李 磊,王 彤,蔣 琪
(北京海鷹科技情報(bào)研究所,北京 100074)
2018年1月,洛克希德·馬丁公司和雷錫恩公司領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)成功完成美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”(CODE)項(xiàng)目第二階段的飛行測(cè)試。DARPA將第三階段合同授予雷錫恩公司,進(jìn)一步開發(fā)CODE的能力,并通過一系列飛行試驗(yàn)對(duì)作戰(zhàn)能力進(jìn)行驗(yàn)證。該項(xiàng)目一旦得到充分驗(yàn)證,將大大提高現(xiàn)有空中平臺(tái)的可生存性、靈活性和有效性,并可減少未來系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間和成本。本文系統(tǒng)梳理了美國CODE項(xiàng)目相關(guān)資料信息,分析其對(duì)未來作戰(zhàn)的影響,以期提供有益的參考。
所謂的拒止環(huán)境,是美軍對(duì)強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境的別稱,在這種環(huán)境中,強(qiáng)大對(duì)手使用軍事力量對(duì)抗美軍進(jìn)入戰(zhàn)區(qū)實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)目的。
2014年,DARPA戰(zhàn)術(shù)技術(shù)辦公室(TTO)啟動(dòng)CODE項(xiàng)目,旨在研發(fā)先進(jìn)的自主協(xié)同算法和監(jiān)督控制技術(shù)以增強(qiáng)無人機(jī)(該項(xiàng)目無人機(jī)包括巡航導(dǎo)彈、誘餌無人機(jī)及其他無人機(jī)系統(tǒng))在拒止環(huán)境的作戰(zhàn)能力。關(guān)鍵技術(shù)主要涉及四個(gè)方面:編隊(duì)協(xié)同自主、飛行器自主、監(jiān)控界面,以及適用于分布式系統(tǒng)的開放架構(gòu)。關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展注重自主協(xié)同作戰(zhàn)傳感、打擊、通信和導(dǎo)航、低通信帶寬、人機(jī)交互等方面。目前,已研發(fā)相應(yīng)的軟件和硬件,正在使用實(shí)體和虛擬無人機(jī),在通信拒止環(huán)境中進(jìn)行全任務(wù)大規(guī)模飛行演示驗(yàn)證。
拒止環(huán)境變化難測(cè),危險(xiǎn)性高,交戰(zhàn)各方將在電磁領(lǐng)域進(jìn)行爭(zhēng)奪,敵方軍事目標(biāo)不斷改變。與較寬松作戰(zhàn)環(huán)境相比,具有以下特點(diǎn):作戰(zhàn)距離遠(yuǎn);電磁域超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)且敵我雙方對(duì)此爭(zhēng)奪激烈,此情況對(duì)己方天基高帶寬通訊及定位服務(wù)極為不利;敵方目標(biāo)為可移動(dòng)目標(biāo)或者可重新部署的目標(biāo);敵方使用誘餌無人機(jī)、偽裝設(shè)施和其他拒止技術(shù);載人軍事裝備面臨高危險(xiǎn);以及高度綜合防御作戰(zhàn)行動(dòng)要求協(xié)同作戰(zhàn)。
然而,現(xiàn)有絕大部分庫存無人機(jī)很難滿足拒止環(huán)境作戰(zhàn)要求,具體面臨的挑戰(zhàn)包括:無人機(jī)自主應(yīng)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)情況變化的能力有限,缺乏對(duì)不斷變化環(huán)境的適應(yīng)能力(如導(dǎo)彈)或嚴(yán)格受控于人類操作員(如無人機(jī));利用常規(guī)方法來改善現(xiàn)有無人機(jī)系統(tǒng)的生存能力,成本高或技術(shù)上不可行;目前無人機(jī)的應(yīng)用模式為單機(jī)模式,此類無人機(jī)系統(tǒng)需要依靠遠(yuǎn)程戰(zhàn)略軍事設(shè)備來實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵功能,如導(dǎo)航功能、外部目標(biāo)鎖定功能及通信功能;現(xiàn)有無人機(jī)需要大量人員對(duì)其進(jìn)行操控,這種運(yùn)作模式成本高且無法兼容于能快速針對(duì)動(dòng)態(tài)狀況進(jìn)行反應(yīng)的原有作戰(zhàn)系統(tǒng)。
圖1 CODE項(xiàng)目塑造現(xiàn)有無人系統(tǒng)的能力
