直升機/無人機協(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)長一段時間內(nèi)，直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)仍然是主要作戰(zhàn)模式之一。美軍對直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的概念、關(guān)鍵技術(shù)、裝備、驗證試驗等方面進行了一系列研究，有效推進了直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的實戰(zhàn)化應(yīng)用。本文總結(jié)美軍直升機/無人機協(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/無人機協(xié)同作戰(zhàn)研究的單位提供參考。

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

在不確定、非完全信息、開放的直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)環(huán)境中，直升機飛行員要在較短的時間內(nèi)從大量信息中獲取有用信息，形成正確認知并迅速做出決策，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)建一種高動態(tài)、極其復(fù)雜、強對抗、不確定戰(zhàn)場環(huán)境下快速、準確和有效的智能輔助決策系統(tǒng)，是未來軍事領(lǐng)域研究的一個熱點課題。

為增強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（AATD）發(fā)起“空中有人系統(tǒng)/無人系統(tǒng)技術(shù)”（AMUST）項目和“獵人遠程殺傷編隊”（HSKT）項目后，美國陸軍航空發(fā)展局參與其中，對直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)進行開發(fā)、驗證和部署。在協(xié)同作戰(zhàn)試驗中，“黑鷹”直升機安裝了機動指揮官助手（MCA），“阿帕奇”直升機集成了作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)（WA），最終，不同機載傳感器數(shù)據(jù)和戰(zhàn)場情報數(shù)據(jù)實現(xiàn)了共享和融合，形成連續(xù)的通用相關(guān)作戰(zhàn)影像（CROP），直升機飛行員和機動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)”項目和“獵人遠程殺傷編隊”項目需求開發(fā)的輔助決策系統(tǒng)，可直接幫助“阿帕奇”直升機飛行員制訂和選擇行動方案，提高飛行員的態(tài)勢感知能力和輔助決策能力，飛行員因此可同時有效管理直升機和無人機，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)機動等。

組成與功能

作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)由無人機航線規(guī)劃、航線評估、火力攻擊、數(shù)據(jù)融合、無人機機載傳感器控制、飛行控制、無人機機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、時間和位置等條件，航線規(guī)劃模塊自動規(guī)劃無人機航線。

2.航線評估模塊的功能

該模塊計算、識別并顯示所規(guī)劃的航線和已知威脅源的風(fēng)險，對當(dāng)前航線面臨的風(fēng)險進行評估，使用不同的顏色標注航線風(fēng)險等級。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、機動區(qū)域、火力范圍等因素，火力攻擊模塊計算出直升機飛行員完成目標偵察和武器發(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火控雷達（FCR）、機載電路、數(shù)據(jù)鏈、光電/紅外吊艙、無人機等系統(tǒng)采集的信息進行融合。

5.無人機機載傳感器控制模塊的功能

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

6.飛行控制模塊的功能

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

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

圖2 作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)顯示的無人機飛行控制界面。

7.無人機機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視頻的功能。通過該模塊，無人機與指揮直升機安裝的陸軍機載指揮和控制系統(tǒng)（A2C2X）之間實現(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的目標跟蹤、多源傳感器數(shù)據(jù)融合和假目標剔除等核心技術(shù)對戰(zhàn)場態(tài)勢和威脅進行評估。

1.火控雷達目標跟蹤技術(shù)

在沒有數(shù)據(jù)融合的情況下，直升機機載火控雷達掃描目標時，上一幀掃描探測到的所有目標都會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與上一幀掃描目標之間的一一對應(yīng)關(guān)系?；谙嚓P(guān)匹配的火控雷達目標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、準確性和完整性。對于第一次掃描的目標，火控雷達使用序號標注該目標的軌跡；對于第一次掃描之后的目標，算法對新掃描目標和上一幀掃描目標間的相關(guān)性進行檢測，并對關(guān)聯(lián)目標的軌跡進行更新，以確保關(guān)聯(lián)目標的軌跡保持連續(xù)性，后續(xù)未被掃描和強化的目標不會隨著新的掃描立即消失。作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)使用一種基于時間的方案來最終消除那些沒有得到強化的目標軌跡。

2.多源傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)

