徐小斌 段海濱 曾志剛 鄧亦敏

摘 要：面對(duì)未來(lái)水上作戰(zhàn)環(huán)境的立體化、多樣化、復(fù)雜化，無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇在充分利用自身優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，能夠通過(guò)協(xié)同的形式獲得作戰(zhàn)效能的最大化，無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同控制為軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域的水上作業(yè)提供了新的技術(shù)手段。本文分別對(duì)空?？缬騾f(xié)同-機(jī)/艇協(xié)同概念、國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同發(fā)展現(xiàn)狀、無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同起降技術(shù)及無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同控制的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行了總結(jié)。研究表明，無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇空?？缬蛄Ⅲw協(xié)同控制作為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)和作戰(zhàn)理念，為未來(lái)異構(gòu)無(wú)人系統(tǒng)的研究發(fā)展指明了方向。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī); 無(wú)人艇; 無(wú)人系統(tǒng); 空?？缬? 異構(gòu)協(xié)同; 制導(dǎo)與控制

中圖分類號(hào)：TJ765; V279

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5048（2020）06-0001-06

0 引? 言

無(wú)人系統(tǒng)是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的主力軍，正朝著分布式、立體化、多域作戰(zhàn)的模式發(fā)展。無(wú)人平臺(tái)、武器系統(tǒng)及作戰(zhàn)運(yùn)籌的智能化對(duì)無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)在未來(lái)智能化戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用起著關(guān)鍵作用。智能化協(xié)同的無(wú)人系統(tǒng)集群作戰(zhàn)是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的主要形態(tài)，也是當(dāng)前及未來(lái)無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的研究重點(diǎn)[1]。

無(wú)人系統(tǒng)[2-3]作為有人系統(tǒng)的重要補(bǔ)充力量，以更加安全、隱蔽、高效、低廉的方式完成多種高危、復(fù)雜、繁瑣、重復(fù)的任務(wù)，成為異構(gòu)智能體聯(lián)合作戰(zhàn)體系的重要組成成分[4-5]。美國(guó)國(guó)防部在2018年8月30日公布第五版《2017—2042財(cái)年無(wú)人系統(tǒng)綜合路線圖》，旨在進(jìn)一步將無(wú)人系統(tǒng)整合到作戰(zhàn)體系，以確保各軍種的無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)及工作與國(guó)防部規(guī)劃保持一致[6]。2018年12月21日，中國(guó)工程院院士、同濟(jì)大學(xué)陳杰教授發(fā)表了題為《人工智能發(fā)展中的若干科學(xué)問(wèn)題及顛覆性技術(shù)》的報(bào)告，指出自主智能無(wú)人系統(tǒng)將是人工智能的發(fā)展方向，亟需各學(xué)科交叉融合以及各領(lǐng)域?qū)＜业耐献鱗7]。據(jù)預(yù)測(cè)，到2025年無(wú)人系統(tǒng)在美軍、俄軍武器裝備中的比例將達(dá)到30%以上，到2030年美軍60%的地面作戰(zhàn)平臺(tái)將實(shí)現(xiàn)無(wú)人智能化。

隨著無(wú)人機(jī)自主能力和智能化水平不斷提高，無(wú)人機(jī)不僅在任務(wù)偵察、目標(biāo)打擊等軍事領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而且在農(nóng)業(yè)植保、遙感測(cè)繪、森林消防及影視航拍等民用領(lǐng)域也被大量應(yīng)用[8-10]。可見，無(wú)人化智能裝備及武器越來(lái)越受到世界各國(guó)的關(guān)注。如今，世界軍事強(qiáng)國(guó)又紛紛把目光投向水上無(wú)人作戰(zhàn)艇[11]，作為未來(lái)海上戰(zhàn)爭(zhēng)的新銳武器，無(wú)人艇技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。同樣，無(wú)人艇也分為軍用和民用兩類，軍用無(wú)人艇主要用于海事安全及感應(yīng)掃雷等，民用無(wú)人艇主要用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋生物研究、海岸測(cè)量測(cè)繪、通信中繼、領(lǐng)海監(jiān)視等。無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中都存在各自的優(yōu)勢(shì)及其自身難以克服的短板，異構(gòu)無(wú)人系統(tǒng)的協(xié)同可以達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短、效能最大化的目的。

