邊緣計算機將如何塑造無人機戰(zhàn)爭

無人機在國防和安全行動中發(fā)揮了關(guān)鍵作用已有一段時間了，但直到最近幾年，尤其是烏克蘭的毀滅性沖突，無人機的真正作戰(zhàn)潛力才被意識到?，F(xiàn)在，無人機在戰(zhàn)斗中的使用已成為常態(tài)，再加上能夠部署人工智能的先進(jìn)嵌入式計算機，無人機正在創(chuàng)造一種能力，讓軍隊在未來戰(zhàn)場上占據(jù)優(yōu)勢。

無人機（軍方稱之為無人駕駛航空系統(tǒng) (UAS)）已成為全球大多數(shù)武裝部隊的必備裝備。在所有領(lǐng)域，無人機都使用一系列傳感器，傳統(tǒng)上用于被動情報、監(jiān)視和偵察 (ISR)，收集有關(guān)敵方活動的重要信息并為情報周期提供信息。

軍用無人機系統(tǒng)（多種尺寸）相對于傳統(tǒng)載人平臺的優(yōu)勢已得到充分證實，包括：將人員從危險中解救出來、延長平臺續(xù)航時間、降低平臺成本、組建更大的小型平臺艦隊以及降低被擊落后升級的風(fēng)險。

除了 ISR 功能外，MQ-9 Reaper 等無人機還能夠通過使用機載精 確制導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)行致命打擊來閉合 OODA 循環(huán)（由觀察、定位、決策和行動組成的四階段決策框架）。然而，在小型無人機興起之前，這些主要是先進(jìn)軍隊的職責(zé)。

武器化無人機的使用日益增多

Kite Strike II 是一款新一代全堅固小型 (SFF) 嵌入式計算解決方案，在邊緣部署處理技術(shù)和功能方面實現(xiàn)了巨大飛躍。它集成了世界上最強大的嵌入式 AI 計算引擎 NVIDIA Jetson AGX Orin SOM，專為邊緣 AI 和自主關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的苛刻計算機視覺和傳感器融合數(shù)據(jù)處理工作負(fù)載而設(shè)計。

過去十年，小型廉價無人機的使用激增，包括四軸飛行器和固定翼無人機，它們可以發(fā)動致命攻擊。第 一個顯著的例子是 2010 年代中期在敘利亞和伊拉克打擊伊斯蘭國 (IS) 的戰(zhàn)斗。

伊斯蘭國率先使用可以投擲手榴彈的廉價現(xiàn)成四軸飛行器，以及可以攜帶炸藥的業(yè)余遙控飛機。雖然這些武裝無人機很原始，但它們在阻止試圖奪回伊斯蘭國控制城市（如摩蘇爾）的部隊前進(jìn)方面非常有效。

烏克蘭戰(zhàn)爭加速并完善了無人機戰(zhàn)爭的技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)，目前這場沖突的大部分特點是使用商用現(xiàn)貨 (COTS) 無人機進(jìn)行監(jiān)視和致命打擊。2024 年初，烏克蘭數(shù)字化轉(zhuǎn)型部長表示，烏克蘭無人機在短短一周內(nèi)就摧毀或損壞了 73 輛坦克、10 門榴彈炮和 369 名俄羅斯人員。

烏克蘭軍隊率先使用廉價的第 一人稱視角 (FPV) 無人機，這種無人機最初是為電影制作和無人機競賽等娛樂活動而開發(fā)的，配備炸藥，由熟練的操作員直接飛向目標(biāo)。在典型的任務(wù)中，ISR 團(tuán)隊會部署一架無人機，然后將目標(biāo)數(shù)據(jù)傳遞給單獨的 FPV 團(tuán)隊以完成“殺傷鏈”。

無人機現(xiàn)已高度融入烏克蘭的軍隊結(jié)構(gòu)，烏克蘭總統(tǒng)于二月份宣布成立一個新的戰(zhàn)略部隊，即無人系統(tǒng)部隊。

