直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)智能輔助決策系統(tǒng)發(fā)展分析

王曉衛(wèi)，來國軍，郭永昌

陸軍航空兵學(xué)院

在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)仍然是主要作戰(zhàn)模式之一。美軍對直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的概念、關(guān)鍵技術(shù)、裝備、驗(yàn)證試驗(yàn)等方面進(jìn)行了一系列研究，有效推進(jìn)了直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用。本文總結(jié)美軍直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)智能輔助決策系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵技術(shù)，以期為國內(nèi)從事直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)研究的單位提供參考。

在軍事對抗中，直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)能大幅提高直升機(jī)的戰(zhàn)場生存力。當(dāng)前，美軍“阿帕奇”軍用直升機(jī)已經(jīng)完成批改升級(jí)，并具備“1控4”第IV級(jí)有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同等級(jí)。

在不確定、非完全信息、開放的直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)環(huán)境中，直升機(jī)飛行員要在較短的時(shí)間內(nèi)從大量信息中獲取有用信息，形成正確認(rèn)知并迅速做出決策，單純依靠人員指揮決策顯然不能滿足作戰(zhàn)需求。軍方迫切須要一種新的技術(shù)來輔助飛行員決策，以提升指揮速度。如何構(gòu)建一種高動(dòng)態(tài)、極其復(fù)雜、強(qiáng)對抗、不確定戰(zhàn)場環(huán)境下快速、準(zhǔn)確和有效的智能輔助決策系統(tǒng)，是未來軍事領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題。

為增強(qiáng)空中或地面指揮能力，美國陸軍航空發(fā)展局一直致力于態(tài)勢感知和輔助決策技術(shù)開發(fā)。當(dāng)美國陸航應(yīng)用技術(shù)理事會(huì)（AATD）發(fā)起“空中有人系統(tǒng)/無人系統(tǒng)技術(shù)”（AMUST）項(xiàng)目和“獵人遠(yuǎn)程殺傷編隊(duì)”（HSKT）項(xiàng)目后，美國陸軍航空發(fā)展局參與其中，對直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行開發(fā)、驗(yàn)證和部署。在協(xié)同作戰(zhàn)試驗(yàn)中，“黑鷹”直升機(jī)安裝了機(jī)動(dòng)指揮官助手（MCA），“阿帕奇”直升機(jī)集成了作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)（WA），最終，不同機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)和戰(zhàn)場情報(bào)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了共享和融合，形成連續(xù)的通用相關(guān)作戰(zhàn)影像（CROP），直升機(jī)飛行員和機(jī)動(dòng)指揮官利用通用相關(guān)作戰(zhàn)影像，完成了作戰(zhàn)任務(wù)。

作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)的組成、功能與關(guān)鍵技術(shù)

作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)是波音公司鬼怪工廠根據(jù)“空中有人系統(tǒng)/無人系統(tǒng)技術(shù)”項(xiàng)目和“獵人遠(yuǎn)程殺傷編隊(duì)”項(xiàng)目需求開發(fā)的輔助決策系統(tǒng)，可直接幫助“阿帕奇”直升機(jī)飛行員制訂和選擇行動(dòng)方案，提高飛行員的態(tài)勢感知能力和輔助決策能力，飛行員因此可同時(shí)有效管理直升機(jī)和無人機(jī)，并集中精力處理重要的任務(wù)，如交戰(zhàn)規(guī)劃和戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)等。

組成與功能

作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)由無人機(jī)航線規(guī)劃、航線評(píng)估、火力攻擊、數(shù)據(jù)融合、無人機(jī)機(jī)載傳感器控制、飛行控制、無人機(jī)機(jī)載視頻記錄和圖像接收等模塊組成。各模塊的功能如下所述。

1.航線規(guī)劃模塊的功能

基于任務(wù)目的、約束條件、已知威脅、地形、時(shí)間和位置等條件，航線規(guī)劃模塊自動(dòng)規(guī)劃無人機(jī)航線。

2.航線評(píng)估模塊的功能

該模塊計(jì)算、識(shí)別并顯示所規(guī)劃的航線和已知威脅源的風(fēng)險(xiǎn)，對當(dāng)前航線面臨的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，使用不同的顏色標(biāo)注航線風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。黃色表示來自傳感器探測的威脅，紅色則表示航線可能在武器攻擊范圍內(nèi)。

