李　隆，許　瑛，岳　源，屈高敏

（南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌　330063）

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有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)指揮界面設(shè)計(jì)*

李隆，許瑛，岳源，屈高敏

（南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌330063）

摘要：分析了近期內(nèi)有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的體系結(jié)構(gòu)及作戰(zhàn)模式，基于三代戰(zhàn)機(jī)座艙普遍裝備的多功能顯示器，展開有人/無人機(jī)指揮控制界面的設(shè)計(jì)；基于人機(jī)工程學(xué)觀點(diǎn)和飛行員的視覺習(xí)慣，從緩解飛行員的心理和生理疲勞的角度出發(fā)布置無人機(jī)編隊(duì)的飛行參數(shù)，設(shè)計(jì)了有人/無人機(jī)執(zhí)行協(xié)同對地攻擊任務(wù)時(shí)包含巡航隊(duì)形、戰(zhàn)斗隊(duì)形、任務(wù)類型、導(dǎo)航點(diǎn)切換等功能的指揮控制界面。為未來短期內(nèi)有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：有人機(jī)，無人機(jī)，協(xié)同作戰(zhàn)，指揮控制界面

0　引言

無人機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉以及操作人員無生命危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)而備受各國青睞，在近年來的局部戰(zhàn)爭中表現(xiàn)突出。然而，由于無人機(jī)智能水平的限制，在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，難以取代有人機(jī)獨(dú)立完成復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)。因此，有人機(jī)與無人機(jī)聯(lián)合編隊(duì)作戰(zhàn)將成為未來戰(zhàn)爭中的主要作戰(zhàn)模式。有人機(jī)指揮控制無人機(jī)作戰(zhàn)將成為未來空中作戰(zhàn)的一種重要方式［1-2］。

目前，無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)逐漸受到了國外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者的普遍關(guān)注。美國國防部認(rèn)為，在未來的電子戰(zhàn)場，有人駕駛飛機(jī)和各種偵察型、作戰(zhàn)型、干擾型無人駕駛飛機(jī)將把通信和電子設(shè)施連結(jié)起來，形成一個(gè)無人機(jī)與無人機(jī)、無人機(jī)與有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的航空電子戰(zhàn)體系，實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場全維監(jiān)視，建立對戰(zhàn)場電磁態(tài)勢的實(shí)時(shí)感知和電子攻擊［3］。

為此，英美等無人機(jī)發(fā)展水平較高的國家均在加緊有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)應(yīng)用研究。英國QinetiQ公司試驗(yàn)驗(yàn)證了1架狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)引導(dǎo)BAC1-11無人機(jī)和3架仿真無人機(jī)對地面移動(dòng)目標(biāo)執(zhí)行模擬攻擊的過程［4］。美國陸軍航空應(yīng)用技術(shù)部（AATD）開展的有人機(jī)/無人機(jī)通用結(jié)構(gòu)計(jì)劃，針對“阿帕奇”直升機(jī)和“影子-200”戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)，開展有人機(jī)/無人機(jī)平臺協(xié)同作戰(zhàn)試驗(yàn)和研究［5］。

本文分析了有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)及作戰(zhàn)模式，構(gòu)建了短期內(nèi)有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)可能采用的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)和作戰(zhàn)模式。并據(jù)此設(shè)計(jì)了未來有人機(jī)對無人機(jī)的協(xié)同指揮控制界面。為未來近期內(nèi)有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)研究提供參考。

1　有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)

有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的體系結(jié)構(gòu)主要有集中式和集散式兩種。圖1為集中式體系結(jié)構(gòu)下的協(xié)同作戰(zhàn)。集中式有人/無人機(jī)的協(xié)同重點(diǎn)體現(xiàn)在有人機(jī)對無人機(jī)的任務(wù)控制，即有人機(jī)在無人機(jī)任務(wù)執(zhí)行過程中對其飛行、通信、載荷和任務(wù)等多個(gè)層面進(jìn)行有效監(jiān)管、指揮和控制。集散式結(jié)構(gòu)中相對集中式結(jié)構(gòu)增加了無人機(jī)之間的協(xié)同決策組件，當(dāng)有人機(jī)與無人機(jī)中斷聯(lián)系時(shí)，無人機(jī)群之間通過信息交互，由無人機(jī)協(xié)同決策組件進(jìn)行協(xié)同決策，對無人機(jī)進(jìn)行操控［6］。

圖1　集中式體系結(jié)構(gòu)

