王新尧1,曹云峰1,孙厚俊2,韦彩色1,陶江1
(1.南京航空航天大学航天学院,江苏南京;2.洛阳电光设备研究所,河南洛阳)
摘要:有人/无人机(manned/unmannedaerialvehicle,MAV/UAV)协同作战是未来战场中重要的空中作战模式。由于MAV/UAV协同作战体系系统复杂、涉及作战节点多,需从系统工程的角度对整体作战体系进行顶层设计,并采用统一的结构框架对该体系结构建模。首先,引入美国国防部体系结构框架(DepartmentofDefensearchitectureframework,DoDAF),提出一种体系结构快速开发方法,并给出开发步骤。然后,利用视图模型,对MAV/UAV协同作战体系的系统功能、作战任务活动、各作战节点的信息交互及组织关系等建立模型。最后,通过动态仿真对模型进行验证。结果表明,所提作战体系的执行状态与预期的作战流程一致,体系结构设计合理,系统内各作战节点定义及信息体系结构描述具备一致性和协调性。
关键词:美国国防部体系结构框架;有人/无人机;协同作战;体系结构
0引言在传统战场中,有人机(mannedaerialvehicle,MAV)执行攻击、探测等作战任务时,操作员往往需要承担较大的人身安全风险。而无人机(unmannedaerialvehicle,UAV)因其具有低成本、良好的隐身性能、强抗过载能力等优势,可以在恶劣环境下执行作战任务,进而消除MAV操作员执行任务的风险,该优势使其成为未来战场一种重要军事力量[1]。
对于UAV系统而言,为提高UAV系统性能和智能水平,使其能够脱离多个操作员控制一架UAV的控制模式,需大幅提高UAV自主控制水平。目前,UAV自主化仍是UAV技术发展的主流方向之一[2]。然而,由于技术条件的限制,目前UAV的自主化程度还较低,根据美国国防部的《—UAV系统路线图》[3]给出的UAV自主等级划分方式,美军的“全球鹰”UAV也仅达到2级自主程度。另一方面,UAV自主能力的增强会导致更高的系统复杂度(如:脆性、不透明等问题),并由此可能引发更多的事故。同时,UAV自主行为存在监督问题,违背机器伦理[4]。因此,在未来较长的时间内,MAV与UAV之间必将是相互补充而非取而代之的关系。
当前,MAV与UAV协同作战模式已成为UAV作战运用研究中的一大热点。美国国防部在《—年无人系统综合路线图》[5]中强调了有人/无人系统在未来战场应用中的重要性。其重点研究方向主要包括:体系结构设计[6-9]、协同任务智能规划[10-15]、协同成像侦察[16]、作战效能评估[17-19]、协同作战网络系统[20]等。其中,体系结构设计是各国武器装备顶层设计的重要手段[21]。
目前,国内外针对MAV/UAV协同作战体系的相关研究较少,还处于起步阶段。文献[22]指出美军在无人系统投入使用的初期,有人/无人系统在协同作战中暴露出了行动盲目、组织混乱、控制不力等严重问题。为改善这一问题,在体系结构设计方面,国内外开展了大量研究。年,美国国防部高级研究计划局(defenseadvancedresearchprojectsagency,DARPA)推进了“体系综合技术和试验系统(systemofsystemsintegrationtechnologyandexperimentation,SoSITE)”项目[6],该项目主要目的是重新整合空中作战能力,分解MAV功能至大量小型UAV并实现平台间的信息共享、协同配合等能力以形成分布式空中作战体系[7],该项目聚焦灵活、开放的架构设计技术,开发用于新技术快速集成的体系架构设计工具,但具体方法未见发表。国内方面,文献[8]采用高层体系结构(highlevelarchitecture,HLA)作为MAV/UAV协同对地攻击指挥决策的标准开发环境,从交互通信角度,建立MAV/UAV指挥决策体系结构,主要用于系统建模与仿真应用中。文献[9]采用北约指挥控制通信系统体系结构框架,从指挥、控制和通信角度描述MAV/UAV协同作战体系结构,设计了通信拓扑结构和指挥控制结构。
然而,MAV/UAV协同作战体系组织复杂,包含了作战人员、MAV系统和UAV系统。同时,MAV/UAV协同作战体系需要考虑许多要素,例如作战、指挥、控制、通信等。此外,随着现代战场无人系统智能化和UAV种类多样化的发展,MAV/UAV协同作战体系至少还需要考虑两点要素:无人系统的智能因素和作战人员的人因因素。然而,上述文献只专注于各自单一角度,所提出的MAV/UAV协同作战体系的体系结构难以涵盖所有要素,尤其是无人系统的智能因素和作战人员的人因因素,因此缺乏扩展性和适用性。另一方面,MAV/UAV协同作战体系日益庞杂的趋势和对协同作战的要求也导致了对其互操作性的需求[23],上述文献提出的方法均难以满足。而美国国防部体系结构框架(DepartmentofDefensearchitectureframework,DoDAF)为建立统一的MAV/UAV协同作战体系结构提供了可能。
因此,本文从顶层设计理念出发,设计一种基于DoDAF的MAV/UAV协同作战体系结构,该设计将作战体系统一在同一个体系结构框架下,给出MAV/UAV协同对空作战指挥控制链的顶层、全面的描述。结合DoDAF的元模型(DoDAFmeta-model,DM2)提出一种快速开发体系结构的方法,并基于DM2编写综合字典,解决了内/外部理解不统一的问题,以提高不同系统、不同部门的互操作性,实现高效联合作战的目的,为未来实现跨域作战打下基础。此外,为了满足不同自主等级的UAV和操作员状态的作战需求,在设计体系结构时考虑了UAV的自主程度和操作员状态对作战模式的影响,对传统的指挥作战体系结构进行了扩展,以适应未来智能化战场需求。
1基于DoDAF的体系结构建模方法1.1DoDAF概述自年,自动化指挥系统(