有人/無人機(jī)協(xié)同互操作性研究

0 引 言

無人機(jī)是現(xiàn)代空戰(zhàn)中獲取信息優(yōu)勢(shì)、實(shí)施精確打擊、完 成情報(bào)偵察監(jiān)視任務(wù)的重要工具，已經(jīng)滲透到戰(zhàn)場(chǎng)空間的各 個(gè)領(lǐng)域，在作戰(zhàn)體系中的作用日益突出。無人機(jī)在執(zhí)行偵察監(jiān) 視、目標(biāo)指示、反輻射摧毀、打擊效能評(píng)估等枯燥、惡劣和 危險(xiǎn)任務(wù)時(shí)相比有人機(jī)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì) [1-3]。信息化戰(zhàn)爭(zhēng) 進(jìn)行的是敵我雙方之間的體系對(duì)抗，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬變，電 磁環(huán)境復(fù)雜惡劣，這對(duì)嚴(yán)重依賴通信鏈路，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)變化反應(yīng) 能力較差的無人機(jī)系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在無人機(jī)自主化程 度不高的情況下，無人機(jī)與有人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，利用有人機(jī)戰(zhàn)術(shù) 決策上的靈活優(yōu)勢(shì)，可以極大地提高作戰(zhàn)效能 [4,5]。

互操作性是實(shí)現(xiàn)有人機(jī)與無人機(jī)之間互連互通、信息共 享、協(xié)同控制的基礎(chǔ)。本文對(duì)有人 / 無人機(jī)互操作性的相關(guān)標(biāo) 準(zhǔn)進(jìn)行了介紹，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，提出基于數(shù) 據(jù)鏈的有人 / 無人機(jī)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(shì)。 

1 互操作性 

1.1 互操作性標(biāo)準(zhǔn) 

無人機(jī)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?；ゲ僮餍?指的是多個(gè)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)不同無人機(jī)平臺(tái)間傳感器信 息的共享及無人機(jī)系統(tǒng)間的通用化操作，對(duì)節(jié)約成本、簡(jiǎn)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(jī)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(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能 ：對(duì)無人機(jī) 的遙測(cè)遙控 ；對(duì)無人機(jī)機(jī)載傳感器等有效載荷的控制能力；無人機(jī)情報(bào)偵察監(jiān)視信息的有效描述與傳輸 ；無人機(jī)作戰(zhàn)任務(wù) 的傳遞與更新。

1.2 互操作級(jí)別 

1999 年，北約組織由政府、軍隊(duì)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(jī)的互操 作性定義了無人機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)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(duì)無人機(jī)的互操作級(jí)別（Level of Interoperability，LOI）進(jìn)行了 5 級(jí)定義 [7]，見表 2?？梢钥闯?， 對(duì)無人機(jī)的互操作水平是一個(gè)遞增的過程，2 級(jí)的互操作級(jí)別 只能實(shí)現(xiàn)無人機(jī)傳感器產(chǎn)品信息的直接接收，到 4 級(jí)時(shí)，可以 控制無人機(jī)的傳感器，還可對(duì)無人機(jī)的飛行進(jìn)行控制。

STANAG 4586 標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)的是地面控制站對(duì)無人機(jī)的 控制和監(jiān)視，當(dāng)前有人機(jī)對(duì)無人機(jī)的協(xié)同控制與互操作性的研 究主要是實(shí)現(xiàn)把地面控制站放到有人駕駛飛機(jī)上，因此，互 操作級(jí)別的等級(jí)劃分也是以此標(biāo)準(zhǔn)為參考。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 

有 人 / 無 人 機(jī) 協(xié) 同（Manned and Unmanned Teaming， MUMT）的最早應(yīng)用是美國(guó)空軍在 20 世紀(jì) 60 年代從 C-130 運(yùn)輸機(jī)發(fā)射攜帶小牛（Maverick）空對(duì)地導(dǎo)彈的 AQM-34 偵 查無人機(jī)。

