有人/無人機協(xié)同互操作性研究

趙露露

摘 要：有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)是未來一種重要的作戰(zhàn)模式，介紹了有人/無人機協(xié)同互操作性的定義與北約發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，研究了有人機與無人機實現(xiàn)互操作性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：無人機；互操作性；數(shù)據(jù)鏈；人機集成

中圖分類號：V279 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）05-00-03

0 引 言

無人機是現(xiàn)代空戰(zhàn)中獲取信息優(yōu)勢、實施精確打擊、完成情報偵察監(jiān)視任務(wù)的重要工具，已經(jīng)滲透到戰(zhàn)場空間的各個領(lǐng)域，在作戰(zhàn)體系中的作用日益突出。無人機在執(zhí)行偵察監(jiān)視、目標(biāo)指示、反輻射摧毀、打擊效能評估等枯燥、惡劣和危險任務(wù)時相比有人機有著得天獨厚的優(yōu)勢[1-3]。信息化戰(zhàn)爭進行的是敵我雙方之間的體系對抗，戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變，電磁環(huán)境復(fù)雜惡劣，這對嚴(yán)重依賴通信鏈路，對戰(zhàn)場變化反應(yīng)能力較差的無人機系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在無人機自主化程度不高的情況下，無人機與有人機協(xié)同作戰(zhàn)，利用有人機戰(zhàn)術(shù)決策上的靈活優(yōu)勢，可以極大地提高作戰(zhàn)效能[4，5]。

互操作性是實現(xiàn)有人機與無人機之間互連互通、信息共享、協(xié)同控制的基礎(chǔ)。本文對有人/無人機互操作性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行了介紹，對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了梳理，提出基于數(shù)據(jù)鏈的有人/無人機協(xié)同互操作性的系統(tǒng)架構(gòu)與要解決的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了未來的發(fā)展趨勢。

1 互操作性

1.1 互操作性標(biāo)準(zhǔn)

無人機種類和數(shù)量的增加帶來了通用性差、信息共享困難等問題，互操作性是解決這些問題的有效手段。互操作性指的是多個平臺通過協(xié)同操作完成給定作戰(zhàn)任務(wù)的能力。通過建立互操作性標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)不同無人機平臺間傳感器信息的共享及無人機系統(tǒng)間的通用化操作，對節(jié)約成本、簡化操作和戰(zhàn)術(shù)靈活控制有重要意義。

北約發(fā)布了一系列無人機系統(tǒng)互操作性相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議（Standardization Agreements，STANAG），按功能可分為四類：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、接口標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和控制標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示[6]。

該系列標(biāo)準(zhǔn)可支持無人機系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能：對無人機的遙測遙控；對無人機機載傳感器等有效載荷的控制能力；無人機情報偵察監(jiān)視信息的有效描述與傳輸；無人機作戰(zhàn)任務(wù)的傳遞與更新。

表1 STANAG無人機互操作系列標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)類型 標(biāo)準(zhǔn)名稱

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn) STANAG 4545：北約二次影像格式

STANAG 4559：北約標(biāo)準(zhǔn)影像庫接口

STANAG 4607：北約地面運動目標(biāo)指示數(shù)據(jù)格式

STANAG 4609：北約數(shù)字式運動圖像標(biāo)準(zhǔn)

STANAG 7023：北約空中偵察原始圖像格式

STANAG 3809：數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)地理信息交換標(biāo)準(zhǔn)

STAMAG 5500：北約報文格式化系統(tǒng)聯(lián)合數(shù)據(jù)出版物-3

STANAG 7074：數(shù)字地理信息交換標(biāo)準(zhǔn)

STANAG 3377：空中偵察情報報表

STANAG 4250：北約開放系統(tǒng)互連標(biāo)準(zhǔn)件

STANAG 7024：空中偵察磁帶錄音機接口

接口標(biāo)準(zhǔn) STANAG 4575：北約高級數(shù)據(jù)存儲接口

通信標(biāo)準(zhǔn) STANAG 7085：成像系統(tǒng)互操作數(shù)據(jù)鏈路

控制標(biāo)準(zhǔn) STANAG 4586：北約無人機控制系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)

1.2 互操作級別

1999年，北約組織由政府、軍隊和工業(yè)部門專家組成的專家組制定了STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)面向無人機的互操作性定義了無人機控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口，目標(biāo)是實現(xiàn)無人機地面通用控制站的功能，2007年和2012年分別更新了該標(biāo)準(zhǔn)的第二版和第三版。

STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)對無人機的互操作級別（Level of Interoperability，LOI）進行了5級定義[7]，見表2?？梢钥闯觯瑢o人機的互操作水平是一個遞增的過程，2級的互操作級別只能實現(xiàn)無人機傳感器產(chǎn)品信息的直接接收，到4級時，可以控制無人機的傳感器，還可對無人機的飛行進行控制。

表2 無人機互操作級別

LOI 定義

1 間接接收和發(fā)送無人機傳感器產(chǎn)品信息

2 第1級能力+直接接收無人機傳感器產(chǎn)品信息

3 第2級能力+控制和監(jiān)視無人機載荷

4 第3級能力+控制和監(jiān)視無人機，較少涉及無人機地發(fā)射與回收

5 第4級能力+控制和監(jiān)視無人機地發(fā)射與回收

STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)主要針對的是地面控制站對無人機的控制和監(jiān)視，當(dāng)前有人機對無人機的協(xié)同控制與互操作性的研究主要是實現(xiàn)把地面控制站放到有人駕駛飛機上，因此，互操作級別的等級劃分也是以此標(biāo)準(zhǔn)為參考。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

有人/無人機協(xié)同（Manned and Unmanned Teaming，MUMT）的最早應(yīng)用是美國空軍在20世紀(jì)60年代從C-130運輸機發(fā)射攜帶小牛（Maverick）空對地導(dǎo)彈的AQM-34偵查無人機。

2004年，在美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）和空軍提出的軟件使能控制計劃（Software Enabled Control，SEC）的研究中，實現(xiàn)了有人戰(zhàn)斗機F-15E對T-33改裝的無人機的控制，實現(xiàn)了有人機采用語音指令控制無人機的方法[8]。無人機可以執(zhí)行坐在有人機上的武器系統(tǒng)操作員（Weapons Systems Officer，WSO）決定的動態(tài)任務(wù)規(guī)劃，對突發(fā)威脅及時反應(yīng)。有人機與無人機之間通過Link-16數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)狀態(tài)和用戶自定義數(shù)據(jù)的收發(fā)。

美國陸軍將“阿帕奇”攻擊直升機有人/無人協(xié)同視為未來作戰(zhàn)力量建設(shè)的關(guān)鍵能力[9]。機載有人/無人系統(tǒng)技術(shù)（Airborne Manned/Unmanned Systems Technology，AMUST）演示驗證于1996年啟動，目的是進行有人/無人機編隊協(xié)同作戰(zhàn)的功能需求定義和關(guān)鍵技術(shù)分析。1999年的AMUST-Baseline演示驗證，使用AH-64D“阿帕奇”直升機和“獵人”無人機實現(xiàn)了無人機偵察信息在有人直升機上的顯示。2000年啟動的AMUST-D 6.3計劃則是將重點放在指揮控制飛機、直升機和無人機之間的互連互通上?；趹?zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈 （Tactical Common Data Link，TCDL）實現(xiàn)數(shù)據(jù)直接接收、載荷直接控制以及飛行控制等相關(guān)有人/無人機協(xié)同互操作技術(shù)。

2006年的獵人遠距殺手編隊（Hunter Standoff Killer Team，HSKT）計劃采用一架 “獵人”無人機和一架掛載海爾法反坦克導(dǎo)彈的AH-64D“阿帕奇”攻擊直升機進行協(xié)同。AH-64D與無人機之間有通信接口系統(tǒng)（主要為TCDL數(shù)據(jù)鏈，機組人員可以了解無人機傳來的情報偵察、目標(biāo)指示信息。機組成員可以利用無人機的傳感器識別目標(biāo)，無人機通過激光照射鎖定目標(biāo)并引導(dǎo)有人機發(fā)射導(dǎo)彈擊中目標(biāo)。試驗中AH-64D對“獵人”無人機的互操作級別達到了4級。

有人/無人協(xié)同當(dāng)前有兩套已經(jīng)列裝的系統(tǒng)[10]。有人/無人協(xié)同互操作級別2（Manned Unmanned Teaming Level of Interoperability 2，MUMT-2）系統(tǒng)，能夠為AH-64D提供全面綜合的多波段與2級互操作級別的能力，允許直升機機組人員通過TCDL數(shù)據(jù)鏈從其他平臺接收非TCDL波段的傳感器信息。無人機戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈組件（UAS Tactical Common Data Link Assembly，UTA）能夠為AH-64E在傳輸距離超過50 km的情況下提供互操作級別3級和4級的能力。2013年在美國加利福尼亞的國家訓(xùn)練中心進行了AH-64E的操作性測試，AH-64E與“灰鷹”無人機的距離為100 km時通過TCDL數(shù)據(jù)鏈傳送視頻信息，借助無人機的目標(biāo)指示信息，AH-64E在不離開原來區(qū)域的情況下實現(xiàn)對目標(biāo)的精確打擊。

