關中鋒

(中國西南電子技術研究所,四川成都610036)

美軍無人機通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢*

關中鋒

(中國西南電子技術研究所,四川成都610036)

無人機通信系統(tǒng)是影響無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的重要因素,跟蹤美軍無人機通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢,可為我國無人機通信系統(tǒng)的研制提供一定的參考價值。從美軍無人機通信的發(fā)展歷史入手,詳細描述了幾種典型無人機通信系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀,然后分析并總結(jié)了系統(tǒng)的典型配置、功能及特點,最后對美軍無人機通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行了展望。期望為從事無人機通信技術研究的工程技術人員提供一定的參考。

無人機 通信系統(tǒng) 發(fā)展趨勢 綜合化 網(wǎng)絡化

0 引 言

通信系統(tǒng)是無人機非常重要的組成部分,是無人機對外聯(lián)系的神經(jīng)網(wǎng)絡,維系著空中的無人機與地/海面控制站及其它地/海/空作戰(zhàn)單元之間的信息交換,滿足無人機平臺監(jiān)控、傳感器監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)、任務執(zhí)行、起降控制等信息傳輸需求。提供有效可靠的通信是提高基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力的基礎[1],無人機通信系統(tǒng)在未來的信息化戰(zhàn)爭中將扮演越來越重要的角色。

無人機通信技術隨著無人機作戰(zhàn)使用方式的變化和通信技術進步而不斷發(fā)展。早期的無人靶機任務單純,不需要外部通信聯(lián)絡。20世紀60年代,無人機開始作為單平臺在實戰(zhàn)中應用,為了解決無人機飛行過程中的實施操控問題,裝備了空地視距通信鏈路,地面操作員完全依賴空地視距通信鏈路實現(xiàn)對無人機的控制。隨著無人機載荷能力提高、作戰(zhàn)范圍的擴大以及寬帶數(shù)據(jù)鏈技術、衛(wèi)星通信技術的發(fā)展,無人機開始裝備寬帶數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)通設備,滿足其全球范圍作戰(zhàn)無人機控制及大容量信息傳輸需求。另外,在國外,無人機正作為一種新的航空飛行器在國家空域系統(tǒng)飛行,通過在無人機上裝備民航通信設備實現(xiàn)和空中交通管制(ATC)部門的通信聯(lián)絡。

1 美軍無人機通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 小型戰(zhàn)術無人機通信系統(tǒng)

小型戰(zhàn)術無人機的作用距離一般僅在視距范圍內(nèi),如“影子”200、“獵人”等,主要執(zhí)行偵察任務為主。無人機有限的機載動力和有效載荷負載能力,限制了機載硬件的使用。載荷主要為簡單的、小型化的光電偵察載荷,為地面作戰(zhàn)人員提供視距外的戰(zhàn)場情況。通信系統(tǒng)一般僅有1～2條視距通信鏈路組成,而且之前還有一些小型戰(zhàn)術無人機使用的是模擬數(shù)據(jù)鏈,近期才更換成數(shù)字數(shù)據(jù)鏈以提高頻率利用效率。

“影子”200無人機是美國陸軍大量裝備的一種輕型戰(zhàn)術無人機,其通信系統(tǒng)包括UHF、S頻段窄帶視距鏈路和C波段寬帶視距數(shù)據(jù)鏈[2],其中,UHF、S頻段視距鏈路用于指揮控制信息傳輸,鏈路速率幾十kb/s,C波段視距數(shù)據(jù)鏈傳輸指揮控制信息和傳感器數(shù)據(jù),速率可達2.2 Mb/s?！坝白印?00無人機通信系統(tǒng)設備組成如圖1所示。升級版的RQ-7B改進型將安裝更高帶寬的TCDL(戰(zhàn)術通用數(shù)據(jù)鏈),速率可達45 Mb/s。

“獵人”無人機最初是陸軍/海軍/海軍陸戰(zhàn)隊聯(lián)合發(fā)展的短程無人機系統(tǒng),配置了C波段視距數(shù)據(jù)鏈傳輸指揮控制信息、傳感器數(shù)據(jù)、圖像等,并支持實時向空中另1架“獵人”無人機轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 中高空長航時無人機通信系統(tǒng)

中高空長航時無人機的飛行高度一般在7～8 km之間,典型平臺為美軍的“捕食者”無人機,主要用作偵察打擊一體化任務,其次是用作情報收集[3]。此類平臺除了視距鏈路外,還需要配置衛(wèi)通鏈路以支持其全球作戰(zhàn)。

