摘 要: 随着无人系统技术的不断发展，多无人系统之间的跨域协同凭借其诸多优势成为当前无人系统领域研究和应用的热点。首先，阐述了无人系统跨域协同的概念形成与发展历程，并对未来发展趋势进行了展望；其次，系统梳理了国外多无人系统跨域协同技术的研究情况，分别从比赛竞技、项目研发和应用三个角度对美国、欧盟等无人系统跨域协同技术开展分析综述；然后，介绍了无人系统跨域协同的核心问题和技术体系；最后，通过对典型应用案例分析表明跨域协同对实际应用效能有明显提升作用，相关研究为我国未来无人系统跨域协同相关发展提供参考。

关键词: 无人系统；跨域协同；信息融合；优化决策；协同控制；人机融合

1 引 言 

装备、系统的跨领域应用并不是全新的概念，而是自古存在的现象，其发展大致可分为早期萌芽、应用驱动、理念成熟和无人时代四个阶段。

早期萌芽：在人类文明数千年的发展历史中，几乎同时具备了对地面平台和装备的驾驭记录，并广泛用于人类的日常生活、生产和军事等各个方面。19 世纪初，人类发明了现代飞行器后，终于实现了驾驭空中平台和装备翱翔天空的理想。与此同时，跨域协同的概念就开始萌芽：第一次世界大战中，飞行器广泛用于侦察、通信、炮校等辅助性任务，为地面部队提供支援和保障，成为空地跨域协同的较早案例。再往前追溯，人类利用孔明灯、热气球等来为地面人员传输信息和物资等活动也同样表明了人类“将可利用空间从地面二维扩展到空间三维以提供更多便利和启发更多能力”的朴素思想，这虽然谈不上严格意义上的跨域协同，但不可否认地成为现代跨域协同思想的萌芽和雏形。

应用驱动：随着现代化装备技术的高速发展，跨域应用的案例屡见不鲜，典型代表就是马航搜索事件。在马航MH370 航班搜索事件中，世界各国大量利用太空、空中、水面、水下等装备开展搜索工作，这场历时数年的大搜索创造了多项纪录，其中之一就是利用破纪录数量的跨域平台开展工作。据不完全统计，在灾难后的 9天内（即截至到2014年3月17日），已经有来自26 个国家和地区的40 艘舰船、超过58 架飞机参与搜索，覆盖范围超过78 万km2[1]。这一创历史纪录的搜索活动虽以失败告终，但其无疑在人类历史上留下了联合使用陆海空天跨域装备的浓重一笔。

理念成熟：严格来讲，马航搜索并不能称为严格意义上的跨域协作，因为各个国家的各型装备之间的协同方式并不紧密，甚至因各救援力量无法通过互联协作统一行动而难称为协同。但在同一时期，军事领域中的跨域协同概念已经清晰并日趋成熟：2012年1月17日，美军正式颁布《联合作战介入概念》，其中就明确提出了跨域协同的作战思想[2]。随后，美军颁布的《美国陆军和海军陆战队的跨军种概念：实现并维持进入》《联合作战顶层概念：2020年联合部队》《海空一体战：军种协作应对反进入和区域拒止挑战》等一系列文件，对跨域协同作战思想进行了扩充[3]，明确了跨域协同的基本内涵：在不同领域互补性地而不是简单叠加性运用多种能力，使各领域之间互补增效，从而在多领域建立优势，获得完成任务所需要的行动自由。

无人时代：近年来，无人系统技术的快速壮大为跨域协同发展带来了更多活力。这是因为相对于有人装备，无人系统具有两方面无可比拟的优势：一是无人系统多样化发展的特征明显，极大地丰富了协同模式并为功能提升带来了更多可能性；二是无人系统的低成本优势明显，为跨域协同应用从军事走向民用奠定了坚实基础。自此，跨域协同思想具备了蓬勃发展的基本土壤，在过去的十多年间得到快速发展。

综上所述，本文的无人系统跨域协同是指陆、海、空、天等可在不同空间域内运行的、具有显著功能差异性的多台套无人系统组成有机整体，其相互间可通过信息共享与融合、行为交互与协调、任务协同与合作实现功能互补、能效倍增，从而提升面对复杂环境和使命的应对能力。跨域协同与传统的多机协同和当前的集群协同等概念也存在明显的差异，是无人系统应用和技术发展的新趋势。应用层面，海、陆、空、天无人系统之间的跨域互联与协同合作有利于充分发挥异构平台的功能冗余性和能力互补性，实现各要素单元的一体化运用，从而达到效果互用、效能增强的综合目的，同时跨域协同也有利于推动无人系统应用新模态的涌现，从而进一步推动无人系统在各领域发挥全新作用；技术层面，协同是无人系统自主性技术的高级阶段，万物互联是可改变世界的潜力技术，加之被寄予厚望的集群技术，共同构成了跨域协同的技术内涵，其与人工智能、信息技术等学科的交叉融合，有望显著推动无人系统整体技术的发展与提升。 

2 国外技术发展介绍 

2.1 国外无人系统发展规划中的跨域协同

近年来，国内外针对无人系统跨域协同的重视程度日益增加，欧美的各种发展规划中对该方向给予了诸多关注。

早在2006年，欧盟提出了机器人技术路线图，在对面向安全与监控的机器人发展章节中明确提出了远期发展目标（到2020+）[4]：不同种类的机器人通过合作完成高度复杂的任务。这是较早在正式规划中提出要发展跨域协同记载。

