无人系统互操作性发展综述

作者：郝云丰

来源：战略前沿技术

概要：近期世界各国无人系统互操作性的研发是与新型无人系统、C4I系统以及联合作战等项目和计划同步推进的。

随着无人系统技术的发展及其在战场上的普及应用，来自各个国家、各个军种、大小不一、功能各异的无人系统出现在世界几大局部冲突地区的战场上。各国之间、各军种之间、各种无人系统的协同作战问题日益突显，尤其在多国联合作战情况下。无人系统操作人员短缺、成本等问题也相继出现。

针对上述问题，制定无人系统互操作性标准，研制能够在多个国家之间实现协同、能操作各个军种的多种无人系统的通用地面控制系统的需求日益迫切。世界军事强国均开展了相关技术及解决方案研究，美军发布的多版无人系统发展路线图都明确表示无人系统互操作性是解决上述问题的关键技术。而美空军在2016年发布的《美空军小型无人机系统飞行计划：2016-2036》中，再次强调联合互操作性概念对于小型无人机系统能力发展必不可少。美军在战场上要作为一种合成部队作战和彼此交互，因此，小型无人机系统必须从开始就针对这一形式进行设计，包括网络互操作性（内部/外部）、指挥控制、近实时ISR分发。为实现这种级别的互操作性，必须实施严格的无人系统标准化，利用通用图形用户界面（GUI）、网络体系结构和安全设计以及加密协议。

近期世界各国无人系统互操作性的研发是与新型无人系统、C4I系统以及联合作战等项目和计划同步推进的。近年来无人系统发展较快的国家和组织（如以美国为首的北约）已经形成了一系列解决互操作性问题的典型标准、概念以及相关开放式体系架构解决方案。

实现无人系统互操作性，标准先行

目前，无人系统互操作性标准已成为世界范围内无人系统研制方和使用方共同关注的焦点，通过建立适当的互操作性标准，包括技术体系、接口标准和标准的操作程序，可以有效减少购置成本、实现不同用户传感器数据的共享、简化操作和战术控制问题。无人系统的互操作性标准从本质上是要提供一种在各个域实体（包括无人系统、有人系统、控制单元、载荷等）之间传输数据的方法，以此增强系统间的信息交换能力，规范所有通信层次与开放式系统互联参考模型，达成一致，增强通用性。

国际各无人机系统标准化组织制定了一系列互操作性标准，包括北约发布的标准化协议（STANAG 4586）和机动车工程师协会无人机系统工作组SAE AS-4发布的联合无人系统体系结构（JAUS）系列标准。

（1）STANAG 4586

为打破无人机互操作性的限制，北约率先制定了STANAG 4586标准，以提高无人机系统在盟军联合作战环境下的互操作能力。该标准定义了适应作战需求的互操作等级（LOI）以及无人机地面控制系统的体系结构、接口、通信协议、数据源和消息格式，同时还明确了要求采用的其他北约标准，如成像系统可互操作数据链标准（STANAG 7085）以及与机上有效载荷有关的数字传感器数据标准（STANAG 7023，4545，4607，4609）等。

STANAG 4586是北约基于大量研究之上开发的非专利无人机控制站互操作标准化接口，包含如下几种标准化接口：无人机核心部件（CUCS）和飞行器之间的接口、CUCS和外部C4I系统之间的接口、CUCS和无人机系统操作员之间的接口。

目前最新的STANAG 4586版本是第三版。第三版在第二版所规定的体系结构、接口、通信协议、数据元素、消息格式的基础上添加了部分内容，但仍保持了与第二版数据结构的映射关系，因而可实现不同版本数据元素的互操作性。

迄今为止，北约大部分国家和多家公司都参与到STANAG 4586标准的开发当中。作为北约领头羊的美国更是积极参与研究并率先使用了STANAG 4586标准，试图通过开发与STANAG 4586标准相应的无人机地面站使其装备的无人机系统达到理想的互操作水平。

美国波音公司和英西图公司的”扫描鹰”开发小组近年来已使其无人机系统与北约无人机的STANAG 4586相兼容。与STANAG 4586兼容能使北约成员国使用各自的无人机系统和地面控制站设备联合支持军事作战行动。这极大增强了成员国无人机之间的互操作性，并可通过一种通用地面接口实时共享各国无人机系统处理的数据和信息。

