淺析美軍無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)與發(fā)展趨勢

胡玉鵬，陳帥，管強(qiáng)

61255部隊

隨著人工智能、自主控制、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無人機(jī)的運(yùn)用范圍更加廣泛，這要求無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈具有更優(yōu)異的性能。本文闡述無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，重點(diǎn)分析美軍無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的類型、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。

無人機(jī)系統(tǒng)主要包括無人機(jī)平臺、飛行控制、通信、動力、發(fā)射與回收等系統(tǒng)，各個分系統(tǒng)協(xié)同工作，保證無人機(jī)高效、準(zhǔn)確地完成各項任務(wù)。作為一種高性能、智能化系統(tǒng)，無人機(jī)在偵察、監(jiān)視、打擊、戰(zhàn)場毀傷評估、通信中繼、測繪、應(yīng)急救援、巡檢、貨物運(yùn)輸?shù)溶娛潞兔裼妙I(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，而且應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓寬。在遂行任務(wù)過程中，無人機(jī)系統(tǒng)既面臨著多徑衰落、碼間串?dāng)_、多用戶干擾等來自己方的無意干擾，又面臨著敵方干擾機(jī)釋放的干擾信號等惡意干擾。有效的數(shù)據(jù)采集、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸以及高效的數(shù)據(jù)融合處理，是無人機(jī)系統(tǒng)成功完成任務(wù)的基礎(chǔ)。因此，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)至關(guān)重要。

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈概述

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侨蝿?wù)機(jī)與地面控制站之間，任務(wù)機(jī)與通信中繼機(jī)、武器系統(tǒng)、其他裝備之間，按照約定的通信協(xié)議和信息傳輸方式，實(shí)現(xiàn)指令交互、信息傳輸?shù)臒o線通信鏈路。傳感器、指揮控制中心、武器之間通過數(shù)據(jù)鏈建立了一種實(shí)時、高效的信息交互網(wǎng)，以滿足體系化作戰(zhàn)信息共享的需求。作為無人機(jī)系統(tǒng)的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)鏈為無人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部、無人機(jī)系統(tǒng)與其他作戰(zhàn)系統(tǒng)之間搭建了一個實(shí)時性信息通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場情報、指揮控制信息、裝備協(xié)同作戰(zhàn)信息的實(shí)時分發(fā)。無人機(jī)與指揮控制中心實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，是無人機(jī)系統(tǒng)融入網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)體系的前提條件，數(shù)據(jù)鏈在整個作戰(zhàn)體系中發(fā)揮著重要作用。

地面控制站通過上行鏈路向?qū)崙?zhàn)中的無人機(jī)發(fā)送遙控指令，以此控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)、飛行速度、飛行航線等；遠(yuǎn)程遙控?zé)o人機(jī)將獲取的戰(zhàn)場情報信息、自身的飛行姿態(tài)信息通過下行鏈路傳輸給地面控制站，以實(shí)現(xiàn)信息反饋。但是，敵方會發(fā)送干擾信號，擾亂無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的正常工作。圖1是無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作和受到干擾的示意圖。

圖1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈工作和受到干擾的示意圖。

美軍數(shù)據(jù)鏈的類型

根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，美軍無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈可分為測控數(shù)據(jù)鏈、指揮控制數(shù)據(jù)鏈、偵察監(jiān)視數(shù)據(jù)鏈和協(xié)同作戰(zhàn)數(shù)據(jù)鏈等類型，其用途及典型產(chǎn)品詳見表1。

表1 美軍無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的類型及典型產(chǎn)品。

隨著時代發(fā)展，無人機(jī)的作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)背景、作戰(zhàn)任務(wù)越發(fā)多樣，復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾日趨嚴(yán)重，對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈提出了更高的要求。

美軍無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展現(xiàn)狀

美軍研制了“死神”“全球鷹”等多型無人機(jī)系統(tǒng)，在近年爆發(fā)的幾場高科技局部戰(zhàn)爭中大放異彩。當(dāng)前，美軍無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈正在向通用數(shù)據(jù)鏈體制過渡，主要包括Link 16數(shù)據(jù)鏈、Link 22數(shù)據(jù)鏈、通用寬帶數(shù)據(jù)鏈(CDL)、戰(zhàn)術(shù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈(TDDL)、戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈(TCDL)、高完整性數(shù)據(jù)鏈(HIDL)。

