直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)信息融合技術(shù)與應(yīng)用

王曉衛(wèi)，來國軍，陳剛

陸軍航空兵學(xué)院

本文圍繞陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)選用的方法與時機、基于移動智能體的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、通用戰(zhàn)術(shù)圖像數(shù)據(jù)一致性處理方法，對美國陸軍航空兵直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)多源傳感器信息融合技術(shù)及裝備應(yīng)用進行介紹，為國內(nèi)直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)與裝備發(fā)展提供參考。

無人機因機動性高、人員零傷亡等優(yōu)點，在近年爆發(fā)的局部戰(zhàn)爭中表現(xiàn)突出。然而，受智能化水平等因素的限制，在未來相當(dāng)長的時間里，無人機難以取代有人機而獨立完成復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)。直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)可拓展直升機的作戰(zhàn)范圍，降低人員傷亡數(shù)量，提高直升機的戰(zhàn)場生存能力和作戰(zhàn)效能，是未來戰(zhàn)爭的主要作戰(zhàn)模式。

在協(xié)同作戰(zhàn)過程中，戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，陸軍須要考慮多種復(fù)雜要素，直升機飛行員須要跨系統(tǒng)收集、綜合分析直升機、無人機等裝備機載雷達(dá)、光電吊艙等傳感器數(shù)據(jù)，以及時應(yīng)對作戰(zhàn)任務(wù)需求。在此過程中，機組成員可能面臨認(rèn)知超負(fù)荷、意識喪失、任務(wù)效率降低等問題，人工處理信息的能力和戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力受限，無法進行有效決策。而多源傳感器信息融合技術(shù)能為直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)提供有效的戰(zhàn)場態(tài)勢感知信息，是陸軍奪取戰(zhàn)場制勝權(quán)的重要技術(shù)支撐之一。因此，信息融合、智能化輔助決策等技術(shù)如何有效提高直升機飛行指揮人員的態(tài)勢感知能力，受到世界諸多國家的高度重視。

多源傳感器信息融合技術(shù)

直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)多源傳感器信息融合技術(shù)是指，直升機從直升機、無人機、數(shù)據(jù)鏈等系統(tǒng)獲取的多源傳感器信息中識別、提取有用的信息，并將這些信息進行有效融合，生成通用戰(zhàn)術(shù)圖像（CTP），是直升機/無人機開展智能化協(xié)同作戰(zhàn)的基礎(chǔ)。該技術(shù)使用多種傳感器對同一目標(biāo)進行確認(rèn)，有效提高了目標(biāo)信息的可信度，消除二義性。

圖1和圖2顯示，偵察區(qū)域有4個目標(biāo)，橢圓表示目標(biāo)在某一個區(qū)域的可信度，傳感器報告的目標(biāo)位于橢圓的中心。其中，X表示傳感器1報告的2個目標(biāo)；O表示傳感器2報告的2個目標(biāo)。圖1是未使用多源傳感器信息融合技術(shù)、僅簡單根據(jù)兩種傳感器信息生成的戰(zhàn)場態(tài)勢圖。圖2為使用多源傳感器信息融合技術(shù)生成的戰(zhàn)場態(tài)勢圖。與圖1相比，圖2利用傳感器1和傳感器2對目標(biāo)進行確認(rèn)，并使用了信息融合技術(shù)，將位于橢圓中心、兩種傳感器所報告的目標(biāo)確認(rèn)為1個目標(biāo)。

圖1 根據(jù)兩種傳感器信息直接繪制的戰(zhàn)場態(tài)勢圖。

圖2 兩種傳感器信息經(jīng)融合后生成的戰(zhàn)場態(tài)勢圖。

美國陸航直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)信息融合技術(shù)

自20世紀(jì)90年代以來，美國陸軍航空兵（下稱美國陸航）一直在研究直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)模式和技術(shù)，先后完成了直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)樣式構(gòu)建、需求分析、作戰(zhàn)效能仿真與評估、關(guān)鍵技術(shù)驗證、協(xié)同作戰(zhàn)演示、現(xiàn)役直升機協(xié)同控制組件研制等工作，有效推動了直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力的提升。