無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇跨域協(xié)同是當(dāng)今國(guó)際的前沿技術(shù)，引起了世界各發(fā)達(dá)國(guó)家和經(jīng)濟(jì)體的廣泛重視，并被列為無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展路線圖的戰(zhàn)略核心技術(shù)。我國(guó)將無(wú)人系統(tǒng)群體跨域協(xié)同列為未來(lái)的戰(zhàn)略發(fā)展方向[12]。無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同技術(shù)及裝備對(duì)維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益、管控我國(guó)水域資源起著至關(guān)重要的作用。

1 空?？缬虍悩?gòu)協(xié)同-機(jī)/艇協(xié)同概念

無(wú)人機(jī)作為一種自動(dòng)化作業(yè)工具，具有速度快、視野廣等優(yōu)勢(shì)。隨著無(wú)人機(jī)的自主能力和智能化水平不斷提高，以及無(wú)人機(jī)面對(duì)的復(fù)雜跨域協(xié)同任務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)，決定了未來(lái)無(wú)人機(jī)勢(shì)必朝著多域化、自主化、智能化、集群化方向發(fā)展[13-15]。但是在發(fā)展過(guò)程中，無(wú)人機(jī)續(xù)航能力短、載荷能力弱的缺陷極大地制約了其作戰(zhàn)效能。美國(guó)陸軍于2020年9月發(fā)布的《小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（Small Unmanned Aerial System，SUAS）戰(zhàn)略》，旨在將現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)和新型無(wú)人機(jī)整合到未來(lái)的無(wú)人系統(tǒng)編隊(duì)中，并能夠?qū)崿F(xiàn)多域作戰(zhàn)（Multi Domain Operations，MDO），以提升作戰(zhàn)效能。無(wú)人艇作為未來(lái)水上新銳武器，具有自主航行、智能避障、續(xù)航能力長(zhǎng)、載荷能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在軍用和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著工業(yè)4.0概念的提出，《中國(guó)制造2025》[16]等國(guó)家戰(zhàn)略接踵而至，正式宣告第四次工業(yè)革命開拔。隨著對(duì)無(wú)人系統(tǒng)自動(dòng)化、數(shù)字化、集群化和智能化要求的深化，相比于同構(gòu)多無(wú)人平臺(tái)，異構(gòu)多無(wú)人平臺(tái)可以利用不同個(gè)體的優(yōu)勢(shì)形成更強(qiáng)的多維空間信息感知能力，完成更復(fù)雜的工作[17-18]。針對(duì)無(wú)人機(jī)和無(wú)人艇自身存在的優(yōu)勢(shì)及短板，將無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇融合到海空軍作戰(zhàn)體系和民用領(lǐng)域中，將極大地改變未來(lái)?？章?lián)合作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)及跨域復(fù)雜任務(wù)執(zhí)行模式。李凌昊等[19]將無(wú)人機(jī)與水面無(wú)人平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)分為3類：無(wú)人艇為跨域中心的協(xié)同作戰(zhàn)、異構(gòu)平臺(tái)一體化的協(xié)同打擊作戰(zhàn)和異構(gòu)平臺(tái)協(xié)同探測(cè)隱身目標(biāo)。

2 國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同發(fā)展現(xiàn)狀

在無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇控制相關(guān)研究中，主要包括協(xié)同體系結(jié)構(gòu)、協(xié)同系統(tǒng)組成、協(xié)同任務(wù)分配、協(xié)同編隊(duì)、協(xié)同路徑規(guī)劃、協(xié)同控制等[18]。其中，無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇精準(zhǔn)協(xié)同起降控制對(duì)海面異構(gòu)平臺(tái)可靠執(zhí)行協(xié)同任務(wù)尤為重要，對(duì)保證其全天候任務(wù)執(zhí)行與安全具有重要意義。