Link 16 數(shù)據(jù)鏈

隨著美國三軍聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)(JTIDS)的研究和應(yīng)用，Link 16數(shù)據(jù)鏈應(yīng)運(yùn)而生。該數(shù)據(jù)鏈的工作頻段為UHF頻段，是集時隙管理、網(wǎng)絡(luò)同步、加密數(shù)據(jù)交互、入退網(wǎng)等功能于一體的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，具有加密性好、實(shí)時性高、吞吐量大等優(yōu)勢，適用于無人機(jī)數(shù)據(jù)通信，并能實(shí)現(xiàn)陸基、?；?、空基平臺間的戰(zhàn)術(shù)信息共享，在協(xié)同作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。

Link 22數(shù)據(jù)鏈

在現(xiàn)有Link 16數(shù)據(jù)鏈的戰(zhàn)術(shù)功能基礎(chǔ)上，美軍對Link 22數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行了改進(jìn)，旨在取代Link 11數(shù)據(jù)鏈。Link22數(shù)據(jù)鏈在HF或UHF頻段工作，具有抗干擾性強(qiáng)、加密性好、可靠性高等特點(diǎn)，采用時分多址（TDMA）和動態(tài)時分多址（DTDMA）兩種接入方式，通信網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)占用一個微時隙，用于數(shù)據(jù)傳輸。在高頻定頻時數(shù)據(jù)傳輸速率為1120 ～4053b/s，在高頻跳頻時達(dá)500 ～2200b/s，在超高頻定頻時可達(dá)到12.667Kb/s，適合無人機(jī)數(shù)據(jù)通信，可實(shí)現(xiàn)空中、地面、水面、水下系統(tǒng)間的目標(biāo)信息傳輸，實(shí)時傳輸控制命令和預(yù)警信息。

通用寬帶數(shù)據(jù)鏈

無人機(jī)獲取的大部分信息為圖像、視頻，這些海量信息對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的帶寬以及安全性提出了新的要求。為此，美軍成功研制了通用寬帶數(shù)據(jù)鏈。該數(shù)據(jù)鏈在X波段或Ku波段工作，未來可能使用Ka波段。無人機(jī)通過下行通用寬帶數(shù)據(jù)鏈將傳感器情報傳給地面控制站，數(shù)據(jù)傳輸速率可以設(shè)置為274Mb/s、137Mb/s、21.42Mb/s、10.71Mb/s 等速率；地面控制站通過上行通用寬帶數(shù)據(jù)鏈，將指令、話音數(shù)據(jù)、位置信息、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等信息傳給空中系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)200Kb/s。通用寬帶數(shù)據(jù)鏈具備加密性好、全雙工通信、點(diǎn)對點(diǎn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了各個節(jié)點(diǎn)間的戰(zhàn)術(shù)情報信息傳輸。

戰(zhàn)術(shù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈

戰(zhàn)術(shù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂密浖x的無線電技術(shù)，通過編程設(shè)置調(diào)制方式和數(shù)據(jù)傳輸速率，便捷可靠，具有加密性高、全雙工通信、抗干擾、點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)勢，能與戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈兼容。戰(zhàn)術(shù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈的機(jī)載設(shè)備質(zhì)量低于6kg，作用距離可達(dá)到200km，上行數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mb/s，下行數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)45Mb/s，能在多個頻段工作，兼容性高，數(shù)據(jù)傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐量大。

戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈

由于通用寬帶數(shù)據(jù)鏈具有機(jī)載設(shè)備質(zhì)量大、價格高等缺點(diǎn)，未能被無人機(jī)廣泛使用。因此，美軍迫切須要一種能與通用寬帶數(shù)據(jù)鏈兼容，價格便宜，且能傳輸多種小型無人偵察機(jī)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)鏈。正是這種新需求的牽引，美軍開發(fā)了戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈，該數(shù)據(jù)鏈也稱“鷹鏈”，在Ku頻段工作，可在加密、抗干擾模式下實(shí)現(xiàn)全雙工、點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，能以上行數(shù)據(jù)傳輸速率200Kb/s和下行數(shù)據(jù)傳輸速率10Mb/s，為無人機(jī)與有人機(jī)之間、無人機(jī)與地面控制站之間提供安全、可互操作寬帶數(shù)據(jù)傳輸，并能與原有的通用寬帶數(shù)據(jù)鏈兼容，數(shù)據(jù)傳輸速率甚至可達(dá)137Mb/s或274Mb/s。