協(xié)同自主技術(shù)具備大幅改善現(xiàn)有無人機(jī)設(shè)備功能的潛力,且能降低未來作戰(zhàn)系統(tǒng)(組建無人機(jī)異構(gòu)編隊(duì))的費(fèi)用,并非簡(jiǎn)單的將某項(xiàng)無人機(jī)的功能復(fù)制或集成到單個(gè)無人機(jī)平臺(tái)。通過協(xié)同算法,無人機(jī)之間能為彼此提供支援,具體包括:編隊(duì)能為沒有配置遠(yuǎn)程感應(yīng)器的無人機(jī)提供目標(biāo)地理位置定位信息;能從多個(gè)角度對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè),提供對(duì)目標(biāo)的識(shí)別情況;能利用網(wǎng)絡(luò)傳輸關(guān)鍵信息;為沒有導(dǎo)航功能的軍事設(shè)備提供導(dǎo)航支援;在數(shù)量上具備壓倒性優(yōu)勢(shì),能以此方式及其他方式對(duì)彼此進(jìn)行相互保護(hù)。協(xié)同作戰(zhàn)可極大地提高作戰(zhàn)效能和效率,并可減少群射的導(dǎo)彈數(shù)量,這種基于效應(yīng)的思路既可節(jié)省資源,又可優(yōu)化任務(wù)。
CODE項(xiàng)目旨在基于現(xiàn)有無人機(jī)開發(fā)自主算法和軟件,擴(kuò)展無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)能力,提高在拒止環(huán)境中的作戰(zhàn)能力。該項(xiàng)目研究人員正在創(chuàng)建一種超越當(dāng)前最新技術(shù)水平的模塊化軟件架構(gòu),該架構(gòu)能適應(yīng)帶寬限制和通信中斷,與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)兼容,并可在現(xiàn)有平臺(tái)上進(jìn)行低成本改造。
CODE項(xiàng)目的愿景是開發(fā)協(xié)同自主技術(shù)及算法,增強(qiáng)傳統(tǒng)無人飛行器(導(dǎo)彈和無人機(jī))實(shí)用性,培育異構(gòu)系統(tǒng)的互操作性等。具體的能力包括:可應(yīng)對(duì)三個(gè)參考作戰(zhàn)任務(wù)(戰(zhàn)術(shù)偵察、反水面戰(zhàn)、摧毀地面的防空力量);驗(yàn)證算法有效性;驗(yàn)證對(duì)抗三個(gè)任務(wù)的有效性。
CODE項(xiàng)目的主要目標(biāo)包括四個(gè):開發(fā)、執(zhí)行和驗(yàn)證自主協(xié)同算法,以增強(qiáng)現(xiàn)有無人系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)能力;機(jī)載軟件能在一個(gè)“通用任務(wù)計(jì)算機(jī)”(UMC)上運(yùn)行,并能過渡到小型無人機(jī)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程導(dǎo)彈上;該軟件在一個(gè)開放架構(gòu)上開發(fā),并能與無人機(jī)系統(tǒng)新的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)兼容;相關(guān)能力能進(jìn)行仿真驗(yàn)證,最初在飛行驗(yàn)證平臺(tái)上,最終能在相應(yīng)智能體平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證。
CODE項(xiàng)目為實(shí)現(xiàn)拒止環(huán)境中無人機(jī)的自主協(xié)同作戰(zhàn),充分利用先進(jìn)的交互設(shè)計(jì)思想、開放架構(gòu)等,主要技術(shù)包括飛行器自主、監(jiān)控界面、編隊(duì)協(xié)同自主、開放架構(gòu),主要想定作戰(zhàn)場(chǎng)景包括戰(zhàn)術(shù)偵察、反水面戰(zhàn)、摧毀地面的防空力量。項(xiàng)目分為三個(gè)階段:
第一階段,2016年初完成,完成了需求定義和初步系統(tǒng)設(shè)計(jì),驗(yàn)證了無人機(jī)自主協(xié)同的應(yīng)用潛力,并起草了技術(shù)轉(zhuǎn)化計(jì)劃;選擇了約20個(gè)可以提升無人機(jī)在拒止或?qū)弓h(huán)境中有效作戰(zhàn)的自主行為;人機(jī)接口和開放架構(gòu)基于“未來機(jī)載能力環(huán)境”(FACE)標(biāo)準(zhǔn)、“無人控制程序”(UCS)標(biāo)準(zhǔn)、“開放任務(wù)系統(tǒng)”(OMS)標(biāo)準(zhǔn)、“通用任務(wù)指揮和控制”(CMCC)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研發(fā),并已取得一定進(jìn)展。第一階段的承包商分為兩類,一是系統(tǒng)承包商(雷錫恩公司和洛馬公司);二是技術(shù)發(fā)展商,包括:尼爾H·瓦格納協(xié)會(huì)(弗吉尼亞州漢普頓),科學(xué)系統(tǒng)公司(馬薩諸塞州沃本),智能信息流技術(shù)有限責(zé)任公司(明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯),飛騰科技公司(密歇根州安阿伯),SRI國際公司(加州門洛帕克),Vencore實(shí)驗(yàn)室管理員應(yīng)用通信科學(xué)公司(新澤西州巴斯金里奇)。
