直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)信息融合技術與應用

王曉衛(wèi)，來國軍，陳剛

陸軍航空兵學院

本文圍繞陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)選用的方法與時機、基于移動智能體的數(shù)據(jù)挖掘技術、通用戰(zhàn)術圖像數(shù)據(jù)一致性處理方法，對美國陸軍航空兵直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)多源傳感器信息融合技術及裝備應用進行介紹，為國內(nèi)直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)關鍵技術與裝備發(fā)展提供參考。

無人機因機動性高、人員零傷亡等優(yōu)點，在近年爆發(fā)的局部戰(zhàn)爭中表現(xiàn)突出。然而，受智能化水平等因素的限制，在未來相當長的時間里，無人機難以取代有人機而獨立完成復雜的作戰(zhàn)任務。直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)可拓展直升機的作戰(zhàn)范圍，降低人員傷亡數(shù)量，提高直升機的戰(zhàn)場生存能力和作戰(zhàn)效能，是未來戰(zhàn)爭的主要作戰(zhàn)模式。

在協(xié)同作戰(zhàn)過程中，戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變，陸軍須要考慮多種復雜要素，直升機飛行員須要跨系統(tǒng)收集、綜合分析直升機、無人機等裝備機載雷達、光電吊艙等傳感器數(shù)據(jù)，以及時應對作戰(zhàn)任務需求。在此過程中，機組成員可能面臨認知超負荷、意識喪失、任務效率降低等問題，人工處理信息的能力和戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力受限，無法進行有效決策。而多源傳感器信息融合技術能為直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)提供有效的戰(zhàn)場態(tài)勢感知信息，是陸軍奪取戰(zhàn)場制勝權的重要技術支撐之一。因此，信息融合、智能化輔助決策等技術如何有效提高直升機飛行指揮人員的態(tài)勢感知能力，受到世界諸多國家的高度重視。

多源傳感器信息融合技術

直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)多源傳感器信息融合技術是指，直升機從直升機、無人機、數(shù)據(jù)鏈等系統(tǒng)獲取的多源傳感器信息中識別、提取有用的信息，并將這些信息進行有效融合，生成通用戰(zhàn)術圖像（CTP），是直升機/無人機開展智能化協(xié)同作戰(zhàn)的基礎。該技術使用多種傳感器對同一目標進行確認，有效提高了目標信息的可信度，消除二義性。

圖1和圖2顯示，偵察區(qū)域有4個目標，橢圓表示目標在某一個區(qū)域的可信度，傳感器報告的目標位于橢圓的中心。其中，X表示傳感器1報告的2個目標；O表示傳感器2報告的2個目標。圖1是未使用多源傳感器信息融合技術、僅簡單根據(jù)兩種傳感器信息生成的戰(zhàn)場態(tài)勢圖。圖2為使用多源傳感器信息融合技術生成的戰(zhàn)場態(tài)勢圖。與圖1相比，圖2利用傳感器1和傳感器2對目標進行確認，并使用了信息融合技術，將位于橢圓中心、兩種傳感器所報告的目標確認為1個目標。

圖1 根據(jù)兩種傳感器信息直接繪制的戰(zhàn)場態(tài)勢圖。

圖2 兩種傳感器信息經(jīng)融合后生成的戰(zhàn)場態(tài)勢圖。

美國陸航直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)信息融合技術

自20世紀90年代以來，美國陸軍航空兵（下稱美國陸航）一直在研究直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)模式和技術，先后完成了直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)樣式構建、需求分析、作戰(zhàn)效能仿真與評估、關鍵技術驗證、協(xié)同作戰(zhàn)演示、現(xiàn)役直升機協(xié)同控制組件研制等工作，有效推動了直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)能力的提升。

