孫韜，王俊達，王睦深，孟春考，祝月

(1.北京電子工程總體研究所，北京100854；2.中國航天科工集團二院 研究生院，北京 100854)

0 引言

21世紀(jì)以來，小型無人機在有效載荷小型化、續(xù)航時間、超視距通信、低成本化等方面持續(xù)取得進展，集群技術(shù)、自主技術(shù)、協(xié)同技術(shù)等智能化技術(shù)快速突破[1]，推動著小型無人機任務(wù)用途的多樣化發(fā)展。

小型無人機集群最大特征在于體系的區(qū)域分布性，單元自主特性以及“去中心化”特性。在單一平臺受損后仍可有序協(xié)同執(zhí)行任務(wù)，所以無人機集群具有極佳的生存能力和任務(wù)完成能力。各無人機能夠根據(jù)任務(wù)需求裝載不同的載荷，可完成協(xié)同探測、協(xié)同攻擊等協(xié)同防御任務(wù)。目前，已知在研的無人機集群研究計劃[2]，如DARPA(defense advanced research projects agency)發(fā)布的“小精靈”項目、美國海軍LOCUST(low-cost UAV swarming technology)項目等，都是以單類型無人機進行集群試驗，旨在以數(shù)量優(yōu)勢壓制敵方。

單類型無人機集群系統(tǒng)是目前無人機集群應(yīng)用的主要研究方向，進展速度快，可以預(yù)見幾年內(nèi)將會投入軍事應(yīng)用并形成戰(zhàn)斗力，但是集群執(zhí)行任務(wù)的能力依然受到單一類型無人機自身功能的限制，難以更好的發(fā)揮集群優(yōu)勢。因此，考慮當(dāng)前有人戰(zhàn)爭的立體作戰(zhàn)模式，放眼于未來無人戰(zhàn)爭的重要發(fā)展趨勢，可以設(shè)想到未來集群作戰(zhàn)將是以無人作戰(zhàn)單元為主要戰(zhàn)力，各類型無人作戰(zhàn)單元相互配合，協(xié)同執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，精準(zhǔn)的發(fā)揮集群協(xié)同優(yōu)勢。

本文考慮了一種多類型無人機組合的協(xié)同集群，各類型無人機優(yōu)勢互補，設(shè)計了一種集群式偵察探測防御系統(tǒng)，在執(zhí)行如地震災(zāi)區(qū)救援、無人機集群防御等復(fù)雜任務(wù)中，以較少的無人機精準(zhǔn)的發(fā)揮集群協(xié)同優(yōu)勢。該系統(tǒng)由多個攜帶翼傘的立方單元組成，各立方單元根據(jù)作戰(zhàn)需求精確傘降至任務(wù)區(qū)域[3]。立方單元既可以自主實現(xiàn)目標(biāo)探測，同時配備充電裝置為無人機/車充能，也可以為戰(zhàn)區(qū)提供中繼通信。立方單元配備了固定翼無人機、四旋翼無人機和無人車，對一定半徑范圍內(nèi)的區(qū)域進行偵察。固定翼無人機規(guī)劃巡航路線，大范圍偵測任務(wù)區(qū)域態(tài)勢信息等，為后續(xù)任務(wù)提供支持。四旋翼無人機和無人車搭載多種載荷，實現(xiàn)對敵偵察、防御敵方無人機集群和導(dǎo)引己方制導(dǎo)武器的任務(wù)。

系統(tǒng)由三級指控網(wǎng)絡(luò)和四層通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃傳達的指令協(xié)同控制，遂行作戰(zhàn)任務(wù)。本項目所設(shè)計的系統(tǒng)具有靈活性高、抗干擾和彈性抗毀能力強、可多維多角度探測等優(yōu)點，并且探測精度較高、探測弧度較大。系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛，不僅可以應(yīng)用到軍事探測防御和戰(zhàn)區(qū)通信中繼，也可應(yīng)用于災(zāi)情勘測救援等民用領(lǐng)域，具有重要的戰(zhàn)術(shù)意義和實用價值。

1 立方體單元系統(tǒng)組成

立方體系統(tǒng)如圖1所示，為箱體外形，箱體支撐結(jié)構(gòu)使用碳纖維鋁基復(fù)合材料，保證了立方體有較強的結(jié)構(gòu)強度和較輕的質(zhì)量。立方體內(nèi)部分為不同艙段容納系統(tǒng)載荷，共放置12個旋翼無人機?？科脚_，無人機?？科脚_下側(cè)左右對稱放置能源系統(tǒng)，保證立方體重心位置，內(nèi)部中心艙放置計算機系統(tǒng)及所需其他硬件，底艙放置無人車，并在無人車背面分割出細長型長方體空間，收納折疊的固定翼無人機。立方體的四面外艙門的內(nèi)側(cè)安裝太陽能電池板，立方體上表面安裝各類通信天線。

