美國CODE項目推進分布式協(xié)同作戰(zhàn)發(fā)展

李 磊，王 彤，蔣 琪

（北京海鷹科技情報研究所，北京 100074）

1 引 言

2018年1月，洛克希德·馬丁公司和雷錫恩公司領(lǐng)導(dǎo)的團隊成功完成美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項目第二階段的飛行測試。DARPA將第三階段合同授予雷錫恩公司，進一步開發(fā)CODE的能力，并通過一系列飛行試驗對作戰(zhàn)能力進行驗證。該項目一旦得到充分驗證，將大大提高現(xiàn)有空中平臺的可生存性、靈活性和有效性，并可減少未來系統(tǒng)的開發(fā)時間和成本。本文系統(tǒng)梳理了美國CODE項目相關(guān)資料信息，分析其對未來作戰(zhàn)的影響，以期提供有益的參考。

2 發(fā)展概況

所謂的拒止環(huán)境，是美軍對強對抗環(huán)境的別稱，在這種環(huán)境中，強大對手使用軍事力量對抗美軍進入戰(zhàn)區(qū)實現(xiàn)作戰(zhàn)目的。

2014年，DARPA戰(zhàn)術(shù)技術(shù)辦公室（TTO）啟動CODE項目，旨在研發(fā)先進的自主協(xié)同算法和監(jiān)督控制技術(shù)以增強無人機（該項目無人機包括巡航導(dǎo)彈、誘餌無人機及其他無人機系統(tǒng)）在拒止環(huán)境的作戰(zhàn)能力。關(guān)鍵技術(shù)主要涉及四個方面：編隊協(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，正在使用實體和虛擬無人機，在通信拒止環(huán)境中進行全任務(wù)大規(guī)模飛行演示驗證。

2.1 研究背景、愿景和能力

拒止環(huán)境變化難測，危險性高，交戰(zhàn)各方將在電磁領(lǐng)域進行爭奪，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：作戰(zhàn)距離遠；電磁域超負荷運轉(zhuǎn)且敵我雙方對此爭奪激烈，此情況對己方天基高帶寬通訊及定位服務(wù)極為不利；敵方目標(biāo)為可移動目標(biāo)或者可重新部署的目標(biāo)；敵方使用誘餌無人機、偽裝設(shè)施和其他拒止技術(shù)；載人軍事裝備面臨高危險；以及高度綜合防御作戰(zhàn)行動要求協(xié)同作戰(zhàn)。

然而，現(xiàn)有絕大部分庫存無人機很難滿足拒止環(huán)境作戰(zhàn)要求，具體面臨的挑戰(zhàn)包括：無人機自主應(yīng)對戰(zhàn)爭情況變化的能力有限，缺乏對不斷變化環(huán)境的適應(yīng)能力（如導(dǎo)彈）或嚴格受控于人類操作員（如無人機）；利用常規(guī)方法來改善現(xiàn)有無人機系統(tǒng)的生存能力，成本高或技術(shù)上不可行；目前無人機的應(yīng)用模式為單機模式，此類無人機系統(tǒng)需要依靠遠程戰(zhàn)略軍事設(shè)備來實現(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)有無人機需要大量人員對其進行操控，這種運作模式成本高且無法兼容于能快速針對動態(tài)狀況進行反應(yīng)的原有作戰(zhàn)系統(tǒng)。

圖1 CODE項目塑造現(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)（組建無人機異構(gòu)編隊）的費用，并非簡單的將某項無人機的功能復(fù)制或集成到單個無人機平臺。通過協(xié)同算法，無人機之間能為彼此提供支援，具體包括：編隊能為沒有配置遠程感應(yīng)器的無人機提供目標(biāo)地理位置定位信息；能從多個角度對目標(biāo)進行觀測，提供對目標(biāo)的識別情況；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，能以此方式及其他方式對彼此進行相互保護。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項目旨在基于現(xiàn)有無人機開發(fā)自主算法和軟件，擴展無人機執(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)有平臺上進行低成本改造。

CODE項目的愿景是開發(fā)協(xié)同自主技術(shù)及算法，增強傳統(tǒng)無人飛行器（導(dǎo)彈和無人機）實用性，培育異構(gòu)系統(tǒng)的互操作性等。具體的能力包括：可應(yīng)對三個參考作戰(zhàn)任務(wù)（戰(zhàn)術(shù)偵察、反水面戰(zhàn)、摧毀地面的防空力量）；驗證算法有效性；驗證對抗三個任務(wù)的有效性。

