無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

./本文2010-09-24收到,作者分別系解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院碩士生、副教授、碩士生、碩士生無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢王俊周樹道程龍朱國濤圖1無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的基本組成摘要簡述了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈基本組成,重點(diǎn)分析歸納了當(dāng)前無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),并結(jié)合現(xiàn)狀對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)鏈技術(shù)引言進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著高新技術(shù)在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,無人機(jī)的發(fā)展取得了長足進(jìn)步。伴隨著無人機(jī)的不斷發(fā)展與應(yīng)用,如何實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與指揮控制站之間快速、可靠、實(shí)時(shí)的雙向通信顯得尤其重要,無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菍?shí)現(xiàn)這種雙向信息傳輸?shù)年P(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)雙向通信,指揮控制站首先需將指揮、控制等遙控指令與時(shí)傳輸?shù)綗o人機(jī)上,隨后無人機(jī)將自身狀態(tài)以與傳感器獲取的情報(bào)信息發(fā)回到指揮控制站。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)沁B接無人機(jī)與指揮控制站的紐帶,沒有數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的支持,無人機(jī)則無法實(shí)現(xiàn)智能自主飛行。1無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈基本組成無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈一般由機(jī)載部分和地面部分組成,如圖1所示。機(jī)載部分包括機(jī)載數(shù)據(jù)終端和天線。機(jī)載數(shù)據(jù)終端包括射頻接收機(jī)、發(fā)射機(jī)以與調(diào)制解調(diào)器,天線主要采用全向天線。地面部分包含地面數(shù)據(jù)終端和一副或幾副天線。地面數(shù)據(jù)終端由射頻接收機(jī)和發(fā)射機(jī)以與調(diào)制解調(diào)器組成,一般可以分裝成以下幾個(gè)部分:一輛天線車,一條連接地面天線和指揮控制站的本地?cái)?shù)據(jù)連線,以與地面控制站中的若干處理器和接口。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在功能上包括一條用于地面控制站對飛行器控制的上行鏈路和一條用于接收無人機(jī)遙測信息的下行鏈路。上行鏈路主要傳輸?shù)孛嬲局翢o人機(jī)的遙控指令,下行鏈路主要傳輸無人機(jī)至地面終端的遙測數(shù)據(jù),一般下行鏈路的傳輸速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上行鏈路。2無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)主要包括中繼傳輸技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、抗干擾傳輸技術(shù)以與視頻圖像編碼等一系列技術(shù)。2．1中繼傳輸技術(shù)當(dāng)無人機(jī)超出無線電視距X圍時(shí),需要采用中繼方式實(shí)現(xiàn)地面指揮站與無人機(jī)群間的通信。按照中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備所處的不同位置可以分為地面中繼以與空中中繼方式。地面中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備置于地面控制站與無人機(jī)之間的制高點(diǎn)上;空中中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備置于某種合適的空中中繼平臺上,空中中繼平臺和任務(wù)無人機(jī)間采用定向天線,并通過數(shù)字引導(dǎo)或自跟蹤方式確保天線波束彼此對準(zhǔn),相比較地面中繼而言,空中中繼成本要高些。