美国方面，随着美军“跨域战”“多域战”“全域战”等概念的不断发展，其在无人系统技术路线图中也开始关注跨域协同技术与应用。自2007年美国防部发布《无人系统综合路线图》起（图1），其在持续不断地大力推进无人系统体系化和智能化，并强调海陆空无人系统自主协作技术。图1 中，封面从最早的陆海空割裂图片（2007）到共处同一画面（2009、2011）、再到协同案例（2013）、组网协同（2017），表征了美军对跨域协同在不同时期的理解和重视程度。

图1 美国防部无人系统发展路线图封面 (2007—2017)

Fig.1 Cover of DARPA unmanned systems roadmap (2007—2017)

◆ 2007年，提出互操作性要求的五大需求，其中之一是跨域协同的互操作性。在不同模式的系统中：陆军未来战斗系统（Future Combat System，FCS）的地面车辆及空中无人机协同工作的计划能力是这个级别未来互操作性的一个例子。

◆ 2009年，明确提出了无人系统可以为跨域战提供灵活选择，这其中除了“有人–无人协同”以外的另一个重要方向就是无人系统间及其与有人系统间的跨域协同。这将为联合部队指挥官（Joint Force Commander，JFC）提供决定性能力。

◆ 2011年，互操作被列为美军面临的七大挑战之一，并将跨域系统的互操作性列为互操作性的首要需求。

◆ 2013年，美国防部发布的无人系统路线图和美国机器人技术发展路线图分别给出了多个跨域协同的应用想定，涉及军事封锁/侦察、近海管道威胁、国土关键基础设施保护和检查等案例，全面深入介绍了未来跨域协同技术可能带来的应用模式的变革性影响。

◆ 2017年及随后几年的规划中，利用无人系统和有人系统组成跨域体系成为全面趋势，强调所有无人系统的软硬件架构的统一，从而为体系化运用奠定技术基础。

2.2 国外无人系统跨域协同进展综述

国外为了推动跨域协同技术的进步和发展，开展了诸多工作，本节将从比赛竞技、探索研究和应用驱动三个角度对相关工作进行简单综述。

2.2.1 比赛竞技型项目

比赛竞技是促进无人系统技术发展的有效手段之一，近年来世界各国对无人系统竞技类比赛投入了极大的关注，跨域协同类比赛由于相对投入较大，因此尚不多见，但也已出现一些在常规项目中采用跨域协同技术参赛或者专门针对跨域协同而设置的比赛科目，这些竞赛无疑对跨域协同技术的发展起到了较好的推动作用（表1）。

表1 国外知名跨域协同相关竞技赛

Table 1 Well-known foreign cross-domain cooperative competitions

（1）欧盟：euRathlon 挑战赛

euRathlon 是欧盟FP7 支持下的一个竞赛，其目标是通过竞赛加速实现适应真实世界的智能机器人，该项赛事以类似福岛核事故灾难响应为主要背景开展。2015年，euRathlon 竞赛科目正式引入跨域协同概念，要求陆海空平台协同行动，收集环境数据、识别关键危险并承担任务，以确保核电站安全（图2）[5]。

 图2 欧盟组织的euRathlon-2015 挑战赛比赛场地

Fig.2 euRathlon-2015 grand challenge competition site

（2）美国：地下挑战赛（Subterranean Challenge）

2019年起，美国国防部预先研究计划局（DARPA）发起最新的“地下挑战赛”，旨在促进机器人与无人系统技术在地下环境中的应用[6-7]。比赛要求参赛者研制出可帮助人类在未知且危险的地下环境实现定位导航、绘图以及搜寻的空地机器人系统。比赛分为隧道巡回赛、城市巡回赛、洞穴巡回赛和总决赛四个阶段，2019年8月的第一阶段比赛中，要求参赛队伍在60 min 内对隧道内环境建模并对40 个模拟生还者及制定物品定位，共有来自8 个国家的11 支团队参赛，最终卡耐基梅隆大学与俄勒冈州立大学联合组队，赢得比赛冠军；2020年2月，第二阶段比赛在城市地下机构中进行，来自11 个国家的17 个团队参赛，最终美国国家航空航天局（NASA）喷气式推进实验室、麻省理工学院加州理工学院和波士顿动力公司组成的CoSTAR 团队获得实体比赛冠军[8]，密歇根理工大学的BARCS 团队获得模拟比赛冠军；2020年11月，第三阶段比赛在虚拟洞穴环境中完成，参赛团队需以不超过5 m的精度定位找到隐藏在虚拟洞穴环境中的20 个虚拟物件以及模拟矿难幸存者人体模型，最终加州大学、红杉中学等组成的协同机器人团队夺冠。

2.2.2 探索研究型项目

自21 世纪初，国外对跨域协同技术的关注不断高涨，各部门所资助的与此相关的项目不胜枚举，本小节列出部分具有代表性的探索研究型项目，供读者参考（表2）。

表2 国外探索研究型跨域协同项目

Table 2 Foreign exploratory and research-type cross-domain collaborative projects