美軍自主無人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

宋慶慶 ，衛(wèi) 浩 ，李 健 ，曾 軒

（1.中國兵器工業(yè)第二〇八研究所，北京 102202；2.96630部隊，北京 102208）

0 引言

新軍事變革迅猛發(fā)展，戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，現(xiàn)代戰(zhàn)爭正在向信息化形態(tài)發(fā)展，無人化戰(zhàn)爭正成為一個重要的發(fā)展趨勢。無人系統(tǒng)具有代價低、能進(jìn)入各種環(huán)境、續(xù)航時間長、能有效減少己方人員傷亡等巨大優(yōu)勢，其發(fā)展受到各軍事強(qiáng)國尤其是美國的高度重視[1]。近年來，美國斥巨資進(jìn)行無人系統(tǒng)的研究，其開發(fā)的無人系統(tǒng)已在伊拉克、阿富汗、利比亞及敘利亞戰(zhàn)場上投入使用并在遂行作戰(zhàn)任務(wù)中大放異彩。相對于美軍，我軍在無人系統(tǒng)領(lǐng)域的研發(fā)起步較晚，通過對美軍無人自主系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的分析，可以為我國未來無人系統(tǒng)的發(fā)展策略提供參考。

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的區(qū)別，無人系統(tǒng)可分為無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）、無人地面系統(tǒng)（UGS）、無人海上系統(tǒng)（UMS）等[2]。隨著人工智能、仿生、機(jī)器學(xué)習(xí)等顛覆性前沿科技的發(fā)展，催生了無人系統(tǒng)發(fā)展的革命性變革，即向自主無人系統(tǒng)發(fā)展。美國把自主無人系統(tǒng)看作顛覆性武器裝備，2013年底美國防部發(fā)布的最新版美國無人系統(tǒng)整合路線圖中，將自主無人系統(tǒng)作為美國未來無人系統(tǒng)發(fā)展的重點[3]。

1 自主無人系統(tǒng)

所謂自主無人系統(tǒng)，即可以自行導(dǎo)向目標(biāo)而無需外部操控的無人系統(tǒng)。自主無人系統(tǒng)可使指揮員的決策用在最為關(guān)鍵的地方，其完全應(yīng)用將徹底改變?nèi)嗽谙到y(tǒng)中的定位，顛覆原有的人員裝備編制體系。利用自主無人系統(tǒng)，可以替代士兵出色地完成枯燥、污染率高、危險系數(shù)大、超出人體極限的任務(wù)[4]。

表1為美國防部提出的無人系統(tǒng)自主性分級標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)此，可以將自主性分為半自主、自主和全自主三類，分別對應(yīng)人工授權(quán)、人工監(jiān)控和全自主。當(dāng)前美國現(xiàn)役無人系統(tǒng)裝備中，以半自主為主，能夠在執(zhí)行簡單任務(wù)時實現(xiàn)自主感知，自主規(guī)避障礙[5]。

表1 美國防部提出的自主性等級

2 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 環(huán)境感知技術(shù)

環(huán)境感知技術(shù)是指自主無人系統(tǒng)通過多種傳感器識別周圍物體，觀測周邊環(huán)境，以此推斷環(huán)境狀態(tài)并評估環(huán)境中所處人員或裝備意圖的技術(shù)[6]。環(huán)境感知主要通過視覺感知、雷達(dá)感知、激光感知、可見光和紅外感知、多源信息融合感知等多種技術(shù)手段來實現(xiàn)。

當(dāng)前，美國在雷達(dá)、激光、可見光和紅外感知技術(shù)上已經(jīng)發(fā)展成熟并投入使用。例如，美國M-ATV裝甲車就配備了激光雷達(dá)用于自動駕駛；2016年美國國防高級研究計劃屬（DARPA）研制的FLA無人機(jī)采用了激光雷達(dá)用于自主識別障礙。視覺感知技術(shù)趨于成熟，處于多方試驗階段。例如，2006年波士頓動力工程公司研制的Bigdog依靠立體視覺系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境感知；2017年美國陸軍研究實驗室研制出具有視覺感知功能的微型傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)。利用多源信息融合技術(shù)進(jìn)行環(huán)境感知則是當(dāng)前美國研發(fā)的重點項目。多源信息融合技術(shù)可以使自主無人系統(tǒng)最大程度建立起周圍環(huán)境模型，從而使決策更加科學(xué)精準(zhǔn)。