3.火力攻擊模塊的功能

根據(jù)航線、距離、位置、機(jī)動(dòng)區(qū)域、火力范圍等因素，火力攻擊模塊計(jì)算出直升機(jī)飛行員完成目標(biāo)偵察和武器發(fā)射所須要的最佳位置。

4.數(shù)據(jù)融合模塊的功能

該模塊具備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合功能，能夠?qū)⒅鄙龣C(jī)火控雷達(dá)（FCR）、機(jī)載電路、數(shù)據(jù)鏈、光電/紅外吊艙、無人機(jī)等系統(tǒng)采集的信息進(jìn)行融合。

5.無人機(jī)機(jī)載傳感器控制模塊的功能

傳感器控制模塊具有機(jī)載傳感器掃描范圍設(shè)定、通視位置計(jì)算及顯示功能。

6.飛行控制模塊的功能

該模塊具有第IV級(jí)有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同等級(jí)，可直接獲取無人機(jī)收集的影像和其他數(shù)據(jù)，并對無人機(jī)飛行和任務(wù)載荷進(jìn)行控制。

圖1 AH-64D“阿帕奇”直升機(jī)安裝的作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)界面。

圖2 作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)顯示的無人機(jī)飛行控制界面。

7.無人機(jī)機(jī)載視頻記錄和圖像接收模塊的功能

該模塊具有記錄無人機(jī)視頻的功能。通過該模塊，無人機(jī)與指揮直升機(jī)安裝的陸軍機(jī)載指揮和控制系統(tǒng)（A2C2X）之間實(shí)現(xiàn)了視頻、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。

關(guān)鍵技術(shù)

為使直升機(jī)更好地規(guī)劃航線并具備規(guī)避威脅的能力，作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)須使用基于火控雷達(dá)的目標(biāo)跟蹤、多源傳感器數(shù)據(jù)融合和假目標(biāo)剔除等核心技術(shù)對戰(zhàn)場態(tài)勢和威脅進(jìn)行評(píng)估。

1.火控雷達(dá)目標(biāo)跟蹤技術(shù)

在沒有數(shù)據(jù)融合的情況下，直升機(jī)機(jī)載火控雷達(dá)掃描目標(biāo)時(shí)，上一幀掃描探測到的所有目標(biāo)都會(huì)從顯示信息中被刪除，由新的掃描結(jié)果取代。然而，操控員很難確定新掃描目標(biāo)與上一幀掃描目標(biāo)之間的一一對應(yīng)關(guān)系。基于相關(guān)匹配的火控雷達(dá)目標(biāo)跟蹤算法能較好地解決這一問題，有效提高戰(zhàn)場影像的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和完整性。對于第一次掃描的目標(biāo)，火控雷達(dá)使用序號(hào)標(biāo)注該目標(biāo)的軌跡；對于第一次掃描之后的目標(biāo)，算法對新掃描目標(biāo)和上一幀掃描目標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行檢測，并對關(guān)聯(lián)目標(biāo)的軌跡進(jìn)行更新，以確保關(guān)聯(lián)目標(biāo)的軌跡保持連續(xù)性，后續(xù)未被掃描和強(qiáng)化的目標(biāo)不會(huì)隨著新的掃描立即消失。作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)使用一種基于時(shí)間的方案來最終消除那些沒有得到強(qiáng)化的目標(biāo)軌跡。

2.多源傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

在協(xié)同作戰(zhàn)中，目標(biāo)數(shù)量是飛行員重點(diǎn)關(guān)注的態(tài)勢感知信息之一。如果火控雷達(dá)獲取的目標(biāo)數(shù)據(jù)不進(jìn)行融合，當(dāng)火控雷達(dá)掃描的目標(biāo)也被其他傳感器（例如光電/紅外吊艙）探測時(shí)，戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢圖將顯示兩個(gè)符號(hào)對應(yīng)同一個(gè)目標(biāo)，從而影響飛行員對戰(zhàn)場態(tài)勢的判斷。數(shù)據(jù)融合技術(shù)將不同傳感器獲取的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡關(guān)聯(lián)，讓飛行員準(zhǔn)確識(shí)別多傳感器探測的目標(biāo)，為飛行員準(zhǔn)確感知戰(zhàn)場目標(biāo)數(shù)量等要素提供支撐。

3.假目標(biāo)剔除技術(shù)

假目標(biāo)剔除技術(shù)根據(jù)相關(guān)跟蹤信息，進(jìn)一步提高跟蹤信息的精度并減少戰(zhàn)術(shù)影像中的雜波。當(dāng)一個(gè)目標(biāo)被火控雷達(dá)掃描后，后續(xù)這個(gè)目標(biāo)沒有被掃描且增強(qiáng)，其軌跡將衰減或“老化”。經(jīng)過一段時(shí)間后，戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢圖中的這個(gè)目標(biāo)將被刪除。

