從美軍2042年無(wú)人系統(tǒng)路線圖看無(wú)人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展動(dòng)向

李 磊，王 彤，蔣 琪

（北京海鷹科技情報(bào)研究所，北京 100074）

1 引 言

美國(guó)國(guó)防部2018年8月發(fā)布了《2017—2042財(cái)年無(wú)人系統(tǒng)綜合路線圖》，對(duì)無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展提供了總體戰(zhàn)略指南。這份路線圖是美國(guó)國(guó)防部組建專門(mén)的團(tuán)隊(duì)，基于各軍種、機(jī)構(gòu)、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的技術(shù)趨勢(shì)研究形成，代表了美國(guó)國(guó)防領(lǐng)域未來(lái)25年在無(wú)人系統(tǒng)投資發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。2042年路線圖是在2038年路線圖基礎(chǔ)上的進(jìn)一步延伸，主要是從互用性、自主性、安全網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)協(xié)同四個(gè)主題分析無(wú)人系統(tǒng)面臨的問(wèn)題、挑戰(zhàn)、機(jī)遇、重點(diǎn)需發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)等。本文重點(diǎn)針對(duì)路線圖中的四個(gè)關(guān)鍵主題，結(jié)合美軍近年來(lái)無(wú)人系統(tǒng)的關(guān)鍵發(fā)展動(dòng)向做綜合分析，分析四大主題重點(diǎn)布局的發(fā)展方向?qū)ξ磥?lái)作戰(zhàn)的影響。

2 路線圖背景、目的及內(nèi)容

美國(guó)國(guó)防部已經(jīng)在所有的作戰(zhàn)環(huán)境中使用無(wú)人系統(tǒng)，為確保國(guó)防部相關(guān)投資真正用于推進(jìn)無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)和作戰(zhàn)使用，于2018年8月30日發(fā)布了《2017—2042財(cái)年無(wú)人系統(tǒng)綜合路線圖》（簡(jiǎn)稱2042年路線圖）。該路線圖是美國(guó)國(guó)防部公開(kāi)發(fā)布的第五版（2007—2032年，2009—2034年，2011—2036年，2013—2038年，2017—2042年）無(wú)人系統(tǒng)綜合路線圖，是在2038年路線圖基礎(chǔ)上的進(jìn)一步延伸，旨在進(jìn)一步將無(wú)人系統(tǒng)整合到作戰(zhàn)體系，明確相關(guān)的投資領(lǐng)域，以確保各軍種的無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)及工作與國(guó)防部規(guī)劃保持一致。表1給出了美國(guó)無(wú)人系統(tǒng)2017—2042年四大發(fā)展主題、關(guān)鍵支撐技術(shù)及目標(biāo)［1］。

表1 美國(guó)無(wú)人系統(tǒng)2017—2042年四大發(fā)展主題、關(guān)鍵支撐技術(shù)及目標(biāo)Table 1 Four major development themes，key supporting technologies and objectives of Unmanned Systems in the US from 2017 to 2042

（1）提供總體戰(zhàn)略指南，確保各層級(jí)發(fā)展無(wú)人系統(tǒng)的目標(biāo)及工作與國(guó)防部規(guī)劃保持一致。

該路線圖旨在作為國(guó)防部無(wú)人系統(tǒng)總體戰(zhàn)略指南，從總體上確保各軍種無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展與國(guó)防部保持規(guī)劃一致，致力于減少重復(fù)工作、提高協(xié)同能力、確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)國(guó)防部和工業(yè)界協(xié)作發(fā)展的無(wú)人系統(tǒng)主要領(lǐng)域進(jìn)行描述。此外，該路線圖將綜合考慮無(wú)人系統(tǒng)面臨風(fēng)險(xiǎn)，統(tǒng)籌安排軍方對(duì)無(wú)人系統(tǒng)創(chuàng)新項(xiàng)目投資，并作為無(wú)人系統(tǒng)戰(zhàn)略綱要。該路線圖用于國(guó)防部層面的同時(shí)，也指導(dǎo)需求開(kāi)發(fā)人員、預(yù)算規(guī)劃人員、項(xiàng)目經(jīng)理、科研人員、作戰(zhàn)人員等開(kāi)展工作。

（2）通過(guò)技術(shù)趨勢(shì)研究形成四個(gè)主題，以構(gòu)建敏捷、靈活的技術(shù)和政策基礎(chǔ)，從而孵化顛覆性技術(shù)和運(yùn)作方式。

