美国CODE项目推进分布式协同作战发展

李 磊，王 彤，蒋 琪

（北京海鹰科技情报研究所，北京 100074）

1 引 言

2018年1月，洛克希德·马丁公司和雷锡恩公司领导的团队成功完成美国国防预先研究计划局（DARPA）“拒止环境中协同作战”（CODE）项目第二阶段的飞行测试。DARPA将第三阶段合同授予雷锡恩公司，进一步开发CODE的能力，并通过一系列飞行试验对作战能力进行验证。该项目一旦得到充分验证，将大大提高现有空中平台的可生存性、灵活性和有效性，并可减少未来系统的开发时间和成本。本文系统梳理了美国CODE项目相关资料信息，分析其对未来作战的影响，以期提供有益的参考。

2 发展概况

所谓的拒止环境，是美军对强对抗环境的别称，在这种环境中，强大对手使用军事力量对抗美军进入战区实现作战目的。

2014年，DARPA战术技术办公室（TTO）启动CODE项目，旨在研发先进的自主协同算法和监督控制技术以增强无人机（该项目无人机包括巡航导弹、诱饵无人机及其他无人机系统）在拒止环境的作战能力。关键技术主要涉及四个方面：编队协同自主、飞行器自主、监控界面，以及适用于分布式系统的开放架构。关键技术的发展注重自主协同作战传感、打击、通信和导航、低通信带宽、人机交互等方面。目前，已研发相应的软件和硬件，正在使用实体和虚拟无人机，在通信拒止环境中进行全任务大规模飞行演示验证。

2.1 研究背景、愿景和能力

拒止环境变化难测，危险性高，交战各方将在电磁领域进行争夺，敌方军事目标不断改变。与较宽松作战环境相比，具有以下特点：作战距离远；电磁域超负荷运转且敌我双方对此争夺激烈，此情况对己方天基高带宽通讯及定位服务极为不利；敌方目标为可移动目标或者可重新部署的目标；敌方使用诱饵无人机、伪装设施和其他拒止技术；载人军事装备面临高危险；以及高度综合防御作战行动要求协同作战。

然而，现有绝大部分库存无人机很难满足拒止环境作战要求，具体面临的挑战包括：无人机自主应对战争情况变化的能力有限，缺乏对不断变化环境的适应能力（如导弹）或严格受控于人类操作员（如无人机）；利用常规方法来改善现有无人机系统的生存能力，成本高或技术上不可行；目前无人机的应用模式为单机模式，此类无人机系统需要依靠远程战略军事设备来实现关键功能，如导航功能、外部目标锁定功能及通信功能；现有无人机需要大量人员对其进行操控，这种运作模式成本高且无法兼容于能快速针对动态状况进行反应的原有作战系统。

图1 CODE项目塑造现有无人系统的能力

协同自主技术具备大幅改善现有无人机设备功能的潜力，且能降低未来作战系统（组建无人机异构编队）的费用，并非简单的将某项无人机的功能复制或集成到单个无人机平台。通过协同算法，无人机之间能为彼此提供支援，具体包括：编队能为没有配置远程感应器的无人机提供目标地理位置定位信息；能从多个角度对目标进行观测，提供对目标的识别情况；能利用网络传输关键信息；为没有导航功能的军事设备提供导航支援；在数量上具备压倒性优势，能以此方式及其他方式对彼此进行相互保护。协同作战可极大地提高作战效能和效率，并可减少群射的导弹数量，这种基于效应的思路既可节省资源，又可优化任务。

CODE项目旨在基于现有无人机开发自主算法和软件，扩展无人机执行任务能力，提高在拒止环境中的作战能力。该项目研究人员正在创建一种超越当前最新技术水平的模块化软件架构，该架构能适应带宽限制和通信中断，与现有标准兼容，并可在现有平台上进行低成本改造。

CODE项目的愿景是开发协同自主技术及算法，增强传统无人飞行器（导弹和无人机）实用性，培育异构系统的互操作性等。具体的能力包括：可应对三个参考作战任务（战术侦察、反水面战、摧毁地面的防空力量）；验证算法有效性；验证对抗三个任务的有效性。

CODE项目的主要目标包括四个：开发、执行和验证自主协同算法，以增强现有无人系统执行任务能力；机载软件能在一个“通用任务计算机”（UMC）上运行，并能过渡到小型无人机系统和远程导弹上；该软件在一个开放架构上开发，并能与无人机系统新的标准实现兼容；相关能力能进行仿真验证，最初在飞行验证平台上，最终能在相应智能体平台上进行实地验证。

