智能空戰體系下無人協同作戰發展現狀及關鍵技術

黃漢橋，白俊強，周 歡，程昊宇，常曉飛

（1.西北工業大學無人系統技術研究院，西安710072；2.空軍工程大學，西安710038）

0 引言

隨著無人系統平臺的蓬勃發展，運用多架無人機在飛行空間內構成相互協作、優勢互補、效能倍增的協同作戰系統，已成為各國軍方關注的熱點和追逐的目標。它要求多架飛機協同分享、分配、分組作戰信息資源，然后迅速、準確地做出協同偵察、協同預警、協同探測、協同攻擊、協同攔截、毀傷評估或者退出攻擊等決策戰術任務，通過多架飛機之間的協同配合，最后通過控制系統實現協同，共同完成較復雜的任務，對空中戰術和戰略任務的順利執行具有重要意義。

當前，世界正在經歷大發展、大變革和大調整，我國國家利益拓展和周邊安全形勢正在經歷嚴峻挑戰。為捍衛國家領空利益，我們必須準備面對與強敵的對抗。強敵具有隱身戰斗機與無人機協同、制空與防空一體的空天地體系化作戰能力。因此，快速提升我軍智能空戰體系下的協同作戰能力顯得極為緊迫。要想取得對強敵的勝利，必須獲得OODA概念上的優勢（如信息探測能力、電子戰能力、通信能力和火力打擊能力）及系列“不對稱”優勢。

本文首先闡述了無人系統的內涵，指出智能化是無人系統未來的發展方向，根據自主完成任務的能力對無人系統進行了分級。隨后，從協同偵察、協同預警、協同對地攻擊及協同空戰等多個不同角度探討了協同作戰樣式，結合美軍CODE計劃及OFFSET計劃等，闡述了國內外無人系統協同作戰發展的現狀。從協同態勢感知技術、交互與信息作戰云技術、智能決策技術、自主攻擊技術、集群協同技術及學習與進化技術等，分析了制約無人系統協同作戰水準的關鍵技術。

1 無人系統的內涵與分類

1.1 無人系統的內涵

隨著近幾年以無人駕駛汽車等為代表的無人系統自主性的不斷提高，以組成為特征來定義無人系統已經不全面了，不適應無人系統的發展需要。給出以能力為特征的無人系統定義：具有信息感知、交互、處理、自主決策、學習和執行能力的系統。在現階段，一些冠以 “無人”定義的系統還不完全具有上述6個能力特征。隨著科學技術的發展，高級的無人系統將更加完美地詮釋這些基本特征。

智能化技術的應用可以顯著提升無人系統的能力，是無人系統的發展方向，無人系統將向著高自主等級的方向發展。

美軍采用無人機自主控制水平來評價無人機的智能化水平，如圖1所示。無人機的自主控制等級可分為10級，等級越高，無人機自主完成任務的能力越強。1～4級用于描述個體的智能化程度，5～10級用于描述群體的智能化程度。無人機由遙控制導向完全自主進化，由個體自主向群體完全自主發展，由模擬人的個體屬性向模擬人的社會屬性發展。無人作戰飛機的發展趨勢如圖2所示。

圖1 美軍無人機自主控制等級Fig.1 Autonomous control level of U.S.unmanned aerial vehicles

圖2 UCAV的發展趨勢圖Fig.2 Development trend chart of UCAV

1.2 無人系統分類

根據自主完成任務的能力，可以把無人系統分為初級、中級、高級和超級4個級別。

（1）初級無人系統

將傳統的由人在平臺上操作完成的任務變為人在平臺下完成，即 “人在系統內，不在平臺上”。

無人平臺具有一定的感知、處理和執行能力，具備與操作員的交互能力，但不具備決策和學習能力。由人設定任務目的并操縱完成任務，典型代表為無人機。

（2）中級無人系統

具有一定的感知、交互、信息處理、執行、決策和學習能力，能自主完成特定的任務。

可模擬人類在某方面的能力，具有學習能力。由人設定目的，無人系統自主完成任務，典型代表為無人駕駛車輛。

（3）高級無人系統

具有完善的感知、交互、信息處理、決策控制、學習和執行能力，并且可以通過群體協作完成較為復雜的任務。

系統具有集群協同能力。行為目的由人設定，可自主完成復雜任務，典型代表為無人機群。

（4）超級無人系統

具有自主的目的，并且可以通過自主的行為達成目的。在感知、交互、信息處理、決策控制、學習和執行能力方面達到甚至超越了人類的水準，形成了類人甚至超人的無機生命，典型代表為科幻的未來無人系統。

