有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)指揮界面設計*

李　隆，許　瑛，岳　源，屈高敏

（南昌航空大學飛行器工程學院，南昌　330063）

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有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)指揮界面設計*

李隆，許瑛，岳源，屈高敏

（南昌航空大學飛行器工程學院，南昌330063）

摘要：分析了近期內(nèi)有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的體系結(jié)構(gòu)及作戰(zhàn)模式，基于三代戰(zhàn)機座艙普遍裝備的多功能顯示器，展開有人/無人機指揮控制界面的設計；基于人機工程學觀點和飛行員的視覺習慣，從緩解飛行員的心理和生理疲勞的角度出發(fā)布置無人機編隊的飛行參數(shù)，設計了有人/無人機執(zhí)行協(xié)同對地攻擊任務時包含巡航隊形、戰(zhàn)斗隊形、任務類型、導航點切換等功能的指揮控制界面。為未來短期內(nèi)有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)研究提供參考。

關鍵詞：有人機，無人機，協(xié)同作戰(zhàn)，指揮控制界面

0　引言

無人機因其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉以及操作人員無生命危險等優(yōu)點而備受各國青睞，在近年來的局部戰(zhàn)爭中表現(xiàn)突出。然而，由于無人機智能水平的限制，在未來相當長的一段時間內(nèi)，難以取代有人機獨立完成復雜的作戰(zhàn)任務。因此，有人機與無人機聯(lián)合編隊作戰(zhàn)將成為未來戰(zhàn)爭中的主要作戰(zhàn)模式。有人機指揮控制無人機作戰(zhàn)將成為未來空中作戰(zhàn)的一種重要方式［1-2］。

目前，無人機協(xié)同作戰(zhàn)逐漸受到了國外研究機構(gòu)和學者的普遍關注。美國國防部認為，在未來的電子戰(zhàn)場，有人駕駛飛機和各種偵察型、作戰(zhàn)型、干擾型無人駕駛飛機將把通信和電子設施連結(jié)起來，形成一個無人機與無人機、無人機與有人機協(xié)同作戰(zhàn)的航空電子戰(zhàn)體系，實現(xiàn)對戰(zhàn)場全維監(jiān)視，建立對戰(zhàn)場電磁態(tài)勢的實時感知和電子攻擊［3］。

為此，英美等無人機發(fā)展水平較高的國家均在加緊有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)應用研究。英國QinetiQ公司試驗驗證了1架狂風戰(zhàn)斗機引導BAC1-11無人機和3架仿真無人機對地面移動目標執(zhí)行模擬攻擊的過程［4］。美國陸軍航空應用技術(shù)部（AATD）開展的有人機/無人機通用結(jié)構(gòu)計劃，針對“阿帕奇”直升機和“影子-200”戰(zhàn)術(shù)無人機，開展有人機/無人機平臺協(xié)同作戰(zhàn)試驗和研究［5］。

本文分析了有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)及作戰(zhàn)模式，構(gòu)建了短期內(nèi)有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)可能采用的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)和作戰(zhàn)模式。并據(jù)此設計了未來有人機對無人機的協(xié)同指揮控制界面。為未來近期內(nèi)有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)研究提供參考。

1　有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的體系結(jié)構(gòu)主要有集中式和集散式兩種。圖1為集中式體系結(jié)構(gòu)下的協(xié)同作戰(zhàn)。集中式有人/無人機的協(xié)同重點體現(xiàn)在有人機對無人機的任務控制，即有人機在無人機任務執(zhí)行過程中對其飛行、通信、載荷和任務等多個層面進行有效監(jiān)管、指揮和控制。集散式結(jié)構(gòu)中相對集中式結(jié)構(gòu)增加了無人機之間的協(xié)同決策組件，當有人機與無人機中斷聯(lián)系時，無人機群之間通過信息交互，由無人機協(xié)同決策組件進行協(xié)同決策，對無人機進行操控［6］。

圖1　集中式體系結(jié)構(gòu)

在集中式體系結(jié)構(gòu)中，有人機作為唯一的中央控制節(jié)點，具有極強的決策能力和權(quán)威，與無人機之間存在著一種主從關系。這種結(jié)構(gòu)可以降低系統(tǒng)的復雜性，減少無人機間由協(xié)商產(chǎn)生的通信開銷，是短期內(nèi)有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的首選體系結(jié)構(gòu)。

在集散式體系結(jié)構(gòu)中，每架無人機可在任務執(zhí)行過程中從自身利益出發(fā)，根據(jù)環(huán)境信息和自身狀態(tài)對當前的任務計劃進行評估，如果發(fā)現(xiàn)更有利于自身的規(guī)劃，便將其提交給有人機，由有人機對每架無人機的提議進行總體評估，采納能獲得更好整體效能的提議。這種結(jié)構(gòu)適用于規(guī)模大、通信基礎設施和技術(shù)容易實現(xiàn)的系統(tǒng)，可作為中遠期有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)。

