直升機/無人機協同作戰智能輔助決策系統發展分析

王曉衛，來國軍，郭永昌

陸軍航空兵學院

在未來相當長一段時間內，直升機/無人機協同作戰仍然是主要作戰模式之一。美軍對直升機/無人機協同作戰的概念、關鍵技術、裝備、驗證試驗等方面進行了一系列研究，有效推進了直升機/無人機協同作戰的實戰化應用。本文總結美軍直升機/無人機協同作戰智能輔助決策系統的組成和關鍵技術，以期為國內從事直升機/無人機協同作戰研究的單位提供參考。

在軍事對抗中，直升機/無人機協同作戰能大幅提高直升機的戰場生存力。當前，美軍“阿帕奇”軍用直升機已經完成批改升級，并具備“1控4”第IV級有人機/無人機協同等級。

在不確定、非完全信息、開放的直升機/無人機協同作戰環境中，直升機飛行員要在較短的時間內從大量信息中獲取有用信息，形成正確認知并迅速做出決策，單純依靠人員指揮決策顯然不能滿足作戰需求。軍方迫切須要一種新的技術來輔助飛行員決策，以提升指揮速度。如何構建一種高動態、極其復雜、強對抗、不確定戰場環境下快速、準確和有效的智能輔助決策系統，是未來軍事領域研究的一個熱點課題。

為增強空中或地面指揮能力，美國陸軍航空發展局一直致力于態勢感知和輔助決策技術開發。當美國陸航應用技術理事會（AATD）發起“空中有人系統/無人系統技術”（AMUST）項目和“獵人遠程殺傷編隊”（HSKT）項目后，美國陸軍航空發展局參與其中，對直升機/無人機協同作戰的關鍵技術進行開發、驗證和部署。在協同作戰試驗中，“黑鷹”直升機安裝了機動指揮官助手（MCA），“阿帕奇”直升機集成了作戰人員助理系統（WA），最終，不同機載傳感器數據和戰場情報數據實現了共享和融合，形成連續的通用相關作戰影像（CROP），直升機飛行員和機動指揮官利用通用相關作戰影像，完成了作戰任務。

作戰人員助理系統的組成、功能與關鍵技術

作戰人員助理系統是波音公司鬼怪工廠根據“空中有人系統/無人系統技術”項目和“獵人遠程殺傷編隊”項目需求開發的輔助決策系統，可直接幫助“阿帕奇”直升機飛行員制訂和選擇行動方案，提高飛行員的態勢感知能力和輔助決策能力，飛行員因此可同時有效管理直升機和無人機，并集中精力處理重要的任務，如交戰規劃和戰術機動等。

組成與功能

作戰人員助理系統由無人機航線規劃、航線評估、火力攻擊、數據融合、無人機機載傳感器控制、飛行控制、無人機機載視頻記錄和圖像接收等模塊組成。各模塊的功能如下所述。

1.航線規劃模塊的功能

基于任務目的、約束條件、已知威脅、地形、時間和位置等條件，航線規劃模塊自動規劃無人機航線。

2.航線評估模塊的功能

該模塊計算、識別并顯示所規劃的航線和已知威脅源的風險，對當前航線面臨的風險進行評估，使用不同的顏色標注航線風險等級。黃色表示來自傳感器探測的威脅，紅色則表示航線可能在武器攻擊范圍內。

