集群式偵察探測防御系統*

孫韜，王俊達，王睦深，孟春考，祝月

(1.北京電子工程總體研究所，北京100854；2.中國航天科工集團二院 研究生院，北京 100854)

0 引言

21世紀以來，小型無人機在有效載荷小型化、續航時間、超視距通信、低成本化等方面持續取得進展，集群技術、自主技術、協同技術等智能化技術快速突破[1]，推動著小型無人機任務用途的多樣化發展。

小型無人機集群最大特征在于體系的區域分布性，單元自主特性以及“去中心化”特性。在單一平臺受損后仍可有序協同執行任務，所以無人機集群具有極佳的生存能力和任務完成能力。各無人機能夠根據任務需求裝載不同的載荷，可完成協同探測、協同攻擊等協同防御任務。目前，已知在研的無人機集群研究計劃[2]，如DARPA(defense advanced research projects agency)發布的“小精靈”項目、美國海軍LOCUST(low-cost UAV swarming technology)項目等，都是以單類型無人機進行集群試驗，旨在以數量優勢壓制敵方。

單類型無人機集群系統是目前無人機集群應用的主要研究方向，進展速度快，可以預見幾年內將會投入軍事應用并形成戰斗力，但是集群執行任務的能力依然受到單一類型無人機自身功能的限制，難以更好的發揮集群優勢。因此，考慮當前有人戰爭的立體作戰模式，放眼于未來無人戰爭的重要發展趨勢，可以設想到未來集群作戰將是以無人作戰單元為主要戰力，各類型無人作戰單元相互配合，協同執行復雜任務，精準的發揮集群協同優勢。

本文考慮了一種多類型無人機組合的協同集群，各類型無人機優勢互補，設計了一種集群式偵察探測防御系統，在執行如地震災區救援、無人機集群防御等復雜任務中，以較少的無人機精準的發揮集群協同優勢。該系統由多個攜帶翼傘的立方單元組成，各立方單元根據作戰需求精確傘降至任務區域[3]。立方單元既可以自主實現目標探測，同時配備充電裝置為無人機/車充能，也可以為戰區提供中繼通信。立方單元配備了固定翼無人機、四旋翼無人機和無人車，對一定半徑范圍內的區域進行偵察。固定翼無人機規劃巡航路線，大范圍偵測任務區域態勢信息等，為后續任務提供支持。四旋翼無人機和無人車搭載多種載荷，實現對敵偵察、防御敵方無人機集群和導引己方制導武器的任務。

系統由三級指控網絡和四層通信網絡規劃傳達的指令協同控制，遂行作戰任務。本項目所設計的系統具有靈活性高、抗干擾和彈性抗毀能力強、可多維多角度探測等優點，并且探測精度較高、探測弧度較大。系統應用范圍廣泛，不僅可以應用到軍事探測防御和戰區通信中繼，也可應用于災情勘測救援等民用領域，具有重要的戰術意義和實用價值。

1 立方體單元系統組成

立方體系統如圖1所示，為箱體外形，箱體支撐結構使用碳纖維鋁基復合材料，保證了立方體有較強的結構強度和較輕的質量。立方體內部分為不同艙段容納系統載荷，共放置12個旋翼無人機停靠平臺，無人機停靠平臺下側左右對稱放置能源系統，保證立方體重心位置，內部中心艙放置計算機系統及所需其他硬件，底艙放置無人車，并在無人車背面分割出細長型長方體空間，收納折疊的固定翼無人機。立方體的四面外艙門的內側安裝太陽能電池板，立方體上表面安裝各類通信天線。

1—立方平臺;2—固定翼無人機;3—固定翼無人機支架；4—四旋翼 無人機；5—四旋翼無人車；6—智能無人車；7—鞭狀天線；8—平板陣 列天線；9—太陽能電池；10—蓄電池；11—電源管理模塊圖1 立方單元組成Fig.1 Illustration of cubic unit system composition

立方體系統攜帶翼傘由運輸機攜帶，適當高度投放；投放后開傘，立方體進入初始搜尋段并按照搜尋航跡飛行；傘降系統控制翼傘螺旋下降，通過測高傳感器或視覺相機探測系統探測地面地形信息，自主選擇任務區域內相應的滿足任務需求的落點，并規劃出下落軌跡，進入精確投放段飛行，控制器操縱翼傘精確降落。