國(guó)防部通過(guò)組織專門(mén)的團(tuán)隊(duì)，對(duì)來(lái)自國(guó)防部各級(jí)參考文件進(jìn)行審查分析，并對(duì)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行研究，總結(jié)提煉出四個(gè)共同主題和關(guān)鍵要素。這四大主題為無(wú)人系統(tǒng)集成和使用技術(shù)評(píng)估以及作戰(zhàn)條令、組織、訓(xùn)練、政策改進(jìn)等提供基礎(chǔ)。從而構(gòu)建敏捷靈活的技術(shù)和政策基礎(chǔ)，以此發(fā)展顛覆性技術(shù)和運(yùn)用方式，并與國(guó)防部的工作相融合，以使國(guó)防部更加協(xié)同和有序地利用無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)提升軍力。

3 關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)向

美軍2018年無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展關(guān)鍵動(dòng)向印證了美國(guó)大力推進(jìn)2042年路線圖四個(gè)主題的發(fā)展；同時(shí)，四個(gè)主題的發(fā)展引領(lǐng)無(wú)人系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向。

（1）加快通用/開(kāi)放體系架構(gòu)、部件模塊化及試驗(yàn)鑒定驗(yàn)證等進(jìn)程，提升無(wú)人系統(tǒng)的互用性及體系作戰(zhàn)的融入。

未來(lái)體系作戰(zhàn)將越來(lái)越多的使用無(wú)人系統(tǒng)，互用性將構(gòu)成充分利用無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的一體化聯(lián)合和聯(lián)盟部隊(duì)的基礎(chǔ)。在有人和無(wú)人系統(tǒng)動(dòng)態(tài)混編的部隊(duì)中，無(wú)人系統(tǒng)必須能跨越系統(tǒng)和領(lǐng)域與其他無(wú)人系統(tǒng)及人員進(jìn)行通信、信息共享和交互協(xié)作。未來(lái)的作戰(zhàn)環(huán)境，部隊(duì)和系統(tǒng)之間必須多個(gè)指揮層級(jí)，不同作戰(zhàn)單元之間通信、信息共享和任務(wù)分配，并在戰(zhàn)場(chǎng)上實(shí)時(shí)進(jìn)行任務(wù)分派。

通用架構(gòu)將在任務(wù)空間或工作領(lǐng)域使用一系列共同標(biāo)準(zhǔn)，以確保系統(tǒng)間和跨領(lǐng)域的協(xié)同。國(guó)防部通過(guò)支持系列計(jì)劃為空中和地面無(wú)人系統(tǒng)定義通用語(yǔ)言/信息傳遞架構(gòu)及通用安全通信架構(gòu)。這些架構(gòu)指導(dǎo)各軍種和工業(yè)界的未來(lái)開(kāi)發(fā)工作。具體包括小型無(wú)人系統(tǒng)自主架構(gòu)、無(wú)人系統(tǒng)聯(lián)合架構(gòu)（JAUS）、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)控制段架構(gòu)（UCS）、無(wú)人系統(tǒng)聯(lián)合通信架構(gòu)（JCAUS）、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)地面控制站人機(jī)接口開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化指南、開(kāi)放商業(yè)模式等。為未來(lái)分布式作戰(zhàn)和集群作戰(zhàn)發(fā)展，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）通過(guò)實(shí)施“體系集成技術(shù)與試驗(yàn)（SoSITE）”項(xiàng)目發(fā)展開(kāi)發(fā)時(shí)體系架構(gòu)技術(shù)，目標(biāo)把單一裝備的空戰(zhàn)能力分布在大量可互操作的有人和無(wú)人平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)機(jī)載系統(tǒng)和機(jī)載武器的即插即用，極大提升蜂群的靈活性（如圖1）。2018年6月完成多域組網(wǎng)的飛行驗(yàn)證［2］。此外，通過(guò)“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項(xiàng)目，發(fā)展蜂群協(xié)同開(kāi)放式架構(gòu)，2018年1月完成開(kāi)放式架構(gòu)指標(biāo)飛行驗(yàn)證［3］。