1—立方平臺;2—固定翼無人機;3—固定翼無人機支架；4—四旋翼 無人機；5—四旋翼無人車；6—智能無人車；7—鞭狀天線；8—平板陣 列天線；9—太陽能電池；10—蓄電池；11—電源管理模塊圖1 立方單元組成Fig.1 Illustration of cubic unit system composition

立方體系統(tǒng)攜帶翼傘由運輸機攜帶，適當(dāng)高度投放；投放后開傘，立方體進入初始搜尋段并按照搜尋航跡飛行；傘降系統(tǒng)控制翼傘螺旋下降，通過測高傳感器或視覺相機探測系統(tǒng)探測地面地形信息，自主選擇任務(wù)區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的滿足任務(wù)需求的落點，并規(guī)劃出下落軌跡，進入精確投放段飛行，控制器操縱翼傘精確降落。

落地后，區(qū)域內(nèi)各個立方體系統(tǒng)自主展開，建立區(qū)域通信，組建3級指控網(wǎng)絡(luò)和4級通信網(wǎng)絡(luò)，指控網(wǎng)絡(luò)分發(fā)任務(wù)區(qū)域偵察任務(wù)，各立方體系統(tǒng)偵察載荷，包括固定翼無人機、四旋翼飛行器、無人車，根據(jù)任務(wù)需求投入使用，協(xié)同執(zhí)行任務(wù)區(qū)域偵察和態(tài)勢感知任務(wù)，實時回傳偵測信息。

1.1 滑翔翼傘系統(tǒng)

(1) 滑翔翼傘

滑翔翼傘由翼傘傘衣、吊帶系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)組成?？罩姓归_后受控滑翔，可將立方體系統(tǒng)精準(zhǔn)投放至任務(wù)區(qū)域。

(2) 翼傘自分離裝置

立方體系統(tǒng)滑翔降落后，存在翼傘將系統(tǒng)覆蓋的可能情況，為保證系統(tǒng)的順利展開，設(shè)計一種翼傘和立方體系統(tǒng)分離裝置，當(dāng)立方體系統(tǒng)滑翔落地后，實現(xiàn)翼傘的拋離，避免翼傘覆蓋系統(tǒng)。

裝置的設(shè)計如圖2所示，主要考慮3個方面；第1是翼傘與立方體的機械連接的分離；第2是分離后將翼傘拋離的助推裝置；第3是翼傘的收納裝置。

(3) 翼傘自分離裝置工作流程

Step 1：離地一定高度時繩索懸吊伺服釋放懸吊繩索，增長懸吊繩索長度，準(zhǔn)備著陸；

Step 2：立方體系統(tǒng)著陸，翼傘分離機構(gòu)彈開懸吊桿，懸吊繩索和立方體箱體分離；

Step 3：小型拖拽火箭發(fā)動機短時工作，將翼傘拖離降落區(qū)域；

1—立方平臺；2—立方單元懸吊繩索；3—定滑輪；4—翼傘飛行控制 及繩索懸吊伺服；5—翼傘連接繩索；6—小型拖拽火箭發(fā)動機； 7—翼傘分離解鎖機構(gòu)；8—懸吊桿圖2 翼傘分離裝置Fig.2 Connection and separation device of parafoil system

Step 4：翼傘飛行控制伺服收回翼傘連接繩，將翼傘回收收緊，完成傘降，圖示流程見圖3。

1.2 無人載具

(1) 固定翼無人機

固定翼無人機的主要功能是對任務(wù)目標(biāo)區(qū)域地形的大范圍偵測，初步建立目標(biāo)區(qū)域的地形景象信息，并將景象信息回傳單元級指控立方體，為后續(xù)的旋翼無人機和無人車的任務(wù)展開提供信息支持。固定翼無人機搭載的載荷可以根據(jù)任務(wù)類型進行變更，可以攜帶電視攝像機、紅外熱成像儀、雙目相機、小型偵察吊艙等載荷[4]。

系統(tǒng)落地展開，無人機折疊翼和彈射架展開，如圖4所示，發(fā)動機達到工作狀態(tài)后彈射裝置彈射放飛無人機。無人機抵達任務(wù)高度后按系統(tǒng)規(guī)劃航線對目標(biāo)區(qū)域進行探測和偵察，收集目標(biāo)區(qū)域地形景象信息，實時回傳立方單元。無人機返航雀降著陸，由多功能無人車回收并安放值彈射架上充能，準(zhǔn)備進行下一架次的任務(wù)。

