有人机/无人机协同作战系统关键技术
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第4卷第2期 指挥信息系统与技术 Command Information System and Technology Voi.4 No.2 Apr.2013 2013年4月 ・理论与探索・ 有人机/无人机协同作战系统关键技术 蔡俊伟 龙海英 张 昕 (中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京210007) 摘 要:分析了有人机/无人机协同作战研究情况,给出了有人机/无人机协同作战系统的基本组 成和体系结构,分析了有人机/无人机协同作战的关键技术,提出了美军有人机/无人机协同作战技 术对我军的借鉴和启示作用。 关键词:有人机;无人机;协同作战;协同目标分配 中图分类号:V279 文献标识码:A 文章编号:1674—9O9X(2013)02—0010—05 Key Technologies for Cooperative Combat System of Manned/Unmanned Aerial Vehicles Cai Junwei Long Haiying Zhang Xin (The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Nanjing 210007,China) Abstract:By the analysis of cooperative combat of manned/unmanned aerial vehicles on its re— search and use in many countries,the basic composition and the system construction of the coop— erative combat systems of manned/unmanned aerial vehicles are given.Key technologies for the cooperative combat of manned/unmanned aerial vehicles are analyzed.The reference and the in— spiration for the development of the cooperative combat system of manned/unmanned aerial vehi— cles for the Chinese army are summarized. Key words:manned aerial vehicle;unmanned aerial vehicle;cooperative combat;cooperative tar— get assignment 0 引 言 2O世纪70年代以来,无人机因其无生命危险、 执行模拟攻击的过程。美国麻省理工学院开发了一 种有人机与无人机间的遥控指挥系统,并利用F一15 战斗机和T一33教练机进行了飞行试验。该试验中, 结构简单、造价低廉以及生存能力强等优点而备受 青睐,在局部战争中的应用也日趋广泛。然而,由于 无人机智能水平的,在未来相当长的一段时间 内,无人机难以取代有人机完成复杂的作战任 务。因此,如何充分利用有人机和无人机的优势,发 有人机飞行员可以通过语音指令发布任务级语音指 令给无人机,通过有效的人一机交互界面、语音识别 和文本命令理解模块,接收、理解和识别有人机飞 行员的语音命令,提取关键任务参数,将其转化为 元人机识别的任务指令,在任务层面对无人机进行 指挥和控制,无人机则可以针对突然改变的指令实 时反应 。 挥两者最大综合作战效能正逐渐成为国内外学者和 研究机构普遍关注的热点问题 J。 英国QinetiQ公司采用基于智能体的推理方 法 ,实现了有人机对元人机机群的战术层次的协 调和控制,通过试验验证了1架狂风战斗机引导 BAC1—11无人机和3架仿真无人机对地面移动目标 收稿日期:2012—1I-19 目前,国内有人机/无人机协同作战技术研究尚 处探索阶段。