数据链技术及其发展

无人机作为一种先进的空中作战平台，重量轻、造价低、机动性高、隐蔽性好等优点，并能完成有人驾驶飞机不宜执行的任务，因而在现代战争中承担着战场侦查和监视、电子干扰等越来越多的任务，但随着机载任务设备(干扰器、雷达等)的不断完善和增加，地面终端与机载平台之间的数据交互量也在也在逐步提高，为了实现数据的可靠交换，提高数据传输速率，必须建立完善的数据链系统。利用数据链进行通信，具有传输速率快、抗干扰能力强、误码率低等优点。与传统的通信方式相比，它能极大的提高信息处理能力，并且最大限度的保证信息的完整性。目前，航空数据链系统已经获得了广泛的应用，并已成为航空通信未来发展的主导方向。国内外航空数据链系统发展情况1.1我国航空数据链系统我国目前最常用的数据链系统是80年代初研制的数传/导航兼备系统。该系统由机载设备和地面设备构成。数据引导与塔康设备兼容，数据率为600bps，调制方式为ASK。其工作方式为：地面台以广播方式发出带地址码的指挥信息，机载台按地址接收各自的信息，并在接收后经一定的延迟向地面台发回复信息。机载台把接收的信息经译码得到指令，再由码声器转化为声音指令，对重要信息还同时使用综合航向指示器的航向指令针、敌情指示器、双针高度表、双针速度表显示。该链路存在一些不足如：不能传输话音、数据率低、不具备抗干扰能力，地面设备易受攻击等。1.2国外航空数据链系统到目前为止，美国己经研制出TLinkI,、LinkI、Linklll、Link4、Link11、Link16等多种战术数据链并装备了部队，现在又在着手研制和完善Link16A和Link220。目前美国军方使用较多的仍是Link4A，因为它符合数字信息链路(TADIL)C规范，Link4A一般由控制站终端分系统、传输分系统和受控站终端分系统组成。如1所示。图1Link—4A系统的组成框图一个典型的Link—4A系统终端分系统包括UHF无线电设备、调制解调器、密码设备、计数据处理器和用户接口设备，它的组成框图如2典型的Link-4A的UHF半双工或全双工终端1.2.1Link—4A链路的工作原理Link—4使用一个时分多址技术在单一频率上连接不同单元，交换目标信息，在单一射频载波上按串行时分复用的方式进行传输，所传送的各个信息以一个序列的时分为基础。由控制站产生并发送的信息称为控制信息，而返回控制站的信息称为应答信息。在使用Link—4A的所有系统中，控制站终端和受控站终端都用半双工模式工作。但控制站终端必须具有全双工操作的能力。系统使这种能力进行联机性能监测。控制站数据终端设备提供战术数据系统使用的通用数字计算机和用于发送和接收Link—4A控制信息和应答信息的无线电设备之间所需的接口。控制站数据终端设备可以使用Link—4A对机载惯性导航系统进行校准。当按这种功能操作时，数据传输是单向的。这时，控制站数据终端设备能用专用定时进行操作，即产生14ms±0.07ms帧发送周期及2ms±0.01ms帧接收周期的网络帧定时间隔。控制站数据终端设备能转换到14ms或18ms的帧定时，作为处理测试信息或监测控制信息所要求的时间间隔。控制站数据终端设备还能完成Link—4A网定时、控制信号产生和差错检测、应答信息处理、与计算机的数字数据交换、测试工作方式和无线电控制等功能。2.当前无人机数据链系统无人机数据链系统通常就是无人机测控系统。无人机数据链路系统框图如图3所示按数据传输方向的不同可分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送和接收，可用于传输地面操纵人员的指令，引导无人机按地面人员的指令飞行，并控制机载任务设备；下行链路主要完成无人机至地面终端的遥测数据，用于传送无人机的姿态、位置、机载设备的工作状态、当前遥控指令等，进行信息红外或电视图像的发送和接收以及跟踪定位信息的传输，并可用其来进行测距。