圖2 主要的技術(shù)、任務(wù)場(chǎng)景和進(jìn)展
第二階段從2016年初到2017年底,洛馬和雷錫恩公司以RQ-23虎鯊無人機(jī)為測(cè)試平臺(tái),加裝相關(guān)硬件和軟件,并開展了大量飛行試驗(yàn),驗(yàn)證了開放架構(gòu)、自主協(xié)同等指標(biāo)。第二階段的系統(tǒng)承包商與第一階段相同。
第三階段將于2018年底結(jié)束,雷錫恩公司將完成三個(gè)任務(wù)場(chǎng)景飛行試驗(yàn)驗(yàn)證及全任務(wù)能力,測(cè)試六個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)并協(xié)同其他模擬飛行器合作的能力。試驗(yàn)將通過單人指揮無人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù),包括目標(biāo)搜索、識(shí)別以及對(duì)主動(dòng)、不可預(yù)知的對(duì)手的打擊。
CODE項(xiàng)目涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括單飛行器自主、無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同自主、監(jiān)控界面、開放架構(gòu)、驗(yàn)證全任務(wù)能力技術(shù)以及過渡到軍隊(duì)飛行器所用的技術(shù)等,具體如表1所示。此外,表1還給出了該項(xiàng)目一些具體指標(biāo)。
為了組建自主無人機(jī)編隊(duì),每架無人機(jī)需要有足夠的自主級(jí)別,包括:無人機(jī)平臺(tái)子系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備及飛行軌跡的自主管理,自主管理能處理常規(guī)和異常情況。具體為分析飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)(無人機(jī)的溫度、壓力、剩余能量等狀況以及其他功能);能識(shí)別意外且可處理;可應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)鏈突然失效的情況(執(zhí)行任務(wù)、防撞等),平臺(tái)上處理數(shù)據(jù)(減少通信數(shù)據(jù)量);自動(dòng)跟蹤移動(dòng)目標(biāo),可以定義并控制復(fù)雜的飛行軌跡。
目前,降低通信帶寬、飛行器自身狀態(tài)的分析以及其他飛行器狀態(tài)的狀況評(píng)估主要通過機(jī)載健康預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)。
為了發(fā)揮協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)且考慮編隊(duì)的共同目標(biāo)以及各種限制,無人機(jī)編隊(duì)共享作戰(zhàn)環(huán)境,該作戰(zhàn)環(huán)境的數(shù)據(jù)在被收集的同時(shí)也在不斷地產(chǎn)生變化。隨著從各種數(shù)據(jù)源得到的(預(yù)處理)數(shù)據(jù)增加,可以通過數(shù)據(jù)融合和分析(包括在人類團(tuán)隊(duì)指揮員的幫助下),獲取可用于執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的信息,且閉環(huán)控制能改善編隊(duì)的全局模型?;谌帜P?,可確認(rèn)能發(fā)揮每個(gè)編隊(duì)成員優(yōu)勢(shì)的行動(dòng)計(jì)劃。
表1 主要的目標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)和指標(biāo)
協(xié)同自主技術(shù)具體包括:能夠多來源數(shù)據(jù)融合(形成統(tǒng)一戰(zhàn)場(chǎng)圖像),具有共同決策架構(gòu)(適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)情況,通信帶寬降低時(shí)給出傳輸任務(wù)優(yōu)先級(jí)排序),能夠動(dòng)態(tài)組合編隊(duì)和子編隊(duì),可在無天基/空基的支援下工作,能夠適應(yīng)高度的不確定性。