在集中式體系結(jié)構(gòu)中，有人機(jī)作為唯一的中央控制節(jié)點(diǎn)，具有極強(qiáng)的決策能力和權(quán)威，與無人機(jī)之間存在著一種主從關(guān)系。這種結(jié)構(gòu)可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少無人機(jī)間由協(xié)商產(chǎn)生的通信開銷，是短期內(nèi)有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的首選體系結(jié)構(gòu)。

在集散式體系結(jié)構(gòu)中，每架無人機(jī)可在任務(wù)執(zhí)行過程中從自身利益出發(fā)，根據(jù)環(huán)境信息和自身狀態(tài)對當(dāng)前的任務(wù)計(jì)劃進(jìn)行評估，如果發(fā)現(xiàn)更有利于自身的規(guī)劃，便將其提交給有人機(jī)，由有人機(jī)對每架無人機(jī)的提議進(jìn)行總體評估，采納能獲得更好整體效能的提議。這種結(jié)構(gòu)適用于規(guī)模大、通信基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，可作為中遠(yuǎn)期有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)。

2　有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)模式

在不同作戰(zhàn)環(huán)境下，有人/無人機(jī)之間的協(xié)同作戰(zhàn)模式可劃分為：態(tài)勢感知、協(xié)同攻擊和協(xié)同防御。其中，協(xié)同攻擊又分為對空目標(biāo)攻擊、分布式多任務(wù)協(xié)同攻擊和跨平臺制導(dǎo)［7］。

由于現(xiàn)代空戰(zhàn)的不確知性和傳統(tǒng)的智能控制技術(shù)的局限性［8］，有人/無人機(jī)協(xié)同空戰(zhàn)的出現(xiàn)還有待時(shí)日。本文的有人機(jī)主要指有人作戰(zhàn)飛機(jī)，如雙座殲擊機(jī)或殲擊轟炸機(jī)。有人/無人機(jī)之間的協(xié)同編隊(duì)方式主要為1架有人機(jī)和多架無人機(jī)以及多架有人機(jī)和多架無人機(jī)混和編隊(duì)。以態(tài)勢感知和對地協(xié)同攻擊作戰(zhàn)模式為主。

利用有人/無人機(jī)的多個(gè)資源對同一地區(qū)展開協(xié)同偵查，可有效提高偵察效率，極大增強(qiáng)有人/無人戰(zhàn)斗機(jī)編隊(duì)的情報(bào)感知能力。圖2為利用多無人機(jī)對有源輻射目標(biāo)實(shí)施協(xié)同定位。

圖2　多無人機(jī)協(xié)同態(tài)勢感知

在執(zhí)行對地攻擊作戰(zhàn)任務(wù)中，可以實(shí)現(xiàn)分布式的協(xié)同攻擊作戰(zhàn)，即每架無人機(jī)各自配置不同的傳感器以及不同類型的對地攻擊武器，降低單架無人機(jī)作戰(zhàn)成本。圖3為多無人機(jī)分布式協(xié)同攻擊作戰(zhàn)。

圖3　多無人機(jī)分布式協(xié)同攻擊

根據(jù)北約STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)［9］，有人機(jī)對無人機(jī)的協(xié)同控制級別可以分為5級，如下頁表1所示。要實(shí)現(xiàn)有效的協(xié)同作戰(zhàn)，應(yīng)達(dá)到4級協(xié)同控制級別。

表1　有人機(jī)對無人機(jī)的協(xié)同控制能力級別

本指揮控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)在任務(wù)過程中有人機(jī)對無人機(jī)航路、載荷等的監(jiān)控與指揮控制。既要滿足有人機(jī)向無人機(jī)下達(dá)作戰(zhàn)指令，又要無人機(jī)能夠?qū)崟r(shí)將戰(zhàn)場態(tài)勢及情報(bào)信息反饋給有人機(jī)。這就要求實(shí)現(xiàn)有人機(jī)和無人機(jī)之間的互聯(lián)、互通、互操作。

目前，我國空軍戰(zhàn)機(jī)整體實(shí)現(xiàn)了從“第二代”向“第三代”的跨越，多種三代戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)成為我軍空戰(zhàn)主體作戰(zhàn)力量［10］。對已有戰(zhàn)機(jī)加裝通訊組件，進(jìn)行適當(dāng)改裝，將其作為有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的有人機(jī)平臺，將有利于節(jié)省裝備改裝成本和人員訓(xùn)練成本，并快速開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練任務(wù)。因此，需要基于三代機(jī)座艙顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對無人機(jī)的指揮控制界面。

