淺談海上無人通信系統(tǒng)的應(yīng)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(shù)逐漸為大眾所熟知，朝著向排除人為干預(yù)的全自動方向發(fā)展。事實上，國內(nèi)外無人船艇也得到了大發(fā)展，融合了船舶、通信、自動化、機器人控制、遠程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)等技術(shù)，實現(xiàn)了自主導(dǎo)航、智能避障、視頻實時傳輸和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控等功能。民用方面應(yīng)用環(huán)保檢測和搜索救援、安防巡邏等領(lǐng)域。軍用方面可以執(zhí)行偵察、監(jiān)視、封鎖、打擊等任務(wù)。海上采用無人平臺執(zhí)行任務(wù)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(shù)據(jù)，通信技術(shù)是無人平臺的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

1.通信能力

通信是無人系統(tǒng)間以及無人系統(tǒng)和其他有人或無人系統(tǒng)間行命令和傳輸?shù)年P(guān)鍵，是進行網(wǎng)絡(luò)化作業(yè)的基礎(chǔ)。多個體無人水面平臺通過大范圍的水上通信網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)融合和群體行為控制，實現(xiàn)多個體磋商、協(xié)同決策和管理，進行群體協(xié)同作業(yè)。通信系統(tǒng)應(yīng)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(xiàn)時信息的實時傳輸；

（5）保障信息節(jié)點間的超視距中繼通信。

2.設(shè)計思路

目前設(shè)計的海上無人平臺，承載功能多樣、自主性強、需平臺協(xié)同作業(yè)，共同完成更加復(fù)雜的任務(wù)。在有人/無人系統(tǒng)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)中，通信網(wǎng)絡(luò)是連接各類平臺的紐帶，協(xié)同執(zhí)行任務(wù)必須依靠多類型平臺組網(wǎng)通信，才能有效實施協(xié)同態(tài)勢感知、協(xié)同行動控制和協(xié)同干擾防御，離開通信網(wǎng)絡(luò)的支持，就不可能實現(xiàn)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)能力的發(fā)揮[2]。

從使命任務(wù)對通信網(wǎng)絡(luò)的能力需求以及有人/無人系統(tǒng)協(xié)同執(zhí)行任務(wù)的特點來看，有人/無人系統(tǒng)協(xié)同通信組網(wǎng)設(shè)計主要考慮一下因素：

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

（2）協(xié)同區(qū)域立體化。協(xié)同任務(wù)平臺分布于岸、海、空、潛各個的立體化空間域，需要適應(yīng)不同的任務(wù)區(qū)域，實現(xiàn)各平臺間的協(xié)同通信。

（3）服務(wù)應(yīng)用多樣化。協(xié)同任務(wù)支持偵察、監(jiān)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(yè)務(wù)傳輸需求，提供相應(yīng)的傳輸服務(wù)質(zhì)量保障，實現(xiàn)按需用網(wǎng)。

3.解決方案

有人/無人系統(tǒng)協(xié)同通信網(wǎng)，主要解決了以下問題：

（1）傳感器接入。無人平臺的任務(wù)執(zhí)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(yōu)勢，充分利用多個傳感器數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)融合技術(shù)，獲得系統(tǒng)運行所需要的、綜合的信息已成為無人系統(tǒng)重要解決的問題。運用多傳感器信息融合技術(shù)在解決探測、跟蹤和目標識別等問題方面，能夠增強系統(tǒng)生存能力，提高整個系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，增強數(shù)據(jù)的可信度，提高精度，擴展系統(tǒng)的時間、空間覆蓋率，增加系統(tǒng)的實時性和信息利用率等[3]。

（2）網(wǎng)絡(luò)自主。海上環(huán)境復(fù)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(xié)同通信網(wǎng)應(yīng)盡量采用自組網(wǎng)的技術(shù)體制，根據(jù)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(yīng)信道和網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化，使得網(wǎng)絡(luò)具備動態(tài)重構(gòu)的能力，保證實時通信。

（3）網(wǎng)絡(luò)自愈。由于無人平臺往往替代有人平臺前出執(zhí)行偵察和打擊任務(wù)，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(tǒng)協(xié)同通信的影響，海上有人/無人系統(tǒng)協(xié)同通信網(wǎng)應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)快速自愈能力，滿足信息傳輸此斷彼通的通信要求。

