基于通用接口的無人艇互操作通信系統(tǒng)構(gòu)建?

宮明慧 宋大勇

（海軍航空大學(xué) 煙臺 264001）

1 引言

近年來，無人智能系統(tǒng)快速發(fā)展，主要包括無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），無人水面艇（Unmanned Surface Vehicle，USV），無人水下潛航器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）和無人車（Unmanned Ground Vehicle，UGV）等。其中，無人機發(fā)展時間最長，技術(shù)最成熟，但自2000年以來，以無人艇為代表的其他無人系統(tǒng)呈爆發(fā)式發(fā)展態(tài)勢，無人艇的種類日趨增多，功能日益完善。無人水面艇是指具有自主規(guī)劃、自主航行能力，并可自主完成探測感知、通信傳輸?shù)热蝿?wù)的小型水面平臺。無人艇根據(jù)使命任務(wù)的不同，可采用多種不同的設(shè)備模塊，搭載不同的傳感器或任務(wù)設(shè)備，執(zhí)行任務(wù)也呈現(xiàn)多樣性。

在現(xiàn)代作戰(zhàn)中，無人艇通常充當(dāng)著探路先鋒和敢死隊的角色，其上搭載著各種傳感器載荷和輕小型武器系統(tǒng)。主要代替作戰(zhàn)人員執(zhí)行危險或耗時耗力的任務(wù)，在提高作戰(zhàn)效能的同時不斷降低作戰(zhàn)人員的傷亡。隨著無人艇技術(shù)的快速發(fā)展，各種海上作戰(zhàn)的需要，無人水面艇在未來作戰(zhàn)中將發(fā)揮越來越重要的作用，成為己方戰(zhàn)斗力的“倍增器”。

隨著無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及其在戰(zhàn)場上的普及應(yīng)用，各國之間、各軍兵種之間、不同類型、不同功能無人艇系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)問題日益突顯，尤其在多國聯(lián)合作戰(zhàn)情況下。無人艇系統(tǒng)操作人員短缺、成本、互操作技術(shù)薄弱等問題也相繼出現(xiàn)。研究制定無人艇系統(tǒng)互操作性標(biāo)準(zhǔn)，研制能夠在不同軍兵種、不同公司的不同類型、不同功能的無人艇系統(tǒng)的需求日益迫切。

2 無人艇作戰(zhàn)模式分析

2.1 信息支持

無人艇是信息化聯(lián)合作戰(zhàn)的重要節(jié)點，可搭載雷達(dá)、聲吶、無線通信、光學(xué)、電子戰(zhàn)等綜合探測通信設(shè)備，在作戰(zhàn)區(qū)域和復(fù)雜海域，憑借小型化、隱身化、低海拔特點，執(zhí)行偵查、巡邏、警戒、通信中繼、電子干擾等任務(wù)，為聯(lián)合作戰(zhàn)信息鏈提供戰(zhàn)場信息并實現(xiàn)實時傳輸，協(xié)助奪取戰(zhàn)場制信息權(quán)。

2.2 協(xié)同作戰(zhàn)

無人艇可與直升機、無人艇、水面艦艇協(xié)同作戰(zhàn)，通過構(gòu)建一體化作戰(zhàn)信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)戰(zhàn)場信息全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實時傳輸與接收；通過自身搭載和投放水雷、魚雷、火箭彈、電子對抗等武器裝備，在作戰(zhàn)區(qū)域與復(fù)雜海況環(huán)境執(zhí)行反潛、反艦、反水雷、電子戰(zhàn)等作戰(zhàn)任務(wù)；通過聯(lián)合作戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈，引導(dǎo)直升機、無人艇、水面艦艇發(fā)射導(dǎo)彈精確打擊目標(biāo)，具有低成本、無傷亡、高效率的特點。

2.3 支援保障

無人艇是兩棲作戰(zhàn)部隊的重要武器裝備，代替有人裝備在近海淺灘等復(fù)雜海域執(zhí)行后勤補給、海況測繪、地形勘察、搜救救援等任務(wù)，依靠高速機動、靈活便捷的優(yōu)勢，為兩棲作戰(zhàn)部隊提供可靠的后勤保障和作戰(zhàn)支持。

