美國DARPA無人機集群技術(shù)研究進展

曾 鵬　花梁修宇　陳軍燕　廖龍文

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的形態(tài)已逐步完成從機械化向信息化的過渡，各軍事大國之間的差距逐漸減小。為保持軍事優(yōu)勢，世界主要軍事強國將目光轉(zhuǎn)向智能化戰(zhàn)爭，軍事智能在決定未來戰(zhàn)爭勝負方面扮演愈加關(guān)鍵的角色。

在軍事智能的各項指標中，武器裝備的自主性無疑是判斷“智能”水平的核心指標，其中尤以“集群智能”技術(shù)最為突出。高度自主的智能化集群武器裝備可在戰(zhàn)斗人員賦予任務后，依靠智能算法自動尋找、識別甚至執(zhí)行攻擊任務，并具備造價低、生存強、效率高等諸多優(yōu)點。

美軍多年前就已經(jīng)開始著手發(fā)展“集群智能”裝備，其中具有自主能力的無人機集群技術(shù)是其發(fā)展的重點。早在2005年，美國國防部發(fā)布的《無人機系統(tǒng)路線圖2005-2030》中，將無人機的全自主集群作為最終發(fā)展目標。在2015年9月發(fā)布的《空軍未來作戰(zhàn)概念》頂層戰(zhàn)略文件、2016年5月發(fā)布的《2016—2036年小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃》中，都提出了無人機集群的作戰(zhàn)概念。在2019年2月12日，美國國防部公布的《2018年國防部人工智能戰(zhàn)略摘要》對這一問題再次進行了強調(diào)。

美軍各研發(fā)部門也正在著力發(fā)展這一顛覆性技術(shù)，以便擴充傳統(tǒng)威懾，掌控未來戰(zhàn)爭局勢。美軍國防高級研究計劃局（DARPA）作為美軍軍事裝備技術(shù)研發(fā)的先驅(qū)，在無人機集群技術(shù)方面也投入了大量精力，并已取得一些初步成果，開展了“小精靈”“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”“快速量輕自主”和“集群使能攻擊戰(zhàn)術(shù)”等多個無人機集群研發(fā)項目。

“小精靈”項目

“小精靈”項目致力于實現(xiàn)無人機集群的空中發(fā)射與回收，進而促進空中作戰(zhàn)概念的轉(zhuǎn)變。該項目的作戰(zhàn)想定是無人機在沒有可靠陸基或?；扅c時，通過空基（如運輸機）平臺在防區(qū)外發(fā)射攜帶有偵察或電子戰(zhàn)載荷的無人機集群，通過集群內(nèi)部的信息共享與協(xié)同，突破敵方防御系統(tǒng)，執(zhí)行偵察與電子攻擊任務，并在任務完成后對幸存的無人機進行回收。

“小精靈”項目以C-130運輸機為運載平臺，回收無人機時，在C-130下方遠離機體的地方部署一個類似于空中加油系統(tǒng)的拖曳式穩(wěn)定捕獲設備?；厥諘r，無人機與對接裝置相連，通過絞車和線纜從C-130的貨艙門由機械爪將其捕獲并收回機艙。預計每30分鐘完成4架無人機回收工作。地面人員會對其進行維護，以便在24小時內(nèi)進行下一次使用。盡管目前“小精靈”項目采用C-130作為演示平臺，但它的模塊化設計使美軍可以輕松修改其他運輸機或主要武器運載系統(tǒng)與之配合。

項目使用的無人機作戰(zhàn)半徑可達900千米，巡航時間最長3小時，最大速度馬赫數(shù)0.8，最大載荷約68千克，出廠單價（不包括載荷）低于70萬美元，預計使用壽命為20次飛行。這些無人機將配備多種不同載荷，具有數(shù)量大、尺寸小、廉價、可重復使用等特點?！靶【`”項目項目涉及眾多技術(shù)領(lǐng)域，包括：無人機發(fā)射和回收技術(shù);低成本、有限壽命的機身設計;高保真分析;精確數(shù)字飛行控制;相對導航和站點保持等。

“小精靈”項目始于2015年9月，項目分為3個階段實施：第一階段重點研究了無人機空中發(fā)射和回收系統(tǒng)的可行性，并于2017年3月順利完成，選擇Dynetics公司和通用原子公司進入第二階段工作。第二階段主要進行了全尺寸技術(shù)驗證系統(tǒng)的初步設計，為單個系統(tǒng)部件開展風險降低試驗，2018年4月順利完成。第三階段，2018年5月展開，計劃研制出一套全尺寸技術(shù)驗證系統(tǒng)，并在2019年開展“小精靈”集群的空中發(fā)射和回收飛行試驗，研究與潛在合作伙伴的不同傳感器集成的可能性。