（4）網(wǎng)絡(luò)分層。海上有人/無人系統(tǒng)協(xié)同通信網(wǎng)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(wǎng)機制方面存在較大差異。因此，有人/無人系統(tǒng)協(xié)同通信網(wǎng)應(yīng)采用分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)“域內(nèi)自治、域間互聯(lián)”的原則，采用網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)關(guān)接入兩種接入方式，實現(xiàn)空中、水面、水下的單介質(zhì)互連和跨介質(zhì)互連如圖1所示。有人/無人系統(tǒng)協(xié)同通信網(wǎng)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(gòu)成獨立的自治系統(tǒng)（自治域），因此路由設(shè)計既要考慮域內(nèi)（子網(wǎng)內(nèi)）自治，也要考慮域間（子網(wǎng)間）互連如圖2所示。

圖1 分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 子網(wǎng)互聯(lián)關(guān)系示意圖

（5）服務(wù)保證。海上有人/無人系統(tǒng)協(xié)同傳輸?shù)男畔㈩愋桶ㄇ閳髴B(tài)勢、指揮控制、管理控制等信息，各類信息對網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)協(xié)同通信網(wǎng)應(yīng)提供傳輸服務(wù)質(zhì)量保證，針對各類業(yè)務(wù)傳輸要求，自動調(diào)整通信資源，保障各類信息的按需傳輸。

（6）設(shè)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(shè)備適裝性提出了更高的要求，通信設(shè)備必須滿足小型化、集成化、低能耗的要求。目前，出現(xiàn)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(tài)化、單兵化。無人平臺預(yù)留多種信號接口，以便快速、隨時隨地接入通信網(wǎng)，上傳、下載數(shù)據(jù)，或接收目標、航線、姿態(tài)和攻擊指令。

4.發(fā)展方向

4.1 自主性

提高無人通信系統(tǒng)的自主性是無人通信系統(tǒng)發(fā)展的一個重要趨勢。研究無人通信系統(tǒng)的自主性對于無人通信系統(tǒng)政策、策略制定者、無人通信系統(tǒng)的研制和設(shè)計者、以及無人通信系統(tǒng)用戶都具有非常重要的意義。隨著對無人系統(tǒng)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(shù)/有人/無人協(xié)同等，無人系統(tǒng)的操作系統(tǒng)也將逐步減少對人機交互的依賴。通信性能的優(yōu)化、抗干擾等各項具體技術(shù)研究，為無人平臺自主協(xié)同提供更優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)。

4.2 互操作性

互操作性是實現(xiàn)系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的基本前提，是無人系統(tǒng)融入其他網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵?；ゲ僮餍缘挠行Ю?，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(shù)的快速變化，無人系統(tǒng)架構(gòu)將允許域、軟件組件、接口、交互模式和數(shù)據(jù)元素的定義，至少需要一套通用的接口和報文標準。數(shù)據(jù)語義理解、信息被正確的解析靠數(shù)據(jù)建模的方法支持。數(shù)據(jù)建模是定義互操作系統(tǒng)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(shù)據(jù)項所賦予信息的一致理解。

4.3 有人-無人系統(tǒng)編組

有人-無人系統(tǒng)編組對海上作業(yè)至關(guān)重要，因為物理、環(huán)境條件限制了人員海上安全、可靠地執(zhí)行任務(wù)?，F(xiàn)有海上無人通信系統(tǒng)已在多個場景得到不同程度的應(yīng)用，但其使用受到數(shù)據(jù)鏈、設(shè)備控制界面以及自主性等級的限制，技術(shù)上仍存在諸多挑戰(zhàn)。

由于海洋環(huán)境的固有特點，未來的有人-無人系統(tǒng)編組中將包括多類無人系統(tǒng)，由資源層、互聯(lián)層、應(yīng)用層3個層次以及運維管理系統(tǒng)和安全保密系統(tǒng)組成如圖3所示，它們與有人平臺合作，共同收集、處理、開發(fā)和分發(fā)數(shù)據(jù)，受控于共同指揮中心。新型的海上無人通信系統(tǒng)接口和自主性將改變?nèi)嗽谌蝿?wù)執(zhí)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(tǒng)接口（HSI）、新型協(xié)作控制算法以及網(wǎng)絡(luò)任務(wù)工具。無人設(shè)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(xiàn)協(xié)作，需要在平臺尺寸、質(zhì)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(tǒng)編組通信網(wǎng)組成

5.結(jié)語

著眼未來，海上無人平臺通信系統(tǒng)將以互聯(lián)、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(xù)不斷引入新技術(shù)，推動通信技術(shù)發(fā)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(tǒng)覆蓋范圍和跨域通聯(lián)能力，加速海上無人通信系統(tǒng)跨越式發(fā)展。