符文星，郭 行，閆 杰

（1.西北工業(yè)大學(xué)無人系統(tǒng)技術(shù)研究院，西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué)無人系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，西安 710072）

1 智能無人飛行器內(nèi)涵及特征

基于未來戰(zhàn)爭深度信息化、智能化、無人化的特點(diǎn)，無人作戰(zhàn)相關(guān)概念和技術(shù)迅速發(fā)展［1］。近年來，民用和軍用無人機(jī)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場價(jià)值顯著增長，成本和功效的優(yōu)勢不斷突出，如何更好的把無人飛行器應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。結(jié)合人工智能、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)等新興前沿?zé)狳c(diǎn)，無人飛行器未來將向智能化、集群化方向發(fā)展。

智能無人飛行器是由無人機(jī)、導(dǎo)彈等無人平臺及其有關(guān)設(shè)備組成的有機(jī)整體，具有感知、學(xué)習(xí)、決策等智能特征，是可自主完成預(yù)期使命任務(wù)的無人飛行裝備。智能無人飛行器最重要的兩個特征是自主性和智能化，人工智能作為智能無人飛行器的關(guān)鍵技術(shù)之一，可顯著提升其自主性能力和智能化水平。

2 智能無人飛行器項(xiàng)目研究現(xiàn)狀

2.1 智能無人飛行器的智能自主能力評價(jià)

美軍采用自主控制等級來評價(jià)無人飛行器的智能化水平并將其分為10級，其中1～4級描述個體的智能化程度，5～10級描述群體的智能化程度［2］。隨著智能化水平的提升，無人飛行器由遙控制導(dǎo)向完全自主進(jìn)化，由個體自主向群體完全自主發(fā)展，由模擬人的個體屬性向模擬人的社會屬性發(fā)展［3］。

圖1 美軍無人飛行器自主控制等級Fig.1 Autonomous control level of US unmanned aerial vehicles

在美國無人軍隊(duì)理念中，新型的自主分析方法把自主性分為三級：第一等級是半自主操作，即人在回路內(nèi)，目前大多數(shù)無人飛行器在執(zhí)行任務(wù)過程中均需要人在回路來完成半自主控制；第二等級是監(jiān)督式自主操作，即人在回路上，無人飛行器必須具有一定的自主感知、決策和執(zhí)行能力，人可以監(jiān)督運(yùn)行并進(jìn)行干預(yù)；第三等級是全自主操作，即人在回路外，無人飛行器需要進(jìn)行自主感知、決策和行動，人在回路外對運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行評估并改進(jìn)［4］。

圖2 美國無人軍隊(duì)理念的自主性分級Fig.2 Autonomy classification of the idea of US unmanned army

2.2 美國智能無人飛行器項(xiàng)目研究進(jìn)展

美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）、航空航天局（NASA）等機(jī)構(gòu)從20世紀(jì)90年代起一直推進(jìn)人工智能技術(shù)在精確打擊武器、智能無人飛行器、集群無人飛行器和有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)等國防相關(guān)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。

在精確打擊武器方面，美軍正在研發(fā)的遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈（LRASM）項(xiàng)目是人工智能技術(shù)在導(dǎo)彈武器精確制導(dǎo)中的成功應(yīng)用案例。LRASM具有一定的感知和規(guī)劃能力，尤其是能夠在線進(jìn)行威脅感知。如果在飛行過程中出現(xiàn)未知威脅，該導(dǎo)彈可以及時感知并在線改變航跡，從而繞過威脅區(qū)。此外，在末端攻擊時，其不僅能識別目標(biāo)，還能自主判斷出目標(biāo)的薄弱或關(guān)鍵部位，從而將打擊效能最大化。

圖3 LRASM遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈Fig.3 Long-range anti-ship missile LRASM

