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美国军用无人机先进技术开发项目一览

时间:05-11 13:55 阅读:4804次 转载来源:战略前沿技术

摘要:远望智库:与智者同行,为创新加速专家库 | 人才库 | 企业库 | 项目库 | 投资机构库 | 招商信息库来源:高端装备发展研究中心进入21世纪以来,无人机迅速发展成为一种新型空中力量并在现代战争中显示出越来越重要的作用。美国是世界军事头号强国,当前在军用无人机技术方面已经走在世界的前列,但美军从未松懈对无人

远望智库:与智者同行,为创新加速

专家库 | 人才库 | 企业库 | 项目库 | 投资机构库 | 招商信息库

来源:高端装备发展研究中心

进入21世纪以来,无人机迅速发展成为一种新型空中力量并在现代战争中显示出越来越重要的作用。美国是世界军事头号强国,当前在军用无人机技术方面已经走在世界的前列,但美军从未松懈对无人机技术的探索开发,以美国国防部高级研究计划局为首的研究机构与美国工业界联合,积极展开了一系列涉及认知电子对抗、精准火力支援、协同导航定位和蜂群使能作战等多个先进研发方向的技术项目,为美军未来军用无人机的技术升级提供了可行的方案。现选取几个典型项目介绍如下。

BLADE项目

BLADE项目全名为“认知电子战中的行为学习”(Behavioral Learning for Adaptive Electronic Warfare,BLADE),主持机构是美国国防部高级研究计划局(DARPA)。BLADE项目是国防部认知电子战计划(Cog EW)的一个探路项目,项目的目标是在战术环境中即时开发出对抗新的动态无线通信威胁的能力。该项目的重点是通过开发能够快速检测和描述新无线电威胁的新型机器学习算法和技术,动态合成新的对抗措施,并根据对威胁的无线的、可观察到的变化提供准确的战斗伤害评估,最终实现用几分钟——而不是几个月的时间,来检测、描述和对抗先进的无线通信威胁。

认知→对抗简要流程——DAPRA

2016年,BLADE项目已经成功完成空中飞行演示实验,承包企业在一个政府测试地点展示了它的通信干扰技术:洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)的工程师们和洛·马的分包商——雷神公司(Raytheon)的代表共同协作,在一架改良的Piper Navajo飞机上演示了几个小时,从包括军用无线电、手机和专用数据链在内的无线通信测试信号中收集了无线射频能量。雷神公司还提供了他们的下一代电子战系统——Silencer,来掌控BLADE系列飞行测试中机器学习的软件。代表多国政府或组织的人员观看了机载BLADE系统在各种战术场景中动态地感知、描述和干扰自适应无线通信威胁。

更重要的是,BLADE项目开发出的技术为作战人员提供了对抗新威胁的能力(在假设中,这些威胁可以迅速适应或改变其电子姿态)。洛克希德·马丁公司的工程师和科学家开发了新的机器学习算法和技术,快速检测和描述新的无线电威胁,动态合成新的对抗措施,并根据威胁的空中观察变化提供精确的电子战斗伤害评估。洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin ATL)频谱系统实验室总监斯科特·罗杰斯(J.Scott Rodgers)博士认为,这一项目的努力使他们能够证明将机器学习技术应用于光谱挑战的可行性。机器学习能够提供更智能的频谱操作能力。”总结来看,BLADE项目所做的努力正在使今天的人工密集型的、基于实验室的对抗开发方法转变为一种自适应的、现场随机应变的系统型方法。

ARC项目 

当前机载电子战(EW)系统必须首先识别威胁雷达,以确定合适的预编程序电子对抗技术(ECM)。但是当雷达从固定的模拟系统发展到可编程的数字变种时,这种方法就失去了效力,因为它具有未知的行为和敏捷的波形。未来的雷达可能会面临更大的挑战,因为它们将能够感知环境,并适应传输和信号处理,以最大限度地发挥性能和减轻干扰效应。