按照中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的不同又可以分為飛機(jī)中繼以與衛(wèi)星中繼:飛機(jī)中繼方式采用飛機(jī)作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,由地面站、中繼飛圖3衛(wèi)星中繼示意圖圖4DS-BPSK調(diào)制模型圖52CPFSK調(diào)制模型圖2飛機(jī)中繼示意圖機(jī)、任務(wù)無人機(jī)群構(gòu)成超視距通信網(wǎng),如圖2所示。其特點(diǎn)是移動速度快、機(jī)動性高、電波受空間限制少并且成本低,但考慮到無人機(jī)的抗打擊能力不強(qiáng),采用這種中繼方式不是太可靠。衛(wèi)星中繼方式采用通信衛(wèi)星<或數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,無人機(jī)上要安裝一定尺寸的跟蹤天線,機(jī)載天線采用數(shù)字引導(dǎo)指向衛(wèi)星,采用自跟蹤方式實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的跟蹤,如圖3所示。相比較無人機(jī)中繼方式而言,衛(wèi)星中繼的覆蓋X圍更廣,并且衛(wèi)星的信道性能較穩(wěn)定,可用頻帶寬,通信容量大。2．2調(diào)制技術(shù)目前,DS-BPSK,2CPFSK是無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中兩種主要調(diào)制方式。其中為了提高遙控信號的抗干擾能力,上行鏈路可以采用DS-BPSK調(diào)制方式,下行鏈路則采用2CPFSK調(diào)制方式。在無人機(jī)上行鏈路中采用DS-BPSK調(diào)制方式的模型如圖4所示。Gold碼發(fā)生器模塊、模2加法器與編碼模塊主要完成擴(kuò)頻功能,使用芯片AD9854的BPSK的調(diào)制功能對擴(kuò)頻、編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行BPSK調(diào)制。調(diào)制信號f<t=Ad<tm<tcos<2πf0t,式中A為載波幅度;f0為載波頻率;m<t為偽碼序列;d<t為基帶數(shù)據(jù)。為了提高DS-BPSK調(diào)制器系統(tǒng)的抗偵破能力和載波抑制度,偽碼可選用平衡Gold碼,它具有良好的自相關(guān)與互相關(guān)特性。將調(diào)制后的信號經(jīng)三階高斯帶通濾波器輸出,再將輸出的信號經(jīng)功率放大器后得到理想的遙控信息傳輸至無人機(jī)上。在無人機(jī)下行鏈路中可以采用2CPFSK調(diào)制方式,該調(diào)制方式抗噪聲性能以與抗衰落性能均較好,具有較好的頻帶功率利用率,抗輻射能力強(qiáng)且容易實(shí)現(xiàn),可以滿足高速率信號的傳輸要求。2CPFSK調(diào)制原理框圖如圖5所示。由差分接收器提供參考時(shí)鐘給芯片AD9854,該芯片接收數(shù)字基帶信號。通過外部指令控制單片機(jī),設(shè)置AD9854調(diào)制模式、調(diào)整輸出信號的頻偏和頻率,產(chǎn)生一定功率的2CPFSK調(diào)制信號,經(jīng)組合濾波電路濾波后,由功率放大器放大輸出給外部電路。通過飛行試驗(yàn)表明,DS-BPSK以與2CPFSK調(diào)制方式可以滿足上下鏈路數(shù)據(jù)的傳輸要求,能夠解決無人機(jī)測控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)率傳輸比較低的問題。2．3干擾傳輸技術(shù)在戰(zhàn)爭環(huán)境下,無人機(jī)多數(shù)工作在復(fù)雜電磁環(huán)圖6視頻編碼基本原理圖境下,需要具備較強(qiáng)的抗干擾能力,保障無人機(jī)運(yùn)作的暢通。目前常使用的抗干擾技術(shù)主要有: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)。其中擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)采用高速率的擴(kuò)頻碼以達(dá)到擴(kuò)展待傳輸?shù)男畔挼哪康?具有功率譜密度低、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)又可分為自適應(yīng)天線技術(shù)、自適應(yīng)跳頻與自適應(yīng)信道選擇技術(shù)、自適應(yīng)功率控制技術(shù),采用自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)能夠有效對抗不同形式的干擾,克服干擾帶來的影響并與時(shí)采取相應(yīng)的措施保證正常通信;信源與信道編碼技術(shù)分別對信源和信道進(jìn)行編碼,信源編碼把信源輸出符號序列變換為最短的碼字序列,使后者的各碼元所載荷的平均信息量最大;信道編碼是在信息碼中增加一定數(shù)量的多余碼元,使碼字具有一定的抗干擾能力,對信源與信道進(jìn)行編碼易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字加密,有較好的抗干擾和抗截獲能力。