基于通用接口的無人艇互操作通信系統構建?

宮明慧 宋大勇

（海軍航空大學 煙臺 264001）

1 引言

近年來，無人智能系統快速發展，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，無人機發展時間最長，技術最成熟，但自2000年以來，以無人艇為代表的其他無人系統呈爆發式發展態勢，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劃、自主航行能力，并可自主完成探測感知、通信傳輸等任務的小型水面平臺。無人艇根據使命任務的不同，可采用多種不同的設備模塊，搭載不同的傳感器或任務設備，執行任務也呈現多樣性。

在現代作戰中，無人艇通常充當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。主要代替作戰人員執行危險或耗時耗力的任務，在提高作戰效能的同時不斷降低作戰人員的傷亡。隨著無人艇技術的快速發展，各種海上作戰的需要，無人水面艇在未來作戰中將發揮越來越重要的作用，成為己方戰斗力的“倍增器”。

隨著無人系統技術的發展及其在戰場上的普及應用，各國之間、各軍兵種之間、不同類型、不同功能無人艇系統的協同作戰問題日益突顯，尤其在多國聯合作戰情況下。無人艇系統操作人員短缺、成本、互操作技術薄弱等問題也相繼出現。研究制定無人艇系統互操作性標準，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的需求日益迫切。

2 無人艇作戰模式分析

2.1 信息支持

無人艇是信息化聯合作戰的重要節點，可搭載雷達、聲吶、無線通信、光學、電子戰等綜合探測通信設備，在作戰區域和復雜海域，憑借小型化、隱身化、低海拔特點，執行偵查、巡邏、警戒、通信中繼、電子干擾等任務，為聯合作戰信息鏈提供戰場信息并實現實時傳輸，協助奪取戰場制信息權。

2.2 協同作戰

無人艇可與直升機、無人艇、水面艦艇協同作戰，通過構建一體化作戰信息網絡，實現戰場信息全網絡節點實時傳輸與接收；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，在作戰區域與復雜海況環境執行反潛、反艦、反水雷、電子戰等作戰任務；通過聯合作戰數據鏈，引導直升機、無人艇、水面艦艇發射導彈精確打擊目標，具有低成本、無傷亡、高效率的特點。

2.3 支援保障

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

3 無人艇通用接口分析

海上作戰呈現通用化、信息化發展趨勢，現代海戰場面臨高度對抗性、高度不確定性、高度動態性特點，無人艇的作戰樣式已逐步從單平臺作戰向多平臺“集群”作戰的方向發展。一方面，未來海戰場環境越來越復雜，單艘無人艇所能執行的任務能力有限，生存能力受到越來越大的挑戰，而多艘無人艇協同作戰，通過能力互補和行動協調，則能夠提升整體作戰效能。另一方面，無人艇的自主能力不斷發展，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展，無人艇將具備集群協同執行任務的能力。通用接口是實現無人艇互聯互通、集群作戰的基礎條件。

北約通用接口標準STANAG 4586規定了一系列智能無人設備通用接口的硬件標準和技術協議。美國、以色列等無人智能設備研制大國已陸續采用北約的標準研制通用控制系統和數據鏈，STANAG 4586是目前常見的互操作標準。

無人艇系統需要一個互聯互通互操作的功能性結構，開發一系列支持現有及未來各種類型無人艇的標準化通用接口：無人艇核心控制模塊（CUCS）和無人艇之間的接口（數據鏈接口，Data Line Interface）；CUCS和外部C4I系統之間的接口（命令和控制接口，Command Control Interface）；CUCS和USV系統操作員之間的接口（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與無人艇平臺專有系統進行溝通的橋梁，通過DLI標準接口實現無人艇與核心控制系統既相互獨立又相互聯系，確保無人艇及其部件的更換維修不會影響到無人艇系統中其他部件的完整性。VSM與無人艇內部的專有協議是完全獨立的，執行附加的轉換協議。從無人艇的專門協議轉換到UCS的通用協議，以此將孤立的無人艇加入到無人艇互聯互通互操作系統中。

人機特殊模塊（HCISM）通過HCI標準接口實現外部操控系統與核心控制系統相互獨立，執行附加的轉換協議，在CUCS與操縱員間實現信息傳輸與通信，將孤立的外部操控設備加入到無人艇系統中。

命令和控制特殊模塊（CCISM）是以服務于無人艇核心控制系統為目標，通過CCI標準接口實現外部C4I系統與核心控制系統相互獨立的工藝架構，確保將更多的C4I系統與部件納入到無人艇系統中。

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部設備通信、測控站內部通信和無人艇與測控站之間的無線通信。無人艇內部網絡通信是指艇內各個設備部位之間的通信，測控站內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，主要通過數據終端（如計算機、服務器等設備）、網線、路由器和交換機等設備實現，設備內部運行專有通信協議，設備間運行通用通信協議，不同部位通過光纖總線相連，實現信息互聯互通。無人艇與測控站之間的通信是指艇艇、艇岸之間的網絡通信，一般是指無線通信，目前主要通過短波通信、衛星通信和微波通信方式實現，實現起來較為復雜。通過通用接口實現無人艇系統的互操作性主要研究有線通信的通用協議和無線通信。