2　有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)模式

在不同作戰(zhàn)環(huán)境下，有人/無人機之間的協(xié)同作戰(zhàn)模式可劃分為：態(tài)勢感知、協(xié)同攻擊和協(xié)同防御。其中，協(xié)同攻擊又分為對空目標攻擊、分布式多任務協(xié)同攻擊和跨平臺制導［7］。

由于現(xiàn)代空戰(zhàn)的不確知性和傳統(tǒng)的智能控制技術(shù)的局限性［8］，有人/無人機協(xié)同空戰(zhàn)的出現(xiàn)還有待時日。本文的有人機主要指有人作戰(zhàn)飛機，如雙座殲擊機或殲擊轟炸機。有人/無人機之間的協(xié)同編隊方式主要為1架有人機和多架無人機以及多架有人機和多架無人機混和編隊。以態(tài)勢感知和對地協(xié)同攻擊作戰(zhàn)模式為主。

利用有人/無人機的多個資源對同一地區(qū)展開協(xié)同偵查，可有效提高偵察效率，極大增強有人/無人戰(zhàn)斗機編隊的情報感知能力。圖2為利用多無人機對有源輻射目標實施協(xié)同定位。

圖2　多無人機協(xié)同態(tài)勢感知

在執(zhí)行對地攻擊作戰(zhàn)任務中，可以實現(xiàn)分布式的協(xié)同攻擊作戰(zhàn)，即每架無人機各自配置不同的傳感器以及不同類型的對地攻擊武器，降低單架無人機作戰(zhàn)成本。圖3為多無人機分布式協(xié)同攻擊作戰(zhàn)。

圖3　多無人機分布式協(xié)同攻擊

根據(jù)北約STANAG 4586標準［9］，有人機對無人機的協(xié)同控制級別可以分為5級，如下頁表1所示。要實現(xiàn)有效的協(xié)同作戰(zhàn)，應達到4級協(xié)同控制級別。

表1　有人機對無人機的協(xié)同控制能力級別

本指揮控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)在任務過程中有人機對無人機航路、載荷等的監(jiān)控與指揮控制。既要滿足有人機向無人機下達作戰(zhàn)指令，又要無人機能夠?qū)崟r將戰(zhàn)場態(tài)勢及情報信息反饋給有人機。這就要求實現(xiàn)有人機和無人機之間的互聯(lián)、互通、互操作。

目前，我國空軍戰(zhàn)機整體實現(xiàn)了從“第二代”向“第三代”的跨越，多種三代戰(zhàn)機已經(jīng)成為我軍空戰(zhàn)主體作戰(zhàn)力量［10］。對已有戰(zhàn)機加裝通訊組件，進行適當改裝，將其作為有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的有人機平臺，將有利于節(jié)省裝備改裝成本和人員訓練成本，并快速開展相關實驗訓練任務。因此，需要基于三代機座艙顯示系統(tǒng)設計針對無人機的指揮控制界面。

3　有人/無人機指揮控制界面設計

3.1設計依據(jù)

20世紀80年代以來，以F-15E雙座多用途戰(zhàn)斗機為代表，戰(zhàn)斗機座艙顯示設備普遍采用以平視顯示器（HUD）為主，3個多功能顯示器（MFD）分別顯示傳感器、電子戰(zhàn)、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分配系統(tǒng)數(shù)據(jù)的布局［11］，即“一平三下”布局。所以，有人/無人機指揮控制界面的設計將基于MFD展開。

同時，應該充分考慮飛行員的視覺習慣，使飛行員對信息辨識速度增快、誤讀率減小、可靠性提高，并能緩解飛行員的心理和生理疲勞［12-13］。因此，在界面中，應注意左參數(shù)，右任務的視覺習慣，即界面左方顯示無人機編隊飛行參數(shù)，右方顯示當前任務列表和數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)信息。

3.2界面布局

以執(zhí)行對地搜索攻擊作戰(zhàn)任務為例，進入搜索階段的指揮控制界面如圖4所示，是在有人機MFD所顯示的水平位置顯示儀（HSD）界面上增加無人機協(xié)同信息構(gòu)成。此界面通常顯示在右邊MFD上。其中，半圓加短線圖標表示無人機，短線代表無人機當前速度矢量方向，數(shù)字為無人機編號，扇形區(qū)域表示無人機傳感器搜索范圍。界面左下顯示無人機編隊飛行參數(shù)，右下顯示當前任務列表和數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)。

同時還需分配5個選項選擇按鈕（OSB），分別為：巡航隊形、戰(zhàn)斗隊形、任務類型、導航點切換，通過對應的OSB按鈕實現(xiàn)以上功能。選擇“巡航隊形”選項，將展開下級選項，包含斜一字隊形、楔形隊形、菱形隊形等隊形以及編隊間距；選擇“戰(zhàn)斗隊形”選項，將展開和巡航隊形類似的下級選項；選擇“任務類型”選項，將展開任務類型下級選項，包含搜索、監(jiān)視、攻擊等任務類型；選擇“導航點”選項兩邊的三角形箭頭切換導航點。

