無人防空武器的發(fā)展及研究綜述

楊維，王越，劉學(xué)超，趙凱，薛鵬，張博

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099 )

陸基近程末端防空武器主要承擔(dān)要地防空和伴隨掩護(hù)地面部隊作戰(zhàn)時，打擊武裝直升機(jī)、無人機(jī)和低空、超低空突防的精確制導(dǎo)武器，作用不言而喻。未來作戰(zhàn)向非接觸、非對稱、零傷亡變革，從阿富汗戰(zhàn)爭到伊拉克戰(zhàn)爭，地面無人系統(tǒng)進(jìn)入戰(zhàn)場的局面已經(jīng)確立，促使陸基近程末端防空武器裝備更多地向信息化、智能化、無人化方向發(fā)展，無人防空武器具有持續(xù)行動能力強(qiáng)、人員傷亡少、長期無人值守等特點(diǎn)，無疑是轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要角色，可用于快速機(jī)動、遠(yuǎn)程偵查、情報處理和火力打擊等作戰(zhàn)和支援任務(wù)。

1 無人防空武器的發(fā)展現(xiàn)狀

以美國、俄羅斯等為代表的國家在無人化、智能化方面很早就投入了人力、物力和資金，均形成了各自不同特點(diǎn)的無人武器裝備[1]。以下分別從地面無人裝備、近程防空裝備兩方面闡述國外研究現(xiàn)狀。

1.1 地面無人裝備

美國研制了“黑騎士”、“魔爪”系列地面無人裝備，其中“黑騎士”無人裝備具備30 mm速射炮火力系統(tǒng)、全地形通過能力、全頻譜感知器組、完善的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈以及先進(jìn)的人工智能指揮系統(tǒng)，如圖1所示[2]。俄羅斯軍工企業(yè)推出了11種不同戰(zhàn)斗全重級別的地面無人裝備，其中“天王星”-9無人裝備配備了1門用于防御地面和低速飛行的空中目標(biāo)的30 mm 2A72自動炮，1架打擊輕型裝甲目標(biāo)的7.62 mm同軸機(jī)槍,4枚9M120反坦克導(dǎo)彈，可模塊化換裝4發(fā)便攜式防空導(dǎo)彈，操控人員在指揮車上對“天王星”-9無人車實(shí)施操控，目前該戰(zhàn)車已在敘利亞戰(zhàn)場進(jìn)行了成功應(yīng)用，如圖2所示[3]。

1.2 近程防空武器

美國“復(fù)仇者”近程自行防空武器系統(tǒng)外觀如圖3所示，該系統(tǒng)將兩個四聯(lián)裝“毒刺”導(dǎo)彈發(fā)射裝置安裝在多用途車輛M998“悍馬”上，并配有紅外及光學(xué)探測跟蹤系統(tǒng)，具有迎擊目標(biāo)能力，用于摧毀近距離飛機(jī)和直升機(jī)。具有自動的目標(biāo)威脅判斷及行進(jìn)間射擊的能力，采用模塊化設(shè)計，除采用“毒刺”導(dǎo)彈外，還可與其他便攜式導(dǎo)彈集成。

俄羅斯“潘澤爾”-S1彈炮結(jié)合防空系統(tǒng)[4]外觀如圖4所示。該裝備采用德國MAN SX45卡車底盤，火力包括兩門2A38M式30 mm火炮和配置在炮塔兩側(cè)的各6枚防空導(dǎo)彈，發(fā)射SAM導(dǎo)彈攔截斜距為20 km、高度為15 km內(nèi)的空中目標(biāo)，發(fā)射高毀傷概率炮彈攔截斜距為4 km、高度為3 km內(nèi)的空中目標(biāo)。

2 無人防空武器的發(fā)展趨勢

2.1 重點(diǎn)提升自主性能，加強(qiáng)態(tài)勢感知能力

無人裝備現(xiàn)階段主要是以遠(yuǎn)程遙控為主，存在兩個方面的問題：一方面是需要操作人員時刻關(guān)注平臺與周邊環(huán)境狀態(tài)，操作人員的負(fù)擔(dān)較重；另一方面，遠(yuǎn)程遙控對于通信的帶寬以及實(shí)時性具有較高的要求，同時對通信的安全性與穩(wěn)定性要求也較高。無人防空武器將沿著遠(yuǎn)程遙控控制到部分功能自主直至全自主的路線發(fā)展[5-6]。其中，半自主以及全自主方式下通過內(nèi)部以及外部傳感器實(shí)現(xiàn)對環(huán)境以及自身狀態(tài)感知，借助決策系統(tǒng)將任務(wù)分解至規(guī)劃層與控制層，實(shí)現(xiàn)無人防空武器的自主行為。

