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設備與工具2018年1月，洛克希德·馬丁公司和雷錫恩公司領導的團隊成功完成美國國防預先研究計劃局（DARPA）“拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)（CODE）”項目第二階段的飛行測試。DARPA將第三階段合同授予雷錫恩公司，進一步開發(fā)CODE的能力，并通過一系列飛行試驗計劃對能力進行驗證。該項目一旦得到充分驗證，將大大提高現(xiàn)有空中平臺的可生存性、靈活性和有效性，并可減少未來系統(tǒng)的開發(fā)時間和成本。本文將梳理美國CODE相關資料信息，并分析CODE對未來作戰(zhàn)的影響，以期提供有益的參考。
發(fā)展概況
所謂的拒止環(huán)境，是美軍對強對抗環(huán)境的別稱，在這種環(huán)境中，強大對手使用軍事力量對抗美軍進入戰(zhàn)區(qū)實現(xiàn)作戰(zhàn)目的。
2014年DARPA戰(zhàn)術技術辦公室（TTO）啟動CODE項目，旨在研發(fā)先進的自主協(xié)同算法和監(jiān)督控制技術以增強無人機（該項目無人機包括巡航導彈、誘餌無人機及其他無人機系統(tǒng)）在拒止環(huán)境的作戰(zhàn)能力。關鍵技術主要涉及四個方面，包括編隊協(xié)同自主、飛行器自主、監(jiān)控界面，以及適用于分布式系統(tǒng)的開放式結構。關鍵的技術發(fā)展注重自主協(xié)同作戰(zhàn)的傳感、打擊、通信和導航、降低的通信帶寬和人機界面。目前，以研發(fā)響應的軟件和硬件，正在使用實體和虛擬資產(chǎn)在GPS和通信拒止環(huán)境中進行全任務大規(guī)模飛行演示。
圖1 CODE項目塑造現(xiàn)有無人系統(tǒng)的能力
1、項目研究背景、愿景和能力
拒止環(huán)境變化難測，危險性更高，交戰(zhàn)各方將在電磁領域進行爭奪，敵方軍事目標不斷改變。與較寬松作戰(zhàn)環(huán)境相比，具體包括：作戰(zhàn)距離遠；電磁領域超負荷運轉并且敵我雙方對此爭奪激烈，此情況對己方天基高帶寬通訊及定位（GPS）服務極為不利；敵方目標為可移動目標或者可重新部署的目標；使用誘餌無人機、偽裝設施和其他拒止技術；高威脅級別，載人軍事裝備面臨高危險；以及高度綜合防御作戰(zhàn)行動要求協(xié)同作戰(zhàn)，從而擊敗敵方進攻。
然而，現(xiàn)有絕大部分庫存無人機很難滿足拒止環(huán)境作戰(zhàn)要求，具體面臨的挑戰(zhàn)包括：無人機自主應對戰(zhàn)爭情況變化的能力有限，缺乏對不斷變化環(huán)境的適應能力（ 如導彈）或嚴格受控于人類操作員（ 如無人機）；利用常規(guī)方法來改善現(xiàn)有無人機系統(tǒng)的生存能力，成本高或技術上不可行； 目前無人機的應用模式為單機模式，此類無人機系統(tǒng)需要依靠遠程戰(zhàn)略軍事設備來實現(xiàn)關鍵功能， 如導航功能、外部目標鎖定功能及通信功能；現(xiàn)有無人機需要大量人員對其進行操控，這種運作模式成本高且無法兼容于能快速針對動態(tài)狀況進行反應的原有作戰(zhàn)系統(tǒng)。
協(xié)同自主技術具備大幅改善現(xiàn)有無人機設備功能的潛力，并且還能降低未來作戰(zhàn)系統(tǒng)的費用，即組建無人機異構編隊，而不是將某項無人機的功能復制或集成到單個無人機平臺。通過協(xié)同算法，無人機之間能為彼此提供支援。具體包括編隊能為沒有配置遠程感應器的無人機提供目標地理位置定位信息；能從多個角度對目標進行觀測，提供對目標的識別情況；能利用網(wǎng)絡傳輸關鍵信息；為沒有導航功能的軍事設備提供導航支援；在數(shù)量上具備壓倒性優(yōu)勢，能以此方式及其他方式對彼此進行相互保護。協(xié)同作戰(zhàn)可極大地提高作戰(zhàn)效能和效率，并可減少群射的導彈數(shù)量。這種基于效應的思路既可節(jié)省資源，又可優(yōu)化任務。
CODE項目旨在通過基于現(xiàn)有無人機開發(fā)自主算法和軟件克擴展無人機的任務能力并提高在拒止環(huán)境中的作戰(zhàn)能力。CODE研究人員正在創(chuàng)建一種超越當前最新技術水平的模塊化軟件架構，該架構能夠適應帶寬限制和通信中斷，并與現(xiàn)有標準兼容，并可在現(xiàn)有平臺上進行低成本改造。
