智能無(wú)人飛行器技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)綜述

符文星，郭 行，閆 杰

（1.西北工業(yè)大學(xué)無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)研究院，西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué)無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，西安 710072）

1 智能無(wú)人飛行器內(nèi)涵及特征

基于未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)深度信息化、智能化、無(wú)人化的特點(diǎn)，無(wú)人作戰(zhàn)相關(guān)概念和技術(shù)迅速發(fā)展［1］。近年來(lái)，民用和軍用無(wú)人機(jī)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場(chǎng)價(jià)值顯著增長(zhǎng)，成本和功效的優(yōu)勢(shì)不斷突出，如何更好的把無(wú)人飛行器應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)成為備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。結(jié)合人工智能、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)等新興前沿?zé)狳c(diǎn)，無(wú)人飛行器未來(lái)將向智能化、集群化方向發(fā)展。

智能無(wú)人飛行器是由無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈等無(wú)人平臺(tái)及其有關(guān)設(shè)備組成的有機(jī)整體，具有感知、學(xué)習(xí)、決策等智能特征，是可自主完成預(yù)期使命任務(wù)的無(wú)人飛行裝備。智能無(wú)人飛行器最重要的兩個(gè)特征是自主性和智能化，人工智能作為智能無(wú)人飛行器的關(guān)鍵技術(shù)之一，可顯著提升其自主性能力和智能化水平。

2 智能無(wú)人飛行器項(xiàng)目研究現(xiàn)狀

2.1 智能無(wú)人飛行器的智能自主能力評(píng)價(jià)

美軍采用自主控制等級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)無(wú)人飛行器的智能化水平并將其分為10級(jí)，其中1～4級(jí)描述個(gè)體的智能化程度，5～10級(jí)描述群體的智能化程度［2］。隨著智能化水平的提升，無(wú)人飛行器由遙控制導(dǎo)向完全自主進(jìn)化，由個(gè)體自主向群體完全自主發(fā)展，由模擬人的個(gè)體屬性向模擬人的社會(huì)屬性發(fā)展［3］。

圖1 美軍無(wú)人飛行器自主控制等級(jí)Fig.1 Autonomous control level of US unmanned aerial vehicles

在美國(guó)無(wú)人軍隊(duì)理念中，新型的自主分析方法把自主性分為三級(jí)：第一等級(jí)是半自主操作，即人在回路內(nèi)，目前大多數(shù)無(wú)人飛行器在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中均需要人在回路來(lái)完成半自主控制；第二等級(jí)是監(jiān)督式自主操作，即人在回路上，無(wú)人飛行器必須具有一定的自主感知、決策和執(zhí)行能力，人可以監(jiān)督運(yùn)行并進(jìn)行干預(yù)；第三等級(jí)是全自主操作，即人在回路外，無(wú)人飛行器需要進(jìn)行自主感知、決策和行動(dòng)，人在回路外對(duì)運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估并改進(jìn)［4］。

圖2 美國(guó)無(wú)人軍隊(duì)理念的自主性分級(jí)Fig.2 Autonomy classification of the idea of US unmanned army

2.2 美國(guó)智能無(wú)人飛行器項(xiàng)目研究進(jìn)展

美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）、航空航天局（NASA）等機(jī)構(gòu)從20世紀(jì)90年代起一直推進(jìn)人工智能技術(shù)在精確打擊武器、智能無(wú)人飛行器、集群無(wú)人飛行器和有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)等國(guó)防相關(guān)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。

在精確打擊武器方面，美軍正在研發(fā)的遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈（LRASM）項(xiàng)目是人工智能技術(shù)在導(dǎo)彈武器精確制導(dǎo)中的成功應(yīng)用案例。LRASM具有一定的感知和規(guī)劃能力，尤其是能夠在線進(jìn)行威脅感知。如果在飛行過(guò)程中出現(xiàn)未知威脅，該導(dǎo)彈可以及時(shí)感知并在線改變航跡，從而繞過(guò)威脅區(qū)。此外，在末端攻擊時(shí)，其不僅能識(shí)別目標(biāo)，還能自主判斷出目標(biāo)的薄弱或關(guān)鍵部位，從而將打擊效能最大化。

