艦載無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1、引言

艦載無人機(jī)系統(tǒng)按功能劃分一般包括飛行器平臺(tái)、測(cè)控與信息傳輸系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱測(cè)控系統(tǒng)）、任務(wù)載荷系統(tǒng)、艦面綜合保障系統(tǒng)、導(dǎo)航飛控系統(tǒng)等。艦載無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)作為艦載無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦載無人機(jī)的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和信息傳輸，主要包括數(shù)據(jù)鏈和艦面控制站，其中數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括測(cè)量設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)中繼設(shè)備等。

無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)與航天測(cè)控系統(tǒng)相比有很大不同，航天測(cè)控系統(tǒng)主要針對(duì)大氣層外的固定軌道飛行器，無人機(jī)主要是在大氣層內(nèi)飛行，測(cè)控環(huán)境復(fù)雜，而艦載無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)相比一般無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，面臨的測(cè)控環(huán)境更為復(fù)雜，更需要注重測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、互操作性、抗干擾性以及適裝性。

本文通過研究艦載無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)和新技術(shù)，對(duì)艦載無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述，主要包括艦載無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)、艦面測(cè)控站技術(shù)和天線設(shè)計(jì)技術(shù)。

2、艦載無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)

艦載無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N在艦面測(cè)控站、指揮信息系統(tǒng)、無人機(jī)之間，采用一種或多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，按照規(guī)定的通信協(xié)議和消息標(biāo)準(zhǔn)傳遞格式化戰(zhàn)術(shù)信息的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)。能夠與測(cè)控站、無人機(jī)系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)緊密結(jié)合，將地理空間上相對(duì)分散的探測(cè)單元、指控系統(tǒng)緊密地連接在一起，保證情報(bào)、指揮控制、無人機(jī)協(xié)同等信息實(shí)時(shí)、可靠、準(zhǔn)確地傳輸，實(shí)現(xiàn)信息共享，便于指揮人員實(shí)時(shí)掌握目標(biāo)區(qū)域情況，縮短了情報(bào)獲取時(shí)間，提高了指揮速度和無人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)能力。

為了適應(yīng)未來作戰(zhàn)任務(wù)、無人機(jī)平臺(tái)和任務(wù)載荷的發(fā)展需求，無人機(jī)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸能力、抗干擾能力、安全保密能力和網(wǎng)絡(luò)化等方面面臨挑戰(zhàn)。

2.1 高速率數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的傳輸能力一般指下行鏈路傳輸速率，主要取決于任務(wù)傳感器的分辨率、幀速率、數(shù)據(jù)鏈的作用范圍、設(shè)備規(guī)模和安裝條件等。國(guó)外無人機(jī)視距數(shù)據(jù)鏈路傳輸速率一般為1.544Mbps、8.144Mbps、和10.71Mbps，能夠滿足一般戰(zhàn)術(shù)偵察和監(jiān)視的需求。未來，隨著合成孔徑、機(jī)載預(yù)警雷達(dá)和高分辨、多光譜、多組合傳感器設(shè)備在無人機(jī)上的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸速率將會(huì)達(dá)到1.48Mbps～3Gbps，甚至?xí)?，?duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的傳輸速率和容量提出了更高的要求。

為適應(yīng)高分辨、多光譜、多組合傳感器的發(fā)展，必須大力提高數(shù)據(jù)鏈的傳輸能力，應(yīng)加強(qiáng)以下方面技術(shù)的研究。主要包括 “四合一”一體化信道綜合技術(shù)；無人機(jī)視頻壓縮編碼技術(shù)；激光通信數(shù)據(jù)鏈技術(shù)。

（1） “四合一”綜合信道體制是指跟蹤定位、遙測(cè)、遙控和信息傳輸?shù)慕y(tǒng)一載波體制,即視頻信息傳輸與遙測(cè)共用一個(gè)信道,利用視頻與遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行跟蹤測(cè)角,利用遙控與遙測(cè)進(jìn)行測(cè)距。視頻與遙測(cè)共用信道的方式包括2種:一種是模擬視頻信號(hào)與遙測(cè)數(shù)據(jù)副載波頻分傳輸;另一種是數(shù)字視頻數(shù)據(jù)與遙測(cè)復(fù)合數(shù)據(jù)傳輸。采用“四合一”綜合信道體制,就要解決直接接收寬帶調(diào)制信號(hào)的天線高精度自動(dòng)跟蹤問題。

