智能無人作戰系統發展及關鍵技術*

李林林，張承龍，卓志敏

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

隨著人工智能、控制技術、計算技術、新材料、通信技術的發展與成熟，無人系統得到快速發展，并逐漸改變人們的生活。這一趨勢延伸至軍事領域，陸續發展出無人機系統、陸上無人系統、海上無人系統等，典型應用包括長航時無人偵察機，陸上探測、背負機器人，水下無人潛航器等[1]。以無人機系統為例，大型的長航時無人機通過配屬不同載荷實現遠距離精確打擊、無人偵察等功能，作戰性能逐步提升并接近傳統有人機[2]；微型無人機價格低廉、攜帶方便、可操作性強，威脅突然性極強，對城市安防構成極大挑戰。無人作戰系統以其自身特點更適用于未來信息化作戰條件下的“非接觸”、“非線性”以及遠程精確打擊的需求，無人化成為未來戰爭的發展趨勢[3]。

無人作戰具有無人員傷亡的特征，且突破了人在系統中的限制，武器具備更強大的作戰性能，深刻地改變現有的作戰形態。美軍高度重視無人系統的發展，從2000年起至2017年相繼推出了8個版本的無人系統路線發展規劃圖，根據技術發展進程不斷調整無人系統發展方向，其最新版本對無人系統的成果及問題進行了總結，對當前國際形勢和未來的戰爭環境進行了分析，肯定了無人系統的作用與定位，規劃了未來25年美軍無人系統的發展規劃[4]。

作為全球軍事科技的引領者，美軍大力發展無人作戰系統將深刻影響未來戰爭的走向，對未來作戰態勢具有顛覆性的影響[5]，無人作戰系統思想對防空領域的發展具有借鑒意義。論文研究國外無人作戰系統現狀及其主要特點，分析了智能無人作戰系統關鍵技術，提出智能無人防空系統概念并形成初步設想，梳理總結了未來應關注的重點發展方向，為智能無人防空系統發展提供參考。

1 智能無人作戰系統現狀分析

智能無人作戰系統技術復雜，國外已開展了系統研究，取得了豐富的研究成果，在空中形成長航時、偵察打擊一體的無人機與蜂群/集群作戰的微型無人機，在陸上替代人員承擔排爆、全地形背負等作戰任務，在海上形成用于反潛、掃雷、預警的水下潛航器與水面無人艦艇等[6]，其中集裝箱式與水下無人預置式作戰系統不僅具備無人作戰系統無人化的作戰概念[7]，還具有自主作戰、智能作戰、協同作戰、自主保障等特點[8]，引領著無人作戰系統突破現有輔助作戰的局限，形成新型作戰樣式，影響未來戰爭態勢[9]。在國外，部分無人作戰系統經過系列試驗，已具備初步的作戰能力[10]，在設計與運用中呈現了一些共性特點。

1.1 國內外發展情況

(1) 國外發展情況

1) 集裝箱式無人作戰系統

當前陸上非固定式武器系統多采用卡車、拖車或發射筒發射，這些平臺具有機動性，同時也高度易識別。集裝箱式作戰系統采用集裝箱封裝現有武器系統，具備獨立的供電、通信和冷卻裝置，單個集裝箱可連接到傳感器網絡和指揮控制系統，在陸地上或海上執行作戰任務，具備隱蔽性的特點[11]，目前美國、俄羅斯、以色列均開展了集裝箱式作戰系統的研究。

美國陸軍在未來作戰計劃中，提出了“非直瞄發射系統”(NLOS-LS)，如圖1所示，設想在戰場上分散部署的小型化、模塊化、集裝箱化的導彈發射能力，這些集裝箱可適用于不同平臺，混合裝載了進攻和防御能力，且獨立平臺具備遠程發射能力。