圖4　有人/無人機協(xié)同指揮HSD界面

3.3應用分析

圖5　出現(xiàn)突發(fā)威脅時的指揮控制界面

當無人機感知到突發(fā)威脅時將自行對其進行分析確認，并將威脅信息傳給有人機，顯示在有人機指揮控制界面上。假若無人機感知到了地面防空單元，如圖5所示。帶有“S”的小方框代表地面防空單元，其周圍的圓環(huán)表示地面防空單元武器射程，無人機進入地面防空單元武器射程將有可能遭到攻擊。圖中2號無人機圖標被實線框套住，表示2號無人機被地面防空單元雷達鎖定，這時警告音響起，提示有人機操縱員留意2號無人機狀態(tài)，以免被擊落。

如果有人機操作員不對無人機下達任何指令，無人機將按照機內(nèi)決策指揮模塊的自主決策對威脅做出反應。如果有人機操作員要對無人機的任務過程進行指揮控制，就用目標截獲光標（TAC，即圖中的一對垂直短線）選中要指揮的無人機，對其進行控制。如圖5所示，將要指揮1號無人機提前對防空單元進行攻擊。用TAC光標選中1號無人機，通過“任務類型”選項設置其任務類型為“攻擊”。隨后1號無人機將對地面防空單元發(fā)動自主攻擊。

同時左邊MFD自動切換到1號無人機控制界面。圖6所示為1號無人機導航控制界面，操作員可以通過圖中對應的OSB按鈕控制無人機的速度、高度和航向。界面右下角的“自主”選項表示放棄當前指揮，無人機將進入自主決策狀態(tài)。界面上方控制選項分別為：導航、雷達、紅外、電視、掛載（當前“導航”選項為選中狀態(tài)）。操作員可以通過以上選項對應的OSB按鈕在相應的界面中切換并進行控制，以完成對目標的識別及打擊。

圖6　單架無人機導航控制界面

圖7所示為紅外傳感器指揮控制界面。界面左邊選項分別對應紅外傳感器視野的俯仰和偏轉(zhuǎn)控制，通過不同朝向的三角形箭頭表示對應的方向。界面右邊的“掃掠”、“凝視”選項分別對應傳感器的掃掠和凝視模式，“自主”選項將使無人機進入自主決策狀態(tài)。界面底邊的選項分為：倍率、鎖定、開火，分別控制傳感器視場的放大倍率，對目標的鎖定及解鎖，選定武器的投放。

完成攻擊后，可按照飛行計劃進行下一步行動，或者由有人機操作員操作進入其他傳感器界面，評估打擊效果，以決策下一步行動。確認目標摧毀后，從圖4所示HSD界面選擇戰(zhàn)斗隊形或巡航隊形，指揮無人機重新進入戰(zhàn)斗隊形繼續(xù)“搜索-打擊”任務，或者進入巡航隊形返航。

4　結(jié)論

本文提出了基于三代機“一平三下”座艙布局的有人/無人機指揮控制界面的設計方法；建立了有人/無人機執(zhí)行對地搜索攻擊作戰(zhàn)任務時包含巡航隊形、戰(zhàn)斗隊形、任務類型、導航點切換等功能的指揮控制界面。隨著有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)研究的不斷發(fā)展，今后還應該吸收國內(nèi)外先進技術(shù)，不斷完善有人/無人機指揮控制系統(tǒng)，為操作員提供多種選擇，提高指揮控制效率。

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Command Interface Design of Cooperative Attack for Manned/Unmanned Aerial Vehicles

LI Long，XU Ying，YUE Yuan，QU Gao-min
（Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

Abstract：Analyzed the short term architecture and combat mode of cooperative attack for manned/ unmanned aerial vehicles，based on the multi-function displays of the third generation fighters，the design of command and control interface for manned/unmanned aerial vehicles is started.Based on human factors engineering and the vision habits of pilots，the flight parameters of UAVs formation considering the psychological and physiological fatigue of pilots are arranged，the command and control interface of cooperative attack for manned/unmanned aerial vehicles including the switching function of cruising formation，combat formation，mission type and navigation point is designed.References for the short term researches of command and control system of cooperative attack for manned/unmanned aerial vehicles are provided.

Key words：manned aerial vehicles，unmanned aerial vehicles，cooperative attack，interface of command and control

中圖分類號：V271.4；E926

文獻標識碼：A

文章編號：1002-0640（2016）05-0130-04

收稿日期：2015-05-05修回日期：2015-05-27

*基金項目：江西省研究生創(chuàng)新專項基金（YC2014-S396）；江西省人社廳留學人員科技項目（DB201406147）資助課題

作者簡介：李?。?986-），男，陜西華陰人，碩士研究生。研究方向：飛行器總體設計與系統(tǒng)仿真研究。