國外有人直升機與無人機協(xié)同研究綜述

羅雪豐，雷詠春，范 俊

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001；2.陸軍航空兵研究所，北京 101121)

0 引言

隨著空戰(zhàn)武器和地面防空系統(tǒng)的飛速發(fā)展，直升機戰(zhàn)場生存環(huán)境愈加惡劣。近年來美軍直升機裝備在索馬里戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭中，以及俄羅斯直升機裝備在敘利亞戰(zhàn)爭中頻頻被敵方采用伏擊戰(zhàn)術擊毀。為解決伏擊殺傷帶來的裝備毀傷與飛行員生存問題，以美國為代表的軍事強國，一方面通過技術更新?lián)Q代提升直升機性能，如升級傳感器和武器[1]，發(fā)展高速直升機[2]等；另一方面創(chuàng)新作戰(zhàn)樣式，在裝備無人化大背景下逐步發(fā)展有人直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力[3]。

有人/無人協(xié)同組合思想最早出現(xiàn)于20世紀60年代后期，有人直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)是這一思想在直升機裝備領域的延續(xù)：主要利用無人機不怕犧牲、廉價等優(yōu)點，在有人直升機的指揮控制下，前出 “危險、臟、累、枯燥”環(huán)境下執(zhí)行偵察、打擊等作戰(zhàn)任務。有人直升機/無人機協(xié)同既解決了有人直升機裝備作戰(zhàn)易被伏擊殺傷的問題，同時將兩種作戰(zhàn)平臺融為一體最大化提升了體系化作戰(zhàn)效能。

文中對國外有人直升機與無人機協(xié)同研究的總體情況、詳細發(fā)展歷程進行了介紹。此外，有人直升機與無人機協(xié)同中的首要問題是如何有效降低有人直升機上無人機指控員的工作負荷，對于相關的人機工效優(yōu)化、數(shù)據(jù)融合與輔助決策技術等專項研究，以及協(xié)同后的效能評估研究進行了綜合論述。

1 總體情況

通過公開資料調(diào)研統(tǒng)計的國外有人直升機/無人機協(xié)同研究項目占比分布情況如圖1所示，美國占據(jù)絕對主導地位。其中美國陸軍對于有人直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)研究占比最大；德國和法國各開展了1項演示驗證項目。

圖1 國外有人直升機/無人機協(xié)同總體情況

在降低飛行員指揮控制無人機的工作負荷研究方面，主要包括兩方面的專題研究：人機工效優(yōu)化、數(shù)據(jù)融合與輔助決策。其中人機工效方面德國慕尼黑大學開展了1項模擬器評估與1項飛行仿真試驗；其余研究均為美國相關機構完成。

2 美國陸軍有人直升機/無人機協(xié)同研究歷程

美陸軍有人直升機/無人機協(xié)同研究可分為三個階段：概念研究與演示驗證階段，主要完成概念研究、需求分析、效能仿真與評估、關鍵技術與協(xié)同作戰(zhàn)樣式演示驗證；工程研發(fā)階段，研制可批量列裝美陸軍現(xiàn)役直升機裝備的協(xié)同控制組件；服役與戰(zhàn)法演訓階段，完成部隊編組與戰(zhàn)術戰(zhàn)法訓練。

2.1 概念研究與演示驗證階段

由于處于起步階段，美陸軍內(nèi)部對于發(fā)展有人直升機/無人機協(xié)同新型作戰(zhàn)樣式經(jīng)歷了長期的爭辯質(zhì)疑，然后通過仿真與試飛演示證明效能提升的迭代發(fā)展過程。

美陸軍概念研究與演示驗證階段項目的發(fā)展歷程如圖2所示。

圖2 美陸軍概念研究與演示驗證階段項目發(fā)展歷程

2.1.1 概念研討

1993年，為了有效解決陸軍航空兵直升機在戰(zhàn)場上不斷發(fā)生傷亡事故的問題，提高陸軍航空兵的任務能力和生存能力，美國空中機動作戰(zhàn)實驗室提出了“基于編隊的有人無人航空平臺系統(tǒng)能力”先進概念，并命名為“Bird Dog(捕鳥獵犬)[4]”，意指由無人機充當獵人(即有人直升機)的“捕鳥獵犬”深入危險或隱蔽區(qū)域執(zhí)行偵察或打擊任務。

