地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)*

高明，周帆，陳偉

(北京電子工程總體研究所， 北京 100854)

0 引言

隨著人工智能、機器學(xué)習(xí)、計算機超級計算能力等方面的高速發(fā)展，并向武器裝備的滲透，未來地面戰(zhàn)場無人化、智能化、類人化的程度將會越來越高，促使陸軍武器裝備體系朝著無人化的方向發(fā)展[1]。從近幾場的局部戰(zhàn)爭可以看出，地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的投入出現(xiàn)爆炸式的增長，發(fā)展技術(shù)呈現(xiàn)顛覆性地變革，地面無人系統(tǒng)從遙控作戰(zhàn)到獨立自主作戰(zhàn)，從單一自主作戰(zhàn)到編隊集群協(xié)同作戰(zhàn)，對地面作戰(zhàn)樣式產(chǎn)生了巨大的影響[2]。因此，地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)已成為陸軍裝備體系發(fā)展的重要內(nèi)容。

1 地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)概述

1.1 地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的定義和分類

關(guān)于智能化無人作戰(zhàn)系統(tǒng)概念來源于2003年美軍公布的智能無人化機器作戰(zhàn)報告[3]，而對于地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)只是智能化無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的一個分支。未來戰(zhàn)爭是體系與體系的對抗，從構(gòu)建智能無人化武器體系的角度，大家普遍認(rèn)為地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)是由一些無需人直接操縱的、具備一定智能特征的、相互配合的軍事技術(shù)裝備所構(gòu)成的有機整體，能夠完成地面自行機動，實施和保障軍事任務(wù)的新型武器裝備系統(tǒng)，主要由地面無人平臺、任務(wù)載荷、作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等組成[4]。

按照地面無人平臺的自主性水平，可將地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)歸納為四大類[5]。

(1) 遙控型

在遙控操作中，士兵遠(yuǎn)距離控制地面無人平臺。遙控操作的距離可以大到士兵無法直接觀測到地面無人平臺運行的程度。因此，士兵對地面無人平臺所處環(huán)境的感知及其在該環(huán)境中運行情況的了解，主要取決于獲取遠(yuǎn)方未知環(huán)境信息的傳感器。無人平臺本身也沒有地形推斷或者軍事機動能力，也無法從其他來源獲取這種信息，士兵需要利用平臺傳感器和通信鏈路通過信息顯示技術(shù)推測平臺所在環(huán)境中的位置和運動，完成所有的感知過程。

(2) 半自主型

半自主型系統(tǒng)具有先進導(dǎo)航能力，可以通過追隨戰(zhàn)士、車輛等“引導(dǎo)者”留下的一系列標(biāo)記在環(huán)境中運動，具有一定程度的局部態(tài)勢感知能力。它可以利用地理定位信息和簡單地形推斷，來確定下一個標(biāo)記的航向，其中，地形推斷包括識別道路及其邊緣、開闊地形中的可穿越路徑、可避讓或跨越的障礙以及其他路徑規(guī)劃要素。因此，半自主型系統(tǒng)利用一些標(biāo)記并通過逐步識別的步驟規(guī)劃出最優(yōu)機動路徑，這樣大大降低了從A點到B點間機動時與操作人員交互的要求。

(3) 平臺中心自主型

無人作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)就是具有自主性。在字典中，“自主”最接近的定義就是“在想法或者行動判別上獨立”。單一的平臺中心自主型系統(tǒng)在軍事行動中可以獲得多源信息，通過機器學(xué)習(xí)方法對環(huán)境進行學(xué)習(xí)和應(yīng)對，無須更多的人工干預(yù)就完成被分配的復(fù)雜工作或任務(wù)。系統(tǒng)在機動過程中除了具有障礙檢測與自動識別能力外，還能夠探測作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)是否存在潛在威脅并采取避讓行動、秘密機動以及攻擊性自我防御，能對友軍、敵軍、中立者加以區(qū)分。

