張 宇，張 琰，邱綿浩，劉西俠，盧方杰

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072；2.陸軍裝甲兵學(xué)院研究生大隊(duì)，北京 100072）

0 引言

習(xí)主席在黨的“十九大”報告中強(qiáng)調(diào)指出，要發(fā)展新型作戰(zhàn)力量和保障力量，加快推進(jìn)軍事智能化發(fā)展。智能化戰(zhàn)爭正在來臨，以無人車、無人機(jī)為代表的智能化裝備已經(jīng)走上戰(zhàn)場，逐漸從“后臺走向前臺”、從“配角成為主角”，成為新質(zhì)戰(zhàn)斗力生成的主要來源。機(jī)械化、信息化時代戰(zhàn)爭要進(jìn)行聯(lián)合作戰(zhàn)，智能化時代戰(zhàn)爭更需要聯(lián)合作戰(zhàn)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭戰(zhàn)場環(huán)境更加復(fù)雜，城市化作戰(zhàn)、叢林山地作戰(zhàn)、災(zāi)情救援等復(fù)雜環(huán)境下的作戰(zhàn)行動，給裝備之間的協(xié)同聯(lián)合提出了更高的要求。在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中，單一種類無人裝備因工作方式、工作空間、搭載傳感器等因素限制，無法完成多樣復(fù)雜作戰(zhàn)任務(wù)，因此，按照新型陸軍轉(zhuǎn)型建設(shè)“機(jī)動作戰(zhàn)、立體攻防”的戰(zhàn)略要求，結(jié)合地空無人平臺各自優(yōu)勢，廣泛開展地空無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)應(yīng)用研究，是適應(yīng)未來戰(zhàn)場的必然選擇。

本文面向未來戰(zhàn)場復(fù)雜軍事需求，分析研究地空無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)運(yùn)用的必要性、實(shí)用性、可行性，指出地空無人平臺協(xié)同運(yùn)用的難點(diǎn)并提出合理化建議，為我陸軍作戰(zhàn)、編制及裝備體系的論證提供參考。

1 陸空無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)應(yīng)用必要性分析

未來戰(zhàn)爭必然是“一域多層、空地一體”的立體攻防戰(zhàn)，體系與體系的對抗是其最顯著的特征［1］。地空無人平臺各有優(yōu)劣，形成體系、協(xié)同運(yùn)用可以將裝備效能最大化，更好地完成使命任務(wù)。空中無人平臺相對地面無人平臺而言，具有運(yùn)動速度快、視野范圍廣、受地形影響小等平臺特點(diǎn)，使其在遠(yuǎn)距離、大范圍、全地形偵察監(jiān)視、目標(biāo)搜索等應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)和定位地面目標(biāo)，但空中無人平臺負(fù)載能力有限，任務(wù)載荷種類、性能和功能相對單一，再加上觀察角度、距離和氣象條件的限制，無法對地面目標(biāo)實(shí)施較為細(xì)致的偵察，并且風(fēng)向、風(fēng)速、雷雨等氣象條件對其平臺本身的影響也較為明顯；而地面無人平臺相對空中無人平臺，具有較大的負(fù)載能力、較強(qiáng)的續(xù)航能力和隱蔽滲透能力，可以對地面目標(biāo)實(shí)施較為準(zhǔn)確細(xì)致的抵近偵察，便于掌握目標(biāo)細(xì)節(jié)。但其存在運(yùn)動速度慢、視野范圍窄和通信傳輸易受地形地貌影響等缺點(diǎn)［2］。地空無人平臺可以在偵察感知、指揮控制、保障支援、防御警戒等領(lǐng)域協(xié)同運(yùn)用。