CODE項目的愿景為開發(fā)協(xié)同自主技術及算法，增強傳統(tǒng)無人飛行器（導彈和無人機）實用性；培育異構系統(tǒng)的互操作性等。具體的能力包括可在應對三個參考作戰(zhàn)任務（戰(zhàn)術偵察、反水面戰(zhàn)、摧毀地面的防空力量）；驗證算法有效性；驗證對抗三個任務的有效性。
CODE項目項目的主要目標包括四個：開發(fā)、執(zhí)行和驗證能夠通過自主性和協(xié)同行為增強現(xiàn)有無人系統(tǒng)執(zhí)行任務能力的算法；機載軟件將能夠在一個“通用任務計算機”（UMC）上運行，并能過渡到小型無人機系統(tǒng)和遠程導彈上；該軟件應在一個開放式架構上開發(fā)，并能與無人機系統(tǒng)新的標準實現(xiàn)兼容；相關能力應能進行仿真驗證，（最初）在飛行驗證平臺，并最終能在相應代理平臺上進行實地驗證。
2、項目內(nèi)容及進展
CODE項目為實現(xiàn)拒止環(huán)境中無人機的自主協(xié)同作戰(zhàn)，充分利用先進的交互設計思想、開放式架構等。主要的技術包括技術方向：飛行器自主；監(jiān)控界面；編隊協(xié)同自主；開發(fā)架構。涉及的主要場景包括戰(zhàn)術偵察、反水面戰(zhàn)、摧毀地面的防空力量。項目分為三個階段：
第一階段，2016 年初完成，完成了需求定義和初步系統(tǒng)設計，驗證了無人機自主協(xié)同的應用潛力，并起草了技術轉化計劃；選擇了約20 個可以提升無人機在拒止或對抗環(huán)境中有效作戰(zhàn)的自主行為；人機接口和開放架構基于“ 未來機載能力環(huán)境”（FACE）標準、“ 無人控制程序”（UCS） 標準、“ 開放任務系統(tǒng)”（OMS）標準、“ 通用任務指揮和控制”（CMCC）標準進行研發(fā)，并已取得一定進展。第一階段的承包商分為兩類，一是系統(tǒng)承包商（ 雷錫恩公司和洛馬公司）；二是技術發(fā)展商，包括：尼爾H·瓦格納協(xié)會（ 弗吉尼亞州漢普頓），科學系統(tǒng)公司（馬薩諸塞州沃本），智能信息流技術有限責任公司（明尼蘇達州明尼阿波利斯）， 飛騰科技公司（ 密歇根州安阿伯），SRI 國際公司（加州門洛帕克），Vencore實驗室管理員應用通信科學公司（新澤西州巴斯金里奇）。
第二階段從2016 年初到2017年底，洛馬和雷錫恩公司以RQ-23 虎鯊無人機為測試平臺，加裝相關硬件和軟件，并開展了大量飛行試驗，驗證了開放架構、自主協(xié)同等指標。第二階段的系統(tǒng)承包商與第一階段相同。
第三階段將于2018年底結束，雷錫恩公司將完成三個任務場景飛行試驗驗證及全任務能力， 測試六個無人機系統(tǒng)并協(xié)同其他模擬飛行器合作的能力。試驗將通過單人指揮無人機編隊執(zhí)行復雜任務，包括目標搜索、識別以及對主動、不可預知的對手的打擊。
圖2 主要的技術、任務場景和進展
關鍵技術分析
CODE項目涉及的關鍵技術包括單飛行器自主、無人機編隊協(xié)同自主、監(jiān)控界面、開放架構、驗證全任務能力技術以及過渡到軍隊飛行器所用的技術等，具體如表1所示。此外，表1還給出了該項目一些具體指標。
表1 主要的目標、關鍵技術和指標
1、飛行器自主技術實現(xiàn)無人系統(tǒng)自主管理能力
為了組建自主無人機編隊，每架無人機需要有足夠的自主級別，包括：無人機平臺子系統(tǒng)、 任務設備及飛行軌跡的自主管理，自主管理能處理常規(guī)和異常情況。具體為分析飛行器狀態(tài)數(shù)據(jù)（無人機的溫度、壓力、剩余能量等狀況以及其他功能）；能識別意外且可處理；可應對數(shù)據(jù)鏈突然失效的情況（ 執(zhí)行任務、防撞等），平臺上處理數(shù)據(jù)（ 減少通信數(shù)據(jù)量）；自動跟蹤移動目標，可以定義并控制復雜的飛行軌跡。
目前，降低通信帶寬、飛行器自身狀態(tài)的分析以及其他飛行器狀態(tài)的狀況評估主要通過機載健康預測模型實現(xiàn)。
2、協(xié)同自主技術實現(xiàn)多無人系統(tǒng)協(xié)同完成任務
