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    1. 无人作战系统面临许多亟待解决的问题,AI如何赋能

      笨笨猪
      2018-11-30 14:46:45 来源: 亿欧
        无人系统的通信问题将直接影响系统作战效能的发挥,面临新的挑战和更多技术难点,我们要重点关注影响无人系统通信发展的关键技术,积极迎接挑战,解决技术难题,为我军无人作战系统的快速发展提供支撑。  

      (原标题:AI赋能无人作战系统,通信问题如何解决?)

      20世纪90年代以来,在微电子、计算机、导航、通信、动力、自动控制、新材料、人工智能等诸多高新技术的共同推动下,无人作战系统进入了前所未有的蓬勃发展阶段。各种无人作战平台之间以及与有人系统之间的控制信息和业务信息如何安全可靠传输,如何组网协同工作,面临许多亟待解决的问题,需要突破诸多关键技术。

      无人作战系统通信的特点

      无人作战系统通信主要完成无人平台任务信息传输和遥控、遥测、跟踪定位等功能。从覆盖范围来看,无人作战系统通信可分为两类,一类是无人平台的内部通信,另一类是无人平台与地面控制站之间,以及无人平台与其他有人平台的外部通信。从用途来看,无人作战系统通信又可分为平台任务信息的传输链路(如无人侦察机传输的侦察情报信息链路或无人中继通信飞机的信息转发信道)和对无人平台的控制链路(无人机的遥控、遥测和跟踪定位链路)。就无人平台本身而言,控制链路显得尤为重要。

      对应有人作战平台通信,无人作战平台通信同样面临电磁波传播特性、信道模型等问题,物理层信号设计需要解决的问题完全相同。比如,空间传输多径影响是相同的,水下无人平台通信同样面临电磁波急剧衰减的挑战。

      与有人作战平台通信相比,无人作战平台缺少了人员实时操作,其通信的特点主要体现在以下六个方面。

      一是时效性要求更高。无人作战平台的通信链路,尤其是控制链路,基本上采用标准化格式,具有显著的数据链特征,以保证时效性需求。

      二是可靠性要求更高。无人作战平台的人工干预在远端,平台智能化要求更高,在自主控制、接收、处理等方面,要求通信链路具有更高的可靠性。

      三是安全性要求更高。通信链路特别是控制链路是无人平台的命脉,如链路受干扰导致中断,空中的无人机就像断了线的风筝,飘忽不定。若控制链路被敌方接管,情形自然更糟。

      四是通信链路不对称性更突出。上下行信道数据传输能力明显不对称,传输业务数据的下行信道的数据速率远高于传输测控指令的上行信道。

      五是设备小型化要求更高。由于无人作战平台空间小,对通信设备的尺寸、重量、功耗和散热性要求更高。

      六是平台间组网要求更高。由于无人作战平台的高机动性、自主运行等特征,以及视距通信距离限制等因素,使得平台间组网(其中包括无人平台相互之间的组网,也包括有人和无人平台之间的组网)和网络控制相比于有人作战平台更加困难。

      无人作战系统通信发展现状及趋势(一)发展现状

      无人作战系统从空间分布上分为三类,空中各类无人机、地面各种无人战车、水面无人舰艇和水下无人潜航器等。

      无人机

      目前,无人机已进入体系化、规模化发展阶段。无人机内部通信系统一般采用有线通信方式和总线式结构,外部通信系统多采用“三合一”和“四合一”的综合信道体制。

      “三合一”主要指的是跟踪定位、遥测、遥控采用统一的载波体制,进行一体化设计,公用一个传输信道,而使用另外单独的下行信道传输各类业务信息;“四合一”是指跟踪定位、遥测、遥控信息和业务信息共用一个信道传输。

      “四合一”综合信道体制集成度高,对通信资源的利用率高,在现代无人机数据链中得到广泛应用,“三合一”体制可针对控制信道数据率一般较低、可靠性要求高的特点,可区分采用窄带和宽带信道,针对不同频段信道特性设计适宜的传输体制,具有一定的应用灵活性。

      小型战术无人机,一般在小区域内应用,多采用视距链路,配有窄带和宽带两种链路,一般不装备卫通链路。比如美军的“影子”200无人机,配有UHF、S频段窄带视距链路和C波段宽带视距数据链路。其中,UHF、S频段视距链路用于传输指挥控制信息,链路速率几十KB/S,C波段宽带视距数据链路主要用于传输业务控制信息和传感数据,速率可达Mb/s数量级。因为是小型平台,其天线数量少,口径小,功率小。

      中高空、长航时无人机,通常都会配备视距、超视距多条通信链路来满足任务执行的通信需求。视距通信链路主要用于起降站本地操作。比如美军的“捕食者”,视距主要配备了5G的C频段。卫通是Ku频段,最高可以达到50M。“全球鹰”无人机有5条通信链路保证,3条窄带,是“全球鹰”无人机指控信息传输的主要链路;2条宽带,主要用于业务数据的传输,其中1条是与CDL兼容的、全双工、宽带、空地数据链,1条是Ku频段、全双工、宽带卫星通信链路。