美国国防部高级研究计划局(DARPA)“自适应雷达反干扰”(Adaptive Radar Countermeasures,ARC)项目的目标是使美国机载电子战系统能够在现场实时自动生成针对新的、未知的和自适应的雷达波的有效对抗措施。ARC将具备以下能力:在其他敌对、友好和中立的信号中隔离未知的雷达信号;推断该雷达构成的威胁;合成和传输抵消信号,以达到预期的效果;评估基于无线观测威胁行为的对策的有效性。

ARC技术将使用开放式架构来开发,允许插入、修改和删除软件模块,同时对系统的其他元素保持最小的影响。ARC算法和信号处理软件既适用于新的EW系统,也适用于在没有前端射频硬件的大量返工的情况下对现有的EW系统进行改造。

2013年3月,BAE系统公司获得了自适应雷达对抗项目第一阶段合约,价值3670万美元,为期30个月。在自适应雷达对抗项目的第一阶段中,该公司工程师已经完成了算法设计和组件级测试。在项目的第二阶段,该公司完成了算法与电子战载荷的集成和大量硬件回路测试,其中涉及了大量对抗先进关闭雷达模拟实验的测试。

自适应雷达对抗概念设想---BAE SYSTEMS公司

在第二阶段,BAE团队成功地展示了ARC系统在封闭测试环境中的优异特性以及自适应对抗先进威胁的能力。在ARC项目第二阶段结束时,DARPA看到了BAE团队的进步,决定让其继续开展第三阶段的工作。2016年11月4日,BAE系统公司宣布获得DARPA授出的合同,继续开发“认知电子战”项目,为DARPA研制“自适应雷达对抗”(ARC)系统,帮助机载电子战系统对抗新的未知的自适应雷达。ARC项目由此进入第三阶段,预计2018年完成项目计划。

在ARC项目的第三阶段,BAE公司将开展包括完成算法开发任务、先进战备性测试以及将ARC技术应用到关键空中作战平台(如第五代战斗机)等工作。DARPA修改合同使得BAE系统公司在ARC项目上获得累计达3550万美元合同。BAE表示将继续完善技术,不断用它来测试对抗美国武器库中最先进的雷达,进而成功地将它转化到实战中去。

PCAS项目

PACS项目全名“持久近距空中支援”(Persistent Close Air Support,PCAS)。是美国防高级研究计划局(DARPA)为解决近距空中支援(CAS)的难题而设立的。

PCAS项目设想图—DARPA

通常,由于空中机组人员与地面作战人员的协调过程十分复杂,因此近距空中支援(CAS)在实际执行起来特别困难且危险。DARPA PACS项目旨在发展激烈对抗环境中更加精准、及时和容易地进行近距空中支援(CAS)或其他任务的空地协同工作,能够使用更小型的弹药攻击更小、多类型和移动的目标,以降低误伤和附带损伤的风险。这种能力在城市环境中尤其重要。项目聚焦于可以分享实时态势感知和武器系统数据的技术,并可把这种技术配装在几乎所有飞机上。

从目前的设计来看,PCAS由两部分构成,即PCAS-Air(空中系统)和PCAS-Ground(地面系统)。PCAS-Air是一种不定型的即插即用型系统,由内部导航系统、武器管理系统和高速数据传输系统组成,它们安装在模块化的智能电子发射器(SLE)中。根据战术信息,PCAS-Air的自动算法会向支援部队推荐最佳飞行路线,选择抵达时使用的武器以及如何最好地部署它。

PCAS-Air通过PCAS-Ground与地面部队(例如JTAC,美军联合终端空中控制员)通信。PCAS-Ground是安装在商用安卓平板电脑上的一系列态势感知和地图软件的集成,能够提高作战部队的态势感知与机动性并进行火力协调。从2012年12月至2013年3月,DARPA向驻扎在阿富汗的单位部署了500台配备PCAS-Ground态势感知软件的Android平板电脑。 实地报告显示,PCAS-Ground取代了这些单位的旧纸质地图,大大提高了地面部队快速和安全协调空中交战的能力。