2.1数据链设备主要由测控管理器、发射机及接收机组成，测控管理器负责地面遥控与遥测数据的融合与处理，管理无线电发射与接收时序，使遥控与遥测能同步协调工作。发射机和接收机由无线电测控电台及天线构成，无线电测控电台采用双工数传电台，负责遥控指令的发射与遥测数据的接收。2.2机载设备包括飞行控制器、传感器及执行机构组成，飞行控制器一方面收集、处理来自于各个传感器的飞行参数，并将数据打包发送给地面接收装置。另一方面接收来自于地面站的遥控遥测指令，译码后发送给执行机构执行，调整无人机飞行参数。2.3地面设备包括图像显示设备和工程控制计算机、工程控制计算机对所接收的遥测数据进行处理，而后由图像显示设备将处理后的数据进行显示，供地面操纵人员实时掌握和调整无人机的飞行状态。.结束语目无人机数据链系统采用的调制模式都比较简单，如2FSK.、BPSK、直接扩频技术等，传输速率与抗干扰能力有限；在现代电子战环境下，无人机数据链系统需要进行超大容量的信息传输，以及针对性的电子干扰信号，因此，增强抗干扰性能以及及时准确的传输数据仍然是无人机数据链系统有待解决的重要研究课题参考文献1李芸等.小型无人机空地数据链系统的应用研究[J].微处理机,2006(3):87-892仵敏娟无人机数据链的关键技术研究[D].西安西北工业大学,2007.作者简介数据链定义所谓数据链，就是采用无线网络通信技术和相关应用协议，实现舰载、陆基和机载战术数据系统之间的数据信息交换，增强战场各平台间的协作能力和战斗能力。它提供点对点数据链路和网状数据链路，使作战区域内各种指挥控制系统和作战平台能够通过此网络进行信息的快速传输、交换和处理，向作战指挥人员和战斗人员提供相应的数据和完整的战场战术态势图。“数据链”就是采用无线网络通信技术，按照一种链路协议的技术要求，将两个或多个数据站的通信设备连接在一起，实现相互间数据信息交换的系统。它表示一套完整的设施包括传输的物理媒介，链路协议，有关设备及相关的计划、训练和程序。数据链的基本特征是“无缝链接”和“实时传输”“无缝链接”是从空域角度对数据链的描述，强调数据链的触角伸向各个平台，使它们共享信息资源。“实时传输”是从时域角度对数据链的描述，强调数据链传递信息速度快、时效高。采用功率控制，扩频技术或者超宽带通信，无线电静默等技术用于提高网络结点通信中的低检测性与低截获性。采用直接序列扩频或者跳频扩频，卷积编码、LDPC编码、RS编码等先进的编码，跳时脉冲突发等技术用于提高网络结点通信中的抗干扰性。全向天线具有在机身翻滚机动时，不会造成信号的遮挡和反射，不会导致信号衰减的优点，而且还具有高效的邻居发现和广播信息等优势。定向天线具有高传输速率、高空间复用度、低截获与低检测等优势。在本数据链中，采用定向天线与全向天线结合的方式，充分发挥定向与全向天线的优点，进一步提高网络的性能和战斗能力。航空数据链关键技术研究（1） 天线技术：完成对所需频段无线电信号的收发。在机载平台上天线增益是影响链路通信距离的关键因素之一。（2） 信号处理技术：采用多种调制解调和纠错编译码技术。调制解调：将编码后的二进制信息流以适合于一定信道传输的RF波形方式发送，包括功率上升与发射稳定、同步（粗同步和精同步）、数据、功率下降与接收稳定、传输开销。调制方式种类有BPSK、QPSK、8PSK、MSK、GMSK和TCM等，调制方式的选择与系统信道带宽、速率要求和灵敏度都有关系，其选择原则如下：•同一系统可以根据不同的战术应用场合采用不同的调制解调方式；•可以采用频率分集的方式提高检测性；•必要时可以采用降低速率的方式以满足相应的通信距离或灵敏度要求；•不要片面追求高速率，实际上功率上升与发射稳定时间、同步时间同样重要。