如何對(duì)這些飛行器進(jìn)行監(jiān)管，成為一道難題?！疤戾蟆笨罩?span id="00akmay" class=wpcom_keyword_link>反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“天弩”系統(tǒng)），是復(fù)旦大學(xué)航空航天系天弩團(tuán)隊(duì)為此打造的一支“利箭”。
11月22日，在 “飛鯊杯”第六屆中國(guó)研究生未來(lái)飛行器創(chuàng)新大賽中，團(tuán)隊(duì)最新開(kāi)發(fā)的分系統(tǒng)——“Helicarrier”多旋翼空中自主對(duì)接起降系統(tǒng)，獲得全場(chǎng)最佳實(shí)物演示獎(jiǎng)和常規(guī)賽道二等獎(jiǎng)。大賽由教育部學(xué)位與研究生教育發(fā)展中心指導(dǎo)，中國(guó)科協(xié)青少年科技中心主辦，國(guó)際宇航聯(lián)合會(huì)、中國(guó)航天基金會(huì)、中國(guó)宇航學(xué)會(huì)、中國(guó)航空學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦。

天弩團(tuán)隊(duì)由復(fù)旦學(xué)子組成，他們的導(dǎo)師是復(fù)旦大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院副院長(zhǎng)、航空航天系教授、飛行器設(shè)計(jì)研究所所長(zhǎng)艾劍良。在其悉心指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)自2018年10月起開(kāi)始研發(fā)“天弩”系統(tǒng)，目前已成功推出2.0版本。
“系統(tǒng)的理念是用無(wú)人機(jī)監(jiān)管無(wú)人機(jī)?！表?xiàng)目“總師”艾劍良介紹，該系統(tǒng)集自動(dòng)識(shí)別、跟蹤、打擊功能于一體，具有可超視距、低成本、適用范圍廣的優(yōu)勢(shì)。這將與成本高、管控范圍小的傳統(tǒng)監(jiān)管手段形成互補(bǔ)，更加高效地排除安全隱患，維護(hù)公共安全。

▲天弩團(tuán)隊(duì)
第一排（從左到右）：劉云霄（2020級(jí)博），張立（2020級(jí)博），艾劍良（教授），王亮（2018級(jí)博），龔幫民（2019級(jí)碩）；第二排（從左到右）：李涵（2020級(jí)博），邢振林（2018級(jí)博）

超視距，低成本，多用途，
“空中衛(wèi)士”上線
“我們的優(yōu)勢(shì)在于可超視距、成本低，用途廣。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人之一、航空航天系2018級(jí)博士研究生王亮介紹道。
在他看來(lái)，傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)監(jiān)管手段成本高、管控范圍有限。無(wú)論是追查操控人員的監(jiān)測(cè)溯源，還是使用武器直接摧毀，或者是人工信號(hào)干擾槍?zhuān)瑧?yīng)用范圍都十分有限，且成本高昂，“比如最為常見(jiàn)的多頻段干擾槍?zhuān)粌H需要人工觀瞄，還會(huì)帶來(lái)干擾正常通訊等問(wèn)題”。此外，倘若遇到超視距、空飄物、雷達(dá)無(wú)法探測(cè)的目標(biāo)，這三種手段都無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效管控。
而相較于這些傳統(tǒng)的監(jiān)管手段，“天弩”系統(tǒng)使用無(wú)人機(jī)監(jiān)管無(wú)人機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、跟蹤定位、自主打擊三位一體。這極大地降低了監(jiān)管難度與成本。同時(shí)，小型無(wú)人機(jī)隨時(shí)起降的特性，也有助于適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境，擴(kuò)大泛用性。

▲室內(nèi)靜態(tài)打靶測(cè)試

▲室外動(dòng)態(tài)打靶測(cè)試

▲避障測(cè)試

“‘天弩’系統(tǒng)1.0版本凸顯了低成本和應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢(shì)?！蓖趿两榻B，該版本無(wú)人機(jī)已經(jīng)可以預(yù)設(shè)路線自主飛行，自主識(shí)別跟蹤目標(biāo)，并進(jìn)行有效打擊，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)管手段的不足。