3.火力攻擊模塊的功能

根據航線、距離、位置、機動區域、火力范圍等因素，火力攻擊模塊計算出直升機飛行員完成目標偵察和武器發射所須要的最佳位置。

4.數據融合模塊的功能

該模塊具備多源異構數據融合功能，能夠將直升機火控雷達（FCR）、機載電路、數據鏈、光電/紅外吊艙、無人機等系統采集的信息進行融合。

5.無人機機載傳感器控制模塊的功能

傳感器控制模塊具有機載傳感器掃描范圍設定、通視位置計算及顯示功能。

6.飛行控制模塊的功能

該模塊具有第IV級有人機/無人機協同等級，可直接獲取無人機收集的影像和其他數據，并對無人機飛行和任務載荷進行控制。

圖1 AH-64D“阿帕奇”直升機安裝的作戰人員助理系統界面。

圖2 作戰人員助理系統顯示的無人機飛行控制界面。

7.無人機機載視頻記錄和圖像接收模塊的功能

該模塊具有記錄無人機視頻的功能。通過該模塊，無人機與指揮直升機安裝的陸軍機載指揮和控制系統（A2C2X）之間實現了視頻、數據接收與發送。

關鍵技術

為使直升機更好地規劃航線并具備規避威脅的能力，作戰人員助理系統須使用基于火控雷達的目標跟蹤、多源傳感器數據融合和假目標剔除等核心技術對戰場態勢和威脅進行評估。

1.火控雷達目標跟蹤技術

在沒有數據融合的情況下，直升機機載火控雷達掃描目標時，上一幀掃描探測到的所有目標都會從顯示信息中被刪除，由新的掃描結果取代。然而，操控員很難確定新掃描目標與上一幀掃描目標之間的一一對應關系。基于相關匹配的火控雷達目標跟蹤算法能較好地解決這一問題，有效提高戰場影像的穩定性、準確性和完整性。對于第一次掃描的目標，火控雷達使用序號標注該目標的軌跡；對于第一次掃描之后的目標，算法對新掃描目標和上一幀掃描目標間的相關性進行檢測，并對關聯目標的軌跡進行更新，以確保關聯目標的軌跡保持連續性，后續未被掃描和強化的目標不會隨著新的掃描立即消失。作戰人員助理系統使用一種基于時間的方案來最終消除那些沒有得到強化的目標軌跡。

2.多源傳感器數據融合技術

在協同作戰中，目標數量是飛行員重點關注的態勢感知信息之一。如果火控雷達獲取的目標數據不進行融合，當火控雷達掃描的目標也被其他傳感器（例如光電/紅外吊艙）探測時，戰術態勢圖將顯示兩個符號對應同一個目標，從而影響飛行員對戰場態勢的判斷。數據融合技術將不同傳感器獲取的目標數據進行軌跡關聯，讓飛行員準確識別多傳感器探測的目標，為飛行員準確感知戰場目標數量等要素提供支撐。

3.假目標剔除技術

假目標剔除技術根據相關跟蹤信息，進一步提高跟蹤信息的精度并減少戰術影像中的雜波。當一個目標被火控雷達掃描后，后續這個目標沒有被掃描且增強，其軌跡將衰減或“老化”。經過一段時間后，戰術態勢圖中的這個目標將被刪除。

機動指揮官助手的組成、功能與關鍵技術

指揮官利用機動指揮官助手控制有人機/無人機編隊協同作戰。圖3顯示，“黑鷹”直升機通過改進型數據調制解調器（IDM）和戰術通用數據鏈（TDCL），實時獲取“阿帕奇”直升機和“獵人”無人機傳輸的信息。機動指揮官助手共享和融合所有傳感器獲取的情報數據，增強了指揮官的態勢感知能力，實現了直升機與無人機之間的協同控制。

圖3 美軍“空中有人系統/無人系統技術”項目和“獵人遠程殺傷編隊”展示的協同作戰場景。

美國陸軍機載指揮與控制系統安裝機動指揮官助手后，稱為改進型機載指揮與控制系統，其外形詳見圖4。

圖4 改進型機載指揮與控制系統示意圖。

機動指揮官助手的組成與功能

機動指揮官助手由處理器、戰術通用數據鏈、Link 16數據鏈、機載視頻記錄儀和圖像收發機/單通道地面和機載系統（AVRIT/SINCGARS）、改進型數據調制解調器/單通道地面和機載系統（IDM/SINCGARS)組成，包括輔助決策、分布式數據融合和基于智能體的數據發現（ABDD）等模塊。各模塊的功能如表1所述。

表1 機動指揮官助手的模塊及其功能。

“黑鷹”直升機安裝的改進型機載指揮與控制系統顯示的綜合態勢感知畫面詳見圖5。該態勢感知畫面顯示了任務、編隊、航線、目標、設備等信息。其中，“黑鷹”直升機利用Link 16數據鏈將目標請求信息傳輸給F/A-18“超級大黃蜂”戰斗機；直升機和無人機通過戰術通用數據鏈傳輸位置、傳感器控制和飛行控制等信息；“黑鷹”和“阿帕奇”直升機使用改進型數據調制解調器傳輸航線和目標等信息。

