美陆军无人系统发展规划及建设情况研究

陆军主要无人地面系统规划

《无人地面系统路线图》

美国陆军机器人系统联合项目办公室(RS JPO)每2年发布1次《无人地面系统路线图》。2011年7月,机器人系统联合项目办公室发布《2011-2020无人地面系统路线图》,确定未来10年的短期(2011-2015)和长期(2016-2020)无人地面系统发展策略。

《2011-2020无人地面系统路线图》的要点有2个:机器人现代化和可互操作性。机器人现代化是指能增强系统功能性和可靠性的技术更新和实现;对可互操作性的规划,可以确保现有和未来无人地面系统能够与其他有人和无人系统通信,实现在战场上不中断地操作运行。美军通过在伊拉克和阿富汗战场上部署使用无人地面系统,收集到了不少技术改进信息,包括电源、电池寿命、通信、态势感知以及其他的多样化的工具等。

根据美国陆军《2011-2020无人地面系统路线图》,2020年前陆军将主要发展以下无人地面系统项目:

*具有爆炸物探测和清理能力的M160轻型扫雷车(全称是“遥控式反人员地雷清理系统”(APMCSRC));

*PackBot小型可疑目标检查和清理系统族;

*TALON中型可疑目标检查和清理系统族;

*路线侦察与清理机器人平台;

*MARCbot IV/IV-N轮式侦察机器人以及通用机动平台(CMP);

*具有能使有人驾驶平台转为自主行驶的自主能力附加套件;

*提供态势感知/态势理解和监视侦察与情报能力的XM1216小型无人地面车辆(SUGV);

*具有导航能力的XM155自主导航系统。

2020年前陆军无人地面系统发展的重点技术领域为:自主导航,通信,动力,体系结构,人机接口,操纵控制,地形机动,载荷。

2020年前陆军无人地面系统发展优先计划:

(1)对以下现有系统实行现代化改进:M160、PackBot、TALON、MARCbot、迷你无人地面车辆和小型无人地面车辆(SUGV)。

(2)跟踪、观察和评估新兴技术,并作风险评估分析。新兴技术包括机动车自主能力附加系统(AMAS)、SANDI道路清理和运队任务无人车(全称是“有监督的探测和消除简易爆炸装置自主系统”)、能运载1200磅(544.31千克)的装备、食物、武器和弹药的班用多用途装备运输车(SMET),用于探测、标记和报告简易爆炸装置的多任务无人地面车(MM-UGV)。

(3)实现可互操作性。任务是确定可互操作性标准,以利于未来各种无人地面系统的集成。具体的可互操作性标准包括:开放式体系结构和接口,通用控制标准,通信数据链标准,模块载荷标准,以及一致性、检验和确认标准。

《机器人战略白皮书》

2009年3月19日,陆军训练与条令司令部陆军能力集成中心和坦克车辆研发与工程中心联合发布《机器人战略白皮书》。该文件为如何更好地为士兵装备机器人提供了框架,将机器人可能完成的任务分成五个功能域:物资补给运输搬运、安全、工程、医疗和维修。

《陆军无人地面车辆战略》

2010年7月28日,陆军部发布《陆军无人地面车辆战略》。战略文件确定发展以下5种模块化地面机器人能力:

(1)士兵可携带的地面机器人:单兵便携式系统,比如可放置在模块化轻型携行具(MOLLE)中的小型机器人。

(2)由组员共同携带的地面机器人:系统操作配置可被分成若干部分,分别由若干士兵携带。

(3)车辆可运送的地面机器人:较大型机器人,必须由车辆运送到指定任务地点。

(4)自主运输型地面机器人:能自己部署到指定任务地点。其尺寸、重量和速度取决于它支持的部队。例如,用于支持步兵旅战斗队,并能由UH-60运输直升机运送的机器人,被叫做“士兵跟随者”,重量小于2267.96千克(5000磅)。另外还有用于支持“斯特赖克”旅战斗队的“中型僚机”和支持重型旅战斗队的“重型僚机”。