與此同時，美軍“科曼奇”直升機研制項目正穩(wěn)步推進，期間美軍內(nèi)部對于無人機能否完全取代“科曼奇”的作戰(zhàn)角色的爭論非常激烈[5]。通過對兩種平臺在執(zhí)行偵察任務中的生存力、殺傷力、反應力三個維度的效能和效率對比得出結(jié)論：“軍方需要集成兩種作戰(zhàn)平臺的優(yōu)勢，有人直升機/無人機協(xié)同編隊是陸軍航空兵未來發(fā)展的正確方向”。

2.1.2 協(xié)同作戰(zhàn)樣式演示驗證

1996年，美國陸軍航空應用技術處與波音公司啟動了“機載有人/無人系統(tǒng)技術[4]”研究，項目分三個階段開展：第一個階段完成了有人機/無人機協(xié)同功能需求定義、關鍵技術識別、效能仿真評估；第二個階段開展了“‘獵人’無人機偵察視頻圖像回傳‘阿帕奇’武裝直升機，‘阿帕奇’武裝直升機操控‘獵人’無人機傳感器”的協(xié)同能力演示驗證；第三階段針對陸軍航空兵空中突擊典型編組進行了“獵人無人偵察機、‘阿帕奇’武裝直升機和‘黑鷹’指揮直升機”協(xié)同作戰(zhàn)中互聯(lián)互通能力演示驗證，確保戰(zhàn)場指揮官能夠?qū)Σ煌愋偷目罩凶鲬?zhàn)編隊進行指揮，并對無人機進行控制和指揮。

隨著“有人直升機/無人機”協(xié)同作戰(zhàn)概念的推廣，貝爾直升機公司于1997年自籌資金開展了“先進航空偵察系統(tǒng)[6]”研究，旨在用無人偵察機(命名“Remote bold eagle(遠方白頭雕)”)拓展有人偵察直升機對動態(tài)變化戰(zhàn)場態(tài)勢或者數(shù)量占優(yōu)的敵軍、以及惡劣氣象條件下的偵察能力，執(zhí)行導引、探雷、遠程激光指示、數(shù)據(jù)收集、目標探測、專用武器發(fā)射等任務。2001年，美國陸軍航空應用技術處組織了“軍用小型垂直起降無人機測試集成項目[7]”研究,由UH-1有人直升機與“Vigilant(保安官)”無人直升機組成演示驗證系統(tǒng)，完成“運輸直升機之保安官”概念研究。2002年，美國國防高級研究項目署DARPA聯(lián)合諾·格公司、洛·馬公司研究和開發(fā)代替有人駕駛偵察直升機與有人武裝直升機作戰(zhàn)編隊的有人直升機與無人武裝直升機組成的空中機動編隊[8]，項目由于航空器自主性和協(xié)作能力以及項目定位方面的問題于2005年取消。2001年開展的“獵人遠距殺傷編隊[9]”先進概念技術驗證項目是機載有人/無人系統(tǒng)技術的延伸，并對武裝直升機認知決策輔助和目標精確瞄準技術展開了深入研究。