圖1 美軍非直瞄準發射系統Fig.1 The U.S. army’s non line-of-sight launch system

美國“網火”導彈系統主要由巡邏攻擊導彈(LAM)、精確攻擊導彈(PAM)和箱式發射裝置(CLU)組成(如圖2所示)。導彈系統采用一種獨立于機動平臺的箱式發射裝置CLU，其內部有16個隔艙，可按需裝載15枚LAM或PAM，以及1個控制裝置。系統裝載平臺包括C-130運輸機等空基平臺，卡車、高機動多用途戰車等，也可直接放置于地面。CLU可通過數據鏈與戰場互聯網連通，接收由其他飛機、無人機、衛星和地面傳感器獲取的戰場態勢信息。CLU既可單獨使用，也可多個組成集裝箱發射系統，每個標準集裝箱可裝10個CLU，共計150枚導彈。集裝箱總質量約15 876 kg，可由集裝箱裝載系統和高機動重型戰術卡車(HEMTT)運輸，也可用民用或軍用輪式車輛、火車、空中和海上運輸系統機動。

圖2 箱式發射裝置Fig.2 Container launcher unit

圖3 Club-K集裝箱導彈系統Fig.3 Club-K container missile system

俄羅斯Club-K是一款集裝箱導彈系統(如圖3所示)，包含垂直發射和傾斜熱發射2個版本，能夠滿足多型反艦或對陸攻擊導彈發射需求，每個集裝箱內部裝載4枚導彈，除導彈外還包括通用發射模塊(ULM)、戰斗管理模塊(CMM)、能量供給和壽命保障模塊(ES&LSM)等。所有模塊均被集成在一個標準集裝箱內部，可利用公路、鐵路、貨輪等多種民用平臺進行靈活機動部署。據報道，Club-K集裝箱導彈系統已于2012年9月完成了第1次導彈發射試驗，在6.1 m集裝箱內發射了1枚3M24反艦導彈。

以色列“鐵穹”發射裝置可裝載在集裝箱中，并可實現無人值守作戰，作戰時指揮員通過其火力控制網絡遠程控制“鐵穹”攔截彈發射。“鐵穹”攔截器和發射裝置現在也被部署在船上。以色列的“勞拉”彈道導彈也可以從貨船上發射，展示了發射裝置分散部署的概念。

2) 水下無人預置作戰系統

水下無人預置作戰系統是一種全新的水下裝備，可以代替潛艇提前部署在關鍵海區的海底，長期待機，具有極強的隱蔽性，能對敵形成戰略威懾[12]。水下無人預置作戰系統是美軍構建水下非對稱優勢，實現戰略突襲的典型裝備。美國海軍正迅速推進技術研發，已先期開展了多個項目，包括“大容量拖曳式載荷模塊”“海德拉”“深海浮沉載荷”等，旨在依靠水下載荷實現對地、反潛、反艦、防空等功能，此外平臺還可以攜帶水下能源補給站、水下通信中繼節點等設施，實現功能擴展。

“大容量拖曳式載荷”模塊載荷平臺可由“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇拖帶至前出陣地，通過錨定的方式固定在大陸架的海床上，一次可停留4～5個月時間，模塊可裝載電源模塊為長航時無人巡航器充電，也可配備被動聲學傳感器和可回收通信浮標，作為“全球監視與打擊”持續ISR網絡的節點使用。

“海德拉”旨在以低成本開發一套海底無人發射系統，該系統由“海德拉”標準化艇體、無人機和無人潛航器模塊化載荷等組成，其中“海德拉”標準化艇體可將這些負載隱秘地運送到前線，整個系統具有擴展性、經濟性與靈活性等，該項目預計2018年完成試驗驗證。

“深海浮沉載荷”項目旨在研發一型可在和平時期由艦艇或飛機預先部署、長期在深海休眠，必要時執行非致命性任務的低成本系統，為海軍提供可在廣闊海域分布式部署的小型化、低成本有效載荷發射技術，解決無人系統部署、投放等問題，任務載荷借助特殊密閉艙常年存儲在深海海底，必要時通過遠程控制激活，發射裝置上浮至海面，并自主發射攜帶的有效載荷。該項目2016年6月完成運載器測試。

