直升机/无人机协同作战智能辅助决策系统发展分析

王晓卫，来国军，郭永昌

陆军航空兵学院

在未来相当长一段时间内，直升机/无人机协同作战仍然是主要作战模式之一。美军对直升机/无人机协同作战的概念、关键技术、装备、验证试验等方面进行了一系列研究，有效推进了直升机/无人机协同作战的实战化应用。本文总结美军直升机/无人机协同作战智能辅助决策系统的组成和关键技术，以期为国内从事直升机/无人机协同作战研究的单位提供参考。

在军事对抗中，直升机/无人机协同作战能大幅提高直升机的战场生存力。当前，美军“阿帕奇”军用直升机已经完成批改升级，并具备“1控4”第IV级有人机/无人机协同等级。

在不确定、非完全信息、开放的直升机/无人机协同作战环境中，直升机飞行员要在较短的时间内从大量信息中获取有用信息，形成正确认知并迅速做出决策，单纯依靠人员指挥决策显然不能满足作战需求。军方迫切须要一种新的技术来辅助飞行员决策，以提升指挥速度。如何构建一种高动态、极其复杂、强对抗、不确定战场环境下快速、准确和有效的智能辅助决策系统，是未来军事领域研究的一个热点课题。

为增强空中或地面指挥能力，美国陆军航空发展局一直致力于态势感知和辅助决策技术开发。当美国陆航应用技术理事会（AATD）发起“空中有人系统/无人系统技术”（AMUST）项目和“猎人远程杀伤编队”（HSKT）项目后，美国陆军航空发展局参与其中，对直升机/无人机协同作战的关键技术进行开发、验证和部署。在协同作战试验中，“黑鹰”直升机安装了机动指挥官助手（MCA），“阿帕奇”直升机集成了作战人员助理系统（WA），最终，不同机载传感器数据和战场情报数据实现了共享和融合，形成连续的通用相关作战影像（CROP），直升机飞行员和机动指挥官利用通用相关作战影像，完成了作战任务。

作战人员助理系统的组成、功能与关键技术

作战人员助理系统是波音公司鬼怪工厂根据“空中有人系统/无人系统技术”项目和“猎人远程杀伤编队”项目需求开发的辅助决策系统，可直接帮助“阿帕奇”直升机飞行员制订和选择行动方案，提高飞行员的态势感知能力和辅助决策能力，飞行员因此可同时有效管理直升机和无人机，并集中精力处理重要的任务，如交战规划和战术机动等。

组成与功能

作战人员助理系统由无人机航线规划、航线评估、火力攻击、数据融合、无人机机载传感器控制、飞行控制、无人机机载视频记录和图像接收等模块组成。各模块的功能如下所述。

1.航线规划模块的功能

基于任务目的、约束条件、已知威胁、地形、时间和位置等条件，航线规划模块自动规划无人机航线。

2.航线评估模块的功能

该模块计算、识别并显示所规划的航线和已知威胁源的风险，对当前航线面临的风险进行评估，使用不同的颜色标注航线风险等级。黄色表示来自传感器探测的威胁，红色则表示航线可能在武器攻击范围内。