2.2 工程研發(fā)階段

美陸軍技術開發(fā)階段項目的發(fā)展歷程如圖3所示。

圖3 美陸軍技術開發(fā)階段項目發(fā)展歷程

為使“黑鷹”指揮直升機具備與無人機協(xié)同的能力，美軍在20世紀90年代直升機駕駛員助手技術的基礎上開發(fā)了移動指揮官助手系統(tǒng)[10]，嵌入原機配裝的陸軍機載指揮和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人機4級互操作控制能力。而此時的現(xiàn)役武裝直升機航電體系架構技術狀態(tài)差別太大，直接影響到多平臺聯(lián)合作戰(zhàn)的協(xié)同能力以及對無人機的互操作能力。同時，為了降低后續(xù)協(xié)同能力改型升級的成本，美國陸軍航空應用技術管理局在CAAS、ROSA等航電架構研究的基礎上，提出了有人直升機/無人機通用架構計劃[11]，旨在開發(fā)一種開放式航空電子系統(tǒng)架構和處理器結(jié)構，使其能根據(jù)任務需求，通過模塊化即插即用方式實現(xiàn)快速升級或者功能擴展。

2006年，“機載有人/無人系統(tǒng)技術”與“獵人遠距殺傷編隊”項目結(jié)束后，美國陸軍以這兩項研究取得的成果為基礎，開始發(fā)展一種更接近實用化的系統(tǒng)，包括為現(xiàn)役“阿帕奇”AH-64D Block I、II開發(fā)2級控制能力[12]的協(xié)同指控改裝套件。2011年，進一步升級數(shù)據(jù)鏈組件和指控系統(tǒng)之后開發(fā)了4級指控能力的組件[13]，配裝此協(xié)同指控組件的“阿帕奇”直升機升級到Block III狀態(tài)。同年9月，為了驗證未來多平臺聯(lián)網(wǎng)作戰(zhàn)的設想以及各作戰(zhàn)平臺之間的互操作和互聯(lián)能力，美國陸軍航空項目執(zhí)行辦公室發(fā)起了規(guī)模最大的有人無人系統(tǒng)綜合能力演示驗證項目[14]。演習結(jié)果表明，混合編組后協(xié)同作戰(zhàn)使得有人直升機和無人機平臺的作戰(zhàn)能力都得到了提升。

2.3 服役與戰(zhàn)法演訓階段

美陸軍部隊應用階段項目發(fā)展歷程如圖4所示。

2014 年8 月，美陸軍航空計劃執(zhí)行辦公室在阿拉巴馬州的紅石兵工廠和加利福尼亞州的飛行測試中心成功完成了AH-64E“阿帕奇”武裝直升機同時控制“灰鷹”無人機和“影子”無人機執(zhí)行任務的測試[15]。與此同時，美陸軍發(fā)布了2025年部隊未來發(fā)展路線規(guī)劃[16]，隨著OH-58D“基奧瓦”武裝偵察直升機的逐步退役，美國陸軍已決定組建有人直升機/無人機混編陸航營：為現(xiàn)役師屬戰(zhàn)斗航空旅的攻擊直升機營編配24架AH-64E直升機和1個“灰鷹”遠程多功能無人機系統(tǒng)連；為重型攻擊偵察營編配24架AH-64E直升機和3個“影子”200無人機系統(tǒng)排。首個重型攻擊偵察營于2015年發(fā)布陸軍航空重組計劃之后組建完畢。

圖4 美陸軍部隊應用階段項目發(fā)展歷程

2016年10月，美陸軍第82空中戰(zhàn)斗旅第1偵搜攻擊營的AH-64D武裝直升機與第三旅級戰(zhàn)斗隊偵察排的“影子”無人機首次進行貼地飛行協(xié)同戰(zhàn)法演練[17]。隨著AH-64E直升機4級協(xié)同作戰(zhàn)能力的成功服役，陸軍希望將技術推廣到其他的無人航空系統(tǒng)，并且讓“黑鷹”或“支奴干”直升機上的士兵能夠使用協(xié)同終端設備遠程實時接收執(zhí)行任務所需的情報數(shù)據(jù)，這樣步兵在其到達著陸區(qū)域之前就能夠?qū)ψ鲬?zhàn)地形有所了解。

3 美國海軍有人直升機/無人機協(xié)同的研究歷程

美國海軍從20世紀90年代初開始研究有人機/無人機協(xié)同應用技術，其中直升機與固定翼機種類別協(xié)同各占一半。美海軍有人/無人協(xié)同項目的發(fā)展歷程如圖5所示。