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。當今，光纖以其傳輸頻帶寬、抗干擾性高和信號衰減小，而遠優于電纜通信的傳輸，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電子設備實現綜合化、數字化和智能化的核心和支柱，對實現電子設備功能的綜合、提高無人艇的作戰能力和生存能力起著重要作用。

4.2 短波通信

短波通信在遠距離通信方面一直占據重要地位，被認為是有效而經濟的海上通信手段，廣泛地應用于海上戰略和戰術指揮通信中。

短波通信是利用波長為100m～10m，3MHz～30MHz的電磁波進行的無線電通信，主要靠天波傳播，可經電離層一次或數次反射，最遠可傳上萬公里，廣泛用于語音、電報和數據傳輸。短波通信有著許多顯著的優點，與衛星通信、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遠距離通信，建設和維護費用低，建設周期短；設備簡單，可以根據使用要求設置，進行固定或移動通信；臨時組網方便、迅速、具有很大的使用靈活性；設備體積小，容易隱蔽，可用較小的發射功率直接進行遠距離通信；抗干擾能力強，難摧毀，是無人艇遠程通信的重要手段。

4.3 衛星通信

衛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星作為中繼而進行的通信。衛星通信系統由地球同步中繼衛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。只要在衛星發射的電波所覆蓋的范圍內，從任何兩通信站之間都可進行通信，并且不易受陸地災害的影響。由于無人艇在海上航行海域較大自主航行對數據可靠性要求非常高，因此衛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）進行的通信。其對應的頻率范圍是0.3GHz～300GHz。微波通信系統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，因此兩基站微波通信距離最遠是視距，超過這個距離就需要進行中繼轉發。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。

當存在多套通信設備時，各設備之間的兼容互通往往存在問題，未來的無人艇通信系統需要具備互聯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架構

5.1 有線通信

5.1.1 互操作等級

STANAG 4586規定了無人系統互操作的五個等級，如表1所示。

表1 無人系統互操作等級列表

5.1.2 標準通信協議和信息集

為實現無人艇的互操作設計，DLI、HCI、CCI等通用接口要遵循標準通信協議和信息格式。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據需求的無人艇和任務載荷單獨工作。第二組件是實現從無人艇/艇載數據終端到CUCS的無人艇特定信息的通信，以便遠程顯示無人艇專有特定信息。

1）標準通信協議

通用接口主要遵循下列通信協議：

（1）因特網協議IPv6

（2）傳輸控制協議（TCP）

（3）用戶數據報協議（UDP）

（4）超文本傳輸協議（HTTP）

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

（6）文件傳輸協議（FTP）

（7）網絡時間協議（NTP）。

2）最小通用信息集

為了實現通用接口與無人艇/艇載數據終端/CUCS的信息交換，提高系統互操作性，需要定義無人艇系統最小通用消息集，該消息集包括以下內容的控制和狀態消息：

（1）無人艇

（2）任務載荷

（3）數據鏈

（4）告警系統

消息集包含的是與無人艇專有信息和任務載荷無關的無人艇通用數據，這使得通用接口不需要修改標準也能適應多系列的無人艇或任務載荷。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和信息的能力。

5.2 無線通信

無線通信系統用于完成無人艇與測控站之間的數據交換與通信工作。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，控制無人艇相應設備相應動作從而實現對其的遙控。同時無線數據通道將無人艇的航行數據（包括航速，坐標，航向，航跡等）、雷達數據、光電探測數據等，傳輸到測控站。

考慮遙控艇航程遠，為保證視距內和視距外的通信、操控等需要，無線通信系統主要由短波、微波及衛星通信組成。短波通信數據量較小，只能將艇上觀測系統測得的數據綜合，對重要數據壓縮后通過短波無線鏈路傳到測控站。而微波/衛星通信數據傳輸數據率相對較高，誤碼率低，傳輸可靠，可以實現視距內/視距外的較大數據量的實時傳輸。工作中根據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 無人艇通信系統架構

為了在艇載數據終端和接收數據終端間實現信息實施傳輸，需要構架遵循STANAG 7085數據鏈標準，為實現數據終端間的實時通信，使從海面發送的圖像和管理數據能夠根據需要通過地面（包括海面，空中）指揮、控制和鏈路管理數據終端進行分發，必須準確描述通信所需的數據鏈的總體要求、系統功能模型、接口及其特性、保密要求、鏈路管理以及通信協議等通用技術規范。

無人艇通信系統結構如圖1所示。

圖1 無人艇通信系統結構圖

6 結語

基于通用接口的無人艇通信系統對無人艇實現互操作具有重要意義，是實現空海一體化聯合作戰的關鍵環節，能有效提升戰場信息利用率，降低作戰成本，提高作戰效率。解決了通信系統的標準化問題，能大大加快無人艇通用平臺的模塊化和標準化建設進程，大大提高無人艇系統的通用性和交互操作性，達到期望的協同作戰水平。