李 磊，王 彤，胡勤蓮，蔣 琪

(1.北京海鷹科技情報研究所，北京 100074； 2.中國人民解放軍91635部隊，北京 102249)

0 引言

本文的自主系統(tǒng)被定義為能夠?qū)?fù)雜世界中的突發(fā)情況采用適當(dāng)?shù)男袆?。在?fù)雜、不確定的情況下，自主系統(tǒng)能自主生成行動方案，可在一些廣泛應(yīng)用的場景中產(chǎn)生軍事優(yōu)勢。自主系統(tǒng)普遍應(yīng)用于三個方面：一是代替人類執(zhí)行決策任務(wù)以節(jié)省成本；二是人工智能(AI)產(chǎn)生比人類更高質(zhì)量的決策；三是人類無法及時做出決策時，自主系統(tǒng)的及時決策確保了任務(wù)的有效性。應(yīng)用三的一個常見示例發(fā)生在無人機和無人機之間的通信被拒止或延遲時。DARPA拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)(CODE)項目正在開發(fā)針對無人飛行器的軟件，以專門解決應(yīng)用三中的問題，這既是由于在任務(wù)執(zhí)行過程中可能會失去通信，又是由于任務(wù)的復(fù)雜性將超過人類快速反應(yīng)的能力。

圖2 拒止環(huán)境中的GPS

1 白軍網(wǎng)絡(luò)

LVC環(huán)境技術(shù)作為驗證系統(tǒng)作戰(zhàn)能力能否達(dá)到指定要求的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于美國國防部的測試中。在LVC環(huán)境中，執(zhí)行一系列測試計劃，復(fù)制真實測試系統(tǒng)(SUT)需要采取軍事行動的狀況，以便能夠準(zhǔn)備評估系統(tǒng)運作狀態(tài)和性能。虛擬-合成參與體被用來激勵SUT，使其能夠有效地度量系統(tǒng)需要的滿足情況，而SUT上的子系統(tǒng)實際上無法檢測或接觸合成參與體，因此經(jīng)常需要變通方法來創(chuàng)建所需的效果。例如，可以使用能夠檢測合成實體的替代傳感器進(jìn)行模擬，而不是使用真實傳感器，但無法檢測現(xiàn)實實體。另一種方法是模擬整個SUT并使用現(xiàn)實實體作為對測試環(huán)境的潛在增強。這種方法在早期開發(fā)測試期間運行良好，但系統(tǒng)需求的最終驗證通常需要現(xiàn)實SUT。這些方案的固有局限性表明，需要一種更創(chuàng)新的方法來處理測試中現(xiàn)實-合成交互影響問題。CODE項目的主要目的是驗證協(xié)同的無人機(UAV)在拒止環(huán)境中有效運行的能力。