智能武器站发展现状与关键技术分析

郑博文，毛保全，钟孟春，杨雨迎

（陆军装甲兵学院，北京 100072）

0 引言

随着人工智能技术的快速发展，未来战争的形式也随之发生着巨大的变化，其主要特点就是尽量减少作战人员直接介入高风险战斗，提高武器系统的快速反应能力和实际战场环境中的贡献程度。因此，智能武器系统引起了国内外军事强国的广泛关注，成为高新技术武器装备发展的新方向，特别是阿富汗、伊拉克、叙利亚等近几次战争表明，装甲部队已经越来越多地参与到城市作战当中，发展智能武器站成为陆军城市作战的迫切需求。目前，在国外无人地面作战平台上已经可以看到智能武器站的身影，国内虽然开始展开对智能武器站的相关研究工作，但至今没有成型产品。本文将以国外典型智能武器站为主进行分析。

1 智能武器站基本概念及内涵

武器站［1］（Weapon Station）：指不同武器与观瞄、控制等不同功能模块的组合配置。其中，站（Station）强调的是具有独立功能的平台（可更换、提供环境）。武器站按照作战模式可分为反直升机武器站、反狙击手武器站、护航军舰武器站、城市作战专用武器站等。根据系统控制方式又可分为遥控式武器站、半自主式武器站和自主式武器站。其中，半自主式的控制系统是指具备一定的传感器数据处理能力，生成感知模型能力，或独立于有人遥控为主实现部分功能的低水平自主控制，最终指令的启动和停止均由操作员来控制；自主式的系统控制是指系统的感知、决策、协同和移动性的有机结合，无需人为干预，根据非结构化环境中的特定控制策略自我决策并连续执行一系列控制功能以实现预定目标的能力［2］。这种能力产生要经历两个过程：首先，从感觉到记忆再到思维的过程，称之为“智慧”。其次，智慧的结果产生了行为和语言，称之为“能力”，两者合成为“智能”［3］。

因此，可以理解，半自主式和自主式这种具有一定自主能力的武器站为智能武器站，国外也称之为无人战车火力打击系统、无人平台火力打击模块等。对此，将智能武器站定义为具有自主行为能力进行独立搜索、识别并攻击目标的可安装在多种军用平台上的相对独立的模块化武器系统。其内涵体现在自主性，是在无人干预或人在环遥控为主的情况下，机器利用传感器和计算机程序与环境交互，完成预期任务的能力，具有感知和预判能力、记忆和思维能力、学习和自适应能力以及行为决策能力等特点［4］。

2 国外智能武器站发展现状

智能武器站的发展，伴随自主化水平的不断提高和自主化程度的不断深化，它在构成上不断融入大量先进的、精密的、复杂的信息化设备，在技术上应用了人工智能的敌我识别、跟踪瞄准、信息联通、精确打击、毁伤评估等先进技术，这些特征是遥控武器站所不具备的，特别是人工智能水平的不断提升与更迭，智能武器站的发展也随之发生着进化与改变。

2.1 自主水平的标度

文献［5］美国陆军未来作战系统（FCS）对于智能武器系统自主水平的标度作出了说明，如表1 所示。国外学者如谢里丹和维普兰克也从10 个层面更全面地描述了人机交互，如表2 所示。

表1 美国陆军未来作战系统（FCS）自主水平标度

表2 自主水平等级（谢里丹和维普兰克，1978 年［6］）

2.2 半自主式智能武器站发展现状

目前，半自主式智能武器站技术是各国大力发展的主要方向，已初步具备一定的作战能力和使用功能：一是可以执行多种类型的战术任务，主要包括侦察、跟踪、打击、通信等；二是在已有成熟技术的基础上进行加装改制增强作战效能；三是可作为一种载体用于多种核心技术的试验；四是战场机动能力和战场生存能力较强；五是易与无人作战指挥系统相连接，构成基本的数字化网络化智能单元。按美国陆军未来作战系统（FCS）作出的标度来看，目前，半自主式智能武器站多处于“认可管理模式”的2 级水平。

1）美国是最早研制和装备智能武器站的国家。其中，典型代表有：“利剑”（Swords）机器人，应用在伊拉克战争中。其打击模块含M249 型5.56 mm 班用自动机枪、M240 型7.62 mm 机枪和巴雷特M82A1 型12.7 mm 半自动步枪，以及40 mm 榴弹发射器和多发喷火武器，无线电控制距离达1 km；“派克波特”（Pack Bot）无人战车，美82 空降师在阿富汗反恐作战中，首次使用Pack Bot 无人战车在山洞搜查中进行作战。

