美國軍用無人機先進技術開發項目

進入21世紀以來,無人機迅速發展成為一種新型空中力量并在現代戰爭中顯示出越來越重要的作用。美國是世界軍事頭號強國,當前在軍用無人機技術方面已經走在世界的前列,但美軍從未松懈對無人機技術的探索開發,以美國國防部高級研究計劃局為首的研究機構與美國工業界聯合,積極展開了一系列涉及認知電子對抗、精準火力支援、協同導航定位和蜂群使能作戰等多個先進研發方向的技術項目,為美軍未來軍用無人機的技術升級提供了可行的方案。現選取幾個典型項目介紹如下。




進入21世紀以來,無人機迅速發展成為一種新型空中力量并在現代戰爭中顯示出越來越重要的作用。美國是世界軍事頭號強國,當前在軍用無人機技術方面已經走在世界的前列,但美軍從未松懈對無人機技術的探索開發,以美國國防部高級研究計劃局為首的研究機構與美國工業界聯合,積極展開了一系列涉及認知電子對抗、精準火力支援、協同導航定位和蜂群使能作戰等多個先進研發方向的技術項目,為美軍未來軍用無人機的技術升級提供了可行的方案。現選取幾個典型項目介紹如下。

 

BLADE項目

BLADE項目全名為“認知電子戰中的行為學習”(Behavioral Learning for Adaptive Electronic Warfare,BLADE),主持機構是美國國防部高級研究計劃局(DARPA)。BLADE項目是國防部認知電子戰計劃(Cog EW)的一個探路項目,項目的目標是在戰術環境中即時開發出對抗新的動態無線通信威脅的能力。該項目的重點是通過開發能夠快速檢測和描述新無線電威脅的新型機器學習算法和技術,動態合成新的對抗措施,并根據對威脅的無線的、可觀察到的變化提供準確的戰斗傷害評估,最終實現用幾分鐘——而不是幾個月的時間,來檢測?描述和對抗先進的無線通信威脅?



認知→對抗簡要流程——DAPRA


2016年,BLADE項目已經成功完成空中飛行演示實驗,承包企業在一個政府測試地點展示了它的通信干擾技術:洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)的工程師們和洛·馬的分包商——雷神公司(Raytheon)的代表共同協作,在一架改良的Piper Navajo飛機上演示了幾個小時,從包括軍用無線電、手機和專用數據鏈在內的無線通信測試信號中收集了無線射頻能量。雷神公司還提供了他們的下一代電子戰系統——Silencer,來掌控BLADE系列飛行測試中機器學習的軟件。代表多國政府或組織的人員觀看了機載BLADE系統在各種戰術場景中動態地感知、描述和干擾自適應無線通信威脅。

 

更重要的是,BLADE項目開發出的技術為作戰人員提供了對抗新威脅的能力(在假設中,這些威脅可以迅速適應或改變其電子姿態)。洛克希德·馬丁公司的工程師和科學家開發了新的機器學習算法和技術,快速檢測和描述新的無線電威脅,動態合成新的對抗措施,并根據威脅的空中觀察變化提供精確的電子戰斗傷害評估。洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin ATL)頻譜系統實驗室總監斯科特·羅杰斯(J.Scott Rodgers)博士認為,這一項目的努力使他們能夠證明將機器學習技術應用于光譜挑戰的可行性。機器學習能夠提供更智能的頻譜操作能力。”總結來看,BLADE項目所做的努力正在使今天的人工密集型的、基于實驗室的對抗開發方法轉變為一種自適應的、現場隨機應變的系統型方法。


ARC項目

當前機載電子戰(EW)系統必須首先識別威脅雷達,以確定合適的預編程序電子對抗技術(ECM)?但是當雷達從固定的模擬系統發展到可編程的數字變種時,這種方法就失去了效力,因為它具有未知的行為和敏捷的波形。未來的雷達可能會面臨更大的挑戰,因為它們將能夠感知環境,并適應傳輸和信號處理,以最大限度地發揮性能和減輕干擾效應。

 