“小精靈”項目的無人機集群作戰(zhàn)樣式既可解決作戰(zhàn)前沿區(qū)域部署機動性的現(xiàn)實需求，也可以為解決日益復雜的A2/AD戰(zhàn)場環(huán)境提出可靠的突防方案。雖然這些“小精靈”無人機群無法都在復雜的戰(zhàn)場突防作戰(zhàn)中生存下來，但考慮到其相比一般防空導彈而言較低的造價，這使得使用防空導彈防御“小精靈”無人機群作戰(zhàn)得不償失。此外，低成本使得“小精靈”無人機群可以利用數(shù)量優(yōu)勢實現(xiàn)過飽和攻擊，同時有效避免后續(xù)美軍大型戰(zhàn)機的損失?？傮w而言，“小精靈”無人機群投入作戰(zhàn)的規(guī)?？烧{(diào)、作戰(zhàn)效應多樣、經(jīng)濟可行性高，而且還能在各種沖突環(huán)境中提高作戰(zhàn)資源利用效率，具有很高的軍事應用前景。

“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”項目

“拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)”（CODE）項目希望搭建一個模塊化的軟件架構(gòu)，旨在發(fā)展先進的自主協(xié)同算法和監(jiān)控技術(shù)，保障無人機集群能在抗“帶寬限制”以及“通信中斷”等拒止環(huán)境下保持態(tài)勢感知并完成發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識別和攻擊目標等任務，從而提高無人機在高對抗環(huán)境中的自主性和協(xié)同作戰(zhàn)能力，同時降低對操作人員數(shù)量及成本的要求。

“拒止環(huán)境中的協(xié)同作戰(zhàn)”項目概念圖

FLA項目所用的四軸飛行器

CODE項目于2015年發(fā)布。2018年1月，完成了開放架構(gòu)、自主協(xié)同等指標的驗證。2018年11月，完成在拒止環(huán)境下，應對突發(fā)威脅能力的驗證。實現(xiàn)了無人機在低通信量時，可高效共享態(tài)勢，協(xié)同規(guī)劃和分配任務，制定戰(zhàn)術(shù)決策，應對動態(tài)高威脅環(huán)境。目前該項目已經(jīng)進入第二階段，第三階段將驗證單人控制最多6架無人機的能力。

CODE項目將改變目前單個無人機需要多人操作的情況，使得無人機在未來戰(zhàn)場上執(zhí)行情報、監(jiān)視和偵察及戰(zhàn)術(shù)打擊等各種任務時的能力大為拓展。具有自治能力的無人機群可在單人的監(jiān)督控制下協(xié)同工作，任務中不斷評估自身的狀態(tài)和環(huán)境，并向任務主管提出協(xié)調(diào)無人機行動的建議。任務主管可以混合和匹配具有特定能力的不同系統(tǒng)，以適應各個任務，并指導任務變更。支持CODE的無人機通過協(xié)作和自治，僅需要很少的監(jiān)督就能根據(jù)既定的接戰(zhàn)規(guī)則找到目標并酌情參與其中，并及時對戰(zhàn)場的各種動態(tài)情況做出反應。這種靈活性的任務執(zhí)行方式可以顯著提高現(xiàn)有裝備的效益，并有望實現(xiàn)新的部署理念。

“快速輕量自主”項目

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，GPS導航技術(shù)被廣泛應用于各種武器裝備與作戰(zhàn)行動中，但其易受欺騙和干擾，進而導致災難性軍事后果的問題也逐漸暴露。為解決這一問題，DARPA發(fā)起了“快速輕量自主”（FLA）項目，旨在研究新的感知和自主控制方法，并開發(fā)一種先進的算法，使小型無人機或無人車輛在沒有人類操作、GPS導航或任何外部數(shù)據(jù)鏈引導的情況下自主運行，執(zhí)行復雜條件下的威脅任務，如在敵對城市環(huán)境中進行任務偵察或在地震后的受損建筑中搜尋幸存者。

FLA項目始于2015年。2017年6月，DARPA在佛羅里達州中部利用小型四軸無人機開展了第一階段飛行實驗，主要驗證項目的可行性，因此在無人機平臺上裝載了各種不同的傳感器來分析相關(guān)環(huán)境信息。項目進行了一系列障礙飛行試驗，測試飛行試驗為期4天，試驗取得了重大突破。先進的軟件算法和傳感器使該無人機可以通過有障礙的航路找到目標物體。