2004 年， 在 美 國(guó) 國(guó) 防 高 級(jí) 研 究 計(jì) 劃 局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）和空軍提出的 軟件使能控制計(jì)劃（Software Enabled Control，SEC）的研究中， 實(shí)現(xiàn)了有人戰(zhàn)斗機(jī) F-15E 對(duì) T-33 改裝的無人機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn) 了有人機(jī)采用語音指令控制無人機(jī)的方法 [8]。無人機(jī)可以執(zhí)行 坐在有人機(jī)上的武器系統(tǒng)操作員（Weapons Systems Officer， WSO）決定的動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃，對(duì)突發(fā)威脅及時(shí)反應(yīng)。有人機(jī) 與無人機(jī)之間通過 Link-16 數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)狀態(tài)和用戶自定義數(shù)據(jù) 的收發(fā)。

美國(guó)陸軍將“阿帕奇”攻擊直升機(jī)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(jī)載有人 / 無人系統(tǒng)技術(shù) （Airborne Manned/Unmanned Systems Technology，AMUST） 演示驗(yàn)證于 1996 年啟動(dòng)，目的是進(jìn)行有人 / 無人機(jī)編隊(duì)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(yàn)證，使用 AH-64D“阿帕奇”直升機(jī)和“獵人” 無人機(jī)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)偵察信息在有人直升機(jī)上的顯示。2000 年啟動(dòng)的 AMUST-D 6.3 計(jì)劃則是將重點(diǎn)放在指揮控制飛機(jī)、 直升機(jī)和無人機(jī)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(shí)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(jī)協(xié)同互操作技術(shù)。

2006 年的 獵人 遠(yuǎn) 距 殺 手 編隊(duì)（Hunter Standoff Killer Team，HSKT）計(jì)劃采用一架“獵人”無人機(jī)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(jī)進(jìn)行協(xié)同。 AH-64D 與無人機(jī)之間有通信接口系統(tǒng)（主要為 TCDL 數(shù)據(jù)鏈， 機(jī)組人員可以了解無人機(jī)傳來的情報(bào)偵察、目標(biāo)指示信息。機(jī) 組成員可以利用無人機(jī)的傳感器識(shí)別目標(biāo)，無人機(jī)通過激光照 射鎖定目標(biāo)并引導(dǎo)有人機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈擊中目標(biāo)。試驗(yàn)中 AH-64D 對(duì)“獵人”無人機(jī)的互操作級(jí)別達(dá)到了4 級(jí)。

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(jí)別 2（Manned Unmanned Teaming Level of Interoperability 2，MUMT-2）系統(tǒng)，能夠?yàn)?AH-64D 提供全 面綜合的多波段與 2 級(jí)互操作級(jí)別的能力，允許直升機(jī)機(jī)組 人員通過 TCDL 數(shù)據(jù)鏈從其他平臺(tái)接收非 TCDL 波段的傳感 器信息。無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈組件（UAS Tactical Common Data Link Assembly，UTA）能夠?yàn)?AH-64E 在傳輸距離超 過 50 km 的情況下提供互操作級(jí)別 3 級(jí)和 4 級(jí)的能力。2013 年在美國(guó)加利福尼亞的國(guó)家訓(xùn)練中心進(jìn)行了AH-64E 的操作 性測(cè)試，AH-64E 與“灰鷹”無人機(jī)的距離為 100 km 時(shí)通 過 TCDL 數(shù)據(jù)鏈傳送視頻信息，借助無人機(jī)的目標(biāo)指示信息， AH-64E 在不離開原來區(qū)域的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確打擊。

英國(guó) QinetiQ 公司考察了單座戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)多架無人機(jī)控制和 協(xié)同的可行性，指出單座戰(zhàn)斗機(jī)控制無人機(jī)時(shí)，若無人機(jī)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(duì)無人機(jī)的飛行控制、載荷控制等操作。當(dāng)無人機(jī)具 有較高的自主化水平時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行 4 級(jí)互操作級(jí)別的控制。 2007 年 4月，進(jìn)行了一架狂風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)與模擬無人機(jī)的 BAC1-11 編隊(duì)協(xié)同飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)有人機(jī)對(duì) 4 架無人機(jī)的協(xié)同控制。