“扫描鹰”小组使用一种“扫描鹰”无人机的特定模块和英西图公司的多无人机软件环境地面站，以及由通用数据链系统公司开发的陆军“单一系统”地面控制站（OSGCS）的通用无人机控制软件包，进行了三个小时的任务模拟来验证STANAG 4586标准协议的各种功能和互操作水平。在此次试飞过程中，“扫描鹰”开发小组已达到无人机和传感器系统的第2阶段标准水平，机载光电摄像机和传感器系统达到第3阶段水平，无人机和载荷控制达到第4阶段水平。

美国海军也在近期启动了一项开发符合STANAG 4586标准的航空母舰载无人机项目。该项目计划开发一种称之为无人舰载空中监视和攻击系统（UCLASS）的可执行情报、监视和侦察任务和轻型攻击任务的航空母舰载无人机。UCLASS支持舰载战机的空中作战行动，符合STANAG 4586标准，通过发送和接收控制指令操纵无人机传输数据，支援关键时间节点的攻击行动，并执行持续情报、监视和侦察任务。操作人员可在美国海军军事基地控制无人机以及机载传感器和武器系统，系统将使用保密、抗干扰视距和超视距通信装置传输信息与接收控制指令。

（2）JAUS系列标准

JAUS系列标准由美国国防部长办公室、陆军、海军、空军、通信卫星工作组等多个部门提供支持，原先为无人地面系统联合体系（JAUGS），后扩展至各种无人系统，旨在建立一个无人系统开放体系。该系列标准适用于无人机、无人地面车辆、无人潜航器、无人水面艇等无人系统，目前使用的标准版本是参考体系结构3.3。JAUS系列标准未进行使用分类和限制，美国国防部等多个部门使用该系列标准。

JAUS标准定义了一种模块化、松耦合、可扩展的体系结构，以及一组与具体应用无关、可重用的构件和服务，同时规定了进行内部和外部通信的标准接口消息，从而使符合JAUS标准的无人系统具备互操作能力。

JAUS系列标准定义的无人系统通用体系结构，采用分层的组织方式，自上而下分为系统层、子系统层、节点层、构件/实例层以及服务层。“系统”是一个包含了多个可互操作的“子系统”的集合体，而子系统一般是系统中的一个物理实体，例如一台无人驾驶车辆或者一个操作员控制单元（OCU）。子系统向下分为多个“节点”，节点能够提供一套完整的处理功能，例如一台计算机或者一个运动控制器。节点管理一个或者多个“构件”，这些构件一般以应用程序的形式存在于节点中，而构件由一组“服务”组成。

JAUS系列标准中信息与传输相互独立，通常采用UDP/IP传输。JAUS系列标准主要包含具有非强制性结构组件的消息协议，并逐步向面向服务的体系结构（SOA）发展。JAUS系列标准是以组件为基础的信息传输结构，规定了计算节点之间的数据格式和通信方式，定义了独立于技术、计算机硬件、操作使用和平台的信息和组件行为。JAUS系列标准包括无人系统结构框架、传输规范、接口定义语言、核心及机动性服务、历史和域模型等，共17项标准。为了避免北约STANAG系列标准与JAUS系列标准之间的冲突，实现真正意义的互操作，达成标准的一致性，北约STANAG系列标准与JAUS系列标准均以SOA体系框架为发展目标，逐步实现融合。

为了实现自主无人系统与无人潜航器（UUV）之间的跨域通信和互操作，美国海军海上系统司令部纽波特分部（NUWCDIVNPT）与乔治亚州技术研究院（GTRI）近期成功联合完成了一项海上演习。在此次演习中，首次使用了JAUS标准协议和格式来有效支持跨域无人系统运行。

演习中，四台便携式Iver2无人潜航器自主收集环境数据，然后利用无人机系统中继对这些数据进行压缩和重新转化格式。两台具有自主飞行能力的无人机分别执行ISR任务和通信中继任务。岸上的两个指挥控制节点负责向无人系统下达任务分派指令，并负责为无人机和无人潜航器存储和显示地理定位数据和状态数据。演习利用JAUS标准进行岸基C2节点、无人机系统以及UUV之间所有的信息交换传输。两架无人机、其中两台无人潜航器以及地面站上都安装有Microhard IPn920 900MHz无线电台。该无线电台利用JAUS消息格式标准实现了双向跨域通信。

实现无人系统互操作性，标准先行

目前无人系统的互操作能力主要集中在报文发送层（例如上述的STANAG 4586和JAUS标准），实现基于标准的互操作能力。然而，为了实现一种真正的即插即用级互操作能力（即，把来自多个销售商的软件能力集成到一个系统，支持对来自其他系统的数据进行交换、解释和利用），就需要实现一种开放式体系架构。