2 無人協同作戰及國內外發展現狀

2.1 無人協同作戰技術

無人協同作戰系統要求多架有人機/無人機、無人機/無人機之間協同分享、分配、分組控制信息資源，然后迅速、準確地做出偵察、協同目標跟蹤、協同攻擊、協同空中攔截、毀傷評估或者退出攻擊等決策戰術任務。通過多架飛機之間的協同配合，最后通過控制系統實現協同，共同完成較為復雜的任務。

從協同作戰模式和戰術任務來看，無人作戰飛機的協同作戰主要可分為：

1）無人機和有人機的協同作戰；

2）無人機與無人機的協同作戰。

在今后一段時間的戰爭中，有人機與無人機及其他無人支援飛機的聯合編隊作戰將成為一種全新且主要的作戰模式。無人機直接接受有人機平臺的指揮控制，實施聯合目標確定、協同指揮控制、一體化作戰、快速打擊等決策及動態評估，從而實現傳感器?控制器?射手的一體化作戰模式。

根據美軍的一項針對有人/無人協同的試驗分析，有人機/無人機協同作戰，可使任務成功率上提升35%，作戰效率提升25%，生存力提升25%，作戰時間縮短50%。

對于無人機而言，其可利用人的智慧和綜合判斷能力，彌補無人機在智能決策方面的不足；依托有人機在態勢感知、指揮控制等方面的優勢，拓展任務類型，增強復雜對抗環境下的作戰能力，擺脫對地面站及衛通鏈路的依賴，使得作戰半徑提高，抗干擾、反欺騙能力增強。

對于有人機而言，可拓展有人機的態勢感知能力與打擊范圍，豐富有人機的任務域；降低有人機遂行高危作戰任務的風險，提高生存力；有人機在空戰中的角色由單機 “戰斗員”作戰變為集群 “指揮員”作戰，可實現效能的提升。

無人機與無人機協同作戰將是未來作戰的主要模式，其發展的最終目的是在無人干預或極少有人干預的條件下，協同自主完成作戰任務。

2.2 無人協同作戰的發展現狀

無人機融入現有航空武器的裝備體系是必然趨勢，是提升空軍作戰體系整體效能的重要手段。未來的空中優勢作戰，將由 “平臺中心”演進為“有人/無人聯合”的體系協同作戰。

2004年，美軍兩架X?45協同飛行。2007年，英國空軍1架改裝的 “狂風”與3架無人模擬機（BAC?111改裝）協同。2008年，美軍 AV?8B 飛機與 “捕食者”無人機協同作戰。2014年11月，美軍2架F/A?18與1架X?47B協同航母起降。2015年4月22日，X?47B驗證機與K?707加油機協同。2016年美軍提出，計劃實現F?35與F?16無人版的協同。綜合國外無人協同作戰的發展趨勢，可總結出如下幾點：

1）重視有人機/無人機協同的頂層規劃與體系建設；

2）重點突破平臺、鏈路通信、指揮控制、傳感器和火控協同等關鍵技術；

3）圍繞裝備綜合能力的拓展，逐步提升控制層級和互操作性；

4）從編隊技術攻關到協同戰術飛行驗證，推動協同作戰走向實用化。

下面介紹以美國國防部高級研究計劃局DARPA為代表的3大計劃：進攻性蜂群戰術（OFF?SET）、拒止環境中的無人協同作戰（CODE）和體系集成技術及試驗（SoSITE）。

（1）進攻性蜂群戰術（OFFSET）

項目背景是克服城市作戰所面臨的挑戰，進一步發展顛覆性的蜂群能力。

項目目標是激發創新蜂群戰術的產生，豐富及提升未來蜂群系統的作戰能力，并以此建立及維持美軍在城市作戰環境中的非對稱性優勢；設計、研發和驗證1個蜂群系統架構——在1個現實的基于游戲的情境中產生，并被嵌入到物理的蜂群自主平臺中——以推進創新互動和整合新穎的蜂群戰術；尋求構建1個多功能、異構的蜂群系統，這個系統能夠使250個以上的無人自主協作平臺于6h內在8個街區執行任務。