機(jī)動(dòng)指揮官助手的組成、功能與關(guān)鍵技術(shù)

指揮官利用機(jī)動(dòng)指揮官助手控制有人機(jī)/無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)。圖3顯示，“黑鷹”直升機(jī)通過改進(jìn)型數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器（IDM）和戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈（TDCL），實(shí)時(shí)獲取“阿帕奇”直升機(jī)和“獵人”無人機(jī)傳輸?shù)男畔ⅰC(jī)動(dòng)指揮官助手共享和融合所有傳感器獲取的情報(bào)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了指揮官的態(tài)勢感知能力，實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)與無人機(jī)之間的協(xié)同控制。

圖3 美軍“空中有人系統(tǒng)/無人系統(tǒng)技術(shù)”項(xiàng)目和“獵人遠(yuǎn)程殺傷編隊(duì)”展示的協(xié)同作戰(zhàn)場景。

美國陸軍機(jī)載指揮與控制系統(tǒng)安裝機(jī)動(dòng)指揮官助手后，稱為改進(jìn)型機(jī)載指揮與控制系統(tǒng)，其外形詳見圖4。

圖4 改進(jìn)型機(jī)載指揮與控制系統(tǒng)示意圖。

機(jī)動(dòng)指揮官助手的組成與功能

機(jī)動(dòng)指揮官助手由處理器、戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈、Link 16數(shù)據(jù)鏈、機(jī)載視頻記錄儀和圖像收發(fā)機(jī)/單通道地面和機(jī)載系統(tǒng)（AVRIT/SINCGARS）、改進(jìn)型數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器/單通道地面和機(jī)載系統(tǒng)（IDM/SINCGARS)組成，包括輔助決策、分布式數(shù)據(jù)融合和基于智能體的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)（ABDD）等模塊。各模塊的功能如表1所述。

表1 機(jī)動(dòng)指揮官助手的模塊及其功能。

“黑鷹”直升機(jī)安裝的改進(jìn)型機(jī)載指揮與控制系統(tǒng)顯示的綜合態(tài)勢感知畫面詳見圖5。該態(tài)勢感知畫面顯示了任務(wù)、編隊(duì)、航線、目標(biāo)、設(shè)備等信息。其中，“黑鷹”直升機(jī)利用Link 16數(shù)據(jù)鏈將目標(biāo)請求信息傳輸給F/A-18“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)；直升機(jī)和無人機(jī)通過戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈傳輸位置、傳感器控制和飛行控制等信息；“黑鷹”和“阿帕奇”直升機(jī)使用改進(jìn)型數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器傳輸航線和目標(biāo)等信息。

圖5 改進(jìn)型機(jī)載指揮與控制系統(tǒng)顯示的綜合態(tài)勢感知畫面。

關(guān)鍵技術(shù)

作為機(jī)動(dòng)指揮官的輔助決策系統(tǒng)，機(jī)動(dòng)指揮官助手須要處理多個(gè)信息源中的2000多個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)，涉及基于移動(dòng)智能體的數(shù)據(jù)挖掘、多源傳感器數(shù)據(jù)融合、葡萄藤數(shù)據(jù)分發(fā)等核心技術(shù)。

1.基于移動(dòng)智能體的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

自1995年以來，洛克希德-馬丁公司先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室一直致力于基于移動(dòng)智能體的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)開發(fā)，為數(shù)字化戰(zhàn)場信息傳輸、更新和監(jiān)控提供支持。智能體是一種軟件架構(gòu)，能與環(huán)境交互并代表用戶執(zhí)行任務(wù)。智能意味著智能體具有感知、認(rèn)知環(huán)境或主題領(lǐng)域的能力，對變化的環(huán)境及時(shí)做出決策。移動(dòng)則表示智能體能在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間移動(dòng)，從而利用本地檢索不到的資源。