开放式体系架构是指一种具有模块化、可互操作、接口公开发布和遵从开放式标准的系统架构。开放式体系架构具有可扩展、可升级以及与其他系统的互操作等特点，可以降低研发成本、解决新技术有效插入问题以及保障系统升级扩展等能力。开放式体系架构涉及标准、接口、模块化设计等。

将开放式体系结构引入到无人系统是提升无人系统互操作性的有效方法之一。基于开放式体系结构的系统设计可以根据作战任务灵活配置无人系统有效载荷，通过快速增加、减少、改变相关功能模块，打造多任务作战平台，并通过标准化接口实现与其他无人平台的互操作，有效地支持跨平台资源共用、信息共享、优势互补，形成体系作战能力，以满足未来战场的作战需求。

（1）未来机载能力环境（FACE）

FACE是由美国海军航空系统司令部发起的，其策略是在已安装好硬件的军用航电平台上建立软件通用操作环境，使FACE组件应用能够部署到不同的有人和无人平台上，从而实现有人平台间、无人平台间以及有人平台和无人平台间软硬件的互操作性。

FACE软件架构能够使符合标准的软件模块在各种不同的有人和无人空中平台之间重用，有效破解了“软件密集型”装备软件开发难、成本高、互相难以通用、模块难以复用等难题。美军下一代有人和无人空中平台将全面采用此体系架构。FACE解决方案扩展了模块化开放式体系架构（MOSA）的设计思想，它将一些基于软件的功能“分段”以组件形式开发。组件对特定关键接口及“分段”接口之间的差异进行了定义。

FACE试图为有人系统和无人系统开发一套实现众多传感器和系统无缝衔接、即插即用的接口。这种接口最终将像个人电脑的通用性一样，它能在保持经济可承受性、保持模块化以及充分利用现有设备的情况下，推进有人系统和无人系统之间实现更好的信息共享，并最终提升互操作性。

FACE定义了通用操作环境，能够以模块化构件的形式开发基于软件的能力，从而实现功能模块在不同平台间的移植插入和重用。为了通过重用现有软件模块减少开发成本和时间，FACE将通过增加软件模块的竞争性和允许植入第三方应用的方式降低成本。由开放团体（Open Group）管理的50个成员的FACE联盟已经公布了该技术标准的2.0版本，进一步增强了软件模块间的数据交换要求，从而进一步提升了互操作性和可移植性。

在DARPA近期开展的“拒止环境中的协同作战”（CODE）项目中，美军就试图通过FACE开放式软件体系架构以及先进的人机接口和自主算法来增强传统无人机协同自主作战和互操作能力，同时降低未来系统的成本（组网平台间通过共享彼此资源降低成本）。CODE软件系统将采用包括FACE软件架构、“开放式任务系统”（OMS）以及“通用任务指挥和控制”（CMCC）在内的最新标准的开放式体系架构，提升无人平台的生存性、灵活性和作战效能。

CODE无人机群在执行任务的过程中可以实现一定级别的互操作能力，能够相互或与指挥官分享数据、协商任务分配、实现作战行动和通信；CODE项目的模块化、开放式软件架构允许多架CODE无人机开展导航任务，并根据已经建立的交战规则发现、跟踪、确认和作战；CODE无人机也可以召唤临近友军的CODE无人机以增强作战能力并适应动态的作战环境（例如友军装备的消耗或出现未曾预料的威胁）。

图1 CODE项目作战概念

（2）无人机系统控制段（UCS）体系结构

UCS体系结构概念起源于STANAG 4586标准化接口，尽管已经有STANAG 4586的成功先例，但美国国防部认为，通用指挥控制仅仅是一方面，实现高效的系统级协同和互操作性才是美军的最终目标。

美军现有无人机系统的“烟囱式”软件架构阻碍了战场信息交换，也造成了代码的重复开发和成本浪费。例如，美国空军部署的MQ-1“捕食者”、MQ-9“死神”和RQ-4B“全球鹰”无人机的任务规划软件，尽管在功能上有些相似，但在代码语义上互不相容。因此，UCS体系结构的重要一环是致力于建立一种标准的架构描述，来满足多种无人机对协同作战和互操作性的需求。

UCS体系结构同时也是一种基于SOA原则的体系，它通过对无人机控制系统功能的吸收、整合和扩展，建立一个共同的基础服务体系，使无人机控制模块可以接入任意无人系统中，也可与任意无人系统实现互操作和通信。

