美軍有人-無人協同作戰發展與趨勢分析

蔡亞梅，寧 勇，郭 濤

（中國航天科工集團8511研究所，江蘇南京 210007）

0 引言

2020年2月，波音公司和美海軍成功用一架有人EA-18G“咆哮者”電子戰飛機控制了2架經無人改裝的“咆哮者”飛機。5月，首架“航空力量協同系統”（ATS）作戰無人機原型機交付澳大利亞皇家空軍（RAAF），該機將作為“忠誠僚機”與第四、第五代戰斗機協同執行多種任務，這標志著向可遂行有人-無人戰斗機編隊或ISR任務邁出重要一步。

有人-無人協同作戰是世界軍事強國著眼于未來強對抗環境而探討的全新作戰樣式。美國等率先進行了概念發展計劃與能力試飛驗證，先后提出了空間分散體系結構、空中分布式作戰、海上“分布式殺傷”、陸上“狼群”分布式電子戰系統等協同作戰理念，主要思想是將昂貴大型裝備的功能分解到大量低成本的小型平臺上，并通過自主、協同等技術達到相同或更高的作戰能力。空客公司在“未來空戰系統”（FCAS）中還引入了“空戰云”（ACC）概念，用于連接有人和無人平臺，為快速協調戰斗提供編組情報信息服務。

目前以美歐等國為首的軍事強國已經在有人-無人協同作戰方面取得了階段性的成果，開展了多項有人-無人協同作戰的項目驗證。本文概述了美軍典型有人-無人協同作戰相關項目的進展情況，并分析了未來發展趨勢。

1 有人-無人協同作戰能力

有人-無人協同作戰能力包括以下幾個方面：

1）協同探測。利用有人-無人機的多個資源跟蹤同一目標，可有效提高跟蹤質量，極大增強有人-無人戰斗機編隊的態勢感知能力。

2）協同防御。有人-無人機協同防御的最大優勢在于提高了威脅告警能力。多機編隊進行機載告警設備組網，對來襲導彈等威脅目標協同告警，以增強對威脅目標來襲方向、威脅程度的告警準確性。

3）協同攻擊。在信息化、網絡化、體系對抗環境下，有人作戰飛機與UCAV聯合編隊系統中，有人駕駛飛機可能成為戰斗中的指揮信息中心，UCAV將成為射手和彈藥庫。

2 美軍相關項目發展

近年來，為了充分利用無人機獲取作戰優勢，美軍對有人-無人協同作戰不斷進行探索和驗證，強調有人-無人協同作戰，發展有人機控制無人機進行協同探測、協同防御、協同攻擊的作戰樣式，提高作戰能力。陸軍把有人-無人編隊（MUM-T）作戰作為重點能力進行建設，并已取得積極進展；空軍正在研究以“忠誠僚機”為代表的有人-無人機協同作戰；海軍陸戰隊計劃大力發展有人-無人平臺的協同能力；有人-無人編隊協同作戰是“第三次抵消戰略”重點發展的五大技術領域之一。

美空軍在《2016—2036年小型無人機系統飛行規劃》中對“蜂群”、“編隊”、“忠誠僚機”三種概念進行了說明和比較。圖1表明MUM-T是未來改變游戲規則的概念之一。

圖1 MUM-T是未來改變游戲規則的概念之一

典型項目包括空軍“忠誠僚機”、陸軍“無人機控制最佳角色分配管理控制系統”（SCORCH）、海軍“戰術管理系統項目”（TBM）、DARPA“體系集成技術與試驗”（SoSITE）、“拒止環境中協同作戰”（CODE）、“空戰演進”項目等。

2.1 “忠誠僚機”項目

“忠誠僚機”項目由美空軍研究實驗室（AFRL）于2015年發起，旨在將第四代戰機進行無人駕駛技術改裝，并將其與第五代隱身戰機配對，使第五代戰機（長機）的駕駛員可以對無人機（僚機）進行控制，從而讓雙方的作戰能力都有所加強，尋求有人-無人機編隊作戰的能力。

