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外军无人系统现状与发展趋势

2018-2-26 13:42| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 13120| 评论: 0|原作者: 薛春祥,黄孝鹏|来自: 超星期刊

摘要: 无人系统通常包括无人机、无人地面车辆、无人水面艇和无人潜航器等四类,可遂行情报-监视-侦察、排爆、城市反恐、反水雷、反潜、反水面艇、追踪敌方威胁、核生化探测、武装打击等多种任务,其优势主要体现在物理环境 ...

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18(1.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;2.南京大学 控制与系统工程系,南京 210093)

摘 要:总结归纳外军无人机、无人地面车辆、无人水面艇和无人潜航器等四类无人系统的发展概况和现有典型系统,着重研究无人水面艇的现有状态和作战能力,分析外军无人系统的发展思路和特点。研究了美军联合作战能力领域与美军未来无人系统典型关键技术的映射关系,并追踪了美国海军无人系统近期关键技术进展。提出无人系统的多功能一体化、武器化、智能化和成组编队能力等发展趋势,为无人系统与技术的发展提供支撑。

关键词:无人系统;无人系统技术;联合作战能力;成组编队

无人系统通常包括无人机、无人地面车辆、无人水面艇和无人潜航器等四类,可遂行情报-监视-侦察、排爆、城市反恐、反水雷、反潜、反水面艇、追踪敌方威胁、核生化探测、武装打击等多种任务,其优势主要体现在物理环境适应能力强、风险小、代价低、非接触、无人伤亡、长续航、多功能、自主可控、可成组编队等方面,将扩展有人平台的作战能力,成为信息化、网络化战争的重要节点,改变传统战争模式[1]。

近年来,无人系统的发展受到各军事强国尤其是美国的高度重视,经费投入持续增加,装备数量大幅增加,任务领域进一步扩展,遂行任务能力进一步增强,作战效能在伊拉克战争、阿富汗战争以及利比亚战争等信息化局部常规战争中得到充分体现。值得一提的是,无人海上装备与技术是美国海军研发的重点,除执行传统的情报、监视与侦察等任务外还执行战术打击任务。这将成为未来美国海军装备发展的新亮点。美国海军也大力发展云计算、大数据等新兴技术在无人系统中的应用。如2013年7月,美海军无人机通用控制系统演示了其集成的海军云计算能力,为无人舰载空中侦-打系统和指控系统项目提供支撑[2]。美军正积极探索无人系统“蜂群作战”等新概念。如2015年8月,美海军演示了50架无人机通过无线链路信息交换技术实现主-从式协同飞行;2014年10月,验证了无人水面艇蜂群作战技术。同时,无人系统与有人系统协同技术也取得新进展。无人系统加速融入主战装备体系。如X-47B可作为航母舰载机联队编成与有人机协同、“弗吉尼亚”级潜艇可布放和回收无人潜航器等。

目前,世界军事强国纷纷开始制定战略规划、明确发展目标、加强技术开发。各国也在根据本国战略需求发展无人系统与技术。未来无人系统将成为信息化武器装备体系的重要组成,并和有人系统形成编队协同作战能力,在信息支援、特种支援及武器打击等领域发挥重要作用。

历经多年发展,无人系统已经具备较强的实战能力,并在战争中发挥作用。其中无人机方面已基本形成大中小型结合、远中近程搭配的无人机体系,除了在情报、监视与侦察等方面能力较为突出外,部分具备对地打击能力。无人车可执行排爆、路线侦察、部队防护、后勤保障以及城市反恐作战等任务,也发展了大、中、小型车辆,任务领域也不断扩展。无人水下系统和无人水面舰艇主要执行反水雷、情报监视侦察、反潜、港口保护等任务,服役数量正在增加,目前正在发展较精确打击、编队蜂群作战等能力。总体而言,在四类无人系统中,无人机系统和无人地面车辆更为成熟,已大量投入使用,仅美军就装备了6000架以上的无人飞机。无人水面舰艇和无人潜航器已开始有一定的应用,但整体上处于快速发展阶段[1]。