協(xié)同自主技術(shù)主要包括協(xié)同感知、協(xié)同打擊、協(xié)同通信、協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)、編隊(duì)飛行、多限制自動(dòng)路徑規(guī)劃、帶寬降低的措施。
如多限制自動(dòng)路徑規(guī)劃驗(yàn)證過程中,編隊(duì)執(zhí)行ISR任務(wù)時(shí),一架無人機(jī)遭遇突發(fā)威脅,自主重新規(guī)劃路徑,與其他無人機(jī)協(xié)同重新生成行動(dòng)方案,如圖3所示。
圖3 自主重新規(guī)劃路徑示意圖
帶寬降低方面主要通過以下措施實(shí)現(xiàn):據(jù)任務(wù)情況壓縮、價(jià)值信息(排序)、健康監(jiān)測(cè)(模型)、行為模型等。
監(jiān)控界面最終目標(biāo)為能使指揮官的角色提升為監(jiān)督角色。主要能力包括可部署在移動(dòng)控制站,可以控制多于4架無人機(jī),促進(jìn)任務(wù)規(guī)劃(定義),人機(jī)之間可自然交互,簡(jiǎn)潔但綜合性較強(qiáng)的組合(指揮官可以運(yùn)用人的判斷力判斷當(dāng)前狀態(tài)),滿足訓(xùn)練和實(shí)戰(zhàn)需求,支持雙向信息流動(dòng)。主要技術(shù)包括:多模型接口耦合點(diǎn)觸/聲音、理解指揮官意圖、上下文理解、不確定性表示、決策輔助、目標(biāo)分類要求、編隊(duì)和子編隊(duì)可視化、編隊(duì)和子編隊(duì)任務(wù)規(guī)劃、定義系統(tǒng)權(quán)限或自主水平、視覺和聽覺的預(yù)警。
為實(shí)現(xiàn)拒止環(huán)境中指揮員監(jiān)控多無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)執(zhí)行任務(wù),美國智能信息流技術(shù)有限責(zé)任公司開發(fā)了人機(jī)交互應(yīng)急規(guī)劃(SuperC3DE)系統(tǒng)。SuperC3DE是一套人機(jī)交互和智能決策輔助工具,提供綜合多視角人機(jī)界面,開啟調(diào)用可直接進(jìn)入地圖進(jìn)行可視化顯示,能使一人同時(shí)有效控制監(jiān)督管理多架無人機(jī)。此外,該系統(tǒng)還包括監(jiān)督應(yīng)急規(guī)劃評(píng)估子系統(tǒng)(SCOPE),對(duì)任務(wù)方案自主分析、預(yù)估、優(yōu)化、反饋,實(shí)現(xiàn)自主輔助決策。
圖4 SuperC3DE系統(tǒng)架構(gòu)
圖4給出了SuperC3DE系統(tǒng)的架構(gòu),包括兩個(gè)關(guān)鍵組件(黃色區(qū)域和金色區(qū)域):戰(zhàn)術(shù)手冊(cè)交互(Playbook HSI)和應(yīng)急規(guī)劃子系統(tǒng)(SCOPE)。紅色區(qū)域和綠色區(qū)域代表拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)項(xiàng)目其他軟件組件。SuperC3DE系統(tǒng)組件直接與編隊(duì)自主規(guī)劃(ATP)組件(用于編隊(duì)無人機(jī)協(xié)同和規(guī)劃路徑生成)交互。ATP組件生成路徑后由無人機(jī)執(zhí)行。為評(píng)估和驗(yàn)證,SuperC3DE系統(tǒng)基于美國空軍實(shí)驗(yàn)室的Fusion/IMPACT測(cè)試平臺(tái)(FIT)進(jìn)行測(cè)試。
拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)開放架構(gòu)需要自適應(yīng)性、快速整合、通過白軍網(wǎng)絡(luò)測(cè)試過渡、兼容各種標(biāo)準(zhǔn)、高度模塊化。開放架構(gòu)對(duì)于拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)通信的發(fā)展極為重要?,F(xiàn)有的系統(tǒng)和尚未構(gòu)建的新設(shè)計(jì)必須能夠在允許連續(xù)改進(jìn)的環(huán)境中共同運(yùn)行。若要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),必須向所有的相關(guān)方提供明確界定的界面,這些界面由政府擁有,適合快速整合、自主調(diào)整靈活測(cè)試。
開放架構(gòu)是必須融入系統(tǒng)研發(fā)的每一步。鑒于系統(tǒng)目標(biāo)是促進(jìn)許多不同無人系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn),開放架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)愿景不可或缺的條件,建議的拒止環(huán)境下的協(xié)同作戰(zhàn)架構(gòu)如圖5所示。