在智能飛行器方面，X-47B無人攻擊機(jī)作為美國海軍空中無人戰(zhàn)斗平臺的驗(yàn)證機(jī)，連續(xù)創(chuàng)造了多個世界第一：它是人類歷史上第一架無人干預(yù)，由電腦獨(dú)立操控，具備監(jiān)視、情報(bào)收集和戰(zhàn)場打擊多功能的軍用智能無人飛行器；于2011年首飛成功，并于2013年實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)第一次在航母上的自主起降，在人類操作員手指指令的引導(dǎo)下能夠精準(zhǔn)的完成彈射和著艦任務(wù)；于2014年完成了和一架F18大黃蜂有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)的共同編隊(duì)飛行測試；于2015年實(shí)現(xiàn)了空中自主加油，從對接加油開始，一直到最后脫開整個過程完全是由電腦操作完成。上述幾種戰(zhàn)術(shù)動作對于人類飛行員來說非常困難，但卻均被無人機(jī)高質(zhì)量完成。

圖4 X-47B無人攻擊機(jī)Fig.4 Unmanned combat aerial vehicle X-47B

在微型無人機(jī)方面，美軍的山鶉無人機(jī)，長不到0.3m，質(zhì)量不到0.5kg，機(jī)身由凱芙拉合成纖維和碳纖維通過3D打印制成，并通過鋰離子聚合物電池供電。該無人飛行器可在40m/s的飛行速度下正常打開機(jī)翼，并在30m/s的風(fēng)速中保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定，并具備數(shù)據(jù)通信能力，未來將可廣泛應(yīng)用于集群化作戰(zhàn)。

圖5 山鶉集群無人機(jī)Fig.5 Cluster UAV Perdix

2016年10月26日，美國軍方在加利福尼亞州中國湖基地進(jìn)行了無人機(jī)集群飛行試驗(yàn)，用3架F/A-18超級大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)釋放了103架山鶉微型無人機(jī)，山鶉無人機(jī)并不是按照預(yù)設(shè)程序行動的個體，而是共享決策、協(xié)調(diào)行動，以很高的精度快速通過一系列航路點(diǎn)，順利到達(dá)設(shè)定位置。

圖6 小精靈集群無人機(jī)Fig.6 Cluster UAV Gremins

表1 DARPA小精靈無人機(jī)技術(shù)指標(biāo)Table 1 DARPA technical index of Cluster UAV Gremins

2015年9月，DARPA發(fā)布了小精靈項(xiàng)目公告，提出通過載機(jī)在防區(qū)外發(fā)射攜帶偵察或電子戰(zhàn)載荷、具備組網(wǎng)與協(xié)同功能的無人機(jī)蜂群，執(zhí)行離岸偵察與電子攻擊。并且最重要的功能是飛機(jī)可在空中自主的對無人機(jī)群進(jìn)行發(fā)射和回收。該項(xiàng)目分三個階段：2016年3月進(jìn)入第一階段——系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，該階段經(jīng)費(fèi)為1580萬美元；第二階段是為期約一年的技術(shù)成熟階段，只有第一階段的承包商才有資格進(jìn)入后兩個階段；第三階段是為期約一年半的演示驗(yàn)證及飛行試驗(yàn)階段。最終，DARPA希望在2020年左右實(shí)施飛行演示驗(yàn)證，驗(yàn)證空中發(fā)射和回收無人機(jī)群的可行性及作戰(zhàn)潛力。目前，DARPA設(shè)定的裝備規(guī)模是1000架小精靈無人機(jī)和25套載機(jī)設(shè)備。

2.3 智能無人飛行器有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)研究計(jì)劃

美軍近期在有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)方面的典型研究計(jì)劃包括：進(jìn)攻性蜂群戰(zhàn)術(shù)、拒止環(huán)境中的無人協(xié)同作戰(zhàn)、體系集成技術(shù)試驗(yàn)。

