個商用產品，如美國MSSI公司RaDeKL、德國InnoSenT 公司IVS雷達系列等。

一維成像雷達的主要局限性為無角度分辨率，雖然可以獲取目標的散射強度用于輔助目標鑒別，但信息不充分，障礙探測能力有限，特別是難以探測凹障礙。

（2）二維成像雷達

二維成像雷達可提供更為豐富的環境信息，是目前研究的熱點技術。車載二維成像雷達最早用于防坦克地雷，經歷了車頂直線軌道、環形軌道、雙發射干涉等各種不同雷達形式的嘗試后，1999年以后基本都采用車頂陣列天線并結合合成孔徑（SAR）技術的形式[9]。針對地面無人車輛野外環境感知，2007年美國陸軍實驗室（ARL） 研制了SIRE系統。

此外，二維成像雷達還可用于運動目標指示，獲取目標的位置和運動參數，對增強無人駕駛車環境感知能力具有巨大潛力。例如意大利研制MELISSA系統，它將原有的基于線性軌道二維成像雷達LISA改進成陣列天線體制，顯著提高了雷達速度，可滿足檢測車輛和人員等運動目標的需求。該雷達工作于更高頻段，系統體積更小，可滿足小型地面無人平臺對環境感知的應用需求。

雖然二維成像雷達具備更高的障礙探測和動目標指示能力，但是由于地面場景復雜，如何正確有效檢測凹凸障礙、并區分其他自然和人造的物 ，對特征提取、目標鑒別等提出了很高的要求，仍然是一項未能完全解決的難題。

（3）三維成像雷達

三維成像雷達是可顯著提高無人駕駛平臺環境感知能力的新型傳感器，是目前研究的前沿技術。它可為地面無人系統提供地形地貌、障礙位置、障礙類型等更為豐富的環境信息，對提高平臺的路徑規劃、障礙探測和自主導航能力具有重要作用，適用于對復雜野外環境的感知。

美國Oculii公司研制了一種工作于 Ka波段的三維雷達，原本的設計為與光學相機相配合用于監控高速公路和道路岔口的交通狀態，由于該雷達可同時獲取目標的三維坐標和運動速度，與僅提供二維信息的車載雷達相比具有顯著優勢。目前該雷達主要面向檢測和定位運動目標，其距離分辨率為1.5m，角度測量精度0.3o，更新頻率為20Hz，同時處理目標 為32個，但目前還不能滿足復雜野外環境下凸凹障礙探測的需求。

國防科技大學基于車載前視探地雷達的研究，利用陣列天線在車輛前進過程中形成的平面孔徑，初步實現了對車輛前方場景進行三維成像，成功實現了對地表目標（凸障礙）和埋設目標（凹障礙）的檢測和鑒別，如圖2所示，但高度分辨率還有待進一步提高。

3.2 環境感知雷達關鍵技術

（1）凹障礙探測識別技術。視覺和激光雷達對凹障礙的檢測距離很短，難以滿足高速自主駕駛對剎車安全距離的要求。雷達可以在較遠的距離檢測到凹障礙，有利于無人駕駛車提前做出決策，進而提高其安全性和行車速度。由于問題的特殊性以及復雜性，長期以來，針對凹障礙探測的研究極少，絕大多數的研究成果都是基于紅外、立體視覺和激光雷達傳感器取得的，未見基于微波雷達的凹障礙探測技術報道。在雷達遙感領域，高分辨雷達成像、自動目標識別等技術的研究成果比較豐富，可在此基礎上探索凹障礙探測的理論、技術和方法。野外環境，地形非常復雜，障礙物在材料組成、尺寸大小、位置姿態等方面沒有固定形式，且地面的草叢、植被、粗糙土壤等也會形成較強和較大的反射，增大了障礙檢測和識別的難度，如何尋找有效的凹障礙特征、并設計穩健的目標識別方法用于區分自然和人造雜波，是凹障礙探測的一項關鍵技術。

（2）遠距離高精度地形測繪技術。路徑規劃可分為全局規劃和局部規劃，其中全局路線規劃可利用星載或機載雷達獲得的數字高程圖數據對粗略的路徑進行設置，局部路徑規劃則是在全局規劃的基礎上，利用車輛本身的地形測繪手段，根據當前地形狀況對預設路徑進行實時調整，使地面無人系統可以安全和快速的到達預定區域，這就要求地面無人系統具備自主地形測繪能力。受地面無人車輛平臺高度的限制，雷達天線的安裝高度有限，對遠處目標測繪的視角很小，造成地形測繪難以獲得遠處地形的全面信息。因此如何提高雷達單次地形測繪精度、并利用平臺運動形成的多視角數據降低遮擋影響和進一步提高精度，是另一項需要解決的關鍵技術。

（3）實時處理技術。為了提高對小尺寸障礙的識別性能，要求雷達的分辨率達到分米量級；另一方面，為了獲得更長的障礙預警時間，要求雷達具備較大的作用距離和較高的圖像更新率，因此造成雷達成像、目標檢測和地形測繪的計算量巨大，普通計算平臺難以滿足所需的計算速度。目前實時信息處理可選方案較多，包括通用高性能服務器和專用實時處理器。例如斯坦福大學的Junior無人駕駛車即采用通用高性能服務器進行實時處理，如圖3所示。專用實時處理器主要包括基于DSP 的多核處理板和基于圖形處理器（Graphic Processing Unit， GPU） 的處理板。這些方案在體積、功耗、成本和開發難度上互不相同，需要根據地面無人系統的應用需求進行折中選擇；但不論選擇何種方案，在算法實現、優化和發揮多核處理器的最大效能等方面，都是需要解決的核心問題，也是地面無人系統實用化需要突破的關鍵技術之一。