圖3 LRASM遠(yuǎn)程反艦導(dǎo)彈Fig.3 Long-range anti-ship missile LRASM

在智能飛行器方面，X-47B無(wú)人攻擊機(jī)作為美國(guó)海軍空中無(wú)人戰(zhàn)斗平臺(tái)的驗(yàn)證機(jī)，連續(xù)創(chuàng)造了多個(gè)世界第一：它是人類歷史上第一架無(wú)人干預(yù)，由電腦獨(dú)立操控，具備監(jiān)視、情報(bào)收集和戰(zhàn)場(chǎng)打擊多功能的軍用智能無(wú)人飛行器；于2011年首飛成功，并于2013年實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)第一次在航母上的自主起降，在人類操作員手指指令的引導(dǎo)下能夠精準(zhǔn)的完成彈射和著艦任務(wù)；于2014年完成了和一架F18大黃蜂有人駕駛戰(zhàn)斗機(jī)的共同編隊(duì)飛行測(cè)試；于2015年實(shí)現(xiàn)了空中自主加油，從對(duì)接加油開(kāi)始，一直到最后脫開(kāi)整個(gè)過(guò)程完全是由電腦操作完成。上述幾種戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作對(duì)于人類飛行員來(lái)說(shuō)非常困難，但卻均被無(wú)人機(jī)高質(zhì)量完成。

圖4 X-47B無(wú)人攻擊機(jī)Fig.4 Unmanned combat aerial vehicle X-47B

在微型無(wú)人機(jī)方面，美軍的山鶉無(wú)人機(jī)，長(zhǎng)不到0.3m，質(zhì)量不到0.5kg，機(jī)身由凱芙拉合成纖維和碳纖維通過(guò)3D打印制成，并通過(guò)鋰離子聚合物電池供電。該無(wú)人飛行器可在40m/s的飛行速度下正常打開(kāi)機(jī)翼，并在30m/s的風(fēng)速中保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定，并具備數(shù)據(jù)通信能力，未來(lái)將可廣泛應(yīng)用于集群化作戰(zhàn)。

圖5 山鶉集群無(wú)人機(jī)Fig.5 Cluster UAV Perdix

2016年10月26日，美國(guó)軍方在加利福尼亞州中國(guó)湖基地進(jìn)行了無(wú)人機(jī)集群飛行試驗(yàn)，用3架F/A-18超級(jí)大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)釋放了103架山鶉微型無(wú)人機(jī)，山鶉無(wú)人機(jī)并不是按照預(yù)設(shè)程序行動(dòng)的個(gè)體，而是共享決策、協(xié)調(diào)行動(dòng)，以很高的精度快速通過(guò)一系列航路點(diǎn)，順利到達(dá)設(shè)定位置。

圖6 小精靈集群無(wú)人機(jī)Fig.6 Cluster UAV Gremins

表1 DARPA小精靈無(wú)人機(jī)技術(shù)指標(biāo)Table 1 DARPA technical index of Cluster UAV Gremins

2015年9月，DARPA發(fā)布了小精靈項(xiàng)目公告，提出通過(guò)載機(jī)在防區(qū)外發(fā)射攜帶偵察或電子戰(zhàn)載荷、具備組網(wǎng)與協(xié)同功能的無(wú)人機(jī)蜂群，執(zhí)行離岸偵察與電子攻擊。并且最重要的功能是飛機(jī)可在空中自主的對(duì)無(wú)人機(jī)群進(jìn)行發(fā)射和回收。該項(xiàng)目分三個(gè)階段：2016年3月進(jìn)入第一階段——系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，該階段經(jīng)費(fèi)為1580萬(wàn)美元；第二階段是為期約一年的技術(shù)成熟階段，只有第一階段的承包商才有資格進(jìn)入后兩個(gè)階段；第三階段是為期約一年半的演示驗(yàn)證及飛行試驗(yàn)階段。最終，DARPA希望在2020年左右實(shí)施飛行演示驗(yàn)證，驗(yàn)證空中發(fā)射和回收無(wú)人機(jī)群的可行性及作戰(zhàn)潛力。目前，DARPA設(shè)定的裝備規(guī)模是1000架小精靈無(wú)人機(jī)和25套載機(jī)設(shè)備。

2.3 智能無(wú)人飛行器有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)研究計(jì)劃

美軍近期在有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)方面的典型研究計(jì)劃包括：進(jìn)攻性蜂群戰(zhàn)術(shù)、拒止環(huán)境中的無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)、體系集成技術(shù)試驗(yàn)。