3.火力攻击模块的功能

根据航线、距离、位置、机动区域、火力范围等因素，火力攻击模块计算出直升机飞行员完成目标侦察和武器发射所须要的最佳位置。

4.数据融合模块的功能

该模块具备多源异构数据融合功能，能够将直升机火控雷达（FCR）、机载电路、数据链、光电/红外吊舱、无人机等系统采集的信息进行融合。

5.无人机机载传感器控制模块的功能

传感器控制模块具有机载传感器扫描范围设定、通视位置计算及显示功能。

6.飞行控制模块的功能

该模块具有第IV级有人机/无人机协同等级，可直接获取无人机收集的影像和其他数据，并对无人机飞行和任务载荷进行控制。

图1 AH-64D“阿帕奇”直升机安装的作战人员助理系统界面。

图2 作战人员助理系统显示的无人机飞行控制界面。

7.无人机机载视频记录和图像接收模块的功能

该模块具有记录无人机视频的功能。通过该模块，无人机与指挥直升机安装的陆军机载指挥和控制系统（A2C2X）之间实现了视频、数据接收与发送。

关键技术

为使直升机更好地规划航线并具备规避威胁的能力，作战人员助理系统须使用基于火控雷达的目标跟踪、多源传感器数据融合和假目标剔除等核心技术对战场态势和威胁进行评估。

1.火控雷达目标跟踪技术

在没有数据融合的情况下，直升机机载火控雷达扫描目标时，上一帧扫描探测到的所有目标都会从显示信息中被删除，由新的扫描结果取代。然而，操控员很难确定新扫描目标与上一帧扫描目标之间的一一对应关系。基于相关匹配的火控雷达目标跟踪算法能较好地解决这一问题，有效提高战场影像的稳定性、准确性和完整性。对于第一次扫描的目标，火控雷达使用序号标注该目标的轨迹；对于第一次扫描之后的目标，算法对新扫描目标和上一帧扫描目标间的相关性进行检测，并对关联目标的轨迹进行更新，以确保关联目标的轨迹保持连续性，后续未被扫描和强化的目标不会随着新的扫描立即消失。作战人员助理系统使用一种基于时间的方案来最终消除那些没有得到强化的目标轨迹。

2.多源传感器数据融合技术

在协同作战中，目标数量是飞行员重点关注的态势感知信息之一。如果火控雷达获取的目标数据不进行融合，当火控雷达扫描的目标也被其他传感器（例如光电/红外吊舱）探测时，战术态势图将显示两个符号对应同一个目标，从而影响飞行员对战场态势的判断。数据融合技术将不同传感器获取的目标数据进行轨迹关联，让飞行员准确识别多传感器探测的目标，为飞行员准确感知战场目标数量等要素提供支撑。

3.假目标剔除技术

假目标剔除技术根据相关跟踪信息，进一步提高跟踪信息的精度并减少战术影像中的杂波。当一个目标被火控雷达扫描后，后续这个目标没有被扫描且增强，其轨迹将衰减或“老化”。经过一段时间后，战术态势图中的这个目标将被删除。

机动指挥官助手的组成、功能与关键技术

指挥官利用机动指挥官助手控制有人机/无人机编队协同作战。图3显示，“黑鹰”直升机通过改进型数据调制解调器（IDM）和战术通用数据链（TDCL），实时获取“阿帕奇”直升机和“猎人”无人机传输的信息。机动指挥官助手共享和融合所有传感器获取的情报数据，增强了指挥官的态势感知能力，实现了直升机与无人机之间的协同控制。

图3 美军“空中有人系统/无人系统技术”项目和“猎人远程杀伤编队”展示的协同作战场景。

美国陆军机载指挥与控制系统安装机动指挥官助手后，称为改进型机载指挥与控制系统，其外形详见图4。

图4 改进型机载指挥与控制系统示意图。

机动指挥官助手的组成与功能

机动指挥官助手由处理器、战术通用数据链、Link 16数据链、机载视频记录仪和图像收发机/单通道地面和机载系统（AVRIT/SINCGARS）、改进型数据调制解调器/单通道地面和机载系统（IDM/SINCGARS)组成，包括辅助决策、分布式数据融合和基于智能体的数据发现（ABDD）等模块。各模块的功能如表1所述。

表1 机动指挥官助手的模块及其功能。

“黑鹰”直升机安装的改进型机载指挥与控制系统显示的综合态势感知画面详见图5。该态势感知画面显示了任务、编队、航线、目标、设备等信息。其中，“黑鹰”直升机利用Link 16数据链将目标请求信息传输给F/A-18“超级大黄蜂”战斗机；直升机和无人机通过战术通用数据链传输位置、传感器控制和飞行控制等信息；“黑鹰”和“阿帕奇”直升机使用改进型数据调制解调器传输航线和目标等信息。

图5 改进型机载指挥与控制系统显示的综合态势感知画面。

关键技术

作为机动指挥官的辅助决策系统，机动指挥官助手须要处理多个信息源中的2000多个目标数据，涉及基于移动智能体的数据挖掘、多源传感器数据融合、葡萄藤数据分发等核心技术。