為滿足直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)對指揮控制的需求，美國陸航與洛克希德-馬丁公司先進技術(shù)實驗室簽訂合同，計劃利用態(tài)勢感知與共享、輔助決策技術(shù)，提供態(tài)勢共享與評估能力，并在由美國陸軍航空應(yīng)用技術(shù)理事會（AATD)主持的“空中有人系統(tǒng)/無人系統(tǒng)技術(shù)”（AMUST）項目、“獵人遠(yuǎn)程殺傷編隊”（HSKT）先進概念技術(shù)項目中對多源傳感器信息融合技術(shù)進行驗證。

1993—1999年，美國ATL公司作為“旋翼機駕駛員助手”（RPA）先進技術(shù)驗證項目的二級分包供應(yīng)商，開展了信息融合技術(shù)研究。例如，該公司對直升機和無人機機載傳感器信息進行融合，生成通用戰(zhàn)術(shù)圖像，為直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)提供輔助決策。但信息融合技術(shù)經(jīng)AH-64D“阿帕奇”直升機演示后，ATL公司的研究人員發(fā)現(xiàn)，機載傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生時延、損壞或丟失等問題，很容易導(dǎo)致最終的融合信息不準(zhǔn)確、不完整。

針對這一問題，ATL公司的研究人員利用2年時間，使用基于移動智能體的數(shù)據(jù)挖掘方法，并將“旋翼機駕駛員助手”數(shù)據(jù)融合軟件和移動智能體軟件集成在該公司開發(fā)的可擴展移動智能體架構(gòu)（EMAA)上，實現(xiàn)了陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)（ABCS）信息、機載傳感器信息和數(shù)據(jù)鏈信息的有效融合。該方法使用移動智能體，從陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)等數(shù)據(jù)源中提取額外信息，有效增強了信息融合效果，改善了戰(zhàn)術(shù)圖像質(zhì)量，解決了原來僅依靠機載傳感器信息所造成的某些目標(biāo)數(shù)據(jù)缺失或很差的問題。下面圍繞直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的重點需求，對美國陸航信息融合技術(shù)及方法進行介紹。

陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)選用方法與時機

陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的信息種類和數(shù)量較多，與現(xiàn)有“旋翼機駕駛員助手”的數(shù)據(jù)融合時，將受到中央處理器、通信資源與時間的限制。針對此問題，ATL公司開發(fā)了智能分析函數(shù)，對“旋翼機駕駛員助手”軟件融合的目標(biāo)航跡進行評估。根據(jù)輸出結(jié)果，智能分析函數(shù)將包含極不準(zhǔn)確的位置或幾乎沒有分類信息的航跡標(biāo)定為須要高度關(guān)注的地理區(qū)域，然后移動智能體在陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫(JCDB)中搜索該地理區(qū)域，并從陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)中獲取更準(zhǔn)確或更好的分類信息。

基于移動智能體的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

盡管陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)擁有豐富的情報，但作為特定用戶的專用系統(tǒng)，這些豐富的信息很少被傳給美國陸航。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)連接時，如何用一種有效的方法對陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的信息進行監(jiān)控，并在通信帶寬允許的條件下有選擇性地進行信息檢索和識別，是美國陸軍面臨的挑戰(zhàn)之一。為此，ATL公司采用了基于移動智能體的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫中快速搜索到滿足通用戰(zhàn)術(shù)圖像需求的信息。移動智能體是一種軟件，能與環(huán)境進行交互，以便代表用戶執(zhí)行任務(wù)，從而實現(xiàn)用戶的目標(biāo)。移動意味著智能體能夠在通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間移動。智能意味著主體具有一定程度的主題領(lǐng)域知識，可自主做出影響自身行為的決策，以應(yīng)對不斷變化的環(huán)境。

可擴展移動智能體架構(gòu)為移動智能體創(chuàng)建行程或指令，移動智能體進而可以通過通信網(wǎng)絡(luò)快速到達(dá)陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫，對不斷更新的數(shù)據(jù)源進行持續(xù)檢索。一旦移動智能體發(fā)現(xiàn)更新的相關(guān)信息，便立刻報告給數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)將移動智能體所發(fā)現(xiàn)的信息及時融入通用戰(zhàn)術(shù)圖像。ATL公司開發(fā)的可擴展移動智能體架構(gòu)為移動智能體的部署提供一個基礎(chǔ)設(shè)施，其主要組件見圖3。