美國國防部高級研究計劃局(DARPA)“自適應雷達反干擾”(Adaptive Radar Countermeasures,ARC)項目的目標是使美國機載電子戰系統能夠在現場實時自動生成針對新的、未知的和自適應的雷達波的有效對抗措施?ARC將具備以下能力:在其他敵對?友好和中立的信號中隔離未知的雷達信號;推斷該雷達構成的威脅;合成和傳輸抵消信號,以達到預期的效果;評估基于無線觀測威脅行為的對策的有效性。

 

ARC技術將使用開放式架構來開發,允許插入、修改和刪除軟件模塊,同時對系統的其他元素保持最小的影響。ARC算法和信號處理軟件既適用于新的EW系統,也適用于在沒有前端射頻硬件的大量返工的情況下對現有的EW系統進行改造。

 

2013年3月,BAE系統公司獲得了自適應雷達對抗項目第一階段合約,價值3670萬美元,為期30個月。在自適應雷達對抗項目的第一階段中,該公司工程師已經完成了算法設計和組件級測試。在項目的第二階段,該公司完成了算法與電子戰載荷的集成和大量硬件回路測試,其中涉及了大量對抗先進關閉雷達模擬實驗的測試。


自適應雷達對抗概念設想---BAE SYSTEMS公司


在第二階段,BAE團隊成功地展示了ARC系統在封閉測試環境中的優異特性以及自適應對抗先進威脅的能力。在ARC項目第二階段結束時,DARPA看到了BAE團隊的進步,決定讓其繼續開展第三階段的工作。2016年11月4日,BAE系統公司宣布獲得DARPA授出的合同,繼續開發“認知電子戰”項目,為DARPA研制“自適應雷達對抗”(ARC)系統,幫助機載電子戰系統對抗新的未知的自適應雷達。ARC項目由此進入第三階段,預計2018年完成項目計劃。

 

在ARC項目的第三階段,BAE公司將開展包括完成算法開發任務、先進戰備性測試以及將ARC技術應用到關鍵空中作戰平臺(如第五代戰斗機)等工作。DARPA修改合同使得BAE系統公司在ARC項目上獲得累計達3550萬美元合同。BAE表示將繼續完善技術,不斷用它來測試對抗美國武器庫中最先進的雷達,進而成功地將它轉化到實戰中去。


PCAS項目

PACS項目全名“持久近距空中支援”(Persistent Close Air Support,PCAS)。是美國防高級研究計劃局(DARPA)為解決近距空中支援(CAS)的難題而設立的。


PCAS項目設想圖—DARPA


通常,由于空中機組人員與地面作戰人員的協調過程十分復雜,因此近距空中支援(CAS)在實際執行起來特別困難且危險。DARPA PACS項目旨在發展激烈對抗環境中更加精準、及時和容易地進行近距空中支援(CAS)或其他任務的空地協同工作,能夠使用更小型的彈藥攻擊更小、多類型和移動的目標,以降低誤傷和附帶損傷的風險。這種能力在城市環境中尤其重要。項目聚焦于可以分享實時態勢感知和武器系統數據的技術,并可把這種技術配裝在幾乎所有飛機上。

 

從目前的設計來看,PCAS由兩部分構成,即PCAS-Air(空中系統)和PCAS-Ground(地面系統)。PCAS-Air是一種不定型的即插即用型系統,由內部導航系統、武器管理系統和高速數據傳輸系統組成,它們安裝在模塊化的智能電子發射器(SLE)中。根據戰術信息,PCAS-Air的自動算法會向支援部隊推薦最佳飛行路線,選擇抵達時使用的武器以及如何最好地部署它。

 

PCAS-Air通過PCAS-Ground與地面部隊(例如JTAC,美軍聯合終端空中控制員)通信。PCAS-Ground是安裝在商用安卓平板電腦上的一系列態勢感知和地圖軟件的集成,能夠提高作戰部隊的態勢感知與機動性并進行火力協調。從2012年12月至2013年3月,DARPA向駐扎在阿富汗的單位部署了500臺配備PCAS-Ground態勢感知軟件的Android平板電腦。 實地報告顯示,PCAS-Ground取代了這些單位的舊紙質地圖,大大提高了地面部隊快速和安全協調空中交戰的能力。

 