3 無人艇通用接口分析

海上作戰(zhàn)呈現(xiàn)通用化、信息化發(fā)展趨勢，現(xiàn)代海戰(zhàn)場面臨高度對抗性、高度不確定性、高度動態(tài)性特點，無人艇的作戰(zhàn)樣式已逐步從單平臺作戰(zhàn)向多平臺“集群”作戰(zhàn)的方向發(fā)展。一方面，未來海戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜，單艘無人艇所能執(zhí)行的任務(wù)能力有限，生存能力受到越來越大的挑戰(zhàn)，而多艘無人艇協(xié)同作戰(zhàn)，通過能力互補和行動協(xié)調(diào)，則能夠提升整體作戰(zhàn)效能。另一方面，無人艇的自主能力不斷發(fā)展，將逐步從簡單的遙控、程控方式向人機智能融合的交互控制、甚至全自主控制方式發(fā)展，無人艇將具備集群協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的能力。通用接口是實現(xiàn)無人艇互聯(lián)互通、集群作戰(zhàn)的基礎(chǔ)條件。

北約通用接口標(biāo)準(zhǔn)STANAG 4586規(guī)定了一系列智能無人設(shè)備通用接口的硬件標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議。美國、以色列等無人智能設(shè)備研制大國已陸續(xù)采用北約的標(biāo)準(zhǔn)研制通用控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)鏈，STANAG 4586是目前常見的互操作標(biāo)準(zhǔn)。

無人艇系統(tǒng)需要一個互聯(lián)互通互操作的功能性結(jié)構(gòu)，開發(fā)一系列支持現(xiàn)有及未來各種類型無人艇的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口：無人艇核心控制模塊（CUCS）和無人艇之間的接口（數(shù)據(jù)鏈接口，Data Line Interface）；CUCS和外部C4I系統(tǒng)之間的接口（命令和控制接口，Command Control Interface）；CUCS和USV系統(tǒng)操作員之間的接口（人機控制接口，Human Computer Interface），如圖1所示。

圖1 無人艇通用接口示意圖

無人艇特殊模塊（VSM）是一座無人艇核心控制系統(tǒng)與無人艇平臺專有系統(tǒng)進(jìn)行溝通的橋梁，通過DLI標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)無人艇與核心控制系統(tǒng)既相互獨立又相互聯(lián)系，確保無人艇及其部件的更換維修不會影響到無人艇系統(tǒng)中其他部件的完整性。VSM與無人艇內(nèi)部的專有協(xié)議是完全獨立的，執(zhí)行附加的轉(zhuǎn)換協(xié)議。從無人艇的專門協(xié)議轉(zhuǎn)換到UCS的通用協(xié)議，以此將孤立的無人艇加入到無人艇互聯(lián)互通互操作系統(tǒng)中。

人機特殊模塊（HCISM）通過HCI標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)外部操控系統(tǒng)與核心控制系統(tǒng)相互獨立，執(zhí)行附加的轉(zhuǎn)換協(xié)議，在CUCS與操縱員間實現(xiàn)信息傳輸與通信，將孤立的外部操控設(shè)備加入到無人艇系統(tǒng)中。

命令和控制特殊模塊（CCISM）是以服務(wù)于無人艇核心控制系統(tǒng)為目標(biāo)，通過CCI標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)外部C4I系統(tǒng)與核心控制系統(tǒng)相互獨立的工藝架構(gòu)，確保將更多的C4I系統(tǒng)與部件納入到無人艇系統(tǒng)中。

4 常見無人艇的通信方式（艇載有線通信方式、無線通信方式）

無人艇通信包括無人艇內(nèi)部設(shè)備通信、測控站內(nèi)部通信和無人艇與測控站之間的無線通信。無人艇內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信是指艇內(nèi)各個設(shè)備部位之間的通信，測控站內(nèi)部通信是指測控站或其他控制終端與C4I部位、人機部位之間的通信，一般是有線通信，主要通過數(shù)據(jù)終端（如計算機、服務(wù)器等設(shè)備）、網(wǎng)線、路由器和交換機等設(shè)備實現(xiàn)，設(shè)備內(nèi)部運行專有通信協(xié)議，設(shè)備間運行通用通信協(xié)議，不同部位通過光纖總線相連，實現(xiàn)信息互聯(lián)互通。無人艇與測控站之間的通信是指艇艇、艇岸之間的網(wǎng)絡(luò)通信，一般是指無線通信，目前主要通過短波通信、衛(wèi)星通信和微波通信方式實現(xiàn)，實現(xiàn)起來較為復(fù)雜。通過通用接口實現(xiàn)無人艇系統(tǒng)的互操作性主要研究有線通信的通用協(xié)議和無線通信。

