淺談海上無人通信系統的應用

郭瑞紅

（海軍七〇一工廠，北京 100016）

0.引言

近年來，各種無人技術逐漸為大眾所熟知，朝著向排除人為干預的全自動方向發展。事實上，國內外無人船艇也得到了大發展，融合了船舶、通信、自動化、機器人控制、遠程監控、網絡化系統等技術，實現了自主導航、智能避障、視頻實時傳輸和網絡化監控等功能。民用方面應用環保檢測和搜索救援、安防巡邏等領域。軍用方面可以執行偵察、監視、封鎖、打擊等任務。海上采用無人平臺執行任務時，無人平臺相互間，無人平臺與母船（艇）以及支援平臺間都需要傳輸大量的指令和數據，通信技術是無人平臺的關鍵技術之一[1]。

1.通信能力

通信是無人系統間以及無人系統和其他有人或無人系統間行命令和傳輸的關鍵，是進行網絡化作業的基礎。多個體無人水面平臺通過大范圍的水上通信網絡，完成數據融合和群體行為控制，實現多個體磋商、協同決策和管理，進行群體協同作業。通信系統應具備以下能力：

（1）保障大量情報信息的高速傳輸；

（2）保障指揮命令及目指信息的遠程可靠傳輸；

（3）保障緊急特殊情況下信息的快速回傳；

（4）保障警戒目標出現時信息的實時傳輸；

（5）保障信息節點間的超視距中繼通信。

2.設計思路

目前設計的海上無人平臺，承載功能多樣、自主性強、需平臺協同作業，共同完成更加復雜的任務。在有人/無人系統協同執行任務中，通信網絡是連接各類平臺的紐帶，協同執行任務必須依靠多類型平臺組網通信，才能有效實施協同態勢感知、協同行動控制和協同干擾防御，離開通信網絡的支持，就不可能實現協同執行任務能力的發揮[2]。

從使命任務對通信網絡的能力需求以及有人/無人系統協同執行任務的特點來看，有人/無人系統協同通信組網設計主要考慮一下因素：

（1）通信手段多樣化。由于各任務平臺的承載能力存在差異，各任務平臺分配任務不同，各任務平臺的通信需求和通信手段也有區別，需要對多種典型無線通信手段進行分析，進而實現無人任務臺組網以及有人/無人平臺的綜合組網。

（2）協同區域立體化。協同任務平臺分布于岸、海、空、潛各個的立體化空間域，需要適應不同的任務區域，實現各平臺間的協同通信。

（3）服務應用多樣化。協同任務支持偵察、監視、情報、指揮、控制、打擊等各類信息的傳輸，而不同信息在傳輸時延、可靠性等方面的傳輸需求是不同的，需要針對業務傳輸需求，提供相應的傳輸服務質量保障，實現按需用網。

3.解決方案

有人/無人系統協同通信網，主要解決了以下問題：

（1）傳感器接入。無人平臺的任務執行都依賴于傳感器的有效使用，到目前為止，任何單一功能的傳感器都不能保證隨時隨地地提供完全可靠的信息，因此，綜合考慮多種傳感器的優勢，充分利用多個傳感器數據間的冗余和互補特性，將多個傳感器采集獲取的信息進行有機合成，即采用多傳感器數據融合技術，獲得系統運行所需要的、綜合的信息已成為無人系統重要解決的問題。運用多傳感器信息融合技術在解決探測、跟蹤和目標識別等問題方面，能夠增強系統生存能力，提高整個系統的可靠性和魯棒性，增強數據的可信度，提高精度，擴展系統的時間、空間覆蓋率，增加系統的實時性和信息利用率等[3]。

（2）網絡自主。海上環境復雜多樣，由于無人平臺缺少人員的操作和決策，海上有人/無人協同通信網應盡量采用自組網的技術體制，根據各平臺間的距離、海上信號強弱、有無障礙物等自動感知、靈活選擇、適應信道和網絡拓撲的變化，使得網絡具備動態重構的能力，保證實時通信。

（3）網絡自愈。由于無人平臺往往替代有人平臺前出執行偵察和打擊任務，不可避免更容易遭到敵方武器平臺的攻擊而受到損傷，為減少無人平臺損傷對有人/無人系統協同通信的影響，海上有人/無人系統協同通信網應具備網絡快速自愈能力，滿足信息傳輸此斷彼通的通信要求。

