无人机多机协同侦察系统关键技术

收稿日期：2016-10-15修回日期：2016-12-07基金项目：国家自然科学基金资助项目（61473227）作者简介：刘慧霞（1973-），女，陕西清涧人，博士，高级工程师。

研究方向：无人机目标跟踪及无人机侦察信息处理等。

*摘要：无人机作为信息战中的核心平台之一已经广泛应用于情报侦察、战场监视以及地形测绘等领域，同时随着未来战争向信息化、网络化、体系化对抗的发展，单架无人机已无法满足情报侦察和战场监视任务中对复杂环境下信息、空间、时间的宽覆盖以及高分辨率需求，因此，无人机多协同或无人机与其他平台协同侦察将是未来战场上重要的军事侦察行动方式之一。

回顾了无人机多机协同侦察的发展现状，讨论了多机协同侦察发展需要突破的关键技术。

关键词：无人机，多机，侦察协同，态势感知，信息融合中图分类号：TP753文献标识码：ADOI ：10.3969/j.issn.1002-0640.2017.12.001无人机多机协同侦察系统关键技术*刘慧霞1，马丽娜2，李大健1，田雪涛2，席庆彪1（1.西北工业大学第365研究所，西安710072；2.西安爱生技术集团公司，西安710065）Research on Technologies for Multi-UAV Cooperative ReconnaissanceLIU Hui-xia 1，MA Li-na 2，LI Da-jian 1，TIAN Xue-tao 2，XI Qing-biao 1（1.No.365Research Institute ，Northwest Polytechnical University ，Xi ’an 710072，China ；2.Xi ’an ASN Technology Group Co.Ltd ，Xi ’an 710065，China ）Abstract ：As one of the most important platform in the information warfare ，unmanned aerialvehicle （UAV ）has been widely used in intelligence reconnaissance ，battlefield surveillance and terrain mapping and other fields ，Withthe development of the information ，networking ，systematic confrontation for the future war ，a single UAV is impossible to meet the reconnaissance and surveillance missions in the complex battlefield environment ，which needs wide coverage in information ，space and time and higher resolution ，therefore multi-UAV cooperative reconnaissance orUAV joint other platforms will be the most important way in the future battlefield reconnaissance.Thestatus of development of multi-UAV cooperative reconnaissance is reviewed and the key technologiesare discussed for the future development of multi-UAV cooperative reconnaissance.Key words ：unmanned aerial vehicle ，multi-UAV ，cooperative reconnaissance ，situation awareness ，information fusion0引言无人机（UAV ）作为现代战争中必不可少的军事装备，已得到广泛的应用，例如：目标侦察、监视、目标定位、目标截获、火炮校射、电子对抗与反辐射攻击、通信中继、心理战、地形测绘、气象探测、电网攻击和作战效果评估等各个领域［1-4］。

目前，世界上已有美国、以色列、俄罗斯、南非等30多个国家和地区研制和生产无人机［5］。

在无人机能够承担的多种角色中，情报侦察、战场监视以及地形测绘是目前UAV 系统主要的作战任务之一。

UAV 可以用于战略、战役和战术侦察，能潜入敌目标上空进行昼夜侦察，并向作战指挥中心准确地传输实时目标图像和信息，使战场指挥官及时掌握战场情况，制定作战计划，为取得战斗的胜利起决定性作用。

在美军制定的《2005~2030年无文章编号：1002-0640（2017）12-0001-04Vol.42，No.12Dec ，2017火力与指挥控制Fire Control &Command Control 第42卷第12期2017年12月1··（总第42-）火力与指挥控制2017年第12期人机发展规划》中，规划建立重、中、轻型，远、中、近程的，配套成族的全系列无人机型谱，覆盖未来战场从后方、前线到战略纵深的整个战场范围［6］。

随着未来战争向信息化、网络化、体系化对抗的发展，面对未来复杂多变的信息化战场环境下，单架UAV执行情报侦察和战场监视任务会面临许多问题［7］:①在侦察范围上，单架UAV仅限于局部区域的侦察；②单UAV搭载的传感器性能有限，无法满足对所有侦察任务的需求，例如仅仅搭载了光电相机的UAV无法实现对地下掩体目标的侦察；③单UAV无法满足同时对大量目标进行侦察的任务需要；④单UAV无法满足侦察范围内对目标持续性侦察任务的需求；⑤单UAV无法满足对时敏目标的快速捕获；⑥单UAV在执行任务过程中出现故障或者被敌方击落情况会导致整个侦察任务的失败。