為滿足直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)對指揮控制的需求，美國陸航與洛克希德-馬丁公司先進技術實驗室簽訂合同，計劃利用態(tài)勢感知與共享、輔助決策技術，提供態(tài)勢共享與評估能力，并在由美國陸軍航空應用技術理事會（AATD)主持的“空中有人系統(tǒng)/無人系統(tǒng)技術”（AMUST）項目、“獵人遠程殺傷編隊”（HSKT）先進概念技術項目中對多源傳感器信息融合技術進行驗證。

1993—1999年，美國ATL公司作為“旋翼機駕駛員助手”（RPA）先進技術驗證項目的二級分包供應商，開展了信息融合技術研究。例如，該公司對直升機和無人機機載傳感器信息進行融合，生成通用戰(zhàn)術圖像，為直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)提供輔助決策。但信息融合技術經(jīng)AH-64D“阿帕奇”直升機演示后，ATL公司的研究人員發(fā)現(xiàn)，機載傳感器數(shù)據(jù)不準確，數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生時延、損壞或丟失等問題，很容易導致最終的融合信息不準確、不完整。

針對這一問題，ATL公司的研究人員利用2年時間，使用基于移動智能體的數(shù)據(jù)挖掘方法，并將“旋翼機駕駛員助手”數(shù)據(jù)融合軟件和移動智能體軟件集成在該公司開發(fā)的可擴展移動智能體架構（EMAA)上，實現(xiàn)了陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)（ABCS）信息、機載傳感器信息和數(shù)據(jù)鏈信息的有效融合。該方法使用移動智能體，從陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)等數(shù)據(jù)源中提取額外信息，有效增強了信息融合效果，改善了戰(zhàn)術圖像質(zhì)量，解決了原來僅依靠機載傳感器信息所造成的某些目標數(shù)據(jù)缺失或很差的問題。下面圍繞直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的重點需求，對美國陸航信息融合技術及方法進行介紹。

陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)選用方法與時機

陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的信息種類和數(shù)量較多，與現(xiàn)有“旋翼機駕駛員助手”的數(shù)據(jù)融合時，將受到中央處理器、通信資源與時間的限制。針對此問題，ATL公司開發(fā)了智能分析函數(shù)，對“旋翼機駕駛員助手”軟件融合的目標航跡進行評估。根據(jù)輸出結(jié)果，智能分析函數(shù)將包含極不準確的位置或幾乎沒有分類信息的航跡標定為須要高度關注的地理區(qū)域，然后移動智能體在陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫(JCDB)中搜索該地理區(qū)域，并從陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)中獲取更準確或更好的分類信息。

基于移動智能體的數(shù)據(jù)挖掘技術

盡管陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)擁有豐富的情報，但作為特定用戶的專用系統(tǒng)，這些豐富的信息很少被傳給美國陸航。當通信網(wǎng)絡連接時，如何用一種有效的方法對陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的信息進行監(jiān)控，并在通信帶寬允許的條件下有選擇性地進行信息檢索和識別，是美國陸軍面臨的挑戰(zhàn)之一。為此，ATL公司采用了基于移動智能體的數(shù)據(jù)挖掘技術，在陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫中快速搜索到滿足通用戰(zhàn)術圖像需求的信息。移動智能體是一種軟件，能與環(huán)境進行交互，以便代表用戶執(zhí)行任務，從而實現(xiàn)用戶的目標。移動意味著智能體能夠在通信網(wǎng)絡節(jié)點之間移動。智能意味著主體具有一定程度的主題領域知識，可自主做出影響自身行為的決策，以應對不斷變化的環(huán)境。

可擴展移動智能體架構為移動智能體創(chuàng)建行程或指令，移動智能體進而可以通過通信網(wǎng)絡快速到達陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫，對不斷更新的數(shù)據(jù)源進行持續(xù)檢索。一旦移動智能體發(fā)現(xiàn)更新的相關信息，便立刻報告給數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)將移動智能體所發(fā)現(xiàn)的信息及時融入通用戰(zhàn)術圖像。ATL公司開發(fā)的可擴展移動智能體架構為移動智能體的部署提供一個基礎設施，其主要組件見圖3。