2.2 研究内容及进展

CODE项目为实现拒止环境中无人机的自主协同作战，充分利用先进的交互设计思想、开放架构等，主要技术包括飞行器自主、监控界面、编队协同自主、开放架构，主要想定作战场景包括战术侦察、反水面战、摧毁地面的防空力量。项目分为三个阶段：

第一阶段，2016年初完成，完成了需求定义和初步系统设计，验证了无人机自主协同的应用潜力，并起草了技术转化计划；选择了约20个可以提升无人机在拒止或对抗环境中有效作战的自主行为；人机接口和开放架构基于“未来机载能力环境”（FACE）标准、“无人控制程序”（UCS）标准、“开放任务系统”（OMS）标准、“通用任务指挥和控制”（CMCC）标准进行研发，并已取得一定进展。第一阶段的承包商分为两类，一是系统承包商（雷锡恩公司和洛马公司）；二是技术发展商，包括：尼尔H·瓦格纳协会（弗吉尼亚州汉普顿），科学系统公司（马萨诸塞州沃本），智能信息流技术有限责任公司（明尼苏达州明尼阿波利斯），飞腾科技公司（密歇根州安阿伯），SRI国际公司（加州门洛帕克），Vencore实验室管理员应用通信科学公司（新泽西州巴斯金里奇）。

图2 主要的技术、任务场景和进展

第二阶段从2016年初到2017年底，洛马和雷锡恩公司以RQ-23虎鲨无人机为测试平台，加装相关硬件和软件，并开展了大量飞行试验，验证了开放架构、自主协同等指标。第二阶段的系统承包商与第一阶段相同。

第三阶段将于2018年底结束，雷锡恩公司将完成三个任务场景飞行试验验证及全任务能力，测试六个无人机系统并协同其他模拟飞行器合作的能力。试验将通过单人指挥无人机编队执行复杂任务，包括目标搜索、识别以及对主动、不可预知的对手的打击。

3 关键技术分析

CODE项目涉及的关键技术包括单飞行器自主、无人机编队协同自主、监控界面、开放架构、验证全任务能力技术以及过渡到军队飞行器所用的技术等，具体如表1所示。此外，表1还给出了该项目一些具体指标。

3.1 飞行器自主技术实现无人系统自主管理能力

为了组建自主无人机编队，每架无人机需要有足够的自主级别，包括：无人机平台子系统、任务设备及飞行轨迹的自主管理，自主管理能处理常规和异常情况。具体为分析飞行器状态数据（无人机的温度、压力、剩余能量等状况以及其他功能）；能识别意外且可处理；可应对数据链突然失效的情况（执行任务、防撞等），平台上处理数据（减少通信数据量）；自动跟踪移动目标，可以定义并控制复杂的飞行轨迹。

目前，降低通信带宽、飞行器自身状态的分析以及其他飞行器状态的状况评估主要通过机载健康预测模型实现。

3.2 协同自主技术实现多无人系统协同完成任务

为了发挥协同作战优势且考虑编队的共同目标以及各种限制，无人机编队共享作战环境，该作战环境的数据在被收集的同时也在不断地产生变化。随着从各种数据源得到的（预处理）数据增加，可以通过数据融合和分析（包括在人类团队指挥员的帮助下），获取可用于执行作战任务的信息，且闭环控制能改善编队的全局模型。基于全局模型，可确认能发挥每个编队成员优势的行动计划。

表1 主要的目标、关键技术和指标

协同自主技术具体包括：能够多来源数据融合（形成统一战场图像），具有共同决策架构（适应不同网络情况，通信带宽降低时给出传输任务优先级排序），能够动态组合编队和子编队，可在无天基/空基的支援下工作，能够适应高度的不确定性。

协同自主技术主要包括协同感知、协同打击、协同通信、协同导航技术、编队飞行、多限制自动路径规划、带宽降低的措施。

如多限制自动路径规划验证过程中，编队执行ISR任务时，一架无人机遭遇突发威胁，自主重新规划路径，与其他无人机协同重新生成行动方案，如图3所示。

图3 自主重新规划路径示意图

带宽降低方面主要通过以下措施实现：据任务情况压缩、价值信息（排序）、健康监测（模型）、行为模型等。

3.3 监控界面实现异构多无人系统的监测控制

监控界面最终目标为能使指挥官的角色提升为监督角色。主要能力包括可部署在移动控制站，可以控制多于4架无人机，促进任务规划（定义），人机之间可自然交互，简洁但综合性较强的组合（指挥官可以运用人的判断力判断当前状态），满足训练和实战需求，支持双向信息流动。主要技术包括：多模型接口耦合点触/声音、理解指挥官意图、上下文理解、不确定性表示、决策辅助、目标分类要求、编队和子编队可视化、编队和子编队任务规划、定义系统权限或自主水平、视觉和听觉的预警。