当前,无人系统的发展已经得到军事强国的高度重视,美国和欧洲遥遥领先其他国家,总体上引领着无人系统的发展方向。美国国防部自2000年起先后发布了6份无人系统发展路线图,2013年12月发布的《2013-2038年无人系统综合路线图》,系统描述了空中、海上、地面无人系统发展趋势与特点,提出了未来25年美军无人系统发展的总体思路和具体构建。

目前,无人机、无人地面车辆、无人水面舰艇和无人潜航器等四类无人系统有:(1)典型无人机有“蜂鸟”无人机、RQ-4A/B全球鹰无人机、MQ-9A死神无人机、MQ-4广域海上监视无人机、MQ-X无人机、美洲豹水陆无人机、RQ-7B影子无人机、X-47B隐性无人轰炸机等;(2)典型地面车辆有角斗士战术无人车、MV-4B远程控制无人地雷清除系统、ARV武装机器人车、SUGV小型无人地面车等;(3)典型水面无人艇有“斯巴达侦察兵”无人水面艇、通用USV、旗鱼、FAST、哨兵、海貂鱼、水虎鱼、维纳斯、海星、保护者等;(4)典型无人潜航器有ACTUV反潜战持续追踪无人潜航器、BPAUV战场准备无人潜航器、LDUUV大直径无人潜航器、ECHO游侠、半自主水文侦察设备等。下面着重总结分析X-47B、角斗士战术无人车、斯巴达人无人水面艇、ACTUV等典型无人系统的作战任务、战技性能。

1.1 典型无人机——X-47B项目
X-47B于2013年成功完成了一系列地面及舰载测试。2015年4月美国海军完成X-47B验证机的首次空中加油试验,表明该无人机未来完全可作为航母舰载飞行联队的一部分,执行空中加油、与有人机无缝协同等任务。它是第一架能够从航母上起飞并自行回落的隐形无人轰炸机,其较高速度为高亚音速,巡航速度为0.9 M,实用升限为12190 m,航程为3889 km,作战半径为1600 n mile。主要传感器包括电子监视传感器、动目标指示合成孔径雷达、光电/红外等[3]。它可进行波谱分析的侦察工作,及时发现全球各地的危机和冲突,并可进行空军的导弹导引,使误击概率降低。本型机无武器,但有两个任务舱,最多可搭载2 t,后继型号X-47C将正式搭载较精确制导导弹。

1.2 典型无人地面车辆——角斗士战术无人车
“角斗士”是面向美国海军陆战队的第一种战术无人地面车辆,在任何天气与地形下都可遂行侦察、核生化武器探测、突破障碍、反狙击手和直接射击、城市巷战等任务。“角斗士”反映了美军无人地面装置的轮式化趋势,与世界轻型装甲车辆轮式化发展态势相呼应。其有效负载能力约为181 kg,持续作战能力为实战条件下24 h,遥控作用距离为1 n mile,现有任务载荷为可旋转、可伸缩、可调焦的昼夜摄像机,综合定位系统,多用途运载平台等。计划安装的任务载荷为地雷探测系统、防地雷(反步兵地雷)系统、通信中继系统等[3-4]。

1.3 无人水面艇作战能力及典型装备无人水面艇——“斯巴达侦察兵”

1.3.1 无人水面艇作战能力
自20世纪90年代以来,美国、以色列、法国、英国、德国等在研发无人艇方面大力投入,新船型、新动力、信息技术、自动控制技术、导航技术及新材料等不断涌现,无人艇的任务领域也得到明显拓展。目前已有十几个国家在研制和部署无人水面艇。纵观当前世界在研和现役的无人水面艇,主要包括88型,其中在研25型、现役或即将服役的63型,作战能力主要体现在:(1)反水雷战,(2)情报、监视和侦察,(3)火力支援,(4)反潜作战,(5)反恐及港口安保,(6)海岸设施的监管和检查,(7)构建网络或与其他有人/无人平台协同作战,(8)水面活动靶标[5,8]。

美、以两国凭借在无人系统领域强大的技术优势开发出多种型号的无人艇。新一代无人水面艇将是一种高度集成化的平台,携载有各种传感器、通信设备、武器和机械装置等,航速和自主控制能力将不断提高,并且具有突出的隐身性能等。根据近期的发展动向,国外海军无人水面艇的发展趋势主要体现在新船型应用增多、新型动力日趋成熟、功能多样化、自主性进一步增强、传感器先进化、武器小型化、形成编队蜂群作战能力等[5-8]。

