收稿日期：2020-03-10修回日期：2020-05-21
基金项目：
军队科研计划基金资助项目作者简介：张
宇（1988-），男，北京人，博士。研究方向：车辆工程。
*摘
要：战争即将进入智能化时代，无人装备将成为未来战场主角。地空无人平台协同应用是未来战场的必然趋
势。基于未来战场复杂作战环境需求，针对地空无人平台协同作战应用进行研究。合理分析协同作战应用的必然性；从协同侦察感知、协同指挥控制、协同支援保障、协同防御警戒4个领域进行作战应用研究，并分析其技术基础及可行性；列出地空协同运用存在的难点并给出合理的意见建议，为陆军作战、编制及装备体系的论证规划提供参考。
关键词：地空协同，无人平台，作战应用，武器装备，指挥控制中图分类号：TJ8；E271
文献标识码：A
DOI ：10.3969/j.issn.1002-0640.2021.05.001
cooperative引用格式：张宇，张琰，邱绵浩，等.地空无人平台协同作战应用研究［J ］.火力与指挥控制，2021，46（5）：1-5.
地空无人平台协同作战应用研究*
张
宇1，张
琰2，邱绵浩1，刘西侠1，卢方杰1
（1.陆军装甲兵学院车辆工程系，北京100072；2.陆军装甲兵学院研究生大队，北京100072）
Research on the Ground-air Unmanned
Platform Cooperative Combat Application
ZHANG Yu 1，ZHANG Yan 2，QIU Mian-hao 1，LIU Xi-xia 1，LU Fang-jie 1
（1.Department of Vehicle Engineering ，Army Academy of Armored Force ，Beijing 100072，China ；2.Regiment of Graduate Students ，Army Academy of Armored Force ，Beijing 100072，China ）
Abstract ：The war is about to enter the era of intelligence ，unmanned equipment will become the
protagonist of the future battlefield.The ground-air unmanned platform cooperative combat application will become an inevitable trend.This paper is based on the demand for complex combat environment of future battlefield ，a research on the ground -air unmanned platform cooperative combat application is made.Firstly ，a reasonable analysis of the necessity of cooperative combat application is done.Secondly ，cooperative combat application research is based on four aspects including cooperative reconnaissance and perception ，cooperative command and control ，cooperative support guarantee ，cooperative defense and guard.The technical foundation and feasibility are analyzed.At last ，the difficulties existing in ground-air cooperative application are listed and reasonable advices are given.The paper can provide reference for the demonstration of the planning of combat ，organization and equipment system of army.
Key words ：
ground-air cooperation ，unmanned platform ，combat application ，weapon equipment ，command control
Citation format ：
