无人机测控与信息传输有关系统问题探讨-

1、无人机测控与信息传输有关系统问题探讨韩玉辉1,2(11北京航空航天大学,北京100083;21中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081摘要测控与信息传输系统是无人机系统的重要组成部分,按照作用距离,系统可以分为微型无人机、极近程无人机、短程无人机、远程无人机的测控与信息传输系统。对系统设计中的有关系统问题进行了探讨,包括频率资源如何利用、测控和通信功能怎样综合以及系统的技术体制如何选择等。关键词无人机;测控与信息传输;系统问题中图分类号T N92文献标识码A 文章编号1003-3106(200808-0004-03R esearch on UAV TT&C and I

2、 nform ation T ransmissionR elated System IssuesH AN Y u 2hui 1,2(1.Beijing Univer sity o f Aeronautics and Astronautics ,Beijing 100083,China ;2.The 54th Research Institute o f CETC ,Shijiazhuang Hebei 050081,China Abstract TT&C and in formation transmission system is an im portant part of UAV

3、(unmanned aerial vehicle .According to the operation range ,it could be divided into mini 2UAV ,very short range UAV ,short range UAV ,long range UAV TT&C and in formation transmission systems.The related system issues in system design are discussed in this paper ,including usage of system res o

4、urce ,integration of TT&C and communication functions and selection of the technical system and s o on.K ey w ords UAV ;TT&C and in formation transmission ;system issue收稿日期:20082032060引言无人机系统一般由7大部分组成,包括飞行器平台、导航飞控、发射回收、测控与信息传输、任务载荷、情报处理、综合保障等。无人机测控与信息传输系统是无人机系统的重要组成部分,由数据链和地面控制站组成,用于完成对无人机的遥

5、控、遥测、跟踪定位和视频信息传输,实现对无人机的远距离操纵和机载侦察信息的实时获取。其性能和规模在很大程度上决定了整个无人机系统的性能和规模。随着无人机系统的发展,测控与信息传输系统具备以下使用特点:一般情况下在飞行过程中,飞机自主飞行,对实时控制的要求降低;在起飞降落过程中,容易出现飞行问题,要有可靠的控制手段,确保飞机的安全;图像侦察型,一般情况下多是单站单机应用;作战型(如电子对抗型,一般情况下工作在单站多机,飞机控制数量在6个以内;即使传输部分飞机的图像,也只用于状态观察;随机入网、大范围动态、不允许存在同步信号。1技术体制选择原则和资源使用在测控与信息传输系统的技术体制选择原则中,首

6、先要考虑的问题是面对众多的无人机系统,所有的无人机可以工作在一个网络体系或者是一种体制吗?回答是既不能也不是。主要原因如下:频率和带宽资源限制做不到;数据链网络应由不同种类的群网络组成类群网络;短程以下的战术类无人机的数据链对网络化要求的程度低,例如对无中心网络的兼容性;战术类无人机的数据链可以分成3类工作体制:微型:高度集成化、微型化;极近程:通用性、低成本;近/短程:通用性、网络化。信息系统与网络42008R adio E ngineering V o1138N o 18战略类无人机的数据链需要统一的工作体制、网络化。所以,针对不同种类的无人机系统,可以用不同的体制类型。在体制规划中,主要

7、考虑影响测控与信息传输系统规模和复杂度的体制要素。飞机类型不同,细微的传输体制可以不同,但每一类系统主要体制要符合无人机使用特点。任何一个测控与信息传输系统,其主要体制要素包括频段、测控与通信的复合方式、传输速率、信道编码、调制方式、抗干扰抗多径措施、中继方式和多址体制等。无人机测控系统的资源主要包括频率、带宽等要素,需要考虑以下原则:据无人机系统战术使用的特点,不同种类的无人机系统对信息量的需求不同,分别使用不同的频段;展可用频带宽度,减小频道步进间隔,增加频道数量,为战场频率管理和调配创造条件;大型无人机的测控与信息传输系统用频尽量向高靠,以便获得较宽的可用带宽和相对较好的电磁环境。2测控

8、与通信综合211测控与通信的区别测控系统作用对象以设备为主,要求被传输的数据具备实时性、准确性和非完整性。比如对于飞机姿态的遥控和遥测,从人员操作的角度,只关心目前的数据,过去的数据不再关心。通信系统作用对象以人为主,要求被传输的数据具备完整性、正确性和准实时性,对过程不太关心,关心的是结果的数据完整性。无人机测控与信息传输系统中的数据链,不管是地空数据链还是卫星中继数据链,都是一类与无人机系统应用相关的特殊数据链,尽管都是传输链路,但在作为测控和通信不同的应用时,传输链路的设计是有区别的。比如对于无线链路的传输控制协议,由于测控要求的实时性,一般情况下要求是流控制协议;而通信要求的完整性,无