在圖3所示的可擴展移動智能體架構中，移動智能體通過接口進行信息交互。服務器為移動智能體提供臨時數(shù)據(jù)存儲、計算等服務，或者充當數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡訪問、電子郵件等外部資源的接口。事件用于觸發(fā)智能體與服務器、其他智能體進行信息交互。移動智能體的行為由行程控制，行為模式用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖描述了狀態(tài)/任務對應關系、狀態(tài)轉(zhuǎn)換和邏輯轉(zhuǎn)換關系。這些移動智能體都使用類進行封裝，易于重用。圖4為移動智能體的哨兵行為模式示意圖。

圖3 可擴展移動智能體架構的框架圖。

圖4 移動智能體的哨兵行為模式示意圖。

在圖4中，多源傳感器信息經(jīng)融合后首先生成一個基礎通用戰(zhàn)術圖像，分析函數(shù)對基礎通用戰(zhàn)術圖像的融合航跡質(zhì)量進行檢查，將極不準確或幾乎沒有分類信息的航跡標定為須要高度關注的地理區(qū)域，然后事件觸發(fā)調(diào)查移動智能體在陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫檢索所需的信息，調(diào)查移動智能體將查詢結(jié)果通過融合數(shù)據(jù)輸入接口發(fā)送至多源傳感器數(shù)據(jù)融合模塊，該數(shù)據(jù)融合模塊將信息進行融合，最后生成一種融合通用戰(zhàn)術圖像。

分析函數(shù)的作用是檢查通用戰(zhàn)術圖像的質(zhì)量，識別通用戰(zhàn)術圖像中須要高度關注的區(qū)域。ATL公司提出了3種戰(zhàn)術圖像檢查方法。

1.事前規(guī)劃策略

指揮員可能在戰(zhàn)前預測敵方行動的特定地區(qū)和時間，因此使用事前規(guī)劃策略對須要高度關注的區(qū)域進行規(guī)劃。

2.基于線性時間聚類的智能航跡檢查策略

根據(jù)地理空間范圍，線性時間聚類算法將現(xiàn)有跟蹤文件進行聚類，逐個對聚類目標航跡進行檢查，如果聚類目標航跡被認為存在較大的位置誤差或者缺失大量識別信息，那么該地理區(qū)域?qū)⒈粯硕轫氁叨汝P注的區(qū)域。

3.突然出現(xiàn)或消失的航跡區(qū)域被標定為須要高度關注的區(qū)域

分析函數(shù)對通用戰(zhàn)術圖像中突然出現(xiàn)或消失的航跡進行檢查，將突然出現(xiàn)或消失的航跡的周圍區(qū)域標定為須要高度關注的區(qū)域。在圖4中，當分析函數(shù)確定了一個須要高度關注的檢查區(qū)域后，數(shù)據(jù)融合模塊將創(chuàng)建一個新的調(diào)查移動智能體。根據(jù)須要高度關注的矩形區(qū)域?qū)巧蟽牲c的經(jīng)度和緯度，新的調(diào)查移動智能體前往主機接口，訪問陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)源，以檢索須高度關注區(qū)域內(nèi)的航跡信息。美國陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫作為多個陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，包含了與當前通用戰(zhàn)術圖像有關的豐富信息。調(diào)查移動智能體獲得陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫的訪問權后，形成一個查詢，用以提取須高度關注區(qū)域內(nèi)任何敵方目標的航跡信息。

調(diào)查移動智能體的行程可以創(chuàng)建為兩種模式，一是查詢報告結(jié)束后，調(diào)查移動智能體仍持續(xù)查詢的哨兵行為模式；二是查詢報告結(jié)束后即刻停止的模式。在哨兵行為模式中，調(diào)查移動智能體通過定期重復查詢，持續(xù)監(jiān)視須要高度關注的區(qū)域，當調(diào)查移動智能體發(fā)現(xiàn)須要高度關注的的區(qū)域信息時，將這些信息報告給融合數(shù)據(jù)輸入接口。