英國QinetiQ公司考察了單座戰(zhàn)斗機對多架無人機控制和協(xié)同的可行性，指出單座戰(zhàn)斗機控制無人機時，若無人機的智能化水平低，自主能力差，則操作者的任務(wù)負(fù)擔(dān)顯著增加，無法完成對無人機的飛行控制、載荷控制等操作。當(dāng)無人機具有較高的自主化水平時，可對其進行4級互操作級別的控制。2007年4月，進行了一架狂風(fēng)戰(zhàn)斗機與模擬無人機的BAC1-11編隊協(xié)同飛行試驗，實現(xiàn)有人機對4架無人機的協(xié)同控制。

美國國防部在2011年公布的《無人系統(tǒng)綜合路線圖2011～2016》[11]中對有人/無人機協(xié)同的發(fā)展情況進行了系統(tǒng)介紹，指出有人/無人機協(xié)同發(fā)展需要硬件和軟件的互操作性、可升級的自主性、人機接口、全新的協(xié)同控制算法和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)工具的高度發(fā)展為支撐。有人/無人機協(xié)同互操作的發(fā)展會使當(dāng)前傳感器到射手的閉環(huán)向未來網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。有人/無人機協(xié)同作為一個節(jié)點融入到更大的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)會改變作戰(zhàn)任務(wù)的執(zhí)行方式，提高作戰(zhàn)效能。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對于有人/無人機協(xié)同互操作的研究尚處于起步階段，聚焦于理論分析與仿真驗證。相關(guān)單位在有人/無人機協(xié)同空戰(zhàn)模式及能力需求分析[12]、編隊協(xié)同任務(wù)分配方法[13，14]、任務(wù)控制系統(tǒng)[15]、交互控制技術(shù)[16]、支持無人機互操作的多數(shù)據(jù)鏈互連網(wǎng)關(guān)設(shè)計[17]等方面進行了研究。

3 發(fā)展趨勢

3.1 互操作級別不斷提高

隨著數(shù)據(jù)鏈技術(shù)與多平臺協(xié)同控制技術(shù)的發(fā)展，有人機對無人機的監(jiān)視與控制水平不斷提高，已從最開始的只能通過地面控制站間接收無人機偵察情報信息向?qū)o人機傳感器飛控系統(tǒng)的直接操控發(fā)展，互操作級別已經(jīng)達到4級或更高水平。

3.2 通用性不斷增強

無人機的種類和數(shù)量仍在不斷增加，需要對不同種類的無人機建立通用性強的控制體系結(jié)構(gòu)與互操作性標(biāo)準(zhǔn)。STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在實現(xiàn)通用地面控制站方面邁出重要一步，需要研究適用于有人/無人機協(xié)同的通用化體系架構(gòu)與消息標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)有人機、地面控制站對無人機的無縫協(xié)同控制。

3.3 網(wǎng)絡(luò)化能力不斷提升

現(xiàn)代戰(zhàn)爭正在由平臺中心戰(zhàn)向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)轉(zhuǎn)變，隨著通用數(shù)據(jù)鏈（Common Data Link，CDL）、Link-16等數(shù)據(jù)鏈在無人機上的廣泛應(yīng)用，無人機的網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)能力大大增強。無人機只有融入現(xiàn)有的有人機所在的網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)合作戰(zhàn)體系，才能獲得更好的態(tài)勢共享與情報信息傳輸分發(fā)能力。

3.4 任務(wù)需求不斷更新

隨著察打一體無人機、無人作戰(zhàn)飛機的發(fā)展，無人機已不再單純的執(zhí)行偵察監(jiān)視等戰(zhàn)場輔助角色任務(wù)。未來有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)時，有人機與無人機的功能定位也會發(fā)生改變，相應(yīng)地，互操作級別的定義也需要做出合適的修正。

4 關(guān)鍵技術(shù)

圖1所示為基于數(shù)據(jù)鏈的有人/無人機協(xié)同互操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，要實現(xiàn)有人/無人機的高效協(xié)同與互操作需要解決人機集成、一致態(tài)勢理解、智能輔助決策等關(guān)鍵技術(shù)[18]。

圖1 有人/無人協(xié)同互操作性功能結(jié)構(gòu)圖

4.1 人機集成

有人機和無人機協(xié)同編隊執(zhí)行任務(wù)，互操作級別較高時，有人機飛行員不僅要處理來自指揮中心的指揮控制命令，還要對無人機平臺的傳感器及飛行進行控制，工作負(fù)擔(dān)大，需要建立一套完整、高效的任務(wù)指令集與交互控制方式，實現(xiàn)有人機對無人機的協(xié)同控制。

