張賾 紀(jì)紅霞 楊楨 鄒宇

網(wǎng)絡(luò)化、集群化是無人機(jī)發(fā)展的重要趨勢，信息技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)這一趨勢發(fā)展的關(guān)鍵。在現(xiàn)代信息化條件下的陸、海、空、天、電五維一體的戰(zhàn)爭中，無人機(jī)既能執(zhí)行各種非殺傷性任務(wù)，又能執(zhí)行各種軟、硬殺傷任務(wù)，包括戰(zhàn)場偵察、監(jiān)視、通信、電子干擾、雷達(dá)誘騙等作戰(zhàn)任務(wù)。

無人機(jī)的發(fā)展起源于軍事運(yùn)用需要，從1914年第一架無線電遙控飛機(jī)出現(xiàn)，到現(xiàn)在全球矚目的“全球鷹”、“捕食者”，我國的“翼龍”系列、“彩虹”系列等，無人機(jī)在現(xiàn)代信息化條件下的陸、海、空、天、電五維一體的戰(zhàn)爭中，既能執(zhí)行各種非殺傷性任務(wù)，又能執(zhí)行各種軟、硬殺傷任務(wù)，包括戰(zhàn)場偵察、監(jiān)視、通信、電子干擾、雷達(dá)誘騙等，還可進(jìn)行精確打擊、定點(diǎn)轟炸，及代替人員在核生化或其它特殊條件下執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。在民用領(lǐng)域，無人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測繪、交通監(jiān)管、工農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)、安全（警用）、電力巡線等行業(yè)。在這些工作中，無人機(jī)能夠充分的發(fā)揮其智能化的優(yōu)勢，可以完成其他手段無法完成或難以完成的任務(wù)，被稱之為“智能化飛行器”。

如果說傳統(tǒng)的無人機(jī)作為空中平臺，是先進(jìn)動力學(xué)、材料學(xué)的高度集成，那么現(xiàn)代無人機(jī)作為信息系統(tǒng)載體，則是由于先進(jìn)信息技術(shù)的注入而被賦予了“生命”和“靈魂”，其系統(tǒng)應(yīng)用效能得到極大的提升。

信息系統(tǒng)在無人機(jī)系統(tǒng)中的重要性

從應(yīng)用的整體意義角度來看，“無人機(jī)”系統(tǒng)指的并不僅僅是一個飛行器平臺，還應(yīng)該包括平臺所搭載的執(zhí)行不同任務(wù)的有效載荷、用于實(shí)時傳輸?shù)孛娴倪b控?cái)?shù)據(jù)、機(jī)上遙測數(shù)據(jù)和任務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)鏈路、實(shí)現(xiàn)對飛行平臺/任務(wù)進(jìn)行指揮控制的地面站以及系統(tǒng)運(yùn)輸、檢測、起降輔助設(shè)備等各個保障分系統(tǒng)。從系統(tǒng)組成來看：全系統(tǒng)800以上是信息系統(tǒng)。

概括地說，無人機(jī)系統(tǒng)是集合了各個分信息系統(tǒng)的綜合信息系統(tǒng)，控制系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的“大腦”，主要完成飛行、操縱、指揮控制和任務(wù)管理等功能。數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o人機(jī)系統(tǒng)的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，為保障飛行獲取信息提供通道支撐。任務(wù)設(shè)備是無人機(jī)系統(tǒng)的“眼和手”，一方面獲取信息，另一方面實(shí)時任務(wù)。數(shù)據(jù)處理和分發(fā)系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的“中轉(zhuǎn)站”，將無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)分至區(qū)域內(nèi)的信息系統(tǒng)及大區(qū)域的其他信息系統(tǒng)。例如，體系化火力打擊武器信息支援系統(tǒng);體系化空地一體無人作戰(zhàn)系統(tǒng);體系化警用反恐處突一體化指揮系統(tǒng);體系化無人機(jī)對抗系統(tǒng)等;

無人機(jī)信息系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)系統(tǒng)是典型的信息化裝備，美國在《2013-2038年無人系統(tǒng)綜合路線圖》中提出了無人系統(tǒng)面臨的九項(xiàng)瓶頸技術(shù)，其中互操作性、自主性、通信、安全、傳感器、計(jì)算機(jī)等六項(xiàng)都與信息技術(shù)密切相關(guān)。