圖3 翼傘分離流程Fig.3 Separation process of parafoil system

圖4 固定翼無人機及其彈射裝置Fig.4 Fixed-wing UAV and ejection device

(2) 四旋翼無人機

四旋翼無人機根據(jù)所執(zhí)行任務(wù)的不同，攜帶不同功能的載荷。無人機可以攜帶紅外熱成像儀、聲學(xué)探測裝備、雙目相機，抵近目標(biāo)偵察，多傳感器信息融合，得到較為準(zhǔn)確的目標(biāo)信息；搭載通信設(shè)備，執(zhí)行通信中繼任務(wù)；搭載低慢小目標(biāo)捕獲網(wǎng)或助推榴彈等武器，攔截或毀傷目標(biāo)。

固定翼無人機完成首次任務(wù)區(qū)域的巡飛和偵察信息采集后，針對區(qū)域內(nèi)的重點目標(biāo)，單元級立方體指控系統(tǒng)指派多架四旋翼無人機對重點目標(biāo)進行協(xié)同偵察。完成任務(wù)后，四旋翼自主飛回停放平臺充能，立方平臺搭載12架四旋翼，如圖5所示，輪流值班，不間斷地執(zhí)行任務(wù)。

圖5 四旋翼無人機Fig.5 Four-rotor UAV

(3) 多功能無人車

系統(tǒng)攜帶的無人車如圖6所示。無人車由車體、能源和動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信設(shè)備、任務(wù)載荷等組成，系統(tǒng)中的無人車采用履帶的方式行進[5]。無人車載荷主要安裝于車身，包括車載計算機、定位設(shè)備、通信設(shè)備、傳感器、機械臂和殺傷武器，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景進行合理配置。

1—車身；2—天線；3—多管助推榴彈系統(tǒng)；4—輕機槍；5—機械臂； 6—武器系統(tǒng)傳感器；7—全向傳感器；8—履帶；9—導(dǎo)輪； 10—負重輪及懸掛系統(tǒng)；11—主動輪圖6 無人車系統(tǒng)Fig.6 Unmanned vehicle system

災(zāi)區(qū)的應(yīng)用場景下，無人車搭載計算機、定位設(shè)備、通信設(shè)備、圖像傳感器、雷達生命探測儀和機械臂。圖像傳感器安裝在可全向旋轉(zhuǎn)的機械平臺上，對周圍環(huán)境進行探測識別；雷達生命探測儀適合于廢墟救援，探測儀安裝在機械臂上，以實現(xiàn)全方向探測能力。

低慢小目標(biāo)防御，無人車搭載目標(biāo)探測設(shè)備、殺傷武器。目標(biāo)偵察設(shè)備使用雙目相機和紅外成像儀，為無人車或其他己方防御武器提供精確目標(biāo)信息；殺傷武器攜帶多管助推榴彈和輕機槍，通過破片或彈丸對低慢小目標(biāo)進行殺傷。

1.3 能源系統(tǒng)

立方平臺各模塊的主要用電設(shè)備包括各型無人載具、各類伺服機構(gòu)、平臺內(nèi)部設(shè)備包括綜合信息處理機、通信系統(tǒng)天線和處理機等。系統(tǒng)內(nèi)部采用鋰電池組與太陽能電池組合供電模式，如圖7所示。鋰電池組主要包括立方體內(nèi)的電池組，無人車/機裝載電池。太陽能電池板裝載在立方體外艙門內(nèi)側(cè)及旋翼機停機坪上，作為補充能源，延長工作時間，確保系統(tǒng)可持續(xù)運行。投放前鋰電池組滿>電，保證投放后系統(tǒng)正常運行。

圖7 電源系統(tǒng)Fig.7 Energy system

各型無人機工作方式不同，功率差別大，電源管理模塊將鋰電池轉(zhuǎn)換為各個任務(wù)系統(tǒng)所需的電壓。固定翼機降落由無人車裝回發(fā)射架上并進行充能，四旋翼機在停機平臺上裝載有充電觸點，無人車在電量降低時返回儲倉進行充電。組網(wǎng)工作模式下考慮到部分立方單元的工作任務(wù)耗能需求較大不能完全滿足任務(wù)需求，無人機(車)可實施網(wǎng)絡(luò)化異母體充能。

1.4 通信系統(tǒng)