進(jìn)攻性蜂群戰(zhàn)術(shù)主要針對復(fù)雜的、動態(tài)的以及不可預(yù)測的城市作戰(zhàn)環(huán)境，無人作戰(zhàn)平臺在城市作戰(zhàn)中能夠發(fā)揮很好的作用，而無人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)效能將倍增。利用小型無人飛行器構(gòu)建的250個以上異構(gòu)自主蜂群系統(tǒng)，能夠在6小時之內(nèi)完成在8個街區(qū)的執(zhí)行任務(wù)。但是目前，美軍缺乏控制蜂群并與之互動的技術(shù)，且缺乏快速開發(fā)和共享適合于在多變的城市條件下應(yīng)用蜂群戰(zhàn)術(shù)的手段。

拒止環(huán)境中的無人協(xié)同作戰(zhàn)主要應(yīng)對敵方的強(qiáng)拒止環(huán)境，例如，敵方通過電磁干擾對我方系統(tǒng)的導(dǎo)航定位進(jìn)行拒止，或敵方對來襲的武器有較強(qiáng)的攔截能力。為滿足未來作戰(zhàn)需求，有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)的研究核心集中在有人/無人編組以及協(xié)同算法。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是開發(fā)新的算法和軟件，驗(yàn)證新型無人機(jī)在拒止環(huán)境中執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的自主性和協(xié)同行為。

體系集成技術(shù)試驗(yàn)的項(xiàng)目背景是美軍空中的優(yōu)勢正在受到挑戰(zhàn)，項(xiàng)目目標(biāo)是要維持在強(qiáng)對抗性環(huán)境下的空中優(yōu)勢，通過有人機(jī)/無人機(jī)協(xié)同配合，試圖使有人機(jī)在安全距離和安全距離之外操控?zé)o人機(jī)來完成空中的協(xié)同探測以及打擊任務(wù)。

3 智能無人飛行器作戰(zhàn)的發(fā)展趨勢

通過分析智能無人飛行器的典型作戰(zhàn)項(xiàng)目，未來智能飛行器在作戰(zhàn)上的應(yīng)用主要有三個方面：分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)、高度人機(jī)融合作戰(zhàn)和集群化作戰(zhàn)。

3.1 分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)

傳統(tǒng)的綜合性作戰(zhàn)平臺注重各項(xiàng)作戰(zhàn)功能的集中性，例如，美國在飛機(jī)上要求探測制導(dǎo)、武器裝備、火力打擊等各種能力不斷集成，導(dǎo)致平臺非常復(fù)雜。其中的典型平臺是美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)，它集中了指揮控制、電子戰(zhàn)、武器系統(tǒng)和探測系統(tǒng)等，體現(xiàn)集中式綜合作戰(zhàn)平臺的概念，這種龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)將導(dǎo)致綜合作戰(zhàn)平臺的成本越來越高，復(fù)雜性越來越大，對未來作戰(zhàn)極為不利，一旦遭到攻擊會受到非常大的損失。

而基于智能計(jì)算和分布式技術(shù)的分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)方式，把不同的功能分散到不同的平臺上。以空戰(zhàn)為例，下一代空戰(zhàn)可能不再以高價(jià)值的平臺為作戰(zhàn)核心，而是把作戰(zhàn)功能分布到不同類型無人機(jī)上。作戰(zhàn)任務(wù)由指揮控制無人機(jī)、攻擊型無人機(jī)、探測型無人機(jī)、電子戰(zhàn)無人機(jī)等各種類型無人機(jī)緊密協(xié)作、共同完成任務(wù)。分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)的優(yōu)勢在于各類型平臺功能單一，具有顯著的成本優(yōu)勢，但同時各無人機(jī)之間密切協(xié)作，有能力完成原來靠集中作戰(zhàn)平臺難以完成的一些作戰(zhàn)任務(wù)，從而提高作戰(zhàn)能力。

3.2 高度人機(jī)融合作戰(zhàn)

