摘要：近几十年来，世界对无人机系统（UAS）的需求和依赖不断增长，无人机系统的应用范围越来越广，包括监视/侦察和打击/攻击等军事行动。随着无人机技术的成熟和能力的扩展，尤其是在提高自主性方面，采办专业人员和作战决策者必须确定如何最好地将先进能力纳入现有和新兴任务领域。本研究旨在预测未来20年最有可能出现的自主无人机能力，以及每种能力实施的关键挑战。采用德尔菲法，依靠运营、采办和学术界的主题专家，预测未来的自主无人机任务区和相应的自主水平。这项研究发现，人们普遍认为，无人机的能力在不断增强，自主性也在不断提高，但也发现了最有希望的研究和开发领域，包括情报、监视和侦察（ISR）任务区，以及感知、规避和数据链技术。
关键词：无人机系统（UAS），自主；德尔菲研究；挑战；未来的军事应用；数据驱动决策（DDDM）
无人机系统（UAS）的历史与军用航空的历史一样悠久。1849年，无人驾驶飞机首次出现在使用热气球对威尼斯进行空中轰炸时，后来又出现在美国内战中。关于第一次世界大战和第二次世界大战中的空中战术的讨论也充斥着许多尝试使用无人机的例子，尽管成功有限。如今，无人机通常被认为是自动或半自动遥控飞机，模拟无人驾驶飞机在没有飞行员的情况下的操纵。目前，大多数无人机都是由地面飞行员在人在回路中远程操作的
（HITL）在几乎没有自主功能的控制装置上构造或与飞行员一起操纵。然而，人们相信，随着技术的进步，UAS自主能力水平的提高将得到发展。鉴于这样的预期，在讨论未来自主无人机的使用时，没有深入了解自主系统在开发和将其集成到作战环境中的成本、复杂性和局限性（政治/法律/技术）方面的影响。
例如，在过去二十年中，无人机技术发展迅速，使无人机成为军事行动中不可或缺的一部分。获得无人机武装的国家从2008年的三个国家（美国、英国和以色列）增长到2018年的至少28个；有10个国家在作战中使用过它们。除军事行动外，无人机行业的增长预计将继续扩大，被称为“本十年世界航空航天行业最具活力的增长行业”。
作为无人机开发和使用领域的领导者，美国军方已经意识到无人机系统的研究支出逐年增加。图1的左侧显示了军事部门为通用无人系统增加的资金，而图的右侧清楚地表明，无人机是无人系统预算中资金最多的部分。据估计，到27财年，无人机技术的军事研究支出预计将增至130亿美元。
尽管无人机研发的资金预计会增加，但采办经理仍必须就开发哪些无人机功能做出时间和资源决策。资金池虽然庞大，但仍然有限，并非所有的生产渠道都可行。如果系统开发人员能够将精力集中在未来使用的最现实的应用程序上，这将非常有帮助。本研究试图通过预测未来最有可能实现的UAS应用程序、每个应用程序允许的预期自治级别以及实现的主要挑战来提供这种现实性。这项研究将通过了解在项目办公室、学术界和试点社区工作的当前UAS利益相关者的观点来实现。他们对未来无人机自主能力和潜在用途的看法可能有助于规划者和开发人员预测应该在哪里进行开发投资，哪里可能存在系统性障碍，以及如何更好地实现无人机自主的好处。最终，更好地理解自主无人机能力可能采取的方向的能力可能使规划者能够更好地将用户输入转化为系统需求，同时也有助于降低技术和安全风险。越早完成，未来基础设施的基础就越强，UAS系统的性价比也就越高。这项研究有助于提供这种关注。然而，首先需要理解自治在UAS系统中的作用。
本研究重点关注无人机领域空间的四个方面，包括：（1）识别当前无人机使用情况，（2）预测未来任务使用情况，（3）评估当前和未来的自主水平，以及（4）实现未来自主任务能力的感知挑战。
研究表明情报、监视、侦察（ISR）和打击/攻击是无人机首要的两项军事任务，通讯和战斗搜救（CSAR）次之。研究显示ISR、货运和空中加油似乎已就未来20年的无人机的发展方向达成共识。还应注意的是，电子战（EW）/网络也将作为未来可能的任务。
未来使用无人机自主能力面临的挑战分为三类：技术问题、数据要求和规划问题。
