有人/无人机协同互操作性研究

0 引 言

无人机是现代空战中获取信息优势、实施精确打击、完 成情报侦察监视任务的重要工具，已经渗透到战场空间的各 个领域，在作战体系中的作用日益突出。无人机在执行侦察监 视、目标指示、反辐射摧毁、打击效能评估等枯燥、恶劣和 危险任务时相比有人机有着得天独厚的优势 [1-3]。信息化战争 进行的是敌我双方之间的体系对抗，战场环境瞬息万变，电 磁环境复杂恶劣，这对严重依赖通信链路，对战场变化反应 能力较差的无人机系统提出了严峻的挑战。在无人机自主化程 度不高的情况下，无人机与有人机协同作战，利用有人机战术 决策上的灵活优势，可以极大地提高作战效能 [4,5]。

互操作性是实现有人机与无人机之间互连互通、信息共 享、协同控制的基础。本文对有人 / 无人机互操作性的相关标 准进行了介绍，对国内外研究现状进行了梳理，提出基于数 据链的有人 / 无人机协同互操作性的系统架构与要解决的关键 技术，总结了未来的发展趋势。 

1 互操作性 

1.1 互操作性标准 

无人机种类和数量的增加带来了通用性差、信息共享困 难等问题，互操作性是解决这些问题的有效手段。互操作性 指的是多个平台通过协同操作完成给定作战任务的能力。通 过建立互操作性标准，可以实现不同无人机平台间传感器信 息的共享及无人机系统间的通用化操作，对节约成本、简化 操作和战术灵活控制有重要意义。

北约发布了一系列无人机系统互操作性相关的标准化协议 （Standardization Agreements，STANAG），按功能可分为四类： 数据标准、接口标准、通信标准和控制标准，如表 1 所示 [6]。 

该系列标准可支持无人机系统实现以下功能 ：对无人机 的遥测遥控 ；对无人机机载传感器等有效载荷的控制能力；无人机情报侦察监视信息的有效描述与传输 ；无人机作战任务 的传递与更新。

1.2 互操作级别 

1999 年，北约组织由政府、军队和工业部门专家组成的 专家组制定了 STANAG 4586 标准，该标准面向无人机的互操 作性定义了无人机控制系统的标准接口，目标是实现无人机地 面通用控制站的功能，2007 年和 2012 年分别更新了该标准的 第二版和第三版。

STANAG 4586 标准对无人机的互操作级别（Level of Interoperability，LOI）进行了 5 级定义 [7]，见表 2。可以看出， 对无人机的互操作水平是一个递增的过程，2 级的互操作级别 只能实现无人机传感器产品信息的直接接收，到 4 级时，可以 控制无人机的传感器，还可对无人机的飞行进行控制。

STANAG 4586 标准主要针对的是地面控制站对无人机的 控制和监视，当前有人机对无人机的协同控制与互操作性的研 究主要是实现把地面控制站放到有人驾驶飞机上，因此，互 操作级别的等级划分也是以此标准为参考。

2 国内外发展现状 

2.1 国外发展现状 

有 人 / 无 人 机 协 同（Manned and Unmanned Teaming， MUMT）的最早应用是美国空军在 20 世纪 60 年代从 C-130 运输机发射携带小牛（Maverick）空对地导弹的 AQM-34 侦 查无人机。

2004 年， 在 美 国 国 防 高 级 研 究 计 划 局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）和空军提出的 软件使能控制计划（Software Enabled Control，SEC）的研究中， 实现了有人战斗机 F-15E 对 T-33 改装的无人机的控制，实现 了有人机采用语音指令控制无人机的方法 [8]。无人机可以执行 坐在有人机上的武器系统操作员（Weapons Systems Officer， WSO）决定的动态任务规划，对突发威胁及时反应。有人机 与无人机之间通过 Link-16 数据链实现状态和用户自定义数据 的收发。

美国陆军将“阿帕奇”攻击直升机有人 / 无人协同视为 未来作战力量建设的关键能力 [9]。机载有人 / 无人系统技术 （Airborne Manned/Unmanned Systems Technology，AMUST） 演示验证于 1996 年启动，目的是进行有人 / 无人机编队协同 作战的功能需求定义和关键技术分析。1999 年的 AMUST- Baseline 演示验证，使用 AH-64D“阿帕奇”直升机和“猎人” 无人机实现了无人机侦察信息在有人直升机上的显示。2000 年启动的 AMUST-D 6.3 计划则是将重点放在指挥控制飞机、 直升机和无人机之间的互连互通上。基于战术通用数据链 （Tactical Common Data Link，TCDL）实现数据直接接收、载 荷直接控制以及飞行控制等相关有人/无人机协同互操作技术。

2006 年的 猎人 远 距 杀 手 编队（Hunter Standoff Killer Team，HSKT）计划采用一架“猎人”无人机和一架挂载海 尔法反坦克导弹的 AH-64D“阿帕奇”攻击直升机进行协同。 AH-64D 与无人机之间有通信接口系统（主要为 TCDL 数据链， 机组人员可以了解无人机传来的情报侦察、目标指示信息。机 组成员可以利用无人机的传感器识别目标，无人机通过激光照 射锁定目标并引导有人机发射导弹击中目标。试验中 AH-64D 对“猎人”无人机的互操作级别达到了4 级。