1.基于移动智能体的数据挖掘技术

自1995年以来，洛克希德-马丁公司先进技术实验室一直致力于基于移动智能体的数据挖掘技术开发，为数字化战场信息传输、更新和监控提供支持。智能体是一种软件架构，能与环境交互并代表用户执行任务。智能意味着智能体具有感知、认知环境或主题领域的能力，对变化的环境及时做出决策。移动则表示智能体能在网络节点之间移动，从而利用本地检索不到的资源。

2.多源传感器数据融合技术

多源传感器数据融合技术能实时融合本机和它机提供的多源传感器信息，形成统一的战场态势感知影像。机动指挥官助手中的信息融合系统使用融合调度和融合控制模块来满足数据实时输入和处理的要求。其中，融合调度模块对待处理数据进行评估，确定应使用哪种算法来融合数据，并选用适当的内核来处理数据；融合控制模块对融合算法的性能以及资源使用情况进行监视，当内存或CPU等资源使用在某一融合进程中超过限制时，该模块适时启动优先级或输入数据下采样等应用控制策略。融合调度、融合控制、融合算法模块化开发和配置这一顶层控制策略，使智能辅助决策系统有效摆脱了对硬件性能的依赖。

3.葡萄藤数据分发技术

葡萄藤架构最初由洛克希德-马丁公司开发，它根据每个节点的信息需求，实现最大限度带宽条件下的信息共享，这样每个节点就可以只传输对下一节点有实际价值的信息。传感器数据实时共享为每个参与者构建了一个完整的通用影像。美国国防预研局（DARPA）小型单元操作项目采用了该架构。

作战人员助理系统和机动指挥官助手的异同点

美军作战人员助理系统和机动指挥官助手均安装有无人机飞行控制、分布式数据融合和辅助决策软件。但是，两者协同层级和使用对象不同，其异同点如下所述。

首先，作战人员助理系统主要供攻击直升机飞行员使用，辅助低空高速飞行直升机中的飞行员与无人机协同作战，旨在最大程度降低飞行员的工作强度，提高直升机武器系统的智能化程度。尽管作战人员助理系统和机动指挥官助手都可实现第IV级有人机/无人机协同等级，例如直升机直接接收无人机传输的数据和控制无人机飞行。但对于武器控制层面，攻击直升机与无人机系统协同作战时，作战人员助理系统可对无人机机载武器发射时间和战位进行规划；而机动指挥官助手属于指挥层级，须要使用数据链将火控雷达获取的目标信息发送至无人机。

第二，机动指挥官助手主要供指挥直升机的机动指挥官使用。在作战人员助理系统的攻击规划、无人机飞行控制、传感器控制、航线规划等模块基础上，机动指挥官助手增加了态势感知信息显示、无人机飞行控制、编队管理、通信管理、交战管理等模块，以编队管理代替无人机飞行控制，以交战管理代替攻击规划。此外，指挥直升机上没有机载光电/红外吊舱等传感器，因此机动指挥官助手主要负责联合监视与目标攻击雷达系统、Link 16数据链和联合公共数据库（JCDB）等系统的数据融合。

第三，作战人员助理系统和机动指挥官助手的硬件平台和操作系统存在较大差别。作战人员助理系统采用的是Vxworks操作系统，其处理环境不支持面向对象程序中标准内存常规分配和释放等操作；而机动指挥官助手采用了Linux操作系统。尽管存在上述差异，二者共享同一个底层数据融合软件。

总结

在未来战场上，对抗态势高度复杂且瞬息万变，各种信息交汇，形成海量数据，人脑难以快速、准确地处理海量信息。直升机/无人机协同作战智能辅助决策系统采用多源传感器信息融合等技术，提升了直升机/无人机协同作战能力，缩短了直升机/无人机协同预测、感知、认知的时间，提高了决策效率，在较大程度上提升了直升机在瞬息万变战场上的作战能力和生存力。