捕食者無人機上配備的主要通信系統(tǒng)包括5. 25～5.85 GHz的C頻段的視距數(shù)據(jù)鏈和12.5～18 GHz的Ku頻段衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈,并配有30～512 MHz頻段的ARC-210超短波電臺,用于空管話音中繼通信和指控備份。其中C波段下行速率4.5 Mb/s,Ku衛(wèi)通下行速率最高可達50 Mb/s。在起飛和著陸階段,發(fā)射與回收單元通過C頻段視距通信鏈路進行控制;在離地面站150 n mile的視距范圍內(nèi),地面站主要使用C頻段視距數(shù)據(jù)鏈對無人機進行操控或由無人機自主運行;而在無人機進入超視距范圍時,地面站則主要使用Ku頻段的衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈。對于捕食者無人機,由于美軍主要采用遠程分工操作的模式對其進行操作,也就是實施控制的操作員位于美國本土,因而Ku頻段的衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈是捕食者無人機最主要使用的數(shù)據(jù)鏈。捕食者無人機通信系統(tǒng)設備組成如圖2所示。

圖2 捕食者無人機通信系統(tǒng)設備組成Fig.2 Composition of Predator communications system

有資料顯示,捕食者無人機上的C頻段數(shù)據(jù)鏈是由L-3公司研制,支持4.5 Mb/s的模擬數(shù)據(jù)傳輸。另外,L-3公司還在捕食者無人機上對Ku頻段的TCDL數(shù)據(jù)鏈進行過飛行測試,目前資料披露的信息來看這種數(shù)據(jù)鏈似乎并未真正裝備到捕食者無人機上,不過由于TCDL兼容于美軍目前大力推廣的CDL系統(tǒng),因而未來它很有可能取代原有的C頻段視距數(shù)據(jù)鏈。

1.3 高空長航時無人機通信系統(tǒng)

高空長航時無人機飛行高度在18 km以上,飛行時間不少于24 h。在未來戰(zhàn)爭中,將成為獲取戰(zhàn)略情報的重要手段之一。

高空長航時無人機典型的平臺是美軍“全球鷹”無人機,其平臺的空間和載重量更大,搭載的航空電子設備和載荷也更多?！叭蝥棥笔侨虻谝患芫哂凶灾骺刂乒δ艿母呖臻L航時無人機,是美國獲取情報、監(jiān)視與偵察(ISR)信息的重要裝備[4]。

“全球鷹”的機載綜合化通信系統(tǒng)(AICS)可為“全球鷹”無人機提供5條通信鏈路,包括3條窄帶鏈路和2條寬帶鏈路[5]。AICS系統(tǒng)裝有L-3公司開發(fā)的綜合化通信系統(tǒng)(ICS),包括1條8～12.5 GHz、與CDL兼容的、全雙工、寬帶、空地數(shù)據(jù)鏈,1條12.5～18 GHz Ku頻段、全雙工、寬帶衛(wèi)星通信鏈路以及3條0.3～3 GHz、具有冗余功能的、用于指揮/控制的、全雙工、UHF衛(wèi)星或視距鏈路。其中,UHF衛(wèi)通是“全球鷹”無人機指控信息傳輸?shù)闹饕溌?為確保其可靠性,采用了冗余配置;ICS由一部共用機載調(diào)制解調(diào)器組件(CAMA)、一部衛(wèi)通無線電頻率組件(RFA)、一個高壓電源(HVPS)、一個大功率放大器(HPA)、一個衛(wèi)通天線、一個視距RFA、一個視距雙頻段天線、2個UHF接收機/發(fā)射機、2個功放、2個LNA/天線共用器組成。它可為“全球鷹”提供全套的視距通信及衛(wèi)星通信能力?！叭蝥棥本C合化通信系統(tǒng)(ICS)設備組成如圖3所示。另外,“全球鷹”無人機還計劃升級INMARSAT能力作為支持超視距指控的窄帶通信鏈路選擇之一。

圖3 綜合化通信系統(tǒng)(ICS)設備組成Fig.3 Composition of ICS

另外,為了支持和空中交通管制(ATC)系統(tǒng)通信,全球鷹配置了3套AN/ARC-210多模式綜合通信系統(tǒng),該系統(tǒng)可在30～400 MHz頻率范圍上提供兩路多模式語音和數(shù)據(jù)通信,具有普通、保密和抗干擾等特性,可通過視距鏈路和衛(wèi)星通信鏈路進行傳輸。同時,ARC-210可滿足8.33 kHz歐洲ATC要求。