圖5 美海軍有人/無人協(xié)同項目發(fā)展歷程

3.1 通用控制站與協(xié)同鏈開發(fā)

1997年，美國開展戰(zhàn)術控制系統(tǒng)研制計劃，以解決美軍聯(lián)合需求監(jiān)督委員會提出的需求——研制通用型地面接收、處理與控制系統(tǒng)，以確保“捕食者”大型無人機、“先驅(qū)者”小型無人機以及未來戰(zhàn)術無人機的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)間互通。原計劃統(tǒng)一海陸空三軍的無人機控制站，后因推廣難度，主要應用于海軍。2003年，美海軍一架搭載戰(zhàn)術控制系統(tǒng)的P-3C飛機演示了對一架“火力偵察兵”無人直升機的5級控制，包括發(fā)射、控制和回收[18]。

2008年，美國海軍完成了AH-1W攻擊直升機配裝以色列Elbit公司設計的戰(zhàn)術視頻數(shù)據(jù)鏈[8]，并演示了從無人機接收視頻和目標數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其他飛機或地面站的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

3.2 服役測試與部署

2012年，美海軍提出無人機通用控制系統(tǒng)架構[18]，旨在實現(xiàn)有人機、地面部隊、航母等有人平臺對“火力偵察兵”無人直升機、下一代無人隱身戰(zhàn)斗機等無人機的分布式通用化協(xié)同互操作。2013年，美國海軍組建了由8架“海鷹”直升機和10架“火力偵察兵”無人偵察機組成的混合編隊[14]，搭載于海軍新型瀕海戰(zhàn)斗艦。2014年5月，美國海軍在“自由”號瀕海戰(zhàn)斗艦上成功完成“火力偵察兵”無人直升機與“海鷹”直升機聯(lián)合飛行試驗。試驗結(jié)果表明：“火力偵察兵”裝載的戰(zhàn)術合成孔徑雷達可在惡劣環(huán)境(如灰塵、煙霧、遮擋物)條件下對戰(zhàn)場進行高分辨率實時成像，探測活動目標，具有覆蓋戰(zhàn)場全域的全時作戰(zhàn)能力，并可以持續(xù)地向“海鷹”直升機飛行員和瀕海戰(zhàn)斗艦操作人員提供戰(zhàn)場環(huán)境的關鍵信息，提供精確瞄準能力保障，確保其免受海上威脅。

2014年11月，第35直升機海上打擊中隊1架“海鷹”直升機和1架“火力偵察兵”無人直升機開始部署在西太平洋上的濱海戰(zhàn)斗艦上，后者將提供對于“海鷹”直升機航程和續(xù)航時間的拓展從而增強其海上態(tài)勢感知能力。該混合協(xié)同編隊成為該瀕海戰(zhàn)斗艦對面作戰(zhàn)、反潛作戰(zhàn)和反水雷任務包的關鍵構成部分。

4 德國和法國有人直升機/無人機協(xié)同的研究情況

2012年，德國陸軍航空戰(zhàn)斗發(fā)展部與ESG公司聯(lián)合開展了有人直升機/無人機協(xié)同研究項目[19]。項目搭建了半物理仿真平臺，讓陸軍飛行員評估了“虎”式攻擊直升機座艙內(nèi)控制無人機以及運輸直升機上的專用控制站控制無人機的效果，得到結(jié)論：有人直升機/無人機協(xié)同能顯著降低飛行員和乘員的風險，增強飛行編隊內(nèi)所有成員的態(tài)勢感知能力，降低工作負荷，保護有價值系統(tǒng)。該項目還使用UH-1D運輸直升機和一架無人直升機開展了試飛演示(見圖6)。