美國從2016年開始大力推進(jìn)忠誠僚機(jī)項(xiàng)目和人機(jī)融合項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)無人F-16戰(zhàn)機(jī)與有人F-16戰(zhàn)機(jī)的混合編隊(duì)。無人戰(zhàn)機(jī)作為武器載機(jī)和探測載機(jī)提高了空戰(zhàn)過程中分布式探測和預(yù)警能力，同時它還可作為高機(jī)動的武器載機(jī)，本身不需要具有探測能力而只搭載大量武器，形成小型武器庫實(shí)現(xiàn)武器的協(xié)調(diào)搭配。預(yù)計(jì)在未來無人戰(zhàn)場上，人機(jī)高度融合可以實(shí)現(xiàn)更加高級復(fù)雜的作戰(zhàn)功能和作戰(zhàn)方式，降低作戰(zhàn)損失和人員傷亡，從而獲得戰(zhàn)爭優(yōu)勢。

3.3 集群化作戰(zhàn)

群體智能是人工智能自主性的高級階段，智能無人飛行器將由智能個體作戰(zhàn)向智能集群作戰(zhàn)方向發(fā)展。無人機(jī)蜂群戰(zhàn)術(shù)可以把數(shù)量優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為質(zhì)量優(yōu)勢，整體功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過個體的疊加。同時無人機(jī)蜂群抗摧毀能力強(qiáng)，部分損失不影響整體功能。例如，美國山鶉無人機(jī)蜂群包含一百多架無人機(jī)，如果使用傳統(tǒng)方法攔截，成本極高，而且部分損失對它的整體作戰(zhàn)行動不會造成破壞性影響，因而其生存能力大大提高。

4 智能無人飛行器關(guān)鍵技術(shù)

4.1 智能態(tài)勢感知技術(shù)

未來智能無人飛行器的協(xié)同作戰(zhàn)需具有全面的感知能力，具體包括智能環(huán)境感知、智能目標(biāo)感知以及智能故障檢測等，未來作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜程度對戰(zhàn)場態(tài)勢感知的智能化程度提出了更高的要求。

圖7 無人飛行器智能感知分類Fig.7 Classification for intelligent situation awareness of Unmanned Aerial Vehicles

智能環(huán)境感知主要包括對自身狀態(tài)、外部環(huán)境和威脅區(qū)域的感知，具體又包含戰(zhàn)場環(huán)境、大氣環(huán)境、風(fēng)干擾、攔截威脅等戰(zhàn)場信息的全方位感知，通過傳感器濾波、多源信息融合等關(guān)鍵技術(shù)建立詳細(xì)的戰(zhàn)場環(huán)境信息。

智能目標(biāo)感知主要是指在復(fù)雜戰(zhàn)場態(tài)勢下敵方目標(biāo)的精準(zhǔn)識別。目標(biāo)感知問題相對復(fù)雜，采用圖像感知的導(dǎo)彈對目標(biāo)區(qū)域可視度、戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜度要求較高，另外，人工干擾也會顯著降低導(dǎo)彈的目標(biāo)感知能力。面臨復(fù)雜的干擾環(huán)境和大量戰(zhàn)場數(shù)據(jù)的融合處理，合理地將人工智能算法引入至目標(biāo)識別領(lǐng)域，將有效提升智能目標(biāo)感知的效率和性能。

智能故障檢測技術(shù)常常應(yīng)用于傳統(tǒng)的大型戰(zhàn)略導(dǎo)彈，主要應(yīng)對發(fā)射后的發(fā)動機(jī)動力損失。在發(fā)動機(jī)故障情況下，及時有效的故障感知以及在線制導(dǎo)控制重規(guī)劃，也可能促成飛行任務(wù)。目前，戰(zhàn)略導(dǎo)彈在典型動力損失故障下的可靠性研究還處于研究論證階段，當(dāng)其中一臺發(fā)動機(jī)動力損失20%～30%，甚至熄火的情況下，仍然要確保它能順利完成任務(wù)。

4.2 智能決策技術(shù)

智能決策技術(shù)可以與觀察-指引-決策-行動（OODA）循環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，從決策層和行動層兩個角度出發(fā)，在自主編隊(duì)、航跡規(guī)劃、智能突防和目標(biāo)分配等方面進(jìn)行智能決策。

