多無人系統(tǒng)協(xié)同態(tài)勢感知方法

魏明珠 秦國旭 盧博

隨著科技的迅猛發(fā)展，無人機在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。在俄烏沖突中，無人系統(tǒng)特別是多無人機系統(tǒng)的角色變得至關(guān)重要。無人機通過高清攝像頭和其他傳感器收集情報，并將實時數(shù)據(jù)傳輸給指揮部，為作戰(zhàn)決策提供關(guān)鍵情報。無人機武裝化后具備打擊敵方目標(biāo)的能力，如空中打擊、精確打擊和雷達(dá)干擾等，大大提高了本方的火力優(yōu)勢。多無人機系統(tǒng)在該戰(zhàn)爭中的應(yīng)用，以及它們在提高作戰(zhàn)效率、改變戰(zhàn)場格局等方面的積極影響。

多無人機系統(tǒng)應(yīng)用

俄烏雙方在沖突中使用了大量無人機作戰(zhàn)。例如，2023年8月俄軍從多個方向發(fā)射了“見證者”系列無人機逼近基輔，烏軍擊落23架來襲目標(biāo)，但仍有一些無人機突破攔截，命中敖德薩的地面目標(biāo)。俄發(fā)射的無人機損壞了敖德薩地區(qū)的港口和工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。2022年10月以來，俄軍大量發(fā)射遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和無人機襲擊烏克蘭基礎(chǔ)設(shè)施，俄軍通過廉價的無人機消耗取得制空權(quán)。面對俄軍更先進(jìn)、數(shù)量更多的無人機，烏克蘭只能通過分散和機動的防空系統(tǒng)——開火后迅速轉(zhuǎn)移到新位置——以避免被摧毀。雖然當(dāng)前俄軍沒有能力及時找到并摧毀足夠多的烏克蘭機動防空系統(tǒng)，但是通過大規(guī)模發(fā)射無人機和導(dǎo)彈攻擊，讓烏軍防空系統(tǒng)過度消耗寶貴的地對空導(dǎo)彈，也可以達(dá)到同樣的效果。烏軍防空系統(tǒng)因無彈可用而啞火。雖然西方向烏克蘭援助了大量防空系統(tǒng)，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足戰(zhàn)場消耗。

在自殺式無人機方面，俄方的“天竺葵”-2無人機，要比烏克蘭的“海貍”無人機更接近制式裝備。它使用的三角翼體積較小，而且可使用發(fā)射車以比較大的規(guī)模發(fā)射。同時，“天竺葵”-2無人機的最大航程達(dá)1000km，以民用摩托發(fā)動機為動力，配備簡單的導(dǎo)航系統(tǒng)，最低造價只有幾千美元，而用于攔截它的烏軍防空導(dǎo)彈造價高達(dá)數(shù)十萬甚至上百萬美元。俄軍大量使用的還有“見證者”-136自殺式無人機。在包括“見證者-136”在內(nèi)的各型武器攻擊下，烏克蘭30%-40%的國家電力基礎(chǔ)設(shè)施遭到襲擊，其中一半以上的火力發(fā)電設(shè)施遭到打擊，造成烏克蘭方面數(shù)十億美元的損失。自殺式無人機硬件雖然簡陋，但用這種自殺式無人機集群對變電站這類固定目標(biāo)進(jìn)行反復(fù)攻擊，威脅非常大。更高端的攻擊模式可以進(jìn)一步增加機載數(shù)據(jù)鏈并與其他無人機進(jìn)行配合，更進(jìn)一步就是采用更高級別的算法與模塊實現(xiàn)對移動目標(biāo)的打擊。美國向烏克蘭提供的“彈簧刀”系列巡飛彈本質(zhì)上也是一種消耗性的自殺式無人機，它升空后可在指定目標(biāo)區(qū)域上空150m高度盤旋，后方的操作員通過無人機上的攝像頭，可以遠(yuǎn)程了解戰(zhàn)場情況；如果發(fā)現(xiàn)高價值目標(biāo)，它還可以直接化身為導(dǎo)彈實施攻擊。

多無人系統(tǒng)協(xié)同感知研究進(jìn)展

針對多無人系統(tǒng)協(xié)同感知，國內(nèi)外也有一些相關(guān)研究。某仿生自主飛行系統(tǒng)研究組10余年來，通過借鑒雁群、鴿群、椋鳥群、狼群、蜂群、蟻群等生物群體的共識自主性集群智慧，采用分布式策略設(shè)計了無人機集群自主控制方法和感知技術(shù)，并結(jié)合這些生物群體智能進(jìn)行了無人機集群編隊、目標(biāo)分配、目標(biāo)跟蹤、集群圍捕等任務(wù)的飛行試驗驗證，下一步將開展基于群體智能的有人/無人跨域異構(gòu)集群自主控制方面的研究。2018年美軍提出分布式集群作戰(zhàn)樣式，無人系統(tǒng)由“單平臺遙控作戰(zhàn)”向“智能集群作戰(zhàn)”發(fā)展。DARPA在2003年就曾嘗試組建一個由120個軍事機器人組成的部隊，裝上蜂群智能軟件，模仿昆蟲的組織和行為，機器人形成蜂群結(jié)構(gòu)使整個系統(tǒng)具有較高的智能。