（2） 無人機(jī)視頻壓縮編碼技術(shù)是指利用視頻圖像數(shù)據(jù)的強(qiáng)相關(guān)性，將冗余信息分為空域冗余信息和時(shí)域冗余信息，而壓縮技術(shù)就是將數(shù)據(jù)中的冗余信息去掉（去除數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性），壓縮技術(shù)包含幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、幀間圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和熵編碼壓縮技術(shù)。根據(jù)無人機(jī)使用特點(diǎn)，應(yīng)研究存儲(chǔ)開銷低（適合機(jī)載條件）、實(shí)時(shí)性強(qiáng)（時(shí)延?。⒒謴?fù)圖像質(zhì)量好（失真?。┑母弑兑曨l數(shù)字壓縮編碼技術(shù)。

（3） 激光通信數(shù)據(jù)鏈可以提供比現(xiàn)有微波通信鏈路容量大的多的數(shù)據(jù)傳輸速率,國(guó)外相關(guān)技術(shù)每秒可傳輸上百萬兆比特的數(shù)據(jù)。到2030年前,無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)需要達(dá)到500 Mbit/s(視距)或以上的數(shù)據(jù)率,衛(wèi)星中繼鏈路和無人機(jī)機(jī)間高速數(shù)據(jù)鏈路將需要提供更高的數(shù)據(jù)傳輸能力,這可以在光通信新體制方面取得突破,并開展實(shí)用性研究。

2.2 數(shù)據(jù)抗干擾傳輸技術(shù)

無人機(jī)測(cè)控與通信數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)是指采用擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)、自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)、信源與信道編碼技術(shù)等保障無人機(jī)運(yùn)行的暢通。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能、降低攔截概率和檢測(cè)概率，結(jié)合無人機(jī)使用特點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)以下方面技術(shù)的研究。

（1） 抗干擾技術(shù)從單一技術(shù)的抗干擾，發(fā)展到多種技術(shù)相結(jié)合，從單一物理層抗干擾發(fā)展到包括網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層在內(nèi)的多層面結(jié)合優(yōu)化的抗干擾；從單一設(shè)備的抗干擾發(fā)展到系統(tǒng)級(jí)、網(wǎng)絡(luò)級(jí)的綜合抗干擾。

（2） 研究抗干擾智能調(diào)零天線。智能調(diào)零天線采用陣列信號(hào)處理和數(shù)字波束成形技術(shù)，在干擾源方向形成零點(diǎn)，調(diào)零深度可達(dá)20dB以上，從而實(shí)現(xiàn)空域抗干擾。

（3） 研究自適應(yīng)干擾對(duì)校技術(shù)。在頻域上寬帶有用信號(hào)和窄帶干擾信號(hào)特征截然不同，根據(jù)此特征可以檢測(cè)出干擾信號(hào)，并使用自適應(yīng)陷濾波技術(shù)將其消除。

（4） 研究基于認(rèn)知的抗干擾技術(shù)?；谡J(rèn)知的抗干擾技術(shù)是結(jié)合頻譜感知、頻譜管理和鏈路傳輸參數(shù)重新配置的新技術(shù)。它利用頻譜感知技術(shù)獲得頻譜空間的占用情況，通過頻譜管理給出可選擇的備用信道，并將鏈路建立在新的傳輸信道上，以規(guī)避干擾信號(hào)所在的頻帶，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

2.3 數(shù)據(jù)鏈加密技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈加密技術(shù)是指在空間、時(shí)間和頻域中采用多重安全保密措施，保證數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)恼_性，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境。

信息傳輸?shù)目煽啃允菍?duì)通信系統(tǒng)的最重要的要求之一，數(shù)據(jù)鏈采取了多種技術(shù)手段，針對(duì)信道傳輸中的各種自然和人為干擾，采用了數(shù)據(jù)和信道加密技術(shù)，確保了信息的安全傳輸。

目前，國(guó)外的軍用無人機(jī)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈普遍采用了有效的加密手段，尤其是美國(guó)無人機(jī)在推行使用通用數(shù)據(jù)鏈（CDL）和共用傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸信息后，對(duì)基于信源和信道的加密更加重視。我軍無人機(jī)測(cè)控視距鏈路、衛(wèi)星通信鏈路也普遍采用了機(jī)要部門認(rèn)證的專用加密措施。