落地后，區域內各個立方體系統自主展開，建立區域通信，組建3級指控網絡和4級通信網絡，指控網絡分發任務區域偵察任務，各立方體系統偵察載荷，包括固定翼無人機、四旋翼飛行器、無人車，根據任務需求投入使用，協同執行任務區域偵察和態勢感知任務，實時回傳偵測信息。

1.1 滑翔翼傘系統

(1) 滑翔翼傘

滑翔翼傘由翼傘傘衣、吊帶系統和操縱系統組成。空中展開后受控滑翔，可將立方體系統精準投放至任務區域。

(2) 翼傘自分離裝置

立方體系統滑翔降落后，存在翼傘將系統覆蓋的可能情況，為保證系統的順利展開，設計一種翼傘和立方體系統分離裝置，當立方體系統滑翔落地后，實現翼傘的拋離，避免翼傘覆蓋系統。

裝置的設計如圖2所示，主要考慮3個方面；第1是翼傘與立方體的機械連接的分離；第2是分離后將翼傘拋離的助推裝置；第3是翼傘的收納裝置。

(3) 翼傘自分離裝置工作流程

Step 1：離地一定高度時繩索懸吊伺服釋放懸吊繩索，增長懸吊繩索長度，準備著陸；

Step 2：立方體系統著陸，翼傘分離機構彈開懸吊桿，懸吊繩索和立方體箱體分離；

Step 3：小型拖拽火箭發動機短時工作，將翼傘拖離降落區域；

1—立方平臺；2—立方單元懸吊繩索；3—定滑輪；4—翼傘飛行控制 及繩索懸吊伺服；5—翼傘連接繩索；6—小型拖拽火箭發動機； 7—翼傘分離解鎖機構；8—懸吊桿圖2 翼傘分離裝置Fig.2 Connection and separation device of parafoil system

Step 4：翼傘飛行控制伺服收回翼傘連接繩，將翼傘回收收緊，完成傘降，圖示流程見圖3。

1.2 無人載具

(1) 固定翼無人機

固定翼無人機的主要功能是對任務目標區域地形的大范圍偵測，初步建立目標區域的地形景象信息，并將景象信息回傳單元級指控立方體，為后續的旋翼無人機和無人車的任務展開提供信息支持。固定翼無人機搭載的載荷可以根據任務類型進行變更，可以攜帶電視攝像機、紅外熱成像儀、雙目相機、小型偵察吊艙等載荷[4]。

系統落地展開，無人機折疊翼和彈射架展開，如圖4所示，發動機達到工作狀態后彈射裝置彈射放飛無人機。無人機抵達任務高度后按系統規劃航線對目標區域進行探測和偵察，收集目標區域地形景象信息，實時回傳立方單元。無人機返航雀降著陸，由多功能無人車回收并安放值彈射架上充能，準備進行下一架次的任務。

圖3 翼傘分離流程Fig.3 Separation process of parafoil system

圖4 固定翼無人機及其彈射裝置Fig.4 Fixed-wing UAV and ejection device

(2) 四旋翼無人機

四旋翼無人機根據所執行任務的不同，攜帶不同功能的載荷。無人機可以攜帶紅外熱成像儀、聲學探測裝備、雙目相機，抵近目標偵察，多傳感器信息融合，得到較為準確的目標信息；搭載通信設備，執行通信中繼任務；搭載低慢小目標捕獲網或助推榴彈等武器，攔截或毀傷目標。

固定翼無人機完成首次任務區域的巡飛和偵察信息采集后，針對區域內的重點目標，單元級立方體指控系統指派多架四旋翼無人機對重點目標進行協同偵察。完成任務后，四旋翼自主飛回停放平臺充能，立方平臺搭載12架四旋翼，如圖5所示，輪流值班，不間斷地執行任務。

圖5 四旋翼無人機Fig.5 Four-rotor UAV

(3) 多功能無人車

系統攜帶的無人車如圖6所示。無人車由車體、能源和動力系統、控制系統、通信設備、任務載荷等組成，系統中的無人車采用履帶的方式行進[5]。無人車載荷主要安裝于車身，包括車載計算機、定位設備、通信設備、傳感器、機械臂和殺傷武器，可以根據不同的應用場景進行合理配置。