因此在軍事應(yīng)用時，當(dāng)無人機集群飛行時，不僅面臨外部環(huán)境威脅，也面臨內(nèi)部集群變化的干擾，飛行環(huán)境惡劣。無人集群系統(tǒng)在災(zāi)害救援、區(qū)域物流等重大應(yīng)急事件和經(jīng)濟(jì)民生中能夠發(fā)揮不可替代作用。集群分布式感知與認(rèn)知領(lǐng)域是無人集群實現(xiàn)任務(wù)的前提條件，因此實現(xiàn)分布式態(tài)勢感知信息一致性至關(guān)重要。對于無人機集群來說，集群系統(tǒng)中的單機既是通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，又是信息感知與處理的節(jié)點。不同單機可搭載不同的傳感器獲取不同范圍、不同維度的信息，無人機通過相互間的密切協(xié)同，可以將不同無人機的信息進(jìn)行融合、共享，為集群系統(tǒng)決策提供信息支持。無人機集群信息共享利用其集群飛行的通信系統(tǒng)，不僅能夠應(yīng)對強電磁干擾下的通信延遲、丟包等情況，還能將感知到的信息傳遞給其他個體，從而避免因單機感知能力、信息處理能力的限制導(dǎo)致集群系統(tǒng)功能的低下。基于無人機機載傳感器，實現(xiàn)集群戰(zhàn)場態(tài)勢感知，能夠獲得更廣的觀測范圍、更高的定位精度以及更高的魯棒性。基于機間鏈，實現(xiàn)態(tài)勢信息共享，形成統(tǒng)一的通用作戰(zhàn)視圖（Common Operational Picture，COP），為集群作戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)。針對現(xiàn)有的傳統(tǒng)型多無人系統(tǒng)協(xié)調(diào)能力弱，集群感知效率低等問題，研究如何實現(xiàn)合理高效的集群感知，設(shè)計滿足無人機集群應(yīng)用要求的新算法。

難點與挑戰(zhàn)

（1）當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于無人集群態(tài)勢感知尚未開展基于分布式多源傳感器信息融合的感知與認(rèn)知方面的研究，無人集群在實際應(yīng)用中無法適應(yīng)復(fù)雜不確定的環(huán)境，亟需將高維態(tài)勢感知與認(rèn)知作為無人集群導(dǎo)航研究的重要探索方向。

（2）在面向高動態(tài)、不確定、資源受限等復(fù)雜環(huán)境，協(xié)同區(qū)域搜索、集群優(yōu)化調(diào)度等多任務(wù)應(yīng)用需求，需考慮不確定和資源受限條件下高質(zhì)量異構(gòu)異質(zhì)傳感數(shù)據(jù)處理、具備條件觸發(fā)機制的融合框架及動態(tài)場景下的自適應(yīng)切換拓?fù)浼夹g(shù)，提升無人集群系統(tǒng)的分布式態(tài)勢感知與認(rèn)知能力。

（3）為滿足多無人系統(tǒng)協(xié)同信息交互的需求，需要考慮分布式自組織通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，低通量無中心化的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，通信系統(tǒng)層級設(shè)計等方面，提高多無人系統(tǒng)傳輸能力。

多無人系統(tǒng)態(tài)勢感知關(guān)鍵技術(shù)

圍繞應(yīng)用需求與存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要從通信拓?fù)湓O(shè)計、多無人系統(tǒng)協(xié)同區(qū)域部署、單機數(shù)據(jù)融合、多機數(shù)據(jù)交互與態(tài)勢感知四個方面展開論述。

多無人系統(tǒng)分布式交互通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

針對大規(guī)模分布式無人系統(tǒng)信息交互高通量，實時性等要求，研究能量優(yōu)化的低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于頻譜感知的動態(tài)時隙組網(wǎng)技術(shù)，高魯棒性的自適應(yīng)動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)，大規(guī)模節(jié)點多層自組織網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的多層網(wǎng)絡(luò)通信鏈路及路由自適應(yīng)技術(shù)，微系統(tǒng)智能感知網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。