UCS架构从早期一个具有互操作性的开放系统互联（OSI）模型，演变为一个基于开放系统环境（OSE），可以整合应用程序的开放架构（OA）模型，并形成一个面向服务的架构。UCS的软件架构是一种开放的、基于中间件的独立平台模型，使用通用的、符合OMG元对象规则（MOF）和XML元数据交换（XMI）标准的开发环境。UCS体系将软件系统架构分成六个域，分别是空间态势域、外部消息与通信域、任务规划域、初始任务控制域、传感器信息域和系统支持域。

从2009年开始，美国已经有200多家机构参与了UCS架构开发。2012年7月，美国联合技术中心/系统综合实验室（JSIL）使用基于UCS的双向远程视频终端，成功实现了对影子无人机的“人在回路控制”。2012年10月，作为UCS的关键部分，UCS双向远程视频终端服务，进入了企业级应用状态。2013年6月，美军进行了影子无人机试飞，同时采用了UCS双向远程视频终端和陆军的“单一系统”远程视频终端（OSRVT），该次试验等级为无人系统第3级互操作等级。2015年2月，UCS开发团队利用一架无人机直升机成功演示了UCS架构。首批采用UCS软件结构的无人机群是“火力侦察兵”无人机、通用原子公司的MQ-1C“灰鹰”无人机、MQ-1“捕食者”无人机及MQ-9“死神”无人机。美国国防部的目标是今后的无人机都符合UCS标准，这样它们就可以在未来联合作战行动中实现更高等级的互操作性和协同作战能力。

UCS目前最重要的延伸发展是美国海军正在开发的通用控制系统（CCS）。CCS基于UCS架构开发，逻辑数据模型建立主要参考了UCS 2.2版，其具有模块化能力，在一个软件系统内成功集成了多个用户接口。CCS提供的软件解决方案目的是解决当前和未来无人机系统面临的通用性和互操作性问题。利用CCS系统，控制站可以与多个无人飞行系统实现互操作和分享数据。

结语

未来，所有无人系统都将得益于互操作性的增强。互操作性是实现无人联合作战、协同作战以及“无人蜂群”作战概念的基础。对于作战人员来说，能够无缝跨域指挥控制无人系统、与之通信并利用和共享其传感器信息是非常有益的。目前无人系统互操作性主要通过数据接口标准实现接口标准化，引入开放式体系架构只是推进无人系统实现更高等级的互操作性的第一步，未来还需要实现系统层面的交互机制和处理方法以及有效支持网络中心环境所需的动态组网。

美国海军努力实现

多域无人系统之间的互操作性

美国《国防》杂志刊登由乔治梅森大学专家亚斯明·塔吉德赫撰写的《美国海军努力实现多域无人系统之间的互操作性》一文。该文提到,无人潜航器在美军得到了越来越多的关注,海军已经使用了多种无人作战系统。美国海军水下作战中心纽波特分部于2016年8月在罗德岛纳拉干塞特湾进行的2016年度海军技术演习,由工程界、产业界和学术界对一系列无人作战系统进行测试,包括美军无人潜航器在海底进行巡航。其中有1艘潜航器浮出海面,将1架无人机发射至空中,另1艘潜航器则对海底实施监视。

据该中心主任莫伊塞斯·德尔托洛少将介绍,此次演习的重点是无人系统之间的跨域通信,参与者包括300多名人员和30家公司。中心技术部门主管玛丽·沃尔格穆特称,纳拉干塞特湾试验设施为科学家和工程师们评估系统提供了“理想的低成本环境”。

凯利称，有朝一日各种不同类型、相互联通的无人航行器和传感器，都可由安排在潜艇或者其他作战平台上的人员实施协同和操控

覆盖范围的延伸

尽管海军已经使用多种无人作战系统,美国海军水下作战中心水下作战系统网络安全负责人帕特里克·凯利还是认为,除非美军能够在无人潜航器与包括空中作战平台在内的其他无人系统之间实现通联,否则这些系统的效能将无法得到充分发挥。他向国防部表示:“研究人员致力于实现各个领域的通联——水下、水面和空中。可以肯定,有朝一日将会遍布各种不同类型、相互联通的无人航行器和传感器,由安排在潜艇或者其他作战平台上的人员实施协同和操控。这将有助于指挥官提高态势感知能力,达到力量倍增器的效果。”凯利称:“鉴于海洋的广域性以及对潜艇的需求,美军潜艇部队面临的一项重要任务就是尽可能远地延伸作战平台的覆盖范围。”