白軍網(wǎng)絡(luò)將注入可視化空中平臺(tái)、可視化威脅和可視化目標(biāo)、突發(fā)性任務(wù)。突發(fā)性任務(wù)包括仿真GPS或通信丟失情況及其他任務(wù)失敗仿真。為實(shí)現(xiàn)白軍網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行,拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)項(xiàng)目采用了WFN軟件,軟件構(gòu)成如圖6所示。WFN軟件是一個(gè)由兩部分組成的分布式系統(tǒng),包括通過TENA總線通信的基于地面的模塊,TENA總線通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)鏈路與SUT中嵌入的軟件模塊進(jìn)行通信。該軟件實(shí)現(xiàn)了白軍網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。
圖5 建議的拒止環(huán)境下的協(xié)同作戰(zhàn)架構(gòu)
圖6 WFN軟件構(gòu)成圖
CODE項(xiàng)目基于協(xié)同自主算法重點(diǎn)解決三個(gè)任務(wù)場(chǎng)景的作戰(zhàn)——戰(zhàn)術(shù)偵察、反水面戰(zhàn)、摧毀地面的防空力量。拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)開發(fā)和演示協(xié)作自主算法——無人機(jī)編隊(duì)在單個(gè)人的監(jiān)督控制下協(xié)同工作。無人機(jī)將不斷評(píng)估自身的狀態(tài)和環(huán)境,并向任務(wù)指揮者提出協(xié)調(diào)無人機(jī)行動(dòng)的建議,任務(wù)指揮者將決定是否批準(zhǔn)此類編隊(duì)行動(dòng)并指導(dǎo)任何任務(wù)變更。使用協(xié)作自主,啟用拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)無人機(jī)將根據(jù)既定的交戰(zhàn)規(guī)則找到目標(biāo)并參戰(zhàn),利用附近其他無人系統(tǒng),只需最少的監(jiān)督,并適應(yīng)動(dòng)態(tài)情況,如友軍的消耗或意外威脅的出現(xiàn)。拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)通過協(xié)同自主算法,改進(jìn)無人機(jī)的操作,使每個(gè)指揮者操作多個(gè)無人機(jī)。指揮者可以混合和匹配具有特定能力的不同系統(tǒng),以適應(yīng)各個(gè)任務(wù),而不是依賴于具有集成能力的單個(gè)無人機(jī)。這種靈活性可以顯著提高現(xiàn)有無人機(jī)任務(wù)和成本效益,縮短未來無人機(jī)的開發(fā)時(shí)間和成本,并實(shí)現(xiàn)新的部署概念。
CODE項(xiàng)目主要解決拒止環(huán)境作戰(zhàn)中無人系統(tǒng)的自主協(xié)同問題,屬于系統(tǒng)之系統(tǒng)之類的項(xiàng)目。DARPA支撐空中分布式作戰(zhàn)概念,發(fā)展了一系列項(xiàng)目,如圖7所示,支持分布式作戰(zhàn)的各種能力,而CODE項(xiàng)目能夠提高分布式作戰(zhàn)的整體協(xié)同作戰(zhàn)能力。除四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)外,其他例如安全網(wǎng)絡(luò)無線電技術(shù)、信息安全技術(shù)、緊密耦合的分布式孔徑、平臺(tái)和傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)等,都不屬于CODE項(xiàng)目的重點(diǎn)技術(shù),但在分布式作戰(zhàn)中具有重要或者潛在高價(jià)值。此外,CODE項(xiàng)目從整體上解決了分布式作戰(zhàn)的關(guān)鍵能力,可避免因?yàn)榻?jīng)費(fèi)問題中斷分布式作戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)。
DARPA TTO開展CODE項(xiàng)目,重點(diǎn)研究利用先進(jìn)自主和協(xié)同算法,全面提升現(xiàn)有和/或新的無人機(jī)有效性、生存性和經(jīng)濟(jì)性,以適應(yīng)拒止環(huán)境中作戰(zhàn)。目前該項(xiàng)目進(jìn)入最后的飛行演示驗(yàn)證階段,該項(xiàng)目的成果將推動(dòng)分布式蜂群在戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用。
圖7 支撐分布式作戰(zhàn)其他項(xiàng)目