圖6 德國協(xié)同研究項目試飛演示使用的

2014年4月，法國空客直升機公司的H145運輸直升機與Schiebel公司的S-100無人直升機完成了協(xié)同作戰(zhàn)飛行試驗[20]。此次試飛中達到了5級協(xié)同控制等級，S-100無人直升機由H145直升機后艙的操作手操控飛行，演示場景包括對常規(guī)直升機無法發(fā)現(xiàn)的隱蔽物體的識別，以及無人機的操作短時轉(zhuǎn)移到地面控制站控制的權限交接，以模擬有人直升機返回地面加油補給。

5 有人直升機/無人機協(xié)同支撐課題專項研究

有人直升機/無人機協(xié)同首先需要解決有人直升機上無人機指控員的工作負荷問題，涉及到協(xié)同人因評估與工效優(yōu)化研究、態(tài)勢數(shù)據(jù)融合與輔助決策技術開發(fā)兩個方面。此外，還包括協(xié)同后的效能評估與驗證研究。這些問題以專項形式另由高校等科研機構完成以支撐有人直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的發(fā)展。

5.1 人因評估與工效優(yōu)化

2006年的綜合人因評估研究[8]中，美國航空氣動力學協(xié)會聯(lián)合美國軍方航空與導彈研究研制中心等4家單位開展仿真試驗，評估有人直升機/無人機編隊的人機工效和負荷。試驗中邀請了7名飛行員測試了24種任務條件下控制2架無人機并接收其數(shù)據(jù)的精準度和反應時間、目標識別數(shù)量、傳感器效能和傳感器有效性。試驗記錄了飛行員負荷度和生理狀態(tài)，并對飛行員進行了采訪。在“1控1”條件下對無人機控制界面進行了主觀評分和客觀數(shù)據(jù)記錄；對于“1控2”或“1控多”條件下執(zhí)行任務的評估結(jié)論則認為需要改進現(xiàn)有的駕駛艙及顯示界面設計。

2008年2月開始，美國軍事學院人因工程系開展了配裝2級協(xié)同指控能力組件的“阿帕奇”武裝直升機/無人機混合編隊的飛行員負荷評估[21]，主要目的是利用模擬器評估“阿帕奇”直升機機組在執(zhí)行任務條件下(2級控制等級)接收視頻時的操作負荷。分析和收集了參與測試的8名飛行員的負荷、態(tài)勢感知、機組協(xié)調(diào)、指控站接口、傳感器源切換、飛行員生理狀態(tài)(如凝視時間、頭眼注視、音視頻顯示、戰(zhàn)術/技術/操作程序等)數(shù)據(jù)。此外，還聘請了專家觀察每一項任務下的飛行員負荷、機組態(tài)勢感知狀態(tài)、機組協(xié)調(diào)和任務成功度。飛行員反饋執(zhí)行任務期間負荷可接受，在執(zhí)行任務期間具備中等水平的態(tài)勢感知能力；對無人機傳感器的操控雖然增加了其負擔，但其帶來的態(tài)勢感知能力減輕了探測目標和開火時的負擔，縮減了整體交戰(zhàn)時間。對于無人機指揮控制界面，大多數(shù)飛行員的反饋是可用，但需要優(yōu)化提升整體使用效能。

2011年，美國航空氣動力學協(xié)會利用“阿帕奇”武裝直升機仿真模擬器研究駕駛艙無人機授權控制的效能。測試了3種無人機控制方式(4級控制等級)：無人機按照規(guī)劃航線自動飛行、人工航路點編輯飛行控制、手動操控無人機飛行。試驗結(jié)果表明，航線自動飛行顯著減輕了飛行員負荷，增加了執(zhí)行主要任務的效能。

2011-2013年，德國慕尼黑德國國防大學飛行系統(tǒng)學院航空工程系利用直升機任務模擬器進行綜合評估[8]。邀請試驗人員在試驗原型上進行了飛行員控制多架戰(zhàn)斗無人機的人在環(huán)路仿真測試，試驗未收集數(shù)據(jù)。

5.2 數(shù)據(jù)融合與輔助決策

美國早在1986-1996年間開展了持續(xù)的理論基礎研究—“基于認知理論的有人無人協(xié)同技術[22]”：以認知理論為指導，設計指控操作界面和人機相適應的交互架構，研究無人機操作員輔助系統(tǒng)模型以及多無人機任務管理仿真評估。