集群式偵察探測防御系統(tǒng)的通信系統(tǒng)功能主要包括天—地通信和地—地通信，針對這些需求本系統(tǒng)集成了2類天線：天—地通信的陣列天線和地—地通信的線極化天線[6]。為了實現(xiàn)組網(wǎng)通信，系統(tǒng)建立了4層通信體系：立方單元與衛(wèi)星間通信、立方單元與立方體間通信、立方單元與無人機/車間通信、無人機/車與無人機/車間通信，4個分立的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了整個體系的通信系統(tǒng)，為了使4個通信系統(tǒng)協(xié)同工作并且不會相互干擾，設(shè)立了4層通信協(xié)議以及4個工作頻段[7]。為防止在無線傳輸過程中信息被截獲、指令被破解、控制單元被敵人所控制，在通信過程中進行加密，確保通信安全[8]。

2 指揮控制網(wǎng)絡(luò)

災(zāi)區(qū)/戰(zhàn)區(qū)的面積大，單個系統(tǒng)的覆蓋能力有限，需要在目標(biāo)區(qū)域里投放多個立方單元。各立方單元自主選擇落點，組成效率高、分布合理的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)區(qū)域全覆蓋?？蓪崿F(xiàn)區(qū)域信息整合，建立區(qū)域內(nèi)的臨時通信中繼網(wǎng)絡(luò)等功能。

為遂行偵察防御系統(tǒng)任務(wù)需求，設(shè)計了一種3層指揮控制模式，分別為區(qū)域級、單元級、任務(wù)級指控系統(tǒng)，可用于多個系統(tǒng)間共享偵察情報和信息綜合處理[9]。系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 通信與指揮控制結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Communication and command network

區(qū)域級指控單元處于指控網(wǎng)絡(luò)的最高層次，是集群偵察防御系統(tǒng)的指揮核心，根據(jù)指控關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的建立規(guī)則，設(shè)立在區(qū)域內(nèi)選定的立方單元系統(tǒng)中。區(qū)域級指控具有作戰(zhàn)任務(wù)分解、與用戶端通信、處理單元上報信息、偵察數(shù)據(jù)融合等功能。

單元級指控為立方體系統(tǒng)指控，負責(zé)立方體單元的指揮自動化工作。單元級指控接受區(qū)域級指控指揮控制，同時對任務(wù)級指控管理控制。主要功能包括管理本單元硬件設(shè)備、接收和處理區(qū)域級指控任務(wù)指令、規(guī)劃子載荷系統(tǒng)任務(wù)路線、向下發(fā)送控制指令、處理任務(wù)級指控的上報信息，接收和處理子系統(tǒng)傳感器探測信息等。

任務(wù)級指揮控制系統(tǒng)建立在執(zhí)行協(xié)同任務(wù)的無人機、無人機械車等的混合任務(wù)編隊中，接受單元級指控指揮，根據(jù)任務(wù)特點設(shè)立在編隊中某一編組成員上，用于協(xié)同、控制單個或多個執(zhí)行設(shè)備執(zhí)行具體偵察任務(wù)[10]。任務(wù)級指揮控制系統(tǒng)的功能包括動態(tài)路線規(guī)劃、編隊控制、目標(biāo)信息偵察與回傳[11]。

指控關(guān)系建立算法周期執(zhí)行，支持自適應(yīng)的指控關(guān)系建立，當(dāng)部分單元失能或需要補充投放立方單元時適時調(diào)整拓撲結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)具有動態(tài)可重組、彈性抗毀傷的優(yōu)勢[12]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

(1) 集群智能協(xié)同技術(shù)

單無人機探測和執(zhí)行任務(wù)的能力有限，多無人機組網(wǎng)，建立區(qū)域態(tài)勢感知，執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時可以有效的協(xié)同配合，大幅度提高執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力。目前，智能協(xié)同技術(shù)利用對自然界生物群體，如鷹群智能、狼群智能等協(xié)同機制進行模仿[13]，建立協(xié)同關(guān)系拓撲結(jié)構(gòu)，采取快速有利的決策完成目標(biāo)任務(wù)。

(2) 目標(biāo)檢測與識別技術(shù)

目標(biāo)檢測和識別技術(shù)是一種基于目標(biāo)幾何統(tǒng)計特征的圖像分割技術(shù)，目前主要的目標(biāo)識別算法分為3類，分別是基于區(qū)域信息的檢測算法、基于回歸的檢測算法以及基于搜索的檢測算法[14]。系統(tǒng)中，無人機利用相關(guān)目標(biāo)檢測和識別技術(shù)，對傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)進行處理，識別目標(biāo)，并將處理得到的信息實時回傳立方系統(tǒng)。

