无人机数据链关键技术与发展趋势

./本文2010-09-24收到,作者分别系解放军理工大学气象学院硕士生、副教授、硕士生、硕士生无人机数据链关键技术与发展趋势王俊周树道程龙朱国涛图1无人机数据链的基本组成摘要简述了无人机数据链基本组成,重点分析归纳了当前无人机数据链的相关关键技术,并结合现状对无人机数据链技术未来的发展趋势进行了展望。关键词无人机数据链数据链技术引言进入21世纪以来,随着高新技术在航空领域的广泛应用,无人机的发展取得了长足进步。伴随着无人机的不断发展与应用,如何实现无人机与指挥控制站之间快速、可靠、实时的双向通信显得尤其重要,无人机数据链是实现这种双向信息传输的关键。为了实现双向通信,指挥控制站首先需将指挥、控制等遥控指令与时传输到无人机上,随后无人机将自身状态以与传感器获取的情报信息发回到指挥控制站。无人机数据链是连接无人机与指挥控制站的纽带,没有数据链技术的支持,无人机则无法实现智能自主飞行。1无人机数据链基本组成无人机数据链一般由机载部分和地面部分组成,如图1所示。机载部分包括机载数据终端和天线。机载数据终端包括射频接收机、发射机以与调制解调器,天线主要采用全向天线。地面部分包含地面数据终端和一副或几副天线。地面数据终端由射频接收机和发射机以与调制解调器组成,一般可以分装成以下几个部分:一辆天线车,一条连接地面天线和指挥控制站的本地数据连线,以与地面控制站中的若干处理器和接口。无人机数据链在功能上包括一条用于地面控制站对飞行器控制的上行链路和一条用于接收无人机遥测信息的下行链路。上行链路主要传输地面站至无人机的遥控指令,下行链路主要传输无人机至地面终端的遥测数据,一般下行链路的传输速率要远远高于上行链路。2无人机数据链关键技术无人机数据链关键技术主要包括中继传输技术、调制技术、抗干扰传输技术以与视频图像编码等一系列技术。2．1中继传输技术当无人机超出无线电视距X围时,需要采用中继方式实现地面指挥站与无人机群间的通信。按照中继转发设备所处的不同位置可以分为地面中继以与空中中继方式。地面中继转发设备置于地面控制站与无人机之间的制高点上;空中中继转发设备置于某种合适的空中中继平台上,空中中继平台和任务无人机间采用定向天线,并通过数字引导或自跟踪方式确保天线波束彼此对准,相比较地面中继而言,空中中继成本要高些。按照中继转发设备的不同又可以分为飞机中继以与卫星中继:飞机中继方式采用飞机作为中继转发设备,由地面站、中继飞图3卫星中继示意图图4DS-BPSK调制模型图52CPFSK调制模型图2飞机中继示意图机、任务无人机群构成超视距通信网,如图2所示。其特点是移动速度快、机动性高、电波受空间限制少并且成本低,但考虑到无人机的抗打击能力不强,采用这种中继方式不是太可靠。卫星中继方式采用通信卫星<或数据中继卫星作为转发设备,无人机上要安装一定尺寸的跟踪天线,机载天线采用数字引导指向卫星,采用自跟踪方式实现对卫星的跟踪,如图3所示。相比较无人机中继方式而言,卫星中继的覆盖X围更广,并且卫星的信道性能较稳定,可用频带宽,通信容量大。2．2调制技术目前,DS-BPSK,2CPFSK是无人机数据链系统中两种主要调制方式。其中为了提高遥控信号的抗干扰能力,上行链路可以采用DS-BPSK调制方式,下行链路则采用2CPFSK调制方式。在无人机上行链路中采用DS-BPSK调制方式的模型如图4所示。Gold码发生器模块、模2加法器与编码模块主要完成扩频功能,使用芯片AD9854的BPSK的调制功能对扩频、编码后的数据进行BPSK调制。调制信号f<t=Ad<tm<tcos<2πf0t,式中A为载波幅度;f0为载波频率;m<t为伪码序列;d<t为基带数据。