作為無(wú)人艇的一類重要協(xié)作平臺(tái)，艦艇無(wú)人機(jī)對(duì)于拓展無(wú)人艇海上作業(yè)有著舉足輕重的作用[18]。2011年9月，美國(guó)成功進(jìn)行了無(wú)人機(jī)著艦試驗(yàn)，由此拉開了無(wú)人機(jī)自主著艦的序幕。2012年12月，法國(guó)在“拉斐特”級(jí)護(hù)衛(wèi)艦上進(jìn)行了艦載無(wú)人機(jī)自動(dòng)起降系統(tǒng)的海上試驗(yàn)并取得成功[20]。在無(wú)人機(jī)著艦的研究過(guò)程中，也付出了巨大的代價(jià)，美國(guó)EA-6B“徘徊者”著艦失敗，損失慘重。2016年，俄羅斯“雅克”-141在垂直降落著艦過(guò)程中瞬間毀滅。因此，對(duì)于無(wú)人機(jī)著艦的研究需要進(jìn)一步深化。

相比于大型艦艇，無(wú)人艇具有易操縱、成本低、自主性強(qiáng)、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在海洋測(cè)繪、水上救援、軍事偵察、協(xié)同打擊等方面發(fā)揮著巨大的作用。2017年美國(guó)海軍水面艦艇協(xié)會(huì)年會(huì)公布了空海協(xié)同系統(tǒng)概念圖，表示美國(guó)海軍未來(lái)將列裝單艇攜帶多架無(wú)人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的系統(tǒng)[17]，美國(guó)海軍空海系統(tǒng)概念圖如圖1所示。

2005年，5級(jí)颶風(fēng)“威爾瑪”登陸佛羅里達(dá)州羅曼諾角，南佛羅里達(dá)大學(xué)機(jī)器人輔助搜救中心出動(dòng)iSENYS直升機(jī)和一架無(wú)人水面艇AEOS-1對(duì)距離馬可島14 km的部分地區(qū)的破壞情況進(jìn)行調(diào)查，這是已知的第一次使用無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇聯(lián)合平臺(tái)進(jìn)行的應(yīng)急響應(yīng)，也是第一次體現(xiàn)出無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值[21]。

2017年，美國(guó)海軍實(shí)現(xiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)在RobotX競(jìng)賽艇上的降落。據(jù)美國(guó)《國(guó)防系統(tǒng)網(wǎng)》報(bào)道，美海軍開發(fā)的“幽靈艦隊(duì)”概念，是使水面、空中和水下的多個(gè)無(wú)人系統(tǒng)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)，在執(zhí)行廣泛的作戰(zhàn)任務(wù)的同時(shí)使海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)人員遠(yuǎn)離風(fēng)險(xiǎn)。以色列作為無(wú)人艇研究的另一支先驅(qū)隊(duì)伍，在“海上騎士”的基礎(chǔ)上，將無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同作戰(zhàn)作為海軍在無(wú)人艇發(fā)展方面的新方向。法國(guó)艦艇建造局（DCNS）于2017年5月成功實(shí)現(xiàn)3種無(wú)人系統(tǒng)（無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇和無(wú)人潛航器）的協(xié)同作戰(zhàn)，在歐洲范圍內(nèi)尚屬首次。

空?？缬騾f(xié)同不僅在軍用領(lǐng)域有極大的應(yīng)用價(jià)值，在民用領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用。2018年，由云洲、百度、比亞迪、零度智控和高巨創(chuàng)新等企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的由無(wú)人船（艇）、無(wú)人車（Unmanned Ground Vehicle，UGV）、無(wú)人機(jī)組成的“海陸空”無(wú)人系統(tǒng)聯(lián)合展演，震撼亮相世界上最長(zhǎng)的跨海大橋——港珠澳大橋，如圖2所示，向全世界展現(xiàn)了中國(guó)實(shí)力。2020年11月，長(zhǎng)江干流開展冬季執(zhí)法大練兵首次執(zhí)法巡航，無(wú)人機(jī)從游艇上起飛并在空中巡查污染源，但此次無(wú)人機(jī)是與游艇的合作，尚未實(shí)現(xiàn)自主。