根據設想，在危險環境情況下，無人機飛在有人機的前方扮演突防角色，定位和追蹤目標，從而有效保證第五代戰斗機遠離危險境地，避免遭受到來自對手的致命反擊。必要時，無人機也能夠在長機駕駛員的指令下，向目標發射彈藥。圖2為美空軍空中優勢2025“系統之系統”和“忠誠僚機”選項及成本。

圖2 美空軍空中優勢2025“系統之系統”和“忠誠僚機”選項

1）設計目標

“忠誠僚機”設計目標是：交付能夠進行高效有人-無人機編隊的靈巧自主性系統；創建能夠實現任務目標的多個無人機組成的、自主協同編隊；確保能夠在復雜電磁環境下作戰；確保系統能夠在意料之外的動態環境下安全、有效運行。

2）技術目標

發展新型網絡協議，以滿足自主系統的網絡要求；重點關注應用層、傳輸層和網絡層上的解決方案；發展無人自主系統網絡能力。

①應用層：新的應用層協議需滿足自主系統的應用需求。

②傳輸層：在嚴重延遲的限制下，需具有擁擠控制的能力，最大限度地提高端對端數據傳輸的可靠性；在需求不同的情況下，需通過多種數據流共享資源。

③網絡層：開發多徑/無徑路由、低開銷路由和網絡管理、靈活的服務和準入控制、高動態環境中的路由。

3）關鍵技術

關鍵技術領域包括：動力技術、自適應與分散式任務規劃技術、傳感器融合技術、作戰識別技術、任務優先化與分發技術、通信適應性技術、駕駛員適用界面與工作量管理技術、拓撲結構和信息交互模式、任務結束后的人-機任務報告技術等。

4）發展歷程和進度安排

2015年7月，“忠誠僚機”概念研究正式啟動。同年開展了首輪演示試飛（即“海弗-空襲者I”），利用1架F-16戰斗機和1架扮演無人作戰飛機的F-16試驗機形成長、僚機編隊，完成長機指控僚機、自主編隊飛行、僚機航線跟隨、僚機完成長機制定的預先規劃任務后，進行戰斗毀傷評估、僚機重新加入編組、自動空中防撞系統等演示。

2016年3月，AFRL發起“忠誠僚機自主性測試”征詢書，要求自主系統必須能夠完全實現“忠誠僚機”從一個地面站出發和在完全沒有專職的人員引導下，來完成所有基本的戰斗操作。

2017年1月，AFRL發布“自主網絡”征詢書，旨在為“忠誠僚機”項目的自主系統尋求網絡通訊技術，以期解決有人-無人機編隊的機載聯網問題。自主網絡通信技術的發展，可有效滿足美空軍“忠誠僚機”項目對機載聯網的能力需求。3月，美空軍第二次成功演示有人-無人機編隊，主要驗證三方面能力：基于任務優先級別和現有資源自主規劃和執行空地打擊任務的能力；在執行空地打擊任務中出現自動管理能力故障、線路偏差以及通信丟失的情況下，對多變的威脅環境做出自主反應的能力；完全兼容美空軍開放式任務系統（OMS）軟件集成環境，能夠迅速集成多家供應商開發的軟件組件。

2020年5月，首架“航空力量協同系統”（ATS）作戰無人機原型機交付澳大利亞皇家空軍（RAAF），該機將作為“忠誠僚機”與第四、第五代戰斗機協同執行多種任務。該機的交付標志著向可遂行有人-無人戰斗機編隊或ISR任務邁出重要一步。