1.3.2 典型无人水面艇——“斯巴达侦察兵”无人水面艇
“斯巴达侦察兵”无人艇是由模块化组件构成,可进行多功能动态可重组的高速半自动水面无人快艇。其航速(3级海情下)为28 kn(较大50 kn),续航力8 h(较大48 h),航程150 n mile(较大1000 n mile),可在夜间行动,可携载1350~2300 kg的有效载荷,既可遥控操作也可自主活动。其标准配置包括无人驾驶系统、控制用视频摄像机、导航雷达、水面搜索雷达、光电系统、全球定位系统接收机和视距/超视距通讯系统。

目前,已经或正在开发的任务模块有4种:(1)情报、监视与侦察、兵力保护模块,(2)反水雷战模块,(3)较精确打击/反舰作战模块,(4)反潜战模块。

1.4 典型无人潜航器——反潜战持续追踪无人潜航器(ACTUV)
美、英、法、德、挪威、瑞典等国的无人潜航器的技术和研制水平处于领先地位。它主要用于遂行海上及水下的情报/监视/侦察、水雷对抗、反潜战、检测/识别、海洋探测、通信/导航网络节点、有效荷载投送、信息战、时敏目标打击等任务[5,8]。

美国海军发展ACTUV项目的原因,一是反潜任务加重与反潜平台数量减少所产生的矛盾,二是实现“空海一体战”理论构想的需要。

DARPA在ACTUV概念设计中采用了半潜无人艇设计(见图1)。其满载排水量157 t,艇身长19.1 m,艇宽5.8 m,艇身上部露出水面,水面部分高4.3 m,水下部分吃水深度10.1 m。它采用具有高效流体力学特性的铝制外壳设计,较大航速27 kn,作战半径3000 km(不加油),一次部署可执行30天巡航和30天跟踪任务(不加油)。ACTUV项目将发展成一种全面创新的无人艇,具备高较精确的态势感知能力,人为干预少,可在任务区隐蔽待命,接收到指令后可自主识别跟踪敌方潜艇,在远程指控中断期间仍可继续执行任务。在航渡期间,它能够自主规避未识别目标,并具有重新捕获目标的能力,可再次捕获失跟的潜艇[5]。

图1 美国国防部高级研究计划局

提出的ACTUV概念图
外国军事强国无人系统与技术的研发时间较长。纵观无人系统研发方面取得显著成就的美、英、法和以色列等国的研发历程可以看出,不少国家的无人系统迅速成熟并装备部队,但也有部分系统中途进行了战略调整,还有的中途放弃。这折射出管理模式、技术路线、方向重点等因素对无人系统的发展具有不可忽视的重要作用[1]。外军无人装备的发展思路和特点是:(1)从宏观层面加强无人系统发展战略规划,并将其纳入到装备体系中进行整体规划;(2)持续增加投资额度,无人系统呈现出快速发展的态势;(3)重视标准化和模块化,增强灵活性和通用型,提高无人系统的效率和效益;(4)四类无人系统的成熟度不尽相同,并将最成熟的无人机技术改进适用于其他无人系统中。

美军要求装备体系发展必先符合特定的9种一级“联合能力领域(JCA)”。无人作战平台主要在战场感知、部队运用、防护、后勤和伙伴关系建设等5种能力领域中发挥关键作用。图2给出了美军无人平台在各“联合能力领域”中的型号数量分布[3]。


图2 美军无人作战平台在各“联合能力

领域”中的型号数量分布
通过分析各种无人作战平台的共同能力发展规划,美军将互操作性、自主性、感知、通信、推进与动力、成组编队、智能决策、武器化等关键技术和瓶颈技术作为未来研究的焦点。基于联合能力领域,查阅大量情报资料,下面综合分析美军未来无人系统的关键技术与所支持能力领域的映射关系[3,8-10]。

3.1 无人机关键技术与所支持能力领域的映射关系
无人机关键技术与所支持能力领域的映射关系为如下:

(1) 三维环境建模技术可支持部队运用、战场感知能力;

(2) 自主机器人能力组合技术可支持指挥与控制、部队运用和防护能力;