1.1 地空協(xié)同偵察感知

在城市作戰(zhàn)、叢林山地作戰(zhàn)等復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下作戰(zhàn)，全面詳實(shí)地掌握戰(zhàn)場環(huán)境信息，對于制定作戰(zhàn)計劃、奪取戰(zhàn)場主動具有決定性意義。單一的無人裝備執(zhí)行偵察任務(wù)時，由于運(yùn)行維度及攜帶傳感器的限制，無法對戰(zhàn)場及敵目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的偵察感知。地空協(xié)同偵察感知能夠擴(kuò)展探測區(qū)域，增強(qiáng)戰(zhàn)場空間態(tài)勢感知能力，提升對地面移動目標(biāo)和多目標(biāo)的精確打擊能力。

1.2 地空協(xié)同指揮控制

復(fù)雜電磁環(huán)境或者叢林等遮擋嚴(yán)重情況下，尤其是GPS 或北斗信號失效情況時，地面無人車輛執(zhí)行任務(wù)時導(dǎo)航規(guī)劃能力明顯降低，可由空中無人機(jī)充當(dāng)中繼平臺，接收衛(wèi)星或地面指揮所指令，下達(dá)給地面無人車組執(zhí)行。同時，大型地面無人平臺可攜帶無人機(jī)到達(dá)任務(wù)區(qū)域，進(jìn)行放飛偵察，協(xié)調(diào)指揮各無人機(jī)活動。

1.3 地空協(xié)同保障支援

無人機(jī)載重能力有限，無法大量搭載能夠提高其工作時間的油料、化學(xué)電池、彈藥等物資，從而導(dǎo)致作業(yè)時間較短、完成多樣化任務(wù)能力弱。因此，物資的及時補(bǔ)充對于提高無人機(jī)作戰(zhàn)能力具有重要意義。同樣，地面無人平臺需要進(jìn)行緊急補(bǔ)充時，受限于地面條件，無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)?？罩衅脚_可發(fā)揮機(jī)動靈活優(yōu)勢，地面平臺發(fā)揮載荷支撐優(yōu)勢，協(xié)同保障，滿足戰(zhàn)時保障要求。

1.4 地空協(xié)同防御警戒

在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下，單一兵種生存率低下，無人車組執(zhí)行任務(wù)時，很容易被單兵反坦克武器威脅；無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時容易受到敵電磁干擾，喪失執(zhí)行任務(wù)能力甚至被敵捕捉。無人機(jī)與無人車協(xié)同執(zhí)行任務(wù)，可互相戰(zhàn)場警戒、提供支援，實(shí)現(xiàn)地空協(xié)同防御，提高戰(zhàn)場生存率。

2 地空無人平臺協(xié)同作戰(zhàn)應(yīng)用及技術(shù)基礎(chǔ)研究

2.1 基于信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地空協(xié)同偵察感知

面對晝夜交替、氣象條件、地形限制、電磁干擾等復(fù)雜環(huán)境因素，運(yùn)用三維SLAM 技術(shù)對空地系統(tǒng)進(jìn)行信息融合，全景圖像拼接，三維場景重建［3］，地面、空中的圖像/點(diǎn)云匹配，融合建立戰(zhàn)場環(huán)境的三維地圖，進(jìn)行語義識別標(biāo)注，最終生成完整的戰(zhàn)場環(huán)境地圖。常用的跨域環(huán)境感知與信息融合技術(shù)手段有：三維點(diǎn)云特征配準(zhǔn)、ICP 方法、視角生成算法和蒙特卡洛方法等［4］?？盏貐f(xié)同能夠大幅提升地面車輛對全局信息的掌控能力［5］。

對于火力打擊過后的戰(zhàn)場，可以派出無人車與無人機(jī)聯(lián)合偵察小組，對戰(zhàn)場毀傷情況進(jìn)行及時評估，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)敵殘余反抗力量，進(jìn)行二次打擊。針對搶險救災(zāi)等非戰(zhàn)爭軍事行動，同樣可以進(jìn)行聯(lián)合偵察，對受災(zāi)中心進(jìn)行災(zāi)情評估，合理制定救災(zāi)方案，降低人員傷亡與資源浪費(fèi)。