3 無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同起降研究現(xiàn)狀

當(dāng)無(wú)人機(jī)距離陸地太遠(yuǎn)且剩余電量很低時(shí)，無(wú)人機(jī)必須在水上降落。無(wú)人機(jī)降落到無(wú)人艇上進(jìn)行能源補(bǔ)充是無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇異構(gòu)協(xié)同平臺(tái)的一項(xiàng)重要任務(wù)，也是無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)。無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同的一個(gè)關(guān)鍵步驟是無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇精準(zhǔn)起降，但機(jī)/艇精準(zhǔn)起降存在落點(diǎn)動(dòng)、區(qū)域小、干擾多等挑戰(zhàn)。

3.1 無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同平臺(tái)

早期的無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)作平臺(tái)之間的耦合很小。趙良玉等[22]對(duì)無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇自主降落的若干相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，主要包括：無(wú)人機(jī)自主降落到無(wú)人艇上的整個(gè)工作過(guò)程、無(wú)人機(jī)自主降落的引導(dǎo)技術(shù)和無(wú)人機(jī)自主降落的輔助技術(shù)等。Koo等[23]提出了一種基于無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)作平臺(tái)的水母配送管理系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)用于識(shí)別和估計(jì)水母的位置，無(wú)人艇根據(jù)無(wú)人機(jī)估計(jì)出的結(jié)果引導(dǎo)無(wú)人艇對(duì)水母進(jìn)行驅(qū)趕或清除。針對(duì)水上無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇救援平臺(tái)的研究，Dufek等[24]利用無(wú)人機(jī)提供溺水者的實(shí)時(shí)視頻，分別通過(guò)兩種視覺(jué)定位方法來(lái)估計(jì)無(wú)人艇的位置和方向，進(jìn)而協(xié)助無(wú)人艇導(dǎo)航。Omar[25]分別建立旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人艇模型，采用基于PID反饋回路的控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)模式下的無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同控制。由于無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同作戰(zhàn)性能受到通信能力的制約，Ma等[26]提出了一種適用于無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同的基于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的分布式動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通信框架。隨著無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇之間的聯(lián)動(dòng)能力逐漸增強(qiáng)，無(wú)人機(jī)與無(wú)人艇之間的耦合關(guān)系逐漸被關(guān)注。Shao等[27]設(shè)計(jì)了一種用于USV-UAV耦合系統(tǒng)的新型協(xié)作平臺(tái)，該平臺(tái)采用多超聲波聯(lián)合動(dòng)態(tài)定位算法，解決了耦合式無(wú)人偵察系統(tǒng)的定位問(wèn)題，并利用層次化的著陸引導(dǎo)點(diǎn)生成算法，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)降落到無(wú)人艇上的有效引導(dǎo)，如圖3所示。

3.2 基于視覺(jué)的無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇自主著艇技術(shù)

上海交通大學(xué)IPAC團(tuán)隊(duì)近年來(lái)一直在從事空地協(xié)同和空海協(xié)同方面的研究，于2018年在國(guó)內(nèi)最早成功實(shí)現(xiàn)了基于視覺(jué)的旋翼無(wú)人機(jī)自主水上精準(zhǔn)降落。2019年，上海交通大學(xué)通過(guò)GPS引導(dǎo)和視覺(jué)導(dǎo)航在夜幕中實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)自主著艇。同年，華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)相繼克服了識(shí)別慢、對(duì)不準(zhǔn)、跟不上、干擾大、難著艇等問(wèn)題，在廣東松山湖采用自主研發(fā)的HUSTER-68無(wú)人艇和無(wú)人機(jī)，成功完成了基于視覺(jué)的機(jī)艇協(xié)同運(yùn)動(dòng)起降。華中科技大學(xué)無(wú)人機(jī)艇協(xié)同起降試驗(yàn)如圖4所示，標(biāo)志著無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同技術(shù)再上新臺(tái)階。

