DARPA拒止环境中协同作战项目白军网络研究

李 磊，王 彤，胡勤莲，蒋 琪

(1.北京海鹰科技情报研究所，北京 100074； 2.中国人民解放军91635部队，北京 102249)

0 引言

本文的自主系统被定义为能够对复杂世界中的突发情况采用适当的行动。在复杂、不确定的情况下，自主系统能自主生成行动方案，可在一些广泛应用的场景中产生军事优势。自主系统普遍应用于三个方面：一是代替人类执行决策任务以节省成本；二是人工智能(AI)产生比人类更高质量的决策；三是人类无法及时做出决策时，自主系统的及时决策确保了任务的有效性。应用三的一个常见示例发生在无人机和无人机之间的通信被拒止或延迟时。DARPA拒止环境中协同作战(CODE)项目正在开发针对无人飞行器的软件，以专门解决应用三中的问题，这既是由于在任务执行过程中可能会失去通信，又是由于任务的复杂性将超过人类快速反应的能力。

图2 拒止环境中的GPS

1 白军网络

LVC环境技术作为验证系统作战能力能否达到指定要求的技术，广泛应用于美国国防部的测试中。在LVC环境中，执行一系列测试计划，复制真实测试系统(SUT)需要采取军事行动的状况，以便能够准备评估系统运作状态和性能。虚拟-合成参与体被用来激励SUT，使其能够有效地度量系统需要的满足情况，而SUT上的子系统实际上无法检测或接触合成参与体，因此经常需要变通方法来创建所需的效果。例如，可以使用能够检测合成实体的替代传感器进行模拟，而不是使用真实传感器，但无法检测现实实体。另一种方法是模拟整个SUT并使用现实实体作为对测试环境的潜在增强。这种方法在早期开发测试期间运行良好，但系统需求的最终验证通常需要现实SUT。这些方案的固有局限性表明，需要一种更创新的方法来处理测试中现实-合成交互影响问题。CODE项目的主要目的是验证协同的无人机(UAV)在拒止环境中有效运行的能力。为CODE项目验证开发的白军网络(WFN)需要能支持CODE虚拟/现实无人机测试，执行过程中能动态地加入通信和全球定位系统(GPS)信息拒止。图1展示了典型的通信拒止情况。CODE控制中心是用于监视和控制所有测试活动的地面站。SUT是带有CODE软件的现实或虚拟的无人机。合成地面参与体是通过CODE合成军力生成器(SFG)实例化和控制的合成实体(例如卡车或坦克)。最后，合成通信干扰器也是一个SFG产生的合成实体，但具有干扰通信的能力，其干扰范围取决于发射机功率和干扰接收机的几何形状。在执行测试期间，当蓝色部队试图通信时，WFN将阻止任何靠近干扰源的实体接收任何信息。图2展示了GPS拒止环境中的使用。CODE虚拟或现实无人机是否处于GPS拒止状态目前是通过计算干扰源倾斜范围获得，更复杂的物理计算将在后续发展阶段实现。当被GPS拒止时，无人机将被迫使用仅有的惯性导航，惯性导航根据指数分布由白军网络地面分量计算出漂移误差。然后将漂移误差发送到白军网络的空中组件，以生成CODE任务计算机的导航状态信息。这造成CODE自主感知到的是不准确的自身位置，会对其与其他CODE的无人机协同作战的能力产生不利影响。因此，在通信和GPS拒止情况下，白军网络可以创建条件来研究拒止环境对CODE无人机自主执行特定任务能力产生的相关影响。此外，白军网络解决了现实-合成实体的交互问题。CODE的SFG功能模块通过无线(微波无线电中继)链路接收无人机实时状态更新，并根据传感器定位、传感器性能特性和局部作战区域内合成实体的位置/标记确定可探测性。对于可探测的合成实体，目标ID和位置经由同一无线链路发送到机载WFN组件。然后，再将合成目标信息插入到用于检测实体的相同信号处理流中。该插入是在无人机自动目标识别系统(ATR)系统完成后，将原始传感器数据处理到各个目标跟踪，以避免人工合成实体插入实时场景生成的内在复杂性。