在相關(guān)技術(shù)研究方面，周思全［6］聚焦復(fù)雜區(qū)域反恐及城市巷戰(zhàn)等任務(wù)場景，多無人機(jī)與多無人車組成的無人集群系統(tǒng)。多架無人機(jī)在地面?zhèn)刹燔囕v周圍伴隨飛行，通過多無人機(jī)與地面車輛的交互協(xié)同和信息融合，實(shí)現(xiàn)抵近偵察及跨區(qū)域感知功能，擴(kuò)展地面?zhèn)刹燔囕v信息獲取的精度和維度，提升偵察效能。李明龍［7］面向?yàn)?zāi)難搜救場景，提出高空偵察機(jī)、無人機(jī)群、無人車群空地協(xié)同搜救新方式。高空無人機(jī)獲取地面受損建筑物位置信息傳遞給無人機(jī)搜索群，無人機(jī)根據(jù)此信息作分布式任務(wù)規(guī)劃，作進(jìn)一步抵近偵察，傳遞信息給地面無人車，無人車抵達(dá)受損建筑物實(shí)施營救，從而規(guī)避救災(zāi)風(fēng)險，提升搜救效率。

圖1 地空無人平臺協(xié)同偵察感知

國際上，美國弗吉尼亞理工大學(xué)Tokekar［8］使用空地機(jī)器人在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上進(jìn)行研究來估計農(nóng)作物長勢，巴西自動化研究所信息技術(shù)中心的Alberto［9］等人研究的空地協(xié)同系統(tǒng)，主要針對環(huán)境和農(nóng)業(yè)監(jiān)測進(jìn)行設(shè)計研究。

2.2 基于聯(lián)合定位導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地空協(xié)同指揮控制

無人車在執(zhí)行邊境巡邏、邊防哨所運(yùn)送物資任務(wù)時，可由空中無人機(jī)進(jìn)行指揮、導(dǎo)航，時刻對車輛進(jìn)行指令下達(dá)，修正路線，躲避障礙，及時應(yīng)對路線前方突發(fā)險情，安全完成任務(wù)，節(jié)省大量人力物力。

圖2 地空無人平臺協(xié)同路徑規(guī)劃

由于無人機(jī)不具備攜帶大量彈藥的能力，可運(yùn)用無人機(jī)先進(jìn)行偵察識別，再引導(dǎo)無人車進(jìn)行火力打擊。在城市作戰(zhàn)時，敵人隱藏在建筑物內(nèi)，居高臨下，不易被無人車鎖定打擊?？上仁褂眯⌒蜔o人機(jī)進(jìn)行偵察，確定敵人準(zhǔn)確位置后，引導(dǎo)無人車上的武器進(jìn)行精確打擊或火力覆蓋，提升打擊效能，掩護(hù)無人車遂行城市作戰(zhàn)任務(wù)。同理，對于處于反斜坡的敵人，由于無人車視野的局限性無法發(fā)現(xiàn)藏匿在山坡后的敵人，可以結(jié)合無人機(jī)的偵察，準(zhǔn)確定位后，引導(dǎo)無人車上的精確制導(dǎo)武器進(jìn)行打擊，開辟行進(jìn)通路。