(5)附加系统:指附加到现有的有人驾驶车辆上,使之具备一定的无人驾驶能力的系统。这些附加系统可以使现有的有人驾驶车辆能够在遥控状态下行驶,或在监控状态自主驾驶,或完全自主驾驶。外骨骼系统也是一种附加系统,只不过它的使用对象是士兵。

上述每种机器人都采用通用平台,通过在该通用平台上加装不同的载荷和任务模块,使其能够执行不同的任务,比如简易爆炸物装置探测与清除、侦察监视与目标捕获、杀伤、货物运输、核生化放(CBRN)与爆炸物探测、医疗、任务指挥,以及网络扩展等。最优先的任务是加快制定“能力发展文件”(CDD),争取上马受机器人系统联合项目办公室(RS-JPO)支持和管理的可持续发展项目,以满足从现在到2035年的士兵需求。模块化方法是费效比最高的资源使用办法。许多机器人技术在上述所有机器人上都是通用的,比如通用控制器、集成软件、通信和自主技术等。

《2015-2040机器人和自主系统战略》

2015年,陆军能力集成中心发布《2015-2040机器人和自主系统战略》。

制定发布《2015-2040机器人和自主系统战略》的目的有3个:

一是整合并优先排序各种机器人和自主系统需求;

二是描述2025年及以后部队对机器人和自主系统的作战运用;

三是把机器人和自主系统确定为重要的能力增长因素之一,而且是陆军取得相对于所有对手优势的一个关键。

陆军《2015-2040机器人和自主系统战略》总目标:机器人和自主系统(RAS)必须成为支援远征和联合兵种机动行动的一种有效力量,必须促使陆军部队在联合地面作战中取得胜利。

陆军《2015-2040机器人和自主系统战略》构想:远征机动部队通过运用机器人和自主系统能力,将能够:远程“看见”(战场),施行远距离作战;共享态势感知,促进达成跨所有梯队的作战理解;在实施广泛分散的作战行动的同时保持相互支援;与敌人取得并保持联系,以创造有利于友军的战场条件;即使在作战区域最边缘,即使在争夺激烈的交通线上,也保持高作战节奏;建立并维护广域安全。

国防部组织

国防部负责采办、技术与后勤的副部长是全军无人系统发展的顶层领导。但只有无人地面系统的发展实现了全军统一领导。无人空中系统和无人海上系统的发展分别由空军和海军负责。为加强无人机空域整合,国防部建立了无人机空域整合执行委员会。

国防部采办、技术与后勤副部长领导的“联合地面机器人企业”(Joint Ground Robotics Enterprise,可以称之为联合地面机器人发展部或JGRE部,为便于称呼下文一律称之为JGRE部),负责统一管理和协调国防部和各军种地面机器人项目的发展,包括与工业界合作。主要关注以下三方面工作:互操作性,测试与评估,建模与模拟。

无人地面系统项目的技术投资模式采取年度计划方式,年度计划确定每个技术领域的需求;各军种按照年度计划要求,提交本军种无人地面系统项目白皮书。

陆军机器人系统联合项目办公室(RS JPO)

机器人系统联合项目办公室被陆军采办、后勤与技术助理部长(ASA[ALT])指定为未来美国陆军无人地面系统采办工作“焦点”(即主管部门)。

机器人系统联合项目办公室的任务,是领导联合作战人员所需无人系统的开发、系统设计、集成、采办、测试、配发、维护和改进,确保在提供安全、有效和可支持的能力的同时,满足成本、计划和性能要求。

机器人系统联合项目办公室分别向两个上级部门报告:陆军地面战斗系统项目执行办公室(PEO GCS))和海军陆战队系统司令部(MARCORSYSCOM)。该办公室是无人地面系统的执行代理。该办公室发布的无人地面系统路线图是一个实践参考,帮助确定作战人员需求、相关技术成熟度和聚焦作战人员需求的科技投资。

2011年1月,原由集成项目执行办公室(PEO-I,原来的未来战斗系统项目执行办公室PEO-FCS)负责的陆军无人地面车辆(UGVs)项目转交给机器人系统联合项目办公室。自此,小型无人地面车辆(SUGV)XM1216、自主导航系统(ANS)和通用机动平台(CMP)的采购、配发和寿命周期管理职能,也一并转交给机器人系统联合项目办公室。