2015年3月27日,DARPA在TALON REACH演習(美國海軍陸戰隊步兵/航空演習)中首次成功試驗了完整的PCAS原型系統。演習中,MV-22使用沒有安裝戰斗部的“格里芬”導彈從9公里外支援了一名模擬被擊落的飛行員。導彈通過激光制導準確命中了目標,而如果導彈爆炸,則可將目標完全摧毀。演習中,從JTAC確認目標到完成導彈攻擊僅耗時4分鐘,這比PCAS項目6分鐘的目標時間還要短,而傳統的依靠聲音指示和紙質地圖的方法經歷同樣的過程卻需要半小時或更久。


DARPA PCAS系統成功驗證


這次成功的驗證表明,自動化數字式實時協同能力首次融入到了軍用航空系統中,這包括支援地面部隊的導軌發射彈藥、數字式數據鏈和先進軟件。

 

隨后在2015年9月,DARPA在A-10“雷電II”攻擊機上對持久近距空中支援原型系統(PCAS)II成功進行了飛行驗證。試驗于內華達州內利斯空軍基地進行,總共開展了50次成功飛行。標志著在該系統在美國空軍的成功使用。

除了在MV-22“魚鷹”、A-10“雷電”攻擊機上進行驗證外,DARPA正在努力將這套系統安裝到其他軍種的無人平臺上進行試驗。未來,美軍無人機也有望借助此項技術執行持續近距空中支援任務。


CommEx項目

CommEx項目全名“極端射頻頻譜條件下的通信”(Communications Under Extreme RF Spectrum Conditions,CommEx)。啟動機構為美國國防高級研究計劃局(DARPA),并由美國空軍實驗室贊助,BAE system系統公司承做。當前,其他國家使用的頻譜以及世界范圍內廣泛的商業頻譜導致電磁環境日益擁擠。頻譜之間的競爭要求通信系統具有顯著的適應性和靈活性以確保不間斷的通信,實現任務目標。


CommEx項目信號環境設想


CommEx項目旨在表征干擾環境、主動壓制敵方頻譜干擾,并使得己方飛行器可以在高對抗性射頻環境中通信的技術,確保國防武裝力量的通信系統具備通過干擾抑制成功進行通信所需的靈活性和適應能力。為此,CommEx開發了一系列創新技術,對Link 16數據鏈進行了強有力的模塊化升級。CommEx項目的自適應抗干擾系統已經在Link 16電臺上進行了集成測試,并在飛行中測試了CommEx的一些抗干擾特性。完整系統測試已經于2017年完成。

 

目前,CommEx項目已經躍升成為Link 16升級周期計劃中的一部分。但是,CommEx只是DARPA偉大雄心的第一步:在非常有爭議的環境中動態控制電磁頻譜。在CommEx的基礎上,DARPA又進一步發展了CLASS項目。在此不再贅述。


CODE項目

CODE項目全稱“拒止環境中的協同作戰”(Collaborative Operations in Denied Environment,CODE),發起機構是美國國防高級研究計劃局(DARPA)。

 

CODE項目旨在幫助美國軍方的無人機系統(UASs)執行針對在拒止環境或有爭議的電磁空域中的高機動地面或海上目標的動態、遠距離作戰,同時降低所需的通信帶寬和對人類監視的認知負擔。從技術實現上來看,CODE項目意圖通過發展先進算法和軟件,探索分布式空戰無人機的自主和協同技術,使無人機群可在一名操作人員的管理下協作完成發現、跟蹤、識別和攻擊目標等任務。


CODE項目的概念示意圖


采用CODE算法的無人機在拒止環境下的導航設想圖


CODE項目于2015年啟動,在CODE項目的第一階段已經成功模擬驗證了UAS戰術協作自主性的潛在價值,并同合作者共同完成了可向未來作戰系統轉變的過渡計劃草案。在兩個團隊之間,DARPA已經選擇了大約20個自主行為,它們將可以大大提升這些UAS的任務能力,并使得這些UAS能夠在拒止或爭議環境中執行復雜任務。

 