(2) 國內發展情況

國內多家單位開展了無人作戰系統的研究，主要以技術驗證與概念設計為主，其中無人作戰系統實驗室展示過一款基于59式坦克改裝而成的無人戰車，不僅可在人的操作下完成預定操作，也可獨立完成基礎戰術動作，顯示了國內相關單位的技術積累。

1.2 主要特點分析

集裝箱式作戰系統與水下無人預置作戰系統雖然應用領域不同，但在自主作戰、分布式協同、狀態自我監測、惡劣環境部署、免維護長期作戰、新質能力形成等方面具有共同的特點，詳細介紹如下。

(1) 自主作戰

集裝箱式與水下預置式作戰系統由外部結構整體封裝，內部具備完善的信息獲取、數據處理、作戰實施等，具備自主作戰能力。2種系統在平時預置在重點區域，利用聲吶、電磁等手段對控制區域進行監視；戰時可快速接收外界指揮信息完成遠程喚醒，或根據程序自主感知完成喚醒，快速進行作戰模式，實現外部信息綜合判斷、戰備狀態轉進、戰場態勢研判、作戰自主決策、自主打擊實施等。

(2) 分布式協同

體積及高度集成化的設計削弱了無人作戰系統的能力，兩型無人作戰系統均以分布式協同作戰彌補單個作戰系統的不足：基于可靠高效的通信系統及開放式構架，無人作戰系統與指揮所、無人作戰系統間實現連接，以網狀節點分布的形態實現大區域的協同作戰，由多個平臺數據共享、協同配合實現傳統的單復雜系統功能，是一種新型的作戰形態。

(3) 狀態自主監測

集裝箱式與水下無人預置作戰系統的突出優勢是可進行長時間自主作戰，因而配備有完善的系統狀態自主監測系統。系統能實現全壽命周期內的遠程、實時數據采集、狀態監測、故障檢測、定位與輔助分析決策、健康管理與維修保障等功能，并可根據作戰體系快速轉換，實現保障任務自主規劃、保障態勢自主感知、保障過程自主控制和保障指揮自主決策，適應高速作戰節奏，降低保障資源依賴和保障成本，提高保障效率。

(4) 惡劣環境部署

兩型作戰系統均具備完善的外部防護結構，可經受高溫、高壓、高腐蝕的環境，因而適合部署于人跡罕至的極端區域。此作戰模式排除人自身條件限制，擴展了現有作戰范圍，具備更好的隱蔽性與生存能力，根據作戰需求實現大規模部署。

(5) 免維護長期作戰

自主作戰與惡劣環境部署能力使得兩型無人作戰系統具備免維護長期作戰能力。模塊化設計與一體封裝使無人作戰系統功能簡單，可靠性高；通過自主作戰、自我狀態感知等特性，無人作戰系統能實現24 h不間斷作戰值班，提升連續作戰能力。

(6) 新質能力形成

前出隱蔽部署、無人自主作戰等特征，使兩型無人作戰系統相比于傳統裝備，在作戰形態、作戰運用、作戰流程、作戰能力上均具有顛覆性意義，其即時反應、高效執行、隱蔽作戰等優勢可改變現有的戰爭走向，形成新質作戰能力。

2 智能無人作戰系統關鍵技術

無人作戰系統的蓬勃發展反映出其作為一項極具潛力的前沿科技，將在未來戰爭中發揮重要作用，而關鍵技術是支撐智能無人作戰系統的核心，其發展水平決定著系統的發展方向。分析現有無人作戰系統特點，總結出自主感知技術、智能化任務自主任務規劃與決策技術、分布式協同作戰技術、無人自主打擊技術、高可靠性通訊技術、自主保障技術等關鍵技術，各技術內涵及國外相關研究情況如下。