圖3 地空無人平臺協(xié)同打擊

現(xiàn)今，國內(nèi)外許多研究工作都圍繞利用無人機(jī)獲取大范圍環(huán)境信息，來指導(dǎo)地面機(jī)器人進(jìn)行全局定位和路徑規(guī)劃開展。瑞士蘇黎世大學(xué)Mueggler［10］依靠旋翼無人機(jī)計算地面障礙物及目標(biāo)物體的位置信息，指導(dǎo)地面機(jī)器人完成搬運(yùn)任務(wù)。韓國延世大學(xué)Kim［11］基于多個旋翼無人機(jī)構(gòu)建立體視覺系統(tǒng)，檢測地面三維信息，指導(dǎo)移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃。意大利卡塔尼亞大學(xué)Cantelli［12］運(yùn)用車載四旋翼無人機(jī)，通過圖像分析策略測試周圍環(huán)境變化，從而輔助地面移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃。波蘭國家安全與防御系統(tǒng)部門PIAP［13］研究應(yīng)用于陸地邊界巡邏的空地機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)（TALOS），該系統(tǒng)由多個無人機(jī)和履帶式移動機(jī)器人組成。喬治亞理工學(xué)院Charles［14］建立的空地機(jī)器人系統(tǒng)由兩個小型無人機(jī)和多個地面機(jī)器人組成。該系統(tǒng)主要執(zhí)行監(jiān)視任務(wù)，地面站可以向空地機(jī)器人發(fā)送控制指令或任務(wù)，并且機(jī)器人能夠自主執(zhí)行指令及任務(wù)。美國亞利桑那大學(xué)Michael［15］使用無人機(jī)進(jìn)行人群動態(tài)檢測后再由地面機(jī)器人進(jìn)行精確識別。賓夕法尼亞大學(xué)GRASP［16］實(shí)驗(yàn)室對基于空-地機(jī)器人協(xié)同聯(lián)合搜索救援與目標(biāo)定位進(jìn)行了研究，利用空中飛艇進(jìn)行先期的快速、低分辨率的目標(biāo)搜索及目標(biāo)定位，然后再利用定位結(jié)果對輪式機(jī)器人進(jìn)行引導(dǎo)，獲得精度更高的定位?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的Stentz［17］等人設(shè)計半自主地面無人車，搭載伴飛無人機(jī)，使無人車躲避障礙物，順利前進(jìn)。

在國內(nèi)，中科院沈陽自動化研究所谷豐［18］提出了一種空地機(jī)器人協(xié)作導(dǎo)航方法，可實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人對地面移動機(jī)器人的識別與跟蹤，并利用其獲得的全局環(huán)境信息在無通信鏈路的情況下，通過行為協(xié)調(diào)指導(dǎo)移動機(jī)器人實(shí)現(xiàn)避障運(yùn)動。李丹［19］基于視覺搭建了空地機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)協(xié)作系統(tǒng)的避障運(yùn)動。北京大學(xué)李修賢［20］利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，結(jié)合無人機(jī)獲取的野外可見光影像，快速搜索地表可通行性路徑，應(yīng)用于野外災(zāi)害應(yīng)急與救援。

2.3 基于平臺技術(shù)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)地空協(xié)同保障支援

無人車可以作為無人機(jī)的母艦平臺，可以攜帶供無人機(jī)發(fā)射、加油、恢復(fù)任務(wù)所需的燃料、大重量電池，對無人機(jī)進(jìn)行必要的物資補(bǔ)給，也可自主地將無人機(jī)運(yùn)輸?shù)轿ｋU地帶或?qū)θ梭w有害的地區(qū)，執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，增加了無人機(jī)作戰(zhàn)半徑與時長，豐富了完成多樣化任務(wù)的手段。無人機(jī)在執(zhí)行偵察任務(wù)時，有大量的高清視頻、圖像數(shù)據(jù)需要存儲無人戰(zhàn)車可以成為無人機(jī)偵察數(shù)據(jù)的存儲載體，大范圍地提升無人機(jī)的偵察廣度。無人機(jī)可發(fā)揮機(jī)動靈活優(yōu)勢，對無人車執(zhí)行任務(wù)時缺少的物資進(jìn)行緊急補(bǔ)充，甚至擔(dān)負(fù)起喚醒激活休眠故障無人車的任務(wù)。

