有人/无人机协同作战演示验证试飞关键技术
杜梓冰 张立丰 陈敬志 张洁
摘要：为促进有人/无人机协同作战技术发展，对关键的演示验证试飞进行研究。首先，研究了国外典型有人/无人机协同作战项目演示验证试飞的进展，并对其特点进行分析。然后，提出有人/无人机协同作战演示验证试飞中试飞科目规划、任务规划、虚拟试飞、环境构建、平台选型和改装、结果评估等关键技术的内涵和主要研究内容。最后，给出进一步的发展建议，以期为相关技术发展和装备研究提供参考。
关键词：有人/无人机协同作战;飞行试验;演示验证;武器协同技术
中图分类号：TJ85;V217文献标识码：A文章编号：1673-5048（2019）04-0075-07
0引言
20世纪末，以美国为首的军事强国开始有人/无人机协同作战的研究，通过长期对作战概念、关键技术进行理论研究、仿真和演示验证飞行试验，验证了这一新的作战方式的可行性、有效性和实用性[1-6]。典型的有：美国陆军的MUSIC项目[1-2]，演示了空地各无人系统协同作战的巨大潜力，激发了后续相关研究;美国海军的TCS项目[3]，定义了有人/无人机协同的控制层级，成为行业标准;美国空军的“忠诚僚机”项目，定义了新的作战方向[3-6]。这些研究成果促使美国将有人/无人机协同作战列为第三次“抵消战略”的重点之一，并在美国《小型无人机2016-2036发展路线图》[7]中正式纳入未来长期发展规划。《无人系统发展路线图2017-2042》[8]等进一步对有人/无人机协同作战进行了规划。这些研究项目的开展，表明有人/无人机协同作战是提升作战效能的有效手段，离实战越来越近，也给其他国家带来了巨大的挑战，日本、欧洲各国也紧跟美国开展了相关的研究[3]。
美国等国家的有人/无人机协同作战研究，不仅限于理论和仿真研究，还进行了大量的演示验证试飞研究，通过试飞对其关键技术进行验证，提升技术成熟度，在此基础上逐级迭代发展。演示验证试飞在有人/无人机协同作战研究中扮演了重要的角色。
中国航空工业集团有限公司在2018年11月发布的《无人机系统发展白皮书》[9]中指出，信息化、網络化背景下体系对抗是未来高技术战争的主要作战样式，无人机与有人机实现集群、编组等方式协同，可完成更复杂的任务，有人/无人机协同将成为未来空中作战的重要形态，因此，要大力发展有人/无人机协同作战，以满足信息化作战环境需求，形成空中优势和突防打击能力[9]。
演示验证是提高新技术成熟度使其走向工程应用的关键手段和阶段[10]，为此，中国飞行试验研究院的席龙[11]等人开展了无人机与直升机的协同作战演示验证试飞，开创了有人/无人机协同作战试飞先河。在此项工作的基础上，通过研究美国等国家的有人/无人机协同作战演示项目演示验证试飞情况，分析提炼出相关项目演示验证试飞关键技术节点，并给出相关的发展建议，进一步促进国内后续演示验证试飞的研究。
1有人/无人机协同作战概念
随着科学技术的发展、作战理念和作战环境的变化，传统的有人机作战面临着更复杂的电磁干扰威胁、更强的火力打击威胁，出现了作战效能下降、生存性下降、费用上升等问题，已经很难满足未来作战需求。为此，发达国家重视具有零伤亡、成本低、作战时间长等特点的无人机的研发和应用，以替代有人机执行部分任务，并在近年来的反恐战争、局部冲突中得到有效的应用。各类型无人机发展越来越迅速，然而当前无人机的智能化和作战可靠性有限，短期内不能快速提高，还不能完全替代有人机执行全部作战任务。因此，充分利用有人机和无人机各自的优点，开展协同作战，实现资源共享和互用关系，弥补各自的缺点来快速提高作战效能，是当前的明智选择和未来的发展趋势[2]。