目前，AFRL正在加緊研制新的計算機算法，著手為第四代戰斗機“植入”人工智能，力求讓無人“戰隼”完全自主地協同飛行。

AFRL計劃在2020—2022財年進行無人機“忠誠僚機”項目的演示驗證，展示無人機僚機如何在高對抗環境中與有人機協同作戰。演示驗證內容包括：一是攻擊任務的演示驗證，計劃在2020財年進行，重點驗證利用無人機投送武器，或為有人機進行目標指示；二是壓制敵防空任務的演示驗證，計劃在2022財年利用1架真正的無人機僚機開展有人機-無人機編組打擊實驗，使用無人機發現、確認和定位敵方雷達，由其單獨或協同進行防區內或防區外干擾，搶先發射反輻射武器或在與有人機協調后發射武器。

2.2 美陸軍有人-無人協同作戰項目系列

美陸軍對未來作戰的設想是將有人機和無人機混編，執行各種任務。先后開展了有人-無人機協同作戰的一系列研究和試驗，如圖3所示，歷經機載有人/無人系統技術（AMUST）、“獵人遠距殺手”（HSKT）、VUIT2、L2MUM、BDRVT、SCORCH、SUMIT、MUMT-X等多個項目。陸軍關注的實現有人-無人協同作戰所需技術的三個關鍵領域是：1）傳感器和傳感器輸出，為人機編隊提供所必需的共享態勢感知信息，包括物理和電磁環境、位置和導航數據、威脅位置和目標數據、后勤和健康狀況及損傷評估；2）通信網絡，以支持MUMT在士兵和機器之間及時傳輸信息以及處理電子干擾、敵人網絡攻擊及電子戰；3）無人系統的認知功能。

圖3 美陸軍有人-無人協同作戰項目發展歷程

2013年8月，美陸軍航空發展局啟動無人機控制最佳角色分配管理控制系統（SCORCH）項目，旨在開發出一套無人機控制系統，可使空中任務指揮官同時管理多架無人機，從而在不增加操作人員工作量的情況下提高任務效率。SCORCH系統提供了一項獨特的協同整合能力，將人-機互動、自主性和認知科學領域的最新技術進一步融合到一套整體的作戰系統中。SCORCH系統由智能無人機自主行為軟件和高級用戶界面組成，系統界面針對多架無人機控制進行了優化，設有具備觸摸屏交互功能的玻璃座艙、一個配備專用觸摸顯示屏的移動式游戲型手動控制器、一個輔助型目標識別系統以及其他高級特性。SCORCH系統允許一名空中任務指揮官同時有效控制3架無人機；機上任務指揮官可將控制任務委托給一架或多架無人機，并在任務達到關鍵決策節點時通知任務指揮官；16名陸軍飛行員利用該系統完成了為期2天的訓練、試驗和反饋。試驗結果表明，SCORCH系統在不增加指揮員工作負荷的情況下提高了陸軍的態勢感知能力和任務成效。

2017年11月，美陸軍授予L3技術公司MUMT-X項目合同，支持美陸軍“阿帕奇”有人-無人機編隊拓展能力計劃，如圖4所示。MUMT-X計劃支持有人機與無人機間的通信與數據共享，為AH-64E型戰機提供了一種轉型作戰能力，從而較原有的無人機控制系統更穩健、輕便和經濟。L3將提供經過測試驗證的“阿帕奇”MUMT-X計劃，支持MUMT運行及空-空-地（AAG）視距數據鏈路。

2020年2月，美陸軍選定持久系統公司研發能實時傳輸信息和有人-無人編組協同作戰的安全通信網絡系統，為機器人和其他自主系統的“有人-無人編組作戰”（MUM-T）提供“功能強大、安全可靠、高流通量的通信網絡”系統，將情報、監視與偵察任務集成到傳統作戰支援行動中。該網絡系統有助于陸軍推進新一代“可選載人戰車”與4輛無人遙控戰車結合。

圖4 MUMT-X將裝備美陸軍“阿帕奇”V(6)