圖5 改進型機載指揮與控制系統顯示的綜合態勢感知畫面。

關鍵技術

作為機動指揮官的輔助決策系統，機動指揮官助手須要處理多個信息源中的2000多個目標數據，涉及基于移動智能體的數據挖掘、多源傳感器數據融合、葡萄藤數據分發等核心技術。

1.基于移動智能體的數據挖掘技術

自1995年以來，洛克希德-馬丁公司先進技術實驗室一直致力于基于移動智能體的數據挖掘技術開發，為數字化戰場信息傳輸、更新和監控提供支持。智能體是一種軟件架構，能與環境交互并代表用戶執行任務。智能意味著智能體具有感知、認知環境或主題領域的能力，對變化的環境及時做出決策。移動則表示智能體能在網絡節點之間移動，從而利用本地檢索不到的資源。

2.多源傳感器數據融合技術

多源傳感器數據融合技術能實時融合本機和它機提供的多源傳感器信息，形成統一的戰場態勢感知影像。機動指揮官助手中的信息融合系統使用融合調度和融合控制模塊來滿足數據實時輸入和處理的要求。其中，融合調度模塊對待處理數據進行評估，確定應使用哪種算法來融合數據，并選用適當的內核來處理數據；融合控制模塊對融合算法的性能以及資源使用情況進行監視，當內存或CPU等資源使用在某一融合進程中超過限制時，該模塊適時啟動優先級或輸入數據下采樣等應用控制策略。融合調度、融合控制、融合算法模塊化開發和配置這一頂層控制策略，使智能輔助決策系統有效擺脫了對硬件性能的依賴。

3.葡萄藤數據分發技術

葡萄藤架構最初由洛克希德-馬丁公司開發，它根據每個節點的信息需求，實現最大限度帶寬條件下的信息共享，這樣每個節點就可以只傳輸對下一節點有實際價值的信息。傳感器數據實時共享為每個參與者構建了一個完整的通用影像。美國國防預研局（DARPA）小型單元操作項目采用了該架構。

作戰人員助理系統和機動指揮官助手的異同點

美軍作戰人員助理系統和機動指揮官助手均安裝有無人機飛行控制、分布式數據融合和輔助決策軟件。但是，兩者協同層級和使用對象不同，其異同點如下所述。

首先，作戰人員助理系統主要供攻擊直升機飛行員使用，輔助低空高速飛行直升機中的飛行員與無人機協同作戰，旨在最大程度降低飛行員的工作強度，提高直升機武器系統的智能化程度。盡管作戰人員助理系統和機動指揮官助手都可實現第IV級有人機/無人機協同等級，例如直升機直接接收無人機傳輸的數據和控制無人機飛行。但對于武器控制層面，攻擊直升機與無人機系統協同作戰時，作戰人員助理系統可對無人機機載武器發射時間和戰位進行規劃；而機動指揮官助手屬于指揮層級，須要使用數據鏈將火控雷達獲取的目標信息發送至無人機。

第二，機動指揮官助手主要供指揮直升機的機動指揮官使用。在作戰人員助理系統的攻擊規劃、無人機飛行控制、傳感器控制、航線規劃等模塊基礎上，機動指揮官助手增加了態勢感知信息顯示、無人機飛行控制、編隊管理、通信管理、交戰管理等模塊，以編隊管理代替無人機飛行控制，以交戰管理代替攻擊規劃。此外，指揮直升機上沒有機載光電/紅外吊艙等傳感器，因此機動指揮官助手主要負責聯合監視與目標攻擊雷達系統、Link 16數據鏈和聯合公共數據庫（JCDB）等系統的數據融合。

第三，作戰人員助理系統和機動指揮官助手的硬件平臺和操作系統存在較大差別。作戰人員助理系統采用的是Vxworks操作系統，其處理環境不支持面向對象程序中標準內存常規分配和釋放等操作；而機動指揮官助手采用了Linux操作系統。盡管存在上述差異，二者共享同一個底層數據融合軟件。

總結

在未來戰場上，對抗態勢高度復雜且瞬息萬變，各種信息交匯，形成海量數據，人腦難以快速、準確地處理海量信息。直升機/無人機協同作戰智能輔助決策系統采用多源傳感器信息融合等技術，提升了直升機/無人機協同作戰能力，縮短了直升機/無人機協同預測、感知、認知的時間，提高了決策效率，在較大程度上提升了直升機在瞬息萬變戰場上的作戰能力和生存力。