嘗試擺脫對(duì)衛(wèi)星等信號(hào)的過度依賴——

自行導(dǎo)航無人機(jī)發(fā)展勢(shì)頭迅猛

■張愛峰 王奕陽 劉一澳

圖①：美國(guó)V-BAT無人機(jī)。圖②：美國(guó)“黑寡婦”戰(zhàn)術(shù)偵察無人機(jī)。圖③：烏克蘭Twist Robotics公司推出的視覺導(dǎo)航模塊。圖④：美國(guó)RQ-20無人機(jī)。圖⑤：俄羅斯KVN光纖無人機(jī)。

今年1月，烏克蘭初創(chuàng)公司Twist Robotics推出了一套不依賴衛(wèi)星導(dǎo)航的視覺導(dǎo)航模塊，以解決無人機(jī)在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)被干擾時(shí)“迷失方向”的問題。

去年10月，美國(guó)陸軍與兩家無人機(jī)公司合作，將帕蘭蒂爾公司的視覺導(dǎo)航軟件集成到“黑寡婦”戰(zhàn)術(shù)偵察無人機(jī)上，并在無GPS信號(hào)條件下對(duì)該無人機(jī)進(jìn)行了飛行測(cè)試。

這兩種視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)身，是自行導(dǎo)航無人機(jī)快速發(fā)展的縮影。目前，除了這兩國(guó)，其他國(guó)家如俄羅斯、以色列等也在推進(jìn)相關(guān)項(xiàng)目。

那么，什么是自行導(dǎo)航無人機(jī)？它為何突然得到快速發(fā)展？其發(fā)展現(xiàn)狀與未來動(dòng)向如何？請(qǐng)看本期解讀。

電子戰(zhàn)威脅越來越大是直接推手

隨著無人機(jī)大量進(jìn)入現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)并取得顯著戰(zhàn)果，如何對(duì)其進(jìn)行有效反制成為各國(guó)研究的重點(diǎn)。

針對(duì)相當(dāng)一部分無人機(jī)是依靠衛(wèi)星系統(tǒng)定位導(dǎo)航以及通過無線電通信鏈路進(jìn)行操控的實(shí)際，一些國(guó)家把反制的目光聚焦在外部通信信號(hào)這個(gè)無人機(jī)的“七寸”上。

通過電子戰(zhàn)來反制無人機(jī)，在戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)踐中被證明是一種有效方法。俄烏沖突中，大量無人機(jī)因此遭到損毀。據(jù)國(guó)外一些智庫(kù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2024年10月底，在有照片和視頻作為依據(jù)的前提下，俄方至少摧毀了15架美制RQ-20無人機(jī)，還俘獲了11架該型無人機(jī)。這其中，不少是電子戰(zhàn)手段取得的戰(zhàn)果。

此類作戰(zhàn)的有效性，證明了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并非絕對(duì)可靠，也推動(dòng)著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)作戰(zhàn)模式的轉(zhuǎn)變——在光纖無人機(jī)大量投入使用的同時(shí)，一些自行導(dǎo)航無人機(jī)相繼問世。

自行導(dǎo)航無人機(jī)，并不是全新概念的無人機(jī)，而是為了強(qiáng)調(diào)“自行導(dǎo)航”這一功能的融入而給予這類無人機(jī)的一種稱謂。它特指不依賴外來導(dǎo)航和通信信號(hào)、僅憑機(jī)載系統(tǒng)就能自行實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的無人機(jī)。

當(dāng)下，自行導(dǎo)航無人機(jī)的異軍突起絕非偶然，反制無人機(jī)手段尤其是電子戰(zhàn)手段的威脅越來越大是最直接、最有力的推手。

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，電磁頻譜領(lǐng)域的對(duì)抗日趨激烈，電子支援、電子干擾、電子欺騙等手段得到廣泛運(yùn)用，通過衛(wèi)星系統(tǒng)定位導(dǎo)航和無線電通信鏈路來指控的無人機(jī)生存空間被大大壓縮，這也是俄羅斯KVN等光纖無人機(jī)大量投入戰(zhàn)場(chǎng)的原因。但是，光纖無人機(jī)也有短板，例如此類無人機(jī)的載荷和光纖長(zhǎng)度有限，這使它無法在更遠(yuǎn)的距離遂行任務(wù)，其操控人員也可能會(huì)因此被發(fā)現(xiàn)并危及生命安全。