(4) 網(wǎng)絡(luò)中心智能型

與平臺中心自主型系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)中心智能型系統(tǒng)升級了一大步。在網(wǎng)絡(luò)中心作戰(zhàn)模式中，網(wǎng)絡(luò)中心智能型系統(tǒng)具有獨立的節(jié)點，通常由多個單一的平臺中心自主型系統(tǒng)組成的編隊，它們必須能從通信網(wǎng)絡(luò)接收信息請求與行動指令。網(wǎng)絡(luò)中心智能型系統(tǒng)是完全自主的極少與人進行交互，除非要進行程序設(shè)定的人工干預(yù)與通信，它可以非常詳細(xì)地獲取局部地形、植被、障礙及其他信息，并且具有極高的可維護性和可靠性，除了能夠自我診斷外，還具備基本的自我修復(fù)能力。

1.2 地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的特點

隨著人工智能時代的到來，地面無人作戰(zhàn)將成為未來陸軍信息化裝備發(fā)展的重要內(nèi)容。它將發(fā)展成不需人工直接操作而能自行完成偵察、搜索、瞄準(zhǔn)和攻擊目標(biāo)的作戰(zhàn)系統(tǒng)。地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)不但具有看、聽、說的功能，而且還具有某種“思維”能力,智能化、類人化程度將會越來越高[6-7]。

(1) 以C4KISR為核心的地、天、空一體化、有人/無人協(xié)同分布式網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)體系。直接介入高風(fēng)險戰(zhàn)斗，降低戰(zhàn)爭破壞

未來作戰(zhàn)體系是以C4KISR為核心的地、天、空一體化、有人/無人協(xié)同分布式網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)體系，地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)更多發(fā)展的是有人和無人系統(tǒng)組成的分布式、系統(tǒng)化、一體化的諸兵種合成的作戰(zhàn)系統(tǒng)。智能化地面無人系統(tǒng)為信息化武器裝備的高級形態(tài)和智能化武器裝備的集中體現(xiàn)，具有“非對稱，非接觸、非線式、零傷亡”的作戰(zhàn)特點。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的武器裝備殺傷力大、精度高、破壞力強，戰(zhàn)場人員的生命防護受到更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，不計其數(shù)的傷亡人員消耗了大量的人力和財力，國家承受著巨大的政治和經(jīng)濟壓力。著力發(fā)展無人武器裝備，并且投入到戰(zhàn)場中，這樣，可以盡量縮減作戰(zhàn)士兵數(shù)量，降低戰(zhàn)斗破壞和傷亡。

(2) 智能“感知神經(jīng)”貫通信息傳輸網(wǎng)，智能決策實時快捷，控制與打擊精確化，操作自動化

以衛(wèi)星通信網(wǎng)、雷達通信網(wǎng)、野戰(zhàn)通信網(wǎng)等各個通信網(wǎng)絡(luò)匯聚而成的信息傳輸系統(tǒng)，構(gòu)成了縱橫交叉、暢行無阻的戰(zhàn)場智能“感知神經(jīng)”傳輸網(wǎng)，它將互不關(guān)聯(lián)的分散“感觸點”獲取的信息有機地統(tǒng)一聯(lián)系起來，并做到互相確認(rèn)，互相證實，使士兵既能做到對戰(zhàn)場的某個核心區(qū)域?qū)嵤┟鞔_化地主動偵察探測，又能對整個戰(zhàn)場態(tài)勢進行自由感知。

地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的最佳體現(xiàn)就是系統(tǒng)智能化，控制與打擊的精確化，操作自動化。武器系統(tǒng)通過探測偵察系統(tǒng)、所有火力單元、指揮決策系統(tǒng)之間實現(xiàn)情報信息共享，實時處理來襲目標(biāo)信息和火力分配及控制，這些操作都將由平臺內(nèi)的微電腦系統(tǒng)完成，從目標(biāo)檢測、識別、瞄準(zhǔn)、導(dǎo)彈發(fā)射都將實現(xiàn)自動化。