模塊化便于適應(yīng)新任務(wù)及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的軟硬件更換，從而節(jié)約時(shí)間與成本。典型項(xiàng)目為美國(guó)空軍模塊化“敏捷吊艙”（如圖2）。敏捷吊艙具有多種型號(hào)，可執(zhí)行各種任務(wù)，能快速更換有效負(fù)載以適應(yīng)多個(gè)平臺(tái)。同時(shí)，該吊艙采用開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既可以承擔(dān)情報(bào)、監(jiān)視與偵察（ISR）任務(wù)，也可以用于其他領(lǐng)域，能夠最大限度地滿足使用靈活性。敏捷吊艙是一個(gè)類似樂(lè)高的系統(tǒng)，可以包含三到五個(gè)獨(dú)立的部分，每個(gè)部分都可以容納不同的傳感器系統(tǒng)。2018年3月進(jìn)行了三次MQ-9死神無(wú)人機(jī)掛載 飛行試驗(yàn)。

自主系統(tǒng)的試驗(yàn)、鑒定、驗(yàn)證和確認(rèn)是保障高度自主的關(guān)鍵，重點(diǎn)在于精確且結(jié)構(gòu)化的標(biāo)準(zhǔn)和工具。DARPA支撐下發(fā)展的“自主性鑒定自查評(píng)估工具”（AVIA）項(xiàng)目，重點(diǎn)發(fā)展測(cè)試自主系統(tǒng)的自主邏輯性工具。DARPA實(shí)施的“進(jìn)攻性集群使能戰(zhàn)術(shù)”項(xiàng)目，發(fā)展無(wú)人自主集群集成試驗(yàn)床是其關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1 “體系集成技術(shù)與試驗(yàn)（SoSITE）”項(xiàng)目進(jìn)度及開(kāi)放架構(gòu)內(nèi)容Fig.1 Project schedule and open architecture research content System of Systems（SoS）Integration Technology and Experimentation（SoSITE）program

圖2 敏捷吊艙（左）由3到5個(gè)識(shí)別載荷艙組成（右）Fig.2 AgilePod（left）and agilepod scales from three to five reconfigurable payload bays（right）

（2）基于人工智能發(fā)展不斷增強(qiáng)自主作戰(zhàn)能力，提高無(wú)人系統(tǒng)作戰(zhàn)效率和效能

基于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)可開(kāi)發(fā)具有高度自主水平的無(wú)人系統(tǒng)，這種學(xué)習(xí)能力能擴(kuò)展和改進(jìn)無(wú)人系統(tǒng)的功能，變革戰(zhàn)場(chǎng)管理和指揮控制，提高無(wú)人系統(tǒng)效率和效能，增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)能力。在無(wú)人系統(tǒng)利用人工智能的過(guò)程中，需解決信任問(wèn)題，同時(shí)調(diào)整相關(guān)政策與法律限制。國(guó)防部加強(qiáng)與私營(yíng)企業(yè)合作獲得成熟解決方案，并對(duì)自主無(wú)人系統(tǒng)終端控制進(jìn)行演示驗(yàn)證，深度利用人工智能技術(shù)，使無(wú)人系統(tǒng)具有類人智慧；同時(shí)提高作戰(zhàn)安全性和效率，提升人機(jī)編組能力，實(shí)現(xiàn)從任務(wù)支持到作戰(zhàn)支持，發(fā)展接近全自主的無(wú)人系統(tǒng)。

DARPA實(shí)施的 “快速自主輕量（FLA）”旨在開(kāi)發(fā)一種先進(jìn)的算法，使無(wú)人機(jī)或無(wú)人車輛能夠在沒(méi)有人類操作員、GPS或任何數(shù)據(jù)鏈的引導(dǎo)下自主運(yùn)行，側(cè)重于自主性，其中“自主”包括感知、規(guī)劃、控制等方面。2018年7月完成第二階段飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的無(wú)人自主性的兩個(gè)方案，完成多層建筑之間以及狹窄空間的飛行并識(shí)別目標(biāo)，驗(yàn)證穿過(guò)狹窄窗戶進(jìn)入建筑物，沿著走廊找房間并創(chuàng)建內(nèi)部的三維地圖，同時(shí)驗(yàn)證了可識(shí)別并飛下一段樓梯，然后通過(guò)敞開(kāi)的門(mén)口離開(kāi)大樓，如圖3［4］。2018年10月，美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制的機(jī)器人Atlas，基于人工智能算法，完成跨越障礙和三級(jí)跳，在動(dòng)作的連貫性上已經(jīng)逼近人類的表現(xiàn)。2018年10月，通用動(dòng)力公司公布了最新的金槍魚(yú)-9無(wú)人潛航器，其集高導(dǎo)航精度、高聲吶分辨率和精密作業(yè)能力于一體，可在數(shù)分鐘內(nèi)形成精確數(shù)據(jù)（此前一般需數(shù)小時(shí)），可用于國(guó)防、商業(yè)以及研究等領(lǐng)域。2018年6月，美海軍刀魚(yú)水下獵雷無(wú)人潛航器通過(guò)海上驗(yàn)收試驗(yàn)，測(cè)試證明刀魚(yú)系統(tǒng)基于先進(jìn)的算法可在高雜波環(huán)境中檢測(cè)、分類并識(shí)別水雷。DARPA實(shí)施的“終身學(xué)習(xí)機(jī)器”（L2M）項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)全新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，使無(wú)人系統(tǒng)能夠不斷適應(yīng)新環(huán)境而不會(huì)忘記以前的學(xué)習(xí)內(nèi)容。2018年5月取得兩項(xiàng)突破，第一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域致力于開(kāi)發(fā)完整的系統(tǒng)及其組件，第二個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)⑻剿魃镉袡C(jī)體的學(xué)習(xí)機(jī)制，目標(biāo)是將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算過(guò)程。