图3 WFN软件架构

2 WFN软件体系架构

WFN软件体系结构是一种分布式体系架构，包含基于地面的软件和位于SUT之上的软件，如图3所示。WFN架构旨在利用高性能地面计算机来建模仿真数百个自主参与体之间的复杂交互，同时使用低功耗的处理器将合成数据建模RF事件直接插入SUT的自主控制系统中。WFN地面软件使用的是面向服务的基于测试和培训体系结构。TENA总线为测试资源管理中心开发，目前应用在主要靶场和测试基地，用于支持系统测试。WFN主要的地面软件服务有：测试执行程序、合成军力生成器(SFG)、通信服务器和操作员图形用户界面。地面系统还包括人工驾驶的合成飞行器(飞行模拟器)，能支持多个地面虚拟和/或合成性参与体。测试执行模块提供自动化测试管理和同步。操作员通过测试执行模块定义测试参数，建立测试初始条件，启动、停止和同步WFN服务，并向发起测试事件的其他软件模块发送信息。测试执行模块还记录测试事件和SUT响应，与WFN操作图形用户界面一起显示实时测试状态和测试回放。SFG是一个基于代理的仿真器，它可以模拟真实的和合成的参与体以及它们之间的交互。仿真的事件是由SFG通过交互消息来报告的，这些消息报告了现实的-虚拟的、现实的-合成的、虚拟的-合成性的和虚拟的-虚拟的参与体之间的关系。互动报告是从地面系统发送到现实参与体，通过实时、移动特设网络链接。交互报告通过TENA总线发送给虚拟参与飞行器。地面通信服务器与机载通信服务器、SUT通信服务器协同工作，在地面系统组件和嵌入在SUT中的WFN软件组件之间传递消息。地面和SUT通信服务器使用0MQ，它提供实时链接。通过使用实时网络协议，WFN可以防止插入的合成数据中的延迟。准确评估SUT对合成激励的自主反应要求WFN在一个决策周期内将激励注入SUT信号处理链。在CODE软件测试时，WFN需要注入合成EO信号和合成RF事件，包括以大于50 Hz速率进行的通信和通信干扰。注入的合成数据既取决于地面SFG中的整体啮合状态，也取决于由SUT机载传感器感知到的SUT的当前位置和方向。WFN软件体系结构通过使用隔离的仿真体系结构，基于地面的SFG仿真能够对大量的飞行器和飞行器关系进行建模。在SUT上支持对邻近飞行器和事件进行高速、高保真的模拟，SUT可以访问来自机载制导和控制传感器的实时数据。通过在0MQ链路上通信参与飞行器位置来协调组成的系统。通过只传输那些可能与特定SUT交互的报告，可以最小的延迟和较低的带宽完成这一任务。例如，如果SUT的传感器的有效范围为1 km，则通信服务器将过滤掉1 km以外关于参与者的所有报告。从SFG发送的消息，根据内容，由传感器激励器、通信过滤器和命令过滤器在SUT上使用。CODE所追求的关键功能之一是自主飞行器识别和管理GPS拒止事件的能力。为测试GPS信号拒止情况下的能力，传感器激励器将机载GPS接收机提供的GPS分组修改为SUT的自主系统，将GPS数据与干扰事件中产生的数据等效呈现给SUT自主软件包。而为保持飞行安全，WFN不会修改自动驾驶仪使用的GPS数据。不修改自动驾驶仪的GPS数据会导致自动驾驶仪和SUT自主使用的GPS数据不一致。GPS数据与自主GPS数据的不一致性会产生如下问题：当SUT自主正确地检测到GPS拒止时，产生一组自主驾驶仪命令，尽管GPS拒止，但自主驾驶仪仍能正确地实现任务目标，由于自主驾驶仪使用的GPS数据没有被修改，自主驾驶仪将不会飞到自主软件预定的航路点。为纠正这个问题，命令过滤器修改从SUT自主系统发送到自主驾驶仪的命令，减去传感器刺激器注入的所有偏差，并将SUT飞到自主软件预定的一个或多个路径点。

图4 RQ-23“虎鲨”