(3) 面向高危作戰(zhàn)環(huán)境，全方位、全天候無人值守作戰(zhàn)，隱蔽潛伏能力和機動性更強

未來作戰(zhàn)戰(zhàn)場將會處在沖擊波襲擊、化學(xué)生化、熱輻射攻擊等非常危險的環(huán)境下，地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)不需考慮駕駛?cè)藛T的安全、生理等約束條件，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)可以全方位、全天候值守作戰(zhàn)。此外，系統(tǒng)設(shè)計以任務(wù)為中心，具有質(zhì)量體積小、隱蔽性好、機動靈活、潛伏能力強等優(yōu)勢特點，可以大大降低保障和研發(fā)費用。

1.3 地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

(1) 美國[8-10]

1) “破碎機”無人戰(zhàn)車

2005年，美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)資助，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的國家機器人工程中心(National Robotics Engineering Center，NREC)設(shè)計了“破碎機”(Crusher)無人戰(zhàn)車，主要用于偵察和支援，也可以攜載武器參與戰(zhàn)斗任務(wù)。如圖1所示，“破碎機”無人戰(zhàn)車堅固耐用，低噪機動，自控操作，使其能夠在1 km范圍內(nèi)完全自主執(zhí)行搜索、偵察、戰(zhàn)斗等任務(wù)，能夠適應(yīng)各種極端復(fù)雜的地形，即便在高速行進中也能輕松越過圍墻、壟溝、樹叢、樹樁和巖石。

2) “粗鋸齒”無人戰(zhàn)車

2009年，一對美國雙胞胎兄弟將研發(fā)的“粗鋸齒”(Ripsaw)無人戰(zhàn)車初步交付給美國國防部。4 t重的“粗齒鋸”能夠達到96 km/h的速度，并且具有足夠結(jié)實不易散架的履帶，技術(shù)要求非常高?！按铸X鋸”由坐在另一輛車?yán)锏闹笓]員使用模塊化操作平臺對其進行遙控。如圖2所示，“粗齒鋸”每一塊履帶都可以單獨拆卸下來并及時更換，這種模塊化設(shè)計在對抗激烈的戰(zhàn)場上，對于提高戰(zhàn)損修復(fù)有著積極的作用。

3) “黑騎士”無人戰(zhàn)車

如圖3所示，“黑騎士”(Black Knight)無人戰(zhàn)車是BAE系統(tǒng)公司研發(fā)的一款智能化無人戰(zhàn)車，主要任務(wù)是實施對危險地域進行勘察、收集情報、前方偵察，也可以伴隨步兵作戰(zhàn)，提供火力支援。該型戰(zhàn)車可以無人自主操作和手動操作，能夠自動規(guī)劃路線，智能躲避障礙物。“黑騎士”無人戰(zhàn)車在黑夜和白天都能夠使用。“黑騎士”無人戰(zhàn)車的技術(shù)還存在著很多瓶頸需要攻克。例如，無人戰(zhàn)車的可靠性問題，它既可以對敵方的步兵造成很大威脅，而這些戰(zhàn)車在失去控制之后，也是能殺死自己人的。

(2) 俄羅斯

2015年底至2016年初，俄羅斯國防出口公司在航展上公開展示了幾款新型地面無人系統(tǒng)，功能涵蓋掃雷和多功能戰(zhàn)斗，頗具技術(shù)特色[11-12]。

1) “烏蘭”-6多功能無人掃雷車

如圖4所示，“烏蘭”-6總體設(shè)計緊湊，外觀低矮。戰(zhàn)斗全重5 310 kg，車長4.455 m，到頂高度1.47 m，車寬1.53 m，當(dāng)車頭前方安裝掃雷連枷時，總寬度為2.015 m?！盀跆m”-6整體外形方正，車體呈箱式矩形，車頂安裝有攝像頭、天線等設(shè)備，通過兩個機械臂狀結(jié)構(gòu)與前端的掃雷工具組件相連。機械臂采用液壓控制，可伸展或折疊收回。搜索地雷和未引爆彈藥是“烏蘭”-6無人掃雷車的主要任務(wù)，它能夠觸爆最高59 kg TNT當(dāng)量炸藥，最大遙控距離為1 500 m。