高完整性數(shù)據(jù)鏈

高完整性數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N加密、全雙工、窄帶、抗干擾數(shù)據(jù)鏈，應(yīng)用于艦艇與無人機(jī)之間的信息傳輸，可以幫助操控員控制在艦船上起降的無人機(jī)，而且支持無人機(jī)向地面控制站傳輸數(shù)據(jù)、視頻、圖像等信息。該數(shù)據(jù)鏈可同時控制至少兩架無人機(jī)，作用距離可達(dá)200km，能與通用寬帶數(shù)據(jù)鏈、戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈兼容，數(shù)據(jù)傳輸速率為3 ～20Mb/s。

美軍無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈關(guān)鍵技術(shù)分析

美軍無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈涉及通信中繼、組網(wǎng)、通信天線等關(guān)鍵技術(shù)和天線對準(zhǔn)與跟蹤算法。

通信中繼技術(shù)

當(dāng)無人機(jī)不在地面控制站的無線電通信覆蓋范圍內(nèi)，須要采用通信中繼方式來實(shí)現(xiàn)與地面控制站之間的通信。按照通信中繼設(shè)備所處的位置，通信中繼方式可以分為地面通信中繼和空中通信中繼兩種方式。地面通信中繼設(shè)備放置在地面控制站與無人機(jī)之間的通信斷點(diǎn)上；無人機(jī)或者衛(wèi)星可充當(dāng)空中通信中繼設(shè)備。兩種通信中繼方式相比，空中通信中繼的成本較高。

無人機(jī)作為空中通信中繼設(shè)備，優(yōu)勢是移動速度快、機(jī)動性高、通信中繼信號受空間限制小，但是通信中繼無人機(jī)的抗毀能力須要加強(qiáng)。相較于通信中繼無人機(jī)，衛(wèi)星充當(dāng)通信中繼設(shè)備，信號覆蓋范圍更廣，衛(wèi)星信道性能比較穩(wěn)定，可用的頻帶寬，通信容量更大，但成本較高。

自組網(wǎng)技術(shù)

許多美軍無人機(jī)以單機(jī)方式執(zhí)行任務(wù)。美軍通過地面控制站對無人機(jī)單機(jī)進(jìn)行控制，形成一種以地面控制站指揮中心為起點(diǎn)、多架無人機(jī)為通信中繼平臺的星形架構(gòu)。有關(guān)報告稱，美軍現(xiàn)役無人機(jī)仍然由地面控制站控制。地面控制站控制無人機(jī)的方案包括兩種。

一是地面控制站直接控制一架或者若干架無人機(jī)。該方式應(yīng)用普遍，但是受面曲率以及無人機(jī)使用半徑的限制。

二是地面控制站通過若干架通信中繼無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程無人機(jī)的控制以及信息傳輸。無人機(jī)集群采用自組網(wǎng)技術(shù)以及多跳通信方法，可以大幅拓展無人機(jī)通信信號的覆蓋范圍。

通信天線技術(shù)

全向天線結(jié)構(gòu)和跟蹤裝置設(shè)計比較簡單，容易滿足各個無人機(jī)通信節(jié)點(diǎn)高速移動的需求，適應(yīng)無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，并能保證天線增益的穩(wěn)定性。定向天線擁有高增益、低旁瓣的方向圖特性，具有空間復(fù)用率高、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、隱蔽性能強(qiáng)及可檢測性低的優(yōu)勢。通信中繼無人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈應(yīng)該采用全向天線與定向天線相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，增加物理層的性能，進(jìn)一步提高無人機(jī)通信中繼網(wǎng)絡(luò)的性能。

天線對準(zhǔn)與跟蹤算法

圖2 由通信中繼無人機(jī)、地面控制站構(gòu)建的超視距通信網(wǎng)絡(luò)。

天線對準(zhǔn)是指發(fā)射端與接收端雙方天線的主瓣波束相互覆蓋對方，以達(dá)到最大的天線增益；天線跟蹤是指，當(dāng)接收端的位置在通信過程中發(fā)生相對變化時，控制端使用天線跟蹤設(shè)備與算法，以確保發(fā)射端天線始終對準(zhǔn)接收端，減小外部干擾以及機(jī)間干擾。在通信網(wǎng)絡(luò)初始化階段，由于拓?fù)湫畔⒉煌暾仍颍l(fā)射端須要采用全向天線搜索、發(fā)現(xiàn)鄰近節(jié)點(diǎn)的位置以及通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?。在全向天線獲得通信節(jié)點(diǎn)位置信息的基礎(chǔ)上，定向天線在小區(qū)域進(jìn)行快速掃描，達(dá)到天線對準(zhǔn)的效果，獲得最大的天線增益。天線對準(zhǔn)與跟蹤算法加入俯仰角、搖擺角、姿態(tài)修正等參數(shù)信息，以獲得更好的性能，確保通信雙方保持天線對準(zhǔn)狀態(tài)。