机器人系统联合项目办公室还成立了一个政府/工业工作综合产品小组(WIPT),重点关注陆军无人系统互操作性和陆军无人系统联合初始能力文件中确定的能力和要求。

机器人系统联合项目办公室和许多支持机器人任务的组织建立了密切的工作关系。这些组织包括陆军训练与条令司令部,研究、发展与工程司令部(RDECOM),联合地面机器人集成小组(JGRIT),海军爆炸物处理技术部(NAVEODTECHDIV),快速配装部队(REF)和联合简易爆炸装置消除组织(JIEDDO)等。这些组织是机器人系统联合项目办公室的主要工作伙伴,机器人系统联合项目办公室与它们都签有工作协议,确保机器人系统技术和产品的顺利开发应用。

研究、发展与工程司令部,学术界,工业界:

通过与学术界、工业界和研究、发展与工程司令部各个实验室建立密切的工作关系,机器人系统联合项目办公室加快了利用先进技术对现有能力的现代化改进进程。典型的例子是开发并集成了RG31Mk5E道路清理车和联合爆炸物处理快速反应车辆(JERRV)的通用天线底座(UAM)。另外还确定了装甲车辆自动化系统能力控制需求(JUONS 00333)。机器人系统联合项目办公室与可靠机动系统项目主管和研究、发展与工程司令部实验室合作确定了通用天线底座是最佳安装位置、底座类型、电缆线路和操作员位置。所有这些努力,使得通用天线底座在12个月内就能配发。除了合作开发,机器人系统联合项目办公室还参与研究、发展与工程司令部实验室的小企业倡议研究(SBIR)和合作研究与开发协议(CRADA)活动,以加强和改进目前配发的机器人技术。通过小企业倡议研究(SBIR)和合作研究与开发协议(CRADA)活动,研究、发展与工程司令部实验室会要求机器人系统联合项目办公室,审查和认可即将由工业企业承担的机器人倡议,确保这些倡议与作战人员现有需求保持一致。机器人系统联合项目办公室提供测试资产,协助机器人系统研发,参与最终技术审查。

快速配装部队(REF)和联合简易爆炸装置消除组织(JIEDDO):

在与研发组织密切合作的同时,机器人系统联合项目办公室还与两个快速采办组织——快速配装部队(REF)和联合简易爆炸装置消除组织(JIEDDO)定期合作,以期加快机器人系统配发进程。目前在多个倡议上已有合作,目的是弥补应急作战能力缺陷。目前正在合作加快轻型侦察机器人和涵洞探索机器人的配发。

机器人系统联合项目办公室/陆军能力集成中心(ARCIC):

机器人系统联合项目办公室与陆军能力集成中心和陆军采办、后勤与技术助理部长合作,参与“从摇篮到坟墓”的装备解决方案开发工作,确保向作战人员及时提供产品。由于与陆军训练与条令司令部陆军能力集成中心下属的卓越机动中心(MCoE)建立了密切的联系,机器人系统联合项目办公室能够深入介入新兴需求文件的制定工作。其结果是将机器人系统联合项目办公室收集的战场反馈意见和经验教训,集成进入了正在开发的需求文件。

联合地面机器人集成组(JGRIT):