      另外,无人机通信系统越来越强调和有人飞机之间的协同通信能力。例如,Link16数据链、机间数据链等成为美军越来越多无人机通信载荷的标准配置,特别是在大中型无人机、无人作战飞机等平台上;又如,美军X-47作战无人机通信系统配装了Link-16、VHF/UHF数据链、机间数据链等视距链路通信载荷,以及AEHF频段和Ka频段等超视距链路的卫星通信载荷。

      无人战车

      地面各种无人战车、排爆机器人等,其内部通信系统大多采用有线方式。例如,CAN总线(Controller Area Network,控制器局域网)最初是由德国Bosch公司为解决汽车监控系统中的诸多复杂技术难题而设计的数字信号通信协议,其应用范围已不限于汽车行业,已推广到机器人、机械工业、家用电器等领域。

      外部控制信息传输大多依托视距无线链路,使用的通信手段包括数据链、蓝牙、UWB、Zigbee、WIFI,以及3G、4G移动通信技术。目前,这些地面无人移动平台在反恐行动中广泛应用,通信手段主要依托民用无线通信设施。又如,美军无人装甲车“黑骑士”,装备了大量的摄像头、传感装置、雷达系统,其通信系统为增强型高速战术数据链设备,但通信操控比空中的无人作战平台要复杂得多,因为地形地貌坎坷多变,场景异常复杂。所以地面的无人作战系统通信组织,尤其是组网的时效性、操控性难度更大。

      俄罗斯在叙利亚反恐中,出动了6台“平台-M”地面作战机器人和4台“阿尔戈”机器人,在“仙女座-D”自动化指挥系统的统一指挥下,配合叙利亚部队行动,顺利完成相应任务。与美军同类产品相似,“平台-M”的操纵控制系统主要由一台军用笔记本电脑和一个改装过的XBOX游戏机手柄组合而成,十分易于士兵操纵。俄媒公布的“仙女座-D”自动化指挥系统集成度比较强,由多台军用PC和笔记本电脑组成,一个军用帐篷就可以装下,适合前线部署。

      水下无人平台

      由于海水良好的导电性,传统通信频段电磁波在水下的传输损耗要比水面大气环境中大很多。因此,解决水下无人平台通信问题和有人作战潜艇同样是一个国际性的难题。按使用场景,目前常用的解决方案主要有:当水下无人平台与母船(控制站)较近时,采用水下光纤通信和水声通信;当与母船(控制站)较远时,采用短波、卫星通信,但要求水下无人平台定时上浮至水面才能建立传输信道,这种通信方式容易暴露平台的位置。

      无人系统通信发展趋势

      2013年,美国国防部发布了《2013-2038年无人系统综合路线图》,以无人系统广泛应用为背景,提出未来25年无人系统发展的整体思路和具体构想,着力解决制约无人系统今后大规模应用的主要技术与政策问题。同时通过对过去10年全球战斗中无人系统应用实践的总结,指出C4(指挥、控制、通信和计算机)架构在支持无人作战平台方面的不足。典型的问题包括:

      全球连通性差。与有人系统相比,美军无人系统的全球连通能力不足,特别是对发送高带宽数据至战略战术用户的能力不足。目前大多数无人平台设施集中在中东地区,不能够有效支撑其他地区的战斗行动。

      基础设施烟囱林立。大多无人系统都是基于以往不同专用通信的解决方案,包括接入地面网络的多种超视距通信方案,使得平台信息资源共享难,基础设施维护代价高昂(如设备繁多,规划管理复杂),约束了平台的灵活性。

      信息共享能力差。大多系统应用专用的信息处理、开发利用和分发机制,使得在系统、服务和用户之间信息共享能力弱。

      平台间的组网能力较弱。目前平台间组网能力不足,大都单独执行任务,还不能满足无人平台集群作战、网络化作战需求。

      另外,相对于空中无人平台和地面无人平台通信系统,水下无人平台通信手段单一,通信能力较弱。

      在无人系统发展路线图中,着重强调了无人系统通信体系架构建设和所涉及的关键技术,包括与无人系统通信紧密相关的数据保密及充分发挥无人系统作战优势保障能力等方面。

      一是加强无人系统通信体系架构设计。建立以网络为中心的通信体系,提高无人平台的C4能力;接入系统从现在通信网关逐步过渡至全球信息栅格;建立基于云平台的企业级统一数据中心,实现动态数据实时分发;统一协调商用卫星租赁和开发“宽带全球卫星通信”系统,降低卫星通信费用和带宽限制。