CODE項目的主要目標(biāo)包括四個：開發(fā)、執(zhí)行和驗證自主協(xié)同算法，以增強現(xiàn)有無人系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)能力；機載軟件能在一個“通用任務(wù)計算機”（UMC）上運行，并能過渡到小型無人機系統(tǒng)和遠程導(dǎo)彈上；該軟件在一個開放架構(gòu)上開發(fā)，并能與無人機系統(tǒng)新的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)兼容；相關(guān)能力能進行仿真驗證，最初在飛行驗證平臺上，最終能在相應(yīng)智能體平臺上進行實地驗證。

2.2 研究內(nèi)容及進展

CODE項目為實現(xiàn)拒止環(huán)境中無人機的自主協(xié)同作戰(zhàn)，充分利用先進的交互設(shè)計思想、開放架構(gòu)等，主要技術(shù)包括飛行器自主、監(jiān)控界面、編隊協(xié)同自主、開放架構(gòu)，主要想定作戰(zhàn)場景包括戰(zhàn)術(shù)偵察、反水面戰(zhàn)、摧毀地面的防空力量。項目分為三個階段：

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，驗證了無人機自主協(xié)同的應(yīng)用潛力，并起草了技術(shù)轉(zhuǎn)化計劃；選擇了約20個可以提升無人機在拒止或?qū)弓h(huán)境中有效作戰(zhàn)的自主行為；人機接口和開放架構(gòu)基于“未來機載能力環(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)進行研發(fā)，并已取得一定進展。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（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實驗室管理員應(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)場景和進展

第二階段從2016年初到2017年底，洛馬和雷錫恩公司以RQ-23虎鯊無人機為測試平臺，加裝相關(guān)硬件和軟件，并開展了大量飛行試驗，驗證了開放架構(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任務(wù)場景飛行試驗驗證及全任務(wù)能力，測試六個無人機系統(tǒng)并協(xié)同其他模擬飛行器合作的能力。試驗將通過單人指揮無人機編隊執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，包括目標(biāo)搜索、識別以及對主動、不可預(yù)知的對手的打擊。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

CODE項目涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括單飛行器自主、無人機編隊協(xié)同自主、監(jiān)控界面、開放架構(gòu)、驗證全任務(wù)能力技術(shù)以及過渡到軍隊飛行器所用的技術(shù)等，具體如表1所示。此外，表1還給出了該項目一些具體指標(biāo)。

3.1 飛行器自主技術(shù)實現(xiàn)無人系統(tǒng)自主管理能力

為了組建自主無人機編隊，每架無人機需要有足夠的自主級別，包括：無人機平臺子系統(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)（無人機的溫度、壓力、剩余能量等狀況以及其他功能）；能識別意外且可處理；可應(yīng)對數(shù)據(jù)鏈突然失效的情況（執(zhí)行任務(wù)、防撞等），平臺上處理數(shù)據(jù)（減少通信數(shù)據(jù)量）；自動跟蹤移動目標(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)的狀況評估主要通過機載健康預(yù)測模型實現(xiàn)。

3.2 協(xié)同自主技術(shù)實現(xiàn)多無人系統(tǒng)協(xié)同完成任務(wù)

為了發(fā)揮協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢且考慮編隊的共同目標(biāo)以及各種限制，無人機編隊共享作戰(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（包括在人類團隊指揮員的幫助下），獲取可用于執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的信息，且閉環(huán)控制能改善編隊的全局模型?；谌帜Ｐ?，可確認能發(fā)揮每個編隊成員優(yōu)勢的行動計劃。

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，通信帶寬降低時給出傳輸任務(wù)優(yōu)先級排序），能夠動態(tài)組合編隊和子編隊，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)、編隊飛行、多限制自動路徑規(guī)劃、帶寬降低的措施。

如多限制自動路徑規(guī)劃驗證過程中，編隊執(zhí)行ISR任務(wù)時，一架無人機遭遇突發(fā)威脅，自主重新規(guī)劃路徑，與其他無人機協(xié)同重新生成行動方案，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現(xiàn)：據(jù)任務(wù)情況壓縮、價值信息（排序）、健康監(jiān)測（模型）、行為模型等。