因此，组织多架UAV特别是多架不同性能的UAV共同执行侦察任务是未来战场上一种重要的军事行动方式。

美国空军科学顾问委员会指出，UAV通常将以成群的方式工作而不是单独行动。

多UAV群不仅具有宽广的搜索和观察范围，而且能按统一的时间进度在各个空间区域获取信息，从而达到时间与空间的高度统一［8］。

1国内外发展现状国外近年来提出了一种多无人机协同编队飞行（Coordinated Formation Flight，CFF）的新概念，目的是提高无人机完成任务的效率，拓宽其使用范围。

例如，在执行侦察任务时，通过调整侦察设备（如相机）在UAV上的工作角度，CFF可使多UAV 群在较短时间（相对于单架UAV执行相同任务所需时间）内完成对目标全方位立体拍照的任务。

2003年，北约国家通过一项有关无人机协同作战的主要协议。

这份协议对北约所谓的“STANAG”（标准协议文件）进行了详细的规定，STANAG4586设定了北约UAV所使用的通用地面站规格。

该协议的实施将使不同国家之间的UAV信息通过通用地面站进行分析和共享，并使北约组织和盟国司令部在军事行动中对UAV将具有更为有力的统一管理，即多机协同指挥控制管理。

2004年，美军无人机参与了检验不同军种飞行器协同工作的试验。

此次名为“前视”（Forward Look）的演习旨在试验“影子”、“捕食者”和“扫描鹰”（Scan Eagle）3种无人机的协同工作能力。

通过不同飞行高度和留空时间的无人机协同工作，能更清楚地掌握某一区域的情况，这样能使未来作战态势感知变得更清楚。

演习试验已经证实，这些无人机能相互配合共同工作，从而可能改变未来作战环境。

2007年，美国空军对新型无人机协同飞行能力系统进行验证。

Proxy航空系统公司（Proxy Aviation Systems）验证了其SkyForce（空中力量）分布式管理系统（DMS）能力。

该系统是一种全面的网络中心无人机系统，能完成集群战术目标以满足多种任务需求。

SkyForce DMS可用于控制多达12架全自主无人机进行同步协作飞行。

有了SkyForce DMS，每架无人机具有飞行中做出完全独立决定的能力，不需人工干预，从而为集群战术目标做出贡献。

英军也在开发有人战机指挥无人机作战的控制系统。

2007年，英空军一架改装的“旋风”战机飞行员成功实现了对4架无人机的遥控，实施协同作战，完成搜索和摧毁目标的任务。

美国空军在2010年推动的“猎狐”项目旨在演示从“飞行母舰”上指挥并控制无人机群的技术。

“飞行母舰”就是在空中释放大批小型无人机，扩展武器系统的作战范围和传感器的侦察覆盖范围，该项目将在2013年取得阶段性成果［13］。

在《2005~2030年无人机路线图》［6］中，美军也越来越倾向于对无人机的集群使用。

美军为此曾经进行了模拟试验，将装有传感器和武器的100架无人机集群与现有的一个作战单元进行比较，发现无人机集群能探测到90%的模拟目标并摧毁63个目标，而现有的作战单元只探测了不到33%的目标，歼灭了11个目标。

但是无人机的集群使用必须建立在协同作战的基础上，包括无人机之间、无人机与有人机之间以及无人机与其他平台之间的协同。

美军曾对分别由陆军、海军和空军使用的“阴影”、“捕食者”和“扫描鹰”这3种无人机进行了协同作战试验，试验结果表明：通过不同飞行高度和留空时间的无人机协同工作，联合作战试验台系统（JOTBS）能更清楚地掌握某一区域的情况，这样能使未来作战态势感知变得更清晰［6］。

国内目前对多机协同侦察问题已经做了一些理论研究，但方法的有效性、实时性与自主性还需要在实际应用中进一步验证。

2多无人机协同侦察关键技术从上面国内外多无人机协同侦察的发展现状可以看出，随着未来战争向信息化、网络化、体系化2··2068（总第42-）对抗的发展，实时的情报侦察、立体/全维的战场态势感知将决定战争的胜负。

多无人机协同战场侦察感知将是不同类型、不同高度的无人机组成全空域、全天时、立体化持续的感知，无人机（群）将具备全纵深、全天候、全天时、全频段的侦察能力，从而实现对战场全维监视，即多位一体、全域覆盖、持续实时、精确精细的实时感知能力；同时，多机协同侦察也将不仅局限于无人机之间，同时无人机向着与有人机，以及无人机与其他平台之间的协同方向发展，因此，多无人机协同侦察面临以下关键技术的突破。

2.1多机协同指挥控制技术2.1.1多机协同任务分配技术多机协同任务分配的目标是实现有限资源的有效应用，即对给定的具有不同优先等级、位置不确定（只有一些先验信息）的目标，通过有效地进行任务分配，使多机协同侦察系统性能达到最大化。