進(jìn)攻性蜂群戰(zhàn)術(shù)主要針對(duì)復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的以及不可預(yù)測(cè)的城市作戰(zhàn)環(huán)境，無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)在城市作戰(zhàn)中能夠發(fā)揮很好的作用，而無(wú)人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)效能將倍增。利用小型無(wú)人飛行器構(gòu)建的250個(gè)以上異構(gòu)自主蜂群系統(tǒng)，能夠在6小時(shí)之內(nèi)完成在8個(gè)街區(qū)的執(zhí)行任務(wù)。但是目前，美軍缺乏控制蜂群并與之互動(dòng)的技術(shù)，且缺乏快速開(kāi)發(fā)和共享適合于在多變的城市條件下應(yīng)用蜂群戰(zhàn)術(shù)的手段。

拒止環(huán)境中的無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)主要應(yīng)對(duì)敵方的強(qiáng)拒止環(huán)境，例如，敵方通過(guò)電磁干擾對(duì)我方系統(tǒng)的導(dǎo)航定位進(jìn)行拒止，或敵方對(duì)來(lái)襲的武器有較強(qiáng)的攔截能力。為滿足未來(lái)作戰(zhàn)需求，有人/無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)的研究核心集中在有人/無(wú)人編組以及協(xié)同算法。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)新的算法和軟件，驗(yàn)證新型無(wú)人機(jī)在拒止環(huán)境中執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的自主性和協(xié)同行為。

體系集成技術(shù)試驗(yàn)的項(xiàng)目背景是美軍空中的優(yōu)勢(shì)正在受到挑戰(zhàn)，項(xiàng)目目標(biāo)是要維持在強(qiáng)對(duì)抗性環(huán)境下的空中優(yōu)勢(shì)，通過(guò)有人機(jī)/無(wú)人機(jī)協(xié)同配合，試圖使有人機(jī)在安全距離和安全距離之外操控?zé)o人機(jī)來(lái)完成空中的協(xié)同探測(cè)以及打擊任務(wù)。

3 智能無(wú)人飛行器作戰(zhàn)的發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)分析智能無(wú)人飛行器的典型作戰(zhàn)項(xiàng)目，未來(lái)智能飛行器在作戰(zhàn)上的應(yīng)用主要有三個(gè)方面：分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)、高度人機(jī)融合作戰(zhàn)和集群化作戰(zhàn)。

3.1 分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)

傳統(tǒng)的綜合性作戰(zhàn)平臺(tái)注重各項(xiàng)作戰(zhàn)功能的集中性，例如，美國(guó)在飛機(jī)上要求探測(cè)制導(dǎo)、武器裝備、火力打擊等各種能力不斷集成，導(dǎo)致平臺(tái)非常復(fù)雜。其中的典型平臺(tái)是美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)，它集中了指揮控制、電子戰(zhàn)、武器系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)等，體現(xiàn)集中式綜合作戰(zhàn)平臺(tái)的概念，這種龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)將導(dǎo)致綜合作戰(zhàn)平臺(tái)的成本越來(lái)越高，復(fù)雜性越來(lái)越大，對(duì)未來(lái)作戰(zhàn)極為不利，一旦遭到攻擊會(huì)受到非常大的損失。

而基于智能計(jì)算和分布式技術(shù)的分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)方式，把不同的功能分散到不同的平臺(tái)上。以空戰(zhàn)為例，下一代空戰(zhàn)可能不再以高價(jià)值的平臺(tái)為作戰(zhàn)核心，而是把作戰(zhàn)功能分布到不同類型無(wú)人機(jī)上。作戰(zhàn)任務(wù)由指揮控制無(wú)人機(jī)、攻擊型無(wú)人機(jī)、探測(cè)型無(wú)人機(jī)、電子戰(zhàn)無(wú)人機(jī)等各種類型無(wú)人機(jī)緊密協(xié)作、共同完成任務(wù)。分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)在于各類型平臺(tái)功能單一，具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)各無(wú)人機(jī)之間密切協(xié)作，有能力完成原來(lái)靠集中作戰(zhàn)平臺(tái)難以完成的一些作戰(zhàn)任務(wù)，從而提高作戰(zhàn)能力。

3.2 高度人機(jī)融合作戰(zhàn)