9、线链路的传输控制协议需要包传输协议。212载波分立和统一体制选择在多年的技术发展过程中,遥控遥测和信息传输的体制,经历了分立载波到统一载波的发展。由于无人机的使用经历了单系统应用到大量群应用,分立载波占据较多的率资源。另外,单独遥控遥测功能的分立载波主要考虑的是链路窄带传输的可靠性,以更好地保证飞机安全,随着无人机自动控制能力的提升,飞机的控制安全主要取决于自动控制能力,并不取决于窄带遥控遥测系统的链路可靠性,因此还应该坚持统一载波模式。213复合链路协议综合考虑遥控遥测和任务载荷数据传输的特点,无人机测控与信息传输系统中的数据链的无线传输协议应该是一个兼容2种协议的复合链路协议,一种是有利于

10、过程控制的的流传输协议,一种是有利于结果完整性的数据包传输协议。3工作模式测控与信息传输系统的工作模式是指影响系统规模和复杂度的综合模式,包括系统的带宽、控制飞机的数量和中继方式等。这种工作模式的需求决定了系统规模的大小和复杂程度、工作体制的选择,各类测控与信息传输系统的工作模式可以综合为以下6种类型,如表1所示。表1各类测控与信息传输系统工作模式工作模式体制特点主要战术应用工作模式1地空宽带一站多机图像侦察型,包括可见光、红外、S AR、电子侦察数据等;也可用于一站一机的侦察打击无人机;以一站一机工作模式为主,一站多机为辅工作模式2地空窄带一站多机作战型,包括电子对抗、硬武器攻击等工作模式3

11、地空宽带一站一机+窄带一站多机察打一体型,包括电子侦察和干扰、图像侦察和硬武器攻击等工作模式4空-空中继空中中继类工作模式5单收单收站、接收侦察图象或态势信息工作模式6卫星中继通过机-星-地链路中继4无人机系统的抗干扰、抗多径措施抗干扰、抗多径的设计不是单方面的因素,要进行综合考虑,根据系统应用的信道特点,每种通道分别可以采取的抗干扰、抗多径措施综合如表2所示。信息系统与网络2008年无线电工程第38卷第8期5表2各类不同信道的抗干扰抗多径特性通道类型频域时域空域地空通道空空通道上行窄带遥控多频段冗余;多频点自适应频率跳变;直接序列扩频、隐分集下行窄带遥测多频段冗余;多频点自适应频率跳变;直接

12、序列扩频、隐分集下行2/4/8Mbps多频段冗余;多频点自适应频率跳变;正交码分多路、隐分集;QAM;频率分集;超宽带下行25/50Mbps多频点自适应频率跳变;正交码分多路、隐分集;QAM;均衡;MI M O;超宽带无中心网络正交码分多路、隐分集;QAM;均衡信号猝发纠错编码交织窄波束跟踪天线;数字多波束天线;自适应调零天线通信卫星上行窄带遥控下行窄带遥测下行窄带通道多频点自适应频率跳变多频点自适应频率跳变;正交码分多路、隐分集信号猝发纠错编码交织5多址方式测控与信息传输系统可能有以下4种网络形态:同一区域多系统兼容、一站多机、一机多站和无中心自由网,这4种网络形态需要运用不同的多址体制。5

13、11同一区域多系统兼容体制由于无人机系统的应用特点,不同的系统属于不同的作战部门、应用地域随机多变,不存在时间统一系统的可能,时分多址体制不适用。由于远近效应模型的不可估计性,也不能采取码分多址体制。同一区域多系统兼容体制只能采取频分多址体制。另外,附带的码分多址可以提高系统的软性能。512一站多机体制一站多机是1套地面系统同时控制多架无人机,通过对无人机应用特点的分析可知,无论上行遥控还是下行图像遥测,都不能选择设备复杂、占用频率资源的频分多址体制。一站多址体制与系统类型密切相关,各种通道可能的一站多址体制综合如表3所示。表3各种不同信道的多址体制通道类型多址体制空地通道空空通道通信卫星通道

14、上行窄带通道下行窄带通道下行宽带通道一般系统复杂系统超宽带系统无中心网络AD-HOC上行窄带遥控下行窄带遥测下行2Mbps时分多址码分多址、不需功率控制分时多址、实时轮询分时多址、非实时轮询码分多址、非实时轮询分时多址非实时轮询相控阵时分时多址、实时轮询数字多波束时频分多址(适用高频段系统码分多址Internet IP时分多址,码分多址码分多址,频分多址频分多址513一机多站体制随着大型无人机或有人机任务载荷的多样化和综合化,一个飞机平台可以同时完成多种功能,这就需要一架飞机向不同的多个地面站分发不同的信息,既一机多站系统。一般情况下,对飞机和任务载荷的控制由一个地面系统完成,当不同的地面系统需要单独控制任务载荷时,上行控制可以采取分时多址体制。下行信息的传输一般是一个综合宽带传输,对不同的地面站,下行可以采取时分多址体制。514无中心自由网无中心自由网络是未来发展的一种网络形式,当多个飞机平台与地面系统一起构成一个统一的网络,互相之间存在信息交换时,就形成一种无中心自由网。6结束语测控与信息传输是无人机系统中的重要组成部分,其频率资源的利用、工作模式、抗干扰、抗多径措