2015年3月27日,DARPA在TALON REACH演习(美国海军陆战队步兵/航空演习)中首次成功试验了完整的PCAS原型系统。演习中,MV-22使用没有安装战斗部的“格里芬”导弹从9公里外支援了一名模拟被击落的飞行员。导弹通过激光制导准确命中了目标,而如果导弹爆炸,则可将目标完全摧毁。演习中,从JTAC确认目标到完成导弹攻击仅耗时4分钟,这比PCAS项目6分钟的目标时间还要短,而传统的依靠声音指示和纸质地图的方法经历同样的过程却需要半小时或更久。

DARPA PCAS系统成功验证

这次成功的验证表明,自动化数字式实时协同能力首次融入到了军用航空系统中,这包括支援地面部队的导轨发射弹药、数字式数据链和先进软件。

随后在2015年9月,DARPA在A-10“雷电II”攻击机上对持久近距空中支援原型系统(PCAS)II成功进行了飞行验证。试验于内华达州内利斯空军基地进行,总共开展了50次成功飞行。标志着在该系统在美国空军的成功使用。

除了在MV-22“鱼鹰”、A-10“雷电”攻击机上进行验证外,DARPA正在努力将这套系统安装到其他军种的无人平台上进行试验。未来,美军无人机也有望借助此项技术执行持续近距空中支援任务。

CommEx项目

CommEx项目全名“极端射频频谱条件下的通信”(Communications Under Extreme RF Spectrum Conditions,CommEx)。启动机构为美国国防高级研究计划局(DARPA),并由美国空军实验室赞助,BAE system系统公司承做。当前,其他国家使用的频谱以及世界范围内广泛的商业频谱导致电磁环境日益拥挤。频谱之间的竞争要求通信系统具有显著的适应性和灵活性以确保不间断的通信,实现任务目标。

CommEx项目信号环境设想

CommEx项目旨在表征干扰环境、主动压制敌方频谱干扰,并使得己方飞行器可以在高对抗性射频环境中通信的技术,确保国防武装力量的通信系统具备通过干扰抑制成功进行通信所需的灵活性和适应能力。为此,CommEx开发了一系列创新技术,对Link 16数据链进行了强有力的模块化升级。CommEx项目的自适应抗干扰系统已经在Link 16电台上进行了集成测试,并在飞行中测试了CommEx的一些抗干扰特性。完整系统测试已经于2017年完成。

目前,CommEx项目已经跃升成为Link 16升级周期计划中的一部分。但是,CommEx只是DARPA伟大雄心的第一步:在非常有争议的环境中动态控制电磁频谱。在CommEx的基础上,DARPA又进一步发展了CLASS项目。在此不再赘述。

CODE项目

CODE项目全称“拒止环境中的协同作战”(Collaborative Operations in Denied Environment,CODE),发起机构是美国国防高级研究计划局(DARPA)。

CODE项目旨在帮助美国军方的无人机系统(UASs)执行针对在拒止环境或有争议的电磁空域中的高机动地面或海上目标的动态、远距离作战,同时降低所需的通信带宽和对人类监视的认知负担。从技术实现上来看,CODE项目意图通过发展先进算法和软件,探索分布式空战无人机的自主和协同技术,使无人机群可在一名操作人员的管理下协作完成发现、跟踪、识别和攻击目标等任务。

CODE项目的概念示意图

采用CODE算法的无人机在拒止环境下的导航设想图

CODE项目于2015年启动,在CODE项目的第一阶段已经成功模拟验证了UAS战术协作自主性的潜在价值,并同合作者共同完成了可向未来作战系统转变的过渡计划草案。在两个团队之间,DARPA已经选择了大约20个自主行为,它们将可以大大提升这些UAS的任务能力,并使得这些UAS能够在拒止或争议环境中执行复杂任务。

2016年6月,DARPA向洛马公司及雷神公司授予项目第二阶段系统集成合同,在CODE项目的第二阶段,DARPA计划在两个开放式架构团队内均实施一种初始行为子集,并使用那些架构通过一个或两个真实UAS协同几个虚拟飞机执行真实的飞行测试。洛马公司和雷神公司以RQ-23“虎鲨”(Tigershark)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,验证了开放式架构、自主协同等指标。

