無人機信息系統關鍵技術

張賾 紀紅霞 楊楨 鄒宇

網絡化、集群化是無人機發展的重要趨勢，信息技術將是實現這一趨勢發展的關鍵。在現代信息化條件下的陸、海、空、天、電五維一體的戰爭中，無人機既能執行各種非殺傷性任務，又能執行各種軟、硬殺傷任務，包括戰場偵察、監視、通信、電子干擾、雷達誘騙等作戰任務。

無人機的發展起源于軍事運用需要，從1914年第一架無線電遙控飛機出現，到現在全球矚目的“全球鷹”、“捕食者”，我國的“翼龍”系列、“彩虹”系列等，無人機在現代信息化條件下的陸、海、空、天、電五維一體的戰爭中，既能執行各種非殺傷性任務，又能執行各種軟、硬殺傷任務，包括戰場偵察、監視、通信、電子干擾、雷達誘騙等，還可進行精確打擊、定點轟炸，及代替人員在核生化或其它特殊條件下執行作戰任務。在民用領域，無人機已經廣泛應用于測繪、交通監管、工農林業生產、安全（警用）、電力巡線等行業。在這些工作中，無人機能夠充分的發揮其智能化的優勢，可以完成其他手段無法完成或難以完成的任務，被稱之為“智能化飛行器”。

如果說傳統的無人機作為空中平臺，是先進動力學、材料學的高度集成，那么現代無人機作為信息系統載體，則是由于先進信息技術的注入而被賦予了“生命”和“靈魂”，其系統應用效能得到極大的提升。

信息系統在無人機系統中的重要性

從應用的整體意義角度來看，“無人機”系統指的并不僅僅是一個飛行器平臺，還應該包括平臺所搭載的執行不同任務的有效載荷、用于實時傳輸地面的遙控數據、機上遙測數據和任務數據的數據鏈路、實現對飛行平臺/任務進行指揮控制的地面站以及系統運輸、檢測、起降輔助設備等各個保障分系統。從系統組成來看：全系統800以上是信息系統。

概括地說，無人機系統是集合了各個分信息系統的綜合信息系統，控制系統是無人機系統的“大腦”，主要完成飛行、操縱、指揮控制和任務管理等功能。數據鏈是無人機系統的“神經網絡”，為保障飛行獲取信息提供通道支撐。任務設備是無人機系統的“眼和手”，一方面獲取信息，另一方面實時任務。數據處理和分發系統是無人機系統的“中轉站”，將無人機獲取的數據分至區域內的信息系統及大區域的其他信息系統。例如，體系化火力打擊武器信息支援系統;體系化空地一體無人作戰系統;體系化警用反恐處突一體化指揮系統;體系化無人機對抗系統等;

無人機信息系統關鍵技術

無人機系統是典型的信息化裝備，美國在《2013-2038年無人系統綜合路線圖》中提出了無人系統面臨的九項瓶頸技術，其中互操作性、自主性、通信、安全、傳感器、計算機等六項都與信息技術密切相關。

一般來說，無人機系統的信息技術，可分為通信技術，控制技術，定位導航技術，信息處理技術等四大技術。

通信技術

無人機通信技術在無人機系統中起到了神經網絡的作用，通過高效、迅捷的通信，各類指令和信息及時的傳遞到無人機系統和地面站，確保無人機和操控者之間建立有效的通聯，確保任務實施順利。無人機通信技術的重點應用主要在三個方面，大數據量傳輸、信道抗干擾、內容安全加密，概括就是在綜合運用無線電通信，微波通信和衛星通信等方式，在復雜電磁環境下，綜合運用抗干擾，加密等手段，將上行遙控數據和下行遙測數據及時、安全、準確的傳遞。當前無人機通信技術發展迅猛，通信設備通用化，模塊化，無人機間自組網，自適應通信成為了通信技術發展的重點。

控制技術

自主控制技術是無人機系統區別于有人機，實現無人操控和執行各種任務的關鍵。無人機的控制技術，是無人機信息系統的核心環節，是無人機系統的大腦，通過無人機的控制技術，實現對無人機飛行狀態信息的采集，飛行控制，信號傳輸以及功能設備的控制，按照無人機在按照操控者的意志，在復雜的環境下完成任務，實現預期目標，使無人機真正成為智能化的機器。當前，無人機控制技術發展的重點全面提升環境感知能力，在復雜條件下自主決策、規劃、導航和控制能力、多機協調和交互能力，人機智能融合與學習適應能力，實現“單機智能飛行、多機智能協同、任務自主智能”。