2.2 提高信息處理能力和快速反應(yīng)能力

對于防空裝備而言，即要滿足對高速目標(biāo)打擊的需要，同時又滿足對多批次攻擊防御的需要，因而，通過不斷優(yōu)化火控模型，提高解算速度及精度，提升響應(yīng)能力。其中，特別是信息處理向多源集成化和高速化發(fā)展。主要體現(xiàn)在，一是多源信息融合、信息處理集成化；二是采用高處理速度器件、運(yùn)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信總線，提升信息處理能力和速度；三是應(yīng)用先進(jìn)的計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對信息處理軟硬件進(jìn)行自主開發(fā)，提升系統(tǒng)的可控性、安全性。

2.3 集成多類型防空武器對抗多種類目標(biāo)威脅

現(xiàn)代反空襲作戰(zhàn)的經(jīng)驗教訓(xùn)表明，在面對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的多種類目標(biāo)威脅，單一防空武器已不能支撐現(xiàn)代防空作戰(zhàn)任務(wù)。低空突防目標(biāo)類型主要包括武裝直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈和無人機(jī)群等。通過遠(yuǎn)近分層攔截來襲目標(biāo)，光電、電磁壓制與干擾等軟殺傷方式可使這些空中目標(biāo)的控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等暫時失效，但無法徹底毀傷目標(biāo)，因此防空導(dǎo)彈、火炮、機(jī)槍為主的硬殺傷手段并不能缺失[7]。

3 無人防空武器的系統(tǒng)組成及操控方式

3.1 系統(tǒng)組成

無人防空武器由無人機(jī)動平臺、任務(wù)載荷系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)組成，如圖5所示。

1)無人機(jī)動平臺：采用通用無人底盤，集成環(huán)境感知與定位導(dǎo)航系統(tǒng)，并為車載各系統(tǒng)設(shè)備提供承載、能源和信息支持，采用高度集成化、模塊化的設(shè)計理念，其結(jié)構(gòu)形態(tài)表現(xiàn)為雙側(cè)設(shè)置動力-行動一體化的高機(jī)動系統(tǒng)模塊，不僅具備高通過性能，還能夠為中部的任務(wù)模塊提供良好的緩沖隔振與安全防護(hù)。

2)任務(wù)載荷系統(tǒng)：集成探測和跟蹤系統(tǒng)、防空導(dǎo)彈系統(tǒng)、火力炮塔系統(tǒng)、信息控制系統(tǒng)和武器隨動系統(tǒng)，主要完成對來襲目標(biāo)的預(yù)警探測、跟蹤識別、火控解算、武器調(diào)轉(zhuǎn)控制、導(dǎo)彈和火炮發(fā)射控制等。

3)遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)：由車載式操控系統(tǒng)和便攜式操控系統(tǒng)組成，能夠接入有人/無人協(xié)同作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，可通過車載式或便攜式操控終端實(shí)現(xiàn)對無人車的遠(yuǎn)程控制，可自動獲取并上傳車輛狀態(tài)信息、位置信息、環(huán)境信息、目標(biāo)信息、任務(wù)載荷狀態(tài)等信息。

3.2 操控方式

無人防空武器具有遙控式、半自主式和有監(jiān)督的自主式3種等級的操控方式[8]，以滿足不同任務(wù)復(fù)雜度、行駛環(huán)境復(fù)雜度和無人車智能化水平下的控制需要。

1)遙控式：主要依靠人的智能和經(jīng)驗來操控?zé)o人底盤和任務(wù)載荷，在這種控制模式下，無人防空武器的每個機(jī)動動作、每個功能的啟停都完全依靠操控者輸入的動作級指令。在任務(wù)執(zhí)行過程中，無人車向操作者實(shí)時反饋環(huán)境信息和車輛狀態(tài)信息。

2)半自主式：將人類智能和機(jī)器智能融合在一起，共同參與無人防空武器的控制。在這種控制模式下，操作者并不直接向無人防空武器發(fā)送動作級控制指令，而是通過遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)輸入更高層次的行為級指令，無人防空武器的行為理解單元根據(jù)本車當(dāng)前反饋信息，由行為級指令生成一系列動作級指令。

3)有監(jiān)督自主式：是一種人機(jī)智能融合的無人防空武器操控模式，是比半自主式更上層的操控模式，充分發(fā)揮無人防空武器的主觀能動性。在該模式下主要依靠機(jī)器智能來理解任務(wù)并操控?zé)o人防空武器。在任務(wù)執(zhí)行過程中操作者只起到監(jiān)督的作用，必要時對無人防空武器的行為進(jìn)行人工干預(yù)。在有監(jiān)督自主模式下，操作者只需給出宏觀的任務(wù)描述或關(guān)鍵任務(wù)信息，由無人防空武器任務(wù)理解單元對任務(wù)級指令進(jìn)行理解并生成行為級指令。無人防空武器即可根據(jù)行為級指令，并結(jié)合環(huán)境感知信息和平臺狀態(tài)信息，周期性生成動作級控制指令。