美國(guó)從2016年開(kāi)始大力推進(jìn)忠誠(chéng)僚機(jī)項(xiàng)目和人機(jī)融合項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)無(wú)人F-16戰(zhàn)機(jī)與有人F-16戰(zhàn)機(jī)的混合編隊(duì)。無(wú)人戰(zhàn)機(jī)作為武器載機(jī)和探測(cè)載機(jī)提高了空戰(zhàn)過(guò)程中分布式探測(cè)和預(yù)警能力，同時(shí)它還可作為高機(jī)動(dòng)的武器載機(jī)，本身不需要具有探測(cè)能力而只搭載大量武器，形成小型武器庫(kù)實(shí)現(xiàn)武器的協(xié)調(diào)搭配。預(yù)計(jì)在未來(lái)無(wú)人戰(zhàn)場(chǎng)上，人機(jī)高度融合可以實(shí)現(xiàn)更加高級(jí)復(fù)雜的作戰(zhàn)功能和作戰(zhàn)方式，降低作戰(zhàn)損失和人員傷亡，從而獲得戰(zhàn)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

3.3 集群化作戰(zhàn)

群體智能是人工智能自主性的高級(jí)階段，智能無(wú)人飛行器將由智能個(gè)體作戰(zhàn)向智能集群作戰(zhàn)方向發(fā)展。無(wú)人機(jī)蜂群戰(zhàn)術(shù)可以把數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，整體功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)個(gè)體的疊加。同時(shí)無(wú)人機(jī)蜂群抗摧毀能力強(qiáng)，部分損失不影響整體功能。例如，美國(guó)山鶉無(wú)人機(jī)蜂群包含一百多架無(wú)人機(jī)，如果使用傳統(tǒng)方法攔截，成本極高，而且部分損失對(duì)它的整體作戰(zhàn)行動(dòng)不會(huì)造成破壞性影響，因而其生存能力大大提高。

4 智能無(wú)人飛行器關(guān)鍵技術(shù)

4.1 智能態(tài)勢(shì)感知技術(shù)

未來(lái)智能無(wú)人飛行器的協(xié)同作戰(zhàn)需具有全面的感知能力，具體包括智能環(huán)境感知、智能目標(biāo)感知以及智能故障檢測(cè)等，未來(lái)作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜程度對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知的智能化程度提出了更高的要求。

圖7 無(wú)人飛行器智能感知分類Fig.7 Classification for intelligent situation awareness of Unmanned Aerial Vehicles

智能環(huán)境感知主要包括對(duì)自身狀態(tài)、外部環(huán)境和威脅區(qū)域的感知，具體又包含戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、大氣環(huán)境、風(fēng)干擾、攔截威脅等戰(zhàn)場(chǎng)信息的全方位感知，通過(guò)傳感器濾波、多源信息融合等關(guān)鍵技術(shù)建立詳細(xì)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境信息。

智能目標(biāo)感知主要是指在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)下敵方目標(biāo)的精準(zhǔn)識(shí)別。目標(biāo)感知問(wèn)題相對(duì)復(fù)雜，采用圖像感知的導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)區(qū)域可視度、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜度要求較高，另外，人工干擾也會(huì)顯著降低導(dǎo)彈的目標(biāo)感知能力。面臨復(fù)雜的干擾環(huán)境和大量戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的融合處理，合理地將人工智能算法引入至目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域，將有效提升智能目標(biāo)感知的效率和性能。

智能故障檢測(cè)技術(shù)常常應(yīng)用于傳統(tǒng)的大型戰(zhàn)略導(dǎo)彈，主要應(yīng)對(duì)發(fā)射后的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力損失。在發(fā)動(dòng)機(jī)故障情況下，及時(shí)有效的故障感知以及在線制導(dǎo)控制重規(guī)劃，也可能促成飛行任務(wù)。目前，戰(zhàn)略導(dǎo)彈在典型動(dòng)力損失故障下的可靠性研究還處于研究論證階段，當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力損失20%～30%，甚至熄火的情況下，仍然要確保它能順利完成任務(wù)。

4.2 智能決策技術(shù)

智能決策技術(shù)可以與觀察-指引-決策-行動(dòng)（OODA）循環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，從決策層和行動(dòng)層兩個(gè)角度出發(fā)，在自主編隊(duì)、航跡規(guī)劃、智能突防和目標(biāo)分配等方面進(jìn)行智能決策。