4.2 一致態(tài)勢理解

綜合有人機與無人機上各種傳感器獲取的戰(zhàn)場情報信息與系統(tǒng)狀態(tài)、定位導(dǎo)航授時（Position Navigation Timing，PNT）信息，借助數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)無人機與有人機戰(zhàn)場態(tài)勢的共享，生成一致的戰(zhàn)場態(tài)勢圖是進行有人/無人機協(xié)同航路規(guī)劃、協(xié)同任務(wù)分配的基礎(chǔ)。

4.3 智能輔助決策

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)時，有人機對無人機戰(zhàn)術(shù)上的指揮控制建立在無人機具備一定自主能力的基礎(chǔ)上。智能輔助決策技術(shù)是提高無人機自主性，提高互操作級別的有效手段。

5 結(jié) 語

有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)互操作性的發(fā)展受到數(shù)據(jù)鏈、無人機控制接口和無人機自主能力等因素的制約，當(dāng)前進行的研究實現(xiàn)了無人機控制站位置的改變，對無人機的控制不再局限于地面控制站，操作員可在直升機或者戰(zhàn)斗機中對無人機進行操控，同時通過戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈從其他作戰(zhàn)單元獲取戰(zhàn)術(shù)信息，增強了戰(zhàn)術(shù)的靈活性。通過傳感器資源的有效整合，可以縮短傳感器到射手的時間差，增強有人機的態(tài)勢感知能力，提高有人/無人機編隊的作戰(zhàn)效能。

參考文獻

[1] Department of Defense， USA. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY 2013-2038 [R]. 2013.

[2] 牛軼峰，沈林成，戴斌，等. 無人作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展[J]. 國防科技，2009，30（5）：1-11.

[3] 陶于金，李沛峰. 無人機系統(tǒng)發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 航空制造技術(shù)，2014（20）：34-39.

[4] 肖霞. 有人機過渡到無人機的變革與挑戰(zhàn)[J]. 電子對抗，2007（4）：36-42.

[5] 王焱. 有人/無人機協(xié)同作戰(zhàn)[J]. 電訊技術(shù)，2013，53（9）：1253-1258.

[6] 曾佳，黃永葵，馬瀅，等. 無人機系統(tǒng)互操作性標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 航空電子技術(shù)，2011，42（2）：50-54.

[7] NATO Standardization Agency. STANAG 4586 （Edition 3）： Standard Interfaces of UAV Control System （UCS） for NATO UAV Interoperability[S]， 2012.

[8] VALENT M， SCHOUWENAAS T， KUWATA Y， et al. Implementation of a Manned Vehicle-UAV Mission System[C]. Guidance， Navigation， and Control Conference. Rhode Island： American Institute of Aeronautics and Astronautics（AIAA）， 2004.

[9] 張若晗，張策. “飛行坦克”新戰(zhàn)術(shù)——“阿帕奇”攻擊直升機的“有人/無人”組合[J]. 航空世界，2014（12）：4-5.

[10] VAN RIPER C. Apache Manned Unmanned Teaming Capability[EB/OL]. （2014-8-13） [2015-03-16].http：//www.ausa.org/publications/armymagazine/archive/2014/Documents/09September14/VanRiper_Sept2014.

[11] Department of Defense， USA. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY 2011-2036 [R]. 2011.

[12] 付昭旺，寇英信，于雷，等. 有人/無人戰(zhàn)斗機協(xié)同空戰(zhàn)模式及能力需求分析[J]. 火力與指揮控制，2012，37（1）：73-77.

[13] 劉躍峰，張安. 有人機/無人機編隊協(xié)同任務(wù)分配方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010，32（3）：584-588.

[14] 萬路軍，姚佩陽，孫鵬. 有人/無人作戰(zhàn)智能體分布式任務(wù)分配方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2013，35（2）：310-316.

[15] 彭輝，相曉佳，吳立珍，等. 有人機/無人機協(xié)同任務(wù)控制系統(tǒng)[J]. 航空學(xué)報，2008，29（S1）：135-141.

[16] 閆曄. 有人機/無人機協(xié)同中的交互控制技術(shù)研究[D]. 長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

[17] 張慶杰，王林，朱華勇，等. 支持無人機互操作的多數(shù)據(jù)鏈互連網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J]. 計算機工程，2009，35（20）：30-33.

[18] 馬向玲，雷宇耀，孫永芹，等. 有人/無人機協(xié)同空地作戰(zhàn)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 電光與控制，2011，18（3）：56-60.