基于美軍無人機(jī)路線圖的未來無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

摘要：在當(dāng)前大國競爭與大國博弈的背景下，隨著美軍緊鑼密鼓的加速新一代無人機(jī)的研制，關(guān)于未來無人機(jī)發(fā)展趨勢的討論也愈發(fā)激烈。本文通過解讀《美軍無人機(jī)路線圖2017-2042》及相關(guān)資料梳理分析，首先給出了新一版路線圖的發(fā)展背景、目的和內(nèi)容信息。然后圍繞該路線規(guī)劃圖的互操作性、自主性、網(wǎng)絡(luò)安全和人機(jī)協(xié)同四大關(guān)鍵主題，同時(shí)結(jié)合美軍無人機(jī)發(fā)展關(guān)鍵動(dòng)向進(jìn)行了綜合分析，主要包括通用開放式架構(gòu)技術(shù)、部件模塊化技術(shù)、試驗(yàn)鑒定驗(yàn)證、自主技術(shù)、人機(jī)接口、人機(jī)編隊(duì)等，為我方無人機(jī)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供參考支撐。

關(guān)鍵詞：無人系統(tǒng)；互操作性；自主性；網(wǎng)絡(luò)安全；人機(jī)協(xié)同；通用開放式架構(gòu)

美國國防部在審查并分析了來自各級部門20多份參考文件及研究了來自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界技術(shù)趨勢的基礎(chǔ)上，歸納出了《無人系統(tǒng)綜合路線圖（2017-2042）》，它是美軍無人系統(tǒng)未來發(fā)展的總體戰(zhàn)略指導(dǎo)，明確提出了國防部無人系統(tǒng)的發(fā)展愿景，結(jié)合美國國防部的無人系統(tǒng)愿景和美軍發(fā)展實(shí)際，其主要?dú)w納出無人系統(tǒng)發(fā)展中的互操作性、自主性、網(wǎng)絡(luò)安全、人機(jī)協(xié)作四個(gè)關(guān)鍵主題，其中互操作性是技術(shù)基礎(chǔ)、自主性是發(fā)展動(dòng)力、網(wǎng)絡(luò)安全是發(fā)展保障、人機(jī)協(xié)作是發(fā)展目標(biāo)，在四個(gè)關(guān)鍵主題基礎(chǔ)上進(jìn)一步歸納了其對應(yīng)的支撐因素。本文重點(diǎn)針對路線圖中的四個(gè)關(guān)鍵主題，結(jié)合美軍近年來無人系統(tǒng)的關(guān)鍵發(fā)展動(dòng)向做綜合分析，分析四大主題重點(diǎn)布局下的未來無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)。

《無人系統(tǒng)綜合路線圖（2017-2042）》路線圖是美國國防部公開發(fā)布的第六版（2002-2027，2007—2032年，2009—2034年，2011—2036年，2013—2038年，2017—2042年）無人系統(tǒng)綜合路線圖，是在2013-2038年版本路線規(guī)劃圖基礎(chǔ)上的進(jìn)一步延伸。美國國防部的無人系統(tǒng)愿景為：無人系統(tǒng)與有人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫協(xié)同，壓縮作戰(zhàn)人員的制定決策過程，降低人員的生命危險(xiǎn)。該愿景旨在為美軍無人系統(tǒng)發(fā)展的總體戰(zhàn)略提供指導(dǎo)，各軍種無人系統(tǒng)的目標(biāo)和努力方向要與國防部的愿景保持一致，從而有效地減少重復(fù)性工作、促進(jìn)多領(lǐng)域的合作，擴(kuò)大無人系統(tǒng)的應(yīng)用潛能，并在任何一種作戰(zhàn)環(huán)境中使用無人系統(tǒng)。

本文通過研讀《美軍無人機(jī)路線圖2017-2042》及相關(guān)資料梳理分析，對該路線圖中四個(gè)關(guān)鍵主題及其支撐因素進(jìn)行梳理，其結(jié)果如下表1所示。