1—車身；2—天線；3—多管助推榴彈系統；4—輕機槍；5—機械臂； 6—武器系統傳感器；7—全向傳感器；8—履帶；9—導輪； 10—負重輪及懸掛系統；11—主動輪圖6 無人車系統Fig.6 Unmanned vehicle system

災區的應用場景下，無人車搭載計算機、定位設備、通信設備、圖像傳感器、雷達生命探測儀和機械臂。圖像傳感器安裝在可全向旋轉的機械平臺上，對周圍環境進行探測識別；雷達生命探測儀適合于廢墟救援，探測儀安裝在機械臂上，以實現全方向探測能力。

低慢小目標防御，無人車搭載目標探測設備、殺傷武器。目標偵察設備使用雙目相機和紅外成像儀，為無人車或其他己方防御武器提供精確目標信息；殺傷武器攜帶多管助推榴彈和輕機槍，通過破片或彈丸對低慢小目標進行殺傷。

1.3 能源系統

立方平臺各模塊的主要用電設備包括各型無人載具、各類伺服機構、平臺內部設備包括綜合信息處理機、通信系統天線和處理機等。系統內部采用鋰電池組與太陽能電池組合供電模式，如圖7所示。鋰電池組主要包括立方體內的電池組，無人車/機裝載電池。太陽能電池板裝載在立方體外艙門內側及旋翼機停機坪上，作為補充能源，延長工作時間，確保系統可持續運行。投放前鋰電池組滿>電，保證投放后系統正常運行。

圖7 電源系統Fig.7 Energy system

各型無人機工作方式不同，功率差別大，電源管理模塊將鋰電池轉換為各個任務系統所需的電壓。固定翼機降落由無人車裝回發射架上并進行充能，四旋翼機在停機平臺上裝載有充電觸點，無人車在電量降低時返回儲倉進行充電。組網工作模式下考慮到部分立方單元的工作任務耗能需求較大不能完全滿足任務需求，無人機(車)可實施網絡化異母體充能。

1.4 通信系統

集群式偵察探測防御系統的通信系統功能主要包括天—地通信和地—地通信，針對這些需求本系統集成了2類天線：天—地通信的陣列天線和地—地通信的線極化天線[6]。為了實現組網通信，系統建立了4層通信體系：立方單元與衛星間通信、立方單元與立方體間通信、立方單元與無人機/車間通信、無人機/車與無人機/車間通信，4個分立的通信網絡構成了整個體系的通信系統，為了使4個通信系統協同工作并且不會相互干擾，設立了4層通信協議以及4個工作頻段[7]。為防止在無線傳輸過程中信息被截獲、指令被破解、控制單元被敵人所控制，在通信過程中進行加密，確保通信安全[8]。

2 指揮控制網絡

災區/戰區的面積大，單個系統的覆蓋能力有限，需要在目標區域里投放多個立方單元。各立方單元自主選擇落點，組成效率高、分布合理的通信網絡，實現區域全覆蓋。可實現區域信息整合，建立區域內的臨時通信中繼網絡等功能。

為遂行偵察防御系統任務需求，設計了一種3層指揮控制模式，分別為區域級、單元級、任務級指控系統，可用于多個系統間共享偵察情報和信息綜合處理[9]。系統拓撲結構如圖8所示。

圖8 通信與指揮控制結構圖Fig.8 Communication and command network

區域級指控單元處于指控網絡的最高層次，是集群偵察防御系統的指揮核心，根據指控關系網絡的建立規則，設立在區域內選定的立方單元系統中。區域級指控具有作戰任務分解、與用戶端通信、處理單元上報信息、偵察數據融合等功能。

單元級指控為立方體系統指控，負責立方體單元的指揮自動化工作。單元級指控接受區域級指控指揮控制，同時對任務級指控管理控制。主要功能包括管理本單元硬件設備、接收和處理區域級指控任務指令、規劃子載荷系統任務路線、向下發送控制指令、處理任務級指控的上報信息，接收和處理子系統傳感器探測信息等。

任務級指揮控制系統建立在執行協同任務的無人機、無人機械車等的混合任務編隊中，接受單元級指控指揮，根據任務特點設立在編隊中某一編組成員上，用于協同、控制單個或多個執行設備執行具體偵察任務[10]。任務級指揮控制系統的功能包括動態路線規劃、編隊控制、目標信息偵察與回傳[11]。

