浅谈海上无人通信系统的应用

郭瑞红

（海军七〇一工厂，北京 100016）

0.引言

近年来，各种无人技术逐渐为大众所熟知，朝着向排除人为干预的全自动方向发展。事实上，国内外无人船艇也得到了大发展，融合了船舶、通信、自动化、机器人控制、远程监控、网络化系统等技术，实现了自主导航、智能避障、视频实时传输和网络化监控等功能。民用方面应用环保检测和搜索救援、安防巡逻等领域。军用方面可以执行侦察、监视、封锁、打击等任务。海上采用无人平台执行任务时，无人平台相互间，无人平台与母船（艇）以及支援平台间都需要传输大量的指令和数据，通信技术是无人平台的关键技术之一[1]。

1.通信能力

通信是无人系统间以及无人系统和其他有人或无人系统间行命令和传输的关键，是进行网络化作业的基础。多个体无人水面平台通过大范围的水上通信网络，完成数据融合和群体行为控制，实现多个体磋商、协同决策和管理，进行群体协同作业。通信系统应具备以下能力：

（1）保障大量情报信息的高速传输；

（2）保障指挥命令及目指信息的远程可靠传输；

（3）保障紧急特殊情况下信息的快速回传；

（4）保障警戒目标出现时信息的实时传输；

（5）保障信息节点间的超视距中继通信。

2.设计思路

目前设计的海上无人平台，承载功能多样、自主性强、需平台协同作业，共同完成更加复杂的任务。在有人/无人系统协同执行任务中，通信网络是连接各类平台的纽带，协同执行任务必须依靠多类型平台组网通信，才能有效实施协同态势感知、协同行动控制和协同干扰防御，离开通信网络的支持，就不可能实现协同执行任务能力的发挥[2]。

从使命任务对通信网络的能力需求以及有人/无人系统协同执行任务的特点来看，有人/无人系统协同通信组网设计主要考虑一下因素：

（1）通信手段多样化。由于各任务平台的承载能力存在差异，各任务平台分配任务不同，各任务平台的通信需求和通信手段也有区别，需要对多种典型无线通信手段进行分析，进而实现无人任务台组网以及有人/无人平台的综合组网。

（2）协同区域立体化。协同任务平台分布于岸、海、空、潜各个的立体化空间域，需要适应不同的任务区域，实现各平台间的协同通信。

（3）服务应用多样化。协同任务支持侦察、监视、情报、指挥、控制、打击等各类信息的传输，而不同信息在传输时延、可靠性等方面的传输需求是不同的，需要针对业务传输需求，提供相应的传输服务质量保障，实现按需用网。

3.解决方案

有人/无人系统协同通信网，主要解决了以下问题：

（1）传感器接入。无人平台的任务执行都依赖于传感器的有效使用，到目前为止，任何单一功能的传感器都不能保证随时随地地提供完全可靠的信息，因此，综合考虑多种传感器的优势，充分利用多个传感器数据间的冗余和互补特性，将多个传感器采集获取的信息进行有机合成，即采用多传感器数据融合技术，获得系统运行所需要的、综合的信息已成为无人系统重要解决的问题。运用多传感器信息融合技术在解决探测、跟踪和目标识别等问题方面，能够增强系统生存能力，提高整个系统的可靠性和鲁棒性，增强数据的可信度，提高精度，扩展系统的时间、空间覆盖率，增加系统的实时性和信息利用率等[3]。

（2）网络自主。海上环境复杂多样，由于无人平台缺少人员的操作和决策，海上有人/无人协同通信网应尽量采用自组网的技术体制，根据各平台间的距离、海上信号强弱、有无障碍物等自动感知、灵活选择、适应信道和网络拓扑的变化，使得网络具备动态重构的能力，保证实时通信。

（3）网络自愈。由于无人平台往往替代有人平台前出执行侦察和打击任务，不可避免更容易遭到敌方武器平台的攻击而受到损伤，为减少无人平台损伤对有人/无人系统协同通信的影响，海上有人/无人系统协同通信网应具备网络快速自愈能力，满足信息传输此断彼通的通信要求。