4.1 光纖通信

光纖通信是利用光波作載波，以光纖作為傳輸媒質(zhì)將信息從一處傳至另一處的通信方式，被稱之為“有線”光通信。當(dāng)今，光纖以其傳輸頻帶寬、抗干擾性高和信號衰減小，而遠(yuǎn)優(yōu)于電纜通信的傳輸，已成為有限通信中主要傳輸方式。光纖通信總線是無人艇系統(tǒng)電子設(shè)備實現(xiàn)綜合化、數(shù)字化和智能化的核心和支柱，對實現(xiàn)電子設(shè)備功能的綜合、提高無人艇的作戰(zhàn)能力和生存能力起著重要作用。

4.2 短波通信

短波通信在遠(yuǎn)距離通信方面一直占據(jù)重要地位，被認(rèn)為是有效而經(jīng)濟的海上通信手段，廣泛地應(yīng)用于海上戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)指揮通信中。

短波通信是利用波長為100m～10m，3MHz～30MHz的電磁波進(jìn)行的無線電通信，主要靠天波傳播，可經(jīng)電離層一次或數(shù)次反射，最遠(yuǎn)可傳上萬公里，廣泛用于語音、電報和數(shù)據(jù)傳輸。短波通信有著許多顯著的優(yōu)點，與衛(wèi)星通信、微波通信、光纖通信相比，短波通信無需建立中繼站即可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，建設(shè)和維護費用低，建設(shè)周期短；設(shè)備簡單，可以根據(jù)使用要求設(shè)置，進(jìn)行固定或移動通信；臨時組網(wǎng)方便、迅速、具有很大的使用靈活性；設(shè)備體積小，容易隱蔽，可用較小的發(fā)射功率直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信；抗干擾能力強，難摧毀，是無人艇遠(yuǎn)程通信的重要手段。

4.3 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信是指地球上的無線電通信站利用具有信號放大變頻功能的衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行的通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由地球同步中繼衛(wèi)星和地球通信站兩部分組成。它主要具有通信范圍大，可靠性高等特點。只要在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi)，從任何兩通信站之間都可進(jìn)行通信，并且不易受陸地災(zāi)害的影響。由于無人艇在海上航行海域較大自主航行對數(shù)據(jù)可靠性要求非常高，因此衛(wèi)星通信非常適合無人艇與測控站之間的通信。

4.4 微波通信

微波通信是指使用波長在1mm～1m之間的電磁波（即微波）進(jìn)行的通信。其對應(yīng)的頻率范圍是0.3GHz～300GHz。微波通信系統(tǒng)由各微波通信基站組成。它具有可用頻帶寬、通信容量大、傳輸損傷小和抗干擾能力強等特點，可用于點對點、一點對多點或廣播等通信方式。由于微波波長很短，其在空中傳播特性與光波相近，只能直線前進(jìn)，因此兩基站微波通信距離最遠(yuǎn)是視距，超過這個距離就需要進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。由于海上遮擋物和電磁干擾都很少，因此微波通信也是艦船無人艇無線通信的常用手段。

當(dāng)存在多套通信設(shè)備時，各設(shè)備之間的兼容互通往往存在問題，未來的無人艇通信系統(tǒng)需要具備互聯(lián)互通互操作功能以解決兼容性問題。

5 基于通用接口的無人艇通信系統(tǒng)架構(gòu)