为了提高DS-BPSK调制器系统的抗侦破能力和载波抑制度,伪码可选用平衡Gold码,它具有良好的自相关与互相关特性。将调制后的信号经三阶高斯带通滤波器输出,再将输出的信号经功率放大器后得到理想的遥控信息传输至无人机上。在无人机下行链路中可以采用2CPFSK调制方式,该调制方式抗噪声性能以与抗衰落性能均较好,具有较好的频带功率利用率,抗辐射能力强且容易实现,可以满足高速率信号的传输要求。2CPFSK调制原理框图如图5所示。由差分接收器提供参考时钟给芯片AD9854,该芯片接收数字基带信号。通过外部指令控制单片机,设置AD9854调制模式、调整输出信号的频偏和频率,产生一定功率的2CPFSK调制信号,经组合滤波电路滤波后,由功率放大器放大输出给外部电路。通过飞行试验表明,DS-BPSK以与2CPFSK调制方式可以满足上下链路数据的传输要求,能够解决无人机测控系统中数据率传输比较低的问题。2．3干扰传输技术在战争环境下,无人机多数工作在复杂电磁环图6视频编码基本原理图境下,需要具备较强的抗干扰能力,保障无人机运作的畅通。目前常使用的抗干扰技术主要有:扩频抗干扰技术、自适应干扰抑制技术、信源与信道编码技术。其中扩频抗干扰技术采用高速率的扩频码以达到扩展待传输的信息带宽的目的,具有功率谱密度低、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点;自适应干扰抑制技术又可分为自适应天线技术、自适应跳频与自适应信道选择技术、自适应功率控制技术,采用自适应干扰抑制技术能够有效对抗不同形式的干扰,克服干扰带来的影响并与时采取相应的措施保证正常通信;信源与信道编码技术分别对信源和信道进行编码,信源编码把信源输出符号序列变换为最短的码字序列,使后者的各码元所载荷的平均信息量最大;信道编码是在信息码中增加一定数量的多余码元,使码字具有一定的抗干扰能力,对信源与信道进行编码易于实现数字加密,有较好的抗干扰和抗截获能力。2．4视频图像编码技术视频图像信息是无人机任务载荷传感器信息的主要传输形式。对视频图像信号进行数字压缩编码有利于减小传输带宽。视频压缩技术实际上就是对原始的视频信息进行编码的技术,其一般原理如图6所示。首先变换器对图像进行一对一变换,经过变换后所形成的图像数据比原始图像数据更有利于压缩。量化器生成一组符号,用来表示压缩的图像;编码器给量化器输出的每个符号指定二进制位流。该二进制位流代表压缩编码后的视频信息。采用的编码方式不同,得到的图像清晰度以与信息容量也不同。目前比较先进的视频编码技术主要是MPEG-4,可以采用这种编码方式对无人机传感器所获取视频图像信息进行编码。MPEG-4编码对图像按内容进行分块,将图像的场景、画面上的对象分割成不同的子块,可将感兴趣的对象从场景中截取出来,进行编码处理,这种编码方式具有更高的压缩效率,支持具有不同带宽、不同存储容量的传输信道和接收端。3无人机数据链技术的发展趋势信息化作战要求无人机能够在更加广阔的空域内作战,能够实时高速可靠的传送大量的情报信息,并有能力进行信息的处理与向更广X围的快速分发,这极大地驱动了无人机数据链技术的发展,该领域的诸多前沿技术也不断涌现出来。以美国、以色列为代表的国家在无人机数据链技术上占据着领先主导地位,在无人机中继传输方面,它们已实现了卫星中继和空中中继。以色列IAI/ELTA公司的EL/K-1850数据链,经无人机空中中继作用距离从200km扩展到370km。在视频图像编码技术方面,美国早在20世纪90年代就已开始运用数字图像传输技术,将视频图像编码后美国的图像/遥测复合数据速率可减少至1．544MB/s,以色列的对应为2．