有人 / 无人协同当前有两套已经列装的系统 [10]。有人 / 无人协同互操作级别 2（Manned Unmanned Teaming Level of Interoperability 2，MUMT-2）系统，能够为 AH-64D 提供全 面综合的多波段与 2 级互操作级别的能力，允许直升机机组 人员通过 TCDL 数据链从其他平台接收非 TCDL 波段的传感 器信息。无人机战术通用数据链组件（UAS Tactical Common Data Link Assembly，UTA）能够为 AH-64E 在传输距离超 过 50 km 的情况下提供互操作级别 3 级和 4 级的能力。2013 年在美国加利福尼亚的国家训练中心进行了AH-64E 的操作 性测试，AH-64E 与“灰鹰”无人机的距离为 100 km 时通 过 TCDL 数据链传送视频信息，借助无人机的目标指示信息， AH-64E 在不离开原来区域的情况下实现对目标的精确打击。

英国 QinetiQ 公司考察了单座战斗机对多架无人机控制和 协同的可行性，指出单座战斗机控制无人机时，若无人机的智 能化水平低，自主能力差，则操作者的任务负担显著增加，无 法完成对无人机的飞行控制、载荷控制等操作。当无人机具 有较高的自主化水平时，可对其进行 4 级互操作级别的控制。 2007 年 4月，进行了一架狂风战斗机与模拟无人机的 BAC1-11 编队协同飞行试验，实现有人机对 4 架无人机的协同控制。

美国国防部在 2011 年公布的《无人系统综合路线图 2011 ～ 2016》[11] 中对有人 / 无人机协同的发展情况进行了系统 介绍，指出有人 / 无人机协同发展需要硬件和软件的互操作性、 可升级的自主性、人机接口、全新的协同控制算法和网络任务 工具的高度发展为支撑。有人 / 无人机协同互操作的发展会使 当前传感器到射手的闭环向未来网络化作战系统转变。有人 / 无人机协同作为一个节点融入到更大的作战网络会改变作战任 务的执行方式，提高作战效能。

2.2 国内发展现状

 国内对于有人 / 无人机协同互操作的研究尚处于起步阶 段，聚焦于理论分析与仿真验证。相关单位在有人 / 无人机协 同空战模式及能力需求分析 [12]、编队协同任务分配方法 [13,14]、 任务控制系统 [15]、交互控制技术 [16]、支持无人机互操作的多 数据链互连网关设计 [17] 等方面进行了研究。

3 发展趋势 

3.1 互操作级别不断提高 

随着数据链技术与多平台协同控制技术的发展，有人机 对无人机的监视与控制水平不断提高，已从最开始的只能通过 地面控制站间接收无人机侦察情报信息向对无人机传感器飞控 系统的直接操控发展，互操作级别已经达到 4 级或更高水平。 

3.2 通用性不断增强 

无人机的种类和数量仍在不断增加，需要对不同种类 的无人机建立通用性强的控制体系结构与互操作性标准。 STANAG 4586 标准已经在实现通用地面控制站方面迈出重要 一步，需要研究适用于有人 / 无人机协同的通用化体系架构与 消息标准，实现有人机、地面控制站对无人机的无缝协同控制。 

3.3 网络化能力不断提升 

现代战争正在由平台中心战向网络中心战转变，随着通用 数据链（Common Data Link，CDL）、Link-16 等数据链在无人机上的广泛应用，无人机的网络化作战能力大大增强。无人 机只有融入现有的有人机所在的网络化联合作战体系，才能获 得更好的态势共享与情报信息传输分发能力。

3.4 任务需求不断更新 

随着察打一体无人机、无人作战飞机的发展，无人机已 不再单纯的执行侦察监视等战场辅助角色任务。未来有人 / 无 人机协同作战时，有人机与无人机的功能定位也会发生改变， 相应地，互操作级别的定义也需要做出合适的修正。 

4 关键技术 

图 1 所示为基于数据链的有人 / 无人机协同互操作系统的 结构框图，要实现有人 / 无人机的高效协同与互操作需要解决 人机集成、一致态势理解、智能辅助决策等关键技术 [18]。

4.1 人机集成

有人机和无人机协同编队执行任务，互操作级别较高时， 有人机飞行员不仅要处理来自指挥中心的指挥控制命令，还要 对无人机平台的传感器及飞行进行控制，工作负担大，需要建 立一套完整、高效的任务指令集与交互控制方式，实现有人 机对无人机的协同控制。 

4.2 一致态势理解 

综合有人机与无人机上各种传感器获取的战场情报信 息与系统状态、定位导航授时（Position Navigation Timing， PNT）信息，借助数据链实现无人机与有人机战场态势的共享， 生成一致的战场态势图是进行有人 / 无人机协同航路规划、协 同任务分配的基础。 

4.3 智能辅助决策 

有人 / 无人机协同作战时，有人机对无人机战术上的指挥 控制建立在无人机具备一定自主能力的基础上。智能辅助决 策技术是提高无人机自主性，提高互操作级别的有效手段。

5 结 语

有人 / 无人机协同作战互操作性的发展受到数据链、无 人机控制接口和无人机自主能力等因素的制约，当前进行的研 究实现了无人机控制站位置的改变，对无人机的控制不再局 限于地面控制站，操作员可在直升机或者战斗机中对无人机进 行操控，同时通过战术数据链从其他作战单元获取战术信息， 增强了战术的灵活性。通过传感器资源的有效整合，可以缩短 传感器到射手的时间差，增强有人机的态势感知能力，提高有 人 / 无人机编队的作战效能。