2009年7月21日卓越机动中心被指定为陆军训练与条令司令部的地面机器人主导机构。紧接着便成立了联合地面机器人集成工作组,负责协调整个国防部范围的地面机器人发展和集成工作。联合地面机器人集成工作组成员来自陆军训练与条令司令部卓越机动中心、陆军实验室、海军陆战队作战人员实验室(MCWL)和其他国防部部门。该工作组于2009年11月制定完成《无人系统初始能力文件》,这是一部所有领域可互操作和跨作战职能的无人系统开发和应用顶层战略。该文件确定了一系列所需能力,这些能力将在接下来的《能力发展文件》(CDDs)和《能力产生文件》(CPDs)中被进一步确定。联合地面机器人集成工作组的目标是配发先进的无人系统技术。在开发和集成这样的技术中,机器人系统联合项目办公室起着关键作用。在共同实现顺利技术转移的目标指引下,陆军训练与条令司令部、卓越机动中心、海军陆战队作战人员实验室、机器人系统联合项目办公室、实验室和合作伙伴等,现在正共同致力于开发先进技术并将其集成进入无人地面系统。即将举行的试验活动,比如陆军远征作战试验,将聚焦于新兴技术和概念试验。这些试验活动将主要由网络驱动,开展一系列攻击性的试验。所有试验结果,都将输入需求文件和战术技术与程序(TTPs)开发流程。通过将这些试验活动与战术项目和现代化计划相联系,将能够增强机器人系统联合项目办公室、陆军训练与条令司令部,以及美国海军陆战队战斗发展司令部(MCCDC)的项目目标实现能力和装备快速配发能力。其他试验活动可能采用类似的办法,或者通过建模与模拟(M&S),来支持现有和未来能力发展。

机器人系统联合项目办公室的组织结构:

机器人系统联合项目办公室项目主管(PM)和副项目主管(DPM)由2个产品主管(PdMs)和4个部门支持(见图5)。产品主管负责管理现有产品和新兴项目。产品主管由项目主管助理(APMs)和产品集成者(PIs)支持。项目主管助理和产品集成者负责管理与各种机器人平台有关的日常活动。机器人系统联合项目办公室业务部门,为项目主管助理和产品集成者提供业务管理、后勤、技术,以及产品保证、测试和配置管理(PATCM)等领域的支持。外部支持由机器人系统联合项目办公室联络官提供,这些联络官被分派在卓越机动中心和其他关键组织中。关键组织包括海军陆战队系统司令部(MCSC)、训练与条令司令部、联合简易爆炸装置消除组织(JIEDDO)、快速配装部队(REF)、海军陆战队战斗发展司令部(MCCDC)及各种卓越中心等。

现代军事斗争中,无人地面系统的任务重点目前仍旧是在后勤保障与运输等方面。无人后勤装备也正发挥着越来越重要的作用,日渐成为作战保障体系中的重要组成部分。根据一系列无人系统发展规划计划,美陆军无人后勤系统将分阶段渐进式发展,到2035年的发展目标可归纳如下:

2016—2025年

研发适用于后勤、安全、工程、医疗、维修以及核、生、化和放射性以及爆炸物监测等领域的后勤无人系统。无人机系统和无人车辆系统可能达到与有人驾驶系统在攻击、兵种合同和压制/摧毁敌防空作战中相互协同的水平。后勤保障/物资运输无人机系统的成熟度将得到大大提高,并开始装备到战役和战术级别。后勤保障/物资运输无人机系统和地面无人后勤系统一起,将承担陆军范围内约25%的后勤补给任务。无人机系统能够将医疗器材远距离运送到战场。开始研发医疗后送无人机系统。到2025年,实现通过无人值守运输,把选定的病情稳定的伤患从受伤场所运送至前方具备外科手术能力的设施。在这一期间,还将开展远距离重伤患者无人值守移动初始能力试验与演示活动。

2026—2035年

各类无人系统综合集成,包括机动、平台、自主性、人机交互与接口以及与其他无人车和有人系统的集成。无人系统将可能用于空运补给保障。将在陆军范围内广泛部署后勤保障/物资运输无人机。后勤保障/物资运输无人机系统和无人车将执行大多数后勤补给和货物运输任务。进一步提升后勤保障/物资运输无人机系统的机载计算与运载能力,提高远距离保障能力,同时减小其尺寸和重量。医疗救援无人机系统将更加成熟。在这一阶段后期,研制出医疗后送无人机系统。所有无人机系统的自主能力将得到极大提升。操作人员通过通用控制系统可以控制无人机蜂群。实现无人机系统与无人地面车辆系统的完全集成。同时将对无人机系统采用基于状态的维修(CNM)方法。在每架无人机系统平台上安装健康使用与管理系统(HUMS),使之能在通用后勤操作环境中进行自行诊断和系统状态管理。维修人员运用该系统来检测部件性能。无人飞行系统还将向空中加油和电子攻击任务以及改进网络连通性方向发展。