5.1 有線通信

5.1.1 互操作等級

STANAG 4586規(guī)定了無人系統(tǒng)互操作的五個等級，如表1所示。

表1 無人系統(tǒng)互操作等級列表

5.1.2 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和信息集

為實現(xiàn)無人艇的互操作設(shè)計，DLI、HCI、CCI等通用接口要遵循標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和信息格式。通用接口包含兩個主要組件。第一個組件是最小通用消息集，能夠支持CUCS功能和通用無人艇數(shù)據(jù)需求的無人艇和任務(wù)載荷單獨工作。第二組件是實現(xiàn)從無人艇/艇載數(shù)據(jù)終端到CUCS的無人艇特定信息的通信，以便遠(yuǎn)程顯示無人艇專有特定信息。

1）標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議

通用接口主要遵循下列通信協(xié)議：

（1）因特網(wǎng)協(xié)議IPv6

（2）傳輸控制協(xié)議（TCP）

（3）用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）

（4）超文本傳輸協(xié)議（HTTP）

（5）Web瀏覽器（例如Netscape或Internet Explorer）

（6）文件傳輸協(xié)議（FTP）

（7）網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（NTP）。

2）最小通用信息集

為了實現(xiàn)通用接口與無人艇/艇載數(shù)據(jù)終端/CUCS的信息交換，提高系統(tǒng)互操作性，需要定義無人艇系統(tǒng)最小通用消息集，該消息集包括以下內(nèi)容的控制和狀態(tài)消息：

（1）無人艇

（2）任務(wù)載荷

（3）數(shù)據(jù)鏈

（4）告警系統(tǒng)

消息集包含的是與無人艇專有信息和任務(wù)載荷無關(guān)的無人艇通用數(shù)據(jù)，這使得通用接口不需要修改標(biāo)準(zhǔn)也能適應(yīng)多系列的無人艇或任務(wù)載荷。此外，消息集使接口具備了通過CUCS-HCI顯示多類型無人艇系統(tǒng)和信息的能力。

5.2 無線通信

無線通信系統(tǒng)用于完成無人艇與測控站之間的數(shù)據(jù)交換與通信工作。無人艇通過無線通信傳輸鏈路接收測控站操作人員的遙控指令，控制無人艇相應(yīng)設(shè)備相應(yīng)動作從而實現(xiàn)對其的遙控。同時無線數(shù)據(jù)通道將無人艇的航行數(shù)據(jù)（包括航速，坐標(biāo)，航向，航跡等）、雷達(dá)數(shù)據(jù)、光電探測數(shù)據(jù)等，傳輸?shù)綔y控站。

考慮遙控艇航程遠(yuǎn)，為保證視距內(nèi)和視距外的通信、操控等需要，無線通信系統(tǒng)主要由短波、微波及衛(wèi)星通信組成。短波通信數(shù)據(jù)量較小，只能將艇上觀測系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)綜合，對重要數(shù)據(jù)壓縮后通過短波無線鏈路傳到測控站。而微波/衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)率相對較高，誤碼率低，傳輸可靠，可以實現(xiàn)視距內(nèi)/視距外的較大數(shù)據(jù)量的實時傳輸。工作中根據(jù)通信距離選擇合適的通信鏈路，同時各鏈路互為備份，以提高無人艇的工作可靠性。

5.3 無人艇通信系統(tǒng)架構(gòu)

為了在艇載數(shù)據(jù)終端和接收數(shù)據(jù)終端間實現(xiàn)信息實施傳輸，需要構(gòu)架遵循STANAG 7085數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)終端間的實時通信，使從海面發(fā)送的圖像和管理數(shù)據(jù)能夠根據(jù)需要通過地面（包括海面，空中）指揮、控制和鏈路管理數(shù)據(jù)終端進(jìn)行分發(fā)，必須準(zhǔn)確描述通信所需的數(shù)據(jù)鏈的總體要求、系統(tǒng)功能模型、接口及其特性、保密要求、鏈路管理以及通信協(xié)議等通用技術(shù)規(guī)范。

無人艇通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人艇通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)語

基于通用接口的無人艇通信系統(tǒng)對無人艇實現(xiàn)互操作具有重要意義，是實現(xiàn)空海一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能有效提升戰(zhàn)場信息利用率，降低作戰(zhàn)成本，提高作戰(zhàn)效率。解決了通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化問題，能大大加快無人艇通用平臺的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)進(jìn)程，大大提高無人艇系統(tǒng)的通用性和交互操作性，達(dá)到期望的協(xié)同作戰(zhàn)水平。