有人/無人機協同互操作性研究

趙露露

摘 要：有人/無人機協同作戰是未來一種重要的作戰模式，介紹了有人/無人機協同互操作性的定義與北約發布的相關標準，總結了國內外發展現狀與發展趨勢，研究了有人機與無人機實現互操作性的系統結構及需要解決的關鍵技術。

關鍵詞：無人機；互操作性；數據鏈；人機集成

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

0 引 言

無人機是現代空戰中獲取信息優勢、實施精確打擊、完成情報偵察監視任務的重要工具，已經滲透到戰場空間的各個領域，在作戰體系中的作用日益突出。無人機在執行偵察監視、目標指示、反輻射摧毀、打擊效能評估等枯燥、惡劣和危險任務時相比有人機有著得天獨厚的優勢[1-3]。信息化戰爭進行的是敵我雙方之間的體系對抗，戰場環境瞬息萬變，電磁環境復雜惡劣，這對嚴重依賴通信鏈路，對戰場變化反應能力較差的無人機系統提出了嚴峻的挑戰。在無人機自主化程度不高的情況下，無人機與有人機協同作戰，利用有人機戰術決策上的靈活優勢，可以極大地提高作戰效能[4，5]。

互操作性是實現有人機與無人機之間互連互通、信息共享、協同控制的基礎。本文對有人/無人機互操作性的相關標準進行了介紹，對國內外研究現狀進行了梳理，提出基于數據鏈的有人/無人機協同互操作性的系統架構與要解決的關鍵技術，總結了未來的發展趨勢。

1 互操作性

1.1 互操作性標準

無人機種類和數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?；ゲ僮餍灾傅氖嵌鄠€平臺通過協同操作完成給定作戰任務的能力。通過建立互操作性標準，可以實現不同無人機平臺間傳感器信息的共享及無人機系統間的通用化操作，對節約成本、簡化操作和戰術靈活控制有重要意義。

北約發布了一系列無人機系統互操作性相關的標準化協議（Standardization Agreements，STANAG），按功能可分為四類：數據標準、接口標準、通信標準和控制標準，如表1所示[6]。

該系列標準可支持無人機系統實現以下功能：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；無人機情報偵察監視信息的有效描述與傳輸；無人機作戰任務的傳遞與更新。

表1 STANAG無人機互操作系列標準

標準類型 標準名稱

數據標準 STANAG 4545：北約二次影像格式

STANAG 4559：北約標準影像庫接口

STANAG 4607：北約地面運動目標指示數據格式

STANAG 4609：北約數字式運動圖像標準

STANAG 7023：北約空中偵察原始圖像格式

STANAG 3809：數字地形高程數據地理信息交換標準

STAMAG 5500：北約報文格式化系統聯合數據出版物-3

STANAG 7074：數字地理信息交換標準

STANAG 3377：空中偵察情報報表

STANAG 4250：北約開放系統互連標準件

STANAG 7024：空中偵察磁帶錄音機接口

接口標準 STANAG 4575：北約高級數據存儲接口

通信標準 STANAG 7085：成像系統互操作數據鏈路

控制標準 STANAG 4586：北約無人機控制系統接口標準

1.2 互操作級別

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

STANAG 4586標準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?，對無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無人機傳感器產品信息的直接接收，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 間接接收和發送無人機傳感器產品信息

2 第1級能力+直接接收無人機傳感器產品信息

3 第2級能力+控制和監視無人機載荷

4 第3級能力+控制和監視無人機，較少涉及無人機地發射與回收

5 第4級能力+控制和監視無人機地發射與回收

STANAG 4586標準主要針對的是地面控制站對無人機的控制和監視，當前有人機對無人機的協同控制與互操作性的研究主要是實現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準為參考。

2 國內外發展現狀

2.1 國外發展現狀

有人/無人機協同（Manned and Unmanned Teaming，MUMT）的最早應用是美國空軍在20世紀60年代從C-130運輸機發射攜帶小牛（Maverick）空對地導彈的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，實現了有人戰斗機F-15E對T-33改裝的無人機的控制，實現了有人機采用語音指令控制無人機的方法[8]。無人機可以執行坐在有人機上的武器系統操作員（Weapons Systems Officer，WSO）決定的動態任務規劃，對突發威脅及時反應。有人機與無人機之間通過Link-16數據鏈實現狀態和用戶自定義數據的收發。

美國陸軍將“阿帕奇”攻擊直升機有人/無人協同視為未來作戰力量建設的關鍵能力[9]。機載有人/無人系統技術（Airborne Manned/Unmanned Systems Technology，AMUST）演示驗證于1996年啟動，目的是進行有人/無人機編隊協同作戰的功能需求定義和關鍵技術分析。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?；趹鹦g通用數據鏈 （Tactical Common Data Link，TCDL）實現數據直接接收、載荷直接控制以及飛行控制等相關有人/無人機協同互操作技術。