3.3 監(jiān)控界面實現(xiàn)異構(gòu)多無人系統(tǒng)的監(jiān)測控制

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控制站，可以控制多于4架無人機，促進任務(wù)規(guī)劃（定義），人機之間可自然交互，簡潔但綜合性較強的組合（指揮官可以運用人的判斷力判斷當(dāng)前狀態(tài)），滿足訓(xùn)練和實戰(zhàn)需求，支持雙向信息流動。主要技術(shù)包括：多模型接口耦合點觸/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、編隊和子編隊可視化、編隊和子編隊任務(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。

為實現(xiàn)拒止環(huán)境中指揮員監(jiān)控多無人機協(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)了人機交互應(yīng)急規(guī)劃（SuperC3DE）系統(tǒng)。SuperC3DE是一套人機交互和智能決策輔助工具，提供綜合多視角人機界面，開啟調(diào)用可直接進入地圖進行可視化顯示，能使一人同時有效控制監(jiān)督管理多架無人機。此外，該系統(tǒng)還包括監(jiān)督應(yīng)急規(guī)劃評估子系統(tǒng)（SCOPE），對任務(wù)方案自主分析、預(yù)估、優(yōu)化、反饋，實現(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)，包括兩個關(guān)鍵組件（黃色區(qū)域和金色區(qū)域）：戰(zhàn)術(shù)手冊交互（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)項目其他軟件組件。SuperC3DE系統(tǒng)組件直接與編隊自主規(guī)劃（ATP）組件（用于編隊無人機協(xié)同和規(guī)劃路徑生成）交互。ATP組件生成路徑后由無人機執(zhí)行。為評估和驗證，SuperC3DE系統(tǒng)基于美國空軍實驗室的Fusion/IMPACT測試平臺（FIT）進行測試。

3.4 開放架構(gòu)實現(xiàn)不同類型無人系統(tǒng)功能的快速整合

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)測試過渡、兼容各種標(biāo)準(zhǔn)、高度模塊化。開放架構(gòu)對于拒止環(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)計必須能夠在允許連續(xù)改進的環(huán)境中共同運行。若要實現(xiàn)這個目標(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)是促進許多不同無人系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)，開放架構(gòu)是實現(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、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。為實現(xiàn)白軍網(wǎng)絡(luò)的運行，拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)項目采用了WFN軟件，軟件構(gòu)成如圖6所示。WFN軟件是一個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總線通過實時網(wǎng)絡(luò)鏈路與SUT中嵌入的軟件模塊進行通信。該軟件實現(xiàn)了白軍網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。

4 在分布式協(xié)同作戰(zhàn)中的影響分析

4.1 基于現(xiàn)有無人系統(tǒng)采用分布式協(xié)同作戰(zhàn)樣式實現(xiàn)作戰(zhàn)能力的倍增

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項目基于協(xié)同自主算法重點解決三個任務(wù)場景的作戰(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——無人機編隊在單個人的監(jiān)督控制下協(xié)同工作。無人機將不斷評估自身的狀態(tài)和環(huán)境，并向任務(wù)指揮者提出協(xié)調(diào)無人機行動的建議，任務(wù)指揮者將決定是否批準(zhǔn)此類編隊行動并指導(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，改進無人機的操作，使每個指揮者操作多個無人機。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)各個任務(wù)，而不是依賴于具有集成能力的單個無人機。這種靈活性可以顯著提高現(xiàn)有無人機任務(wù)和成本效益，縮短未來無人機的開發(fā)時間和成本，并實現(xiàn)新的部署概念。

4.2 從整體上提高分布式協(xié)同作戰(zhàn)控制力

CODE項目主要解決拒止環(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)之類的項目。DARPA支撐空中分布式作戰(zhàn)概念，發(fā)展了一系列項目，如圖7所示，支持分布式作戰(zhàn)的各種能力，而CODE項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、平臺和傳感器設(shè)計技術(shù)等，都不屬于CODE項目的重點技術(shù)，但在分布式作戰(zhàn)中具有重要或者潛在高價值。此外，CODE項目從整體上解決了分布式作戰(zhàn)的關(guān)鍵能力，可避免因為經(jīng)費問題中斷分布式作戰(zhàn)實現(xiàn)。

5 結(jié)束語

DARPA TTO開展CODE項目，重點研究利用先進自主和協(xié)同算法，全面提升現(xiàn)有和/或新的無人機有效性、生存性和經(jīng)濟性，以適應(yīng)拒止環(huán)境中作戰(zhàn)。目前該項目進入最后的飛行演示驗證階段，該項目的成果將推動分布式蜂群在戰(zhàn)場上的應(yīng)用。

圖7 支撐分布式作戰(zhàn)其他項目