2018年6月至7月間，DARPA在佐治亞州進行了第二階段飛行測試，測試小型無人機在緊湊的室內(nèi)空間，城市戶外環(huán)境和雜亂自然場景的自主飛行能力。研究人員改進了無人機的軟件系統(tǒng)，小型無人機僅攜帶一個攝像機，總重量減少為約原來的一半。測試驗證了FLA項目無人機的多種能力，如在多層建筑及狹窄過道中快速飛行同時確認目標、穿過窄窗進入屋內(nèi)搜索及構(gòu)建3D態(tài)勢以及識別樓梯并沿其飛出建筑物等。

FLA項目小型無人機的預計飛行速度為20米/秒（45英里/小時），它使用傳感器快速探索和導航未知環(huán)境中的障礙物時，會不斷創(chuàng)建地圖，記錄已探測過的地點，最后可自行返回起點。操控人員只需制定任務目標，如所要搜尋的目標圖形以及大概的目標方向及距離等。無人機收集的數(shù)據(jù)可與稱為Android Tactical Assault Kit（ATAK）的手持應用程序同步，該應用程序目前已經(jīng)部署到美軍部隊。使用來自飛機的可選Wi-Fi鏈路（可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉），飛行器可以發(fā)送所需對象的實時圖像。

目前，F(xiàn)LA項目已經(jīng)在重量僅為5磅（約2.3千克）、有限電池電量和計算處理能力的輕型四軸飛行器上得到了驗證。該項目的下一步工作是將更多的計算能力集成到更小的平臺上，并逐步轉(zhuǎn)移到陸軍研究實驗室，以進一步開發(fā)潛在的軍事應用。未來亦可用于其他輕質(zhì)小型地面車輛。

未來戰(zhàn)爭中，F(xiàn)LA的無人機群應用非常廣泛，如可以在軍隊進入作戰(zhàn)區(qū)域之前安全、快速地掃描建筑物內(nèi)的威脅，或在茂密叢林等偵察機無法對地面情況進行探知的區(qū)域搜尋被擊落的飛行員或敵方人員。此外，配備FLA算法的無人系統(tǒng)由于無需外部通信鏈路，因此指戰(zhàn)員在戰(zhàn)爭中暴露的可能性降低，人員安全性得到大幅提高。

OFFSET項目軟件交互界面

“集群使能攻擊戰(zhàn)術(shù)”項目

為顯著提升小型地面部隊在城市環(huán)境下的作戰(zhàn)效能，DARPA在2016年12月啟動了“集群使能攻擊戰(zhàn)術(shù)”（OFFSET）項目，旨在快速生成集群戰(zhàn)術(shù)，評估集群戰(zhàn)術(shù)的有效性，并將最佳集群戰(zhàn)術(shù)整合到野外作戰(zhàn)中。為實現(xiàn)這一目標，項目尋求構(gòu)建一個支持開放式系統(tǒng)架構(gòu)的活躍集群戰(zhàn)術(shù)開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括3個部分。

第一，先進的人員集群界面，使操作人員能夠同時對數(shù)百個無人平臺進行實時監(jiān)控和指揮。該計劃旨在利用正在興起的沉浸式直觀交互技術(shù)（例如增強和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，基于語音、手勢和觸控的技術(shù)等）來創(chuàng)建具有沉浸式態(tài)勢感知和決策呈現(xiàn)能力的新型指控界面。界面還將包含一個集群交互語法，實現(xiàn)集群戰(zhàn)術(shù)的“自由式”設計，以便實現(xiàn)基于現(xiàn)場實時條件的動態(tài)行動和反應。

第二，一套實時的網(wǎng)絡虛擬環(huán)境，用以保障實際的集群戰(zhàn)術(shù)演練。在演練中，操作人員可以在現(xiàn)實世界中使用各種無人系統(tǒng)或在虛擬系統(tǒng)中探索創(chuàng)新的合成技術(shù)快速探索、開發(fā)和評估集群戰(zhàn)術(shù)，并從中選擇最佳戰(zhàn)術(shù)。此外，操作人員可以通過該系統(tǒng)提交集群戰(zhàn)術(shù)進行排名，以鼓勵競爭和協(xié)作。

第三，社區(qū)驅(qū)動的集群戰(zhàn)術(shù)交流。該項目還為參與人員提供撰寫集群算法甚至改進其他現(xiàn)有集群戰(zhàn)術(shù)的工具，這可以為最終用戶生成集群戰(zhàn)術(shù)提供可擴展的架構(gòu)，并幫助創(chuàng)建一個持久的社區(qū)來創(chuàng)新和培養(yǎng)更為有效的戰(zhàn)術(shù)。