(3) 多平台航线搜索网络协作系统技术可支持战场感知能力;

(4) 无人机系统通信网络自动生成技术可支持战场感知和网络中心能力;

(5) 多无人机编队协同侦察技术可支持战场感知能力;

(6) 复杂地形机动匹配技术可支持部队运用、后勤、防护和战场感知能力;

(7) 微型飞行器技术可支持战场感知、防护能力;

(8) 导航技术可支持指挥与控制、部队支援和防护能力;

(9) 感知与规避技术可支持战场感知、部队运用和防护能力;

(10) 隐身持续居高监视技术可支持战场感知、部队运用和指挥与控制能力;

(11) 中高空长航时技术可支持指挥与控制、战场感知能力;

(12) 多无人机成组编队技术可支持指挥与控制、网络中心和部队支援能力。

3.2 无人地面车辆关键技术与所支持能力领域的映射关系

无人地面车辆关键技术与所支持能力领域的映射关系如下:

(1) 三维环境建模技术可支持部队运用、战场感知能力;

(2) 自动部署通信中继技术可支持部队运用、战场感知、网络中心能力;

(3) 自主机器人能力组合技术可支持指挥与控制、部队运用、防护能力;

(4) 仿生技术可支持部队运用能力;

(5) 无线电射频压制技术可支持防护、战场感知和伙伴关系建设能力;

(6) 无线电射频智能化频率选择技术可支持防护、战场感知和伙伴关系建设能力;

(7) 本地可视化技术可支持防护、战场感知和伙伴关系建设能力;

(8) 便携式技术可支持战场感知、防护技术;

(9) 智能控制技术可支持防护、战场感知和伙伴关系建设能力;

(10) 导航技术可支持指挥与控制、部队支援和防护能力;

(11) 抗干扰技术可支持防护能力;

(12) 中高空长航时技术可支持指挥与控制、战场感知能力;

(13) 大容量-大能量密度电源技术可支持部队运用、顶层管理与支援能力。

3.3 无人水面舰艇、无人潜航器关键技术与所支持能力领域的映射关系
无人水面舰艇和无人潜航器关键技术与所支持能力领域的映射关系如下:

(1) 网络化协同自主无人潜航器技术可支持部队运用、指挥与控制、战场感知、网络中心能力;

(2) 通信/导航网络节点技术可支持战场感知、网络中心能力;

(3) 极端海洋环境适应技术可支持部队运用、战场感知能力;

(4) 抗干扰技术可支持防护能力;

(5) 自主性和数据处理技术可支持战场感知、指挥与控制能力;

(6) 先进传感器技术可支持战场感知能力;

(7) 微小型作战载荷技术可支持部队运用、指挥与控制能力;

(8) 有人/无人系统成组编队技术可支持部队运用、指挥与控制、网络中心能力;

(9) 长航时新型能量技术可支持部队运用;

(10) 多无人艇成组编队技术可支持指挥与控制、网络中心和部队支援能力。

3.4 美国海军无人系统近期关键技术发展
美国海军无人系统的关键技术主要包括协同化、自动化、结构模块化、通信、导航与路径规划、能量及推进、传感器、成组编队、释放回收等技术。表1为美国海军无人系统近期关键技术进展。从表中可看出,美国海军采用众多新技术新概念进行无人系统的关键技术突破,以获得优异性能[11]。

表1 美国海军无人系统近期关键技术进展


关键技术典型平台研发单位时间协同化技术涵盖全部无人作战平台DAPPA和美国海军2013年自主化技术无人空中系统、“可靠号”UUV美国海军研究局2013年模块化“可靠号”UUV、TerraMax无人地面车美国海军研究实验室、美国海军陆战队2013、2012年通信技术“广域海上监视”项目、USV美国海军、美国国防部承包商2008、2012年导航与路径规划技术海军全球鹰无人机、“可靠号”UUV美国海军、美国海军研究实验室2012、2013年能量推进技术大排量无人潜航器(LDUUV)美国海军研究局2013年底传感器技术在“广域海上监视”项目中的合成孔径雷达美国海军2015年成组编队技术X-47B验证机美国海军2015年释放回收技术X-47B在航母上成功着落美国海军2013年