為CODE項目驗證開發(fā)的白軍網(wǎng)絡(luò)(WFN)需要能支持CODE虛擬/現(xiàn)實無人機測試，執(zhí)行過程中能動態(tài)地加入通信和全球定位系統(tǒng)(GPS)信息拒止。圖1展示了典型的通信拒止情況。CODE控制中心是用于監(jiān)視和控制所有測試活動的地面站。SUT是帶有CODE軟件的現(xiàn)實或虛擬的無人機。合成地面參與體是通過CODE合成軍力生成器(SFG)實例化和控制的合成實體(例如卡車或坦克)。最后，合成通信干擾器也是一個SFG產(chǎn)生的合成實體，但具有干擾通信的能力，其干擾范圍取決于發(fā)射機功率和干擾接收機的幾何形狀。在執(zhí)行測試期間，當(dāng)藍(lán)色部隊試圖通信時，WFN將阻止任何靠近干擾源的實體接收任何信息。圖2展示了GPS拒止環(huán)境中的使用。CODE虛擬或現(xiàn)實無人機是否處于GPS拒止?fàn)顟B(tài)目前是通過計算干擾源傾斜范圍獲得，更復(fù)雜的物理計算將在后續(xù)發(fā)展階段實現(xiàn)。當(dāng)被GPS拒止時，無人機將被迫使用僅有的慣性導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航根據(jù)指數(shù)分布由白軍網(wǎng)絡(luò)地面分量計算出漂移誤差。然后將漂移誤差發(fā)送到白軍網(wǎng)絡(luò)的空中組件，以生成CODE任務(wù)計算機的導(dǎo)航狀態(tài)信息。這造成CODE自主感知到的是不準(zhǔn)確的自身位置，會對其與其他CODE的無人機協(xié)同作戰(zhàn)的能力產(chǎn)生不利影響。因此，在通信和GPS拒止情況下，白軍網(wǎng)絡(luò)可以創(chuàng)建條件來研究拒止環(huán)境對CODE無人機自主執(zhí)行特定任務(wù)能力產(chǎn)生的相關(guān)影響。此外，白軍網(wǎng)絡(luò)解決了現(xiàn)實-合成實體的交互問題。CODE的SFG功能模塊通過無線(微波無線電中繼)鏈路接收無人機實時狀態(tài)更新，并根據(jù)傳感器定位、傳感器性能特性和局部作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)合成實體的位置/標(biāo)記確定可探測性。對于可探測的合成實體，目標(biāo)ID和位置經(jīng)由同一無線鏈路發(fā)送到機載WFN組件。然后，再將合成目標(biāo)信息插入到用于檢測實體的相同信號處理流中。該插入是在無人機自動目標(biāo)識別系統(tǒng)(ATR)系統(tǒng)完成后，將原始傳感器數(shù)據(jù)處理到各個目標(biāo)跟蹤，以避免人工合成實體插入實時場景生成的內(nèi)在復(fù)雜性。