（4）車輛運動補償和定位技術。

車輛復雜運動會造成雷達圖像散焦和序列圖像失配，要求雷達能夠通過測量設備或從回波中提取和補償運動誤差。地面無人系統的準確定位是保證其按正確路線完成自主導航、控制任務的關鍵，目前常用的定位方法有光纖陀螺、全球定位系統、磁航向儀、車輛里程計等，上述每一種方法均各有優點和局限性。環境感知雷達可基于雷達圖像和車輛姿態測量設備，實現同時定位與地圖構建（SLAM） 功能，從而滿足地面無人系統對定位的需求。

（5）與常規傳感器信息融合技術[10]。

地面無人系統環境感知是一項難度極高的技術，目前還沒有任何一種傳感器可以獨立實現所有感知功能。環境感知雷達作為一種新出現的傳感器，還需要與常規的可見光/ 紅外相機、激光雷達進行信息融合才能獲得最佳的綜合性能。這也是國內外學者對地面無人系統環境感知實現途徑的共識，例如Stanley 無人車在2005 年DARPA 挑戰賽中，綜合使用了5個激光雷達、1個遠距離雷達系統和1個單目視覺系統；而UGV DEMO III 則使用了更多種類的傳感器，如圖4所示。

但是還需要認識到：不同傳感器所獲取圖像的機理不同，如何配準多源圖像、保留圖像信息、突出目標特征等基礎問題還需要進行深入研究。此外包括多源傳感器圖像信息量大，冗余信息多，給車輛傳感器信息的分析和理解帶來極大的困難，其中維數災難是突出的問題之一，因此從高維的海量信息中提取少量的低維特征信息、并且實現對感興趣目標的快速識別與理解是地面無人系統環境感知的一個基本科學問題。

4 總結

無人作戰系統是無人系統發展過程中的一個重大里程碑，將對未來的軍事作戰方式產生深遠的乃至革命性的影響。無人作戰系統可分為無人機系統（UAS）、地面無人作戰系統（UGV）、海上無人作戰系統（UMS），本文主要討論地面無人作戰系統。

地面無人作戰系統是未來陸軍的重要力量，國內外都開展了大量的研究[11]。目前來看地面無人作戰系統的發展趨勢是面向復雜環境的應用需求，突破新的環境感知，以及更高級的自主規劃和多平臺協同能力。發展地面無人作戰系統還有多項關鍵技術需要攻關，主要包括：（1）自主導航技術；（2）通信技術；（3）動力技術；（4）視覺技術；（5）系統構架技術；（6）人機接口技術；（7）操縱技術；（8）復雜地形機動技術；（9）載荷技術。

雷達作為地面無人系統環境感知的一種重要傳感器，具有作用距離遠、不受惡劣環境因素影響的優點，在室內環境、結構化道路和野外環境感知中均有廣泛應用，特別是在遠距離障礙探測和野外復雜環境中，更是一種不可或缺的感知手段。目前國內外專門針對地面無人系統環境感知雷達的研究較少，主要集中在防撞雷達和成像雷達兩個方面。

如果只是直接借用通用偵察監視雷達設備，往往難以取得理想的效果，因此將微波遙感技術、人工智能技術、計算機技術與無人車技術交叉融合，將能在地面無人系統環境感知方面取得豐富的原創性成果。地面無人系統在復雜野外環境應用還面臨許多需要解決的問題，凹障礙探測、地形測繪、運動障礙規避、車輛自主定位等一系列問題還有待進一步研究解決。

【參考文獻】

[1]WAN G Cheng jun， LIU Xiao da， WANG Zhi. Developing summarize of the new weapon techniques [M]. Beijing： The Military Science Press， 2002. （in Chinese）

[2]石章松，左丹.無人作戰平臺智能指揮控制系統結構[J].指揮信息系統與技術，20 12（4）：12-15.

[3]陳瑛，劉麗，曾勇虎.美軍未來無人系統發展的關鍵技術[J].飛航導彈，2010（7）：33-37.

[4]Department of Defense USA，FY2009 2034 Un-manned Systems Integrated Roadmap[R]，2009.

[5]Department of Defense USA，Unmanned Systems Roadmap2007- 2032[R]，2007.

[6]林聰榕，張玉強.智能化無人作戰系統[M].長沙：國防科技大學出版社，2008.

[7]張敏等，地面無人作戰平臺環境感知關鍵技術研究[J].車輛與動力技術，2007，（2）：44- 47.

[8]龍濤.多UCAV協同任務控制中分布式任務分配與任務協調技術研究[D].長沙：國防科技大學，2006.

[9]Dan L G，Paul G G.Agent- based Simulation Environment for UCAV Mission Planning and Execution [A]. AIAA Guidane，Navigation， and Control Conferene[C]. Denver，Co，2002.AIAA- 2000- 4481.

[10]Chandler， P.R.， M. Pachter，and D.Swaroop. Com-plexity in UAV Cooperative Control[A].Proceedings of the American ControlConference[C].2002.Anchorage，Alasa.

[11]符小衛，高曉光.多架無人作戰飛機協同作戰的幾個關鍵問題[J].電光與控制，2003，10（3）：19-22.

[責任編輯：朱麗娜]