一般來說，無人機(jī)系統(tǒng)的信息技術(shù)，可分為通信技術(shù)，控制技術(shù)，定位導(dǎo)航技術(shù)，信息處理技術(shù)等四大技術(shù)。

通信技術(shù)

無人機(jī)通信技術(shù)在無人機(jī)系統(tǒng)中起到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的作用，通過高效、迅捷的通信，各類指令和信息及時的傳遞到無人機(jī)系統(tǒng)和地面站，確保無人機(jī)和操控者之間建立有效的通聯(lián)，確保任務(wù)實(shí)施順利。無人機(jī)通信技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用主要在三個方面，大數(shù)據(jù)量傳輸、信道抗干擾、內(nèi)容安全加密，概括就是在綜合運(yùn)用無線電通信，微波通信和衛(wèi)星通信等方式，在復(fù)雜電磁環(huán)境下，綜合運(yùn)用抗干擾，加密等手段，將上行遙控?cái)?shù)據(jù)和下行遙測數(shù)據(jù)及時、安全、準(zhǔn)確的傳遞。當(dāng)前無人機(jī)通信技術(shù)發(fā)展迅猛，通信設(shè)備通用化，模塊化，無人機(jī)間自組網(wǎng)，自適應(yīng)通信成為了通信技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

控制技術(shù)

自主控制技術(shù)是無人機(jī)系統(tǒng)區(qū)別于有人機(jī)，實(shí)現(xiàn)無人操控和執(zhí)行各種任務(wù)的關(guān)鍵。無人機(jī)的控制技術(shù)，是無人機(jī)信息系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，是無人機(jī)系統(tǒng)的大腦，通過無人機(jī)的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)飛行狀態(tài)信息的采集，飛行控制，信號傳輸以及功能設(shè)備的控制，按照無人機(jī)在按照操控者的意志，在復(fù)雜的環(huán)境下完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，使無人機(jī)真正成為智能化的機(jī)器。當(dāng)前，無人機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)全面提升環(huán)境感知能力，在復(fù)雜條件下自主決策、規(guī)劃、導(dǎo)航和控制能力、多機(jī)協(xié)調(diào)和交互能力，人機(jī)智能融合與學(xué)習(xí)適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)“單機(jī)智能飛行、多機(jī)智能協(xié)同、任務(wù)自主智能”。

目前，國外針對無人機(jī)系統(tǒng)自主控制技術(shù)研究已開展了許多卓有成效的工作，如Johnson等提出了可靠自主控制技術(shù)，Ward等提出了無人作戰(zhàn)飛機(jī)的智能自主控制，Cheng認(rèn)為模型預(yù)測控制（MPC）可以提高無人機(jī)自主水平，Reichard等研究了自主控制的智能態(tài)勢感知。在無人機(jī)系統(tǒng)方面，目前美軍“捕食者”（RQ-1 MQ-1）、“全球鷹”（RQ-4）都實(shí)現(xiàn)2～3級ACL。聯(lián)合無人空戰(zhàn)系統(tǒng)（ J-UCAS）以及后續(xù)的X47-B將實(shí)現(xiàn)5～6級ACL，最終使得單個地面站控制4架J-UCAS飛機(jī)協(xié)同執(zhí)行目標(biāo)打擊任務(wù)。無人戰(zhàn)斗武裝旋翼機(jī)（UCAR）將實(shí)現(xiàn)7～9級ACL，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程復(fù)雜低空環(huán)境下的自主任務(wù)能力，洛克希德·馬丁公司智能控制與自主重規(guī)劃無人系統(tǒng)（ICARUS）動態(tài)地重規(guī)劃了系統(tǒng)任務(wù)，使無人機(jī)群在動態(tài)變化的環(huán)境中能夠完成復(fù)雜的任務(wù)。要實(shí)現(xiàn)在快速變化的不確定環(huán)境下，真正意義上的無人機(jī)系統(tǒng)自主控制，目前技術(shù)尚不成熟。

隨著技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)指揮控制開始逐漸過渡到“人在回路上”（man-on-the-loop）的監(jiān)督控制（SupervisoryControl），實(shí)現(xiàn)完全自主控制。時空建模技術(shù)、智能分層控制、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)化通信、傳感器和感知技術(shù)等是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)自主控制的關(guān)鍵問題。

定位導(dǎo)航技術(shù)