1.4 無人作戰(zhàn)飛機通信系統(tǒng)

世界上各個軍事強國都預見無人作戰(zhàn)飛機在未來戰(zhàn)爭中將扮演重要角色,因此紛紛研發(fā)各自的UCAV[6]。美軍的主要無人作戰(zhàn)飛機包括“火力偵察兵”武裝無人機、X-45無人作戰(zhàn)飛機、X-47無人作戰(zhàn)飛機等。

“火力偵察兵”武裝無人機通信系統(tǒng)主要包括戰(zhàn)術通用數(shù)據(jù)鏈(TCDL)和UHF鏈路,采用TCDL將作為控制站與飛行器之間的首選數(shù)據(jù)鏈,這是一種Ku頻段、全雙工的數(shù)字RF數(shù)據(jù)鏈,下行鏈路使用原有通用數(shù)據(jù)鏈(CDL)波形,速率為10.71 Mb/s;上行鏈路采用擴頻方式,速率為200 kb/s。UHF作為備選數(shù)據(jù)鏈,使用ARC-210UHF/VHF電臺,工作頻率為225～399.975 MHz。

X-45和X-47無人作戰(zhàn)飛機(UCAV)是美國空軍和海軍分別發(fā)展的主要無人作戰(zhàn)平臺,都非常強調(diào)其協(xié)同作戰(zhàn)能力。X-45通信系統(tǒng)主要包括Link-16、ARC-210等視距鏈路,以及UHF衛(wèi)星通信、軍事星中數(shù)據(jù)率(MDR)信道和高數(shù)據(jù)率(HDR)信道、轉(zhuǎn)型通信系統(tǒng)(TCS)等衛(wèi)星通信鏈路,未來將擴展機間數(shù)據(jù)鏈(IFDL)?？哲姲袻ink-16作為其視距(LOS)通信的首選鏈路,備用鏈路為ARC-210,未來則IFDL實現(xiàn)。而對超視距通信需求則分為近、中、遠期三個階段,其中近期重點是獲得2～4 kb/s的UHF衛(wèi)星通信;在中期,將利用軍事星MDR信道和HDR信道傳輸SAR目標信息,速率為1 Mbit/s;在遠期,如果UCAV系統(tǒng)正式投入使用, UCAV系統(tǒng)將與轉(zhuǎn)型通信系統(tǒng)(TCS)集成,包括無人機的指揮與控制和SAR目標數(shù)據(jù)的傳輸。

X-47通信系統(tǒng)主要包括CDL-N/TCDL、Link-16、VHF/UHF數(shù)據(jù)鏈、機間數(shù)據(jù)鏈等視距鏈路,以及AEHF收發(fā)信機、Ka頻段商用衛(wèi)星等衛(wèi)星通信鏈路。海軍將選擇CDL-N/TCDL作為無人作戰(zhàn)飛機首選的LOS通信數(shù)據(jù)鏈,要求使用多平臺通用數(shù)據(jù)鏈(MPCDL)網(wǎng)絡操作,此外還將使用Link-16作為對艦船通信的備用鏈路(還可能用于機間通信),低概率檢測和低截獲概率及抗干擾(LPD/LPI/AI)的機間數(shù)據(jù)鏈以及用于指揮控制與話音中繼的VHF/UHF數(shù)據(jù)鏈。海軍可選用支持單信道與多信道(寬帶約10～12 Mb/s)操作的小型AEHF收發(fā)信機、Ka頻段商用衛(wèi)星、CDL-N/TCDL(Ku頻段)實現(xiàn)機載通信中繼;使用自適應通信節(jié)點(ACN)和MP-CDL實現(xiàn)組網(wǎng)功能;使用UHF軍用衛(wèi)星進行無人機指揮控制的備份;并且使用VHF/UHF鏈路實現(xiàn)空管控制功能。X-47未來通信系統(tǒng)設備組成如圖4所示。

圖4 X-47通信系統(tǒng)設備組成Fig.4 Composition of X-47 communications system

2 美軍無人機通信系統(tǒng)特點

美軍無人機成體系發(fā)展,種類繁多、功能各異,通信系統(tǒng)成體系發(fā)展。全球鷹無人機通信網(wǎng)絡體系圖如圖5所示。

圖5 全球鷹通信網(wǎng)絡體系Fig.5 Global hawk communications system

總結(jié)國外典型無人機通信系統(tǒng)現(xiàn)狀并分析看出,目前美軍無人機通信系統(tǒng)具有如下特點:

1)小型戰(zhàn)術無人機一般不裝備衛(wèi)通鏈路,更多的是采用視距數(shù)據(jù)鏈,一般都配置窄帶和寬帶2種,其中視距窄帶通信鏈路一般以UHF鏈路為主,主要用于飛行指令、飛行器狀態(tài)等指揮控制類信息傳輸;視距寬帶通信鏈路一般以速率可達4.5 Mb/s的C波段鏈路為主,主要用于平臺指揮控制類信息、載荷控制及狀態(tài)信息、傳感器信息等傳輸。

2)中高空、長航時無人機通常都會配備視距、超視距多條通信鏈路來滿足任務執(zhí)行、無人機操控、傳感器數(shù)據(jù)分發(fā)以及起降控制等一系列功能的數(shù)據(jù)通信需求。視距通信鏈路主要用于起降站本地操作,超視距通信鏈路主要用于任務站超視距操作。其中窄帶通信鏈路一般包括UHF視距鏈路、UHF衛(wèi)通鏈路,未來計劃升級為INMARSAT衛(wèi)通鏈路,主要傳輸指揮控制等上行信息、健康及狀態(tài)信息、應答信息等;寬帶通信鏈路一般包括速率可達274 Mb/s的CDL視距鏈路、速率可達1.5～50 Mb/s的Ku寬帶衛(wèi)通鏈路,主要用于傳輸傳感器等任務數(shù)據(jù),同時也能完成窄帶鏈路的傳輸功能。

3)越來越多無人機選擇配置ARC-210 UHF/ VHF電臺,并有成為標準配置的趨勢,以支持和空管系統(tǒng)通信。

4)無人機通信系統(tǒng)越來越強調(diào)和有人飛機之間協(xié)同通信能力,Link16數(shù)據(jù)鏈、MP-CDL數(shù)據(jù)鏈、機間數(shù)據(jù)鏈等成為越來越多無人機的選擇,特別是在大中型無人機、無人作戰(zhàn)飛機等平臺上。

5)無人機通信系統(tǒng)的標準化、通用性和互通性能力比較差。目前國外無人機通信鏈路種類多、互通能力差,但國外已經(jīng)意識到此問題,特別重視無人機通信系統(tǒng)的標準化、通用性和互通性能力,并制定了相應的標準體系。

6)目前,美軍無人機通信系統(tǒng)借鑒有人機系統(tǒng),并從經(jīng)濟可承受性、可靠性和可支持性的角度出發(fā),體系架構(gòu)還是以獨立設備集成為主。但是,隨著有人機航空電子系統(tǒng)綜合化和模塊技術的不斷成熟,綜合化通信系統(tǒng)將成為無人機系統(tǒng)發(fā)展趨勢,并已經(jīng)在“全球鷹”上采用了通信系統(tǒng)適度綜合化設計。

3 美軍無人機通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢

從幾種典型無人機通信系統(tǒng)的組成、功能、特點和發(fā)展等情況看,未來美軍無人機通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下:

(1)構(gòu)建無人機通信體系

現(xiàn)有的視距和超視距通信系統(tǒng)不能滿足無人機日益增長的數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。美軍提出大力發(fā)展無人機通信體系的要求,建立以網(wǎng)絡為中心的通信體系。特別是高空飛行的無人機,例如“全球鷹”和“捕食者”,由于其覆蓋范圍很大,因此很容易發(fā)展成網(wǎng)絡“中樞”,或者發(fā)展成組網(wǎng)系統(tǒng)。為了支持這種應用業(yè)務,必須發(fā)展組網(wǎng)通信能力,以便更好地提高其通信能力、穩(wěn)定性、可靠性、互連能力等。

(2)通信系統(tǒng)綜合化一體化

從目前美軍現(xiàn)役的無人機來看,還只有“全球鷹”無人機采用了綜合化通信系統(tǒng),隨著無人機越來越多地應用于實戰(zhàn),無人機搭載的任務載荷和通信手段越來越多,機載設備以及跨越頻段的不斷增多。美軍大力發(fā)展綜合化通信中繼載荷,采用模塊化、尺寸大小可變設計,適應多種平臺裝載需要[7]。未來無人機強調(diào)的是高度集成化,它將廣泛采用模塊化設計和開放式架構(gòu),不論是通信系統(tǒng),還是傳感器載荷,都有小型化、模塊化、綜合化的趨勢。

(3)進一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率

隨著無人機載荷能力提高,機上需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越來越多,這就要求通信系統(tǒng)進一步拓寬頻帶、提高頻率利用率和提高信息傳輸容量。