如今，“天弩”系統(tǒng)2.0版本已經(jīng)誕生。相較于1.0版本，新版加入了多目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、夜間工作模式、抗干擾等更加先進(jìn)的功能。不僅如此，新版本的升級(jí)還在于初步實(shí)現(xiàn)了多平臺(tái)協(xié)同組網(wǎng)。每一臺(tái)無(wú)人機(jī)既是任務(wù)的執(zhí)行者，又是信息的傳遞者。它們不僅可以各自執(zhí)行好預(yù)設(shè)的任務(wù)模式，也可將圖像、態(tài)勢(shì)等信息，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈、中繼等形式，進(jìn)行共享，傳遞給固定地面站、移動(dòng)地面站。這意味著僅需少量工作人員，即可對(duì)大范圍區(qū)域有效管控，“這進(jìn)一步提高了空域監(jiān)管效率和多任務(wù)能力”。

這其中，無(wú)人機(jī)的續(xù)航成為了關(guān)鍵。為了突破多旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航、執(zhí)行任務(wù)范圍的限制，團(tuán)隊(duì)又提出了“Helicarrier”概念。“就好像攜帶戰(zhàn)斗機(jī)的航空母艦。” 團(tuán)隊(duì)成員、航空航天系2020級(jí)博士研究生李涵打了個(gè)比方，技術(shù)的核心在于大型飛行平臺(tái)攜帶多架小型任務(wù)無(wú)人機(jī)，在空中自主起降協(xié)同組網(wǎng)。在他看來(lái)，這將進(jìn)一步拓展無(wú)人機(jī)執(zhí)行多元化任務(wù)的能力，“我們最初的靈感，就是設(shè)計(jì)可執(zhí)行多任務(wù)的空中無(wú)人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)”。

將所學(xué)化作實(shí)踐，每個(gè)人都是主角這個(gè)靈感來(lái)自于2018年9月的一堂課上，艾劍良在向同學(xué)們介紹了當(dāng)前無(wú)人機(jī)、空飄物監(jiān)管的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)后，提了一個(gè)問(wèn)題：“能否設(shè)計(jì)一種無(wú)人機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)，彌補(bǔ)當(dāng)前手段的不足？”
這啟發(fā)了團(tuán)隊(duì)同學(xué)，他們決定運(yùn)用自己的所學(xué)，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，設(shè)計(jì)一套集自主識(shí)別、跟蹤、打擊于一體的空中反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)反復(fù)周密的驗(yàn)證，2018年10月，“天弩”空中反無(wú)人機(jī)項(xiàng)目正式啟動(dòng)。
項(xiàng)目的進(jìn)展并非一帆風(fēng)順。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，從理念構(gòu)想的提出，到系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，再到實(shí)物樣機(jī)的制作和調(diào)試，處處是細(xì)節(jié)，都需要推敲。“有壓力，夜深人靜時(shí)經(jīng)常焦慮。”邢振林坦言。作為航空航天系2018級(jí)博士研究生，他主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。他介紹，數(shù)據(jù)鏈如何設(shè)計(jì)？算法效率如何提高？精度如何保證？問(wèn)題一個(gè)接一個(gè)涌現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)同學(xué)不得不反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案，“有時(shí)連續(xù)幾天只在糾結(jié)幾行代碼”。

最大的困難在于從理論到工程實(shí)踐的轉(zhuǎn)換：2019年5月，歷時(shí)半年的技術(shù)積累后，1.0版本樣機(jī)制作完成，進(jìn)入外場(chǎng)測(cè)試環(huán)節(jié)。然而，各類(lèi)問(wèn)題在測(cè)試初期接踵而至：圖傳延遲過(guò)大、各種天線信號(hào)線互相干擾、目標(biāo)跟蹤丟失……
團(tuán)隊(duì)不得不頻繁往返于測(cè)試場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室之間。為了滿足飛行需要，他們把測(cè)試場(chǎng)地從虹口區(qū)科技體育中心測(cè)試場(chǎng)轉(zhuǎn)到了松江區(qū)玄風(fēng)航空飛行營(yíng)地。為此，他們需要早晨八點(diǎn)出發(fā)，外出測(cè)試，晚上八點(diǎn)回到學(xué)校，修改程序。“來(lái)回路上就需要3個(gè)小時(shí)。”團(tuán)隊(duì)始終保持著一種默契：“我們必須分秒必爭(zhēng)！”
“半天一瓶驅(qū)蚊花露水。”團(tuán)隊(duì)成員、航空航天系2020級(jí)博士研究生張立回憶道。野外測(cè)試時(shí)正值夏季，飛行營(yíng)地地處偏僻，高溫酷暑與蚊蟲(chóng)叮咬成了一道難關(guān)。他們不得不用長(zhǎng)衣長(zhǎng)褲把渾身上下包得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，只露出眼睛和鼻子?！凹词谷绱?，曬傷仍然是家常便飯，整片皮膚都火辣辣地疼?！睆埩⑿Φ?，“還有螞蟻，一不留神就會(huì)從衣服里爬進(jìn)去” 。