2016年6月,DARPA向洛馬公司及雷神公司授予項目第二階段系統集成合同,在CODE項目的第二階段,DARPA計劃在兩個開放式架構團隊內均實施一種初始行為子集,并使用那些架構通過一個或兩個真實UAS協同幾個虛擬飛機執行真實的飛行測試。洛馬公司和雷神公司以RQ-23“虎鯊”(Tigershark)無人機為測試平臺,加裝相關硬件和軟件,并開展了大量飛行試驗,驗證了開放式架構、自主協同等指標。

 

2018年1月,DARPA授予雷聲公司“拒止環境中協同作戰”(CODE)項目第三階段合同,完成CODE項目軟件研發和最終的飛行演示。承做團隊將測試六個UAS并協同其他模擬飛行器合作的能力。試驗將通過單人指揮UAS團隊執行復雜的任務,包括目標搜索、識別以及對主動的、不可預知的對手的戰斗。

按照計劃,CODE項目第三階段將引入更多無人機在更復雜的場景下開展自主協同飛行測試,以進一步擴大代碼能力。


OFFSET項目

OFFSET項目全稱“進攻性蜂群使能戰術”(OFFensive Swarm-Enabled Tactics,OFFSET),發起機構是美國國防高級研究計劃局(DARPA)。

 

2016年12月,DARPA在公布“進攻性蜂群使能戰術”(OFFSET)項目時披露,OFFSET尋求發展一個積極的蜂群戰術開發生態系統及支撐性的開放系統架構,包含:先進的人與蜂群界面,讓用戶實時且同時監控與指揮數百單位的蜂群無人平臺;實時、聯網的虛擬環境,能支持一種基于物理的蜂群戰術游戲;社區驅動的蜂群戰術交流,這種有人管理、訪問受限的項目門戶將提供應用程序幫助參與者設計蜂群戰術、集群行為及蜂群算法。

 

2017年1月27日,DARPA發布OFFSET項目的跨部門公告(BAA)初稿,披露了該項目的更多細節。DARPA設想利用增強現實、虛擬現實等游戲技術,以及手勢、觸摸和觸感界面來指揮蜂群的系統。DARPA希望利用Unity 3D、Unreal等游戲開發平臺軟件來創建高保真的虛擬蜂群作戰場景;并建立類似游戲世界的社群交互平臺,鼓勵用戶提交高質量的蜂群戰術。

 

OFFSET項目期限42個月,共將包含6個一年兩次的能力實驗。項目第一階段為期18個月,第二、第三階段分別為期12個月。

 

DARPA目前已經將OFFSET項目第一階段合同分別授予了雷神BBN公司和諾斯羅普·格魯門公司領導的團隊。上述團隊將作為集群系統集成商,負責在物理和虛擬環境中設計、開發和部署集群技術的開放架構。


城市作戰中的無人系統同樣需要戰術


DARPA還致力于調動更廣泛的開發者和用戶通過一個被稱為集群沖刺(swarm sprints)的快速技術開發與集成平臺參與到OFFSET項目的開發中來。實驗參與者被稱為短跑手(sprinters),可以與一個團組或同時與兩個集成團隊開展合作,創建并測試他們自己的集群戰術與技術。DARPA計劃每半年從短跑手(sprinters)那里征集建議,這些志愿者將集中在五個技術領域的開發:集群戰術、集群自主、人-集群協同、虛擬環境和物理測試平臺。

 

集群沖刺(swarm sprints)是一個實證試驗,旨在幫助DARPA掌握城市環境下集群戰術到底能做些什么。通過定期進行集群沖刺,確保跟上最新的技術,同時幫助推進和提升這些技術,使它們更好的適應OFFSET項目需求。DARPA對集群技術多方面應用的廣泛興趣,正在尋求各種各樣的創新解決方案,并歡迎來自小企業、學術機構或大企業的參與。

 

前兩輪OFFSET集群沖刺中的Swarm Sprinters包括洛克希德·馬丁公司,SoarTech公司,Charles River Analytics公司,馬里蘭大學和卡內基梅隆大學。2018年3月,DARPA授予這些“短跑手”價值36萬美元的合同進行研發,第二次沖刺的重點是通過增強平臺和/或自治元素來提高自主性,其背景是利用50多個空中和地面機器人的不同群體,通過任務在兩個城市街區范圍內隔離城市目標持續15到30分鐘。目前項目正在進行中。



主要參考資料:

[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




2018年11月2日 10:45
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