随着计算机、自动控制、信息处理、通信与网络、动力与能源、新材料、隐身等高新技术日臻成熟,无人系统正呈现出智能化、综合化和体系化等发展态势。未来无人系统将逐步实现同一类型不同型号之间的协同作战、不同类型之间的协同作战以及与有人装备之间的协同作战[12],最终融入以全球信息栅格为中心的一体化武器装备体系,成为网络中心战体系的有机组成部分。总结其技术发展趋势主要体现在:

(1) 作战支援仍是主要任务领域,任务领域更加全面、综合,攻击型无人系统开始具备作战效能,全天候、全频谱信息支援与战术打击成为突出特色,并且生产、部署数量大幅增加;

(2) 新型动力能源、激光/网络/量子通信、自主控制、载荷、新材料等关键技术不断取得进展,长航时、高效能信息支援成为可能;

(3) 多样化、知识化的探测与识别技术将提高无人平台的态势感知能力;

(4) 增强无人系统先进自主控制技术,具备高度智能化的自主行动能力;

(5) 发展无人系统协同技术,实现系统跨域同步,增强无人系统与有人装备、无人系统间的协同作战能力,将改变装备体系构成和未来作战样式;

(6) 重视和发展无人系统安全防护技术。

参考文献:
[1] 中国国防科技信息中心.2030年的武器装备[M].北京: 国防工业出版社,2014:300-380.

[2] 余洋,黄锋,等.2014年世界军事电子发展年度报告[M].北京: 国防工业出版社,2015:100-170.

[3] 海军装备研究院科技信息研究所.2009-2034年美国无人系统路线图[M].北京: 海潮出版社,2011:71-72,136-174.

[4] 美国无人驾驶地面车辆.http://www.cos.org.cn/tbscenter/tbscms/zhuye2011/news/readnews.asp? articleid =5776.

[5] 何萍,阳明,马悦.全球海战机器人[M].北京:解放军出版社,2012:9-34,98-105,108-121,196-213.

[6] Yan R J,Pang S,Sun H B,et al.Development and Missions of Unmanned Surface Vehicle[J].Journal of Marine Science and Application,2010(8):451-457.

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[8] 海军装备研究院科技信息研究所.2011-2036年美国无人系统路线图[M].北京: 海潮出版社,2012:15-32.

[9] 周建军,崔麦会,陈超.海战场侦察技术概论[M].北京: 国防工业出版社,2013:20-85.

[10] 海军装备研究院科技信息研究所.美国海军无人作战平台及技术[M].北京:海潮出版社,2008:150-195.

[11] 闫超,张志雄,罗自荣,李坡.美国海军无人系统作战特点及关键技术分析[J].国防科技,2014,35(5): 41-45.

[12] 马天宇,杨松林,等.多USV协同系统研究现状与发展概述[J].舰船科学技术,2014,36(6): 7-13.

XUE Chun-xiang1,HUANG Xiao-peng1,ZHU Xian-jun2,JIANG Ying-ying1

(1.No.724 Research Institute of CSIC,Nanjing 211153;2.Department of Control & System Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093)

Abstract: The development and the existing typical systems of the foreign military's unmanned aerial vehicle (UAV),unmanned ground vehicle (UGV),unmanned surface vehicle (USV) and unmanned underwater vehicle (UUV) are discussed with an emphasis on the current situation and the operational capability of the USV.The development idea and characteristics of the foreign unmanned systems are analyzed.Moreover,the mapping relationships between the US joint operational capability area and the typical key technologies of the US future unmanned systems are studied,and the recent development of the key technologies of the US Navy's unmanned systems is discussed.Finally,the development trends of the unmanned systems are presented in terms of the multifunctional integration,weapon,intelligence and formation,providing support for the development of the unmanned systems and technologies.

Keywords: unmanned system;unmanned system technology;joint operational capability;formation

中图分类号:TP18

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)01-0001-05

作者简介:薛春祥(1977-),男,高级工程师,研究方向:智能装备技术等;黄孝鹏(1981-),男,高级工程师,博士,研究方向:雷达总体技术;朱咸军(1977-),男,博士研究生,研究方向:智能装备新技术等;蒋莹莹(1989-),女,助理工程师,硕士,研究方向:科技情报研究与分析。598773944

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