為了發(fā)揮協(xié)同作戰(zhàn)優(yōu)勢且考慮編隊的共同目標以及各種限制，無人機編隊共享作戰(zhàn)環(huán)境，該作戰(zhàn)環(huán)境的數(shù)據(jù)在被收集的同時也在不斷地產(chǎn)生變化。隨著從各種數(shù)據(jù)源得到的（預處理）數(shù)據(jù)增加，可以通過數(shù)據(jù)融合和分析（ 包括在人類團隊指揮員的幫助下），獲取可用于執(zhí)行作戰(zhàn)任務的信息，且閉環(huán)控制能改善編隊的全局模型。基于全局模型，可確認能發(fā)揮每個編隊成員優(yōu)勢的行動計劃。
協(xié)同自主技術具體包括：能夠多來源數(shù)據(jù)融合（ 形成統(tǒng)一戰(zhàn)場圖像），具有共同決策架構（ 適應不同網(wǎng)絡情況，通信帶寬降低時給出傳輸任務優(yōu)先級排序），能夠動態(tài)組合編隊和子編隊，可在無天基/空基的支援下工作，能夠適應高度的不確定性。
協(xié)同自主技術主要包括協(xié)同感知、協(xié)同打擊、 協(xié)同通信、協(xié)同導航技術、編隊飛行、多限制自動路徑規(guī)劃、帶寬降低的措施。
如多限制自動路徑規(guī)劃驗證過程中，編隊執(zhí)行ISR任務時，一架無人機遭遇突發(fā)威脅，自主重新規(guī)劃路徑，與其他無人機協(xié)同重新生成行動方案，如圖3所示。
圖3 自主重新規(guī)劃路徑示意圖
帶寬降低方面主要通過以下措施實現(xiàn)：據(jù)任務情況壓縮、價值信息（排序）、健康監(jiān)測（ 模型）、行為模型等。
3、監(jiān)控界面實現(xiàn)異構多無人系統(tǒng)的監(jiān)測控制
監(jiān)控界面最終目標為能使指揮官的角色提升為監(jiān)督角色。主要能力包括可部署在移動控制站， 可以控制多于4架無人機，促進任務規(guī)劃（定義）， 人機之間可自然交互，簡潔但綜合性較強的組合（ 指揮官可以運用人的判斷力判斷當前狀態(tài)），滿足訓練和實戰(zhàn)需求，支持雙向信息流動。主要技術包括：多模型接口耦合點觸/聲音、理解指揮官意圖、上下文理解、不確定性表示、決策輔助、 目標分類要求、編隊和子編隊可視化、編隊和子編隊任務規(guī)劃、定義系統(tǒng)權限或自主水平、視覺和聽覺的預警。
為實現(xiàn)拒止環(huán)境中指揮員監(jiān)控多無人機協(xié)同作戰(zhàn)執(zhí)行任務，美國智能信息流技術有限責任公司開發(fā)了人機交互應急規(guī)劃（SuperC3DE）系統(tǒng)。 SuperC3DE是一套人機交互和智能決策輔助工具， 提供綜合多視角人機界面，開啟調(diào)用可直接進入地圖進行可視化顯示，能使一人同時有效控制監(jiān)督管理多架無人機。此外，該系統(tǒng)還包括監(jiān)督應急規(guī)劃評估子系統(tǒng)（SCOPE），對任務方案自主分析、預估、優(yōu)化、反饋，實現(xiàn)自主輔助決策。
圖4給出了SuperC3DE系統(tǒng)的架構，包括兩個關鍵組件（ 黃色區(qū)域和金色區(qū)域）：戰(zhàn)術手冊交互（Playbook HSI）和應急規(guī)劃子系統(tǒng)（SCOPE）。紅色區(qū)域和綠色區(qū)域代表拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)項目其他軟件組件。SuperC3DE系統(tǒng)組件直接與編隊自主規(guī)劃（ATP）組件（用于編隊無人機協(xié)同和規(guī)劃路徑生成）交互。ATP組件生成路徑后由無人機執(zhí)行。 為評估和驗證，SuperC3DE系統(tǒng)基于美國空軍實驗室的Fusion/IMPACT測試平臺（FIT）進行測試。
圖4 SuperC3DE系統(tǒng)架構
4、開放架構實現(xiàn)不同類型無人系統(tǒng)功能的快速整合
拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)開放架構需要自適應性、 快速整合、通過白軍網(wǎng)絡測試過渡、兼容各種標準、高度模塊化。開放架構對于拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)通信的發(fā)展極為重要?，F(xiàn)有的系統(tǒng)和尚未構建的新設計必須能夠在允許連續(xù)改進的環(huán)境中共同運行。若要實現(xiàn)這個目標，必須向所有的相關方提供明確界定的界面，這些界面由政府擁有， 適合快速整合、自主調(diào)整靈活測試。