集群協(xié)同區(qū)域目標(biāo)搜索覆蓋策略設(shè)計

針對現(xiàn)有無人機區(qū)域覆蓋偵察航跡規(guī)劃中對任務(wù)區(qū)域分解算法復(fù)雜、任務(wù)規(guī)劃效率低的問題，提出一種改進(jìn)的多無人機覆蓋航跡規(guī)劃方法，將多無人機廣域協(xié)同搜索問題劃分為無人機工作區(qū)間劃分和全區(qū)域覆蓋搜索路徑規(guī)劃兩個方面分別進(jìn)行研究，實現(xiàn)路徑代價低、規(guī)劃效率高的區(qū)域覆蓋算法。

單機多源數(shù)據(jù)融合

針對機載平臺使用單一傳感器進(jìn)行目標(biāo)場景觀測時，易受惡劣天氣、煙霧、光照等多種外界干擾的影響，難以保證全天候、全天時的數(shù)據(jù)獲取與信息感知的問題，構(gòu)建多源傳感器觀測系統(tǒng)，并獲取多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理能實現(xiàn)多源信息互補，克服單一傳感器在惡劣氣象條件下性能下降甚至失效的問題，開展機載平臺多源融合目標(biāo)智能檢測技術(shù)研究。

集群數(shù)據(jù)交互與態(tài)勢感知一致性設(shè)計

無人機集群的態(tài)勢感知與信息共享是無人機集群自主控制與決策的基礎(chǔ)。但分布式的系統(tǒng)會帶來個體間態(tài)勢信息不確定、模糊、缺失等問題。針對此問題，以態(tài)勢理解的一致性作為無人系統(tǒng)集群的協(xié)同方法，根據(jù)態(tài)勢一致性指標(biāo)實現(xiàn)集群內(nèi)部的態(tài)勢統(tǒng)一，建立基于無人系統(tǒng)集群的分布式態(tài)勢感知模型。

技術(shù)途徑的實時策略

集群自組織通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

（1）大規(guī)模節(jié)點多層自組織網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

集群組網(wǎng)采用多層分簇組網(wǎng)方式，每組包含一定數(shù)量的傳感器，向不同方向拋射多組。一組無人機形成一個簇，簇內(nèi)節(jié)點自主選擇一個節(jié)點作為簇頭節(jié)點，維護(hù)管理簇內(nèi)節(jié)點。接入設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)行監(jiān)聽，然后指定需要接收消息的簇。被指定的簇內(nèi)的節(jié)點通過各自的簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)上報給接入設(shè)備。其網(wǎng)絡(luò)特點具有大規(guī)模、自組織、坐標(biāo)隨機等特點。對于網(wǎng)絡(luò)的物理層，采用寬帶擴(kuò)頻通信方式，有效解決傳感器地表布設(shè)鏈路不穩(wěn)定、多徑衰減嚴(yán)重、信號干擾和被截獲等傳輸問題，顯著提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾、抗截獲和傳輸性能，保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性，組網(wǎng)方案分為簇內(nèi)系統(tǒng)組網(wǎng)和接入系統(tǒng)組網(wǎng)。

（2）能量優(yōu)化的低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的數(shù)據(jù)通信占據(jù)了大部分的能量消耗，降低數(shù)據(jù)通信能量消耗，可以從不同網(wǎng)絡(luò)層次進(jìn)行。基本可以分為通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議調(diào)度、功率控制、低功耗的ASIC、SOC無線通信芯片設(shè)計等方面來實現(xiàn)。

（3）基于頻譜感知的動態(tài)時隙組網(wǎng)技術(shù)

頻譜感知技術(shù)是認(rèn)知無線電中關(guān)鍵技術(shù)，其作用是通過感知周圍快速變化的無線環(huán)境，搜索授權(quán)頻段上的有效頻譜，并利用相關(guān)算法處理所獲取頻譜空洞的特征參數(shù)，同時智能調(diào)整系統(tǒng)通信體制和工作參數(shù)，以此提高系統(tǒng)頻譜利用效率，增強系統(tǒng)抗干擾及抗截獲能力。

（4）網(wǎng)絡(luò)感知入侵與反入侵技術(shù)

集群組網(wǎng)是一種沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓男滦途W(wǎng)絡(luò)，固有的脆弱性使它容易受到攻擊，給組網(wǎng)的入侵檢測帶來更多挑戰(zhàn)。異常入侵檢測的前提是將入侵活動作為異常活動的子集，理想的情況是入侵活動集與異常活動集相等，這樣若能檢測出異常活動即可檢測出入侵活動，結(jié)果不會造成入侵的虛報和漏報。異常入侵檢測要解決的問題就是構(gòu)造異常活動集合，從中提取入侵活動子集，在異常活動和入侵活動之間進(jìn)行區(qū)分判斷。