指控關系建立算法周期執行，支持自適應的指控關系建立，當部分單元失能或需要補充投放立方單元時適時調整拓撲結構，使得系統具有動態可重組、彈性抗毀傷的優勢[12]。

3 關鍵技術

(1) 集群智能協同技術

單無人機探測和執行任務的能力有限，多無人機組網，建立區域態勢感知，執行復雜任務時可以有效的協同配合，大幅度提高執行復雜任務的能力。目前，智能協同技術利用對自然界生物群體，如鷹群智能、狼群智能等協同機制進行模仿[13]，建立協同關系拓撲結構，采取快速有利的決策完成目標任務。

(2) 目標檢測與識別技術

目標檢測和識別技術是一種基于目標幾何統計特征的圖像分割技術，目前主要的目標識別算法分為3類，分別是基于區域信息的檢測算法、基于回歸的檢測算法以及基于搜索的檢測算法[14]。系統中，無人機利用相關目標檢測和識別技術，對傳感器采集到的原始數據進行處理，識別目標，并將處理得到的信息實時回傳立方系統。

(3) 多傳感器信息融合技術

多傳感器信息融合技術是指對若干傳感器的觀測信息在一定準則下加以自動分析和綜合，以完成所需決策和估計任務所進行的信息處理技術[15]。立方系統指揮集群執行任務，多個無人機經過任務規劃，以不同的路線和方位對任務目標進行偵察，在不同方位獲得目標信息，立方系統的信息處理系統利用多傳感器信息融合技術，獲得目標的態勢信息。

4 創新優勢與應用前景

集群式偵察探測防御系統由多個立方單元組成，系統采用4層通信網絡，并建立3級指控網絡，分層分級實現系統高效有序的通信和控制，實現區域內信息覆蓋和情報共享。

立方單元采用模塊化設計，各模塊可以根據需求調配和組合。無人載具針對任務選用不同類型偵察探測載荷，增強環境適應性。無人機集群的數量多、靈活性高、功能多，可以增加探測弧度，提高探測精度，實現多維多角度的探測。

各無人載具利用通信指控網絡，集成為組合偵察系統，采用多傳感器信息融合技術，提升系統的聯合偵察探測能力和大區域態勢感知能力。立方單元充分利用內部空間攜帶蓄電池，裝載太陽能電池板，提升續航工作時間。

本系統具有可觀的應用前景，在民用災區救援和軍事戰區偵察防御都可發揮重要作用，符合國家提出的“軍民融合”的發展需求。

在民用領域，系統可以在發生自然災害時快速、大量投放至受災區域，固定翼無人機可以迅速對受災區域內的地理信息進行采集，對災害程度予以評估，為后續的救援提供精確的地形信息。四旋翼無人機和多功能無人車則可以搭載地質/環境分析儀器、生命探測器等設備，為災后常出現的次生災害提供分析預報的參考，為后續的搜救工作提供信息。所投放的多個系統之間，可相互通信、組網，快速建立起災區的臨時通信網絡。

在軍用領域，系統配備固定翼無人機和四旋翼無人機組成的綜合探測系統，以及多功能無人車防御打擊系統，可以在作戰區域內進行集群式的偵察防御。立方系統可由運輸機攜帶，從戰區外部投放，滑翔部署至任務區域，通過無人機巡航建立地形信息、旋翼機集群作戰實現對低慢小無人機集群的多維多角度精準探測，執行任務區域偵察和態勢感知任務，實時回傳偵測信息。利用無人車對目標進行攔截和打擊，實現對低慢小和任務目標打擊防御。

5 結束語

本文設計了一種集群式偵察探測防御系統。對系統核心—立方單元的硬件設備進行了設計；設計了系統的通信指控網絡，實現對任務執行的協同管理和控制；基于立方單元和通信指控網，設想了系統的應用流程。同時，隨著智能化技術、傳感器技術、供電技術和計算機計算能力的發展，系統的自主化水平、探測精度、續航能力將會進一步提升，實現集群復雜度更高、更高效的偵察通信防御系統，以期系統可在災區救援探測、臨時通信中繼和軍事偵察防御等方面發揮重要作用。