集群式侦察探测防御系统*

孙韬，王俊达，王睦深，孟春考，祝月

(1.北京电子工程总体研究所，北京100854；2.中国航天科工集团二院 研究生院，北京 100854)

0 引言

21世纪以来，小型无人机在有效载荷小型化、续航时间、超视距通信、低成本化等方面持续取得进展，集群技术、自主技术、协同技术等智能化技术快速突破[1]，推动着小型无人机任务用途的多样化发展。

小型无人机集群最大特征在于体系的区域分布性，单元自主特性以及“去中心化”特性。在单一平台受损后仍可有序协同执行任务，所以无人机集群具有极佳的生存能力和任务完成能力。各无人机能够根据任务需求装载不同的载荷，可完成协同探测、协同攻击等协同防御任务。目前，已知在研的无人机集群研究计划[2]，如DARPA(defense advanced research projects agency)发布的“小精灵”项目、美国海军LOCUST(low-cost UAV swarming technology)项目等，都是以单类型无人机进行集群试验，旨在以数量优势压制敌方。

单类型无人机集群系统是目前无人机集群应用的主要研究方向，进展速度快，可以预见几年内将会投入军事应用并形成战斗力，但是集群执行任务的能力依然受到单一类型无人机自身功能的限制，难以更好的发挥集群优势。因此，考虑当前有人战争的立体作战模式，放眼于未来无人战争的重要发展趋势，可以设想到未来集群作战将是以无人作战单元为主要战力，各类型无人作战单元相互配合，协同执行复杂任务，精准的发挥集群协同优势。

本文考虑了一种多类型无人机组合的协同集群，各类型无人机优势互补，设计了一种集群式侦察探测防御系统，在执行如地震灾区救援、无人机集群防御等复杂任务中，以较少的无人机精准的发挥集群协同优势。该系统由多个携带翼伞的立方单元组成，各立方单元根据作战需求精确伞降至任务区域[3]。立方单元既可以自主实现目标探测，同时配备充电装置为无人机/车充能，也可以为战区提供中继通信。立方单元配备了固定翼无人机、四旋翼无人机和无人车，对一定半径范围内的区域进行侦察。固定翼无人机规划巡航路线，大范围侦测任务区域态势信息等，为后续任务提供支持。四旋翼无人机和无人车搭载多种载荷，实现对敌侦察、防御敌方无人机集群和导引己方制导武器的任务。

系统由三级指控网络和四层通信网络规划传达的指令协同控制，遂行作战任务。本项目所设计的系统具有灵活性高、抗干扰和弹性抗毁能力强、可多维多角度探测等优点，并且探测精度较高、探测弧度较大。系统应用范围广泛，不仅可以应用到军事探测防御和战区通信中继，也可应用于灾情勘测救援等民用领域，具有重要的战术意义和实用价值。

1 立方体单元系统组成

立方体系统如图1所示，为箱体外形，箱体支撑结构使用碳纤维铝基复合材料，保证了立方体有较强的结构强度和较轻的质量。立方体内部分为不同舱段容纳系统载荷，共放置12个旋翼无人机停靠平台，无人机停靠平台下侧左右对称放置能源系统，保证立方体重心位置，内部中心舱放置计算机系统及所需其他硬件，底舱放置无人车，并在无人车背面分割出细长型长方体空间，收纳折叠的固定翼无人机。立方体的四面外舱门的内侧安装太阳能电池板，立方体上表面安装各类通信天线。

1—立方平台;2—固定翼无人机;3—固定翼无人机支架；4—四旋翼 无人机；5—四旋翼无人车；6—智能无人车；7—鞭状天线；8—平板阵 列天线；9—太阳能电池；10—蓄电池；11—电源管理模块图1 立方单元组成Fig.1 Illustration of cubic unit system composition

立方体系统携带翼伞由运输机携带，适当高度投放；投放后开伞，立方体进入初始搜寻段并按照搜寻航迹飞行；伞降系统控制翼伞螺旋下降，通过测高传感器或视觉相机探测系统探测地面地形信息，自主选择任务区域内相应的满足任务需求的落点，并规划出下落轨迹，进入精确投放段飞行，控制器操纵翼伞精确降落。