無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同起降離不開精準(zhǔn)的導(dǎo)航技術(shù)。然而，常規(guī)的GPS導(dǎo)航方式并不能滿足無(wú)人機(jī)降落到無(wú)人艇上的精度要求; 慣性導(dǎo)航等其他導(dǎo)航方式也會(huì)存在受傳感器的限制及自身導(dǎo)航誤差積累而導(dǎo)致的精度降低問(wèn)題?；谝曈X(jué)的導(dǎo)航方式具有不依賴傳感器且誤差不積累等優(yōu)勢(shì)，因此常常被應(yīng)用到精準(zhǔn)導(dǎo)航中。Sanchez-Lopez等[28]通過(guò)卡爾曼濾波器保證了無(wú)人機(jī)估計(jì)的魯棒性，進(jìn)而依靠視覺(jué)實(shí)現(xiàn)自主著陸。Xu等[29]通過(guò)識(shí)別合作目標(biāo)點(diǎn)并進(jìn)行位姿估計(jì)的方式，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)降落到海面移動(dòng)目標(biāo)上。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)及深度學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展與深入，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤方式也被廣泛應(yīng)用到無(wú)人機(jī)降落過(guò)程的視覺(jué)處理。但是深度學(xué)習(xí)的方法依賴大量的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，算法運(yùn)算量大，很難做到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。Xu等[30]提出一種三階視覺(jué)檢測(cè)方法進(jìn)行無(wú)人機(jī)與無(wú)人艇之間的相對(duì)位姿估計(jì)，進(jìn)而控制無(wú)人機(jī)降落到無(wú)人艇上，最終在湖上進(jìn)行了驗(yàn)證。Young等[31]提出了USV/UAV輔助測(cè)量方法，該方法采用位于無(wú)人機(jī)上的視覺(jué)傳感器捕捉高分辨率圖像，以及部署在無(wú)人艇上的聲吶傳感器來(lái)獲取水深讀數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與無(wú)人艇的協(xié)同。

仿生視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展為視覺(jué)信息處理提供了新的思路。以鷹為代表的猛禽享有“天空之王”的美譽(yù)，具有極高的視覺(jué)敏感度[32-33]。鷹能夠在高空中發(fā)現(xiàn)海面上的魚，并迅速跟蹤鎖定目標(biāo)直至抓捕到魚，如圖5所示。Duan等[34]應(yīng)用仿鷹眼視覺(jué)的對(duì)比敏感度機(jī)制進(jìn)行合作目標(biāo)檢測(cè)，并利用特征點(diǎn)匹配實(shí)現(xiàn)精確的位姿估計(jì)，獲得了較高的精度。Deng等[35]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于仿

鷹眼視覺(jué)的目標(biāo)檢測(cè)視覺(jué)平臺(tái)，并采用顯著性分析的方法估計(jì)潛在目標(biāo)的位置。Wang等[36]通過(guò)對(duì)鳥類的視覺(jué)系統(tǒng)，特別是與視覺(jué)注意機(jī)制有關(guān)的細(xì)胞核進(jìn)行研究，

提出了一種分層視覺(jué)注意模型，用于顯著性檢測(cè)。Duan等[37]仿鷹眼視覺(jué)導(dǎo)航機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)的自主著陸。此外，為了更好地模擬鷹眼超強(qiáng)的視覺(jué)能力，北京航空航天大學(xué)的段海濱教授團(tuán)隊(duì)[32]研制出了一種仿鷹眼變分辨率視覺(jué)成像裝置，從實(shí)物的角度真正模擬鷹眼視覺(jué)。