美軍無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展趨勢

為滿足任務(wù)需求，無人機(jī)須要在更加廣闊的區(qū)域完成任務(wù)，實(shí)時傳輸大量數(shù)據(jù)信息，而且應(yīng)具有信息處理、向遠(yuǎn)程系統(tǒng)快速傳輸信息的能力。

安全性高

通信數(shù)據(jù)的安全性是無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈設(shè)計與開發(fā)的前提條件。設(shè)計與開發(fā)不僅要保障無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈將信息安全地傳輸至地面控制中心，還要防止地面控制中心被監(jiān)視和打擊，以及防止敵方篡改我方無人機(jī)與地面控制中心之間的導(dǎo)航信號。除此之外，還須要權(quán)衡無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的安全性與性能。

設(shè)備小型化

美軍無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈設(shè)備正在向小型化方向發(fā)展。美國空軍“武器數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)”計劃旨在全力打造小型化16號數(shù)據(jù)鏈。美國海軍陸戰(zhàn)隊“先鋒”無人機(jī)裝備“星鏈”緊湊型數(shù)據(jù)鏈設(shè)備，“星鏈”數(shù)據(jù)鏈中的無人機(jī)機(jī)載通信設(shè)備重量僅0.23-0.30kg，并能與美國陸軍開發(fā)的戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)高度兼容。雖然無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的重量正在不斷減輕，但數(shù)據(jù)傳輸能力須要增強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃皂氁岣?，這對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的設(shè)計與開發(fā)提出了更高的要求。美軍認(rèn)為，軟件無線電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的小型化。具體方法是，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈設(shè)備應(yīng)設(shè)計成一種通用性、模塊化、規(guī)范化硬件，而數(shù)據(jù)鏈的一些功能盡量通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，同時射頻前端應(yīng)進(jìn)行簡化，使得模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器距離天線較近，方便模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，便于信號處理，提升各項性能指標(biāo)。

高速傳輸性能

隨著傳感器技術(shù)的提高，無人機(jī)獲取的視頻、圖像的質(zhì)量越來越好，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也越來越大，而美軍對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性要求較高。為了確保信息能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地交互，并獲取可靠的情報信息，美國相關(guān)部門已經(jīng)要求，圖像分辨率應(yīng)從1280×720像素提升至1920×1080像素，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到3 ～6Gb/s。由此可見，美軍提高無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)傳輸速率，無人機(jī)系統(tǒng)的性能也隨之提升。

網(wǎng)絡(luò)化通信

目前，無人機(jī)系統(tǒng)大多使用點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路。隨著無人機(jī)數(shù)量的增多，如果無人機(jī)都使用點(diǎn)對點(diǎn)通信，這對頻譜和帶寬的要求會更高。所以美軍利用無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的寬帶、數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)勢，讓部分無人機(jī)充當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)或路由器，形成子網(wǎng)絡(luò)以傳輸信息，擴(kuò)大了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)傳輸容量，提高了通信距離以及工作范圍。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈自組網(wǎng)技術(shù)是一個重要的研究內(nèi)容。

通用化和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)鏈

通用化和標(biāo)準(zhǔn)化無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵?，各種系統(tǒng)體制相互兼容，以前所設(shè)計開發(fā)的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)被整合，使新數(shù)據(jù)鏈能與任何其他數(shù)據(jù)鏈同時使用。如果無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈不能實(shí)現(xiàn)通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，將不利于無人機(jī)研制和無人機(jī)操控。

無人機(jī)的作戰(zhàn)效能在很大程度上依賴于數(shù)據(jù)鏈的性能。當(dāng)前，美軍在作戰(zhàn)中廣泛使用無人機(jī)，并深入研究無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)及發(fā)展趨勢。以其之矛設(shè)我之盾，本文力爭為未來作戰(zhàn)提供相關(guān)借鑒。