落地后，区域内各个立方体系统自主展开，建立区域通信，组建3级指控网络和4级通信网络，指控网络分发任务区域侦察任务，各立方体系统侦察载荷，包括固定翼无人机、四旋翼飞行器、无人车，根据任务需求投入使用，协同执行任务区域侦察和态势感知任务，实时回传侦测信息。

1.1 滑翔翼伞系统

(1) 滑翔翼伞

滑翔翼伞由翼伞伞衣、吊带系统和操纵系统组成。空中展开后受控滑翔，可将立方体系统精准投放至任务区域。

(2) 翼伞自分离装置

立方体系统滑翔降落后，存在翼伞将系统覆盖的可能情况，为保证系统的顺利展开，设计一种翼伞和立方体系统分离装置，当立方体系统滑翔落地后，实现翼伞的抛离，避免翼伞覆盖系统。

装置的设计如图2所示，主要考虑3个方面；第1是翼伞与立方体的机械连接的分离；第2是分离后将翼伞抛离的助推装置；第3是翼伞的收纳装置。

(3) 翼伞自分离装置工作流程

Step 1：离地一定高度时绳索悬吊伺服释放悬吊绳索，增长悬吊绳索长度，准备着陆；

Step 2：立方体系统着陆，翼伞分离机构弹开悬吊杆，悬吊绳索和立方体箱体分离；

Step 3：小型拖拽火箭发动机短时工作，将翼伞拖离降落区域；

1—立方平台；2—立方单元悬吊绳索；3—定滑轮；4—翼伞飞行控制 及绳索悬吊伺服；5—翼伞连接绳索；6—小型拖拽火箭发动机； 7—翼伞分离解锁机构；8—悬吊杆图2 翼伞分离装置Fig.2 Connection and separation device of parafoil system

Step 4：翼伞飞行控制伺服收回翼伞连接绳，将翼伞回收收紧，完成伞降，图示流程见图3。

1.2 无人载具

(1) 固定翼无人机

固定翼无人机的主要功能是对任务目标区域地形的大范围侦测，初步建立目标区域的地形景象信息，并将景象信息回传单元级指控立方体，为后续的旋翼无人机和无人车的任务展开提供信息支持。固定翼无人机搭载的载荷可以根据任务类型进行变更，可以携带电视摄像机、红外热成像仪、双目相机、小型侦察吊舱等载荷[4]。

系统落地展开，无人机折叠翼和弹射架展开，如图4所示，发动机达到工作状态后弹射装置弹射放飞无人机。无人机抵达任务高度后按系统规划航线对目标区域进行探测和侦察，收集目标区域地形景象信息，实时回传立方单元。无人机返航雀降着陆，由多功能无人车回收并安放值弹射架上充能，准备进行下一架次的任务。

图3 翼伞分离流程Fig.3 Separation process of parafoil system

图4 固定翼无人机及其弹射装置Fig.4 Fixed-wing UAV and ejection device

(2) 四旋翼无人机

四旋翼无人机根据所执行任务的不同，携带不同功能的载荷。无人机可以携带红外热成像仪、声学探测装备、双目相机，抵近目标侦察，多传感器信息融合，得到较为准确的目标信息；搭载通信设备，执行通信中继任务；搭载低慢小目标捕获网或助推榴弹等武器，拦截或毁伤目标。

固定翼无人机完成首次任务区域的巡飞和侦察信息采集后，针对区域内的重点目标，单元级立方体指控系统指派多架四旋翼无人机对重点目标进行协同侦察。完成任务后，四旋翼自主飞回停放平台充能，立方平台搭载12架四旋翼，如图5所示，轮流值班，不间断地执行任务。

图5 四旋翼无人机Fig.5 Four-rotor UAV

(3) 多功能无人车

系统携带的无人车如图6所示。无人车由车体、能源和动力系统、控制系统、通信设备、任务载荷等组成，系统中的无人车采用履带的方式行进[5]。无人车载荷主要安装于车身，包括车载计算机、定位设备、通信设备、传感器、机械臂和杀伤武器，可以根据不同的应用场景进行合理配置。