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彈的AH-64D“阿帕奇”攻擊直升機進行協同。AH-64D與無人機之間有通信接口系統（主要為TCDL數據鏈，機組人員可以了解無人機傳來的情報偵察、目標指示信息。機組成員可以利用無人機的傳感器識別目標，無人機通過激光照射鎖定目標并引導有人機發射導彈擊中目標。試驗中AH-64D對“獵人”無人機的互操作級別達到了4級。

有人/無人協同當前有兩套已經列裝的系統[10]。有人/無人協同互操作級別2（Manned Unmanned Teaming Level of Interoperability 2，MUMT-2）系統，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數據鏈從其他平臺接收非TCDL波段的傳感器信息。無人機戰術通用數據鏈組件（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數據鏈傳送視頻信息，借助無人機的目標指示信息，AH-64E在不離開原來區域的情況下實現對目標的精確打擊。

英國QinetiQ公司考察了單座戰斗機對多架無人機控制和協同的可行性，指出單座戰斗機控制無人機時，若無人機的智能化水平低，自主能力差，則操作者的任務負擔顯著增加，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，進行了一架狂風戰斗機與模擬無人機的BAC1-11編隊協同飛行試驗，實現有人機對4架無人機的協同控制。

美國國防部在2011年公布的《無人系統綜合路線圖2011～2016》[11]中對有人/無人機協同的發展情況進行了系統介紹，指出有人/無人機協同發展需要硬件和軟件的互操作性、可升級的自主性、人機接口、全新的協同控制算法和網絡任務工具的高度發展為支撐。有人/無人機協同互操作的發展會使當前傳感器到射手的閉環向未來網絡化作戰系統轉變。有人/無人機協同作為一個節點融入到更大的作戰網絡會改變作戰任務的執行方式，提高作戰效能。

2.2 國內發展現狀

國內對于有人/無人機協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。相關單位在有人/無人機協同空戰模式及能力需求分析[12]、編隊協同任務分配方法[13，14]、任務控制系統[15]、交互控制技術[16]、支持無人機互操作的多數據鏈互連網關設計[17]等方面進行了研究。

3 發展趨勢

3.1 互操作級別不斷提高

隨著數據鏈技術與多平臺協同控制技術的發展，有人機對無人機的監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對無人機傳感器飛控系統的直接操控發展，互操作級別已經達到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構與互操作性標準。STANAG 4586標準已經在實現通用地面控制站方面邁出重要一步，需要研究適用于有人/無人機協同的通用化體系架構與消息標準，實現有人機、地面控制站對無人機的無縫協同控制。

3.3 網絡化能力不斷提升

現代戰爭正在由平臺中心戰向網絡中心戰轉變，隨著通用數據鏈（Common Data Link，CDL）、Link-16等數據鏈在無人機上的廣泛應用，無人機的網絡化作戰能力大大增強。無人機只有融入現有的有人機所在的網絡化聯合作戰體系，才能獲得更好的態勢共享與情報信息傳輸分發能力。

3.4 任務需求不斷更新

隨著察打一體無人機、無人作戰飛機的發展，無人機已不再單純的執行偵察監視等戰場輔助角色任務。未來有人/無人機協同作戰時，有人機與無人機的功能定位也會發生改變，相應地，互操作級別的定義也需要做出合適的修正。

4 關鍵技術

圖1所示為基于數據鏈的有人/無人機協同互操作系統的結構框圖，要實現有人/無人機的高效協同與互操作需要解決人機集成、一致態勢理解、智能輔助決策等關鍵技術[18]。

圖1 有人/無人協同互操作性功能結構圖

4.1 人機集成

有人機和無人機協同編隊執行任務，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，工作負擔大，需要建立一套完整、高效的任務指令集與交互控制方式，實現有人機對無人機的協同控制。

4.2 一致態勢理解

綜合有人機與無人機上各種傳感器獲取的戰場情報信息與系統狀態、定位導航授時（Position Navigation Timing，PNT）信息，借助數據鏈實現無人機與有人機戰場態勢的共享，生成一致的戰場態勢圖是進行有人/無人機協同航路規劃、協同任務分配的基礎。

4.3 智能輔助決策

有人/無人機協同作戰時，有人機對無人機戰術上的指揮控制建立在無人機具備一定自主能力的基礎上。智能輔助決策技術是提高無人機自主性，提高互操作級別的有效手段。

5 結 語

有人/無人機協同作戰互操作性的發展受到數據鏈、無人機控制接口和無人機自主能力等因素的制約，當前進行的研究實現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斗機中對無人機進行操控，同時通過戰術數據鏈從其他作戰單元獲取戰術信息，增強了戰術的靈活性。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，增強有人機的態勢感知能力，提高有人/無人機編隊的作戰效能。

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