目前，國外針對無人機系統自主控制技術研究已開展了許多卓有成效的工作，如Johnson等提出了可靠自主控制技術，Ward等提出了無人作戰飛機的智能自主控制，Cheng認為模型預測控制（MPC）可以提高無人機自主水平，Reichard等研究了自主控制的智能態勢感知。在無人機系統方面，目前美軍“捕食者”（RQ-1 MQ-1）、“全球鷹”（RQ-4）都實現2～3級ACL。聯合無人空戰系統（ J-UCAS）以及后續的X47-B將實現5～6級ACL，最終使得單個地面站控制4架J-UCAS飛機協同執行目標打擊任務。無人戰斗武裝旋翼機（UCAR）將實現7～9級ACL，實現遠程復雜低空環境下的自主任務能力，洛克希德·馬丁公司智能控制與自主重規劃無人系統（ICARUS）動態地重規劃了系統任務，使無人機群在動態變化的環境中能夠完成復雜的任務。要實現在快速變化的不確定環境下，真正意義上的無人機系統自主控制，目前技術尚不成熟。

隨著技術的發展，無人機系統指揮控制開始逐漸過渡到“人在回路上”（man-on-the-loop）的監督控制（SupervisoryControl），實現完全自主控制。時空建模技術、智能分層控制、嵌入式計算、網絡化通信、傳感器和感知技術等是實現無人機系統自主控制的關鍵問題。

定位導航技術

無人機的定位導航技術，是無人機智能飛行的眼睛和耳朵，是無人機解決“在哪里，去哪里”的關鍵環節，是無人機飛行安全和任務完成的重要保障。通過定位導航技術，操控者能夠隨時掌握無人機的實時位置，航行速度，航向等信息，操控無人機按照要求的精度，沿著預定的航線在指定的時間內正確到達目的地。目前在無人機上采用的定位導航技術主要包括慣性導航、衛星導航、多普勒導航、地形輔助導航以及景象匹配導航等。當前，無人機定位導航技術發展的重點是綜合運用慣性導航技術與衛星導航技術相結合的組合導航，即慣性+BD+GPS+GLONASS。另外，隨著人工智能技術在無人機系統的廣泛應用，視覺導航將成為無人機新型定位導航技術發展的熱點。

信息處理技術

無人機為空中移動的傳感器節點，能夠在軍事應用、民用領域產生海量的數據。對數據的進行分類，篩選，及時處理，形成有效的信息提供給操作者作為決策依據和行動實施條件，并對決策后的效果進行評估，是無人機飛行的主要目的。目前無人機信息處理技術的重點主要集中在對無人機獲取圖像，紅外、雷達掃描信息的處理、研判等方面。未來無人機信息處理技術發展的重點是依托現有大數據技術對無人機實時獲取數據與其他手段獲取數據及歷史數據進行綜合開發利用，與云計算相結合，高效快速處理情報信息，形成更加科學精確的信息情報產品，為任務完成做好有效支撐。

無人機信息技術研究重點

隨著信息技術的不斷進步，特別是人工智能、自適應控制、自主組群等新概念及新的設計理念將逐漸融入無人機及無人系統的設計和運用中去，而在這些理論中，以下幾個方面將在可以預期的一段時間內，成為無人機信息技術發展研究的重點：

無人機離機自主控制代理技術研究

面臨不確定戰場環境和復雜的通信條件，若在任務控制站配置離機自主控制代理，將能夠與機載自主控制器并行工作，二者互為備份、無縫連接，同時可以兼容平臺的不同自主控制能力。離機自主控制代理將完成基本的避碰、威脅規避、自主飛行等控制任務，實現無人機基本任務剖面的自動控制。控制權將在任務控制站和機載自主控制器間無縫遷移，實現可變權限自主控制，從而減少操作員工作負擔。

不確定環境下多無人機協調控制技術研究

在未來日益復雜的作戰環境下，單平臺所能發揮的作戰效能將極為有限，無人機系統的作戰模式由單平臺逐步發展為更靈活的單任務站控制多無人機協同作戰方式。基于離機自主控制代理技術，多無人機任務間的協調控制可在任務站由多個代理之間的協調以及人的決策來完成，需要開展多個代理之間的分布式決策與協調控制技術研究，建立有效的多機協調控制模型，優化系統結構和工作流程。

有人-無人機協同控制技術研究

美國在《無人機系統路線圖2005-2030》已明確了今后無人機的發展路線：有人機與無人機協同作戰（有人機主導）一無人機與有人機協同作戰（對等條件）一無人機自主作戰。需要開展提高多無人機、有人機無人機協同作戰能力的方法研究，解決有人機和無人機無縫集成問題，使有人機和無人機能夠有機協調運行，實現有人機和無人機機場共同起降，共享作戰空域和通信頻域，從而提高有人無人機協同作戰效能。

多無人機集群自組織技術研究

無人機自組織技術主要探索具有低成本優勢的無人機集群在高度對抗的戰場環境中面對動態變化的任務，如何自主組網完成多目標搜索、跟蹤和打擊等任務。

面向環境感知的圖像信息融合技術研究

機載傳感器已經向成像化發展，大多數圖像信息融合方法是針對像素級的，同時圖像理解技術不很成熟，無法直接實現環境感知。單平臺機載傳感器的圖像融合，以及多平臺多源傳感器的圖像融合正在進行理論研究、技術驗證和系統開發，還沒有完全實現包括來自無人機或其它渠道在內的全源情報信息融合，不能將其合成為一個直觀的全息圖像畫面。多無人有人機圖像融合、無人機圖像與非圖像信息融合的研究也鮮見報道。