1—车身；2—天线；3—多管助推榴弹系统；4—轻机枪；5—机械臂； 6—武器系统传感器；7—全向传感器；8—履带；9—导轮； 10—负重轮及悬挂系统；11—主动轮图6 无人车系统Fig.6 Unmanned vehicle system

灾区的应用场景下，无人车搭载计算机、定位设备、通信设备、图像传感器、雷达生命探测仪和机械臂。图像传感器安装在可全向旋转的机械平台上，对周围环境进行探测识别；雷达生命探测仪适合于废墟救援，探测仪安装在机械臂上，以实现全方向探测能力。

低慢小目标防御，无人车搭载目标探测设备、杀伤武器。目标侦察设备使用双目相机和红外成像仪，为无人车或其他己方防御武器提供精确目标信息；杀伤武器携带多管助推榴弹和轻机枪，通过破片或弹丸对低慢小目标进行杀伤。

1.3 能源系统

立方平台各模块的主要用电设备包括各型无人载具、各类伺服机构、平台内部设备包括综合信息处理机、通信系统天线和处理机等。系统内部采用锂电池组与太阳能电池组合供电模式，如图7所示。锂电池组主要包括立方体内的电池组，无人车/机装载电池。太阳能电池板装载在立方体外舱门内侧及旋翼机停机坪上，作为补充能源，延长工作时间，确保系统可持续运行。投放前锂电池组满>电，保证投放后系统正常运行。

图7 电源系统Fig.7 Energy system

各型无人机工作方式不同，功率差别大，电源管理模块将锂电池转换为各个任务系统所需的电压。固定翼机降落由无人车装回发射架上并进行充能，四旋翼机在停机平台上装载有充电触点，无人车在电量降低时返回储仓进行充电。组网工作模式下考虑到部分立方单元的工作任务耗能需求较大不能完全满足任务需求，无人机(车)可实施网络化异母体充能。

1.4 通信系统

集群式侦察探测防御系统的通信系统功能主要包括天—地通信和地—地通信，针对这些需求本系统集成了2类天线：天—地通信的阵列天线和地—地通信的线极化天线[6]。为了实现组网通信，系统建立了4层通信体系：立方单元与卫星间通信、立方单元与立方体间通信、立方单元与无人机/车间通信、无人机/车与无人机/车间通信，4个分立的通信网络构成了整个体系的通信系统，为了使4个通信系统协同工作并且不会相互干扰，设立了4层通信协议以及4个工作频段[7]。为防止在无线传输过程中信息被截获、指令被破解、控制单元被敌人所控制，在通信过程中进行加密，确保通信安全[8]。

2 指挥控制网络

灾区/战区的面积大，单个系统的覆盖能力有限，需要在目标区域里投放多个立方单元。各立方单元自主选择落点，组成效率高、分布合理的通信网络，实现区域全覆盖。可实现区域信息整合，建立区域内的临时通信中继网络等功能。

为遂行侦察防御系统任务需求，设计了一种3层指挥控制模式，分别为区域级、单元级、任务级指控系统，可用于多个系统间共享侦察情报和信息综合处理[9]。系统拓扑结构如图8所示。

图8 通信与指挥控制结构图Fig.8 Communication and command network

区域级指控单元处于指控网络的最高层次，是集群侦察防御系统的指挥核心，根据指控关系网络的建立规则，设立在区域内选定的立方单元系统中。区域级指控具有作战任务分解、与用户端通信、处理单元上报信息、侦察数据融合等功能。

单元级指控为立方体系统指控，负责立方体单元的指挥自动化工作。单元级指控接受区域级指控指挥控制，同时对任务级指控管理控制。主要功能包括管理本单元硬件设备、接收和处理区域级指控任务指令、规划子载荷系统任务路线、向下发送控制指令、处理任务级指控的上报信息，接收和处理子系统传感器探测信息等。

任务级指挥控制系统建立在执行协同任务的无人机、无人机械车等的混合任务编队中，接受单元级指控指挥，根据任务特点设立在编队中某一编组成员上，用于协同、控制单个或多个执行设备执行具体侦察任务[10]。任务级指挥控制系统的功能包括动态路线规划、编队控制、目标信息侦察与回传[11]。