圖3 “快速自主輕量（FLA）”項(xiàng)目第二階段飛行測(cè)試Fig.3 Fast Lightweight Autonomy（FLA）phase 2 flight testing

（3）加強(qiáng)賽博防御、信息保障和電子戰(zhàn)防護(hù)建設(shè)，確保無(wú)人系統(tǒng)作戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)安全

無(wú)人系統(tǒng)在通信/GPS拒止環(huán)境中易受賽博、電子戰(zhàn)攻擊。在無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展中，需要不斷加強(qiáng)集成賽博防御、電子戰(zhàn)防護(hù)技術(shù)，以確保信息的完整性、實(shí)用性和安全性［5］。

2018年7月，美國(guó)CTSi公司和L3技術(shù)公司在美國(guó)海軍支撐下完成用于高度競(jìng)爭(zhēng)和GPS拒止環(huán)境的一體化通信導(dǎo)航系統(tǒng)的飛行測(cè)試。該系統(tǒng)為“增強(qiáng)型鏈路導(dǎo)航系統(tǒng)（ELNS）”，是首個(gè)能在GPS拒止環(huán)境中向小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS）提供導(dǎo)航能力的系統(tǒng)，引領(lǐng)了飛行器定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）功能的發(fā)展新方向?？衫迷谕ㄐ藕虶PS拒止環(huán)境中仍能發(fā)揮作用的波形，對(duì)抗敵軍探測(cè)和中斷盟軍信號(hào)的行動(dòng)。

（4）強(qiáng)化建設(shè)人機(jī)接口、人機(jī)編隊(duì)技術(shù)，支撐人機(jī)協(xié)同的體系化作戰(zhàn)的實(shí)現(xiàn)

人機(jī)接口是人類操作和收集來(lái)自無(wú)人系統(tǒng)信息的機(jī)制。未來(lái)，人機(jī)接口將實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的人機(jī)協(xié)助和戰(zhàn)斗編隊(duì)，以任務(wù)和編隊(duì)為中心，將人類識(shí)別和判斷能力與無(wú)人系統(tǒng)的自主技術(shù)相結(jié)合，利用多域資源來(lái)滿足動(dòng)態(tài)任務(wù)目標(biāo)［6］。

DAR PA實(shí)施的“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)（CODE）”項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了對(duì)這方面的探索。2018年1月，CODE項(xiàng)目下開(kāi)發(fā)的“協(xié)同和應(yīng)急規(guī)劃監(jiān)控（SuperC3DE）”系統(tǒng)完成單人對(duì)無(wú)人機(jī)集群任務(wù)的人在回路監(jiān)控試驗(yàn)。試驗(yàn)中，系統(tǒng)監(jiān)控兩架真實(shí)和兩架虛擬RQ-23虎鯊無(wú)人機(jī)集群在通信受限環(huán)境下執(zhí)行ISR任務(wù)，驗(yàn)證了集群狀態(tài)監(jiān)測(cè)、自主人/機(jī)應(yīng)急決策方案生成、緊急干預(yù)等功能［7］。

人機(jī)編組是士兵、有人和無(wú)人系統(tǒng)同步部署、協(xié)同工作，結(jié)合各自優(yōu)勢(shì)，以產(chǎn)生不對(duì)稱的作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)的作戰(zhàn)能力。未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)是士兵、有人和無(wú)人系統(tǒng)之間尋求最佳平衡點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)減小士兵作戰(zhàn)負(fù)荷、增強(qiáng)各軍種作戰(zhàn)能力［8］。