可以从协同对象、协同层次、协同阶段和协同任务等多种视角来分析有人/无人机协同作战概念的内涵[5]，如图1所示。
2国外典型项目演示验证试飞研究进展
2.1美国
美国自20世纪90年代开始研究有人机和无人机协同作战方面的概念及关键技术，并进行了大量的演示验证试飞，引领着世界相关技术的发展。
美国陆军有人/无人机协同作战研究比较早、比较成熟。始于20世纪90年代初的“BirdDog”项目，之后经历了概念研究与演示验证、工程研发、服役与战法演练等几个阶段[2]，1996年正式启动机载有人/无人系统技术（AMUST）研究，目的是开发可以使有人机与各种无人机系统编队所需的技术，并于1999年、2006年、2011年完成了直升机和无人机协同作战的演示验证试飞。试飞中对“阿帕奇”、“黑鹰”直升机进行了软硬件改装，验证的关键技术包括直升机与无人机之间基于数据链实现指挥控制数据、载荷图像数据接收，进而实现载荷控制、飞行控制的技术，同时对演示验证中试验机改装技术和飞行试验组织实施、数据处理和结果评估技术进行了攻关，为后续项目试飞的顺利开展奠定了技术基础。在该阶段试飞结果表明协同后，无论是人员生存性还是武器杀伤力都得到了提升[1]，展示了协同作战的巨大潜力，因此，随后又开发了“猎人”远距杀伤编队（HSKT）和有人/无人机组队通用结构计划（MCAP）等多个项目，并开展了多轮演示验证试飞，尤其是在2011年与DARPA、空军和海军等合作实施了全美最大的有人/无人系统集成能力（MUSIC）演习[1-2]，如图2所示，实现空地多种有人、无人平台的联合作战。结果表明协同后，直升机可以通过数据链接收无人机传来的侦察信息、目标指示信息，实现对地面目标的打击，而直升机和无人机平台的作战能力都得到了提升。
在这些项目中，验证的关键技术主要包括先进的协同作战架构设计技术、先进的航空电子技术、可靠的数据链通信技术等。为了继续向实战使用方向发展，美国陆军持续开展相关的研究。2014年8月，试飞演示了“阿帕奇”同时控制“灰鹰”和“影子”无人机执行具体任务的能力;2016年10月，又演示了AH-64D与“影子”无人机4级控制条件下的贴地协同飞行能力[2]。这些试飞验证了协同任务分配、协同指挥控制、协同效能评估等技术，完善了任务级的试飞评估方法。试飞结果显示了协同作战的应用前景，美国陆军正着力于将演示验证试飞结果推广到其他直升机和无人机上，使得士兵抵达战场之前便已通过协同终端设备了解到作战信息，作战中又能得到无人机的帮助。
美国海军也持续投入力量开展有人/无人机协同作战的研究。典型的项目包括1997年开始研发的“战术控制系统”（TCS）[3]，其所提出的关键技术是有人机对无人机由低到高、逐渐增强的5级控制能力划分标准：1级是有人机通过无人机地面站中转获取无人机信息;2级是有人机直接获取无人机信息;3级是有人机能对无人机载荷和传感器进行控制;4级是有人机能够完成对无人机除起降之外的其他飞行阶段的控制;5级是有人机能完成对无人机飞行全过程的控制。该标准成为后续各国有人/无人机研究采用的主流标准[2]。2003年，对P-3C“奥利安”反潜巡逻机和RQ-8A“火力侦察兵”进行试飞改装，加装了该系统，通过试飞验证了P-3C对RQ-8A的控制能力，且达到了5级[2]。2004年和2012年又开展了联合无人空战系统（J-UCAS）、通用控制系统（CCS）等项目，关键技术是有人机对无人侦察机、无人攻击机等多类无人机的通用化控制[2]。