2）俄罗斯以实战推动智能武器站的快速发展。2015 年，在叙利亚武装斗争中一战成名的“平台-M”、“天王星”系列无人战车，在强攻伊斯兰极端势力据点的战斗中被宣称是世界上第一场以武器机器人为主的攻坚战。其火力打击模块主要包括视觉系统和武器系统。武器系统配备有机枪、机关炮、反坦克导弹、攻击隐蔽火力点和轻型装甲目标火箭弹及防空导弹，该系统可自动瞄准，在自动和半自动控制模式下跟踪并攻击目标，装备的光电和雷达侦查系统可为精确武器提供激光雷达制导。视觉系统配置一具光电观瞄装置，使武器站可以在夜间不借助探测工具的情况下执行作战任务［7］。

3）德国创新将智能化导弹应用于智能武器站的设计。MBDA 公司与Milrem 公司联合研制的反坦克无人战车在2018 年欧洲萨特利防务展上进行了展示。其中无人车任务载荷的智能武器站达750 kg，配有1 挺7.62 mm 机枪，可携带2 枚待发状态的MMP 导弹，并配有用于寻获目标的昼/夜传感器。其中导弹有3 种工作模式，发射后不管、人在环控制、车载超视距打击，光纤数据链实现了人在环的控制模式。

除了上述国家外，世界其他军事强国（如英国、以色列、法国等）也在积极开展智能武器站的研制工作，并开始将其装备地面无人作战平台上，可以说智能武器站的发展正方兴未艾。

2.3 自主式智能武器站发展现状

自主式技术目前还多处于研制实验阶段。目前，美国是研究自主式智能武器站最早，人力、物力、财力投入最多的国家，美国国防部国防高级研究计划局（DARPA）主持研制的地面无人作战系统自主地面战车（ALV）是研究最前沿和最复杂的，但还没有应用到地面无人作战平台的实际装备。

2.4 智能武器站基本构成及功能特点

2.4.1 基本组成

从国外地面无人火力打击系统的研究现状分析，智能武器站主要由火力及枪塔单元、观瞄单元、目标自动识别与智能辅助决策单元、信息与控制单元、火力发控单元、无线数传单元和其他设备等部分组成。

图1 智能武器站系统组成框图

1）火力及枪塔单元：主要由武器子系统和枪塔子系统组成，其中武器子系统包括12.7 mm 机枪（或7.62 mm 机枪或14.5 mm 机枪）、35 mm 自动榴弹发射器、76 mm 烟幕弹以及轻量化导弹。枪塔子系统主要包括底座、座圈、托架、摇架、供输弹装置、电击发装置和导弹发射装置等部分。

2）观瞄单元：主要由光电探测器、光电转台、控制器组成。其中，光电探测器包含有可见光探测器、红外热像仪、激光测距/照射机；光电转台包含有高低- 方位旋转机构、伺服电机、测速装置、测角装置；控制器包括有接口板、伺服控制板、伺服驱动板和电源板等部分组成。

3）目标自动识别与智能辅助决策单元：主要由置于信息与处理系统中的高速计算硬件，以及运行于硬件系统之上的目标识别、跟踪、智能辅助决策等专用算法和软件组成。其核心是目标检测、识别、跟踪、自学习和决策算法，在功能和性能上满足相关需求。在作战任务中，提供威胁判断、武器选择、毁伤评估等智能决策支撑。

4）信息与控制单元：该单元是智能武器站的信息处理中心，主要完成目标智能识别、图文叠加处理、智能辅助决策、弹道解算、射击控制、综合信息接口及处理功能，由数字信息处理板、图像信息处理板、网络交换板、数据记录板电源转换板组成。