2.1 智能感知技術

感知技術是指完善的信息獲取、使用機制，通過各種通信手段接收自身探測或外部信息支援的數據，如天基、海基、空基等衛星、預警機、無人機等信息源。豐富的信息用于無人作戰系統自身進行任務規劃、目標分配與決策打擊等。監測是水下無人預置作戰系統的基礎能力，配屬不同的探測載荷實現不同物理量的探測。集裝箱式無人作戰系統自身探測能力有限，依靠通信手段獲取外部信息支持可擴展其作戰能力。為實現多源信息綜合利用，美軍提出了作戰云的概念，美國《航空周刊》描述了五角大樓由網絡中心戰向作戰云發展的設想：在軌太空偵察/通信/導航衛星、空中預警機、F-15/16等4代機，海面航母戰斗群，與深入敵方縱深空域的F-22/35 隱身戰機、RQ-180無人偵察機和新型遠程隱身轟炸機等多維作戰單元，在作戰云的聯接下形成一個高度融合的作戰體系。

2.2 自主任務規劃與決策技術

自主任務規劃與決策技術是集裝箱式與水下預置式作戰系統實現自主作戰的關鍵技術，通過智能化技術實現，即在一定程度上模仿或代替人的思維，對獲得的外界信息進行分析判斷和處理，制定任務并實現作戰決策。美軍已在多個項目中驗證自主任務規劃與決策技術，如2016年美軍開發出充當配合空軍長執行任務僚機的智能飛行員“阿爾法AI”，和人類飛行員相比，“阿爾法AI”在空中格斗中快速協調戰術計劃的速度快了250倍；美海軍的X-47B無人作戰飛行器是歷史上第1架無需人工干預、完全由電腦操縱的隱形無人機。NASA噴氣推進實驗室開發了機器人智能指揮與感知的控制體系架構(CARACaS)技術，利用該技術，美國海軍無人水面艇“蜂群”無需人的干預就能自主行動，包括無人艇相互之間的同步、航線規劃、蜂擁攔截敵人、保護己方艦船等[13]。

2.3 分布式協同作戰技術

分布式協同作戰指利用集成化的網絡，更加靈活、更有彈性和個性的分散化部署。為支撐以集裝箱式、水下無人預置式為代表的無人作戰系統協同作戰樣式的實現，美軍積極研發分布式協同作戰技術，在其2013年無人作戰系統路線圖中，美國國防部提出兩種分布式協同技術備選方案：一是定義標準化通用接口，實現各類無人作戰平臺的有效接入；二是增強無人系統數據處理能力，可對各種數據格式進行接收與處理，減輕系統的處理負擔。2015年，DARPA公布體系集成技術及試驗(SoSITE)項目，該項目將利用現有航空系統的能力，使用開放系統架構方法在各種有人和無人平臺上分散關鍵的任務功能，如電子戰、傳感器、武器、作戰管理、定位導航和授時以及數據鏈等，并為這些可互換的任務模塊和平臺提供統一標準和工具，如有需要可以進行快速的升級和替換，從而降低系統的研發成本和周期，并使得美軍運用新技術的能力遠快于競爭對手。

2.4 無人自主發射技術

集裝箱式與承擔打擊任務的水下無人預置式作戰系統在實施打擊時，需依托自身的系統完成導彈發射，無人自主發射技術是其基礎技術。無人自主發射技術在日常時可安全可靠地存儲導彈，在接到打擊指令或自主完成作戰決策后，自動開啟發射流程，完成導彈自檢與發射。目前自主發射技術較為成熟，在國外多個無人機型號中得到應用。

2.5 高可靠性通信技術

信息交互是無人作戰系統獲取作戰信息的重要途徑，也是實現協同作戰的基礎，無人作戰系統通信技術應具備高可靠性、足夠的帶寬、可靈活接入的動態特性。為支撐無人作戰系統的通信需要，美軍開展了針對性的研究。2015年DARPA發布滿足任務最優化的動態適應網絡(DyNAMO)項目[14]，旨在開發網絡動態適應技術，保證各類航空平臺在面對敵主動干擾時，能在一定安全等級下進行即時高速通信；DARPA發布的拒止環境中的協同作戰(CODE)項目公告中提出通過發展新型軟件和算法，提高現有無人機在高對抗環境中的自主性和協同作戰能力，同時降低對操作人員數量及成本的要求。