無人機的未來技術(shù)發(fā)展——人工智能革命

隨著計算機處理能力的進(jìn)一步發(fā)展以及人工智能 (AI) 被部署到更多邊緣系統(tǒng)（包括 Systel 率先開發(fā)的系統(tǒng)），無人機的自主能力將進(jìn)一步提升。自主性和人工智能將如何支撐新的無人機戰(zhàn)術(shù)的一個例子就是集群，其中多個 UAS 將協(xié)同工作，在有限的人力投入下執(zhí)行任務(wù)。

無人機集群攻擊的破壞性影響已初露端倪，俄羅斯轟炸烏克蘭平民，胡塞武裝在紅海發(fā)動襲擊，并向海軍和商船發(fā)射伊朗制造的巡航彈藥。這些襲擊表明，多架相對廉價的無人機可以壓倒防空系統(tǒng)，并迅速耗盡防御彈藥庫存。

未來無人機集群攻擊將更加智能，并整合各種電子戰(zhàn)對抗措施，進(jìn)一步欺騙和削弱防空系統(tǒng)。

人工智能的使用還將使無人機在惡劣環(huán)境中更具生存能力，并像蜂群一樣，在有限的人工輸入下執(zhí)行任務(wù)。目前，許多 UAS 仍然依賴人類操作員和地面控制站的控制輸入——尤其是烏克蘭使用的廉價商用 FPV 無人機——這在存在干擾和信號可能被阻擋的環(huán)境中具有挑戰(zhàn)性。

解決這一問題的方法是利用人工智能（包括機器視覺）來幫助自主導(dǎo)航和目標(biāo)選擇，特別是在終端攻擊階段。烏克蘭使用遠(yuǎn)程無人機襲擊俄羅斯基礎(chǔ)設(shè)施，以及新一代 FPV 無人機，該無人機具有自動終端攻擊階段，可克服控制和數(shù)據(jù)鏈路的干擾，這就是一個例子。

隨著人工智能邊緣計算機功能越來越強大，并越來越多地用于處理無人機傳感器數(shù)據(jù)，這種自主目標(biāo)檢測和識別可能會變得越來越復(fù)雜。自主系統(tǒng)之間的合作程度也將更高，使它們能夠協(xié)同工作并做出決策，幫助它們實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果，并根據(jù)任務(wù)需要進(jìn)行調(diào)整。

無人機的任務(wù)范圍也可能進(jìn)一步擴大，目前重點關(guān)注可用于后勤的重型無人機，這些無人機可以向前線部隊運送彈藥、食品和藥品等物資，并釋放載人直升機資產(chǎn)來執(zhí)行其他任務(wù)。由于邊緣計算，這些無人機也可能具有高度自主性，并且人工投入有限。

美國陸軍在無人機新時代的投資

無人機沖突的新現(xiàn)實并沒有忽視美國軍方，包括美國陸軍。美國陸軍今年宣布將“重新平衡”其航空現(xiàn)代化投資，包括逐步淘汰在現(xiàn)代沖突中無法生存的無人機系統(tǒng)，包括暗影無人機和大渡鴉無人機。

陸軍表示，將加大對“先進(jìn)、有效、強大且生存力強”的無人機偵察能力的投資，并采購商用無人機。陸軍參謀長蘭迪·喬治將軍表示：“我們從戰(zhàn)場上了解到，尤其是在烏克蘭，空中偵察已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化?！?/span>

他補充道：“安裝在各種無人系統(tǒng)和太空中的傳感器和武器比以往任何時候都更加普遍、影響范圍更廣、成本也更低?！?/span>

作為重新平衡的一部分，陸軍將加快未來戰(zhàn)術(shù)無人機系統(tǒng) (FTUAS) 的開發(fā)，該項目由位于德克薩斯州舒格蘭的領(lǐng)先堅固型計算機制造商 Systel 提供支持，將為陸軍旅戰(zhàn)斗隊提供快速部署的 ISR 能力。美國陸軍的另一個關(guān)鍵項目是發(fā)射效果 (LE)，該項目將使用黑鷹直升機發(fā)射小型 UAS，在大規(guī)模作戰(zhàn)行動期間為指揮官提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