集群協(xié)同區(qū)域搜素覆蓋

采用按無人機來向均衡劃分的方法和凹點凸分解的方法，開展未知環(huán)境分布式探測區(qū)域劃分方法研究，將多機協(xié)同搜索問題轉(zhuǎn)化為子區(qū)域上的單機搜索問題；在此基礎(chǔ)上采用“Z”型路徑覆蓋方法以及Dubins轉(zhuǎn)彎路徑，對各個無人機開展覆蓋其子區(qū)域的搜索路徑規(guī)劃，從而建立一個區(qū)域劃分和路徑規(guī)劃的整體調(diào)用框架，生成無人機在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)快速安全高效的飛行路線。

多源數(shù)據(jù)融合態(tài)勢感知方法

通過多源時空關(guān)聯(lián)的決策級融合光電目標(biāo)檢測算法，利用可見光和紅外圖像目標(biāo)檢測結(jié)果的先驗信息匹配兩幅圖像的時空位置，然后選取時空關(guān)聯(lián)的檢測結(jié)果中較好的結(jié)果實現(xiàn)決策級融合，減少圖像配準(zhǔn)融合的計算時間消耗，實現(xiàn)機載平臺的光電目標(biāo)實時檢測；針對多源系統(tǒng)中SAR圖像成像分辨率差且受相干斑噪聲的影響特征信息缺乏的問題，對特征提取網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，在目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)中加入注意力機制，提升圖像目標(biāo)特征提取能力。針對機載平臺SAR數(shù)據(jù)量匱乏，少量數(shù)據(jù)集訓(xùn)練時泛化能力差，檢測效果不佳的問題，研究使用遷移學(xué)習(xí)方法進(jìn)行優(yōu)化，提出多頻段數(shù)據(jù)特征遷移的SAR圖像目標(biāo)檢測方法。

多機數(shù)據(jù)交互與態(tài)勢一致性建模與評估

以靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，研究了在此基礎(chǔ)上加上了時間維度約束而形成的具有處理時序數(shù)據(jù)能力的動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型。以次模型為基礎(chǔ)，在單源集中式的態(tài)勢感知系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)分布式態(tài)勢感知系統(tǒng)，提出態(tài)勢感知一致性的評估指標(biāo)與方法，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動學(xué)習(xí)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型并實現(xiàn)目標(biāo)意圖識別的推理。并在原本的單源集中式多源態(tài)勢感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)分布式態(tài)勢感知系統(tǒng)，完成包括目標(biāo)分群、目標(biāo)意圖識別等模塊設(shè)計，并最終在以Django框架的Web開發(fā)應(yīng)用平臺下完成整體系統(tǒng)的設(shè)計、測試、仿真與展示。

集群協(xié)同態(tài)勢一致性對應(yīng)于的態(tài)勢覺察階段，是信息域?qū)哟蔚膽B(tài)勢感知的一致性，表征集群獲取的戰(zhàn)場態(tài)勢信息與真實態(tài)勢信息的一致性，是集群執(zhí)行協(xié)同偵察等任務(wù)時獲取信息優(yōu)勢乃至決策優(yōu)勢的重要條件。集群可以依據(jù)一定時間內(nèi)的態(tài)勢感知一致性評估結(jié)果，選擇相應(yīng)的作戰(zhàn)計劃和分析影響作戰(zhàn)的關(guān)鍵因素。因此，設(shè)計出科學(xué)有效的 態(tài)勢感知一致性評估方法是必要的。

集群協(xié)同態(tài)勢感知一致性評估的評估指標(biāo)和評估方法需要符合復(fù)雜任務(wù)環(huán)境特點，尤其是由傳感器性能、對抗環(huán)境、通信時延等引起的態(tài)勢信息的不確定性。評估指標(biāo)在信息質(zhì)量評估的基礎(chǔ)上，結(jié)合集群協(xié)同作戰(zhàn)需求建模，不局限于信息質(zhì)量評估中的完備性、準(zhǔn)確性和時效性。從信息不確定性考慮，評估方法在屬性值的表示形式、屬性權(quán)重的確定和信息集結(jié)等方面要針對傳統(tǒng)方法存在的如屬性值表示的靜態(tài)單一、屬性權(quán)重不能合理兼顧主客觀性、缺乏屬性之間的關(guān)聯(lián)性分析等問題。

結(jié)論

針對高動態(tài)、不確定和復(fù)雜環(huán)境下多無人系統(tǒng)協(xié)同態(tài)勢感知問題，從通信網(wǎng)絡(luò)、多無人系統(tǒng)區(qū)域覆蓋、傳感器處理、態(tài)勢一致性四個方面闡述研究內(nèi)容和技術(shù)方案，從而為多無人系統(tǒng)協(xié)同態(tài)勢感知于認(rèn)識提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。