3　有人/無人機(jī)指揮控制界面設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)依據(jù)

20世紀(jì)80年代以來，以F-15E雙座多用途戰(zhàn)斗機(jī)為代表，戰(zhàn)斗機(jī)座艙顯示設(shè)備普遍采用以平視顯示器（HUD）為主，3個(gè)多功能顯示器（MFD）分別顯示傳感器、電子戰(zhàn)、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分配系統(tǒng)數(shù)據(jù)的布局［11］，即“一平三下”布局。所以，有人/無人機(jī)指揮控制界面的設(shè)計(jì)將基于MFD展開。

同時(shí)，應(yīng)該充分考慮飛行員的視覺習(xí)慣，使飛行員對信息辨識速度增快、誤讀率減小、可靠性提高，并能緩解飛行員的心理和生理疲勞［12-13］。因此，在界面中，應(yīng)注意左參數(shù)，右任務(wù)的視覺習(xí)慣，即界面左方顯示無人機(jī)編隊(duì)飛行參數(shù)，右方顯示當(dāng)前任務(wù)列表和數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)信息。

3.2界面布局

以執(zhí)行對地搜索攻擊作戰(zhàn)任務(wù)為例，進(jìn)入搜索階段的指揮控制界面如圖4所示，是在有人機(jī)MFD所顯示的水平位置顯示儀（HSD）界面上增加無人機(jī)協(xié)同信息構(gòu)成。此界面通常顯示在右邊MFD上。其中，半圓加短線圖標(biāo)表示無人機(jī)，短線代表無人機(jī)當(dāng)前速度矢量方向，數(shù)字為無人機(jī)編號，扇形區(qū)域表示無人機(jī)傳感器搜索范圍。界面左下顯示無人機(jī)編隊(duì)飛行參數(shù)，右下顯示當(dāng)前任務(wù)列表和數(shù)據(jù)鏈狀態(tài)。

同時(shí)還需分配5個(gè)選項(xiàng)選擇按鈕（OSB），分別為：巡航隊(duì)形、戰(zhàn)斗隊(duì)形、任務(wù)類型、導(dǎo)航點(diǎn)切換，通過對應(yīng)的OSB按鈕實(shí)現(xiàn)以上功能。選擇“巡航隊(duì)形”選項(xiàng)，將展開下級選項(xiàng)，包含斜一字隊(duì)形、楔形隊(duì)形、菱形隊(duì)形等隊(duì)形以及編隊(duì)間距；選擇“戰(zhàn)斗隊(duì)形”選項(xiàng)，將展開和巡航隊(duì)形類似的下級選項(xiàng)；選擇“任務(wù)類型”選項(xiàng)，將展開任務(wù)類型下級選項(xiàng)，包含搜索、監(jiān)視、攻擊等任務(wù)類型；選擇“導(dǎo)航點(diǎn)”選項(xiàng)兩邊的三角形箭頭切換導(dǎo)航點(diǎn)。

圖4　有人/無人機(jī)協(xié)同指揮HSD界面

3.3應(yīng)用分析

圖5　出現(xiàn)突發(fā)威脅時(shí)的指揮控制界面

當(dāng)無人機(jī)感知到突發(fā)威脅時(shí)將自行對其進(jìn)行分析確認(rèn)，并將威脅信息傳給有人機(jī)，顯示在有人機(jī)指揮控制界面上。假若無人機(jī)感知到了地面防空單元，如圖5所示。帶有“S”的小方框代表地面防空單元，其周圍的圓環(huán)表示地面防空單元武器射程，無人機(jī)進(jìn)入地面防空單元武器射程將有可能遭到攻擊。圖中2號無人機(jī)圖標(biāo)被實(shí)線框套住，表示2號無人機(jī)被地面防空單元雷達(dá)鎖定，這時(shí)警告音響起，提示有人機(jī)操縱員留意2號無人機(jī)狀態(tài)，以免被擊落。

如果有人機(jī)操作員不對無人機(jī)下達(dá)任何指令，無人機(jī)將按照機(jī)內(nèi)決策指揮模塊的自主決策對威脅做出反應(yīng)。如果有人機(jī)操作員要對無人機(jī)的任務(wù)過程進(jìn)行指揮控制，就用目標(biāo)截獲光標(biāo)（TAC，即圖中的一對垂直短線）選中要指揮的無人機(jī)，對其進(jìn)行控制。如圖5所示，將要指揮1號無人機(jī)提前對防空單元進(jìn)行攻擊。用TAC光標(biāo)選中1號無人機(jī)，通過“任務(wù)類型”選項(xiàng)設(shè)置其任務(wù)類型為“攻擊”。隨后1號無人機(jī)將對地面防空單元發(fā)動(dòng)自主攻擊。