相比之下，自行導(dǎo)航無人機(jī)在這些方面具有優(yōu)勢(shì)：其一，它的導(dǎo)航信息源自機(jī)載設(shè)備對(duì)環(huán)境的直接感知與數(shù)據(jù)處理，能在一定程度上擺脫對(duì)外部電磁信號(hào)的依賴。其二，它運(yùn)用了先進(jìn)算法，有的甚至融入了人工智能，具有一定的思考、決策能力。其三，它的航程在相當(dāng)程度上僅與動(dòng)力有關(guān)，對(duì)它進(jìn)行操控的人員相對(duì)安全。

先進(jìn)科技的應(yīng)用為其發(fā)展創(chuàng)造條件

自行導(dǎo)航無人機(jī)的現(xiàn)身，與先進(jìn)算法、人工智能、傳感器融合等科技的運(yùn)用息息相關(guān)。換句話說，是先進(jìn)科技的應(yīng)用，為自行導(dǎo)航無人機(jī)的發(fā)展提供了條件。

傳感器是無人機(jī)的“眼睛”，對(duì)自行導(dǎo)航無人機(jī)來說更是如此。

傳感器的微型化及相關(guān)整合技術(shù)的發(fā)展，使自行導(dǎo)航無人機(jī)可以同時(shí)向多種傳感器借力，確定自身位置，并確保這些傳感器在工作時(shí)互不干擾。

當(dāng)前，自行導(dǎo)航無人機(jī)的傳感器可服務(wù)于不同的機(jī)載導(dǎo)航定位系統(tǒng)，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺導(dǎo)航與地形匹配系統(tǒng)、激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)等。通過綜合發(fā)揮這些導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，可有效彌補(bǔ)單一導(dǎo)航系統(tǒng)的不足，保證導(dǎo)航的精度和可靠性。

先進(jìn)算法、人工智能技術(shù)的發(fā)展與深度學(xué)習(xí)模型的引入，奠定了自行導(dǎo)航無人機(jī)發(fā)展的技術(shù)根基。人工智能與先進(jìn)算法的融入，使無人機(jī)可以自行獲取和處理大量信息，并在此基礎(chǔ)上生成飛行路徑和策略，減輕后方操控人員壓力，確保在衛(wèi)星和無線電信號(hào)突然中斷后無人機(jī)繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。以Shield AI公司的V-BAT無人機(jī)為例，該機(jī)可通過機(jī)載的Hivemind系統(tǒng)完成一些復(fù)雜的計(jì)算、判斷，在GPS信號(hào)被干擾時(shí)實(shí)時(shí)生成3D地圖、規(guī)劃航線，并且“自做決定”遂行一些任務(wù)。

從當(dāng)前自行導(dǎo)航無人機(jī)發(fā)展?fàn)顩r來看，“視覺+慣性”導(dǎo)航成為主流解決方案，且是“慣性導(dǎo)航為基礎(chǔ)，視覺導(dǎo)航為主導(dǎo)”。具體來說，就是充分發(fā)揮慣性測(cè)量單元的作用，實(shí)時(shí)感知無人機(jī)姿態(tài)、加速度和角速度變化，估算其相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，運(yùn)用無人機(jī)所搭載的光學(xué)或紅外攝像頭，借助視覺算法，對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，通過比對(duì)預(yù)設(shè)目標(biāo)特征來定位和調(diào)整飛行路徑。這種組合較為有效。美國(guó)陸軍在對(duì)加裝視覺導(dǎo)航軟件的“黑寡婦”戰(zhàn)術(shù)偵察無人機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，該無人機(jī)在2.7千米的測(cè)試路線上出現(xiàn)的平均位置誤差約為7米。