本文分析了有人机/无人机协同作战系 统,给出了有人机/无人机协同作战流程,总结了有 人机/无人机协同作战的关键技术,探讨了美军有人 第4卷第2期 蔡俊伟,等:有人机/无人机协同作战系统关键技术 机/无人机协同作战相关技术和策略对我军的借鉴 启示。 能划分,即确定人机功能分配问题。最大限度发挥无 人机的自主作战能力和充分发挥编队系统中有人机 指挥员的作用,达到最佳系统平衡和统一协调指挥, 1协同作战系统 一即如何确定有人机/元人机协同作战系统的体系结 构和功能划分,是有人机/无人机协同作战系统必须 深入研究的问题。在实现有人机/无人机协同作战过 般情况下,有人机/无人机协同作战编队作战 单元包括1架有人机、2~3架无人机、无人机任务规 划和控制站、无人机通信数据链路系统以及空天地一 体化指挥系统。其中,无人机任务规划和控制站配置 程中,有人机充当了编队系统指挥员角色;无人机系 统则采用新战术、新技术和新方法改变了当前的作 在有人机中;无人机通信链路系统提供无人机与有人 机之间的通信;有人机与预警机、地面指挥控制中心 间的通信包含在空天地一体化指挥系统中。 在有人机/无人机协同作战过程中,首先明确系 统中有人机与无人机自主控制以及自主攻击间的功 战空间,不仅提供了持久的情报、监视和侦察能力, 还提供了精确和及时的直接火力和间接火力。有人 机的活动重心在于执行任务而不是操纵无人机。 图1为有人机/无人机协同作战系统组成,图2为有 人机/无人机协同作战系统体系结构。 有人机/无人机协同作战系统 无人机系统 l l通信数据链系统l l 有人机系统 l I空天地一体化指挥控制系统 机 体 、 推 进 和 发 射 回 收 系 统 火 上 控 行 / 系 下 统 行 链 路 系 统 大 气 数 据 系 统 控 联 A 口 制 站 数 据 机 载 战 术 火 控 系 统 飞 控 及 链 路 系 统 飞 控 系 统 信 息 分 发 系 统 其 他 系 统 地 面 指 挥 中 心 卫 星 预 警 机 侦 察 机 等 侦 察 系 统 图1协同作战系统组成 有人机系统 无人机系统 有人机,无人机协同\无人机\有人机\协同控 指挥控制指令和\态势信 回传参数\制指令 情报信息 \ \ \ 协同控/无人机/无人机 制指令/态势信息/回传参 通信数据链系统 有 回传参数l机l l ’ 蓓 “ 空天地一体化指挥控制系统 情报保障信息 情报信息系统 图2协同作战系统体系结构 有人机/无人机协同作战系统功能划分如下: 1)无人机系统 2)有人机系统 实时进行任务规划,包括协同态势评估、目标分 对指定作战区域侦察、监视、目标探测和目标跟 踪;将获取的战场态势和目标信息传送给有人机,同 时接收有人机的控制指令;对目标的攻击任务管理, 包括自主导航、攻击瞄准解算、攻击操纵指令解算、 武器准备和攻击参数解算等;对所携带武器管理和 发射控制以及对发射武器指挥引导。 配及航路规划;联合战术信息分发系统确保有人机 与空天地一体化指挥控制系统间的通信,包括一体 化作战系统向有人机/元人机编队发送指挥控制信 息及其他战场信息。 3)通信链路系统 实现无人机与控制站间的信息传输,包括信息 指挥信息系统与技术 2013年4月 指令传输的双向数据链。 4)空天地一体化指挥控制系统 探测任务。无人机将战场态势信息通过数据链传送 给有人机;有人机控制无人机完成对指定区域的目 标搜索,同时接收空天地一体化系统传送的实时战 场信息。 该系统包括预警机、地面指挥控制中心、卫星和 战场通信系统等。主要向有人机提供更完整的用于 战场监视和数据决策的战场信息,并完成对有人机/ 无人机协同作战编队的指挥引导。 3)战场数据信息处理 有人机将接收的信息进行融合处理,完成战场 态势估计和威胁评估,并根据战场态势变化对无人 机进行任务/航路规划和重规划。 4)对目标实施攻击 有人机根据战场信息进行任务分配并将分配结 果发送给无人机;无人机接收攻击指令后,开始进行 火控计算和武器管理与发送,最终投放机载武器实 施攻击。 