針對“阿帕奇”武裝直升機研發(fā)的戰(zhàn)斗助手輔助軟件[9]旨在通過提高機組人員的態(tài)勢感知能力來增強有人直升機的生存能力。戰(zhàn)斗助手軟件主要處理操作量密集的任務，使駕駛員集中于作戰(zhàn)規(guī)劃和戰(zhàn)術運用之類的高層次任務上，包括下列子模塊：航路規(guī)劃與評估、傳感器覆蓋與監(jiān)視、數(shù)據(jù)融合、無人機控制、火力攻擊。

為“黑鷹”指揮直升機無人機協(xié)同作戰(zhàn)而開發(fā)的移動指揮官助手輔助軟件[10]通過對機內(nèi)外多源傳感器信息的綜合處理，生成統(tǒng)一戰(zhàn)場態(tài)勢，根據(jù)相關的作戰(zhàn)規(guī)則完成在線任務規(guī)劃，并發(fā)出提示，輔助駕駛員高效完成任務。其關鍵在于有人直升機上無人機操作人員的決策支援、數(shù)據(jù)融合和智能數(shù)據(jù)挖掘，以及控制和顯示子系統(tǒng)。

為地面單兵終端OSRVT地面站開發(fā)的“FUSE數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)”采用了多信息源傳感器數(shù)據(jù)融合技術，通過軟硬件設備融合了大量信息源(如地面移動目標指示器數(shù)據(jù)、光電傳感器、紅外傳感器和合成孔徑雷達信號)，并將這些信息顯示在同一張地圖上，從而有效地利用了無人系統(tǒng)的傳感器信息。其關鍵技術包括多源信息融合、分布式處理、智能數(shù)據(jù)共享、無人機通用地面站及無人機與其他系統(tǒng)間的協(xié)同操作等。

5.3 效能評估與驗證

美國開展的效能評估的項目主要有兩個：“機載有人/無人系統(tǒng)技術”和“RAH-66‘科曼奇’有人/無人機能力開發(fā)”，兩個項目都開展試飛演示對比評估，其中機載有人/無人系統(tǒng)技術項目還開展了前期的仿真試驗評估。

機載有人/無人系統(tǒng)技術仿真效能評估得到的結(jié)論是[4]：

1) 在不影響偵察效果的前提下，執(zhí)行戰(zhàn)術偵察任務的時間平均縮短了10%；

2) 識別目標的數(shù)據(jù)量增加了15%；

3) 傳輸給指揮官的關鍵信息量增加了30%；

4) 報告的高價值目標數(shù)據(jù)量增加了20%；

5) 機載人員生存性增加25%以上；

6) 武器系統(tǒng)殺傷力增加50%以上。

美國空中機動作戰(zhàn)實驗室的有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)能力評估的結(jié)論是[5]：

1) 完成戰(zhàn)術偵察任務所需的時間縮短了10%；

2) 識別和上報高價值目標的數(shù)量增加了15%；

3) 提供給指揮官的關鍵信息量增加了30%。

機載有人/無人系統(tǒng)技術和RAH-66有人無人協(xié)同能力開發(fā)項目中進行的演示試飛對比評估結(jié)論均表明：有人/無人混合協(xié)同編隊增加了機組的態(tài)勢感知能力，態(tài)勢輔助軟件能有效降低機組的實際管理負荷。

6 結(jié)束語

美軍長達二十余年的研究和實踐應用已經(jīng)證明發(fā)展有人直升機/無人機混合協(xié)同作戰(zhàn)能力是解決直升機裝備作戰(zhàn)目前所面臨問題的有效途徑之一。同時美軍的實踐經(jīng)驗表明：有人直升機/無人機協(xié)同體系龐大，技術復雜，發(fā)展有人直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力需要清晰的頂層概念和規(guī)劃來引領系列項目的有序組織開展。