融合數(shù)據(jù)輸入接口收到調(diào)查移動智能體發(fā)送的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行預處理，按照多源傳感器的格式完成位置坐標、速度和時間等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。如果陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫報告的時間為過去的數(shù)據(jù)，信息融合技術將采用預測算法對時間數(shù)據(jù)進行預測。

陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)與通用戰(zhàn)術圖像融合時數(shù)據(jù)一致性處理方法

“旋翼機駕駛員助手”軟件融合多源信息時，使用的數(shù)據(jù)多為從機載傳感器或機間數(shù)據(jù)鏈接收的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)含有時間標簽。為此，ATL公司設計了一套陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合的規(guī)范方法，以保證移動智能體收集的陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)與通用戰(zhàn)術圖像融合之前，完成時間數(shù)據(jù)一致性處理。

美國陸航直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)裝備應用

在“空中有人系統(tǒng)/無人系統(tǒng)技術”項目和“獵人遠程殺傷編隊”項目中，美國陸航提出了基于移動智能體、陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的信息融合技術，并驗證了這種信息融合技術的應用效果。通過在“黑鷹”直升機上安裝“機動指揮官助手”（MCA）輔助決策系統(tǒng)，在“阿帕奇”直升機上安裝“作戰(zhàn)人員助手”（WA）輔助決策系統(tǒng)，美國陸航實現(xiàn)了協(xié)同作戰(zhàn)中不同機載傳感器數(shù)據(jù)與戰(zhàn)場情報數(shù)據(jù)源之間的共享和融合，構建了一致性通用戰(zhàn)術圖像，使飛行員和機動指揮官能夠更好地利用通用戰(zhàn)術圖像，獲得戰(zhàn)場態(tài)勢感知信息?！白鲬?zhàn)人員助手”支持“阿帕奇”直升機編隊作戰(zhàn)，而“機動指揮官助手”用于“黑鷹”直升機編隊指揮控制。圖5是基于AMUST-D/HSTK的直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系架構圖。美國陸航通過在“阿帕奇”攻擊直升機的“作戰(zhàn)人員助手”輔助決策系統(tǒng)加入“戰(zhàn)斗助手”輔助決策組件，以及在“黑鷹”指揮直升機的“機動指揮官助手”輔助決策系統(tǒng)中加入智能體數(shù)據(jù)挖掘組件，在不同程度上減輕了飛行員駕駛直升機超低空高速飛行且執(zhí)行各種戰(zhàn)術任務時的工作強度，提高了飛行員的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力和即時反應能力。

基于AMUST-D/HSTK的直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)體系的核心技術是，“機動指揮官助手”和“作戰(zhàn)人員助手”輔助決策系統(tǒng)首先使用移動智能體，獲取陸軍聯(lián)合公共數(shù)據(jù)庫中的情報信息，然后將移動智能體獲取的信息與多源傳感器數(shù)據(jù)進行融合，構建可共享、更為準確的通用戰(zhàn)術圖像，實現(xiàn)戰(zhàn)場輔助決策與多源傳感器信息的關聯(lián)，有效減輕飛行員的工作強度。

基于移動智能體的數(shù)據(jù)挖掘技術和

結(jié)束語

信息融合技術，具有從陸軍作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)等數(shù)據(jù)源中挖掘數(shù)據(jù)，并與直升機、無人機機載傳感器數(shù)據(jù)進行有效融合的功能，可縮短觀察-判斷-決策-行動(OODA)作戰(zhàn)環(huán)的時間，減輕飛行員的工作負擔，為直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的戰(zhàn)場輔助決策提供有效支撐。這些信息融合技術的充分運用，將實現(xiàn)陸軍航空兵直升機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)效能的提升，構建打贏未來智能化戰(zhàn)爭的信息優(yōu)勢。