在圖3所示的可擴展移動智能體架構(gòu)中，移動智能體通過接口進行信息交互。服務(wù)器為移動智能體提供臨時數(shù)據(jù)存儲、計算等服務(wù)，或者充當(dāng)數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)訪問、電子郵件等外部資源的接口。事件用于觸發(fā)智能體與服務(wù)器、其他智能體進行信息交互。移動智能體的行為由行程控制，行為模式用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖描述了狀態(tài)/任務(wù)對應(yīng)關(guān)系、狀態(tài)轉(zhuǎn)換和邏輯轉(zhuǎn)換關(guān)系。這些移動智能體都使用類進行封裝，易于重用。圖4為移動智能體的哨兵行為模式示意圖。

圖3 可擴展移動智能體架構(gòu)的框架圖。

圖4 移動智能體的哨兵行為模式示意圖。

在圖4中，多源傳感器信息經(jīng)融合后首先生成一個基礎(chǔ)通用戰(zhàn)術(shù)圖像，分析函數(shù)對基礎(chǔ)通用戰(zhàn)術(shù)圖像的融合航跡質(zhì)量進行檢查，將極不準(zhǔn)確或幾乎沒有分類信息的航跡標(biāo)定為須要高度關(guān)注的地理區(qū)域，然后事件觸發(fā)調(diào)查移動智能體在陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫檢索所需的信息，調(diào)查移動智能體將查詢結(jié)果通過融合數(shù)據(jù)輸入接口發(fā)送至多源傳感器數(shù)據(jù)融合模塊，該數(shù)據(jù)融合模塊將信息進行融合，最后生成一種融合通用戰(zhàn)術(shù)圖像。

分析函數(shù)的作用是檢查通用戰(zhàn)術(shù)圖像的質(zhì)量，識別通用戰(zhàn)術(shù)圖像中須要高度關(guān)注的區(qū)域。ATL公司提出了3種戰(zhàn)術(shù)圖像檢查方法。

1.事前規(guī)劃策略

指揮員可能在戰(zhàn)前預(yù)測敵方行動的特定地區(qū)和時間，因此使用事前規(guī)劃策略對須要高度關(guān)注的區(qū)域進行規(guī)劃。

2.基于線性時間聚類的智能航跡檢查策略

根據(jù)地理空間范圍，線性時間聚類算法將現(xiàn)有跟蹤文件進行聚類，逐個對聚類目標(biāo)航跡進行檢查，如果聚類目標(biāo)航跡被認(rèn)為存在較大的位置誤差或者缺失大量識別信息，那么該地理區(qū)域?qū)⒈粯?biāo)定為須要高度關(guān)注的區(qū)域。

3.突然出現(xiàn)或消失的航跡區(qū)域被標(biāo)定為須要高度關(guān)注的區(qū)域

分析函數(shù)對通用戰(zhàn)術(shù)圖像中突然出現(xiàn)或消失的航跡進行檢查，將突然出現(xiàn)或消失的航跡的周圍區(qū)域標(biāo)定為須要高度關(guān)注的區(qū)域。在圖4中，當(dāng)分析函數(shù)確定了一個須要高度關(guān)注的檢查區(qū)域后，數(shù)據(jù)融合模塊將創(chuàng)建一個新的調(diào)查移動智能體。根據(jù)須要高度關(guān)注的矩形區(qū)域?qū)巧蟽牲c的經(jīng)度和緯度，新的調(diào)查移動智能體前往主機接口，訪問陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)源，以檢索須高度關(guān)注區(qū)域內(nèi)的航跡信息。美國陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫作為多個陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，包含了與當(dāng)前通用戰(zhàn)術(shù)圖像有關(guān)的豐富信息。調(diào)查移動智能體獲得陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫的訪問權(quán)后，形成一個查詢，用以提取須高度關(guān)注區(qū)域內(nèi)任何敵方目標(biāo)的航跡信息。

調(diào)查移動智能體的行程可以創(chuàng)建為兩種模式，一是查詢報告結(jié)束后，調(diào)查移動智能體仍持續(xù)查詢的哨兵行為模式；二是查詢報告結(jié)束后即刻停止的模式。在哨兵行為模式中，調(diào)查移動智能體通過定期重復(fù)查詢，持續(xù)監(jiān)視須要高度關(guān)注的區(qū)域，當(dāng)調(diào)查移動智能體發(fā)現(xiàn)須要高度關(guān)注的的區(qū)域信息時，將這些信息報告給融合數(shù)據(jù)輸入接口。