2.3 美海軍戰術管理系統項目（TBM）

該項目是由美海軍研究實驗室（NRL）研發的一項采用人工智能技術的軟件系統。在模擬的超視距空戰任務中，系統采用智能體引導有人機-無人機編組的無人“僚機”，旨在實現有人機飛行員對無人機編隊的控制，簡化無人機和有人機的協同作戰控制。

戰術管理系統項目（TBM）主要構成因素包括目標推理、計劃、行為識別和預測等，核心部件為行為識別器、計劃執行預測器和計劃器組件，通過組件之間的規劃協作執行主動行為識別。圖5顯示了戰術管理系統項目（TBM）的高級構架，TBM通過抽象接口從空戰模擬器接收原始的不完美狀態信息，原始數據由圖5中的“知識邊緣更新器”處理加工，解析相關的狀態信息并填補系統知識中可能存在的空白。

圖5 戰術管理系統項目（TBM）高級架構圖

2.4 DARPA體系集成技術和試驗（SoSITE）項目

2014年5月，DARPA發布體系集成技術和試驗（SoSITE）項目指南，尋求開發并實現用于新技術快速集成的系統架構概念，其目標是探索一種更新的、更靈活的方式，將單個武器系統的能力分散到多個有人/無人/武器平臺上，即通過開展分布式航空作戰體系架構研究，保持美國在競爭環境下的空中優勢，發展能夠快速集成任務系統/模塊到體系的技術，研究驗證體系對抗的有效性以及體系架構的穩定性。

SoSITE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、戰爭管理、定位導航和授時以及數據/通信數據鏈等，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，從而降低全新航空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。圖6為SOSITE作戰示意圖。

圖6 SoSITE作戰示意圖

2020年計劃內容：部署STITCHES（System of Systems Technology Integration Tool Chain for Heterogeneous Electronic Systems）集成技術；完成工具鏈升級；進行系統之系統結構現場飛行試驗；設計體系結構聯盟，規劃與國外合作者之間的集成。

2021年計劃內容：為美空軍和美海軍進行現場飛行試驗；建立并部署STITCHES訓練軟件；把SOSITE STITCHES工具鏈交付給美空軍和海軍。

2.5 DARPA“拒止環境中的協同作戰”（CODE）項目

“拒止環境中的協同作戰”項目于2014年提出，旨在通過有人機指揮偵察和攻擊無人機（UAV）在電子干擾、通信降級以及其他惡劣運行環境中，進行偵察監視、火力打擊、電子對抗、中繼通信等任務分配與自主協同，共同完成作戰任務，提升體系作戰能力，圖7為CODE作戰示意圖。CODE無人機群在執行任務的過程中可以相互或向指揮官分享數據，共同協商任務分配，實現行動同步。CODE項目特別注重協同自主領域技術的提升，使得無人機組可以在一個操作人員的管理下協同工作。無人機將不斷判斷其自身和周邊環境，并為任務操作者反饋無人機組行動建議。操作者可以允許、不允許或讓無人機組收集更多數據。采用CODE技術的無人機將可發現目標，并根據建立的交戰法則與目標交戰。并在最小人員參與情況下，調用臨近的采用CODE技術的無人機；適應與友軍之間的摩擦或意想不到的敵方威脅等突發情況。

該項目共分三個階段，進展順利，第三階段已于2018年底結束。2019年4月，美軍使用6架“虎鯊”和14架“幽靈”無人機在亞利桑那州陸軍尤馬試驗場進行了一次模擬演習，旨在訓練無人機在缺乏現代通信基礎設施的情況下如何協同作戰。

圖7 CODE項目作戰示意圖

2.6 DARPA“空戰演進”項目

2019年5月，DARPA宣布啟動“空戰演進”（ACE）項目，目標是使飛行員能夠在其飛機和無人機小組成員攻擊敵機和地面目標的同時，執行廣泛的全球空中指揮任務。尋求在復雜的空戰機動中更多地依賴人工智能（AI）和機器自主，包括有人駕駛飛機和無人戰斗機（UAV）；開發使能技術，在各種作戰場景中增強有人和無人戰斗機的協作。“空戰演進”（ACE）將讓人類飛行員處理復雜的工作，如制定總體交戰戰略、選擇目標和選擇武器，并使無人戰斗機能夠處理飛機的機動和交戰戰術。然而，要實現這一點，人類飛行員必須能夠信任他的無人僚機，在敵人處于可視范圍內的情況下執行像格斗之類的復雜戰術。