隨著美國陸軍在執(zhí)法方面的進(jìn)步，該部隊也可能會開始測試群集能力以及一名操作員如何通過一臺設(shè)備控制多臺 UAS。

無人機戰(zhàn)爭的計算需求不斷增長

隨著無人機融入更多智能功能，特別是支持人工智能的 ISR 和瞄準(zhǔn)功能（包括目標(biāo)檢測和識別、生命模式 (POL) 和行為識別以及預(yù)測分析）以及包括群集在內(nèi)的更多自主功能，對能夠在邊緣“本地”捕獲和處理數(shù)據(jù)的更強大的邊緣計算的需求將會增長。

將數(shù)據(jù)（包括時間敏感的情報數(shù)據(jù)）發(fā)送回指揮部進(jìn)行分析將不再可行，這可能會延遲決策過程并可能導(dǎo)致任務(wù)失敗。同樣，平臺級別的自主決策也將消除對持續(xù)的人為干預(yù)操作的需求。

邊緣計算將實現(xiàn)這一點，減少對集中式總部或控制站的依賴，這些總部或控制站很容易在有爭議的環(huán)境中以及帶寬有限或不可用的情況下受到攻擊。這使戰(zhàn)術(shù)指揮官或平臺本身能夠做出更快的決策（通常是實時的），從而轉(zhuǎn)化為作戰(zhàn)優(yōu)勢。

由于邊緣計算機必須在前線運行，因此它們必須足夠堅固以承受無人機將經(jīng)歷的惡劣環(huán)境，并且足夠可靠以承受主要作戰(zhàn)行動的高節(jié)奏。這意味著它們必須滿足甚至超過軍用級環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，例如 MIL-STD-810（涵蓋溫度、振動、沖擊、高度、濕度以及防沙和防水等加固規(guī)范）和 MIL-STD-461（涵蓋電磁干擾 (EMI) 和兼容性 (EMC) 加固規(guī)范）。

此外，為了最 大限度地提高互操作性和可升級性以及成本效率，邊緣計算機需要采用模塊化開放系統(tǒng)方法 (MOSA) 按照開放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

邊緣計算機還需要根據(jù) UAS 平臺上有限的尺寸、重量和功率 (SWaP) 進(jìn)行設(shè)計，這自誕生以來一直是無人機制造商面臨的工程挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，高級 AI 處理需要更大的處理器和更大的功率，而在空間極其狹窄的 UAS 等功率受限的平臺上，這一點很難實現(xiàn)。

最 新的邊緣計算機

最 新一代軍用邊緣計算機現(xiàn)在能夠以越來越小的外形尺寸提供卓越的性能，尤其是在邊緣 AI 和處理等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中。這對于 UAS 領(lǐng)域尤其重要，因為該領(lǐng)域 SWaP 考慮至關(guān)重要，并且對支持 AI 的系統(tǒng)和自主性的需求正在增長。

最 新的 MIL-SPEC 堅固型嵌入式計算機利用最 新的商用現(xiàn)貨技術(shù) (COTS)，能夠?qū)鞲衅鞑东@/編碼、處理、網(wǎng)絡(luò)、存儲、控制和分發(fā)融合到單個強大且高度可配置的線路可更換單元 (LRU) 中。

這些計算機還利用了模塊系統(tǒng) (SOM)，將關(guān)鍵組件整合到單個印刷電路板上，非常適合嵌入式和邊緣應(yīng)用。

SOM 可以集成 GPU、CPU 和內(nèi)存，特別適合需要強大處理能力的任務(wù)，例如利用機器學(xué)習(xí)算法的視頻分析，以及允許無人機等多傳感器平臺在源頭分析信息。高端 SOM 可以執(zhí)行非常復(fù)雜的 AI 和機器人任務(wù)，盡管這在成本和 SWaP 方面要求更高。

這些組件還利用了下一代接口，以確保高速高效的數(shù)據(jù)傳輸，這一點至關(guān)重要，因為通過多個無人機傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不斷增加。這些接口包括 PCI Express，現(xiàn)已進(jìn)入第五代 (PCIe 5.0)，隨著更多組件變得兼容，Systel 正在推出該接口