3.1 互操作性

互操作性指的是作戰(zhàn)系統(tǒng)之間關(guān)鍵而有效的相互作用，在信息收集者、決策者、規(guī)劃者和作戰(zhàn)人員之間及時(shí)傳輸信息。為了充分發(fā)揮無人系統(tǒng)的潛力，這些系統(tǒng)必須在空中、地面和海上領(lǐng)域無縫運(yùn)行，并且還可以運(yùn)行與載人系統(tǒng)無縫對接?；ゲ僮餍园ㄐ畔⒌募夹g(shù)交換、完成任務(wù)所需的信息交換及端到端操作的有效性。

互操作性是聯(lián)合部隊(duì)開發(fā)無人系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)，能實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)間信息的快速傳輸，促進(jìn)作戰(zhàn)系統(tǒng)間的相互合作，從而提高系統(tǒng)效率和運(yùn)行有效性。本文梳理了UAV在互操作標(biāo)準(zhǔn)等級特征，如下表2所示。

美軍路線規(guī)劃中提出尋求通用/開放式體系架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)模塊化和組件互換性，進(jìn)行合規(guī)性/測試、評估、校核和驗(yàn)證，采取合適的數(shù)據(jù)策略以及主張數(shù)據(jù)權(quán)限等5項(xiàng)推動(dòng)因素。下表為互操作性綜合路線圖，梳理了國防部的近期、中期、遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)。

3.2 自主性

現(xiàn)有無人系統(tǒng)通常完全預(yù)先編程，以重復(fù)執(zhí)行定義的動(dòng)作，并且不受外部影響或控制的影響。這些系統(tǒng)遵循外部給定的路徑，同時(shí)補(bǔ)償由外部干擾引起的小偏差。

自主任務(wù)性能可能需要集成感知、感知、分析、通信、規(guī)劃、決策和執(zhí)行以實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)與系統(tǒng)功能的能力。隨著自主程度的提高，可以節(jié)省人力和/或可以將人力資源重新分配給其他任務(wù)。例如，陸軍戰(zhàn)術(shù)機(jī)器人最終可以增強(qiáng)小單位的人員配備，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)智能UGS 也可以執(zhí)行后勤任務(wù)，并且設(shè)想空軍/陸軍系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單個(gè)操作員可以控制多個(gè) UAV。所有這些系統(tǒng)都提供了顯著節(jié)省人力的機(jī)會(huì)或?qū)⒐?jié)省的人力用于其他關(guān)鍵任務(wù)的機(jī)會(huì)。

美軍無人機(jī)路線圖中指出自主性和機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步有可能成為重要的力量倍增器，徹底改變作戰(zhàn)概念，大大提高有人和無人系統(tǒng)的效率和效能，為國防部提供戰(zhàn)略優(yōu)勢，它提出人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)、提高效率和效能、信任、武器化等4項(xiàng)推動(dòng)因素。其近期、中期和遠(yuǎn)期的自主性發(fā)展路線圖如下表。自主性的增加將對作戰(zhàn)理念帶來革命性的變化，提高無人系統(tǒng)的作戰(zhàn)效率和有效性，為國防部提供戰(zhàn)略優(yōu)勢。自主性包括四項(xiàng)關(guān)鍵支撐因素：人工智能（AI）/機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）、提高效率和有效性、信任、武器化。

3.3 網(wǎng)絡(luò)安全

美軍無人機(jī)路線圖中指出無人系統(tǒng)作戰(zhàn)通常依賴網(wǎng)絡(luò)連接和高效的頻譜接入，必須解決網(wǎng)絡(luò)漏洞，以防止網(wǎng)絡(luò)中斷或被操縱；提出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營、信息保障、電磁頻譜和電子戰(zhàn)等3項(xiàng)推動(dòng)因素。其近期、中期和遠(yuǎn)期的網(wǎng)絡(luò)安全發(fā)展路線圖如表5。

每一項(xiàng)先進(jìn)的武器系統(tǒng)都依賴于信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，無人系統(tǒng)及其指揮控制更易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。國防部將研發(fā)無人系統(tǒng)的深度防御技術(shù)，建立彈性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高無人系統(tǒng)的自主防御能力。