無人機(jī)的定位導(dǎo)航技術(shù)，是無人機(jī)智能飛行的眼睛和耳朵，是無人機(jī)解決“在哪里，去哪里”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是無人機(jī)飛行安全和任務(wù)完成的重要保障。通過定位導(dǎo)航技術(shù)，操控者能夠隨時掌握無人機(jī)的實(shí)時位置，航行速度，航向等信息，操控?zé)o人機(jī)按照要求的精度，沿著預(yù)定的航線在指定的時間內(nèi)正確到達(dá)目的地。目前在無人機(jī)上采用的定位導(dǎo)航技術(shù)主要包括慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航、地形輔助導(dǎo)航以及景象匹配導(dǎo)航等。當(dāng)前，無人機(jī)定位導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)是綜合運(yùn)用慣性導(dǎo)航技術(shù)與衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合的組合導(dǎo)航，即慣性+BD+GPS+GLONASS。另外，隨著人工智能技術(shù)在無人機(jī)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，視覺導(dǎo)航將成為無人機(jī)新型定位導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。

信息處理技術(shù)

無人機(jī)為空中移動的傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠在軍事應(yīng)用、民用領(lǐng)域產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)的進(jìn)行分類，篩選，及時處理，形成有效的信息提供給操作者作為決策依據(jù)和行動實(shí)施條件，并對決策后的效果進(jìn)行評估，是無人機(jī)飛行的主要目的。目前無人機(jī)信息處理技術(shù)的重點(diǎn)主要集中在對無人機(jī)獲取圖像，紅外、雷達(dá)掃描信息的處理、研判等方面。未來無人機(jī)信息處理技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)是依托現(xiàn)有大數(shù)據(jù)技術(shù)對無人機(jī)實(shí)時獲取數(shù)據(jù)與其他手段獲取數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合開發(fā)利用，與云計(jì)算相結(jié)合，高效快速處理情報(bào)信息，形成更加科學(xué)精確的信息情報(bào)產(chǎn)品，為任務(wù)完成做好有效支撐。

無人機(jī)信息技術(shù)研究重點(diǎn)

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是人工智能、自適應(yīng)控制、自主組群等新概念及新的設(shè)計(jì)理念將逐漸融入無人機(jī)及無人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用中去，而在這些理論中，以下幾個方面將在可以預(yù)期的一段時間內(nèi)，成為無人機(jī)信息技術(shù)發(fā)展研究的重點(diǎn)：

無人機(jī)離機(jī)自主控制代理技術(shù)研究

面臨不確定戰(zhàn)場環(huán)境和復(fù)雜的通信條件，若在任務(wù)控制站配置離機(jī)自主控制代理，將能夠與機(jī)載自主控制器并行工作，二者互為備份、無縫連接，同時可以兼容平臺的不同自主控制能力。離機(jī)自主控制代理將完成基本的避碰、威脅規(guī)避、自主飛行等控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)基本任務(wù)剖面的自動控制?？刂茩?quán)將在任務(wù)控制站和機(jī)載自主控制器間無縫遷移，實(shí)現(xiàn)可變權(quán)限自主控制，從而減少操作員工作負(fù)擔(dān)。

不確定環(huán)境下多無人機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究

在未來日益復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境下，單平臺所能發(fā)揮的作戰(zhàn)效能將極為有限，無人機(jī)系統(tǒng)的作戰(zhàn)模式由單平臺逐步發(fā)展為更靈活的單任務(wù)站控制多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)方式?；陔x機(jī)自主控制代理技術(shù)，多無人機(jī)任務(wù)間的協(xié)調(diào)控制可在任務(wù)站由多個代理之間的協(xié)調(diào)以及人的決策來完成，需要開展多個代理之間的分布式?jīng)Q策與協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究，建立有效的多機(jī)協(xié)調(diào)控制模型，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程。

有人-無人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)研究

美國在《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2005-2030》已明確了今后無人機(jī)的發(fā)展路線：有人機(jī)與無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)（有人機(jī)主導(dǎo)）一無人機(jī)與有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)（對等條件）一無人機(jī)自主作戰(zhàn)。需要開展提高多無人機(jī)、有人機(jī)無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)能力的方法研究，解決有人機(jī)和無人機(jī)無縫集成問題，使有人機(jī)和無人機(jī)能夠有機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)有人機(jī)和無人機(jī)機(jī)場共同起降，共享作戰(zhàn)空域和通信頻域，從而提高有人無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)效能。