OFFSET項目旨在推進及加快蜂群使能戰術的發展，并將重點放在蜂群自主性和人?蜂群編隊這兩個領域，重視作為蜂群能力發展基礎的作戰相關蜂群戰術。

（2）拒止環境中的無人協同作戰（CODE）

項目背景是針對未來作戰環境對抗性更強且更加變幻莫測的特點，拓展無人機自主協同能力，以滿足未來作戰所需。

CODE項目的示意圖如圖3所示，項目目標是開發及驗證新的算法和軟件，這些算法和軟件能夠通過自主性和協同行為擴展傳統及新型無人機在拒止環境中的任務能力。內容包括協同自主性、無人自主性、人機控制界面、分布式系統開放架構等。

圖3 CODE項目的示意簡圖Fig.3 Schematic diagram of the CODE project

第1階段（2014年～2016年）：通過模擬的方式驗證概念系統和架構設計，項目成功驗證了自主協同在戰術層面上的應用潛力。2個研究團隊（雷神公司和洛馬公司）選擇了大約20個可極大提升無人機在拒止或對抗環境中有效作戰能力的自主行為。

第2階段（2016年～2018年）：完成詳細設計和飛行試驗。洛馬公司和雷神公司以RQ?23“虎鯊”無人機為試驗平臺，并為其加裝了CODE軟件和硬件。試驗情況：2架真實無人機+2架虛擬無人機，測試了編隊飛行、在GPS拒止環境中相對導航、動態環境適應等自主行為。DARPA項目的經理表示：“階段2的測試飛行超出了項目支撐基礎設施原本的能力，面向未來的協作自主能力CODE的發展取得了可喜的進展”。

第3階段（2018年至今）：通過系列飛行試驗發展和驗證全任務能力，試驗由6架真實無人機和若干虛擬無人機組成。2018年1月，DARPA授予雷神公司第3階段的合同，以進一步完成CODE軟件的開發和最終的飛行試驗。DARPA項目的經理表示：“CODE正在努力開發一種低成本的方法，來升級傳統的無人駕駛飛機的作戰能力，并通過開創性的算法和軟件，使他們能夠在最少人員的監督下協調工作，從而極大地提高作戰效能。預計通過在更復雜的情況下測試更多的飛機和高度自主的行為，進一步擴大代碼能力”。

（3）體系集成技術及試驗（SoSITE）

項目背景是美軍空中優勢正在受到挑戰，包括美軍自身內在發展的受限和潛在敵手技術能力的發展，SoSITE項目的概念圖如圖4所示。

項目目標是維持在強對抗性環境中的空中優勢，提升和改進算法、軟件和電子技術，包括殺傷鏈、開放系統架構、作戰管理控制系統、系統多樣性和適應性。

圖4 SoSITE項目的概念圖Fig.4 Conceptual graphs of SoSITE

DARPA發布的項目廣泛機構公告（BAA）可被分為2個階段：第1階段為2014年4月～2016年10月，主要完成系統架構和集成技術的研發；第2階段為2016年10月～2019年10月，主要進行體系集成技術試驗。

國內針對無人協同方向的研究，主要經歷了教練機改有人/無人協同、三代機與無人機協同、三代半與無人機協同、四代機與無人機協同及制空型無人機與有人機協同階段，但以上研究僅僅實現了簡單的數字和半物理仿真，針對關鍵技術攻關不足，缺少有人/無人協同作戰的效能評估體系，缺少體系的仿真與驗證手段。

無人協同方向在國內的發展趨勢正由編隊非隱身、編隊協同、同構平臺協同向編隊隱身、集群協同、異構平臺協同方向發展。

3 無人協同作戰需解決的關鍵技術

3.1 協同態勢感知

未來的無人系統協同作戰必須具備更加全面的戰場環境態勢感知能力，包括目標的感知與識別、戰場態勢的智能認知等。上述目標均對無人系統在復雜環境中的智能化程度提出了更高的要求，圖5為協同態勢感知的示意圖。

圖5 協同態勢感知的示意圖Fig.5 Schematic diagram of collaborative situational awareness

協同態勢感知的概念為：無人系統編隊內的各飛行器利用各自攜帶的傳感器獲取戰術信息，并對這些戰術信息在統一框架下進行融合，形成對整個戰場態勢的綜合描述和表達，并且通過對戰場態勢的分析和理解，完成任務決策和打擊指令，從而指揮無人飛行器完成相應的作戰任務。