實(shí)際操作中，預(yù)設(shè)的自主編隊(duì)情況和算法往往過于理想化，如何在線進(jìn)行動態(tài)編隊(duì)是目前需要解決的難題。在航跡規(guī)劃領(lǐng)域，飛行器和火箭需要克服飛行過程中各種干擾和威脅，通過智能決策系統(tǒng)進(jìn)行在線軌跡規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整打擊目標(biāo)范圍以及實(shí)現(xiàn)低彈道突防等。在智能突防領(lǐng)域，由于智能無人飛行器面對的攔截環(huán)境極為復(fù)雜，需智能感知威脅并在線進(jìn)行自主軌跡規(guī)劃，或改變飛行策略等，通過智能突防技術(shù)的提升可以有效提高導(dǎo)彈生存能力。在目標(biāo)分配領(lǐng)域，在導(dǎo)彈集群化打擊多個目標(biāo)的情況下，考慮多目標(biāo)打擊和部分飛行器受損的可能因素，如何進(jìn)行動態(tài)目標(biāo)分配也是需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)。

4.3 智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)主要應(yīng)對無人飛行器在大范圍跨域飛行、存在參數(shù)擾動或者突發(fā)的故障等情況下的智能、容錯控制等問題，確保無人飛行器穩(wěn)定完成飛行作戰(zhàn)任務(wù)。

未來戰(zhàn)場環(huán)境時空范圍增大，無人飛行器需要進(jìn)行大范圍的跨域飛行作戰(zhàn)，在這種情況下，飛行器氣動特性大范圍變化，控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性、持久可靠性、魯棒穩(wěn)定性問題等亟需通過智能控制技術(shù)予以解決。對于變形無人飛行器，其結(jié)構(gòu)外形所控制的系統(tǒng)參數(shù)等可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行變化，結(jié)合智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的全域穩(wěn)定控制和制導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化等功能。

4.4 人機(jī)交互與通信技術(shù)

人機(jī)交互與通信技術(shù)主要解決無人飛行器集群及人機(jī)協(xié)同應(yīng)用時的人與無人飛行器的信息交互和共享等問題，保障飛行器在強(qiáng)電磁對抗、拒止環(huán)境下等弱通信條件下仍能夠有效組網(wǎng)和協(xié)同。

當(dāng)無人飛行器集群進(jìn)行自主協(xié)同作戰(zhàn)時，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、虛擬化技術(shù)、分布式計(jì)算技術(shù)及負(fù)載均衡技術(shù)的綜合運(yùn)用必不可少。人機(jī)交互與通信技術(shù)將分散部署的作戰(zhàn)資源進(jìn)行有機(jī)重組，從而形成的一種彈性、動態(tài)的作戰(zhàn)交互與通信網(wǎng)絡(luò)。具備虛擬化、連通性、分布式、易擴(kuò)展和按需服務(wù)等特點(diǎn)的信息網(wǎng)絡(luò)可為“人機(jī)跨域協(xié)同作戰(zhàn)”等未來作戰(zhàn)樣式提供有力的信息支撐。

圖8 無人飛行器智能感知過程Fig.8 Intelligent sensing process of Unmanned Aerial Vehicle

5 結(jié)束語

將人工智能與無人飛行器相結(jié)合將成為提升無人飛行器自主能力和作戰(zhàn)效能的重要手段和必經(jīng)之路，未來的智能無人飛行器將以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠模仿人類思維，具備態(tài)勢感知、信息融合、自主決策、自主控制和組網(wǎng)協(xié)同能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自主、高動態(tài)與分布協(xié)同作戰(zhàn)。

未來軍用智能無人飛行器的發(fā)展必定要經(jīng)過分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)、高度人機(jī)融合協(xié)同作戰(zhàn)和集群化作戰(zhàn)的發(fā)展道路。隨著智能態(tài)勢感知、智能決策、智能控制和人機(jī)交互與通信等關(guān)鍵核心技術(shù)的不斷成熟進(jìn)步，智能飛行器的自主性能和作戰(zhàn)效能將進(jìn)一步得到質(zhì)的飛躍。