5)战场损伤评估 无人机在机载武器攻击目标过程中,对战场进 行监视,并利用机载电视或照相系统等对被攻击目 标照相,对攻击效果进行分析评估;有人机对总体攻 击效果及本方损伤效果进行分析评估。 6)再次攻击或退出战斗返回基地 根据损伤评估结果,若目标未被摧毁,有人机会 根据战场信息及无人机生存状况决定是否对目标进 行再次攻击;若目标被摧毁,战机会按照预定航线返 回基地。 2协同作战流程 有人机/无人机协同作战系统作为空天地一体 化作战系统的一个节点,必须能在预警机以及地面 指挥系统等的指挥引导下,通过战场信息通信系统 传送各种传感器信息,并在信息融合后,实现对目标 的战场态势和威胁估计。同时,获得系统协同作战的 战术决策,实现协同作战的任务/航路规划,进而完 成攻击目标的瞄准计算和武器的发射引导,实现对 目标的最终打击。其作战流程如图3所示,具体为: 1)任务装订及战区引导 有人机/无人机编队在地面进行任务/航路的数 据装订后,由地面指挥引导中心将有人机和无人机 引导到作战区。 2)战场监视、侦察和目标探测 在作战区由无人机完成战场监视、侦察和目标 作战任务数据装订 空天地一体化指挥控制系统 指挥控制指令 引导有入机/无人机进入作战区 指挥控制指令 无人机传感器数据r]战场信息通信网络 指挥控制指令、 战场信息及态势数据 有人机的战场信息综合 处理及战场态势评估 有人机,无人机的实时 任务/路径规划及重规划 指挥控制指令及 I无人机的战场监视和侦察 以及目标探测、识别和跟踪 有人机向无人机发出攻击命令 无人机进行火控计算 无人机武器管理和发射 战场损失评估 任务完成 退出攻击,返回基地 任务失败 图3协同作战流程 3关键技术 3.1协同控制 仅要实时接收来自地面的指挥控制信息执行本机作 战任务,还要根据战场情况实时指挥控制无人机。设 计简单有效的有人机/无人机实时协同交互控制方 有人机和无人机在执行任务过程中承担不同职 责,通过相互间的数据和信息的实时交互,实现实时 任务协同。整个协同任务过程中,有人机操作人员不 式,将为任务的完成提供有力保障。无人机和有人机 之间的实时交互是完成各类任务的关键。这类交互 可采用不同的手段实现,如语音、文本和图形等。然 第4卷第2期 蔡俊伟,等:有人机/无人机协同作战系统关键技术 而,无论采用何种方式,必须定义一套完整的指令 集,以便交互信息在无人机端的识别、理解、执行以 配方案的基础上规划出各飞机可行的有效协同航 路。数学规划是一类多阶段决策过程的最优化方法, 及在机间数据链中的传输L4]。协同任务指令集包含 有人机任务命令集、无人机指令集以及指令编码 3部分。指令集的设计应满足完备、简约以及规范原 则,确保有人机/无人机之间方便、快捷地实时交互。 3.2协同态势生成与评估 该方法解决了伦琴卫星(ROSAT)的观测任务规划 问题。Denton等E103在用数学规划计算三维最优路 径时,把三维最优路径分解成水平和垂直方向分别 进行计算,较好地解决了维数灾难问题。混合整数线 性规划(MILP)法通过分解任务分配和路径规划问 题,同时将飞行器动力模型在允许范围内作线性化 处理,构造一个整数线性规划模型处理规划问题。 有人机/无人机协同态势感知是对时间与空间 纵深内各元素的感知领悟,以及对它们的企图和即 将发展的状态趋势的理解_5]。协同态势感知指利用 各种传感器获取信息,理解获得信息中对我态势有 利的信息,估计态势可能发展的方向,评价外来因素 对预测的影响。有人机/无人机编队由有人机根据无 人机传感器搜索到的战场信息完成态势评估,从而 采取正确的决策和行动,并将决策结果传送给无人 机。态势感知方法有基于性能、主观以及问卷或询问 方法。在复杂环境中,性能方法缺乏敏感性和诊断价 值,主观法没有意识到它们所获得的信息可能丢失 从而缺乏精确性;而问卷方法由于某些未曾考虑到 的事件发生导致调查有效性下降E :这些方法都难 以运用于有人机/无人机协同态势评估。Endsley提 出了一种直接的基于态势感知全球评估技术的询问 式方法,在问讯中随机冻结仿真,询问结果与冻结仿 真的态势进行比较,比较结果使态势感知的自我评 价和观察评估技术更趋客观口]。该方法在复杂战场 环境中具有较高准确性和实时性,适用于有人机/无 人机协同态势实时评估,是否用于工程尚未见到相 关报道。 