指控关系建立算法周期执行，支持自适应的指控关系建立，当部分单元失能或需要补充投放立方单元时适时调整拓扑结构，使得系统具有动态可重组、弹性抗毁伤的优势[12]。

3 关键技术

(1) 集群智能协同技术

单无人机探测和执行任务的能力有限，多无人机组网，建立区域态势感知，执行复杂任务时可以有效的协同配合，大幅度提高执行复杂任务的能力。目前，智能协同技术利用对自然界生物群体，如鹰群智能、狼群智能等协同机制进行模仿[13]，建立协同关系拓扑结构，采取快速有利的决策完成目标任务。

(2) 目标检测与识别技术

目标检测和识别技术是一种基于目标几何统计特征的图像分割技术，目前主要的目标识别算法分为3类，分别是基于区域信息的检测算法、基于回归的检测算法以及基于搜索的检测算法[14]。系统中，无人机利用相关目标检测和识别技术，对传感器采集到的原始数据进行处理，识别目标，并将处理得到的信息实时回传立方系统。

(3) 多传感器信息融合技术

多传感器信息融合技术是指对若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析和综合，以完成所需决策和估计任务所进行的信息处理技术[15]。立方系统指挥集群执行任务，多个无人机经过任务规划，以不同的路线和方位对任务目标进行侦察，在不同方位获得目标信息，立方系统的信息处理系统利用多传感器信息融合技术，获得目标的态势信息。

4 创新优势与应用前景

集群式侦察探测防御系统由多个立方单元组成，系统采用4层通信网络，并建立3级指控网络，分层分级实现系统高效有序的通信和控制，实现区域内信息覆盖和情报共享。

立方单元采用模块化设计，各模块可以根据需求调配和组合。无人载具针对任务选用不同类型侦察探测载荷，增强环境适应性。无人机集群的数量多、灵活性高、功能多，可以增加探测弧度，提高探测精度，实现多维多角度的探测。

各无人载具利用通信指控网络，集成为组合侦察系统，采用多传感器信息融合技术，提升系统的联合侦察探测能力和大区域态势感知能力。立方单元充分利用内部空间携带蓄电池，装载太阳能电池板，提升续航工作时间。

本系统具有可观的应用前景，在民用灾区救援和军事战区侦察防御都可发挥重要作用，符合国家提出的“军民融合”的发展需求。

在民用领域，系统可以在发生自然灾害时快速、大量投放至受灾区域，固定翼无人机可以迅速对受灾区域内的地理信息进行采集，对灾害程度予以评估，为后续的救援提供精确的地形信息。四旋翼无人机和多功能无人车则可以搭载地质/环境分析仪器、生命探测器等设备，为灾后常出现的次生灾害提供分析预报的参考，为后续的搜救工作提供信息。所投放的多个系统之间，可相互通信、组网，快速建立起灾区的临时通信网络。

在军用领域，系统配备固定翼无人机和四旋翼无人机组成的综合探测系统，以及多功能无人车防御打击系统，可以在作战区域内进行集群式的侦察防御。立方系统可由运输机携带，从战区外部投放，滑翔部署至任务区域，通过无人机巡航建立地形信息、旋翼机集群作战实现对低慢小无人机集群的多维多角度精准探测，执行任务区域侦察和态势感知任务，实时回传侦测信息。利用无人车对目标进行拦截和打击，实现对低慢小和任务目标打击防御。

5 结束语

本文设计了一种集群式侦察探测防御系统。对系统核心—立方单元的硬件设备进行了设计；设计了系统的通信指控网络，实现对任务执行的协同管理和控制；基于立方单元和通信指控网，设想了系统的应用流程。同时，随着智能化技术、传感器技术、供电技术和计算机计算能力的发展，系统的自主化水平、探测精度、续航能力将会进一步提升，实现集群复杂度更高、更高效的侦察通信防御系统，以期系统可在灾区救援探测、临时通信中继和军事侦察防御等方面发挥重要作用。