美國(guó)國(guó)防部在 2011 年公布的《無人系統(tǒng)綜合路線圖 2011 ～ 2016》[11] 中對(duì)有人 / 無人機(jī)協(xié)同的發(fā)展情況進(jìn)行了系統(tǒng) 介紹，指出有人 / 無人機(jī)協(xié)同發(fā)展需要硬件和軟件的互操作性、 可升級(jí)的自主性、人機(jī)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(jī)協(xié)同互操作的發(fā)展會(huì)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(jī)協(xié)同作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)融入到更大的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)會(huì)改變作戰(zhàn)任 務(wù)的執(zhí)行方式，提高作戰(zhàn)效能。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

 國(guó)內(nèi)對(duì)于有人 / 無人機(jī)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(yàn)證。相關(guān)單位在有人 / 無人機(jī)協(xié) 同空戰(zhàn)模式及能力需求分析 [12]、編隊(duì)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(jī)互操作的多 數(shù)據(jù)鏈互連網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) [17] 等方面進(jìn)行了研究。

3 發(fā)展趨勢(shì) 

3.1 互操作級(jí)別不斷提高 

隨著數(shù)據(jù)鏈技術(shù)與多平臺(tái)協(xié)同控制技術(shù)的發(fā)展，有人機(jī) 對(duì)無人機(jī)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(jī)偵察情報(bào)信息向?qū)o人機(jī)傳感器飛控 系統(tǒng)的直接操控發(fā)展，互操作級(jí)別已經(jīng)達(dá)到 4 級(jí)或更高水平。 

3.2 通用性不斷增強(qiáng) 

無人機(jī)的種類和數(shù)量仍在不斷增加，需要對(duì)不同種類 的無人機(jī)建立通用性強(qiáng)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(shí)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(jī)協(xié)同的通用化體系架構(gòu)與 消息標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)有人機(jī)、地面控制站對(duì)無人機(jī)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(zhēng)正在由平臺(tái)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(jī)上的廣泛應(yīng)用，無人機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)能力大大增強(qiáng)。無人 機(jī)只有融入現(xiàn)有的有人機(jī)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(shì)共享與情報(bào)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(jī)、無人作戰(zhàn)飛機(jī)的發(fā)展，無人機(jī)已 不再單純的執(zhí)行偵察監(jiān)視等戰(zhàn)場(chǎng)輔助角色任務(wù)。未來有人 / 無 人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)，有人機(jī)與無人機(jī)的功能定位也會(huì)發(fā)生改變， 相應(yīng)地，互操作級(jí)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(jī)協(xié)同互操作系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)框圖，要實(shí)現(xiàn)有人 / 無人機(jī)的高效協(xié)同與互操作需要解決 人機(jī)集成、一致態(tài)勢(shì)理解、智能輔助決策等關(guān)鍵技術(shù) [18]。

4.1 人機(jī)集成

有人機(jī)和無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)，互操作級(jí)別較高時(shí)， 有人機(jī)飛行員不僅要處理來自指揮中心的指揮控制命令，還要 對(duì)無人機(jī)平臺(tái)的傳感器及飛行進(jìn)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(shí)現(xiàn)有人 機(jī)對(duì)無人機(jī)的協(xié)同控制。 

4.2 一致態(tài)勢(shì)理解 

綜合有人機(jī)與無人機(jī)上各種傳感器獲取的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)信 息與系統(tǒng)狀態(tài)、定位導(dǎo)航授時(shí)（Position Navigation Timing， PNT）信息，借助數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與有人機(jī)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的共享， 生成一致的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖是進(jìn)行有人 / 無人機(jī)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(jī)協(xié)同作戰(zhàn)時(shí)，有人機(jī)對(duì)無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)上的指揮 控制建立在無人機(jī)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(jī)自主性，提高互操作級(jí)別的有效手段。

5 結(jié) 語

有人 / 無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)互操作性的發(fā)展受到數(shù)據(jù)鏈、無 人機(jī)控制接口和無人機(jī)自主能力等因素的制約，當(dāng)前進(jìn)行的研 究實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)控制站位置的改變，對(duì)無人機(jī)的控制不再局 限于地面控制站，操作員可在直升機(jī)或者戰(zhàn)斗機(jī)中對(duì)無人機(jī)進(jìn) 行操控，同時(shí)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(qiáng)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(shí)間差，增強(qiáng)有人機(jī)的態(tài)勢(shì)感知能力，提高有 人 / 無人機(jī)編隊(duì)的作戰(zhàn)效能。