2014年8月，利用X-47B与F/A-18进行演示验证试飞，验证了无人機和有人机在航母空域协同起降、飞行的技术。2014年，美国海军还完成了多次RQ-8A无人机与“海鹰”直升机联合飞行试验，验证的关键技术是无人机给直升机和其他作战单元提供作战信息支援，拓展直升机的感知能力和作战范围[2]。2015年12月，利用UTAP-22无人机与AV-8B飞机进行协同作战演示试飞，验证的关键技术是有人机对无人机飞行的控制，无人机作为有人战斗机的“忠诚僚机”的潜力[3]。
美国空军于2003年开始发展了“软件使能控制”（SEC），利用改装后的F-15和T-33飞机试飞验证了有人机对无人机的语音控制技术，以及无人机实时空中防撞、自主威胁响应、自主故障诊断、自主航路重规划、自主规避机动等技术;在“灼烧之隼”（ScatheFalcon）中通过试飞验证了有人机对无人机的飞行控制能力;2005年开始了目前最为典型的有人/无人机协同作战项目研究——“忠诚僚机”计划[2]，该计划是为支撑第三次“抵消战略”而逐渐演变提出的，其主要目的是未来强对抗和拒止作战环境下，通过协同作战使优缺点互补，提升整体作战能力[4]。“忠诚僚机”演示试飞如图3所示。2015年和2017年利用F-16战机分别完成“海弗-空袭者Ⅰ”（HAVE-Raider）和“海弗-空袭者Ⅱ”两轮演示试飞。试飞中利用1架F-16变稳机改成UCAV与另1架F-16进行长机、僚机编队试飞，演示了自动编队飞行、长机/僚机交互、自主规划任务并执行、自主应对意外状况、传感器数据融合、飞行员负荷动态分配等协同飞行技术[3]，同时在试飞改装、试飞结果评估等方面取得了进步，使用变稳飞机的后舱改装为无人机，对其他项目试飞有巨大的借鉴意义。在这些项目中，试飞验证了有人机、无人机在侦察、监视、打击等方面的协同作战能力和广阔的作战潜力，验证了有人机对无人机的不同等级的飞行控制技术、实时作战任务分配技术、指令和载荷信息传输技术等。
3国外演示验证试飞特点
从世界各国有人/无人机协同作战演示验证试飞情况来看，有以下特点：
（1）注重演示验证试飞。各军兵种、飞机制造商均视演示验证试飞是整个研究工作中的重要一环，是推动技术成熟和进步的重要手段，演示验证是促使关键技术成为工程应用的手段，关键技术、作战使用方式都要进行试飞验证。
（2）演示验证内容充分，涵盖了不同的控制层级。从基本的编队飞行，到数据交互，再到协同控制均开展了演示验证;从基本原理到关键技术都进行了演示验证。
（3）多个项目的演示验证联合攻关，通过逐步递进的方式进行研究。一个项目演示验证成功后在其基础上进行进一步的演示验证，通过一个技术路线上的多个项目持续研究，实现作战理念的完善，最终共同促进有人/无人机协同作战技术的迭代发展。
（4）有人/无人机协同作战复杂，新技术多，演示验证试飞研究周期长、项目多、环节多、技术风险大、试验耗费较大，因此，演示验证的试验机主要是以现有的变稳试验机、战斗机、直升机、运输机和无人机平台进行关键软硬件设备的改装为主，较少为演示验证试飞开发全新的无人机。
4演示验证试飞关键技术
4.1任务想定设计
有人/无人机协同作战作为新的作战理念，无成熟实战先例可循，作战使用场景、作战任务、作战顺序等均无参考，因此，试飞阶段的作战任务想定尤为关键，应该根据有人/无人机完成协同的使命任务及可能面临的战场威胁，结合有人/无人机协同作战使用特点、作战用途、作战对象，从作战使用出发，建立尽可能贴近真实作战环境的协同作战想定，以便为试飞提供焦点和界限，确保其支持试飞工作，包括试飞科目规划、任务规划、战场构建、结果评估工作的开展。