2) “烏蘭”-9無人戰(zhàn)車

“烏蘭”-9的設(shè)計理念，是為陸軍步兵分隊、空降兵部隊、特種部隊、海軍陸戰(zhàn)隊等多兵種提供遠(yuǎn)程偵察和火力支援。如圖5所示，“烏蘭”-9的戰(zhàn)斗全重約為9 t，車體外形為箱式矩形，外形低矮、高度約為1.6 m，車長近5 m，車寬不到2 m。“烏蘭”-9可以看作是安裝無人炮塔的輕型坦克，其無人炮塔包括30 mm 2A72型機關(guān)炮，一挺7.62 mm同軸機槍，以及2具AT-9型輕型反坦克導(dǎo)彈。該反坦克導(dǎo)彈采用激光駕束制導(dǎo)和無線電指令制導(dǎo)相結(jié)合的方式，命中率較高，最大射程為8 000 m。

3) “天王星”-9多功能無人戰(zhàn)車

“天王星”-9多功能無人戰(zhàn)車用于遠(yuǎn)程偵察和火力支持全軍、情報和反恐部隊，戰(zhàn)車的武器包括30 mm口徑自動火炮2A72、7.62 mm機槍、“攻擊”式反坦克制導(dǎo)導(dǎo)彈，如圖6所示。戰(zhàn)車裝備了激光照射警告系統(tǒng)和發(fā)現(xiàn)、識別及跟蹤目標(biāo)的設(shè)備。

(3) 國內(nèi)新型智能無人偵察攻擊平臺

2017年11月7日，陜西雷神智能裝備有限公司首次對外公布了其自主研發(fā)的新型智能無人偵察攻擊平臺，如圖7所示。它可用于戰(zhàn)場偵察、測量，目標(biāo)引導(dǎo)、攻堅打擊，邊境、機場、碼頭、倉庫、港口等巡邏守衛(wèi)等任務(wù)。新型智能無人偵察攻擊平臺兼容各種地形自主駕駛、自主跟隨、遠(yuǎn)程遙控、衛(wèi)星導(dǎo)航尋跡等工作模式。其車尾為了防止步兵偷襲，貼掛了2枚反步兵定向地雷。平臺整體外觀為低RCS隱身設(shè)計、低紅外特征設(shè)計、反劫持設(shè)計。通信系統(tǒng)采用跳頻、擴頻結(jié)合多頻段冗余鏈路，兼容多車自組網(wǎng)，同時配備我國S頻段移動通信衛(wèi)星監(jiān)控鏈路。

2 地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[13-14]

未來地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將成為有人作戰(zhàn)系統(tǒng)的擴展和補充，其系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)能力的發(fā)展和提高，勢必需要系統(tǒng)總體架構(gòu)、通信、識別、機動等多項關(guān)鍵技術(shù)的突破，才能滿足未來無人戰(zhàn)爭中武器裝備體系的需求。

(1) 無人系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計技術(shù)

地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和運行交互的總體技術(shù)，包括各個分系統(tǒng)的功能描述以及各個分系統(tǒng)之間的接口。目前國外開發(fā)的地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)都能兼容無人系統(tǒng)聯(lián)合架構(gòu)。這種無人系統(tǒng)聯(lián)合架構(gòu)可以提高分系統(tǒng)之間的相互操作調(diào)研，它是一種標(biāo)準(zhǔn)化的無人系統(tǒng)信息架構(gòu)，能夠提高無人系統(tǒng)平臺的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化。如果武器裝備之間的相互操作調(diào)用性能得到提高，對系統(tǒng)間的協(xié)同作戰(zhàn)有很大幫助。

(2) 戰(zhàn)車智能環(huán)境感知與自主機動技術(shù)

傳統(tǒng)戰(zhàn)車強調(diào)“戰(zhàn)車、人、環(huán)境”的三維感知與交互，而地面無人戰(zhàn)車離開了人的直接操作，它是自主機動行駛，并且要求機動能力能夠適應(yīng)各種復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境。為了有效地完成任務(wù)，且確保自身的生存能力，因此，地面無人戰(zhàn)車必須具備全方位的感知能力，構(gòu)建戰(zhàn)場機動地圖，方能正確的完成避障自主探索、路徑規(guī)劃等決策。

(3) 目標(biāo)自動跟蹤與識別武控技術(shù)