▲
正在外場(chǎng)做夜間飛行測(cè)試、包裹得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的王亮（2020年9月16日 攝，地點(diǎn)：上海市松江區(qū)玄風(fēng)航空飛行營(yíng)地）
這群年輕人沒(méi)有停下來(lái)，他們的付出得到了回報(bào)。研發(fā)期間，在學(xué)校相關(guān)部門(mén)和航空航天系的支持下，他們共申報(bào)相關(guān)專(zhuān)利30余項(xiàng)。2019年7月，“天弩”系統(tǒng)1.0版本正式亮相第五屆“互聯(lián)網(wǎng)+”全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，獲上海賽區(qū)金獎(jiǎng)。8月，該系統(tǒng)參加第五屆中國(guó)研究生未來(lái)飛行器創(chuàng)新大賽，斬獲全國(guó)一等獎(jiǎng)。
探索永無(wú)止境。2020年7月，“天弩”系統(tǒng)2.0版本測(cè)試成功。8月，2.0版本獲第十五屆中國(guó)研究生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng)、企業(yè)獎(jiǎng)專(zhuān)項(xiàng)獎(jiǎng)。9月16日，“Helicarrier”初具雛形,單架任務(wù)無(wú)人機(jī)在空中平臺(tái)自主起降成功——團(tuán)隊(duì)視之為階段性的勝利，這為接下來(lái)多架任務(wù)無(wú)人機(jī)自主起降奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

▲
左起，王亮、張立（2020年8月21日 攝，地點(diǎn)：南京）
如今，平臺(tái)無(wú)人機(jī)最大續(xù)航時(shí)間已達(dá)45分鐘，小型任務(wù)無(wú)人機(jī)工程樣機(jī)也已實(shí)現(xiàn)10分鐘續(xù)航。在未來(lái)減重提高集成度后，成熟的“天弩”Helicarrier系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)6架無(wú)人機(jī)順序自主起降，協(xié)同組網(wǎng)。
在航空航天系2019級(jí)碩士研究生龔幫民看來(lái)，“天弩”系統(tǒng)從理論到實(shí)踐的跨越，既離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作，更離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)。與此同時(shí)，老師提供關(guān)鍵技術(shù)的指導(dǎo)，協(xié)調(diào)研發(fā)資源；系里安排測(cè)試資源、溝通項(xiàng)目參賽展示；而團(tuán)隊(duì)全體成員負(fù)責(zé)具體方案的實(shí)施推進(jìn)。
“每個(gè)人都是主角?！彼J(rèn)為，在研發(fā)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)不設(shè)固定的例會(huì)，根據(jù)若干時(shí)間節(jié)點(diǎn)，合理規(guī)劃測(cè)試安排，并配合隨時(shí)的討論。因此，自己的知識(shí)水平以及團(tuán)隊(duì)溝通合作能力都有了很大的提升。“不論是在思維層面，還是實(shí)踐層面，都見(jiàn)識(shí)了許多，更學(xué)到了許多。”
鑄造空中”利箭“，立志航空?qǐng)?bào)國(guó)?！啊戾蟆到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)持續(xù)兩年了，挑戰(zhàn)是有的，但我們不會(huì)停下來(lái)。”回顧團(tuán)隊(duì)的研發(fā)歷程，王亮感慨，“我們要打造一支‘利箭’，用科技創(chuàng)新踐行復(fù)旦學(xué)子的使命和擔(dān)當(dāng)。”