4.2试飞科目规划
有人/无人机协同作战试飞科目设计要考虑多个因素，演示验证试飞中的科目设计应从系统技术水平和技术目标出发来进行针对性设计，但是从通用设计的角度讲，可以从协同层级、协同任务、协同数量这三个维度来设计，如图4所示。借鉴TCS项目中的控制层级规则[3]，协同层级方面，可以划分为数据与态势协同、传感器数据共享、传感器和武器控制、飞行控制、起降控制5个级别，控制能力是逐步递进的，下一级别控制能力的实现意味着上面各级别的控制能力均可实现。协同任务方面，主要包括协同战术信息支援，协同对空、对面、对潜探测识别定位，协同防御，协同对空、对面、对潜打击等四大类，协同任务也是逐步递进的，下一级任务的完成，意味着可以完成前面所有的协同任务。协同数量方面，可以是一架有人机控制一架无人机，也可是一架有人机控制多架无人机，或者是多架有人机控制多架无人机协同作战等。在早期的协同中，主要以“一控一”为主，技术水平足够的情况下开展“一控多”的试验，分布式作战条件下应开展“多控多”的试验。通过对不同维度参数的组合，形成试飞科目离散点，作为试验评估的试飞样本空间。
然而，演示验证试飞中并不需要完成全部科目的试飞，而且也不可能完成全部科目的试飞，需要根据所设计的协同作战系统的数据链、航空电子设备、飞行控制系统的技术水平选择相应的试飞科目。如初期的协同作战系统，可以仅开展一控一的协同编队飞行，实现数据与态势协同，而到高级别的协同作战系统，就可以开展全科目的试验，如美国“忠诚僚机”的下一阶段，可完成有人机一控多条件下飞行全过程的协同攻击任务。
4.3任务规划技术
一方面，当前无人机智能化程度有限，其作战能力的发挥高度依赖于任务规划，要想达到理想化的人机智能融合，合理的协同任务规划与决策是关键。另一方面，受限于周期、经费、资源等因素，演示验证阶段的试飞一般架次量不多，要保证每个试飞架次都能获取有效数据，同时应尽可能在有限的架次里获得较多的数据样本，要实现这个目的，任务规划技术也是关键。
作战过程中，任务规划是根据上级作战部门下达的任务开展后续规划工作的，在演示验证试飞过程中，根据作战想定进行任务规划工作。
由于任務执行过程中双机乃至多机高动态任务发展，应加强任务重规划技术研究，尤其是自主任务重规划，无人机根据有人机指令快速对飞行航路、载荷、武器、链路使用、安全策略进行重规划，为操作员提供更多的辅助决策。
4.4虚拟试飞技术
有人/无人机协同作战演示验证试飞，涉及关键技术、作战方式的验证，为了提高试飞架次的有效性和效费比，应注重利用有人机地面模拟器和无人机地面闭环试验系统对试飞科目、试飞动作进行充分的虚拟试飞预演，对试飞方法的有效性、合理性、可执行性进行验证，对试飞结果进行预测，对风险进行评估、制定相应的应急措施并进行演练，以降低实际试飞风险，同时，比较各种试飞方法的差异，寻求合适的执行方式，然后再开展实装飞行。因此，整个演示验证试飞可以采用“虚拟对虚拟”、“实装对虚拟”、“实装对实装”的技术路线逐步递进实现。
4.5试飞环境构建技术
飞行试验相比于仿真试验而言，一个重要的区别就是环境的真实性。型号试飞中，功能、性能指标是明确的，未来作战应用场景也是比较明确的，因此，相应的环境构建需求也是明确的。而演示验证试飞阶段，带有强烈的技术探索色彩，功能、性能指标并不明确，对未来的作战应用场景也不明确，因此，对于战场地理环境、战场气候环境、战场电磁干扰环境的构建应精细、慎重。