（4）網絡分層。海上有人/無人系統協同通信網包括各種無線電、水聲等通信手段，不同通信手段在傳輸能力、組網機制方面存在較大差異。因此，有人/無人系統協同通信網應采用分層的網絡結構，根據“域內自治、域間互聯”的原則，采用網絡接入和網關接入兩種接入方式，實現空中、水面、水下的單介質互連和跨介質互連如圖1所示。有人/無人系統協同通信網包含多種通信手段，每種通信手段特性存在較大差異，相互之間構成獨立的自治系統（自治域），因此路由設計既要考慮域內（子網內）自治，也要考慮域間（子網間）互連如圖2所示。

圖1 分層網絡結構示意圖

圖2 子網互聯關系示意圖

（5）服務保證。海上有人/無人系統協同傳輸的信息類型包括情報態勢、指揮控制、管理控制等信息，各類信息對網絡帶寬、傳輸時延、可靠性等方面的要求各不相同。因此海上有人/無人系統協同通信網應提供傳輸服務質量保證，針對各類業務傳輸要求，自動調整通信資源，保障各類信息的按需傳輸。

（6）設備適裝。與有人平臺相比，無人平臺由于體積、供電方面的限制，對通信設備適裝性提出了更高的要求，通信設備必須滿足小型化、集成化、低能耗的要求。目前，出現大量低成本、折疊式、模塊化、系列化的小型微型無人平臺，使無人平臺野外運用常態化、單兵化。無人平臺預留多種信號接口，以便快速、隨時隨地接入通信網，上傳、下載數據，或接收目標、航線、姿態和攻擊指令。

4.發展方向

4.1 自主性

提高無人通信系統的自主性是無人通信系統發展的一個重要趨勢。研究無人通信系統的自主性對于無人通信系統政策、策略制定者、無人通信系統的研制和設計者、以及無人通信系統用戶都具有非常重要的意義。隨著對無人系統通信需求的日益增多，增加自主行為的使用，例如多機控制等，將會提高操作效率并促進先進理念的提升，例如集群技術/有人/無人協同等，無人系統的操作系統也將逐步減少對人機交互的依賴。通信性能的優化、抗干擾等各項具體技術研究，為無人平臺自主協同提供更優質的通信服務。

4.2 互操作性

互操作性是實現系統集成、網絡協同的基本前提，是無人系統融入其他網絡的關鍵。互操作性的有效利用，可使海上力量倍增，提高人員能力，減少綜合集成時間、降低總成本。考慮到技術的快速變化，無人系統架構將允許域、軟件組件、接口、交互模式和數據元素的定義，至少需要一套通用的接口和報文標準。數據語義理解、信息被正確的解析靠數據建模的方法支持。數據建模是定義互操作系統的一個獨立的、核心的方面，包括對定義、分類和其他語義信息進行明確，以確保對一個特定的數據項所賦予信息的一致理解。

4.3 有人-無人系統編組

有人-無人系統編組對海上作業至關重要，因為物理、環境條件限制了人員海上安全、可靠地執行任務。現有海上無人通信系統已在多個場景得到不同程度的應用，但其使用受到數據鏈、設備控制界面以及自主性等級的限制，技術上仍存在諸多挑戰。

由于海洋環境的固有特點，未來的有人-無人系統編組中將包括多類無人系統，由資源層、互聯層、應用層3個層次以及運維管理系統和安全保密系統組成如圖3所示，它們與有人平臺合作，共同收集、處理、開發和分發數據，受控于共同指揮中心。新型的海上無人通信系統接口和自主性將改變人在任務執行中的作用，并能顯著提高人的效能。解決這些問題需要硬件和軟件具有高度互操作性、自主性，具有人-系統接口（HSI）、新型協作控制算法以及網絡任務工具。無人設備平臺必須能夠進行高等級的平臺處理能力，不僅減少對帶寬的需求量，而且還能在不需要人員輸入的情況下與其他無人平臺實現協作，需要在平臺尺寸、質量、功率受約束與提高性能之間尋求平衡。

圖3 有人/無人系統編組通信網組成

5.結語

著眼未來，海上無人平臺通信系統將以互聯、互通、互操作為目標，采用通用化、系列化和模塊化等標準化方法，持續不斷引入新技術，推動通信技術發展，提供核心自主、核心通信，盡可能提升海上無人平臺通信系統覆蓋范圍和跨域通聯能力，加速海上無人通信系統跨越式發展。