基于故障預測的任務規劃技術研究

綜合健康管理技術是提高無人機安全性、可靠性及可維護性并有效地降低成本的重要技術途徑。目前，監測與診斷技術相對比較成熟，而預測特別是壽命預測還具有很大的挑戰性。除了對突發情況進行實現任務規劃外，迫切需要基于故障預測進行實時任務規劃與重規劃，提高任務計劃的提前性和實用性.優化系統作戰效能。

系統綜合顯控技術研究

人系統綜合顯控技術的核心在于支持操作員和控制系統之間的協作問題。智能控制系統提供的狀態和建議必須吸引操作員的注意力并使之容易理解，而操作員則應當以自然的方式給智能控制系統以恰當的指導。如何有效利用人機各自特點實現人機智能融合，提高人機系統綜合效能需要深入研究。

無人機系統智能發育機制研究

針對如何實現無人機的復雜環境深度認知問題，力爭在人類智能發育機理和模型算法研究方面取得新的突破性進展，為無人機系統建立智能發育機制，使得無人機系統具有與人類相似的漸進穩定學習和智能發展機制，大大提高無人機系統的學習能力、推理能力和環境適應能力。

無人機信息系統發展展望

無人機信息系統可以把各種傳感器、武器及民用應用系統、指揮控制系統通過網絡化有機地聯系在一起，以實現信息共享，大大提高效能，從而形成一種集陸、海、空、天、電資源于一體的智能系統。未來先進無人機系統將具備以下“五大能力”：

全面的環境感知與智能戰場態勢認知能力

與現有的有人機系統相比，未來的無人機系統將具備更加全面的環境感知能力，包括在高度對抗的環境和惡劣氣象（如雷暴、風切變、紊流）條件下，對更廣闊范圍的自然環境目標與敵我目標的感知與識別等;同時，無人機系統在自主性能方面的提升將要求無人機系統具有智能戰場態勢的認知能力，為復雜環境中的自主控制提供技術基礎。

復雜條件下的自主導航、規劃與控制能力

無人機系統將采用新一代自主導航與智能控制技術，既能夠實現在局部范圍內的精確導航定位，對無人機進行復雜的動作控制，也能夠實現具有大范圍長航時高精度定位能力的遠程精確打擊。無人機系統在具備環境感知與戰場態勢認知能力的基礎上，將能夠進行復雜條件下的自主規劃與決策，具有靈活的自主性和抗干擾能力。

人機智能融合與學習適應能力

無人機系統的典型特征是“平臺無人，系統有人”。隨著無人機系統智能化水平的提高，具有自主控制能力的各類無人機系統等將與有人系統共同完成作戰任務，并且通過無人機系統具備的人機智能融合與學習適應能力，將逐漸實現無人機與有人系統的高效協同。

復雜環境認知與學習

環境認知技術使無人機系統具備信息收集和環境認知能力，能夠感知、識別、理解其所處的戰場環境，是無人機系統實現高層次自主的基礎。借鑒人類認知過程突破認知信息處理技術，對無人機系統發展極為重要。需重點解決以下問題：人類生物視覺的環境認知機理、仿生物視覺的目標識別、復雜環境認知算法、基于認知的學習和推理方法、高效的環境建模手段等。

多平臺分布式協同能力

各類無人機系統在提高單個平臺自主能力的同時，多平臺之間利用C4KISR系統及數據鏈實現分布式協同也是一個重要的發展趨勢，如協同偵察、協同監視、協同作戰等。

多機協調規劃與控制能力

多無人機協調規劃與控制必須對多無人機在實際環境中運行時所面臨的感知、執行、通信以及環境動態變化等非理想情況，甚至可能遇到的失效等極端情況進行充分考慮與處理。需重點解決以下問題：多無人機任務分配與協調、多任務沖突檢測與消解、多無人機協同航路規劃、編隊運動協調規劃與控制、集群自組織等。需重點解決以下問題：開放式實時協同體系結構、跨平臺信息分發、多平臺多源數據時空一致性、資源管理調度、多種協同支持機制等。

結束語

綜上所述，先進信息技術應用于無人機系統，可極大地提高其信息獲取、處理、傳輸和生存能力 ，實現高精度控制，推動和引領著無人機信息化的發展。

無人機信息系統的發展促進了無人系統的高速發展，發展為陸、海、空、天、潛的綜合的無人系統。我們要密切關注與無人機相關的信息技術（例如自主控制、測控通信、信息處理、導航定位、傳感器載荷等）的前沿發展，適時引入，解決實際問題，滿足應用需求，不斷提升無人機信息化水平;同時我們也應重視無人機發展對信息技術的需求牽引作用，促進和帶動信息技術不斷進步和發展。