2.多源傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多源傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)能實(shí)時(shí)融合本機(jī)和它機(jī)提供的多源傳感器信息，形成統(tǒng)一的戰(zhàn)場態(tài)勢感知影像。機(jī)動(dòng)指揮官助手中的信息融合系統(tǒng)使用融合調(diào)度和融合控制模塊來滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸入和處理的要求。其中，融合調(diào)度模塊對待處理數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，確定應(yīng)使用哪種算法來融合數(shù)據(jù)，并選用適當(dāng)?shù)膬?nèi)核來處理數(shù)據(jù)；融合控制模塊對融合算法的性能以及資源使用情況進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)內(nèi)存或CPU等資源使用在某一融合進(jìn)程中超過限制時(shí)，該模塊適時(shí)啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)或輸入數(shù)據(jù)下采樣等應(yīng)用控制策略。融合調(diào)度、融合控制、融合算法模塊化開發(fā)和配置這一頂層控制策略，使智能輔助決策系統(tǒng)有效擺脫了對硬件性能的依賴。

3.葡萄藤數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)

葡萄藤架構(gòu)最初由洛克希德-馬丁公司開發(fā)，它根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息需求，實(shí)現(xiàn)最大限度帶寬條件下的信息共享，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以只傳輸對下一節(jié)點(diǎn)有實(shí)際價(jià)值的信息。傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享為每個(gè)參與者構(gòu)建了一個(gè)完整的通用影像。美國國防預(yù)研局（DARPA）小型單元操作項(xiàng)目采用了該架構(gòu)。

作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)和機(jī)動(dòng)指揮官助手的異同點(diǎn)

美軍作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)和機(jī)動(dòng)指揮官助手均安裝有無人機(jī)飛行控制、分布式數(shù)據(jù)融合和輔助決策軟件。但是，兩者協(xié)同層級(jí)和使用對象不同，其異同點(diǎn)如下所述。

首先，作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)主要供攻擊直升機(jī)飛行員使用，輔助低空高速飛行直升機(jī)中的飛行員與無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，旨在最大程度降低飛行員的工作強(qiáng)度，提高直升機(jī)武器系統(tǒng)的智能化程度。盡管作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)和機(jī)動(dòng)指揮官助手都可實(shí)現(xiàn)第IV級(jí)有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同等級(jí)，例如直升機(jī)直接接收無人機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和控制無人機(jī)飛行。但對于武器控制層面，攻擊直升機(jī)與無人機(jī)系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)，作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)可對無人機(jī)機(jī)載武器發(fā)射時(shí)間和戰(zhàn)位進(jìn)行規(guī)劃；而機(jī)動(dòng)指揮官助手屬于指揮層級(jí)，須要使用數(shù)據(jù)鏈將火控雷達(dá)獲取的目標(biāo)信息發(fā)送至無人機(jī)。

第二，機(jī)動(dòng)指揮官助手主要供指揮直升機(jī)的機(jī)動(dòng)指揮官使用。在作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)的攻擊規(guī)劃、無人機(jī)飛行控制、傳感器控制、航線規(guī)劃等模塊基礎(chǔ)上，機(jī)動(dòng)指揮官助手增加了態(tài)勢感知信息顯示、無人機(jī)飛行控制、編隊(duì)管理、通信管理、交戰(zhàn)管理等模塊，以編隊(duì)管理代替無人機(jī)飛行控制，以交戰(zhàn)管理代替攻擊規(guī)劃。此外，指揮直升機(jī)上沒有機(jī)載光電/紅外吊艙等傳感器，因此機(jī)動(dòng)指揮官助手主要負(fù)責(zé)聯(lián)合監(jiān)視與目標(biāo)攻擊雷達(dá)系統(tǒng)、Link 16數(shù)據(jù)鏈和聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫（JCDB）等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合。

第三，作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)和機(jī)動(dòng)指揮官助手的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)存在較大差別。作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)采用的是Vxworks操作系統(tǒng)，其處理環(huán)境不支持面向?qū)ο蟪绦蛑袠?biāo)準(zhǔn)內(nèi)存常規(guī)分配和釋放等操作；而機(jī)動(dòng)指揮官助手采用了Linux操作系統(tǒng)。盡管存在上述差異，二者共享同一個(gè)底層數(shù)據(jù)融合軟件。

總結(jié)

在未來戰(zhàn)場上，對抗態(tài)勢高度復(fù)雜且瞬息萬變，各種信息交匯，形成海量數(shù)據(jù)，人腦難以快速、準(zhǔn)確地處理海量信息。直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)智能輔助決策系統(tǒng)采用多源傳感器信息融合等技術(shù)，提升了直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)能力，縮短了直升機(jī)/無人機(jī)協(xié)同預(yù)測、感知、認(rèn)知的時(shí)間，提高了決策效率，在較大程度上提升了直升機(jī)在瞬息萬變戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)能力和生存力。