编译码：用于提高数据传输的可靠性，一种是要增加传输开销的，如前向纠错、增加冗余和校验等；另一种是不增加传输开销的，如交织、扰码和格雷编码等，但它需要增加处理器的开销。编译码的选择与信道特性（多径、衰落、突发干扰和随机干扰）、编码效率和战术应用特点（如情报传输长度）等有关。其选取原则如下：•可以在数据帧的不同阶段采用不同的编码方式，如同步采用高可靠性、数据采用次高可靠性，而话音采用更次可靠性甚至不用；•可以采用多种编译码方式级联，以提高抗多种干扰的能力和纠错能力；•同一系统可以根据不同的战术应用场合采用多种编译码方式；•由于前向纠错、冗余等编码方式将增加传输开销，交织、扰码等将增加处理器开销，所以如果要求纠错和抗干扰的能力越强，则带来的额外开销往往将会越大，这将降低编码效率和增加处理难度，因此具体选择时应视具体情况而定。（3） 网络协议：组网方式有时分、频分、码分和空分等，通常可以采用多种组合方式，如时分组单网，再频分、空分或码分组多网。组网方式的选择原则如下：•战术应用要求，包括用户数、态势刷新周期、指令实时性要求和传输可靠性要求；•调制解调性能，尤其是功率上升时间、同步时间；•不同的用户在网络中可以有不同级别，高级别用户有故障时可以由预先约定的低级别用户替代；•要求考虑网络安全和系统的重构能力。（4） 抗干扰技术：军用航空数据链具备抗干扰通信能力是一条基本的要求，现有的抗干扰技术措施已有了长足的发展，选择适当的技术方法，与数据通信有机的结合起来，这是论证抗干扰技术的出发点。目前的抗干扰技术主要有DS、FH和DS+FH等，事实上抗干扰通信的技术方法一直在进步发展，很难从技术性能上作出体制选择的决定。考虑到未来的技术很大程度上将是综合性的措施，也考虑到新技术应用有可能提供不同体制统一实现的基础，目前以兼容现有的处理方式是比较合理的抉择，即如美国空军已装备的抗干扰通信电台方案，实现DS、DS+FH模式的抗干扰数传。（5）多频段、多功能、多链路综合：多功能无线电终端可与多频段通信设备接口，提供多通道的远、中、近程的数据链，确保数据链的可靠度、抗毁性。（6） 统一平台、多种应用：在统一的多功能底层平台基础上，开发可自动指挥引导、雷达（情报）信息传输、自动相关监视、自动目标分配和交接、精确武器制导、战场态势共享、协同作战指挥等多种战术应用。（7） 良好的兼容能力和互通互连特性：考虑到与现有系统的兼容性，应用于各种飞机平台的数据链系统应能相互兼容，互通互连。根据作战任务的不同，应配置和构建各种不同的战场信息系统。（8） 数据链系统与航电系统的集成：在有总线的飞机平台上，数据链系统的上层协议处理均集成于CNI分系统中央处理单元CCU的软硬件中，具有开放式体系结构和标准化，具可扩充性和适应能力，可与指挥引导、空管、武器控制、飞行控制等战术功能系统密切交联，能开发和扩充数据链系统的各种新应用。（9） 采用软件无线电技术和ICNIA技术，实现中频数字化、软件化处理，实现战术电台和CNI系统的软件重定义、重用和重构，将各种体制的数据链系统功能有效地集成于战术电台、多功能终端和航电CNI系统中无人机数据链当前，无人机的发展日新月异，作为一种现代军事设备,其在现代战争中占据重要的位置。在民用领域，它也受到愈来愈多的重视，逐渐发挥着重要作用。如何实现飞机与地面之间、飞机之间快速交换情报资料，共享飞机所掌握的所有情报是无人机设计研究的一个关键。采用数据链技术可以使无人机通信达到安全、可靠、高效的效果。在国外，无人机采用数据链技术对侦察信息的处理及传输是采用无线电中继方式所无法比拟的。