5）火力发射控制单元：该单元是发射控制驱动响应单元，控制武器系统的各种击发机构，实现击发控制。主要由信号处理、信号发控、安全保险及状态反馈等部分。

6）无线数据传输单元：主要包括无人车载天线、无人车载数据终端、操控台数传天线与操控台数据终端等。

7）辅助单元：主要包括配电控制箱、旋转连接器和联接电缆等设备。

2.4.2 总体功能

1）具备远距离自主观察、瞄准、射击的功能；

2）具备复杂战场环境下目标自动探测、定位、跟踪、鉴别和处理目标的能力；

3）具备智能化与射击安全控制功能；

4）具有自主式和遥控式打击作战方式，可实时响应人工平台的指挥；

5）具备动态精确打击、行进间射击和对空自卫射击能力；

6）具备机枪、榴弹和导弹等武器集成功能；

7）具备信息联通能力。具备有人和无人相结合、地面和空中相结合、远程和近战相结合的通信能力，具有高宽带、远距离、低延时、强抗毁、易维护、可自毁通信能力；

8）具备基本故障自诊断功能，快速查找故障源；

妊高症是妊娠期的高血压疾病,是妊娠阶段的特有疾病,主要是妊娠20周以及产后2周之间发病,患者出现了高血压,蛋白尿和水肿等表现,严重患者还会昏迷抽搐,也是孕妇和胎儿死亡的重要原因[1]。预见性护理时对患者的疾病规律进行分析,预测疾病风险,科学的进行预防护理,确保患者的治疗顺利完成,提升护理质量以及护理满意度。临床研究显示[2],对患者的病情及时发现,积极的进行处理,能够预防严重并发症,保障母婴安全。此次我们就预见性护理的效果进行了分析,有以下报道。

9）具备整车集成功能。具备与无人车辆系统的融合及信息扩展功能，可融入数字化战场；

10）可人工/自动装订距离、气象等弹道修正参数，具有射表外部写入功能。

2.4.3 主要特点

1）配置多样化。智能武器站系统突出模块化理念，具有开放式结构，不仅能够安装多种武器类型，还能加装不同的传感器组［8］。

2）较高智能性。具备自我学习、思考、逻辑推理和判断等多种人工智能，针对复杂战场环境的目标跟踪自学习框架，有效提高目标检测、跟踪和识别的精度。针对敌对目标进行威胁判断排序，为指挥员提供辅助决策信息，打击后有效进行毁伤评估，实现指挥员与智能决策系统的人机协同混合决策。

3）高性能弹道火控。通过弹道计算机技术、分离式瞄准线系统技术等，自动把机枪武器调整到合适的射角度，在半自动控制模式下跟踪并攻击目标。导弹通过定位导航控制弹道轨迹，利用光纤数据链实现人在环的控制模式。

4）先进的信息处理能力。具备数字视频信号处理与光纤网络传输能力，保证高速观测数据在多径环境下的可靠传输和低时延无线数据传输，提升数据传输抗干扰能力。

5）可纳入战场管理系统（BMS）［9］。通过激光测距机配合车载计算机形成网络化战斗体系，对战场信息进行实时交换，并可以同时指挥多个武器站参与作战，形成一体化作战体系。

3 智能武器站发展趋势

从总体结构和技术发展角度来分析，智能武器站将会向小型化、智能化、任务多用途化发展。其中，提高武器系统的自主性、协同性和多样化是发展的重点方向，以提高智能武器站的自主能力和集群作战能力，进一步扩展任务空间和领域［10］。重点体现以下4 个方面：

1）集成化。火力集成化，提高应对多种目标和威胁的综合打击能力。操控模式集成化，采用有人操控和无人操控两种模式，根据不同任务需求选择不同操控模式。目标搜索、识别和跟踪一体化，信息处理一体化，毁伤评估方式等采用自主与人工遥控集成，综合提高智能武器站精确查打能力。

2）智能化。目标识别与跟踪智能化，实现复杂背景和战场环境中的目标智能识别与跟踪，自主确定目标类型，并评估目标的威胁程度。决策智能化，基于目标识别与跟踪系统信息自主选择武器，为射手提供辅助决策信息。射击安全控制智能化，可以有效减少失误操作，提高武器系统的安全可控性。毁伤评估智能化，能够实时有效分析目标打击毁伤程度，增强任务规划能力。

3）轻量化。火力轻量化，可增加配备武器种类和弹药数量，大幅提升火力打击能力。机械结构轻量化，可减小火力后座阻力。器件轻量化，达到总体重量减轻和局部结构瘦身的效果。材料轻量化，有效实现智能武器站的总体重量满足未来地面无人平台的有效载荷，实现地面无人查、打、保一体的作战系统。