ZHANG Y ，ZHANG Y ，QIU M H ，et al.Research on the ground-air unmanned platform cooperative combat application ［J ］.Fire Control &Command Control ，2021，46（5）：1-5.
0引言
习主席在党的“十九大”报告中强调指出，要发
展新型作战力量和保障力量，加快推进军事智能化
发展。智能化战争正在来临，以无人车、无人机为代表的智能化装备已经走上战场，逐渐从“后台走向
文章编号：1002-0640（2021）
05-0001-05Vol.46，No.5May ，2021
火力与指挥控制
Fire Control &Command Control 第46卷第5期2021年5月
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前台”、从“配角成为主角”，成为新质战斗力生成的主要来源。机械化、信息化时代战争要进行联合作战，智能化时代战争更需要联合作战。现代战争战场环境更加复杂，城市化作战、丛林山地作战、灾情救援等复杂环境下的作战行动，给装备之间的协同联合提出了更高的要求。在复杂的战场环境中，单一种类无人装备因工作方式、工作空间、搭载传感器等因素限制，无法完成多样复杂作战任务，因此，按照新型陆军转型建设“机动作战、立体攻防”的战略要求，结合地空无人平台各自优势，广泛开展地空无人平台协同作战应用研究，是适应未来战场的必然选择。
本文面向未来战场复杂军事需求，分析研究地空无人平台协同作战运用的必要性、实用性、可行性，指出地空无人平台协同运用的难点并提出合理化建议，为我陆军作战、编制及装备体系的论证提供参考。
1陆空无人平台协同作战应用必要性分析
未来战争必然是“一域多层、空地一体”的立体攻防战，体系与体系的对抗是其最显著的特征［1］。地
空无人平台各有优劣，形成体系、协同运用可以将装备效能最大化，更好地完成使命任务。空中无人平台相对地面无人平台而言，具有运动速度快、视野范围广、受地形影响小等平台特点，使其在远距离、大范围、全地形侦察监视、目标搜索等应用中具有明显优势，可以实现快速发现和定位地面目标，但空中无人平台负载能力有限，任务载荷种类、性能和功能相对单一，再加上观察角度、距离和气象条件的限制，无法对地面目标实施较为细致的侦察，并且风向、风速、雷雨等气象条件对其平台本身的影响也较为明显；而地面无人平台相对空中无人平台，具有较大的负载能力、较强的续航能力和隐蔽渗透能力，可以对地面目标实施较为准确细致的抵近侦察，便于掌握目标细节。但其存在运动速度慢、视野范围窄和通信传输易受地形地貌影响等缺点［2］。地空无人平台可以在侦察感知、指挥控制、保障支援、防御警戒等领域协同运用。
1.1地空协同侦察感知
在城市作战、丛林山地作战等复杂战场环境下作战，全面详实地掌握战场环境信息，对于制定作战计划、夺取战场主动具有决定性意义。单一的无人装备执行侦察任务时，由于运行维度及携带传感器的限制，无法对战场及敌目标进行准确的侦察感知。地空协同侦察感知能够扩展探测区域，增强战场空间态势感知能力，提升对地面移动目标和多目标的精确打击能力。
1.2地空协同指挥控制
复杂电磁环境或者丛林等遮挡严重情况下，尤其是GPS或北斗信号失效情况时，地面无人车辆执行任务时导航规划能力明显降低，可由空中无人机充当中继平台，接收卫星或地面指挥所指令，下达给地面无人车组执行。同时，大型地面无人平台可携带无人机到达任务区域，进行放飞侦察，协调指挥各无人机活动。
1.3地空协同保障支援
无人机载重能力有限，无法大量搭载能够提高其工作时间的油料、化学电池、弹药等物资，从而导致作业时间较短、完成多样化任务能力弱。因此，物资的及时补充对于提高无人机作战能力具有重要意义。同样，地面无人平台需要进行紧急补充时，受限于地面条件，无法单独实现。空中平台可发挥机动灵活优势，地面平台发挥载荷支撑优势，协同保障，满足战时保障要求。
1.4地空协同防御警戒
在复杂战场环境下，单一兵种生存率低下，无人车组执行任务时，很容易被单兵反坦克武器威胁；无人机在执行任务时容易受到敌电磁干扰，丧失执行任务能力甚至被敌捕捉。无人机与无人车协同执行任务，可互相战场警戒、提供支援，实现地空协同防御，提高战场生存率。
2地空无人平台协同作战应用及技术基础研究
2.1基于信息融合技术，实现地空协同侦察感知
面对昼夜交替、气象条件、地形限制、电磁干扰等复杂环境因素，运用三维SLAM技术对空地系统进行信息融合，全景图像拼接，三维场景重建［3］，地面、空中的图像/点云匹配，融合建立战场环境的三维地图，进行语义识别标注，最终生成完整的战场环境地图。常用的跨域环境感知与信息融合技术手段有：三维点云特征配准、ICP方法、视角生成算法和蒙特卡洛方法等［4］。空地协同能够大幅提升地面车辆对全局信息的掌控能力［5］。