为实现拒止环境中指挥员监控多无人机协同作战执行任务，美国智能信息流技术有限责任公司开发了人机交互应急规划（SuperC3DE）系统。SuperC3DE是一套人机交互和智能决策辅助工具，提供综合多视角人机界面，开启调用可直接进入地图进行可视化显示，能使一人同时有效控制监督管理多架无人机。此外，该系统还包括监督应急规划评估子系统（SCOPE），对任务方案自主分析、预估、优化、反馈，实现自主辅助决策。

图4 SuperC3DE系统架构

图4给出了SuperC3DE系统的架构，包括两个关键组件（黄色区域和金色区域）：战术手册交互（Playbook HSI）和应急规划子系统（SCOPE）。红色区域和绿色区域代表拒止环境中协同作战项目其他软件组件。SuperC3DE系统组件直接与编队自主规划（ATP）组件（用于编队无人机协同和规划路径生成）交互。ATP组件生成路径后由无人机执行。为评估和验证，SuperC3DE系统基于美国空军实验室的Fusion/IMPACT测试平台（FIT）进行测试。

3.4 开放架构实现不同类型无人系统功能的快速整合

拒止环境中协同作战开放架构需要自适应性、快速整合、通过白军网络测试过渡、兼容各种标准、高度模块化。开放架构对于拒止环境中协同作战通信的发展极为重要。现有的系统和尚未构建的新设计必须能够在允许连续改进的环境中共同运行。若要实现这个目标，必须向所有的相关方提供明确界定的界面，这些界面由政府拥有，适合快速整合、自主调整灵活测试。

开放架构是必须融入系统研发的每一步。鉴于系统目标是促进许多不同无人系统的协同作战，开放架构是实现拒止环境中协同作战愿景不可或缺的条件，建议的拒止环境下的协同作战架构如图5所示。

白军网络将注入可视化空中平台、可视化威胁和可视化目标、突发性任务。突发性任务包括仿真GPS或通信丢失情况及其他任务失败仿真。为实现白军网络的运行，拒止环境中协同作战项目采用了WFN软件，软件构成如图6所示。WFN软件是一个由两部分组成的分布式系统，包括通过TENA总线通信的基于地面的模块，TENA总线通过实时网络链路与SUT中嵌入的软件模块进行通信。该软件实现了白军网络的架构。

4 在分布式协同作战中的影响分析

4.1 基于现有无人系统采用分布式协同作战样式实现作战能力的倍增

图5 建议的拒止环境下的协同作战架构

图6 WFN软件构成图

CODE项目基于协同自主算法重点解决三个任务场景的作战——战术侦察、反水面战、摧毁地面的防空力量。拒止环境中协同作战开发和演示协作自主算法——无人机编队在单个人的监督控制下协同工作。无人机将不断评估自身的状态和环境，并向任务指挥者提出协调无人机行动的建议，任务指挥者将决定是否批准此类编队行动并指导任何任务变更。使用协作自主，启用拒止环境中协同作战无人机将根据既定的交战规则找到目标并参战，利用附近其他无人系统，只需最少的监督，并适应动态情况，如友军的消耗或意外威胁的出现。拒止环境中协同作战通过协同自主算法，改进无人机的操作，使每个指挥者操作多个无人机。指挥者可以混合和匹配具有特定能力的不同系统，以适应各个任务，而不是依赖于具有集成能力的单个无人机。这种灵活性可以显著提高现有无人机任务和成本效益，缩短未来无人机的开发时间和成本，并实现新的部署概念。

4.2 从整体上提高分布式协同作战控制力

CODE项目主要解决拒止环境作战中无人系统的自主协同问题，属于系统之系统之类的项目。DARPA支撑空中分布式作战概念，发展了一系列项目，如图7所示，支持分布式作战的各种能力，而CODE项目能够提高分布式作战的整体协同作战能力。除四项关键技术外，其他例如安全网络无线电技术、信息安全技术、紧密耦合的分布式孔径、平台和传感器设计技术等，都不属于CODE项目的重点技术，但在分布式作战中具有重要或者潜在高价值。此外，CODE项目从整体上解决了分布式作战的关键能力，可避免因为经费问题中断分布式作战实现。

5 结束语

DARPA TTO开展CODE项目，重点研究利用先进自主和协同算法，全面提升现有和/或新的无人机有效性、生存性和经济性，以适应拒止环境中作战。目前该项目进入最后的飞行演示验证阶段，该项目的成果将推动分布式蜂群在战场上的应用。

图7 支撑分布式作战其他项目