4）模块化。接口标准化，主要包括机械接口、电气接口和人机接口，重点考虑可靠性、兼容性、通用性和可扩展性。火力单元可换化，通过不同口径机枪、导引头和战斗部互换，实现火力单元开放式结构，易于火力增配、升级和技术更新。

4 工作原理及关键技术分析

4.1 智能武器站系统工作原理

图2 智能武器站系统工作原理图

如下页图2 所示，智能武器站接到作战任务指示后，自动完成火力打击模块各设备的配电，与远程遥控终端建立通信连接。远程遥控终端完成作战模式、工作状态（战斗、检校）、观瞄单元探测器选择以及武器平台各类参数（光电、气象、火力方式等）设置。完成自检后，进行目标搜索与预识别，将目标图像信息发送至信息与控制单元，发现可疑目标后，观瞄单元自动切换成区域搜索方式，对可疑目标的区域进行重点搜索，根据目标预识别和敌我识别结果完成目标威胁评估，并将目标信息作为指挥员的辅助决策信息发送至遥控终端，由指挥员“确认”打击目标，并发出射击指令。确认打击目标后，激光测距仪/照射机自动发射激光，完成目标测距，输出目标位置信息，根据目标类型、目标距离、目标速度、目标抗毁伤能力等决策因素，智能选择火力方式（机枪/导弹/榴弹），上报远程终端，由指挥员最终“确认”火力方式。最后，进行毁伤评估，通过对打击前后的目标图像信息进行对比，提取目标毁伤区域，评估毁伤效果，确定是否需要再次射击。

4.2 关键技术分析

智能武器站的关键技术主要包含总体集成、复杂环境下目标识别与跟踪、人机智能融合射击安全控制、动态精确打击、自主深度学习、多元材料自适应武器架座、无线测控抗干扰信息传输和实时在线可控等技术。综合这些特点，着重对总体集成与全重控制、智能化辅助决策、动态打击精度等技术进行研究。

4.2.1 总体集成技术

1）总体结构设计上，考虑到智能武器站内部空间较小，总体重量和空间较难控制［11］，为满足系统要求，总体结构设计中特别重视有限空间的合理使用，并妥善处理操作可靠性、维修性和电磁兼容性等问题，通过新型轻量化材料技术，在保证刚、强度的前提下尽量减轻结构的重量，并对各分系统提出小型化和减重的要求。

2）针对传统武器站刚性架座体积大、质量重及行进间变射频条件下连发射击精度和射击密集度低、可靠性差等问题，可以构建弹性阻尼体材料、制振合金、铝组合金、高强度耐腐蚀钢等多元材料的本构关系模型，及多元材料智能武器站仿真分析模型，通过调整多元材料优化组合、材料组成成分、结构设计尺寸等，研究多元材料对智能武器站轻量化、射击精度、密集度及可靠性的提高途径，以达到减体、减重和提高射击精度、密集度及可靠性的需求。

3）针对强后坐力、变摩擦力和可变转动惯量的智能武器站搭载平台，高动态精度武器随动稳定技术是关键。基于跟踪微分器和扩展状态观测器的自抗扰控制技术是数字控制技术的发展趋势，它不但吸收了现代控制理论成果，而且发扬PID 控制思想精髓，是一种不依赖于系统精确模型的非线性鲁棒控制技术。该技术使用非线性结构而不是极点配置来设计控制系统，并基于期望轨迹与实际轨迹的误差大小和方向来实施非线性反馈控制，是一种基于过程误差来减小误差的方法［12］。其最突出的特征是把作用于被控对象的所有不确定因素都归结为未知扰动，直接利用对象的输入输出对未知扰动进行估计并通过前馈自动给予实时补偿［13］。

4）信息化集成技术是实现武器系统智能化的基本技术支撑。针对智能武器站有人和无人相结合、远程和近战相结合、与其他无人作战系统相融合、与数字化战场相融入的信息技术特点，在信息技术总体集成上，可通过模块更新、技术改进、软件提升等方法多径实现。模块更新是通过不断更新或加装新模块，便利新技术模块更迭；技术改进是通过数字技术、智能技术、多媒体技术等信息技术对武器系统进行信息化改进；软件提升是植入智能控制、信息处理、自动识别等软件，为支撑智能化不断注入新技术、新力量。