（1）技术挑战
未来无人机自主任务能力面临的技术挑战包括图2所示的八个子类别。专家组成员认为，感知和避免是无人机感知环境和避免任何障碍的能力，包括其他无人机。机器学习（ML）——人工智能（AI）认识到AI/ML在现代数据分析中日益重要的作用，尤其是在空中作战中常见的复杂性和时间限制下。人机技术强调了人类必须能够以比键盘、鼠标和操纵杆等传统飞行员界面更自然的方式与UAS进行交互。系统复杂性代表了与日益复杂的无人机设计和运行相关的技术问题。与不断发展的技术相匹配，体现了专家组成员的信念，即工业界将以比军方更快的速度开发尖端无人机技术，因此军方应该利用这些专业知识。数据链路指的是无人机，其硬件和软件需要与地面站以及作战区域内的其他飞机建立数据链路。安全可靠的连接指的是无人机拥有安全可靠的通信通道返回地面站的能力，尤其是在相当长的地理距离上。
图2 技术挑战的重要性
研究表明8项技术挑战中有5项对于未来无人驾驶飞机自主任务的成功非常重要或更高，只有人机技术、系统复杂性和任务规划/指挥控制不太重要。
（2）数据挑战
除了技术挑战，还将数据相关问题确定为未来无人驾驶飞机自主使用的挑战。图3显示了评估的八项数据相关挑战的重要性。尽管这被认为是一个独立于技术的挑战领域，但诸如感知和避免以及数据链接等主题开始出现。
感知和避免数据指的是收集、处理和存储相关数据以避免冲突的能力，而改进的数据链路指的是传输和共享大量传感器和关键任务数据的能力。与现有系统集成反映了与现有军事系统（地面和空中）共享数据需求相关的兼容性问题，与民用和军用系统集成承认，UAS将需要与民用和军用空中交通管制（以及其他飞机）共享一些数据。Data volume软件认为当今使用的许多平台无法处理或在某些情况下无法理解发送的数据。与此相关的是，中间件互操作性是一种可能的补救措施，可以潜在地处理和转换数据，以满足各种用户需求。最后，算法、方法和技术参考了如何解决快速、近实时数据分析问题的“知识”，而信息分析则捕获了硬件实际实现前者的可用性和能力。
同样，感知和避免以及改进的数据链接都被评为具有非常高或更高的重要性级别，这表明它们在与技术挑战结合考虑时具有一致性。在与现有系统和软件开发集成方面也达成了共识。
当被要求考虑解决数据挑战的可能性时，图4显示评估感测、检测和避免改进的数据链接，并与可能或更高的待解决的系统集成。有趣的是，人们认为最有可能解决的三个数据挑战也是最重要的挑战之一。UAS开发人员和研究人员将很好地考虑将资源集中在这些数据挑战领域。
（3）方案挑战
未来无人机自主操作的最后一个挑战集中在方案问题上。图5显示了对挑战和重要性的评价。
采购和开发时间、开发的总体成本以及与不断发展的技术保持同步是三个最高评级的项目挑战领域。它们反映了开发新的无人机平台的准备时间长、成本高，以及人们认识到，技术往往比传统的军事采办周期成熟得更快。人们认为，部署在首次部署之前已经过时的无人机可能存在风险。开发新技术的总体成本与获取和开发时间密切相关，但前者强调时间，而后者强调成本。
当被问及解决方案挑战的可能性时，图6显示，人们对未来20年将解决的挑战不那么乐观。人们一致认为，增加联网能力和风险规避的成本可以降低，也就是方案问题“太大”或“太复杂”，无法在20年内甚至可能永远解决。UAS开发人员和研究人员仍然可以使用最重要的程序挑战领域来专注于他们的工作；然而，唯一被认为有可能解决的问题是降低成本以提高网络能力。
图6 解决项目/采办挑战的可能性
总体而言，研究预测，未来20年内，无人机任务区的数量将增加，每个任务区的自主权水平也将相应提高。这一预测不仅与之前的研究一致，而且还确定了可能应用该技术的特定任务领域。具体而言，ISR任务能力被确定为不仅有可能在未来20年内扩大，而且还包括最高级别的无人机自主行为，这与无人机技术使用的其他研究一致。