2.6 自主保障技術

自主保障是集裝箱式與水下無人預置式作戰系統長期可靠作戰的基礎，有跡象表明美軍正開發敏捷化精準保障技術，技術以人工智能和大數據知識庫為基礎，靈活調度各種保障資源，實現對武器系統全壽命周期內的遠程、實時數據采集、狀態監測、健康管理與維修保障等功能，降低保障資源依賴和保障成本，提高保障效率。

3 對智能無人防空系統發展的認識

3.1 未來發展的初步構想

現階段美國、俄羅斯等軍事強國快速推進支撐智能無人作戰系統的關鍵性技術[15]研發，如自主感知、自主任務規劃與決策、分布式協同作戰等。參考無人作戰系統的作戰概念與效益，智能化無人防空系統作戰應用潛力巨大，是未來防空作戰的發展方向。借鑒現有無人作戰系統技術及概念，智能化無人防空系統的一種通用集裝箱式平臺，平臺內功能組成見圖4，其特征如下：具備完善的信息獲取能力；可自主完成目標識別、作戰任務規劃、作戰決策、自主發射等功能；適應不同環境實現多域部署；單個平臺可獨立完成防空作戰，多平臺間協同作戰可擴展防空能力；具備自主監測、自主保障功能，可免維護實現長期可靠作戰值班。為實現上述功能，應結合防空作戰的特點，關注影響核心能力的技術方向發展。

圖4 智能無人防空系統功能構想Fig.4 Functional assumption of intelligent unmanned air defense system

3.2 未來應關注的重點方向

防空作戰面臨的目標多樣、信息復雜，且目標不斷變化，因而對信息感知的連續性、目標識別的可靠性、作戰決策的實時性要求苛刻，這對支撐智能無人防空系統的基礎技術提出嚴格要求。

(1) 防空自主感知技術

通過自我感知與外界輔助感知2個途徑滿足智能無人防空系統需求：自我感知方面，關注無線電波、可見光、紅外、激光、聲波等信息源探測技術；外界輔助感知方面，關注空、天、海多域信息源網絡化綜合感知技術，同時關注高可靠性通信技術的發展，以滿足高密度、低延時、高保真的通信需求為目標。

(2) 防空自主識別技術

關注多源信息融合識別技術，能夠綜合利用無人防空系統接收的天基、空基或地面控制站的信息，及自身傳感器獲得的地理信息和敵方武器發出的聲波、無線電波、可見光、紅外、激光等信息，經計算機快速處理，確定戰場環境中出現的威脅。

(3) 防空自主任務規劃決策技術

重點關注無人狀態下防空系統指控功能的自主實現，關注探測信息融合、態勢感知與目標識別、自主決策與作戰實現等技術，以高效、安全、可靠地滿足新作戰樣式需求。關注域內協同打擊、跨域協同打擊作戰樣式，及涉及的武器協同、平臺協同技術，實現“一對一”“多對多”高效協同防空能力。

(4) 防空自主發射技術

以集裝箱為作戰平臺，實現武器自主發射前檢查、發射控制、發射能源保障等功能，應關注防空作戰自主發射相關技術發展，如無人發射控制技術、能源保障技術、長期可自維持系統技術等。

(5) 自主監測與保障技術

自主監測與保障技術是保證無人作戰系統長期可靠性工作的基礎，未來應關注系統功能狀態采集、健康管理、自我修復、自主決策與保障實施等關鍵技術，同時基于人工智能與大數據的發展，探索形成智能化保障與故障監測能力。

4 結束語

隨著技術的進步，無人作戰系統在連續作戰能力、計算能力、自主化水平、可靠性等方面不斷發展，將進一步融入到陸海空各領域，消除了人的限制，作戰系統反應速度、作戰能力將得到極大提升。論文研究智能了無人作戰系統現狀，梳理了其主要特點及關鍵技術，提出了智能無人防空系統發展的初步構想與關鍵技術方向，成果可用于智能無人防空系統發展參考。智能無人防空系統是一項極具潛力的作戰概念，后續還需要加強進一步的投入，期待通過不斷研究使其早日應用實踐，在未來無人作戰環境中發揮重要作用。