多無人機(jī)集群自組織技術(shù)研究

無人機(jī)自組織技術(shù)主要探索具有低成本優(yōu)勢的無人機(jī)集群在高度對抗的戰(zhàn)場環(huán)境中面對動態(tài)變化的任務(wù)，如何自主組網(wǎng)完成多目標(biāo)搜索、跟蹤和打擊等任務(wù)。

面向環(huán)境感知的圖像信息融合技術(shù)研究

機(jī)載傳感器已經(jīng)向成像化發(fā)展，大多數(shù)圖像信息融合方法是針對像素級的，同時圖像理解技術(shù)不很成熟，無法直接實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知。單平臺機(jī)載傳感器的圖像融合，以及多平臺多源傳感器的圖像融合正在進(jìn)行理論研究、技術(shù)驗(yàn)證和系統(tǒng)開發(fā)，還沒有完全實(shí)現(xiàn)包括來自無人機(jī)或其它渠道在內(nèi)的全源情報(bào)信息融合，不能將其合成為一個直觀的全息圖像畫面。多無人有人機(jī)圖像融合、無人機(jī)圖像與非圖像信息融合的研究也鮮見報(bào)道。

基于故障預(yù)測的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究

綜合健康管理技術(shù)是提高無人機(jī)安全性、可靠性及可維護(hù)性并有效地降低成本的重要技術(shù)途徑。目前，監(jiān)測與診斷技術(shù)相對比較成熟，而預(yù)測特別是壽命預(yù)測還具有很大的挑戰(zhàn)性。除了對突發(fā)情況進(jìn)行實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃外，迫切需要基于故障預(yù)測進(jìn)行實(shí)時任務(wù)規(guī)劃與重規(guī)劃，提高任務(wù)計(jì)劃的提前性和實(shí)用性.優(yōu)化系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

系統(tǒng)綜合顯控技術(shù)研究

人系統(tǒng)綜合顯控技術(shù)的核心在于支持操作員和控制系統(tǒng)之間的協(xié)作問題。智能控制系統(tǒng)提供的狀態(tài)和建議必須吸引操作員的注意力并使之容易理解，而操作員則應(yīng)當(dāng)以自然的方式給智能控制系統(tǒng)以恰當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。如何有效利用人機(jī)各自特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能融合，提高人機(jī)系統(tǒng)綜合效能需要深入研究。

無人機(jī)系統(tǒng)智能發(fā)育機(jī)制研究

針對如何實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的復(fù)雜環(huán)境深度認(rèn)知問題，力爭在人類智能發(fā)育機(jī)理和模型算法研究方面取得新的突破性進(jìn)展，為無人機(jī)系統(tǒng)建立智能發(fā)育機(jī)制，使得無人機(jī)系統(tǒng)具有與人類相似的漸進(jìn)穩(wěn)定學(xué)習(xí)和智能發(fā)展機(jī)制，大大提高無人機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能力、推理能力和環(huán)境適應(yīng)能力。

無人機(jī)信息系統(tǒng)發(fā)展展望

無人機(jī)信息系統(tǒng)可以把各種傳感器、武器及民用應(yīng)用系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)化有機(jī)地聯(lián)系在一起，以實(shí)現(xiàn)信息共享，大大提高效能，從而形成一種集陸、海、空、天、電資源于一體的智能系統(tǒng)。未來先進(jìn)無人機(jī)系統(tǒng)將具備以下“五大能力”：

全面的環(huán)境感知與智能戰(zhàn)場態(tài)勢認(rèn)知能力

與現(xiàn)有的有人機(jī)系統(tǒng)相比，未來的無人機(jī)系統(tǒng)將具備更加全面的環(huán)境感知能力，包括在高度對抗的環(huán)境和惡劣氣象（如雷暴、風(fēng)切變、紊流）條件下，對更廣闊范圍的自然環(huán)境目標(biāo)與敵我目標(biāo)的感知與識別等;同時，無人機(jī)系統(tǒng)在自主性能方面的提升將要求無人機(jī)系統(tǒng)具有智能戰(zhàn)場態(tài)勢的認(rèn)知能力，為復(fù)雜環(huán)境中的自主控制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