4 無人防空武器的控制架構(gòu)

無人防空武器控制結(jié)構(gòu)如圖6所示，采用分層遞階控制架構(gòu)[9-10]，共分為4層，從上到下分別是遠(yuǎn)程操控層、任務(wù)理解與決策規(guī)劃層、任務(wù)載荷控制層和底盤控制層。

遠(yuǎn)程操控層是無人防空武器控制架構(gòu)的頂層，可根據(jù)操控方式的不同，通過人機(jī)交互界面，輸出動作級指令、行為級指令和任務(wù)級指令，實(shí)現(xiàn)對無人底盤和任務(wù)載荷的操作控制。其中行為級指令和任務(wù)級指令輸出至任務(wù)理解與規(guī)劃層，動作級指令直接輸出至底盤控制層和任務(wù)載荷控制層。

任務(wù)理解與規(guī)劃層是無人防空武器控制架構(gòu)的核心控制層，對上接收遠(yuǎn)程操控層輸出的任務(wù)級指令和行為級指令，將其分解為無人底盤機(jī)動行駛和任務(wù)載荷防空作戰(zhàn)具體動作(如目標(biāo)搜索、目標(biāo)識別、目標(biāo)跟蹤、火力打擊、智能配電等)，并發(fā)往下一層。

在遙控模式下，遠(yuǎn)程操控層的駕駛操控模塊直接與底盤管控模塊發(fā)生信息交互，通過對無人防空武器的直接運(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的操作控制；在半自主和有監(jiān)督自主模式下，機(jī)動行駛方案經(jīng)由行駛?cè)蝿?wù)理解模塊分解后生成，實(shí)現(xiàn)自主機(jī)動。

底盤控制層根據(jù)自主機(jī)動和遙控駕駛指令，協(xié)調(diào)控制底盤的轉(zhuǎn)向、驅(qū)動、制動與檔位，實(shí)現(xiàn)精確的平臺運(yùn)動控制。

任務(wù)載荷控制層在遙控模式下可接收執(zhí)行遠(yuǎn)程操控層發(fā)送的動作級指令，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。在半自主模式和有監(jiān)督的自主模式下接收并執(zhí)行任務(wù)理解與規(guī)劃層分解后的動作級指令，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。

從圖6看出，無人防空武器所采用的分層遞階控制架構(gòu)控制結(jié)構(gòu)為多模式的人機(jī)智能融合提供了可能，遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)不僅可與底盤和任務(wù)載荷有直接的控制指令交互，還可通過智能化的任務(wù)分解與行為規(guī)劃，為人機(jī)智能融合的多模式(遙控、半自主、有監(jiān)督的自主)共融無縫切換提供基礎(chǔ)。

5 無人防空武器的關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1 總體設(shè)計及優(yōu)化匹配技術(shù)

為滿足無人防空武器的作戰(zhàn)使用要求，上裝綜合集成了防空導(dǎo)彈、小口徑高速射火炮武器等火力單元、雷達(dá)探測和光電跟蹤單元、車載通信單元及隨動控制單元，需在有限的空間緊湊布置大量機(jī)械電子設(shè)備，多火力結(jié)合后的系統(tǒng)配置復(fù)雜。根據(jù)系統(tǒng)組成及各分系統(tǒng)和單體的技術(shù)特點(diǎn)，以充分發(fā)揮各分系統(tǒng)和單體效能、滿足無人防空武器功能性能為目的，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)布局、控制流程的詳細(xì)分析，合理進(jìn)行功能劃分和指標(biāo)分配。通過輕質(zhì)高強(qiáng)度材料應(yīng)用和剛強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)武器轉(zhuǎn)塔的集成和輕量化，減輕各結(jié)構(gòu)件和電氣箱體質(zhì)量和體積；將雷達(dá)、光電一體化集成設(shè)計，共用復(fù)合搜索跟蹤伺服平臺，減少體積和質(zhì)量。將全車信息控制、數(shù)據(jù)處理、任務(wù)理解與決策、火控解算、隨動控制綜合集成到信息一體化處理機(jī)，將配電、驅(qū)動控制、火力控制綜合集成到任務(wù)載荷驅(qū)動控制箱，降低了箱體數(shù)量、質(zhì)量和體積。同時完善電磁兼容性、人機(jī)環(huán)、安全性、可靠性和維修性等方面的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)無人防空武器的總體最優(yōu)化設(shè)計[11-12]。