对于火力打击过后的战场，可以派出无人车与无人机联合侦察小组，对战场毁伤情况进行及时评估，准确发现敌残余反抗力量，进行二次打击。针对抢险救灾等非战争军事行动，同样可以进行联合侦察，对受灾中心进行灾情评估，合理制定救灾方案，
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降低人员伤亡与资源浪费。
在相关技术研究方面，周思全［6］聚焦复杂区域反恐及城市巷战等任务场景，多无人机与多无人车组成的无人集系统。多架无人机在地面侦察车辆周围伴随飞行，通过多无人机与地面车辆的交互协同和信息融合，实现抵近侦察及跨区域感知功能，扩展地面侦察车辆信息获取的精度和维度，提升侦察效能。李明龙［7］面向灾难搜救场景，提出高空侦察机、无人机、无人车空地协同搜救新方式。高空无人机获取地面受损建筑物位置信息传递给无人机搜索，无人机根据此信息作分布式任务规划，作进一步抵近侦察，传递信息给地面无人车，无人车抵达受损建筑物实施营救，从而规避救灾风险，提升搜救效率。
图1地空无人平台协同侦察感知
国际上，美国弗吉尼亚理工大学Tokekar［8］使用空地机器人在精准农业上进行研究来估计农作物长势，巴西自动化研究所信息技术中心的Al-berto［9］等人研究的空地协同系统，主要针对环境和农业监测进行设计研究。
2.2基于联合定位导航技术，实现地空协同指挥控制
无人车在执行边境巡逻、边防哨所运送物资任务时，可由空中无人机进行指挥、导航，时刻对车辆进行指令下达，修正路线，躲避障碍，及时应对路线前方突发险情，安全完成任务，节省大量人力物力。
图2地空无人平台协同路径规划
由于无人机不具备携带大量弹药的能力，可运用无人机先进行侦察识别，再引导无人车进行火力打击。在城市作战时，敌人隐藏在建筑物内，居高临下，不易被无人车锁定打击。可先使用小型无人机进行侦察，确定敌人准确位置后，引导无人车上的武器进行精确打击或火力覆盖，提升打击效能，掩护无人车遂行城市作战任务。同理，对于处于反斜坡的敌人，由于无人车视野的局限性无法发现藏匿在山坡后的敌人，可以结合无人机的侦察，准确定位后，引导无人车上的精确制导武器进行打击，开辟行进通路。
图3地空无人平台协同打击
现今，国内外许多研究工作都围绕利用无人机获取大范围环境信息，来指导地面机器人进行全局定位和路径规划开展。瑞士苏黎世大学Mueggler［10］依靠旋翼无人机计算地面障碍物及目标物体的位置信息，指导地面机器人完成搬运任务。韩国延世大学Kim［11］基于多个旋翼无人机构建立体视觉系统，检测地面三维信息，指导移动机器人实现全局路径规划。意大利卡塔尼亚大学Cantelli［12］运用车载四旋翼无人机，通过图像分析策略测试周围环境变化，从而辅助地面移动机器人实现全局路径规划。波兰国家安全与防御系统部门PIAP［13］研究应用于陆地边界巡逻的空地机器人协作系统（TA-LOS），该系统由多个无人机和履带式移动机器人组成。乔治亚理工学院Charles［14］建立的空地机
器人系统由两个小型无人机和多个地面机器人组成。该系统主要执行监视任务，地面站可以向空地机器人发送控制指令或任务，并且机器人能够自主执行指令及任务。美国亚利桑那大学Michael［15］使用无人机进行人动态检测后再由地面机器人进行精确识别。宾夕法尼亚大学GRASP［16］实验室对基于空-地机器人协同联合搜索救援与目标定位进行了研究，利用空中飞艇进行先期的快速、低分辨率的目标搜索及目标定位，然后再利用定位结果对轮式机器人进行引导，获得精度更高的定位。卡内基梅隆大学的Stentz［17］等人设计半自主地面无人车，搭载伴飞无人机，使无人车躲避障碍物，顺利前进。
在国内，中科院沈阳自动化研究所谷丰［18］提出了一种空地机器人协作导航方法，可实现飞行
机器张宇，等：地空无人平台协同作战应用研究
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人对地面移动机器人的识别与跟踪，并利用其获得的全局环境信息在无通信链路的情况下，通过行为协调指导移动机器人实现避障运动。李丹［19］基于视觉搭建了空地机器人协作系统平台，实现协作系统的避障运动。北京大学李修贤［20］利用机器学习方法，结合无人机获取的野外可见光影像，快速搜索地表可通行性路径，应用于野外灾害应急与救援。
2.3基于平台技术互补，实现地空协同保障支援
无人车可以作为无人机的母舰平台，可以携带供无人机发射、加油、恢复任务所需的燃料、大重量电池，对无人机进行必要的物资补给，也可自主地将无人机运输到危险地带或对人体有害的地区，执行发射任务，增加了无人机作战半径与时长，丰富了完成多样化任务的手段。无人机在执行侦察任务时，有大量的高清视频、图像数据需要存储无人战车可以成为无人机侦察数据的存储载体，大范围地提升无人机的侦察广度。无人机可发挥机动灵活优势，对无人车执行任务时缺少的物资进行紧急补充，甚至担负起唤醒激活休眠故障无人车的任务。