凯利称,无人潜航器可以从潜艇、水面舰艇和码头发射。在演习设置的4种想定中,研究人员在港湾上空发射了航空环境公司制造的“黑翼”无人机。此时,原已下沉的“沙鲨”无人潜航器浮出水面,与无人机进行通联,传输数据。随后,“黑翼”将信息传递至潜艇的作战控制系统。操作者实际上能够观察、操作和控制无人机,并且对潜航器实施指挥控制。他还称,海军希望通过演习得出结论,即1名操作员或者1艘潜艇究竟能够同时操作多少个无人航行器。在理想的情况下,人们可以通过1个作战平台影响和控制周围区域大量的无人航行器,这片区域的面积将会非常非常大。凯利透露,2016年度海军技术演习结果显示,1名操作员可以同时控制2～3个无人航行器。要想达到能够同时控制数十个无人航行器的水平,可能还需要一些时间。

通用动力公司水下项目部主管特雷西·霍华德称,在演习期间,“金枪鱼-21”重型无人潜航器作为“母舰”,配置了4部“沙鲨”潜航器。这种模式就是让大型潜航器承载多艘小型潜航器,这些小型潜航器都是便于改装的消耗品。“金枪鱼-21”的续航时间约为24小时,‘沙鲨’的续航时间也可达到8小时左右。这两种潜航器结合使用,可以在相关海域进行长时间巡航。这种设想可以在作战环境中发挥作用。虽然不掌握制空权,但如果部署1架无人机,敌人根本发现不了,己方可以借机取得战果。”

2016年度海军技术演习结果显示，1名操作员可以同时控制2～3个无人航行器，要想达到能够同时控制数十个无人航行器的水平，可能还需要一些时间

跨域通联的作战运用

诺斯罗普·格鲁曼公司也参加了2016年度海军技术演习,并且实施了反潜战演练。据该公司自动化技术部先进系统项目经理吉姆·皮尔金顿介绍,反潜战演练使用了无人潜航器、无人水面舰艇和航空设备之间的跨域通联手段。其中,REMUS-600型近海战场传感自主式无人潜航器能够与液体机器人公司的“滑浪者”无人机之间实现通联。随后,“滑浪者”与“贝尔-407”直升机进行通联,后者用于模拟“火力侦察兵”无人机。数据在经过处理后,融入机载目标系统,传输至操作者。操作者将发射模拟鱼雷,对目标实施“打击”。这种设计是实现从水下到水面、再到空中和空间的通联。“滑浪者”通过“铱”星链路实现通联,设计用于连续执行1年的海上任务。

皮尔金顿称,如果工业界能够正确运用自动化技术,应该能够使无人水面舰艇的水面巡航时间达到1年,高空无人机续航时间达到36小时,中空无人机滞空时间达到12小时。

洛克希德·马丁公司也在此次演习中进行了演练。该公司与海洋航空工业公司等进行协作,将“青枪鱼”自动化潜航器用于演习之中。这种潜航器配备有发射筒,能够发射“矢量鹰”无人机。该公司水下系统业务研发部工作人员道格拉斯·普林斯称:“我们使用压缩空气进行无人机发射。这种无人机的飞行任务时间在45～70分钟之间。机上配备有照相机,可以搜集视频信息,传输至作为通联入口的‘亚马兰’无人驾驶水下和水面船舶。这种船舶是由海洋航空工业公司制造,配备有卫星链路,使信息能够传输到地面。由于‘青枪鱼’潜航器配备有声波传感器,‘亚马兰’可以在水下与其进行通联,指挥‘青枪鱼’浮出水面,发射‘矢量鹰’无人机。无人机在发射之后,将由船艇实施回收,然后重新装填到发射筒。”“矢量鹰”无人机的重量不到6磅(约2.7千克),由锂电池驱动,并配备有红外光电载荷。无人机具有全天候飞行数据系统,能够在雨天飞行,这种性能在小型无人机当中非常独特。此外,它还能够在弥漫的雪天条件下飞行。

海洋航空工业公司总裁兼首席执行官埃里克·帕顿表示:“无人航行器之间的跨域通联对于美海军的发展至关重要。空气、水和地形地势都会长期形成障碍。我们不仅实现了有人航行器之间的跨域通联,而且做到了无人航行器之间的跨域通联。如今,我们正在进行一些性能拓展。不过,无论自动化程度多么高,人工参与仍然是必不可少。其中一项重要工作,是实现有人操作与无人操作的对接。此次演习的科目之一就是跨域指挥控制。你可以在保持人工参与的同时,使用无人航行器完成那些单调枯燥、卫生条件差、危险程度高的工作任务。”

来源：战略前沿技术

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