4.2.2 目标检测、识别与跟踪技术

目标的检测、识别与跟踪是智能武器站智能化的重要特征，通过接收来自系统的控制命令，通过处理，从电视探测器和红外热像仪的视频信号中自动检测出目标，并对目标类型进行识别和跟踪，实时输出跟踪器的跟踪状态参量以及目标相对于瞄准中心的方位和俯仰角偏差量，驱动伺服系统，使传感器系统向着减少角误差的方向动作，实现视觉跟踪和云台跟踪的闭环。

基于视觉的目标跟踪和识别技术［14］是当前主流的智能跟踪与识别技术，技术框架如图3 所示。它由应用层和强化层两部分构成。应用层为图中的下半部分，主要功能是基于输入图像，分析图像中存在的目标和行为；强化层为图中的上半部分，主要功能是基于人工校验信息来强化学习目标的模型。在这个闭环下，随着真实战场环境的测试和应用，智能武器站的智能分析能力会得到逐步增强，并且逐步适应具体的应用环境，完成从通用环境下的应用到战场环境应用的功能完善。

图3 目标的检测、识别与跟踪技术框架

为实现全天候和复杂环境下的目标检测与识别追踪，视觉图像会存在一定局限性，例如远距离情况下目标在图像上可能以点状存在，难以通过视觉信息判定其是否感兴趣的目标，此时有必要引入其他传感器的信息，例如激光雷达测距、红外传感器测温等，这些涉及视觉传感器和其他传感器的多源融合。

4.2.3 智能辅助决策技术

在战场环境中，针对敌方来袭目标战术意图和行为的不确定性，对于武器系统如何快速准确反应、判断、决策便显得至关重要。传统的武器站主要依靠人来操作、判断，受客观因素的复杂性和主观意识的压力感，势必产生一定的影响。智能辅助决策技术便是解决这一突出问题的一种有效途径，武器系统在发现目标并经目标识别和威胁判断后，可对敌方的战术意图和行为进行预测，并实时输出我方的打击决策预案，辅助远程操控人员完成对战场态势的理解，实时输出辅助决策结果（目标威胁评估、武器选择、毁伤评估），辅助远程操控人员完成对战场态势的理解，并做出准确的判断。

在智能辅助决策中，最重要的就是自学习系统，这是整个辅助决策系统智能化的核心部分［15］。学习过程可以采用监督学习和自主学习相结合的机器学习手段来完成，整体流程示意图如下页图4 所示。

对于机器学习的任务来说，足够多的标注数据是提升学习能力的保障。然而，在战场这样开放式的环境中，很难获取足够的数据和相关标注来覆盖所有可能的情景。针对这种场景，需要采用自学习的机器学习方法来综合利用标注和未标注的数据提高学习粗的模型。即先使用非监督的方式得到通用、高效的表达，然后在这个表达的基础上进行第2种基于数据关联的监督学习。

4.2.4 无线测控抗干扰信息传输技术

智能武器站与遥控武器站另一个最大的显著区别在于它的传输方式。遥控武器站主要通过远距离的有线传输信息来进行，而智能武器站需要实现远程控制和信息传输。这也对无线传输的信息准确性、实时有效性和可靠性带来很大的技术挑战。

目前，通过采用无线信道数据链方式，可以有效扩展无人战车通信距离，提高作战方式的灵活性。但无线信道易受外部干扰，为提高复杂地理和电磁环境下的数据链抗干扰能力，无线数据传输单元可采用直接序列扩频和OFDM 技术，分别实现遥控指令和高速图像信息的抗多径无线传输；采用频域抗干扰＋扩频＋纠错编码＋交织等综合抗干扰技术，实现复杂电磁环境下智能武器站的控制指令及遥测数据传输［16-17］。工作流程如图5 所示。

图4 监督学习和自主学习相结合的机器学习流程图

图5 无线测控抗干扰信息传输技术工作流程框图

5 结论

智能武器站不仅是一种武器系统，还是一种理念，折射出了智能时代、信息战争、信息化战场的丰富内涵；不仅是技术层面的问题，也能体现出军事思想、战略战术、勤务保障等多方面深层次的问题。所以，应当在智能技术快速发展的同时，对智能武器站的发展趋势进行超前研究，并深入分析系统体系结构特点和新技术的应用潜力，建立智能武器站的理论体系，对武器站的发展论证、设计理论、体系结构起到理论借鉴的作用。同时，研发并装备我国自己的智能武器站，需要从基础开始研究，从静默期开始探索，这是一个艰巨的系统工程，需要做出不懈努力。