開放架構是必須融入系統(tǒng)研發(fā)的每一步。鑒于系統(tǒng)目標是促進許多不同無人系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)，開放架構是實現(xiàn)拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)愿景不可或缺的條件，建議的拒止環(huán)境下的協(xié)同作戰(zhàn)架構如圖5所示。
圖5 建議的拒止環(huán)境下的協(xié)同作戰(zhàn)架構
白軍網(wǎng)絡將注入可視化空中平臺、可視化威脅和可視化目標、突發(fā)性任務。突發(fā)性任務包括仿真GPS或通信丟失情況及其他任務失敗仿真。為實現(xiàn)白軍網(wǎng)絡的運行，拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)項目采用了WFN軟件，軟件構成如圖6所示。WFN軟件是一個由兩部分組成的分布式系統(tǒng)，包括通過TENA總線通信的基于地面的模塊，TENA總線通過實時網(wǎng)絡鏈路與SUT中嵌入的軟件模塊進行通信。該軟件實現(xiàn)了白軍網(wǎng)絡的架構。
圖6 WFN軟件構成圖
在分布式協(xié)同作戰(zhàn)中的影響分析
1、基于現(xiàn)有無人系統(tǒng)采用分布式協(xié)同作戰(zhàn)樣式實現(xiàn)作戰(zhàn)能力的倍增
CODE項目基于協(xié)同自主算法重點解決三個任務場景的作戰(zhàn)——戰(zhàn)術偵察、反水面戰(zhàn)、摧毀地面的防空力量。拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)開發(fā)和演示協(xié)作自主算法——無人機編隊在單個人的監(jiān)督控制下協(xié)同工作。無人機將不斷評估自身的狀態(tài)和環(huán)境，并向任務指揮者提出協(xié)調(diào)無人機行動的建議，任務指揮者將決定是否批準此類編隊行動并指導任何任務變更。使用協(xié)作自主，啟用拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)無人機將根據(jù)既定的交戰(zhàn)規(guī)則找到目標并參戰(zhàn)，利用附近其他無人系統(tǒng)，只需最少的監(jiān)督，并適應動態(tài)情況，如友軍的消耗或意外威脅的出現(xiàn)。拒止環(huán)境中協(xié)同作戰(zhàn)通過協(xié)同自主算法，改進無人機的操作，使每個指揮者操作多個無人機。指揮者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，而不是依賴于具有集成能力的單個無人機。這種靈活性可以顯著提高現(xiàn)有無人機任務和成本效益，縮短未來無人機的開發(fā)時間和成本，并實現(xiàn)新的部署概念。
2、從整體上提高分布式協(xié)同作戰(zhàn)控制力
CODE項目主要解決拒止環(huán)境作戰(zhàn)中無人系統(tǒng)的自主協(xié)同問題，屬于系統(tǒng)之系統(tǒng)之類的項目。DARPA支撐空中分布式作戰(zhàn)概念，發(fā)展了一系列項目，如圖7所示，支持分布式作戰(zhàn)的各種能力， 而CODE項目能夠提高分布式作戰(zhàn)的整體協(xié)同作戰(zhàn)能力。除四項關鍵技術外，其他例如安全網(wǎng)絡無線電技術、信息安全技術、緊密耦合的分布式孔徑、平臺和傳感器設計技術等，都不屬于CODE項目的重點技術，但在分布式作戰(zhàn)中具有重要或者潛在高價值。此外，CODE項目從整體上解決了分布式作戰(zhàn)的關鍵能力，可避免因為經(jīng)費問題中斷分布式作戰(zhàn)實現(xiàn)。
圖7 支撐分布式作戰(zhàn)其他項目
結束語
DARPA戰(zhàn)術技術辦公室（TTO）開展CODE項目的研究重點利用先進自主和協(xié)同算法，全面提升現(xiàn)有和/或新的無人機有效性、生存性和經(jīng)濟性，以適應拒止環(huán)境中作戰(zhàn)。目前該項目進入最后的飛行演示驗證階段，該項目的成果將推動分布式蜂群在戰(zhàn)場上的應用。
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