相对于传统通信方式传输速度慢、占用信道时间长、可靠性差等缺点，数据链通信具有传输速率快、抗干扰能力强、误码率低等特点，能够极大提高信息处理能力且最大限度的保证信息完整性，确保各作战单位、各兵种的协同及相互间信息共享提高飞行的相互协同能力、作战能力和生存能力,保证飞行安全。同时，数据链具有实时性强、可靠性好及安全性高等优点，是实现指挥自动化和空中飞机态势实时监视的重要环节。显然采用数据链技术作为无人机通信手段有着其它通信方式所无法比拟的优势。目前，各个航空大国都投入了大量人力和物力开展无人机数据链方面的研宽美军开发的一、一、一数据链已成为其地空协同作战时的主要通信途径。但是，我国在这个领域的研究还刚起步，理论研究不够成熟，也没有建立起配套完善的数据链体系，因此无论从经济角度还是从国家安全角度来看，开展无人机数据链的研究意义重大。本文所做的研究具有如下重要意义从宏观上来说，为我国无人机的发展作研究试验，为我军研制物美价廉的无人靶机、战术侦察机作理论先行研究和试验，并考虑用于气象、地质勘测、火灾预防等民用领域。从自身发展而言,这将为空管通信技术的发展开辟新的领域，为理论研究提供试验平台，有助于科研成果转换到实际应用中去。无人机数据传输的准确性、实时性是两项很重要的指标，其性能好坏直接影响到数据传输的质量。本文在数据链设计及协议选择上提出了几项措施，用以提高数据传输的准确性和实时性，改进传输质量,提高传输效率，为准确、安全飞行做出保证。通常，无人机数据链系统由两部分设备组成一部分装在无人机上称为机载数据链系统另一部分装在控制站上，称为地面控制站系统。机载数据链系统。包括接收机、发射机以及用于连接接收机和发射机到系统其余部分的调制解调器。有些机载数据终端为了满足下行链路的带宽限制，还提供了用于压缩数据的处理器。天线采用全向天线，有时也用具有增益的有向天线。机载数据链系统的任务是发送遥测信号和接收遥控信号。对于遥控接收部分，从天线接收到的遥控信号经过接收机的放大、混频、滤波、解扩解调、解密后送至飞行控制计算机处理。对于遥测发射部分，飞行控制计算机发出的遥测指令数据流与码合成遥测基带信号该信号经过副载波调制后与图像信号相加，送至调制器调制得到射频信号,射频信号经过功率放大器送至天线，最后由天线发射出去。数据链的地面部分也称地面数据终端,包括一副或几副天线、接收机和发射机以及调制解调器。地面数据终端可以分装成几个部分一般包括一辆天线车，一条连接地面天线和地面控制站的本地连接线，以及地面控制站中的若干处理器和连接线。地面数据终端的任务是发送遥控信号和接收遥测信号。操纵器产生的飞行控制指令与上传指令在信源编码器中进行指令编码，然后完成加密运算，加密完的数据同伪码相加从而完成扩频，扩频完的信号对载波信号进行调制，生成载波调制信号，然后将此信号送至功率放大器放大,最后送至天线，由天线发射出去。无人机数据链特征在无人机系统中，数据链是其最复杂、最关键的部分，在一定程度上决定着系统的规模和水平。无人机系统对数据链的基本要求是通用性和互通性。能满足不同传感器、不同信息内容和形式,完成与情报处理及系统的互连互通。信息传输采用标准化的信息格式包括传输速率、帧格式、接口界面、测距信息格式和导航定位信息等对不同的控制信息、遥测信息、导航信息和传感信息进行标准规范处理后,通过统一信道传输。数据链的抗干扰、抗截获和保密性。传输数据链是无人机系统信息交换的桥梁。在复杂的战场电磁环境中，当有断断续续来自其他设备的带内信号出图一为无人机数据链的简化模型。首先基带信号遥测、遥控、图像在基带信号处理部分进行处理然后送至发射机,由发射机变成射频信号交给天线，由天线发送给信道。在接收端，天线将电磁信号转变成射频信号送给接收机,接收机将射频信号转变成基带信号并送给基带信号处理部分在这里进行处理，或遇到蓄意干