目標(biāo)自動跟蹤與識別火控系統(tǒng)是先進的陸戰(zhàn)平臺武控系統(tǒng)，也是世界各國互相競爭發(fā)展的數(shù)字電子武器系統(tǒng)。它能自動完成彈道計算、彈種選擇、目標(biāo)檢測、跟蹤與識別、精確瞄準(zhǔn)等作戰(zhàn)過程，最后擊毀目標(biāo)完成作戰(zhàn)任務(wù)。

(4) 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

地面無人系統(tǒng)的核心之一就是網(wǎng)絡(luò)通信鏈路。地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)與指控中心之間傳輸?shù)膱D像、語音、命令等信息，都需要高可靠性的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。未來戰(zhàn)場環(huán)境含有各種電磁干擾，傳輸數(shù)據(jù)信息量大，亟需地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)具有更大的帶寬、抗干擾能力、通信自修復(fù)能力、系統(tǒng)間組網(wǎng)能力等。

(5) 人機交互技術(shù)

未來的無人系統(tǒng)無論如何發(fā)展，終究脫離不了人類，一方面，無人系統(tǒng)為戰(zhàn)場戰(zhàn)士服務(wù)；一方面，無人系統(tǒng)的“生殺大權(quán)”最終需要人類來決策。人機交互是為了給戰(zhàn)士提供具有安全可靠，便于攜帶等特點的執(zhí)行軍事任務(wù)能力的輔助技術(shù)。例如指揮控制輔助決策系統(tǒng)、高級指揮接口、觸摸屏顯示器、標(biāo)準(zhǔn)易懂的圖形圖標(biāo)，通用型人機接口等。

3 地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)對未來戰(zhàn)爭的影響

武器裝備的發(fā)展變化決定這戰(zhàn)爭形態(tài)、作戰(zhàn)樣式及軍隊組織結(jié)構(gòu)和軍事理論的發(fā)展變化。因此，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的投入使用必將對未來戰(zhàn)爭產(chǎn)生重大影響[15-16]。

(1) 促使野戰(zhàn)作戰(zhàn)樣式發(fā)生演變

無人化將是未來戰(zhàn)場的一個特點和趨勢，地面無人系統(tǒng)的廣泛使用有可能改變未來野戰(zhàn)的作戰(zhàn)樣式。一方面，無人作戰(zhàn)裝備將逐步代替有人裝備成為戰(zhàn)場的主要力量，令人類逐漸從戰(zhàn)爭前端后移;另一方面，單一作戰(zhàn)平臺能夠發(fā)揮的作戰(zhàn)效能有一定的局限性。因此，未來野戰(zhàn)的作戰(zhàn)式將逐步演變成有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)集群協(xié)同作戰(zhàn)。

(2) 使作戰(zhàn)手段和方法更加靈活

地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)在未來各種戰(zhàn)場環(huán)境下都能夠適應(yīng)，能夠參加各種戰(zhàn)爭，使得作戰(zhàn)的方法和手段靈活多變。它既能夠獨立完成作戰(zhàn)也可以編隊協(xié)同作戰(zhàn)，對目標(biāo)打擊能夠進行軟、硬殺傷。

(3) 使地面部隊的建制發(fā)生改變

未來無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將會在戰(zhàn)場上廣泛投入和應(yīng)用，這樣直接參加戰(zhàn)斗的士兵數(shù)量將會大幅度的縮減，無人系統(tǒng)的科技含量和專業(yè)技術(shù)也將改變部隊的訓(xùn)練計劃，大量的士兵將從浴血奮戰(zhàn)的戰(zhàn)場轉(zhuǎn)移到數(shù)字作戰(zhàn)顯控臺前。

4 結(jié)束語

地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)具有重大的軍事應(yīng)用價值和效益。它引領(lǐng)新一代陸軍裝備建設(shè)的發(fā)展，成為未來戰(zhàn)爭的寵兒。但是，目前地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用還面臨著許多挑戰(zhàn)，例如完全自主地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)應(yīng)用的安全性、合法性等問題。盡管存在許多問題，武器裝備無人化思維在軍事變革中必然引起浪潮。