2.2 定位、導(dǎo)航與授時（Positioning，Navigation，and Timing，PNT）

精確的PNT，是無人系統(tǒng)實現(xiàn)全自主的關(guān)鍵前提。美國的GPS、中國的北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）就是典型的PNT系統(tǒng)。自主無人系統(tǒng)通過PNT來確定自身及目標(biāo)點的位置，自主規(guī)劃出最優(yōu)路線并控制自身行進(jìn)到目標(biāo)點。若PNT不精確，無論無人系統(tǒng)配備有多么先進(jìn)的環(huán)境感知系統(tǒng)及武器系統(tǒng)，都會因?qū)Ш疆a(chǎn)生的誤差使得打擊效果不佳，進(jìn)而導(dǎo)致任務(wù)失敗。

慣性導(dǎo)航作為最穩(wěn)定的獨立導(dǎo)航系統(tǒng)，一直以來都受到軍方的大力關(guān)注，但由于其固有缺陷，在實際應(yīng)用中，常常與其他系統(tǒng)配合形成組合導(dǎo)航以抵消誤差。當(dāng)前，GPS仍是自主無人系統(tǒng)實現(xiàn)導(dǎo)航的主要方式。為了避免在未來戰(zhàn)爭環(huán)境下衛(wèi)星被攻擊被干擾而失效導(dǎo)致GPS無法使用的情況，美國正大力發(fā)展新型高精度PNT技術(shù)。已經(jīng)被提出的新的PNT系統(tǒng)和技術(shù)概念有：自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)（adaptive navigation systems，ANS）、微型 PNT系統(tǒng)、量子輔助感知與讀出、全源定位和導(dǎo)航[7]（all source positioning and navigation，ASPN）、基于計算機(jī)視覺的導(dǎo)航定位技術(shù)等[8]。其中，ASPN系統(tǒng)已在海陸空各平臺完成多次現(xiàn)場實驗，表明該系統(tǒng)在無GPS信號時依舊可以進(jìn)行導(dǎo)航。在裝備應(yīng)用上，美國“可靠號”UUV采用光纖陀螺慣導(dǎo)配合GPS、全球鷹無人機(jī)采用激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)實現(xiàn)導(dǎo)航定位。

2.3 控制算法

控制算法是自主無人系統(tǒng)不依賴人的操作而自主執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。為實現(xiàn)全自主，無人系統(tǒng)的控制算法必須能夠?qū)ΜF(xiàn)實環(huán)境中不可預(yù)見的或隨機(jī)的狀況做出快速反應(yīng)。無論是非自主無人系統(tǒng)還是自主無人系統(tǒng)，都可以實現(xiàn)自動控制。在自動控制領(lǐng)域，常用的基本控制算法有PID控制、模糊控制、自適應(yīng)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。但自主控制不同于自動控制，自動控制無法自行決定系統(tǒng)的運動路線，只能通過補(bǔ)償偏差的方式跟蹤給定的路徑；而自主控制則無需人為給定路徑，可自行將系統(tǒng)導(dǎo)向人工指定的目標(biāo)。因此，自主控制算法相比自動控制更為復(fù)雜，通常采用多種控制算法相結(jié)合的智能優(yōu)化算法來提升無人系統(tǒng)的自主控制能力。例如，仿人智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID控制算法，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制算法、滑膜變結(jié)構(gòu)模糊控制算法等。

2.4 合作自主性

合作自主性是指將多個無人系統(tǒng)進(jìn)行編隊，實現(xiàn)大規(guī)模的協(xié)同作戰(zhàn)，具體表現(xiàn)為自主蜂群技術(shù)。蜂群，顧名思義，即像蜜蜂一樣從成群結(jié)隊的集中攻擊同一目標(biāo)，以數(shù)量代替質(zhì)量完成任務(wù)的一種戰(zhàn)術(shù)。自主蜂群擁有數(shù)量龐大的無人系統(tǒng)，分散的系統(tǒng)使戰(zhàn)場對抗中敵方難以鎖定目標(biāo)，而且即使部分系統(tǒng)被摧毀，剩余系統(tǒng)依然可以自適應(yīng)重組，繼續(xù)遂行任務(wù)[9，10]。