2．4視頻圖像編碼技術(shù)視頻圖像信息是無人機(jī)任務(wù)載荷傳感器信息的主要傳輸形式。對視頻圖像信號進(jìn)行數(shù)字壓縮編碼有利于減小傳輸帶寬。視頻壓縮技術(shù)實(shí)際上就是對原始的視頻信息進(jìn)行編碼的技術(shù),其一般原理如圖6所示。首先變換器對圖像進(jìn)行一對一變換,經(jīng)過變換后所形成的圖像數(shù)據(jù)比原始圖像數(shù)據(jù)更有利于壓縮。量化器生成一組符號,用來表示壓縮的圖像;編碼器給量化器輸出的每個(gè)符號指定二進(jìn)制位流。該二進(jìn)制位流代表壓縮編碼后的視頻信息。采用的編碼方式不同,得到的圖像清晰度以與信息容量也不同。目前比較先進(jìn)的視頻編碼技術(shù)主要是MPEG-4,可以采用這種編碼方式對無人機(jī)傳感器所獲取視頻圖像信息進(jìn)行編碼。MPEG-4編碼對圖像按內(nèi)容進(jìn)行分塊,將圖像的場景、畫面上的對象分割成不同的子塊,可將感興趣的對象從場景中截取出來,進(jìn)行編碼處理,這種編碼方式具有更高的壓縮效率,支持具有不同帶寬、不同存儲容量的傳輸信道和接收端。3無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展趨勢信息化作戰(zhàn)要求無人機(jī)能夠在更加廣闊的空域內(nèi)作戰(zhàn),能夠?qū)崟r(shí)高速可靠的傳送大量的情報(bào)信息,并有能力進(jìn)行信息的處理與向更廣X圍的快速分發(fā),這極大地驅(qū)動了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展,該領(lǐng)域的諸多前沿技術(shù)也不斷涌現(xiàn)出來。以美國、以色列為代表的國家在無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)上占據(jù)著領(lǐng)先主導(dǎo)地位,在無人機(jī)中繼傳輸方面,它們已實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星中繼和空中中繼。以色列IAI/ELTA公司的EL/K-1850數(shù)據(jù)鏈,經(jīng)無人機(jī)空中中繼作用距離從200km擴(kuò)展到370km。在視頻圖像編碼技術(shù)方面,美國早在20世紀(jì)90年代就已開始運(yùn)用數(shù)字圖像傳輸技術(shù),將視頻圖像編碼后美國的圖像/遙測復(fù)合數(shù)據(jù)速率可減少至1．544MB/s,以色列的對應(yīng)為2．2MB/s。未來無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)需著重突破以下前沿技術(shù):1研發(fā)激光通信傳輸系統(tǒng)激光通信可以滿足大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳送的需要,潛在提高了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的帶寬和作用距離。激光通信技術(shù)前景廣闊,可行性也很高。據(jù)預(yù)測,采用激光通信傳輸速率比最先進(jìn)的射頻數(shù)據(jù)鏈還要高23個(gè)量級,國外相關(guān)技術(shù)每秒可傳輸上萬兆比特的數(shù)據(jù),使用小功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的小口徑<7cm13cm機(jī)載激光通信系統(tǒng)被探測到的概率極低,僅相當(dāng)于射頻系統(tǒng)的30%50%,同時(shí)功耗也低。但目前這項(xiàng)技術(shù)還有諸多瓶頸,需加快技術(shù)攻堅(jiān)。2發(fā)展"一站多機(jī)"技術(shù)目前,無人機(jī)系統(tǒng)多數(shù)還是一個(gè)指揮控制站控制一架飛機(jī),伴隨著戰(zhàn)爭空間的日益擴(kuò)大以與現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的高要求,對于"一站多機(jī)"技術(shù)的要求日漸迫切。一站多機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵敢粋€(gè)測控站與多架無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)鏈。英國普萊塞公司在20世紀(jì)80年代曾研制出多無人機(jī)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)能同時(shí)對4架無人機(jī)進(jìn)行跟蹤定位、遙測、遙控和信息傳輸。一站多機(jī)技術(shù)基本原理如圖7所示,其中測控終端用于完成指令加密,遙測信息的解密等功能;控制計(jì)算機(jī)用于發(fā)出遙控指令,實(shí)現(xiàn)接收遙測信息等功能;功率分配器用于將輸入信號分成多路相同信號輸出;接收機(jī)1-N用于對遙控信號的解調(diào)使得無人機(jī)能夠控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令;接收機(jī)A-X用于完成對機(jī)上回波信號的解調(diào)形成遙測信號傳輸?shù)娇刂平K端上去,通過控制終端進(jìn)行解密,整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)閉合回路,從而實(shí)現(xiàn)一站多機(jī)功能。