無(wú)人機(jī)以其搜索范圍廣、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)無(wú)人艇搜索距離近、通信范圍小的缺陷，無(wú)人艇以其續(xù)航能力強(qiáng)的長(zhǎng)處填補(bǔ)無(wú)人機(jī)續(xù)航能力短的短板。因此，無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同[22]及基于視覺(jué)的無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇精準(zhǔn)起降協(xié)同是未來(lái)執(zhí)行戰(zhàn)爭(zhēng)任務(wù)、水上搜救、環(huán)境監(jiān)測(cè)等復(fù)雜任務(wù)的主要手段，也為實(shí)現(xiàn)空?？缬虍悩?gòu)協(xié)同奠定了基礎(chǔ)。

4 未來(lái)展望

無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中武裝偵察、目標(biāo)探測(cè)、陣地防護(hù)、武裝打擊、執(zhí)行特殊任務(wù)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋生物保護(hù)，且實(shí)現(xiàn)零傷亡、多重復(fù)工作任務(wù)的重要手段。無(wú)人艇作為海上作戰(zhàn)的新銳武器，會(huì)在未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中協(xié)同無(wú)人機(jī)、無(wú)人潛航器和無(wú)人車等，共同構(gòu)筑一個(gè)完整的無(wú)人化戰(zhàn)場(chǎng)[17]。

各國(guó)正在競(jìng)相發(fā)展多功能異構(gòu)無(wú)人系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇異構(gòu)協(xié)同是無(wú)人系統(tǒng)智能化、立體化的新生力量。無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇空?？缬虍悩?gòu)立體協(xié)同構(gòu)想如圖6所示。垂直起降無(wú)人機(jī)既具備多旋翼無(wú)人機(jī)懸停的優(yōu)勢(shì)，又具備固定翼無(wú)人機(jī)能夠高速航行的優(yōu)點(diǎn)，且兩種模式可以根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行切換。在保證通信正常的前提下，垂直起降無(wú)人機(jī)與水面無(wú)人艇的協(xié)同可以在有限的任務(wù)時(shí)間內(nèi)，收到更高的效益。

無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同作為水面武器裝備無(wú)人化發(fā)展的重要分支，將在未來(lái)軍事打擊、偵察巡邏、遠(yuǎn)海作戰(zhàn)、海上救援、地理測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，但要真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇的協(xié)同控制還需要解決以下關(guān)鍵問(wèn)題。

（1） 智能感知。對(duì)于任務(wù)環(huán)境的智能感知是使無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)作效能最大化的前提基礎(chǔ)。精確感知任務(wù)環(huán)境中的合作信息或威脅因素，使得無(wú)人機(jī)或無(wú)人艇在利用自身優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還能增強(qiáng)自身的存活率。模仿生物的視角實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別、跟蹤是計(jì)算機(jī)視覺(jué)長(zhǎng)期以來(lái)發(fā)展的方向和目標(biāo)，仿鷹眼視覺(jué)恰恰能為無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇對(duì)外界復(fù)雜環(huán)境的智能感知提供好的解決方案[38]。

（2） 環(huán)境自適應(yīng)。環(huán)境自適應(yīng)是無(wú)人系統(tǒng)在面臨復(fù)雜任務(wù)環(huán)境時(shí)的一個(gè)挑戰(zhàn)性問(wèn)題。在復(fù)雜多變的環(huán)境中準(zhǔn)確識(shí)別擅長(zhǎng)偽裝的目標(biāo)，對(duì)無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇來(lái)說(shuō)都是一個(gè)難關(guān)。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)、深度學(xué)習(xí)及仿生視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，使無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇具備環(huán)境自適應(yīng)及學(xué)習(xí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的能力是機(jī)/艇在空?？缬騾f(xié)同任務(wù)中致勝的關(guān)鍵。

（3） 提升無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇的自我生存能力。無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中難免會(huì)因?yàn)楣收隙鴵p失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，無(wú)人系統(tǒng)被擊落摧毀的案例也不在少數(shù)。因此，發(fā)展隱身技術(shù)是無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行協(xié)同任務(wù)的一個(gè)重點(diǎn)方向。