(4)對寬帶衛(wèi)通資源的需求越來越大

隨著無人機技術發(fā)展及應用推廣,無人機超視距作戰(zhàn)成為無人機的主要作戰(zhàn)方式,衛(wèi)星中繼成為無人機的主要通信方式,對衛(wèi)星資源的需求愈來愈多。通過借助衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器,特別是寬帶衛(wèi)通轉(zhuǎn)發(fā)器,滿足無人機超視距作戰(zhàn)數(shù)據(jù)寬帶傳輸需求。

(5)對通信鏈路的安全性要求更高

無人機的使用環(huán)境更加惡劣,這就要求通信系統(tǒng)具備更加良好的電磁兼容性、低截獲概率、抗欺騙能力、高安全性和足夠的抗干擾能力,保證無人機通信系統(tǒng)在惡劣戰(zhàn)場條件下穩(wěn)定、可靠、安全工作。

(6)將應用光學、激光等新型通信手段

光學數(shù)據(jù)鏈或激光通信系統(tǒng)等更高頻段的新型通信技術,具備消耗功率低、抗干擾能力強、速率更高等特點,激光通信可以數(shù)倍地提高數(shù)據(jù)鏈的傳輸速率[8],將是無人機通信技術的一個重要發(fā)展方向。但是由于光學、激光等通信的關鍵技術還有待進一步突破,且射頻數(shù)據(jù)鏈本身相對于光學、激光通信也具有較好的全天候適應能力,以此,射頻數(shù)據(jù)鏈在未來一段時間仍將占領無人機低空通信領域的主導地位。

(7)通信系統(tǒng)通用化、系列化、標準化、網(wǎng)絡化和互通性能力

隨著無人機系統(tǒng)的大量應用,未來無人機通信系統(tǒng)將逐步實現(xiàn)通用化、系列化、標準化、網(wǎng)絡化,實現(xiàn)多機系統(tǒng)兼容、協(xié)同工作及互聯(lián)互通互操作,包括和有人飛機、民航空管系統(tǒng)的通信能力。作為代表可列舉出通用數(shù)據(jù)鏈(CDL)/STANAG 7085[9]。另外,隨著網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的發(fā)展,無人機將能接入全球信息柵格網(wǎng),并將成為其中一個關鍵節(jié)點。

(8)通信系統(tǒng)即插即用

無人機作為作戰(zhàn)部隊的力量倍增器,未來將會對通信系統(tǒng)的能力有持續(xù)不斷增加的要求[10]。這就要求未來需要的是簡單的即插即用通信設備,即可以方便地、快速地、在節(jié)約成本的情況下修改、更新和升級通信功能。

4 結(jié) 語

在國外,無人機系統(tǒng)已在多次戰(zhàn)爭中承擔大量的作戰(zhàn)任務,信息化作戰(zhàn)步伐的加快,進一步促進國外無人機系統(tǒng)的發(fā)展,特別是對作為無人機力量倍增器的通信系統(tǒng)提出了更多的發(fā)展需求。

本文對美軍無人機通信系統(tǒng)發(fā)展狀態(tài)進行了詳細介紹,提煉了其配置、主要功能指標、標準化、實現(xiàn)方式等特點,歸納總結(jié)了其發(fā)展趨勢,為我國無人機通信系統(tǒng)的研制提供一定的參考價值。

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Current Status and Trend of US Military UA Communication System

GUAN Zhong-feng
(Southwest Research Institute of Electronic Technology,Chengdu Sichuan 610036,China)

Unmanned aircraft(UA)communication system is one of the vitally important factors affecting the efficiency of unmanned aircraft system(UAS).Tracking the current status and evolving trend of the US military UA communication system can provide reference for the development of domestic UA communication system.Starting from the history of US military UA communication system,this paper describes in detail the current status of some representative UA communication systems,then analyzes and summarizes the typical configurations,functions and characteristics of these systems.Finally,the developing trend of US military UA communication system is predicted.The author hopes that this paper could offer some references for those engaged in UAV communication field.

UA;communication system;developing trend;integration;networking

TN914.3

A

1002-0802(2014)10-1109-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.001

2014-06-19;

2014-09-19 Received date：2014-06-19;Revised date：2014-09-19

關中鋒(1976—),男,碩士,工程師,主要研究方向為通信系統(tǒng)總體設計。

GUAN Zhong-feng,male,M.Sci.,engineer,mainly engaged in overall design of communication system.