圖7"一站多機(jī)"基本結(jié)構(gòu)框圖3發(fā)展信道綜合技術(shù)發(fā)展信道綜合技術(shù)可以簡化設(shè)備并節(jié)省頻譜,目前主要研究的是"四合一"或"三合一"綜合信道體制。"四合一"綜合信道體制是指跟蹤定位、遙測、遙控和信息傳輸?shù)慕y(tǒng)一載波體制。少數(shù)低頻段的簡單系統(tǒng)與某些特殊系統(tǒng)可采用"三合一"綜合信道體制,"三合一"綜合信道體制是指跟蹤定位、遙測和遙控的統(tǒng)一載波體制,它將寬帶與窄帶信道分開,從某種角度來說具有一定的靈活性。4研究應(yīng)用數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)技術(shù)數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)技術(shù)使得數(shù)據(jù)鏈具有網(wǎng)絡(luò)化的通信能力,使其容量大、穩(wěn)定性高、可靠性好,該技術(shù)需要攻破以下幾項(xiàng)難點(diǎn):大容量指向性數(shù)據(jù)鏈,處理能力高的大容量通路,模塊式可編程序通路結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)定和接口等。數(shù)據(jù)鏈組網(wǎng)技術(shù)可以很大程度上提高無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的傳輸性能。5實(shí)現(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈智能化無人機(jī)智能數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且粋€(gè)多模式的智能通信系統(tǒng),能夠感知其工作區(qū)域的電磁環(huán)境特征,并根據(jù)環(huán)境特征和通信要求,實(shí)時(shí)動態(tài)地調(diào)整通信系統(tǒng)工作參數(shù),從而達(dá)到可靠通信或節(jié)省通信資源的目的。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈智能化能夠很大程度上提高無人機(jī)在復(fù)雜電磁條件下正常工作的能力。6提高無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度美國以與以色列等國非常重視數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化,美軍正重點(diǎn)推廣使用X/Ku波段的通用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化。而以色列在這方面也有所建樹,IAI/ELTA公司的EL/K-1850數(shù)據(jù)鏈就是依據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)研制的,可以應(yīng)用于蒼鷺、獵犬、偵察兵等無人機(jī)系統(tǒng)。隨著無人機(jī)群的大量使用,要加快研究通用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)和通用地面控制站技術(shù),并制定合理的無人機(jī)測控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),提高無人機(jī)測控系統(tǒng)使用效率,否則在未來戰(zhàn)場上當(dāng)大量無人機(jī)系統(tǒng)同時(shí)應(yīng)用時(shí),這些無人機(jī)將很難協(xié)調(diào)運(yùn)作。4結(jié)束語通過對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)的分析總結(jié),結(jié)合當(dāng)前無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,對于未來無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向,提出了一些看法與建議。未來需要重點(diǎn)突破這些前沿技術(shù),解決技術(shù)上的瓶頸,使得無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈能夠適應(yīng)無人機(jī)飛速發(fā)展的需求,更好更快的推動無人機(jī)的拓展與應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]魏瑞軒,李學(xué)仁．無人機(jī)系統(tǒng)與作戰(zhàn)使用．:國防工業(yè),2009:125-130[2]孫文友,胡永紅．一種用于無人機(jī)測控系統(tǒng)的DS-BPS調(diào)制的實(shí)現(xiàn)