在2014年，美國安全中心發(fā)布了《戰(zhàn)場機(jī)器人Ⅱ：即將到來的蜂群》[11]報告，首次提出無人系統(tǒng)蜂群技術(shù)。當(dāng)前，美軍發(fā)展的無人系統(tǒng)蜂群技術(shù)有：對應(yīng)無人機(jī)的灰山鶉項目、小精靈項目，對應(yīng)無人水面艇的海上集群項目等，且一部分早已進(jìn)入實驗和驗證階段。2014年，美海軍在演習(xí)中對13艘無人水面艇進(jìn)行了蜂群實驗，其中5艘進(jìn)行自主控制，8艘進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；2016年，又釋放103架“山鶉”無人機(jī)進(jìn)行蜂群實驗，并在此次試驗中實現(xiàn)了自主編隊模擬執(zhí)行多項任務(wù)的目標(biāo)。

3 技術(shù)發(fā)展趨勢分析

目前美軍在自主無人系統(tǒng)的幾項關(guān)鍵技術(shù)上均有突破，但要徹底實現(xiàn)全自主，還有很多技術(shù)難題亟待解決。而且，為了使自主無人系統(tǒng)最終成為裝備成功列裝部隊，還需要考慮技術(shù)的作戰(zhàn)牽引問題，例如決策速度、續(xù)航能力、數(shù)據(jù)鏈質(zhì)量等。

3.1 環(huán)境感知技術(shù)發(fā)展趨勢

盡管美國在環(huán)境感知技術(shù)中的傳感器算法和交叉提示傳感器系統(tǒng)方面有所突破，但要實現(xiàn)真正意義上的優(yōu)化，滿足全自主的無人系統(tǒng)所需求的感知環(huán)境的能力，還需要借助智能計算技術(shù)來實現(xiàn)。未來美國在環(huán)境感知方面發(fā)展的重點技術(shù)包括但不限于：

（1）失效傳感器的自適應(yīng)性。一旦無人系統(tǒng)上存在失效傳感器，在環(huán)境感知過程中算法能夠自適應(yīng)消除失效傳感器的影響。

（2）自適應(yīng)多源信息關(guān)聯(lián)技術(shù)。在多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中，面對多種傳感器接收到的信息，及時正確的進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理是衡量無人系統(tǒng)環(huán)境感知能力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

（3）傳感器權(quán)重重構(gòu)技術(shù)。當(dāng)多源傳感器網(wǎng)用于多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)時，根據(jù)具體任務(wù)的需要，不同的傳感器被賦予的權(quán)重也不同，有時圖像傳感器權(quán)重更大，有時則是測距傳感器權(quán)重更大。

3.2 控制算法發(fā)展趨勢

為了能使無人系統(tǒng)的自主能力在真實戰(zhàn)場的復(fù)雜環(huán)境下達(dá)到實用程度，必須開發(fā)更為智能更為仿人的算法。通過這些算法提供健壯的決策能力（例如機(jī)器推理和智能），整合不相干信息，提供能夠處理非精確，非完整、不確定甚至是矛盾的數(shù)據(jù)集的計算能力，實現(xiàn)無人系統(tǒng)的全自主。

3.3 自主蜂群發(fā)展趨勢

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，信息共享處于越來越重要的地位，在無人系統(tǒng)中則體現(xiàn)為互操作性。對于自主蜂群而言，優(yōu)良的互操作性可以使各系統(tǒng)配合更加密切，做到完全協(xié)同一致。即使在對抗環(huán)境中有部分系統(tǒng)損失，整個蜂群通過互操作性依然可以實現(xiàn)自適應(yīng)重組，繼續(xù)遂行任務(wù)。因此，在未來的發(fā)展中需要提出規(guī)范的互操作性等級模型，形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，完全實現(xiàn)模塊化，通過互操作性的發(fā)展推動構(gòu)建立體蜂群。

4 結(jié)束語

自主無人系統(tǒng)在未來戰(zhàn)爭中應(yīng)用潛力巨大，發(fā)展前景廣闊，對作戰(zhàn)模式具有顛覆性影響，使戰(zhàn)爭形態(tài)產(chǎn)生根本性變革。目前，自主無人系統(tǒng)還面臨許多技術(shù)難題與挑戰(zhàn)，美軍實現(xiàn)全自主還有較長的路要走。盡管如此，美軍仍在快速裝備多種型號的半自主、自主無人系統(tǒng)。在可見的未來，美軍各軍種的自主無人系統(tǒng)將形成體系，進(jìn)一步提升的綜合戰(zhàn)力，以贏得現(xiàn)代信息化智能化戰(zhàn)爭的先機(jī)。