圖4 地空無人平臺協(xié)同支援保障（Ironclad）

美國空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（SPAWAR）針對小型垂直起降無人直升機(jī)，研發(fā)了一套自動無人機(jī)任務(wù)系統(tǒng)（AUMS）［21-22］。利用地面無人車充當(dāng)無人機(jī)起降平臺和服務(wù)中心，延長續(xù)航時間，添加燃料，自主運(yùn)輸。普利茅斯大學(xué)Polvara［23］針對無人機(jī)自主降落無人車進(jìn)行了研究。烏克蘭Roboneers 公司研制的Ironclad 和Camel 兩款無人車均可用作遠(yuǎn)程無人機(jī)運(yùn)載和發(fā)射臺，其中Camel 還在研發(fā)非接觸式無人機(jī)充電功能［24］。東京大學(xué)研究人員開發(fā)了多機(jī)器人合作系統(tǒng)，使無人機(jī)將地面無人車用繩索系在墻上的錨上，進(jìn)而讓無人車不受阻礙地攀登，增強(qiáng)了無人車的穿越能力［25］。美國Skydio 公司開發(fā)了便攜式盒子充電基站，允許無人機(jī)在無人工干預(yù)的情況下連續(xù)執(zhí)行任務(wù)［26］。

2.4 基于戰(zhàn)場互助，實(shí)現(xiàn)地空協(xié)同防御警戒

無人車在編隊(duì)行駛時，容易受到暗處單兵反坦克武器威脅，在編隊(duì)四周可編配數(shù)架無人機(jī)，無人機(jī)可作為無人車預(yù)警機(jī)，及時發(fā)現(xiàn)威脅來源，指引車輛進(jìn)行規(guī)避或主動防護(hù)；也可判別鎖定危險源，運(yùn)用自身輕武器或引導(dǎo)無人戰(zhàn)車進(jìn)行攻擊，消滅敵人，保護(hù)編隊(duì)行駛安全。

我方無人機(jī)、無人車可同時對敵無人機(jī)進(jìn)行干擾、實(shí)施捕捉，運(yùn)用無人車將敵無人機(jī)運(yùn)回我方基地。同時，面對敵對我方無人機(jī)的干擾捕捉，我方協(xié)同無人車輛可以實(shí)時反干擾，及時切斷無人機(jī)通信鏈接，指引無人機(jī)收回降落車輛平臺，對無人機(jī)進(jìn)行保護(hù)回收，必要時可遙控?zé)o人機(jī)進(jìn)行自毀，保護(hù)偵察信息安全。

圖5 地空無人平臺協(xié)同防御警戒

3 存在難點(diǎn)

一是無人戰(zhàn)車與無人機(jī)自主決策能力弱，對敵目標(biāo)識別能力差，主動打擊能力弱。二是無人戰(zhàn)車與無人機(jī)之間通信鏈接技術(shù)要求高，后方指揮所通信指揮及時性差。三是無人車與無人機(jī)聯(lián)合感知實(shí)時性要求高，技術(shù)難度大。四是現(xiàn)今武器裝備研發(fā)體系化程度不高，地空無人裝備研發(fā)各自為戰(zhàn)，沒有為協(xié)同應(yīng)用打下技術(shù)基礎(chǔ)。五是裝備研發(fā)與作戰(zhàn)理論研究銜接不緊、相互脫節(jié)，導(dǎo)致一方面裝備研發(fā)缺乏作戰(zhàn)理論的創(chuàng)新驅(qū)動，另一方面作戰(zhàn)運(yùn)用跟不上裝備技術(shù)水平發(fā)展，很多新技術(shù)沒有及時有效地轉(zhuǎn)化應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。

4 結(jié)論

未來戰(zhàn)場，無人作戰(zhàn)裝備將成為主角，對抗將會是體系的對抗，地空協(xié)同將會是陸軍無人作戰(zhàn)的主要形式。地空無人平臺至少將在協(xié)同偵察感知、協(xié)同指揮控制、協(xié)同保障支援、協(xié)同防御警戒等方面發(fā)揮重要作用。要想掌握戰(zhàn)場主動權(quán)、搶占技術(shù)制高點(diǎn)，需要加強(qiáng)以下幾方面工作：