當(dāng)然，自行導(dǎo)航無人機(jī)還會(huì)在此基礎(chǔ)上融合其他來源的數(shù)據(jù)，如空速傳感器、激光測(cè)距儀等，如此可使導(dǎo)航定位更加準(zhǔn)確。

需要強(qiáng)調(diào)的是，這種賦能并不排斥無人機(jī)對(duì)衛(wèi)星等信號(hào)的使用。前不久，以色列兩家科技公司宣布聯(lián)合開發(fā)的一款全?？垢蓴_導(dǎo)航與自主飛行系統(tǒng)，就體現(xiàn)了這一點(diǎn)。該系統(tǒng)讓無人機(jī)擁有視覺導(dǎo)航功能，同時(shí)可在適當(dāng)時(shí)機(jī)獲取衛(wèi)星信號(hào)，兩者“無縫”切換，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，目的是提供更精準(zhǔn)的導(dǎo)航，提高無人機(jī)的生存力、戰(zhàn)斗力。

通過多維拓能擁有更多用武之地

無人作戰(zhàn)，最高的維度是無人自主作戰(zhàn)。讓無人機(jī)擁有自行導(dǎo)航功能，是無人自主作戰(zhàn)的重要能力支撐。從目前來看，自行導(dǎo)航無人機(jī)這個(gè)概念在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)繼續(xù)存在，其能力也會(huì)在多個(gè)層面持續(xù)提升，從而擁有更多用武之地。

首先，自行導(dǎo)航設(shè)備將模塊化、小型化。對(duì)一些新研制的無人機(jī)來說，由于傳感器較多，系統(tǒng)較為完善，自行導(dǎo)航功能的獲得，更多地由升級(jí)軟件來完成。以前研制的無人機(jī)獲得該功能，則需要加裝部分硬件。但無論是以前研制的還是新近研發(fā)的，小微型的還是大中型的，對(duì)無人機(jī)來說，導(dǎo)航定位系統(tǒng)的模塊化、小型化同樣重要。如此，無人機(jī)才能搭載更多的武器裝備，遂行更復(fù)雜、更艱巨的任務(wù)。

其次，運(yùn)用更先進(jìn)的算法和人工智能。算法和人工智能是自行導(dǎo)航無人機(jī)的“大腦”，是“AI飛行員”的主體。隨著反制手段的增多、作戰(zhàn)環(huán)境的日益復(fù)雜化，算法和人工智能也必須不斷升級(jí)、拓能，才能確保無人機(jī)的“自行導(dǎo)航”功能發(fā)揮應(yīng)有作用。比如，前文提到的Twist Robotics公司推出的視覺導(dǎo)航模塊，可通過機(jī)載攝像頭持續(xù)拍攝地形，利用算法識(shí)別關(guān)鍵地貌特征，就算“眼底”的戰(zhàn)場(chǎng)已經(jīng)發(fā)生了改觀，也能與已有地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而“推算”出無人機(jī)位置，再將坐標(biāo)信息傳輸給飛控系統(tǒng)，助力無人機(jī)在強(qiáng)電子干擾環(huán)境中繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

再次，借用其他渠道和方法來“破局”。今后，各國(guó)勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步探索能確保無人機(jī)自行導(dǎo)航的新方法。前些年，一些國(guó)家已展開對(duì)新型天文導(dǎo)航技術(shù)的探索，如澳大利亞研發(fā)的一種基于星空視覺數(shù)據(jù)的天文導(dǎo)航系統(tǒng)，能為無人機(jī)提供無GPS環(huán)境下的替代方案。傳統(tǒng)的地磁導(dǎo)航方式，也可能被再次“喚醒”，優(yōu)化加裝到無人機(jī)后，可為保證其在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境不迷失方向增加一個(gè)“新選項(xiàng)”。

本版供圖：陽 舟

版式設(shè)計(jì)：謝 安