信息保障是保證信息和信息系統(tǒng)安全運(yùn)行的防護(hù)性行為。無人系統(tǒng)的安全運(yùn)行與信息保障能力息息相關(guān)。文中指出應(yīng)針對無人系統(tǒng)研發(fā)專門的信息保障解決方案，因此須加強(qiáng)與信息技術(shù)商業(yè)公司的合作，研發(fā)相關(guān)的技術(shù)，并制定相關(guān)的政策和制度。

因此，為了確保無人系統(tǒng)高效靈活的電磁頻譜運(yùn)行，需要建立穩(wěn)健的電磁防護(hù)能力，增強(qiáng)無人系統(tǒng)的有效性和可行性。

3.4人機(jī)協(xié)作

人機(jī)協(xié)作是無人系統(tǒng)發(fā)展的最終目標(biāo)，美軍路線規(guī)劃圖中認(rèn)為面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是操作者和無人平臺(tái)之間的信任，未來的前景是通過實(shí)現(xiàn)人機(jī)的無縫集成，減少人類操控的工作量，美軍路線規(guī)劃圖中提出人機(jī)接口、人機(jī)編組2項(xiàng)推動(dòng)因素。其近期、中期和遠(yuǎn)期的人機(jī)協(xié)作發(fā)展路線圖如下表。

人機(jī)接口是指作戰(zhàn)人員與無人系統(tǒng)之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設(shè)備的接口。人機(jī)接口的直觀和有效直接影響了作戰(zhàn)任務(wù)的成功。未來的人機(jī)接口將提高人機(jī)協(xié)作和人機(jī)編組的水平。

人機(jī)編組是對有人系統(tǒng)和無人系統(tǒng)的有效編組，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場協(xié)同感知、協(xié)同作戰(zhàn)。人機(jī)編組將有效減輕作戰(zhàn)人員負(fù)擔(dān)、提高無人系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，使無人系統(tǒng)從作戰(zhàn)人員的工具變成作戰(zhàn)人員真正意義上的團(tuán)隊(duì)成員。

美軍近期無人系統(tǒng)的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)向印證了美國大力推進(jìn)美軍路線規(guī)劃圖四個(gè)主題的發(fā)展，同時(shí)，四個(gè)主題的發(fā)展進(jìn)一步牽引指導(dǎo)著無人系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

4.1 加快互操作進(jìn)程

美軍致力于消除各軍種的壁壘和邊界，努力提高無人系統(tǒng)的互操作性，建立通用、開放的架構(gòu)，構(gòu)建彈性的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)的模塊化和零件互換，建立國防部范圍的、標(biāo)準(zhǔn)的、集成化的數(shù)據(jù)傳輸，擴(kuò)大無人系統(tǒng)的作戰(zhàn)范圍，使其能實(shí)現(xiàn)全域作戰(zhàn)，提高無人系統(tǒng)的一體化作戰(zhàn)能力。

近期，美軍加快了通用/開放體系架構(gòu)、部件模塊化及試驗(yàn)鑒定驗(yàn)證等進(jìn)程，提升了無人系統(tǒng)的互用性及體系作戰(zhàn)的融入。

為未來分布式作戰(zhàn)和集群作戰(zhàn)發(fā)展，美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）通過實(shí)施“體系集成技術(shù)與試驗(yàn)（SoSITE）”項(xiàng)目發(fā)展開發(fā)時(shí)體系架構(gòu)技術(shù)，目標(biāo)把單一裝備的空戰(zhàn)能力分布在大量可互操作的有人和無人平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)機(jī)載系統(tǒng)和機(jī)載武器的即插即用，極大提升蜂群的靈活性，并通過創(chuàng)新的開放式體系架構(gòu)發(fā)展和演示新概念以保持空中優(yōu)勢能力。

4.2 增強(qiáng)自主性能力

美軍大力發(fā)展無人系統(tǒng)維持技術(shù)優(yōu)勢，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)、信息保障，希望借助商業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新成果實(shí)現(xiàn)無人系統(tǒng)的跨越式發(fā)展，并將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)作為提高無人系統(tǒng)自主性的首要支撐因素、人機(jī)接口技術(shù)作為人機(jī)協(xié)作的首要支撐因素，重視前沿科技的發(fā)展和成果轉(zhuǎn)化。