一是突出軍事需求牽引。軍事需求是牽引發(fā)展的動力之源，武器研發(fā)、戰(zhàn)法研究、編制體制規(guī)劃都要基于未來戰(zhàn)場需求，圍繞裝備協(xié)同運(yùn)用來組織，實(shí)現(xiàn)裝備、編制、運(yùn)用一體化。因此，要在搞清楚未來戰(zhàn)爭制勝機(jī)理的基礎(chǔ)上，把發(fā)現(xiàn)和找準(zhǔn)軍事需求放在首位，科學(xué)、系統(tǒng)、全面地開展軍事需求研究，突出軍事需求牽引效能。

二是深化作戰(zhàn)軍事理論研究。軍事理論研究不僅要緊跟裝備技術(shù)發(fā)展，更要超越裝備技術(shù)發(fā)展。一方面要深入挖掘裝備潛力，將裝備效能最大化；另一方面要創(chuàng)新前瞻的開展軍事理論研究，引領(lǐng)裝備技術(shù)發(fā)展方向。同時，軍事理論研究要強(qiáng)化協(xié)同作戰(zhàn)觀念，整合不同平臺優(yōu)勢，最大限度地適應(yīng)未來戰(zhàn)爭需求。

三是加快裝備體系研發(fā)。武器裝備要堅持體系建設(shè)的基本思路，堅持用網(wǎng)絡(luò)信息體系理念來理解作戰(zhàn)體系、塑造裝備體系，做到統(tǒng)一籌劃和頂層設(shè)計。無人作戰(zhàn)裝備研發(fā)上要持續(xù)用力，搶占未來戰(zhàn)爭裝備制高點(diǎn)；要把不同類型、不同用途的無人裝備整合成體系進(jìn)行設(shè)計研發(fā)，杜絕各自為戰(zhàn)，確保裝備之間能夠互聯(lián)互通、協(xié)同使用、優(yōu)勢互補(bǔ)。

四是推動核心技術(shù)突破。核心技術(shù)是武器裝備的“命門”所在，要加快研發(fā)新型指揮控制系統(tǒng)和通信傳輸系統(tǒng)，統(tǒng)一消息標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議處理，實(shí)現(xiàn)地面作戰(zhàn)單元、空中作戰(zhàn)單元之間機(jī)器到機(jī)器的高效信息交互；提升大數(shù)據(jù)、云計算能力，提高大容量數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性、快速性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)融合、三維重建的準(zhǔn)確性；提升裝備的目標(biāo)識別、精確打擊、電子對抗等技術(shù)能力，滿足不同戰(zhàn)場任務(wù)需求。

五是推進(jìn)編制體制優(yōu)化。編制體制要緊跟裝備發(fā)展、作戰(zhàn)需求、使命任務(wù)的變化而不斷優(yōu)化完善。首先要組建相應(yīng)領(lǐng)導(dǎo)管理建設(shè)機(jī)構(gòu)，提升頂層設(shè)計和體系建設(shè)能力；其次是建立“試驗(yàn)性部隊(duì)”，檢驗(yàn)其是否符合未來戰(zhàn)爭需要，確實(shí)符合打仗需要的要及時推廣調(diào)整。最后是加快推進(jìn)地面和空中無人裝備混合編組和任務(wù)載荷模塊化編組，根據(jù)不同任務(wù)需求編配平臺模塊。

六是提升實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用水平。武器裝備要經(jīng)得起實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)，必須做好地空無人平臺體系化、常態(tài)化運(yùn)用，強(qiáng)化武器裝備之間的關(guān)聯(lián)度和耦合度，充分考驗(yàn)性能、發(fā)掘潛能，檢驗(yàn)戰(zhàn)法、訓(xùn)法、保障法可行度，加快實(shí)現(xiàn)從技術(shù)理論向戰(zhàn)斗力的生成轉(zhuǎn)化，并在實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用中不斷完善改進(jìn)技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)，發(fā)揮對裝備技術(shù)水平的反向帶動作用，促進(jìn)裝備技術(shù)發(fā)展。