在協(xié)同作戰(zhàn)中，目標數(shù)量是飛行員重點關(guān)注的態(tài)勢感知信息之一。如果火控雷達獲取的目標數(shù)據(jù)不進行融合，當(dāng)火控雷達掃描的目標也被其他傳感器（例如光電/紅外吊艙）探測時，戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢圖將顯示兩個符號對應(yīng)同一個目標，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數(shù)據(jù)進行軌跡關(guān)聯(lián)，讓飛行員準確識別多傳感器探測的目標，為飛行員準確感知戰(zhàn)場目標數(shù)量等要素提供支撐。

3.假目標剔除技術(shù)

假目標剔除技術(shù)根據(jù)相關(guān)跟蹤信息，進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)一個目標被火控雷達掃描后，后續(xù)這個目標沒有被掃描且增強，其軌跡將衰減或“老化”。經(jīng)過一段時間后，戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢圖中的這個目標將被刪除。

機動指揮官助手的組成、功能與關(guān)鍵技術(shù)

指揮官利用機動指揮官助手控制有人機/無人機編隊協(xié)同作戰(zhàn)。圖3顯示，“黑鷹”直升機通過改進型數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器（IDM）和戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈（TDCL），實時獲取“阿帕奇”直升機和“獵人”無人機傳輸?shù)男畔?。機動指揮官助手共享和融合所有傳感器獲取的情報數(shù)據(jù)，增強了指揮官的態(tài)勢感知能力，實現(xiàn)了直升機與無人機之間的協(xié)同控制。

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

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

圖4 改進型機載指揮與控制系統(tǒng)示意圖。

機動指揮官助手的組成與功能

機動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、機載視頻記錄儀和圖像收發(fā)機/單通道地面和機載系統(tǒng)（AVRIT/SINCGARS）、改進型數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器/單通道地面和機載系統(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 機動指揮官助手的模塊及其功能。

“黑鷹”直升機安裝的改進型機載指揮與控制系統(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、航線、目標、設(shè)備等信息。其中，“黑鷹”直升機利用Link 16數(shù)據(jù)鏈將目標請求信息傳輸給F/A-18“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機；直升機和無人機通過戰(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”直升機使用改進型數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器傳輸航線和目標等信息。

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

關(guān)鍵技術(shù)

作為機動指揮官的輔助決策系統(tǒng)，機動指揮官助手須要處理多個信息源中的2000多個目標數(shù)據(jù)，涉及基于移動智能體的數(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-馬丁公司先進技術(shù)實驗室一直致力于基于移動智能體的數(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、認知環(huán)境或主題領(lǐng)域的能力，對變化的環(huán)境及時做出決策。移動則表示智能體能在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間移動，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)能實時融合本機和它機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。機動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)實時輸入和處理的要求。其中，融合調(diào)度模塊對待處理數(shù)據(jù)進行評估，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行監(jiān)視，當(dāng)內(nèi)存或CPU等資源使用在某一融合進程中超過限制時，該模塊適時啟動優(yōu)先級或輸入數(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)每個節(jié)點的信息需求，實現(xiàn)最大限度帶寬條件下的信息共享，這樣每個節(jié)點就可以只傳輸對下一節(jié)點有實際價值的信息。傳感器數(shù)據(jù)實時共享為每個參與者構(gòu)建了一個完整的通用影像。美國國防預(yù)研局（DARPA）小型單元操作項目采用了該架構(gòu)。

作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)和機動指揮官助手的異同點

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

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

第二，機動指揮官助手主要供指揮直升機的機動指揮官使用。在作戰(zhàn)人員助理系統(tǒng)的攻擊規(guī)劃、無人機飛行控制、傳感器控制、航線規(guī)劃等模塊基礎(chǔ)上，機動指揮官助手增加了態(tài)勢感知信息顯示、無人機飛行控制、編隊管理、通信管理、交戰(zhàn)管理等模塊，以編隊管理代替無人機飛行控制，以交戰(zhàn)管理代替攻擊規(guī)劃。此外，指揮直升機上沒有機載光電/紅外吊艙等傳感器，因此機動指揮官助手主要負責(zé)聯(lián)合監(jiān)視與目標攻擊雷達系統(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)和機動指揮官助手的硬件平臺和操作系統(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蟪绦蛑袠藴蕛?nèi)存常規(guī)分配和釋放等操作；而機動指揮官助手采用了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、準確地處理海量信息。直升機/無人機協(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/無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力，縮短了直升機/無人機協(xié)同預(yù)測、感知、認知的時間，提高了決策效率，在較大程度上提升了直升機在瞬息萬變戰(zhàn)場上的作戰(zhàn)能力和生存力。