ACE項目是DARPA戰略技術辦公室（STO）為了實現其新型作戰概念——“馬賽克戰”（Mosaic Warfare）而開展的項目之一。“馬賽克戰”概念利用眾多動態、協同、高度自主的可組合系統開展網絡化作戰。

ACE項目主要解決4個方面的技術挑戰：為局部（個人和團隊戰術）行為建立戰斗自主性；建立和校準對空戰局部行為的信任；將戰斗自主性性能和信任擴展到全局（異構多機）行為；建立全面的空戰實驗基礎設施。該項目將自動空中格斗的戰術應用到更復雜的、異構的、多飛機的戰役級模擬場景，為未來實時、戰役級的“馬賽克戰”試驗奠定基礎。圖8為ACE功能。

該項目分三個階段：第一階段（18個月）的重點是在模擬和仿真環境中開發和驗證關鍵能力；第二階段（16個月）和第三階段（16個月）將分別在小型飛行器和全尺寸飛行器中進行相同任務。

圖8 ACE功能

3 發展趨勢分析

1）有人-無人協同作戰是未來強敵體系作戰的必然發展趨勢。

從以美國為首的軍事強國近年來提出軍事體系作戰理念（多域戰、馬賽克戰、全域戰等等）以及進行協同作戰列項深入研究來看，有人-無人協同作戰是作戰力量的倍增器，是未來強敵體系作戰的必然發展趨勢。美軍空中系統編隊發展路線如圖9所示，美空軍作戰實驗室對有人-無人機智能協同作戰能力的評估結論是：完成戰術偵察任務所需的時間縮短10%；識別和上報高價值目標的數量增加15%；提供給指揮官的關鍵信息增加了30%。有人-無人智能協同作戰所具備的巨大潛能必將大大提升未來體系作戰效能。

圖9 美軍空中系統編隊發展路線圖

2）隨著深度學習、模式識別、腦科學等人工智能技術的突破性進展，有人-無人協同作戰將向更為先進的編隊作戰發展。

隨著深度學習、模式識別、腦科學等人工智能技術的突破性進展，隨著自主技術的不斷發展，要實現無人機完全自主作戰需要具備復雜戰場環境理解能力、戰場態勢綜合分析與判斷能力、對手和目標戰術意圖的預估、及時響應能力以及面對意外事件的處理等智能化能力，未來將推動有人-無人協同作戰向更為先進的編隊協同作戰方向發展，其趨勢如圖10所示。

4 結束語

圖10 協同作戰發展趨勢

本文介紹并分析了美軍有人-無人協同作戰的發展概況。著眼于未來強對抗環境，各軍事強國都在關注有人-無人機協同作戰樣式的研發，不斷推出新理念、新項目，不斷進行演示驗證工作，且已取得階段性成果。應進一步加強以下幾方面的研究：加強有人-無人協同的頂層規劃和體系構建，利用人的決策優勢更好發揮無人作戰平臺特點，實現整體作戰效能最大化，成為今后一個時期內比較現實可行的空中作戰方式；突破平臺、鏈路通信、指揮控制以及傳感器協同等關鍵技術的研發，在無人機與有人機共用空域的基礎上，先突破有人-無人機編隊基礎問題，在解決編隊生存性的同時，通過一系列項目，突破通用數據鏈、指揮控制架構等關鍵技術，增強任務效能，然后集成驗證；加強對抗措施研究。隨著有人-無人協同作戰的順利進展，加強對抗措施研究，以提升防空體系自衛能力。