（4） 提升電磁網(wǎng)絡(luò)的安全性。無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同過(guò)程中高度依賴通信網(wǎng)絡(luò)，而二者之間進(jìn)行信息交互的通信網(wǎng)絡(luò)存在被敵人或其他電磁設(shè)備干擾的風(fēng)險(xiǎn)。因此，提升電磁網(wǎng)絡(luò)的安全性是無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)共享與交互的必要保障。

（5） 功能向攻擊性作戰(zhàn)平臺(tái)演變。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)和無(wú)人艇單體功能的不斷增加與完善，無(wú)人系統(tǒng)的自主性也越來(lái)越強(qiáng)，二者將融合為一個(gè)整體，在戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇的協(xié)同也不再局限于編隊(duì)、巡邏、測(cè)繪等單一的任務(wù)模式，而是可以拓展到具有攻擊性且更復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)中，轉(zhuǎn)變成具有精確打擊能力的無(wú)人武器裝備，這對(duì)于敵方航空母艦等大型海上作業(yè)裝備構(gòu)成了極大威脅。

5 結(jié)? 論

我國(guó)擁有廣袤的海洋國(guó)土，以及眾多的河流湖泊?？蘸？缬驘o(wú)人系統(tǒng)裝備的革新是“海上絲綢之路”戰(zhàn)略落實(shí)的必經(jīng)之路。隨著無(wú)人化、智能化技術(shù)的不斷進(jìn)步，同構(gòu)個(gè)體到同構(gòu)集群、同構(gòu)個(gè)體到異構(gòu)個(gè)體、同構(gòu)集群到異構(gòu)集群是在未來(lái)復(fù)雜任務(wù)環(huán)境中無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的一個(gè)必然發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇跨域任務(wù)模式將不斷拓展，其軍事價(jià)值受到世界各主要軍事強(qiáng)國(guó)的高度肯定和重視。無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇協(xié)同控制在空海跨域異構(gòu)協(xié)同有著不可替代的地位。同時(shí)，無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇精準(zhǔn)起降協(xié)同是無(wú)人機(jī)/無(wú)人艇能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的關(guān)鍵步驟[39]。未來(lái)，我國(guó)應(yīng)加大投入研制輕型水面無(wú)人作戰(zhàn)艇與無(wú)人機(jī)等其他無(wú)人系統(tǒng)的協(xié)同，使我國(guó)水面武器裝備建設(shè)體系更加完善。伴隨著水面無(wú)人系統(tǒng)的智能感知、信息融合、自主決策、動(dòng)態(tài)防撞、精準(zhǔn)起降等關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，必將推動(dòng)我國(guó)空?？缬蛭淦餮b備無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展到一個(gè)新臺(tái)階。

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Xu Xiaobin1，Duan Haibin1*，Zeng Zhigang2，Deng Yimin1

（1. Beihang University，Beijing 100083，China; 2. Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Abstract：

Facing to the three-dimensional，diversified and complex marine combat environment in the future，unmanned aerial vehicle （UAV） and unmanned surface vehicle （USV） make full use of their own advantages to maximize the effectiveness of cooperative operations. UAV/USV collaborative control provides a new technology for maritime operations in military and civil fields. The concept of air-sea multi domain cooperation- UAV/USV cooperation，the development status of UAV/USV cooperation，the technology of UAV/USV cooperation take-off and landing and the future development trend of UAV/USV cooperative control technology are summarized in this review. The research shows that the multi-domain air-sea three-dimensional cooperation of UAV/USV，which is regarded as a subversive technology and operational concept，points out the deve-lopment direction for the future research of heterogeneous unmanned systems.

Key words： UAV; USV; unmanned system; air-sea multi-domain; heterogeneous collaboration; gui-dance and control

收稿日期：2020-11-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1913602; U19B2033; 61803011）

作者簡(jiǎn)介：徐小斌（1990-），女，山東威海人，博士，研究方向是仿生智能信息處理。

通訊作者： 段海濱（1976-），男，山東廣饒人，博士，教授，研究方向是無(wú)人機(jī)自主控制。E-mail： hbduan@buaa.edu.cn