實(shí)際操作中，預(yù)設(shè)的自主編隊(duì)情況和算法往往過(guò)于理想化，如何在線進(jìn)行動(dòng)態(tài)編隊(duì)是目前需要解決的難題。在航跡規(guī)劃領(lǐng)域，飛行器和火箭需要克服飛行過(guò)程中各種干擾和威脅，通過(guò)智能決策系統(tǒng)進(jìn)行在線軌跡規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整打擊目標(biāo)范圍以及實(shí)現(xiàn)低彈道突防等。在智能突防領(lǐng)域，由于智能無(wú)人飛行器面對(duì)的攔截環(huán)境極為復(fù)雜，需智能感知威脅并在線進(jìn)行自主軌跡規(guī)劃，或改變飛行策略等，通過(guò)智能突防技術(shù)的提升可以有效提高導(dǎo)彈生存能力。在目標(biāo)分配領(lǐng)域，在導(dǎo)彈集群化打擊多個(gè)目標(biāo)的情況下，考慮多目標(biāo)打擊和部分飛行器受損的可能因素，如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)分配也是需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)。

4.3 智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)主要應(yīng)對(duì)無(wú)人飛行器在大范圍跨域飛行、存在參數(shù)擾動(dòng)或者突發(fā)的故障等情況下的智能、容錯(cuò)控制等問(wèn)題，確保無(wú)人飛行器穩(wěn)定完成飛行作戰(zhàn)任務(wù)。

未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境時(shí)空范圍增大，無(wú)人飛行器需要進(jìn)行大范圍的跨域飛行作戰(zhàn)，在這種情況下，飛行器氣動(dòng)特性大范圍變化，控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性、持久可靠性、魯棒穩(wěn)定性問(wèn)題等亟需通過(guò)智能控制技術(shù)予以解決。對(duì)于變形無(wú)人飛行器，其結(jié)構(gòu)外形所控制的系統(tǒng)參數(shù)等可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行變化，結(jié)合智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的全域穩(wěn)定控制和制導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化等功能。

4.4 人機(jī)交互與通信技術(shù)

人機(jī)交互與通信技術(shù)主要解決無(wú)人飛行器集群及人機(jī)協(xié)同應(yīng)用時(shí)的人與無(wú)人飛行器的信息交互和共享等問(wèn)題，保障飛行器在強(qiáng)電磁對(duì)抗、拒止環(huán)境下等弱通信條件下仍能夠有效組網(wǎng)和協(xié)同。

當(dāng)無(wú)人飛行器集群進(jìn)行自主協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、虛擬化技術(shù)、分布式計(jì)算技術(shù)及負(fù)載均衡技術(shù)的綜合運(yùn)用必不可少。人機(jī)交互與通信技術(shù)將分散部署的作戰(zhàn)資源進(jìn)行有機(jī)重組，從而形成的一種彈性、動(dòng)態(tài)的作戰(zhàn)交互與通信網(wǎng)絡(luò)。具備虛擬化、連通性、分布式、易擴(kuò)展和按需服務(wù)等特點(diǎn)的信息網(wǎng)絡(luò)可為“人機(jī)跨域協(xié)同作戰(zhàn)”等未來(lái)作戰(zhàn)樣式提供有力的信息支撐。

圖8 無(wú)人飛行器智能感知過(guò)程Fig.8 Intelligent sensing process of Unmanned Aerial Vehicle

5 結(jié)束語(yǔ)

將人工智能與無(wú)人飛行器相結(jié)合將成為提升無(wú)人飛行器自主能力和作戰(zhàn)效能的重要手段和必經(jīng)之路，未來(lái)的智能無(wú)人飛行器將以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠模仿人類思維，具備態(tài)勢(shì)感知、信息融合、自主決策、自主控制和組網(wǎng)協(xié)同能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自主、高動(dòng)態(tài)與分布協(xié)同作戰(zhàn)。

未來(lái)軍用智能無(wú)人飛行器的發(fā)展必定要經(jīng)過(guò)分布式智能協(xié)同作戰(zhàn)、高度人機(jī)融合協(xié)同作戰(zhàn)和集群化作戰(zhàn)的發(fā)展道路。隨著智能態(tài)勢(shì)感知、智能決策、智能控制和人機(jī)交互與通信等關(guān)鍵核心技術(shù)的不斷成熟進(jìn)步，智能飛行器的自主性能和作戰(zhàn)效能將進(jìn)一步得到質(zhì)的飛躍。