4.6试验平台选型和改装技术
面对多样的试验机资源，要考虑试验平台技术特点能否完成试飞任务，还要考虑效费比、研究周期与进度，以及试验机降低试飞风险的安全措施。从美国的发展经验来看，各次的演示验证均不是“大而全”，而仅仅是对关键的几个技术点、作战方式进行验证，试验平台大多是在现有的有人机上进行改装而来，或者是低成本的无人机，如“忠诚僚机”项目中将F-16飞机的后舱改为无人机，但前舱随时可介入。国内在研究初期也可采取相应策略，仅对有人机、无人机进行部分软、硬件改装。
4.7试飞结果评估技术
试飞后，通过对定量与定性的试飞数据的分析，对协同前后的协同效能是否有提升和改进进行评价;将实际试飞结果与地面仿真结果进行对比，分析结果的一致性。评价后，给出技术水平和作战能力评估结论是演示验证飞行试验的最终目的之一，评估结果将决定关键技术、关键项目是否继续开展，对后续发展影响深远，因此，结果评估的全面性、正确性很关键，需要确定合适的评估模型以及全面合理的评估指标体系。
一般情况下，试飞评价指标需要从战技指标和效能指标两个方面入手构建。有人/无人机协同作战的初衷是利用各自的优点，弥补对方的缺点，提升整体作战效能，因此，应着重进行效能指标的构建和结果评估。演示验证试飞评估的指标体系一方面是牵引系统的设计，使其有针对性地研究设计;另一方面也是验证技术水平的符合性，在构建过程中应比型号试飞中指标体系的构建更加慎重。通常情况下，指标体系的构建过程中，需要包含基本协同飞行与控制能力、数据链通信能力、传感器能力、火控解算与指引能力、协同攻击能力、指挥控制决策能力等几个方面，每一级能力根据系统特点进行细分。如基本协同飞行与控制能力可细分为导航能力、识别能力、威胁感知能力、防撞能力、航路重规划能力、指令响应能力等。
当前常见的效能评估模型可分为数据解析类、专家评估类、试验统计分析类、仿真模拟类、其他等几大类。在演示验证试飞评估中，应以试验统计分析为主，并综合利用仿真分析和专家评估结果，综合分析评价。
5发展建议
在未来复杂的体系化作战条件下，有人/无人机协同作战是主要模式，演示验证试飞是相关研究的重要一环，对国内相关研究发展有以下几点建议：
（1）顶层设计中重视演示验证试飞
有人/无人机协同作战是未来必然的作战模式，因此，在相关研究的顶层规划中，应当将理论研究与试飞验证研究同步规划、同步研究、协调发展，以便能尽早开展试飞验证，快速提高理论研究的成熟度，并进入后续研究，形成良性循环。
（2）加强演示验证试飞关键技术攻关
有人/无人机协同作战演示验证试飞相比于单机演示验证试飞更加复杂，需要攻克的技术难点更多，应提早进行相关技术的研究。
（3）尽早开展，循序渐进发展
尽早开展技术体系中相关技术点的演示验证试飞，逐个突破各技术点，逐步递进地迭代发展，以降低演示验证试飞的难度和风险，快速提高技术成熟度，而不是将大量技术点累积到一起进行“大而全”的演示验证试飞。
6结论
无论是国外发展现状还是国内的规划，有人/无人机协同作战都是未来重要的作战样式，演示验证试飞是促进相关技术研究落地、提高技术成熟度的关键手段，任务想定、试飞科目规划、任务规划、虚拟试飞、环境构建、试验平台选型与改装、结果评估是演示验证试飞中的关键技术节点。应尽早规划并开展相关研究，突破关键技术，快速提高技术成熟度，促进技术的整体发展。
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