圖3 WFN軟件架構(gòu)

2 WFN軟件體系架構(gòu)

WFN軟件體系結(jié)構(gòu)是一種分布式體系架構(gòu)，包含基于地面的軟件和位于SUT之上的軟件，如圖3所示。WFN架構(gòu)旨在利用高性能地面計算機來建模仿真數(shù)百個自主參與體之間的復(fù)雜交互，同時使用低功耗的處理器將合成數(shù)據(jù)建模RF事件直接插入SUT的自主控制系統(tǒng)中。WFN地面軟件使用的是面向服務(wù)的基于測試和培訓(xùn)體系結(jié)構(gòu)。TENA總線為測試資源管理中心開發(fā)，目前應(yīng)用在主要靶場和測試基地，用于支持系統(tǒng)測試。WFN主要的地面軟件服務(wù)有：測試執(zhí)行程序、合成軍力生成器(SFG)、通信服務(wù)器和操作員圖形用戶界面。地面系統(tǒng)還包括人工駕駛的合成飛行器(飛行模擬器)，能支持多個地面虛擬和/或合成性參與體。測試執(zhí)行模塊提供自動化測試管理和同步。操作員通過測試執(zhí)行模塊定義測試參數(shù)，建立測試初始條件，啟動、停止和同步WFN服務(wù)，并向發(fā)起測試事件的其他軟件模塊發(fā)送信息。測試執(zhí)行模塊還記錄測試事件和SUT響應(yīng)，與WFN操作圖形用戶界面一起顯示實時測試狀態(tài)和測試回放。SFG是一個基于代理的仿真器，它可以模擬真實的和合成的參與體以及它們之間的交互。仿真的事件是由SFG通過交互消息來報告的，這些消息報告了現(xiàn)實的-虛擬的、現(xiàn)實的-合成的、虛擬的-合成性的和虛擬的-虛擬的參與體之間的關(guān)系?；訄蟾媸菑牡孛嫦到y(tǒng)發(fā)送到現(xiàn)實參與體，通過實時、移動特設(shè)網(wǎng)絡(luò)鏈接。交互報告通過TENA總線發(fā)送給虛擬參與飛行器。地面通信服務(wù)器與機載通信服務(wù)器、SUT通信服務(wù)器協(xié)同工作，在地面系統(tǒng)組件和嵌入在SUT中的WFN軟件組件之間傳遞消息。地面和SUT通信服務(wù)器使用0MQ，它提供實時鏈接。通過使用實時網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，WFN可以防止插入的合成數(shù)據(jù)中的延遲。準(zhǔn)確評估SUT對合成激勵的自主反應(yīng)要求WFN在一個決策周期內(nèi)將激勵注入SUT信號處理鏈。在CODE軟件測試時，WFN需要注入合成EO信號和合成RF事件，包括以大于50 Hz速率進(jìn)行的通信和通信干擾。注入的合成數(shù)據(jù)既取決于地面SFG中的整體嚙合狀態(tài)，也取決于由SUT機載傳感器感知到的SUT的當(dāng)前位置和方向。WFN軟件體系結(jié)構(gòu)通過使用隔離的仿真體系結(jié)構(gòu)，基于地面的SFG仿真能夠?qū)Υ罅康娘w行器和飛行器關(guān)系進(jìn)行建模。在SUT上支持對鄰近飛行器和事件進(jìn)行高速、高保真的模擬，SUT可以訪問來自機載制導(dǎo)和控制傳感器的實時數(shù)據(jù)。通過在0MQ鏈路上通信參與飛行器位置來協(xié)調(diào)組成的系統(tǒng)。通過只傳輸那些可能與特定SUT交互的報告，可以最小的延遲和較低的帶寬完成這一任務(wù)。例如，如果SUT的傳感器的有效范圍為1 km，則通信服務(wù)器將過濾掉1 km以外關(guān)于參與者的所有報告。從SFG發(fā)送的消息，根據(jù)內(nèi)容，由傳感器激勵器、通信過濾器和命令過濾器在SUT上使用。CODE所追求的關(guān)鍵功能之一是自主飛行器識別和管理GPS拒止事件的能力。為測試GPS信號拒止情況下的能力，傳感器激勵器將機載GPS接收機提供的GPS分組修改為SUT的自主系統(tǒng)，將GPS數(shù)據(jù)與干擾事件中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等效呈現(xiàn)給SUT自主軟件包。而為保持飛行安全，WFN不會修改自動駕駛儀使用的GPS數(shù)據(jù)。不修改自動駕駛儀的GPS數(shù)據(jù)會導(dǎo)致自動駕駛儀和SUT自主使用的GPS數(shù)據(jù)不一致。GPS數(shù)據(jù)與自主GPS數(shù)據(jù)的不一致性會產(chǎn)生如下問題：當(dāng)SUT自主正確地檢測到GPS拒止時，產(chǎn)生一組自主駕駛儀命令，盡管GPS拒止，但自主駕駛儀仍能正確地實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，由于自主駕駛儀使用的GPS數(shù)據(jù)沒有被修改，自主駕駛儀將不會飛到自主軟件預(yù)定的航路點。為糾正這個問題，命令過濾器修改從SUT自主系統(tǒng)發(fā)送到自主駕駛儀的命令，減去傳感器刺激器注入的所有偏差，并將SUT飛到自主軟件預(yù)定的一個或多個路徑點。

圖4 RQ-23“虎鯊”