2018年1月，根據(jù)美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)辦公室支持的“自主性研究試點(diǎn)計(jì)劃”（ARPI），美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）完成了兩個(gè)項(xiàng)目，研究了通過(guò)增強(qiáng)代理透明度這一方法來(lái)改進(jìn)人與人工智能代理之間的協(xié)作，成功驗(yàn)證了提升人與人工智能代理編隊(duì)工作效率的新方法。該方法是指機(jī)器人、無(wú)人駕駛車輛或軟件代理向人類傳達(dá)其意圖、行為、未來(lái)計(jì)劃和推理過(guò)程的能力。

2018年7月，德事隆系統(tǒng)公司和德事隆航空防務(wù)公司成功完成有人-無(wú)人機(jī)編隊(duì)協(xié)作能力的集成和驗(yàn)證飛行項(xiàng)目。在此次驗(yàn)證飛行中，通過(guò)德事隆系統(tǒng)公司代號(hào)為Synturian的控制和協(xié)作技術(shù)，德事隆航空防務(wù)公司蝎子攻擊機(jī)成功發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，將能力提升到新的級(jí)別，德事隆系統(tǒng)的互操作水平（LOI）由3提升到4，同時(shí)使移動(dòng)飛行器對(duì)多設(shè)備的指揮和控制成為了可能。

2018年7月，美海軍陸戰(zhàn)隊(duì)成功測(cè)試了單人單次控制6架無(wú)人機(jī)，未來(lái)希望能達(dá)到單人單次控制15架。

2018年10月，DARPA征集“進(jìn)攻性蜂群使能戰(zhàn)術(shù)（OFFSET）”項(xiàng)目“蜂群沖刺”第三階段提案，主要包含兩個(gè)研究領(lǐng)域，一是士兵-蜂群編隊(duì)的革新，二是蜂群戰(zhàn)術(shù)庫(kù)的擴(kuò)充。士兵-蜂群編隊(duì)的革新是指包括設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)并演示新的編隊(duì)模式，以增強(qiáng)人與自主蜂群的交互方式。該研究領(lǐng)域識(shí)別并尋求解決蜂群系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，以及士兵或戰(zhàn)術(shù)指揮員在進(jìn)行城市作戰(zhàn)時(shí)的認(rèn)知需求、生理需求與情境需求。蜂群戰(zhàn)術(shù)庫(kù)的擴(kuò)充是指，通過(guò)OFFSET項(xiàng)目中的蜂群戰(zhàn)術(shù)交互，研究新的蜂群戰(zhàn)術(shù)，以擴(kuò)充蜂群戰(zhàn)術(shù)庫(kù)。蜂群戰(zhàn)術(shù)庫(kù)是一個(gè)工具、戰(zhàn)術(shù)和方法的存儲(chǔ)庫(kù)，供蜂群“沖刺者”使用。選定的蜂群“沖刺者”將設(shè)計(jì)并實(shí)施戰(zhàn)術(shù)庫(kù)中沒(méi)有的復(fù)雜蜂群戰(zhàn)術(shù)，具體內(nèi)容為：采用由空中無(wú)人機(jī)和地面機(jī)器人組成的多樣化蜂群，在1～2h內(nèi)解決四個(gè)城市廣場(chǎng)街區(qū)的“城市突襲”任務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

美國(guó)國(guó)防部2042年路線圖是為確保美軍未來(lái)利用無(wú)人系統(tǒng)獲取絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，既滿足當(dāng)前緊急作戰(zhàn)需求，又立足未來(lái)體系作戰(zhàn)的支撐能力［9］。2042年路線圖指出19項(xiàng)需要近遠(yuǎn)期發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，包括機(jī)器人技術(shù)、開(kāi)放式體系架構(gòu)、自主和建模仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、尺寸重量與功耗/小型化技術(shù)、集群能力、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、傳感器技術(shù)、防撞技術(shù)、引領(lǐng)-跟隨技術(shù)、GPS拒止解決方案、網(wǎng)絡(luò)彈性和穩(wěn)健性、信息安全解決方案、增加網(wǎng)絡(luò)和頻譜容量、人機(jī)接口、自主數(shù)據(jù)策略調(diào)整技術(shù)，是美軍未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。從主要?jiǎng)酉蚩?，美軍已?jīng)開(kāi)始實(shí)施項(xiàng)目，開(kāi)始開(kāi)展相關(guān)技術(shù)的研究，這些技術(shù)面向作戰(zhàn)需求，對(duì)提升無(wú)人系統(tǒng)作戰(zhàn)效率和效能將發(fā)揮重要作用。