3.3协同目标分配 协同目标分配指为有人机/无人机协同一致完 成任务,考虑各种约束条件,对飞机分配攻击目标, 确定打击目标的武器,进行武器和编队配置,确定目 标的打击点/方向以及有人机与无人机协同的武器 投放区域等。有人机/无人机协同目标分配是组合优 化问题,是一类多项式复杂程度的非确定性问题 (NP),这类问题的求解主要有2种思路:1)精确搜 索,如穷举法;2)启发式搜索,在搜索过程中加入一 定启发因子,指导搜索向一个比较小的范围进行,如 模拟退火、禁忌搜索、神经网络和遗传算法等 。无 论哪种思路,巨大的计算代价始终是NP难以解决 的问题。目前,一些新的方法和理论用以解决该类目 标分配问题,如Hopfield神经网络、满意决策理论、 蚁群算法、拍卖理论、市场调配理论以及合同网算法 等[9]。这些算法具有较小的计算量,能解决在时间紧 迫的动态战场环境中的实时协同目标分配问题。 3.4协同航路规划 协同航路规划是在有人机/无人机协同目标分 A 算法生成飞机的飞行航路,使包含危险和航路长 度的代价函数最小,得到简单的二维航路[1¨。D 优 化算法在不断知识学习中,应用图论技术持续修正 路径和有效生成一条新的优化路径,实现实时动态 路径重规划L】 。Voronoi图表由于构造算法简练以 及几何意义明确而广泛用于求解机器人和飞行器路 径规划问题[1 。在采用人工智能求解任务规划问题 方法中,除了启发式搜索法和专家系统法,还有神经 网络法、模糊控制法以及遗传算法等。 4借鉴和启示 美国是研究有人机/无人机协同作战的先行者 和领跑者,其相关技术和策略对我军具有良好的借 鉴和启示作用,具体为: 1)开展试验验证工作,推动有人机/无人机作 战能力形成 有人机/无人机协同作战已成为美军重点关注 的问题,除了开展相关理论研究,还进行了包括机动 指挥官助手(MCA)以及软件使能控制计划(SEC) 等试验验证工作。MCA验证试验将MCA装备在美 国陆军的1架UH一6O黑鹰直升机上,通过数据链对 1架猎人战术无人机及其成像传感器实施了控 制-1 ;MCA验证试验中,波音公司和麻省理工学院 研制的有人机F一15E采用了语音指令控制无人机的 方法,无人机在有人机驾驶员的指挥下可对突然改 变的计划作出及时反应,避开意外威胁,飞向目的 地[2]。这些试验初步验证了有人机/无人机协同控制 能力。但限于元人机自主和互操作能力的不足,离真 正形成有人机/无人机协同作战能力尚有一些距离。 作为我空军武器装备体系的重要组成部分,随 着无人机大量装备,有人机/无人机协同作战的 需求日益突出,在开展相关理论研究外,还需开展有 人机/无人机协同作战试验验证工作,以尽早形成我 军无人机/有人机协同作战能力。 2)将有人机/无人机协同作战系统融人体系 为了适应美军网络中心战的转型建设的需要, 美空军开展了指挥与控制(c。)星座网的体系建设, 将有人机/无人机协同作战系统融入现有作战体系, 14 指挥信息系统与技术 2013年4月 形成了体系作战能力。但是,美军如何将有人机/无 人机协同作战系统融入现有作战体系未见相关报 道。有人机/无人机协同作战技术对促进C 星座网 各节点间的互连互通和提升c。星座网的整体作战 效能具有重要意义。 无人机具有有人机无可替代的优势和特点,我 军欲发挥和提升无人机作战能力,需将有人机/元人 机协同作战融人作战体系,开展有人机/无人机协同 作战样式、作战流程以及战法的研究和验证,以推动 有人机/无人机协同作战运用。 5结束语 本文对无人机/有人机协同作战系统进行了分 析,给出了无人机/有人机协同作战流程,分析了无 人机/有人机协同作战关键技术。通过分析美军有人 机/无人机协同作战相关技术和策略,探讨了该技术 对我军的借鉴和启示作用。无人机/有人机协同作战 能力的生成对提高我军体系作战能力具有重要的军 事意义。 参考文献(References): [1]李瑜,张文玉.无人作战平台指挥控制技术EJ].指挥 信息系统与技术,2011,2(6):6-9. 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