2MB/s。未来无人机数据链技术需着重突破以下前沿技术:1研发激光通信传输系统激光通信可以满足大数据量实时远程传送的需要,潜在提高了无人机数据链路的带宽和作用距离。激光通信技术前景广阔,可行性也很高。据预测,采用激光通信传输速率比最先进的射频数据链还要高23个量级,国外相关技术每秒可传输上万兆比特的数据,使用小功率半导体激光系统的小口径<7cm13cm机载激光通信系统被探测到的概率极低,仅相当于射频系统的30%50%,同时功耗也低。但目前这项技术还有诸多瓶颈,需加快技术攻坚。2发展"一站多机"技术目前,无人机系统多数还是一个指挥控制站控制一架飞机,伴随着战争空间的日益扩大以与现代化战争的高要求,对于"一站多机"技术的要求日渐迫切。一站多机数据链是指一个测控站与多架无人机之间的数据链。英国普莱塞公司在20世纪80年代曾研制出多无人机控制系统,该系统能同时对4架无人机进行跟踪定位、遥测、遥控和信息传输。一站多机技术基本原理如图7所示,其中测控终端用于完成指令加密,遥测信息的解密等功能;控制计算机用于发出遥控指令,实现接收遥测信息等功能;功率分配器用于将输入信号分成多路相同信号输出;接收机1-N用于对遥控信号的解调使得无人机能够控制计算机发出的指令;接收机A-X用于完成对机上回波信号的解调形成遥测信号传输到控制终端上去,通过控制终端进行解密,整个系统形成一个闭合回路,从而实现一站多机功能。图7"一站多机"基本结构框图3发展信道综合技术发展信道综合技术可以简化设备并节省频谱,目前主要研究的是"四合一"或"三合一"综合信道体制。"四合一"综合信道体制是指跟踪定位、遥测、遥控和信息传输的统一载波体制。少数低频段的简单系统与某些特殊系统可采用"三合一"综合信道体制,"三合一"综合信道体制是指跟踪定位、遥测和遥控的统一载波体制,它将宽带与窄带信道分开,从某种角度来说具有一定的灵活性。4研究应用数据链组网技术数据链组网技术使得数据链具有网络化的通信能力,使其容量大、稳定性高、可靠性好,该技术需要攻破以下几项难点:大容量指向性数据链,处理能力高的大容量通路,模块式可编程序通路结构,标准通信规定和接口等。数据链组网技术可以很大程度上提高无人机数据链的传输性能。5实现无人机数据链智能化无人机智能数据链是一个多模式的智能通信系统,能够感知其工作区域的电磁环境特征,并根据环境特征和通信要求,实时动态地调整通信系统工作参数,从而达到可靠通信或节省通信资源的目的。实现无人机数据链智能化能够很大程度上提高无人机在复杂电磁条件下正常工作的能力。6提高无人机数据链系统的通用化和标准化程度美国以与以色列等国非常重视数据链系统的标准化,美军正重点推广使用X/Ku波段的通用数据链系统,逐步实现数据链系统的通用化和标准化。而以色列在这方面也有所建树,IAI/ELTA公司的EL/K-1850数据链就是依据统一的标准研制的,可以应用于苍鹭、猎犬、侦察兵等无人机系统。随着无人机群的大量使用,要加快研究通用数据链技术和通用地面控制站技术,并制定合理的无人机测控系统标准,提高无人机测控系统使用效率,否则在未来战场上当大量无人机系统同时应用时,这些无人机将很难协调运作。4结束语通过对无人机数据链关键技术的分析总结,结合当前无人机数据链技术的发展现状,对于未来无人机数据链关键技术的发展方向,提出了一些看法与建议。未来需要重点突破这些前沿技术,解决技术上的瓶颈,使得无人机数据链能够适应无人机飞速发展的需求,更好更快的推动无人机的拓展与应用。参考文献[1]魏瑞轩,李学仁．无人机系统与作战使用．:国防工业,2009:125-130[2]孙文友,胡永红．一种用于无人机测控系统的DS-BPS调制的实现