（4）网络分层。海上有人/无人系统协同通信网包括各种无线电、水声等通信手段，不同通信手段在传输能力、组网机制方面存在较大差异。因此，有人/无人系统协同通信网应采用分层的网络结构，根据“域内自治、域间互联”的原则，采用网络接入和网关接入两种接入方式，实现空中、水面、水下的单介质互连和跨介质互连如图1所示。有人/无人系统协同通信网包含多种通信手段，每种通信手段特性存在较大差异，相互之间构成独立的自治系统（自治域），因此路由设计既要考虑域内（子网内）自治，也要考虑域间（子网间）互连如图2所示。

图1 分层网络结构示意图

图2 子网互联关系示意图

（5）服务保证。海上有人/无人系统协同传输的信息类型包括情报态势、指挥控制、管理控制等信息，各类信息对网络带宽、传输时延、可靠性等方面的要求各不相同。因此海上有人/无人系统协同通信网应提供传输服务质量保证，针对各类业务传输要求，自动调整通信资源，保障各类信息的按需传输。

（6）设备适装。与有人平台相比，无人平台由于体积、供电方面的限制，对通信设备适装性提出了更高的要求，通信设备必须满足小型化、集成化、低能耗的要求。目前，出现大量低成本、折叠式、模块化、系列化的小型微型无人平台，使无人平台野外运用常态化、单兵化。无人平台预留多种信号接口，以便快速、随时随地接入通信网，上传、下载数据，或接收目标、航线、姿态和攻击指令。

4.发展方向

4.1 自主性

提高无人通信系统的自主性是无人通信系统发展的一个重要趋势。研究无人通信系统的自主性对于无人通信系统政策、策略制定者、无人通信系统的研制和设计者、以及无人通信系统用户都具有非常重要的意义。随着对无人系统通信需求的日益增多，增加自主行为的使用，例如多机控制等，将会提高操作效率并促进先进理念的提升，例如集群技术/有人/无人协同等，无人系统的操作系统也将逐步减少对人机交互的依赖。通信性能的优化、抗干扰等各项具体技术研究，为无人平台自主协同提供更优质的通信服务。

4.2 互操作性

互操作性是实现系统集成、网络协同的基本前提，是无人系统融入其他网络的关键。互操作性的有效利用，可使海上力量倍增，提高人员能力，减少综合集成时间、降低总成本。考虑到技术的快速变化，无人系统架构将允许域、软件组件、接口、交互模式和数据元素的定义，至少需要一套通用的接口和报文标准。数据语义理解、信息被正确的解析靠数据建模的方法支持。数据建模是定义互操作系统的一个独立的、核心的方面，包括对定义、分类和其他语义信息进行明确，以确保对一个特定的数据项所赋予信息的一致理解。

4.3 有人-无人系统编组

有人-无人系统编组对海上作业至关重要，因为物理、环境条件限制了人员海上安全、可靠地执行任务。现有海上无人通信系统已在多个场景得到不同程度的应用，但其使用受到数据链、设备控制界面以及自主性等级的限制，技术上仍存在诸多挑战。

由于海洋环境的固有特点，未来的有人-无人系统编组中将包括多类无人系统，由资源层、互联层、应用层3个层次以及运维管理系统和安全保密系统组成如图3所示，它们与有人平台合作，共同收集、处理、开发和分发数据，受控于共同指挥中心。新型的海上无人通信系统接口和自主性将改变人在任务执行中的作用，并能显著提高人的效能。解决这些问题需要硬件和软件具有高度互操作性、自主性，具有人-系统接口（HSI）、新型协作控制算法以及网络任务工具。无人设备平台必须能够进行高等级的平台处理能力，不仅减少对带宽的需求量，而且还能在不需要人员输入的情况下与其他无人平台实现协作，需要在平台尺寸、质量、功率受约束与提高性能之间寻求平衡。

图3 有人/无人系统编组通信网组成

5.结语

着眼未来，海上无人平台通信系统将以互联、互通、互操作为目标，采用通用化、系列化和模块化等标准化方法，持续不断引入新技术，推动通信技术发展，提供核心自主、核心通信，尽可能提升海上无人平台通信系统覆盖范围和跨域通联能力，加速海上无人通信系统跨越式发展。