(3) 多傳感器信息融合技術(shù)

多傳感器信息融合技術(shù)是指對若干傳感器的觀測信息在一定準(zhǔn)則下加以自動分析和綜合，以完成所需決策和估計任務(wù)所進行的信息處理技術(shù)[15]。立方系統(tǒng)指揮集群執(zhí)行任務(wù)，多個無人機經(jīng)過任務(wù)規(guī)劃，以不同的路線和方位對任務(wù)目標(biāo)進行偵察，在不同方位獲得目標(biāo)信息，立方系統(tǒng)的信息處理系統(tǒng)利用多傳感器信息融合技術(shù)，獲得目標(biāo)的態(tài)勢信息。

4 創(chuàng)新優(yōu)勢與應(yīng)用前景

集群式偵察探測防御系統(tǒng)由多個立方單元組成，系統(tǒng)采用4層通信網(wǎng)絡(luò)，并建立3級指控網(wǎng)絡(luò)，分層分級實現(xiàn)系統(tǒng)高效有序的通信和控制，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)信息覆蓋和情報共享。

立方單元采用模塊化設(shè)計，各模塊可以根據(jù)需求調(diào)配和組合。無人載具針對任務(wù)選用不同類型偵察探測載荷，增強環(huán)境適應(yīng)性。無人機集群的數(shù)量多、靈活性高、功能多，可以增加探測弧度，提高探測精度，實現(xiàn)多維多角度的探測。

各無人載具利用通信指控網(wǎng)絡(luò)，集成為組合偵察系統(tǒng)，采用多傳感器信息融合技術(shù)，提升系統(tǒng)的聯(lián)合偵察探測能力和大區(qū)域態(tài)勢感知能力。立方單元充分利用內(nèi)部空間攜帶蓄電池，裝載太陽能電池板，提升續(xù)航工作時間。

本系統(tǒng)具有可觀的應(yīng)用前景，在民用災(zāi)區(qū)救援和軍事戰(zhàn)區(qū)偵察防御都可發(fā)揮重要作用，符合國家提出的“軍民融合”的發(fā)展需求。

在民用領(lǐng)域，系統(tǒng)可以在發(fā)生自然災(zāi)害時快速、大量投放至受災(zāi)區(qū)域，固定翼無人機可以迅速對受災(zāi)區(qū)域內(nèi)的地理信息進行采集，對災(zāi)害程度予以評估，為后續(xù)的救援提供精確的地形信息。四旋翼無人機和多功能無人車則可以搭載地質(zhì)/環(huán)境分析儀器、生命探測器等設(shè)備，為災(zāi)后常出現(xiàn)的次生災(zāi)害提供分析預(yù)報的參考，為后續(xù)的搜救工作提供信息。所投放的多個系統(tǒng)之間，可相互通信、組網(wǎng)，快速建立起災(zāi)區(qū)的臨時通信網(wǎng)絡(luò)。

在軍用領(lǐng)域，系統(tǒng)配備固定翼無人機和四旋翼無人機組成的綜合探測系統(tǒng)，以及多功能無人車防御打擊系統(tǒng)，可以在作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)進行集群式的偵察防御。立方系統(tǒng)可由運輸機攜帶，從戰(zhàn)區(qū)外部投放，滑翔部署至任務(wù)區(qū)域，通過無人機巡航建立地形信息、旋翼機集群作戰(zhàn)實現(xiàn)對低慢小無人機集群的多維多角度精準(zhǔn)探測，執(zhí)行任務(wù)區(qū)域偵察和態(tài)勢感知任務(wù)，實時回傳偵測信息。利用無人車對目標(biāo)進行攔截和打擊，實現(xiàn)對低慢小和任務(wù)目標(biāo)打擊防御。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種集群式偵察探測防御系統(tǒng)。對系統(tǒng)核心—立方單元的硬件設(shè)備進行了設(shè)計；設(shè)計了系統(tǒng)的通信指控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對任務(wù)執(zhí)行的協(xié)同管理和控制；基于立方單元和通信指控網(wǎng)，設(shè)想了系統(tǒng)的應(yīng)用流程。同時，隨著智能化技術(shù)、傳感器技術(shù)、供電技術(shù)和計算機計算能力的發(fā)展，系統(tǒng)的自主化水平、探測精度、續(xù)航能力將會進一步提升，實現(xiàn)集群復(fù)雜度更高、更高效的偵察通信防御系統(tǒng)，以期系統(tǒng)可在災(zāi)區(qū)救援探測、臨時通信中繼和軍事偵察防御等方面發(fā)揮重要作用。