图5 RQ-23“虎鲨”地面控制站

3 CODE测试

RQ-23“虎鲨”(见图4)是一种质量轻，耐久，多任务能力，低成本，可回收的无人机。RQ-23有一个高翼设计，只有一个推动器引擎，并由计算机辅助自动驾驶仪或飞行员在地面控制站(GCS)飞行。CODE软件被加载到一个经过特别改进的RQ-23中，以支持现实测试。该软件的设计目的是与RQ-23交互，指挥其行动，以实现协同自主的功能。测试安全始终是优先事项，制定了足够的安全措施，使SUT能够在不受不必要限制的情况下运行，但要尽量减少无人机的损失、人员受伤或财产损失。CODE团队开发了一个子系统架构，他们将其添加到RQ-23中，并在地面上为SUT软件的运行创建了一个安全的环境，避免RQ-23置于不适当的风险中。RQ-23飞行器是通过位于任务地面站中的“虎鲨”GCS从地面控制的(见图5)。任务地面站中设有飞行器操作员、任务指挥官、有效载荷操作员，以及2个辅助站供更多人员使用。地面站计算机使用数据链路与飞行器通信。增加的硬件部件是带有天线的微波中继无线电、F-Box智能交换机、监控计算机、视频编码器和编码任务计算机。定制软件是为F-Box智能交换机和监控计算机开发的。WFN软件与参与体的CODE软件一起托管在CODE任务计算机上。这些组成部分中的每一个都对进行试验至关重要。CODE项目前提是无人系统能够在编队中进行通信。为不干扰正常的RQ-23操作，决定在RQ-23中增加一个微波中继无线电。选择微波中继无线电是由于它的大小、质量、功率(SWAP)和有机移动adhoc网络(MANET)特性能增加无人系统和地面测试系统之间通信的可能性。CODE软件通过此通信中继与其他无人系统、任务指挥站和WFN通信。微波中继无线电使用现成的商业配置。F-Box智能交换机是CODE任务设备和RQ-23网络的交互点。F-Box有2方面安全功能：一是对网络流量进行监控，并对CODE网络流量进行测量，以避免超出飞行功能安全所需的一体网络；二是F-Box监视RQ-23和GCS之间的主要指挥和控制链接。如果该链接丢失超过设定的时间，它就将CODE任务设备与RQ-23网络断开，以便允许经批准/经过验证的过程重新建立主通信。F-Box的硬件和软件是专门为CODE设计和开发的。监控计算机是RQ-23机载的一个小型计算机，具有保障飞行安全和测试行为能力。从CODE软件到RQ-23的命令被路由传到监控计算机。然后，监控计算机将这些命令过滤到允许命令的子集上。此外，CODE软件命令采用STANAG 4586兼容格式。监控计算机将这些消息转换成Piccolo 1本地格式，并发送给RQ-23自动驾驶仪。转换带来2个好处：一是转换使CODE软件符合已知的便携标准，即STANAG 4586；二是转换增加安全性，避免 CODE软件中的欺骗命令到达RQ-23自动驾驶仪。监控计算机还从RQ-23接收系统状态输入，将其转换为STANAG 4586兼容消息，并将其传递给监控计算机任务计算机。监控计算机软件是专门为CODE设计和开发的。视频编码器使EO/IR传感器图像和密钥长度值(KLV)以WFN可以操纵数据与软件使用的方式配对。这种编码器被用于其商业现成的配置。CODE任务计算机是一个高端、单板、迷你ITX计算机，具有必要的处理器、内存、固态驱动器、电源、端口和连接器以支持CODE软件和集成。所选处理器是为使几乎任何选定的操作系统和CODE软件都可以在其上运行。在飞行前，CODE软件被加载到这台计算机上，然后命令在测试期间运行。CODE任务计算机由专门为CODE程序打包的商用现成(COTS)部件组成。所有这些组件都集成在RQ-23主要设备舱中的一个单一的航空电子托盘上。这些组件的逻辑流如图6所示。

图6 CODE任务设备和指挥信息流框图

命令、数据和无线电通信流进出CODE任务计算机上的CODE软件，流经WFN空中软件。这与WFN地面软件一起，允许进入CODE软件的数据和无线通信量以及来自代码软件的命令和无线通信量被监视、操纵或删除。还提供强制CODE软件处理无法在现实环境中复制的特定情况的能力。例如，可以模拟导弹交战造成的实际无人机损失、无线电干扰造成的通信中断等。当CODE软件输出发送到WFN时，WFN空中软件在必要时操纵该命令，并将命令发送给监控计算机进行处理。

图7 CODE测试场景案例

4 测试情况

CODE第二阶段系统的测试在美中国湖的海军空战中心武器部门(NAWCWD)进行。飞行测试持续了2个月(2017年4月至5月)。图7展示了一个测试方案。外面的多边形描述了RQ-23飞行作战区域。这些点代表预先编入CODE任务计算机的入口和出口航点。圆形代表CODE自主算法需识别和避免的障碍。三角形代表感兴趣的点，RQ-23可以巡飞，再继续飞行路径前收集信息。星形代表一个建设性的通信或GPS干扰平台，以启动适当的白军网络来激励CODE自主测试。白军网络的地面组件位于作战区右下角的基站中。根据正在执行的特定测试，白军网络的任务是实例化和模拟测试所需的虚拟和合成的仿真实体，包括配置CODE自主的虚拟RQ-23。白军网络还为敌对势力建立干扰器模型，并创建通信或GPS拒止条件，用来验证CODE平台在拒止环境作战的有效性。除模拟测试CODE自主性所需的作战条件外，白军网络还负责收集实时测试数据。例如，白军网络地面组件记录所有配置CODE的实体相对于所有有源干扰器的相对位置，以确保实现需要的通信和GPS的拒止状态。白军网络的空中组件记录所有传入的STANAG 4586消息量以及航路点数据和飞机状态信息。对这些数据的分析有助于验证白军网络是否满足要求，并深入了解2个相互竞争的CODE设计的相对性能。该测试是第一次使用LVC环境在3级无人机上测试自主系统。该测试满足了来自SUT测试场景需求的所有需求。此次测试显示，阻碍该项目和飞行测试的最大挑战之一是操作系统和CODE任务计算机内部配置。5 结束语CODE项目第二阶段已成功演示了配备CODE软件的无人机在通信或GPS拒止环境中有效运行所需的自主协同能力。白军网络是CODE架构的关键组成部分，它提供了LVC基础设施，用来在一系列现场技术验证中创建所需测试条件和仿真CODE自主性。白军网络将基于CODE项目第三阶段的新能力要求继续发展和成熟，并为下一阶段的复杂运行环境提供合成军力表示。白军网络通过未来智能自主系统可以展现其可重复使用功能。尽管目前已针对CODE进行了配置，但白军网络可与采用“开放式架构”标准的未来自主系统无缝连接。虽然并非完全“即插即用”，但白军网络提供了强大的LVC基础功能，可扩展以满足未来协同自主系统的需求。■