圖5 RQ-23“虎鯊”地面控制站

3 CODE測試

RQ-23“虎鯊”(見圖4)是一種質(zhì)量輕，耐久，多任務(wù)能力，低成本，可回收的無人機。RQ-23有一個高翼設(shè)計，只有一個推動器引擎，并由計算機輔助自動駕駛儀或飛行員在地面控制站(GCS)飛行。CODE軟件被加載到一個經(jīng)過特別改進(jìn)的RQ-23中，以支持現(xiàn)實測試。該軟件的設(shè)計目的是與RQ-23交互，指揮其行動，以實現(xiàn)協(xié)同自主的功能。測試安全始終是優(yōu)先事項，制定了足夠的安全措施，使SUT能夠在不受不必要限制的情況下運行，但要盡量減少無人機的損失、人員受傷或財產(chǎn)損失。CODE團(tuán)隊開發(fā)了一個子系統(tǒng)架構(gòu)，他們將其添加到RQ-23中，并在地面上為SUT軟件的運行創(chuàng)建了一個安全的環(huán)境，避免RQ-23置于不適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險中。RQ-23飛行器是通過位于任務(wù)地面站中的“虎鯊”GCS從地面控制的(見圖5)。任務(wù)地面站中設(shè)有飛行器操作員、任務(wù)指揮官、有效載荷操作員，以及2個輔助站供更多人員使用。地面站計算機使用數(shù)據(jù)鏈路與飛行器通信。增加的硬件部件是帶有天線的微波中繼無線電、F-Box智能交換機、監(jiān)控計算機、視頻編碼器和編碼任務(wù)計算機。定制軟件是為F-Box智能交換機和監(jiān)控計算機開發(fā)的。WFN軟件與參與體的CODE軟件一起托管在CODE任務(wù)計算機上。這些組成部分中的每一個都對進(jìn)行試驗至關(guān)重要。CODE項目前提是無人系統(tǒng)能夠在編隊中進(jìn)行通信。為不干擾正常的RQ-23操作，決定在RQ-23中增加一個微波中繼無線電。選擇微波中繼無線電是由于它的大小、質(zhì)量、功率(SWAP)和有機移動adhoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)特性能增加無人系統(tǒng)和地面測試系統(tǒng)之間通信的可能性。CODE軟件通過此通信中繼與其他無人系統(tǒng)、任務(wù)指揮站和WFN通信。微波中繼無線電使用現(xiàn)成的商業(yè)配置。F-Box智能交換機是CODE任務(wù)設(shè)備和RQ-23網(wǎng)絡(luò)的交互點。F-Box有2方面安全功能：一是對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行監(jiān)控，并對CODE網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行測量，以避免超出飛行功能安全所需的一體網(wǎng)絡(luò)；二是F-Box監(jiān)視RQ-23和GCS之間的主要指揮和控制鏈接。如果該鏈接丟失超過設(shè)定的時間，它就將CODE任務(wù)設(shè)備與RQ-23網(wǎng)絡(luò)斷開，以便允許經(jīng)批準(zhǔn)/經(jīng)過驗證的過程重新建立主通信。F-Box的硬件和軟件是專門為CODE設(shè)計和開發(fā)的。監(jiān)控計算機是RQ-23機載的一個小型計算機，具有保障飛行安全和測試行為能力。從CODE軟件到RQ-23的命令被路由傳到監(jiān)控計算機。然后，監(jiān)控計算機將這些命令過濾到允許命令的子集上。此外，CODE軟件命令采用STANAG 4586兼容格式。監(jiān)控計算機將這些消息轉(zhuǎn)換成Piccolo 1本地格式，并發(fā)送給RQ-23自動駕駛儀。轉(zhuǎn)換帶來2個好處：一是轉(zhuǎn)換使CODE軟件符合已知的便攜標(biāo)準(zhǔn)，即STANAG 4586；二是轉(zhuǎn)換增加安全性，避免 CODE軟件中的欺騙命令到達(dá)RQ-23自動駕駛儀。監(jiān)控計算機還從RQ-23接收系統(tǒng)狀態(tài)輸入，將其轉(zhuǎn)換為STANAG 4586兼容消息，并將其傳遞給監(jiān)控計算機任務(wù)計算機。監(jiān)控計算機軟件是專門為CODE設(shè)計和開發(fā)的。視頻編碼器使EO/IR傳感器圖像和密鑰長度值(KLV)以WFN可以操縱數(shù)據(jù)與軟件使用的方式配對。這種編碼器被用于其商業(yè)現(xiàn)成的配置。CODE任務(wù)計算機是一個高端、單板、迷你ITX計算機，具有必要的處理器、內(nèi)存、固態(tài)驅(qū)動器、電源、端口和連接器以支持CODE軟件和集成。所選處理器是為使幾乎任何選定的操作系統(tǒng)和CODE軟件都可以在其上運行。在飛行前，CODE軟件被加載到這臺計算機上，然后命令在測試期間運行。CODE任務(wù)計算機由專門為CODE程序打包的商用現(xiàn)成(COTS)部件組成。所有這些組件都集成在RQ-23主要設(shè)備艙中的一個單一的航空電子托盤上。這些組件的邏輯流如圖6所示。