5.2 多類型目標(biāo)精確打擊技術(shù)

無人防空武器應(yīng)具備對武裝直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈、輕小型無人機(jī)等多類型目標(biāo)打擊能力，為充分發(fā)揮不同種類防空武器的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，在任務(wù)載荷上集成防空導(dǎo)彈和小口徑高速射火炮武器。系統(tǒng)組成復(fù)雜，影響多類型目標(biāo)精確打擊的因素主要包括光電跟蹤精度、雷達(dá)跟蹤精度、射擊諸元解算精度、隨動跟蹤精度、整車剛強(qiáng)度、導(dǎo)彈精確打擊技術(shù)，每個環(huán)節(jié)均影響無人防空武器的精確打擊能力。例如目標(biāo)高精度跟蹤技術(shù)[13]，通過采用交流力矩電機(jī)，減少傳動環(huán)節(jié)，提高平臺結(jié)構(gòu)件的剛度及機(jī)械諧振頻率，避免結(jié)構(gòu)諧振頻率對環(huán)路伺服帶寬的限制；采用信號濾波合成的高精度前饋控制方法，提高了光電搜索跟蹤系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定和跟蹤精度。由于篇幅有限，這里對其他提高目標(biāo)精確打擊的技術(shù)環(huán)節(jié)不再逐一分析。

5.3 復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下目標(biāo)智能識別與決策技術(shù)

復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下目標(biāo)智能識別與決策技術(shù)主要包括低空目標(biāo)識別技術(shù)[14]、弱小目標(biāo)跟蹤技術(shù)和智能打擊決策技術(shù)。在目標(biāo)檢測跟蹤方面，通過在傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測跟蹤算法中增加目標(biāo)在線學(xué)習(xí)模塊，可在跟蹤過程中實(shí)時進(jìn)行訓(xùn)練和分類判斷，提高跟蹤的抗干擾能力。在目標(biāo)識別方面，采用目標(biāo)局部區(qū)域圖像超分辨率技術(shù)、基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，在保證目標(biāo)細(xì)節(jié)的同時，將原有分辨率提升，輸出目標(biāo)坐標(biāo)位置和目標(biāo)類型，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)識別算法更高的檢測精度、更低的虛警率、更好的適應(yīng)性。在智能決策方面，采用基于深度、強(qiáng)化學(xué)習(xí)的協(xié)同攻防動態(tài)決策解決方法，建立協(xié)同攻防動態(tài)多序列決策強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)協(xié)同攻防決策自主化。

5.4 自主機(jī)動技術(shù)

無人防空武器要實(shí)現(xiàn)一系列的自主駕駛行為，涉及到對外部環(huán)境的精確感知、對自身的精確定位以及智能化決策控制。在野外環(huán)境條件下，對復(fù)雜地形進(jìn)行分析是關(guān)鍵，分析三維地形幾何特征、地形覆蓋、檢測并對可能是障礙的地形分類，評估各種地形的可通過性。同時還需要解決惡劣氣象條件和光照條件對外部環(huán)境的準(zhǔn)確感知與理解。采用雙目視覺與激光雷達(dá)相融合的障礙檢測技術(shù)、可見光圖像增強(qiáng)技術(shù)、利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行地形地貌的分類技術(shù)、多源信息融合的環(huán)境自適應(yīng)定位狀態(tài)估計技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境和不確定條件下的自主機(jī)動行為決策與高精度控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)無人防空武器的自主機(jī)動。

5.5 遠(yuǎn)程操控技術(shù)

遠(yuǎn)程操控技術(shù)主要針對無人機(jī)動平臺和任務(wù)載荷的控制需求，對無人防空武器遠(yuǎn)距離操控、多通道信息交互、多平臺集成操控等進(jìn)行研究，開展指揮控制體系結(jié)構(gòu)、人機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、多模式人機(jī)交互與態(tài)勢監(jiān)控等技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)對無人防空武器任務(wù)規(guī)劃、自主/遙控駕駛、任務(wù)載荷操作。

6 結(jié)束語

無人防空武器是防空武器裝備由機(jī)械化向信息化、智能化發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是各國裝備研究技術(shù)水平的重要標(biāo)志。總體而言，我國在防空武器裝備的無人化發(fā)展落后于技術(shù)先進(jìn)的國家。為此，應(yīng)抓住機(jī)遇，推動防空武器的無人化、智能化技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)新技術(shù)領(lǐng)域的開拓，實(shí)現(xiàn)陸軍武器裝備跨越式發(fā)展。