復(fù)雜條件下的自主導(dǎo)航、規(guī)劃與控制能力

無人機(jī)系統(tǒng)將采用新一代自主導(dǎo)航與智能控制技術(shù)，既能夠?qū)崿F(xiàn)在局部范圍內(nèi)的精確導(dǎo)航定位，對無人機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的動作控制，也能夠?qū)崿F(xiàn)具有大范圍長航時高精度定位能力的遠(yuǎn)程精確打擊。無人機(jī)系統(tǒng)在具備環(huán)境感知與戰(zhàn)場態(tài)勢認(rèn)知能力的基礎(chǔ)上，將能夠進(jìn)行復(fù)雜條件下的自主規(guī)劃與決策，具有靈活的自主性和抗干擾能力。

人機(jī)智能融合與學(xué)習(xí)適應(yīng)能力

無人機(jī)系統(tǒng)的典型特征是“平臺無人，系統(tǒng)有人”。隨著無人機(jī)系統(tǒng)智能化水平的提高，具有自主控制能力的各類無人機(jī)系統(tǒng)等將與有人系統(tǒng)共同完成作戰(zhàn)任務(wù)，并且通過無人機(jī)系統(tǒng)具備的人機(jī)智能融合與學(xué)習(xí)適應(yīng)能力，將逐漸實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與有人系統(tǒng)的高效協(xié)同。

復(fù)雜環(huán)境認(rèn)知與學(xué)習(xí)

環(huán)境認(rèn)知技術(shù)使無人機(jī)系統(tǒng)具備信息收集和環(huán)境認(rèn)知能力，能夠感知、識別、理解其所處的戰(zhàn)場環(huán)境，是無人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高層次自主的基礎(chǔ)。借鑒人類認(rèn)知過程突破認(rèn)知信息處理技術(shù)，對無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展極為重要。需重點(diǎn)解決以下問題：人類生物視覺的環(huán)境認(rèn)知機(jī)理、仿生物視覺的目標(biāo)識別、復(fù)雜環(huán)境認(rèn)知算法、基于認(rèn)知的學(xué)習(xí)和推理方法、高效的環(huán)境建模手段等。

多平臺分布式協(xié)同能力

各類無人機(jī)系統(tǒng)在提高單個平臺自主能力的同時，多平臺之間利用C4KISR系統(tǒng)及數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)同也是一個重要的發(fā)展趨勢，如協(xié)同偵察、協(xié)同監(jiān)視、協(xié)同作戰(zhàn)等。

多機(jī)協(xié)調(diào)規(guī)劃與控制能力

多無人機(jī)協(xié)調(diào)規(guī)劃與控制必須對多無人機(jī)在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)行時所面臨的感知、執(zhí)行、通信以及環(huán)境動態(tài)變化等非理想情況，甚至可能遇到的失效等極端情況進(jìn)行充分考慮與處理。需重點(diǎn)解決以下問題：多無人機(jī)任務(wù)分配與協(xié)調(diào)、多任務(wù)沖突檢測與消解、多無人機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃、編隊(duì)運(yùn)動協(xié)調(diào)規(guī)劃與控制、集群自組織等。需重點(diǎn)解決以下問題：開放式實(shí)時協(xié)同體系結(jié)構(gòu)、跨平臺信息分發(fā)、多平臺多源數(shù)據(jù)時空一致性、資源管理調(diào)度、多種協(xié)同支持機(jī)制等。

結(jié)束語

綜上所述，先進(jìn)信息技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)系統(tǒng)，可極大地提高其信息獲取、處理、傳輸和生存能力 ，實(shí)現(xiàn)高精度控制，推動和引領(lǐng)著無人機(jī)信息化的發(fā)展。

無人機(jī)信息系統(tǒng)的發(fā)展促進(jìn)了無人系統(tǒng)的高速發(fā)展，發(fā)展為陸、海、空、天、潛的綜合的無人系統(tǒng)。我們要密切關(guān)注與無人機(jī)相關(guān)的信息技術(shù)（例如自主控制、測控通信、信息處理、導(dǎo)航定位、傳感器載荷等）的前沿發(fā)展，適時引入，解決實(shí)際問題，滿足應(yīng)用需求，不斷提升無人機(jī)信息化水平;同時我們也應(yīng)重視無人機(jī)發(fā)展對信息技術(shù)的需求牽引作用，促進(jìn)和帶動信息技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展。