圖6 CODE任務(wù)設(shè)備和指揮信息流框圖

命令、數(shù)據(jù)和無線電通信流進(jìn)出CODE任務(wù)計算機上的CODE軟件，流經(jīng)WFN空中軟件。這與WFN地面軟件一起，允許進(jìn)入CODE軟件的數(shù)據(jù)和無線通信量以及來自代碼軟件的命令和無線通信量被監(jiān)視、操縱或刪除。還提供強制CODE軟件處理無法在現(xiàn)實環(huán)境中復(fù)制的特定情況的能力。例如，可以模擬導(dǎo)彈交戰(zhàn)造成的實際無人機損失、無線電干擾造成的通信中斷等。當(dāng)CODE軟件輸出發(fā)送到WFN時，WFN空中軟件在必要時操縱該命令，并將命令發(fā)送給監(jiān)控計算機進(jìn)行處理。

圖7 CODE測試場景案例

4 測試情況

CODE第二階段系統(tǒng)的測試在美中國湖的海軍空戰(zhàn)中心武器部門(NAWCWD)進(jìn)行。飛行測試持續(xù)了2個月(2017年4月至5月)。圖7展示了一個測試方案。外面的多邊形描述了RQ-23飛行作戰(zhàn)區(qū)域。這些點代表預(yù)先編入CODE任務(wù)計算機的入口和出口航點。圓形代表CODE自主算法需識別和避免的障礙。三角形代表感興趣的點，RQ-23可以巡飛，再繼續(xù)飛行路徑前收集信息。星形代表一個建設(shè)性的通信或GPS干擾平臺，以啟動適當(dāng)?shù)陌总娋W(wǎng)絡(luò)來激勵CODE自主測試。白軍網(wǎng)絡(luò)的地面組件位于作戰(zhàn)區(qū)右下角的基站中。根據(jù)正在執(zhí)行的特定測試，白軍網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是實例化和模擬測試所需的虛擬和合成的仿真實體，包括配置CODE自主的虛擬RQ-23。白軍網(wǎng)絡(luò)還為敵對勢力建立干擾器模型，并創(chuàng)建通信或GPS拒止條件，用來驗證CODE平臺在拒止環(huán)境作戰(zhàn)的有效性。除模擬測試CODE自主性所需的作戰(zhàn)條件外，白軍網(wǎng)絡(luò)還負(fù)責(zé)收集實時測試數(shù)據(jù)。例如，白軍網(wǎng)絡(luò)地面組件記錄所有配置CODE的實體相對于所有有源干擾器的相對位置，以確保實現(xiàn)需要的通信和GPS的拒止?fàn)顟B(tài)。白軍網(wǎng)絡(luò)的空中組件記錄所有傳入的STANAG 4586消息量以及航路點數(shù)據(jù)和飛機狀態(tài)信息。對這些數(shù)據(jù)的分析有助于驗證白軍網(wǎng)絡(luò)是否滿足要求，并深入了解2個相互競爭的CODE設(shè)計的相對性能。該測試是第一次使用LVC環(huán)境在3級無人機上測試自主系統(tǒng)。該測試滿足了來自SUT測試場景需求的所有需求。此次測試顯示，阻礙該項目和飛行測試的最大挑戰(zhàn)之一是操作系統(tǒng)和CODE任務(wù)計算機內(nèi)部配置。5 結(jié)束語CODE項目第二階段已成功演示了配備CODE軟件的無人機在通信或GPS拒止環(huán)境中有效運行所需的自主協(xié)同能力。白軍網(wǎng)絡(luò)是CODE架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，它提供了LVC基礎(chǔ)設(shè)施，用來在一系列現(xiàn)場技術(shù)驗證中創(chuàng)建所需測試條件和仿真CODE自主性。白軍網(wǎng)絡(luò)將基于CODE項目第三階段的新能力要求繼續(xù)發(fā)展和成熟，并為下一階段的復(fù)雜運行環(huán)境提供合成軍力表示。白軍網(wǎng)絡(luò)通過未來智能自主系統(tǒng)可以展現(xiàn)其可重復(fù)使用功能。盡管目前已針對CODE進(jìn)行了配置，但白軍網(wǎng)絡(luò)可與采用“開放式架構(gòu)”標(biāo)準(zhǔn)的未來自主系統(tǒng)無縫連接。雖然并非完全“即插即用”，但白軍網(wǎng)絡(luò)提供了強大的LVC基礎(chǔ)功能，可擴展以滿足未來協(xié)同自主系統(tǒng)的需求?！?/p>