近期，美軍基于人工智能發(fā)展不斷增強(qiáng)自主作戰(zhàn)能力，提高無人系統(tǒng)作戰(zhàn)效率和效能。DARPA實(shí)施的“快速自主輕量（FLA）”旨在開發(fā)一種先進(jìn)的算法，實(shí)現(xiàn)空中機(jī)動(dòng)的自動(dòng)化和智能化，建立飛行員對無人系統(tǒng)自主能力的信任，使飛行員聚焦于交戰(zhàn)策略制定，選擇目標(biāo)，目標(biāo)排序等高層次認(rèn)知活動(dòng)，成為真正意義的空戰(zhàn)指揮官，為實(shí)現(xiàn)有人無人協(xié)同奠定基礎(chǔ)。

4.3 重視網(wǎng)絡(luò)安全

美軍進(jìn)一步加強(qiáng)賽博防御、信息保障和電子戰(zhàn)防護(hù)建設(shè)，確保無人系統(tǒng)作戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)安全。美軍近期在強(qiáng)韌組網(wǎng)分布式馬賽克通信項(xiàng)目中通過分布式、低重量、小功耗的收發(fā)機(jī)元素，代替大功率放大器和大型定向天線，支撐分布式作戰(zhàn)的遠(yuǎn)程通信；在復(fù)仇女神項(xiàng)目中采用網(wǎng)格化協(xié)同電子戰(zhàn)系統(tǒng)，對敵方傳感器實(shí)施攻擊；在全球閃電項(xiàng)目中建立和試驗(yàn)在各種固定和移動(dòng)操作地點(diǎn)之間持續(xù)可用的通信和共享數(shù)據(jù)能力。

4.4 深化人機(jī)協(xié)作

美軍強(qiáng)化建設(shè)人機(jī)接口、人機(jī)編隊(duì)技術(shù)，支撐人機(jī)協(xié)同的體系化作戰(zhàn)的實(shí)現(xiàn)。美軍近期在先進(jìn)戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)（ABMS）項(xiàng)目中通過實(shí)現(xiàn)傳感器、通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的融合，讓陸?？崭鱾€(gè)平臺(tái)與武器之間共享數(shù)據(jù)目標(biāo)，確保美軍做出最有效的威脅響應(yīng)；在分布式作戰(zhàn)管理（DBM）項(xiàng)目中將決策輔助整合進(jìn)機(jī)載軟件，幫助空中作戰(zhàn)管理者和飛行員保持態(tài)勢感知、推薦任務(wù)、生成詳細(xì)作戰(zhàn)計(jì)劃和保持飛行控制；在拒止環(huán)境中協(xié)同（CODE）項(xiàng)目中發(fā)展一套包含協(xié)同算法的軟件系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可以適應(yīng)帶寬限制和通信干擾，減少任務(wù)指揮官的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，除此之外，還能與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)相兼容，并通過經(jīng)濟(jì)可承受的方式集成到現(xiàn)有平臺(tái)中。

本文在研讀美國國防部版最新路線圖2017-2042的基礎(chǔ)上，結(jié)合美軍無人機(jī)發(fā)展關(guān)鍵動(dòng)向?qū)o人機(jī)未來的四大發(fā)展關(guān)鍵主題進(jìn)行了綜合分析，為無人機(jī)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供參考支撐，我方也應(yīng)開始開展相關(guān)技術(shù)的研究，包括通用開放式架構(gòu)技術(shù)、部件模塊化技術(shù)、試驗(yàn)鑒定驗(yàn)證、自主技術(shù)、人機(jī)接口、人機(jī)編隊(duì)等，這些技術(shù)面向作戰(zhàn)需求，對提升無人系統(tǒng)作戰(zhàn)效率和效能將發(fā)揮重要作用。

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（第一作者簡介：史國榮，男，山西新絳，1980.2，碩士研究生，導(dǎo)航制導(dǎo)與控制專業(yè)，13891931147@139. com。工作單位：海軍裝備部）

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