图4地空无人平台协同支援保障（Ironclad）
美国空间与海战系统司令部（SPAWAR）针对小型垂直起降无人直升机，研发了一套自动无人机任务系统（AUMS）［21-22］。利用地面无人车充当无人机起降平台和服务中心，延长续航时间，添加燃料，自主运输。普利茅斯大学Polvara［23］针对无人机自主降落无人车进行了研究。乌克兰Roboneers公司研制的Ironclad和Camel两款无人车均可用作远程无人机运载和发射台，其中Camel还在研发非接触式无人机充电功能［24］。东京大学研究人员开发了多机器人合作系统，使无人机将地面无人车用绳索系在墙上的锚上，进而让无人车不受阻碍地攀登，增强了无人车的穿越能力［25］。美国Skydio公司开发了便携式盒子充电，允许无人机在无人工干预的情况下连续执行任务［26］。
2.4基于战场互助，实现地空协同防御警戒
无人车在编队行驶时，容易受到暗处单兵反坦克武器威胁，在编队四周可编配数架无人机，无人机可作为无人车预警机，及时发现威胁来源，指引车辆进行规避或主动防护；也可判别锁定危险源，运用自身轻武器或引导无人战车进行攻击，消灭敌人，保护编队行驶安全。
我方无人机、无人车可同时对敌无人机进行干扰、实施捕捉，运用无人车将敌无人机运回我方基地。同时，面对敌对我方无人机的干扰捕捉，我方协同无人车辆可以实时反干扰，及时切断无人机通信链接，指引无人机收回降落车辆平台，对无人机进行保护回收，必要时可遥控无人机进行自毁，保护侦察信息安全。
图5地空无人平台协同防御警戒
3存在难点
一是无人战车与无人机自主决策能力弱，对敌目标识别能力差，主动打击能力弱。二是无人战车与无人机之间通信链接技术要求高，后方指挥所通信指挥及时性差。三是无人车与无人机联合感知实时性要求高，技术难度大。四是现今武器装备研发体系化程度不高，地空无人装备研发各自为战，没有为协同应用打下技术基础。五是装备研发与作战理论研究衔接不紧、相互脱节，导致一方面装备研发缺乏作战理论的创新驱动，另一方面作战运用跟不上装备技术水平发展，很多新技术没有及时有效地转化应用于军事领域。
4结论
未来战场，无人作战装备将成为主角，对抗将会是体系的对抗，地空协同将会是陆军无人作战的主要形式。地空无人平台至少将在协同侦察感知、协同指挥控制、协同保障支援、协同防御警戒等方面发挥重要作用。要想掌握战场主动权、抢占技术制高点，需要加强以下几方面工作：
一是突出军事需求牵引。军事需求是牵引发展的动力之源，武器研发、战法研究、编制体制规划都要基于未来战场需求，围绕装备协同运用来组织
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实现装备、编制、运用一体化。因此，要在搞清楚未来战争制胜机理的基础上，把发现和准军事需求放在首位，科学、系统、全面地开展军事需求研究，突出军事需求牵引效能。
二是深化作战军事理论研究。军事理论研究不仅要紧跟装备技术发展，更要超越装备技术发展。一方面要深入挖掘装备潜力，将装备效能最大化；另一方面要创新前瞻的开展军事理论研究，引领装备技术发展方向。同时，军事理论研究要强化协同作战观念，整合不同平台优势，最大限度地适应未来战争需求。
三是加快装备体系研发。武器装备要坚持体系建设的基本思路，坚持用网络信息体系理念来理解作战体系、塑造装备体系，做到统一筹划和顶层设计。无人作战装备研发上要持续用力，抢占未来战争装备制高点；要把不同类型、不同用途的无人装备整合成体系进行设计研发，杜绝各自为战，确保装备之间能够互联互通、协同使用、优势互补。
四是推动核心技术突破。核心技术是武器装备的“命门”所在，要加快研发新型指挥控制系统和通信传输系统，统一消息标准和协议处理，实现地面作战单元、空中作战单元之间机器到机器的高效信息交互；
提升大数据、云计算能力，提高大容量数据处理的实时性、快速性，增强数据融合、三维重建的准确性；提升装备的目标识别、精确打击、电子对抗等技术能力，满足不同战场任务需求。
五是推进编制体制优化。编制体制要紧跟装备发展、作战需求、使命任务的变化而不断优化完善。首先要组建相应领导管理建设机构，提升顶层设计和体系建设能力；其次是建立“试验性部队”，检验其是否符合未来战争需要，确实符合打仗需要的要及时推广调整。最后是加快推进地面和空中无人装备混合编组和任务载荷模块化编组，根据不同任务需求编配平台模块。
六是提升实战运用水平。武器装备要经得起实战考验，必须做好地空无人平台体系化、常态化运用，强化武器装备之间的关联度和耦合度，充分考验性能、发掘潜能，检验战法、训法、保障法可行度，加快实现从技术理论向战斗力的生成转化，并在实战运用中不断完善改进技术和战术，发挥对装备技术水平的反向带动作用，促进装备技术发展。
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