融合數(shù)據(jù)輸入接口收到調(diào)查移動智能體發(fā)送的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，按照多源傳感器的格式完成位置坐標(biāo)、速度和時間等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。如果陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫報告的時間為過去的數(shù)據(jù)，信息融合技術(shù)將采用預(yù)測算法對時間數(shù)據(jù)進行預(yù)測。

陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)與通用戰(zhàn)術(shù)圖像融合時數(shù)據(jù)一致性處理方法

“旋翼機駕駛員助手”軟件融合多源信息時，使用的數(shù)據(jù)多為從機載傳感器或機間數(shù)據(jù)鏈接收的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)含有時間標(biāo)簽。為此，ATL公司設(shè)計了一套陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的規(guī)范方法，以保證移動智能體收集的陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)與通用戰(zhàn)術(shù)圖像融合之前，完成時間數(shù)據(jù)一致性處理。

美國陸航直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)裝備應(yīng)用

在“空中有人系統(tǒng)/無人系統(tǒng)技術(shù)”項目和“獵人遠(yuǎn)程殺傷編隊”項目中，美國陸航提出了基于移動智能體、陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的信息融合技術(shù)，并驗證了這種信息融合技術(shù)的應(yīng)用效果。通過在“黑鷹”直升機上安裝“機動指揮官助手”（MCA）輔助決策系統(tǒng)，在“阿帕奇”直升機上安裝“作戰(zhàn)人員助手”（WA）輔助決策系統(tǒng)，美國陸航實現(xiàn)了協(xié)同作戰(zhàn)中不同機載傳感器數(shù)據(jù)與戰(zhàn)場情報數(shù)據(jù)源之間的共享和融合，構(gòu)建了一致性通用戰(zhàn)術(shù)圖像，使飛行員和機動指揮官能夠更好地利用通用戰(zhàn)術(shù)圖像，獲得戰(zhàn)場態(tài)勢感知信息。“作戰(zhàn)人員助手”支持“阿帕奇”直升機編隊作戰(zhàn)，而“機動指揮官助手”用于“黑鷹”直升機編隊指揮控制。圖5是基于AMUST-D/HSTK的直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系架構(gòu)圖。美國陸航通過在“阿帕奇”攻擊直升機的“作戰(zhàn)人員助手”輔助決策系統(tǒng)加入“戰(zhàn)斗助手”輔助決策組件，以及在“黑鷹”指揮直升機的“機動指揮官助手”輔助決策系統(tǒng)中加入智能體數(shù)據(jù)挖掘組件，在不同程度上減輕了飛行員駕駛直升機超低空高速飛行且執(zhí)行各種戰(zhàn)術(shù)任務(wù)時的工作強度，提高了飛行員的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力和即時反應(yīng)能力。

基于AMUST-D/HSTK的直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系的核心技術(shù)是，“機動指揮官助手”和“作戰(zhàn)人員助手”輔助決策系統(tǒng)首先使用移動智能體，獲取陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫中的情報信息，然后將移動智能體獲取的信息與多源傳感器數(shù)據(jù)進行融合，構(gòu)建可共享、更為準(zhǔn)確的通用戰(zhàn)術(shù)圖像，實現(xiàn)戰(zhàn)場輔助決策與多源傳感器信息的關(guān)聯(lián)，有效減輕飛行員的工作強度。

基于移動智能體的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和

結(jié)束語

信息融合技術(shù)，具有從陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)等數(shù)據(jù)源中挖掘數(shù)據(jù)，并與直升機、無人機機載傳感器數(shù)據(jù)進行有效融合的功能，可縮短觀察-判斷-決策-行動(OODA)作戰(zhàn)環(huán)的時間，減輕飛行員的工作負(fù)擔(dān)，為直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的戰(zhàn)場輔助決策提供有效支撐。這些信息融合技術(shù)的充分運用，將實現(xiàn)陸軍航空兵直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能的提升，構(gòu)建打贏未來智能化戰(zhàn)爭的信息優(yōu)勢。