2018年1月,DARPA授予雷声公司“拒止环境中协同作战”(CODE)项目第三阶段合同,完成CODE项目软件研发和最终的飞行演示。承做团队将测试六个UAS并协同其他模拟飞行器合作的能力。试验将通过单人指挥UAS团队执行复杂的任务,包括目标搜索、识别以及对主动的、不可预知的对手的战斗。

按照计划,CODE项目第三阶段将引入更多无人机在更复杂的场景下开展自主协同飞行测试,以进一步扩大代码能力。

OFFSET项目

OFFSET项目全称“进攻性蜂群使能战术”(OFFensive Swarm-Enabled Tactics,OFFSET),发起机构是美国国防高级研究计划局(DARPA)。

2016年12月,DARPA在公布“进攻性蜂群使能战术”(OFFSET)项目时披露,OFFSET寻求发展一个积极的蜂群战术开发生态系统及支撑性的开放系统架构,包含:先进的人与蜂群界面,让用户实时且同时监控与指挥数百单位的蜂群无人平台;实时、联网的虚拟环境,能支持一种基于物理的蜂群战术游戏;社区驱动的蜂群战术交流,这种有人管理、访问受限的项目门户将提供应用程序帮助参与者设计蜂群战术、集群行为及蜂群算法。

2017年1月27日,DARPA发布OFFSET项目的跨部门公告(BAA)初稿,披露了该项目的更多细节。DARPA设想利用增强现实、虚拟现实等游戏技术,以及手势、触摸和触感界面来指挥蜂群的系统。DARPA希望利用Unity 3D、Unreal等游戏开发平台软件来创建高保真的虚拟蜂群作战场景;并建立类似游戏世界的社群交互平台,鼓励用户提交高质量的蜂群战术。

OFFSET项目期限42个月,共将包含6个一年两次的能力实验。项目第一阶段为期18个月,第二、第三阶段分别为期12个月。

DARPA目前已经将OFFSET项目第一阶段合同分别授予了雷神BBN公司和诺斯罗普·格鲁门公司领导的团队。上述团队将作为集群系统集成商,负责在物理和虚拟环境中设计、开发和部署集群技术的开放架构。

城市作战中的无人系统同样需要战术

DARPA还致力于调动更广泛的开发者和用户通过一个被称为集群冲刺(swarm sprints)的快速技术开发与集成平台参与到OFFSET项目的开发中来。实验参与者被称为短跑手(sprinters),可以与一个团组或同时与两个集成团队开展合作,创建并测试他们自己的集群战术与技术。DARPA计划每半年从短跑手(sprinters)那里征集建议,这些志愿者将集中在五个技术领域的开发:集群战术、集群自主、人-集群协同、虚拟环境和物理测试平台。

集群冲刺(swarm sprints)是一个实证试验,旨在帮助DARPA掌握城市环境下集群战术到底能做些什么。通过定期进行集群冲刺,确保跟上最新的技术,同时帮助推进和提升这些技术,使它们更好的适应OFFSET项目需求。DARPA对集群技术多方面应用的广泛兴趣,正在寻求各种各样的创新解决方案,并欢迎来自小企业、学术机构或大企业的参与。

前两轮OFFSET集群冲刺中的Swarm Sprinters包括洛克希德·马丁公司,SoarTech公司,Charles River Analytics公司,马里兰大学和卡内基梅隆大学。2018年3月,DARPA授予这些“短跑手”价值36万美元的合同进行研发,第二次冲刺的重点是通过增强平台和/或自治元素来提高自主性,其背景是利用50多个空中和地面机器人的不同群体,通过任务在两个城市街区范围内隔离城市目标持续15到30分钟。目前项目正在进行中。

主要参考资料:

[1].Lockheed Martin Demonstrates Adaptive Communications Jamming. 

[2].Changing How We Win.DARPA.

[3].Behavioral Learning for Adaptive Electronic Warfare (BLADE) .DARPA

[4].Persistent Close Air Support (PCAS) (Archived).DARPA

[5].DARPA completes second phase of swarming demo.FightGlobal

[6].DARPA Seeks the Finish Line. Air Force Mag

[7].OFFSET “Sprinters” to Pursue State-of-the-art Solutions for Second Swarm Sprint.DARPA

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