作為一種智能化平臺，協同作戰系統對環境及目標進行精確地認知是實現自主控制、決策等功能的基礎，其中主要涉及到多源信息融合、場景分割、物體檢測與識別、自身定位、地圖構建等關鍵技術。無人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，是無人系統實現高級智能的基礎，可借鑒人類在認知過程中的認知信息處理、復雜環境認知算法、基于認知的學習和推理方法等。

無人系統對戰場環境全信息域的感知能力是智能化的表現，是其實現自主導航、任務感測、系統監控等目標的基礎。無人系統要求感知系統在信息復雜、高度對抗、任務多變的戰場環境中，通過有限信息感知來推斷環境狀況和平臺健康狀況，并評估敵方作戰意圖，進行系統故障診斷與預測。需要重點研究的關鍵技術包括：多源信息采集、融合與處理技術、非結構化環境感知技術、復雜環境認知學習和推理技術、態勢感知與評估、目標意圖識別技術、系統健康監控與故障預測技術等。

3.2 交互與通信技術

交互與通信技術包括人與無人系統、無人系統之間的交互技術。通過模擬人的各種感官（如聽覺、味覺、觸覺、視覺等），實現指令下達及信息傳遞。

無人系統與人通過語音、文字、肢體語言、表情甚至腦電波等實現交互與通信，如圖6所示。無人系統之間的數據通信，可能會產生機器語言和新的通信方式。

圖6 腦機接口設計Fig.6 Interface design of brain-computer

3.3 作戰云技術

“作戰云”是未來智能協同空戰的有力支撐，如圖7所示。其概念是指綜合運用網絡通信技術、虛擬化技術、分布式計算技術及負載均衡技術，將分散部署的作戰資源進行有機重組而形成的一種彈性、動態的作戰資源池，其具備虛擬化、連通性、分布式、易擴展和按需服務等特點，可為作戰按需獲取資源提供可能，為達成 “跨域協同”提供支撐，為實現 “云作戰”奠定基礎。

圖7 未來作戰云的概念圖Fig.7 Conceptual graphs of the future combat cloud

作為作戰體系的嶄新形態，作戰云通過云技術高度共享陸、海、空、天的多維作戰數據，實現陸、海、空、天、電、網等作戰域的戰場資源整合，使得各種作戰要素匯集成云，完成戰場數據的網狀交互，進而增強空天情報信息共享的實效，促進作戰指揮效能的提升，提高空天信息作戰協同的效率。

作戰云可以按需提供彈性作戰資源，其外在表現為一系列服務的集合。結合 “云計算”的應用與研究，并根據軍事行動的實際需求，可將“作戰云”分為資源層、能力層、平臺層、應用層及管理層5個架構：

1）資源層。通過虛擬化技術將分散部署的同型異構作戰資源進行抽象聚合，以形成各類簡明易用且彈性可擴的資源池。

2）能力層。依托資源層提供的各種作戰資源，以作戰為目的將其封裝成相應的作戰能力。

3）平臺層。將能力層封存好的能力按作戰階段及流程，組合為具體的作戰功能。

4）應用層。由基于平臺層提供的作戰功能，按作戰行動的類型需求進行動態組合，形成業務模塊。

5）管理層。主要對 “作戰云”的各層服務實施管理。

3.4 智能決策及自主攻擊技術

在協同作戰過程中，需要無人作戰飛機（UCAV）編隊的指揮人員能夠根據戰場態勢的實時變化，及時、準確地制定和調整作戰任務方案。但是面對現代戰場的瞬息萬變、海量戰術信息的瞬時涌入，指揮人員在心理和生理層面都很難勝任這樣繁重的感知、分析判斷和決策任務，因而需要有先進的智能決策技術輔助無人作戰飛機編隊的指揮人員進行實時的戰術決策和指揮。

智能決策系統可以與 “觀察-指引-決策-行動（OODA）”循環結構相結合，從決策層和行動層2個角度出發，運用大數據和機器學習方法提取有人機飛行員的空戰經驗，并結合Monte Carlo搜索樹、滾動時域優化等方法，在實時條件下達成空戰決策與實現目標控制。

自主攻擊技術是協同作戰的重要組成部分，其包括單個飛行器的智能感知及決策、在線規劃、智能控制等。自主攻擊技術是提升無人系統性能的關鍵技術，而智能感知及決策是實現自主能力的核心環節，是從感知環境到采取行動的映射。圖8為智能決策系統的框圖。無人系統的在線行為決策能力使其能夠針對動態變化的環境態勢作出迅速而準確的判斷，以便采取有效的行為。智能控制是自主攻擊的重要執行環節，直接決定攻擊精度和綜合效能。