同時(shí)左邊MFD自動(dòng)切換到1號無人機(jī)控制界面。圖6所示為1號無人機(jī)導(dǎo)航控制界面，操作員可以通過圖中對應(yīng)的OSB按鈕控制無人機(jī)的速度、高度和航向。界面右下角的“自主”選項(xiàng)表示放棄當(dāng)前指揮，無人機(jī)將進(jìn)入自主決策狀態(tài)。界面上方控制選項(xiàng)分別為：導(dǎo)航、雷達(dá)、紅外、電視、掛載（當(dāng)前“導(dǎo)航”選項(xiàng)為選中狀態(tài)）。操作員可以通過以上選項(xiàng)對應(yīng)的OSB按鈕在相應(yīng)的界面中切換并進(jìn)行控制，以完成對目標(biāo)的識別及打擊。

圖6　單架無人機(jī)導(dǎo)航控制界面

圖7所示為紅外傳感器指揮控制界面。界面左邊選項(xiàng)分別對應(yīng)紅外傳感器視野的俯仰和偏轉(zhuǎn)控制，通過不同朝向的三角形箭頭表示對應(yīng)的方向。界面右邊的“掃掠”、“凝視”選項(xiàng)分別對應(yīng)傳感器的掃掠和凝視模式，“自主”選項(xiàng)將使無人機(jī)進(jìn)入自主決策狀態(tài)。界面底邊的選項(xiàng)分為：倍率、鎖定、開火，分別控制傳感器視場的放大倍率，對目標(biāo)的鎖定及解鎖，選定武器的投放。

完成攻擊后，可按照飛行計(jì)劃進(jìn)行下一步行動(dòng)，或者由有人機(jī)操作員操作進(jìn)入其他傳感器界面，評估打擊效果，以決策下一步行動(dòng)。確認(rèn)目標(biāo)摧毀后，從圖4所示HSD界面選擇戰(zhàn)斗隊(duì)形或巡航隊(duì)形，指揮無人機(jī)重新進(jìn)入戰(zhàn)斗隊(duì)形繼續(xù)“搜索-打擊”任務(wù)，或者進(jìn)入巡航隊(duì)形返航。

4　結(jié)論

本文提出了基于三代機(jī)“一平三下”座艙布局的有人/無人機(jī)指揮控制界面的設(shè)計(jì)方法；建立了有人/無人機(jī)執(zhí)行對地搜索攻擊作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)包含巡航隊(duì)形、戰(zhàn)斗隊(duì)形、任務(wù)類型、導(dǎo)航點(diǎn)切換等功能的指揮控制界面。隨著有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)研究的不斷發(fā)展，今后還應(yīng)該吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，不斷完善有人/無人機(jī)指揮控制系統(tǒng)，為操作員提供多種選擇，提高指揮控制效率。

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Command Interface Design of Cooperative Attack for Manned/Unmanned Aerial Vehicles

LI Long，XU Ying，YUE Yuan，QU Gao-min
（Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

Abstract：Analyzed the short term architecture and combat mode of cooperative attack for manned/ unmanned aerial vehicles，based on the multi-function displays of the third generation fighters，the design of command and control interface for manned/unmanned aerial vehicles is started.Based on human factors engineering and the vision habits of pilots，the flight parameters of UAVs formation considering the psychological and physiological fatigue of pilots are arranged，the command and control interface of cooperative attack for manned/unmanned aerial vehicles including the switching function of cruising formation，combat formation，mission type and navigation point is designed.References for the short term researches of command and control system of cooperative attack for manned/unmanned aerial vehicles are provided.

Key words：manned aerial vehicles，unmanned aerial vehicles，cooperative attack，interface of command and control

中圖分類號：V271.4；E926

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0640（2016）05-0130-04

收稿日期：2015-05-05修回日期：2015-05-27

*基金項(xiàng)目：江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)基金（YC2014-S396）；江西省人社廳留學(xué)人員科技項(xiàng)目（DB201406147）資助課題

作者簡介：李?。?986-），男，陜西華陰人，碩士研究生。研究方向：飛行器總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)仿真研究。