OFFSET項目包括5個核心領(lǐng)域：集群戰(zhàn)術(shù)、集群自主、人員-集群協(xié)同，虛擬環(huán)境和物理測試平臺，項目通過對各種無人空中和地面平臺的頻繁實時試驗來展示其技術(shù)。大約每6個月，項目的總體復雜性就需要隨著集群大小、空間操作規(guī)模和任務持續(xù)時間等的增加而不斷增長，因此平均每6個月，項目會著力推動某一核心領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。未來，希望通過直觀的用戶界面實現(xiàn)對上百個集群目標的戰(zhàn)術(shù)操作，應用于無人機和/或地面無人車輛集群，配備地面的班級等小型步兵部隊。

“集群使能攻擊戰(zhàn)術(shù)”項目擁有先進的人員集群界面進行實時監(jiān)控和指揮

2018年3月，項目開始第二階段“集群沖刺”，著力發(fā)展“集群戰(zhàn)術(shù)”核心領(lǐng)域，關(guān)注戰(zhàn)術(shù)開發(fā)與評估以及增強自主性算法研究，加強平臺自主性。項目選擇雷錫恩公司作為承包商之一，該公司正在研發(fā)一種單人控制大量無人機的VR接口，并已在50架無人機上進行了測試。測試時，參與人員通過HTCViveVR設備和兩個控制器與環(huán)境交互，使用數(shù)據(jù)進行實時決策，可對兩個城市街區(qū)內(nèi)的城市目標進行持續(xù)時間15～30分鐘的偵查。VR接口僅能完成簡單的指控操作，包括選擇集群子集并為其分配簡單任務，如移動到指定區(qū)域、原地盤旋，以及獲得周圍環(huán)境視圖。

2018年10月，項目開始第三階段“集群沖刺”，集中討論“人員-集群協(xié)同”和“集群戰(zhàn)術(shù)”核心領(lǐng)域，同時授予8家公司第二波集群沖刺合同。“人員-集群協(xié)同”是為增強人類與自主集群交互設計，開發(fā)和演示新的框架，試圖解決集群系統(tǒng)本身的復雜性，以及人類或指戰(zhàn)員在進行城市作戰(zhàn)時的認知需求。集群戰(zhàn)術(shù)是為操作人員提供集群作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)或者方法的存儲庫，主要針對任務持續(xù)時間1～2小時、面積為4個方形城市街區(qū)的“城市突襲”的任務，利用異構(gòu)集群的空中和地面機器人，設計和實施的復雜集群戰(zhàn)術(shù)。

2019年4月，開始征求第四次沖刺的創(chuàng)意，包括為OFFSET在虛擬環(huán)境中開發(fā)合成技術(shù)以及應用人工智能（AI）以探索和學習新的集群戰(zhàn)術(shù)兩個方面。以便為基于演練的集群模擬器開發(fā)合成技術(shù)和人工智能應用。對于合成技術(shù)，主要指分布式“墻體透視”傳感器，無源集群通信或增強型傳感器/計算陣列，以實現(xiàn)和演示新的集群戰(zhàn)術(shù)。并利用人工智能加速集群戰(zhàn)術(shù)設計，操作人員將通過OFFSET的虛擬環(huán)境，利用人工智能框架來發(fā)現(xiàn)、學習和強化新型集群戰(zhàn)術(shù)。近期最重要的進展是在6月成功進行了第二次外場試驗，試驗中空中和地面機器人團隊測試了以隔離城市目標的相關(guān)戰(zhàn)術(shù)，任務執(zhí)行時間達到30分鐘。

OFFSET項目未來計劃實現(xiàn)多達250架協(xié)作自主的無人系統(tǒng)集群，執(zhí)行任務時間15～30分鐘，最終延長到6小時，并很有可能實現(xiàn)通過語音指令為集群發(fā)布任務的功能。待列裝后，OFFSET項目集群可為地面部隊解決城市作戰(zhàn)中遇到的高層建筑、狹小空間和有限視線等多種問題。

結(jié)語

隨著各軍事強國競爭日益激烈，美軍試圖通過發(fā)展新作戰(zhàn)概念及智能技術(shù)，重塑自身的“不對稱”優(yōu)勢。無人集群技術(shù)正是美國“第三次抵消戰(zhàn)略”的關(guān)鍵一招，它利用人工智能技術(shù)，實現(xiàn)無人裝備在未來日趨復雜的戰(zhàn)場態(tài)勢中自主突防、自主規(guī)避及自主任務生成，使各作戰(zhàn)平臺、作戰(zhàn)系統(tǒng)緊密配合，通過體系級攻擊謀取戰(zhàn)爭優(yōu)勢，將從戰(zhàn)略層面改變未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)方式，并對軍隊未來的作戰(zhàn)理念、組織形態(tài)、裝備體系產(chǎn)生深遠影響。

責任編輯：張傳良