為了保護(hù)無人機(jī)系統(tǒng)的通信，提高測(cè)控鏈路的安全保密性，應(yīng)在以下方面加強(qiáng)研究：

（1） 研究大密鑰、高保密的加密設(shè)備。
（2） 研究大容量、高實(shí)時(shí)性的加密設(shè)備。
（3） 研究基于數(shù)字簽名和身份認(rèn)證安全保密機(jī)制。
（4） 除報(bào)文信息加密、語(yǔ)音加密和網(wǎng)管加密外，還需要研制同步抖動(dòng)加密和基碼加密，支持跳時(shí)/跳擴(kuò)控制/入網(wǎng)控制/敵我識(shí)別等加密功能。

2.4 無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)是將無人機(jī)與無人機(jī)、有人機(jī)以及其它武器平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行無縫連接，實(shí)現(xiàn)信息共享的物理層技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)未來無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中心站的重要技術(shù)基石。

無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)可形成以無人機(jī)為核心的移動(dòng)戰(zhàn)斗群組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息共享程度更高，指揮調(diào)度更快，作用范圍更廣，系統(tǒng)抗毀能力更強(qiáng)，互操作性更好的信息化聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)，確實(shí)提高無人機(jī)信息化作戰(zhàn)能力和協(xié)同作戰(zhàn)能力。

為適應(yīng)多機(jī)和機(jī)群的協(xié)同作戰(zhàn)要求，應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)化方面加強(qiáng)技術(shù)研究：

（1） 研究網(wǎng)絡(luò)自組織和自愈重構(gòu)技術(shù)；
（2） 研究分布式多址接入技術(shù)和高速大容量信息傳輸體制；
（3） 研究無人機(jī)組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。
（4） 研究實(shí)時(shí)魯棒動(dòng)態(tài)路由協(xié)議技術(shù)；
（5） 研究與未來天空地一體化信息格柵網(wǎng)絡(luò)的鏈接和協(xié)同技術(shù)。

2.5 無人機(jī)多輸入多輸出（MIMO）數(shù)據(jù)鏈技術(shù)

無人機(jī)多輸入多輸出（MIMO）數(shù)據(jù)鏈技術(shù)是一種新的無人機(jī)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈體制，它在地面控制站和無人機(jī)上同時(shí)配置多根發(fā)射和接收天線，將單一信息通道變成了多個(gè)獨(dú)立的、并行的信息通道，而每個(gè)子信道容量都可以達(dá)到在無人機(jī)SISO（單輸入單輸出）數(shù)道的波形可以獨(dú)立控制。而每個(gè)子信道容量都可以達(dá)到無人機(jī)SISO（單輸入單輸出）信道容量，同時(shí)可以獨(dú)立控制。

將MIMO技術(shù)應(yīng)用在無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈中，構(gòu)建基于MIMO的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈，主要優(yōu)勢(shì)在于：

（1）增大信息傳輸容量；（2）降低截獲概率；（3）增強(qiáng)抗干擾能力；（4）提高任務(wù)適應(yīng)能力。為充分發(fā)揮MIMO技術(shù)在無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈中的應(yīng)用，主要研究方向包括：

（1） 無人機(jī)MIMO天線布局的進(jìn)一步研究。當(dāng)天線數(shù)目較多時(shí)，天線的空間布局方式多種多樣，從而其空間相關(guān)矩陣也多種多樣，相應(yīng)的MIMO容量的情況也相當(dāng)復(fù)雜。
（2） 無人機(jī)MIMO系統(tǒng)中信號(hào)處理的研究。結(jié)合MIMO技術(shù)在無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在兼顧復(fù)用增益和分集增益的情況下，研究選擇怎樣的編解碼策略、如何提升無人機(jī)MIMO抗干擾性能等問題。
（3） 無人機(jī)MIMO抗干擾和監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。
（4） 無人機(jī)MIMO數(shù)據(jù)鏈實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建。

2.6 一站多機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)

一站多機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)是指一個(gè)測(cè)控站（地面或空中）與多架無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)鏈通信，采用頻分、時(shí)分及碼分多址方式來區(qū)分來自不同無人機(jī)的遙測(cè)參數(shù)和任務(wù)傳感器信息。簡(jiǎn)化了地面控制站的設(shè)備量，使用一個(gè)測(cè)控站可控制多架無人機(jī)；提高了系統(tǒng)互聯(lián)互通的能力，使無人機(jī)實(shí)現(xiàn)多機(jī)多系統(tǒng)的兼容和協(xié)同工作，提高無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的