      二是通信系统综合化、一体化发展。目前,美军仅“全球鹰”无人机采用了综合化通信系统,随着无人平台越来越多地应用于实战,搭载的任务载荷和通信手段越来越多,采用模块化、尺寸大小可变设计成为发展方向,以适应多种平台装载需要。

      三是进一步提高数据传输率。随着无人平台载荷能力提高,需要传输的数据量越来越多,要求通信系统进一步拓宽频带、提高频率利用率和信息传输容量。

      四是大力发展宽带卫星通信,满足无人机超视距作为数据日益增长带宽的传输需求。无人平台技术发展及应用推广,对宽带卫通资源的需求越来越大。无人机超视距作战将成为无人机的主要作战方式,卫星中继成为无人机的主要通信方式,对卫星资源的需求愈来愈多。大力发展宽带卫通转发器,满足无人机超视距作战数据日益增长的宽带传输需求。

      五是加强对通信链路的安全保护。未来无人平台的使用环境更加恶劣,要求通信系统具备更加良好的电磁兼容性、低截获概率、抗欺骗能力、高安全性和足够的抗干扰能力,保证无人平台通信系统在恶劣战场条件下稳定、可靠、安全工作。

      六是加强光学、激光等新型通信手段应用。光学数据链或激光通信系统等新型通信技术,具有抗干扰能力强、速率更高等特点,可数倍地提高数据链的传输速率,是无人平台通信技术的重要发展方向之一。

      七是提高通信系统通用化、系列化、标准化、互操作和互通能力。未来无人通信系统将逐步实现通用化、系列化、标准化和网络化,实现多平台通信系统兼容、协同工作及互联互通互操作能力。

      重点研究和突破的关键技术(一)无人作战系统通信网络技术

      无人作战系统通信网络体系结构

      目前,国内无人作战系统通信问题研究还停留在关注某类无人平台通信的实现技术,尚未形成我军无人作战系统通信网络体系。应加强无人作战系统通信体系顶层设计研究,建立统一的通信基础设施(通信网关和中继网站,数据服务中心)支持无人平台的指挥与控制和任务载荷的信息回传,使用户能够快速简便地发现、获取和分析实时和非实时的情报、监视和侦察信息和其他任务数据,避免重复建设,解决效率低下和兼容性差等问题。

      无人作战系统信息传输技术

      重点解决无人作战环境下人/机物综合接入的智能无线通信问题。包括多节点低时延宽带协同传输、无人作战平台的小型化高增益天线、光通信、高效数据压缩、动态频谱感知和接入等技术研究,支持无人平台间、无人和有人平台之间的快速信息传输。

      无人作战平台组网技术

      面向未来自主无人作战平台协同交互、协同攻击、协同防卫的作战需求,关注无人作战平台可靠组网、低碰撞链路接入、低能耗低时延多跳路由、分布式网络自主运行管理控制及组网安全等技术。

      无人作战系统智能化

      协同传输技术

      智能化战术协同体系架构设计技术

      针对无人作战平台之间、有人作战平台与无人作战平台之间的战术协同需求,研究典型作战场景下有人无人协同作战的主要模式、不同作战样式、不同级别协同过程中的信息交互需求和主要流程,开放式、可扩展的智能化战术协同体系架构及网络资源统一调度与管理方法等。

      网络化有人/无人协同控制技术

      研究面向有人/无人协同应用的通用化、可扩展的高效控制模型,多平台编队自适应飞行控制技术,面向特定任务的多平台传感器及武器控制技术,有人/无人、无人/无人作战平台间的无源协同定位、协同探测、复合跟踪、协同制导等协同处理技术等。

      智能化有人/无人协同任务管理技术

      研究基于作战任务驱动的智能任务分解与角色分配技术,面向任务需求和战场环境的航路自动计算与优化技术,基于任务和规划结果的推演与评估技术等。

      无人作战系统综合防护技术

      研究适应高速移动特性的双向安全接入认证体制,基于多平台协作的攻击感知技术,针对典型灵巧干扰、信息欺骗等攻击的屏蔽和隔离技术,基于云的威胁信息共享和协同响应技术。通过综合安全态势、协调安全防护装备,对无人平台的攻击事件进行有效应对和处置,实现单点识别、全局联动防御。

      结束语

      无人系统在未来战争中扮演越来越重要的角色,呈现出智能化、复合化、体系化的发展趋势,控制方式由遥控、程控向智能自主发展,系统由单一功能向多种功能复合发展,使命任务由担负支援保障向直接参与作战任务发展,作战使用由独立运用向体系协同发展,将从根本上改变人类参与战争的方式。无人系统的通信问题将直接影响系统作战效能的发挥,面临新的挑战和更多技术难点,我们要重点关注影响无人系统通信发展的关键技术,积极迎接挑战,解决技术难题,为我军无人作战系统的快速发展提供支撑。

      THE END
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      标签: AI人工智能 AI
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