圖8 智能決策系統的框圖Fig.8 Schematic diagram of intelligent decision system

UCAV自主攻擊的關鍵技術將減少其在作戰狀態時的來自地面指揮與操控人員的干預，降低無人作戰飛機傳遞信息和處理系統的復雜程度，消除無人作戰飛機與地面作戰指揮控制系統通訊鏈路被干擾的隱患，突破操控人員的固有生理因素。X?47B便實現了自主起降并完成了系列任務，其起降畫面如圖9所示。

圖9 X-47B自主起降的畫面Fig.9 Autonomous take-off and landing of X-47B

自主攻擊技術可充分發揮UCAV適應復雜戰場環境能力強的特點和優勢，增強機動攻擊能力，提高武器發射/投放精度，增加發射/投放機會，減少發射/投放時間，減輕地面指揮與操控人員的工作負擔，甚至可以擺脫地面指揮與控制的約束，提高武器系統進行目標瞄準、武器發射的能力，提高在面對外界不確定擾動情況下的自適應控制能力、魯棒性能和容錯能力。結合前期研究課題，給出了無人機自主攻擊過程的示意圖，如圖10所示。

從國外無人機自主控制技術的應用現狀可以看出，目前國外現役無人機的自主控制等級一般都在3級以下，制約無人機系統達到高級別自主能力的因素包括：人工智能技術、計算機技術和通信技術。

3.5 集群協同作戰技術

集群協同作戰是一種全新概念的作戰模式，對未來戰爭的影響將是顛覆性的，集群協同作戰的示意圖如圖11所示。美國國防部在最新發布的《無人系統綜合路線圖（2017?2042）》 中強調，為適應未來聯合作戰的需求，無人系統應聚焦全域集群作戰，互操作性、自主性、安全網絡、集群協同是加速無人系統作戰應用的4大驅動力，可用于指導美軍用無人機、無人潛航器、無人水面艇、無人地面車輛等的全面發展。

集群協同作戰涉及的關鍵技術包括了集群態勢感知與信息融合、集群控制與群體智能及任務規劃等。其中，任務規劃又包括了靜態協同任務分配、動態協同任務分配、協同航跡規劃研究等。多無人系統編隊的協同控制是難點。

圖10 無人機自主攻擊過程的示意圖Fig.10 Diagram of UAV autonomous attack process

圖11 集群協同作戰的示意圖Fig.11 Schematic diagram of cluster cooperative operation

圖12 AI飛行員與人類飛行員對抗的場景Fig.12 A confrontation between AI pilots and human pilot

3.6 學習與進化智能技術

智能化給人類發展帶來了機遇和挑戰，人工智能技術的發展勢不可擋。智能化無人系統以人工智能技術為基礎，能夠模仿人類思維，具備態勢感知、信息融合、自主決策、組網協同的能力，可實現 “自主、高動態與分布協同作戰”的無人系統。從圍棋人機大戰中AI的勝出，到AI飛行員戰勝人類飛行員的報道，可見未來的大規模空戰離不開AI。圖12展示了AI飛行員和人類飛行員對抗的場景。

人類不斷進步的核心動力在于知識的學習和積累。近年來，智能化無人系統的迅速發展也是建立在大數據、深度學習、強化學習及計算硬件迅速發展的基礎之上。

4 結論

智能空戰體系下的協同作戰技術已成為各國軍方關注的熱點和追逐的目標，我軍必須盡快提升協同智能空戰水平。國內在協同作戰領域雖起步較晚，但科研院所已開展了大量理論研究和飛行試驗。從國內外的技術研究進展和總體研究態勢來看，我國在某些領域雖然取得了一定成績，但存在的短板較多，支撐協同作戰的基礎理論創新性不足，多處于跟風研制階段，特別是在協同智能空戰的概念和架構設計、先進無人作戰的飛行技術、態勢感知技術、智能決策技術、自主攻擊技術、協同控制技術、通信與組網控制技術、人機智能交互和多無人機敏捷管理等方面，都缺乏較為厚實的研究基礎。

因此，急需研究新的作戰體系及作戰樣式，將目前公認的有人/無人混合編隊的作戰模式引入我軍的作戰體系中，攻克制約協同作戰的態勢感知、智能決策等核心技術，研發滿足制空協同作戰需求的無人平臺，用于先敵探測隱身目標，先敵發射武器摧毀目標。