● 文|中國空間技術(shù)研究院西安分院　王樂　吳平

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基于衛(wèi)星中繼的無人機(jī)信息傳輸系統(tǒng)

● 文|中國空間技術(shù)研究院西安分院王樂吳平

摘 要：針對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控與信息傳輸?shù)募夹g(shù)需求，提出了利用商業(yè)通信衛(wèi)星或軍用中繼衛(wèi)星作為空中中繼平臺(tái)，建立無人機(jī)衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)高空高速長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)系統(tǒng)的超視距遙控、遙測(cè)和偵察信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)慕鉀Q方案。

引言

無人機(jī)具有零傷亡、使用限制少、隱蔽性好、效費(fèi)比高等特點(diǎn)，完全可以勝任對(duì)爭(zhēng)議領(lǐng)土、島嶼及海上航道路遠(yuǎn)程偵察、例行巡邏等工作。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的遠(yuǎn)程偵察與全程飛行監(jiān)控等新應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)基于衛(wèi)星的信息傳輸技術(shù)及設(shè)備提出了迫切需求：

1．可以支持無人機(jī)全程飛行監(jiān)控

將無人機(jī)裝載的各種傳感器獲得的數(shù)據(jù)，諸如無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)和飛行姿態(tài)等狀態(tài)信息等進(jìn)行提取，利用衛(wèi)星中繼信息傳輸技術(shù)將這些重要信息回傳指揮部以完成對(duì)無人機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控；在無人機(jī)飛行過程中通過前向衛(wèi)星鏈路更新目標(biāo)點(diǎn)位置信息和目標(biāo)特征參數(shù)，完成對(duì)無人機(jī)的航跡控制，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)控。

2．可以支持無人機(jī)載荷信息實(shí)時(shí)回傳

利用無人機(jī)裝載傳感器進(jìn)行目標(biāo)信息獲取，利用基于衛(wèi)星的信息傳輸技術(shù)將這些偵察信息通過衛(wèi)星中繼回傳指揮部，便于指揮部對(duì)偵查信息進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，進(jìn)一步指導(dǎo)作戰(zhàn)決策。

國外近期研制的中遠(yuǎn)程無人機(jī)系統(tǒng)，普遍采用同步通信衛(wèi)星作為空中中繼平臺(tái)，構(gòu)成衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈，轉(zhuǎn)發(fā)無人機(jī)的遙控指令和圖像／遙測(cè)信息，充分利用衛(wèi)星波束的有效覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的超視距測(cè)控和信息傳輸。其中，“捕食者”無人機(jī)系統(tǒng)采用Ku頻段衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈，偵察信息傳輸速率可達(dá)1.544Mbit/s，作用距離900 ～3700km，續(xù)航時(shí)間大于20h；“全球鷹”無人機(jī)系統(tǒng)也采用了Ku頻段衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈，在增加機(jī)載天線尺寸和功率輸出的情況下，偵察信息傳輸速率可達(dá)1.5～50Mbit/s，作用距離5500 km。以上2種無人機(jī)系統(tǒng)還配置了UHF頻段衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈作為備份鏈路，實(shí)時(shí)傳輸無人機(jī)的遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)和低速率偵察信息。

一、信息傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

基于衛(wèi)星中繼的無人機(jī)信息傳輸系統(tǒng)可分為前向指令信息傳輸和返向狀態(tài)信息的傳輸：前向指令傳輸主要是地面指揮部給無人機(jī)上傳更新的目標(biāo)點(diǎn)位置信息、目標(biāo)特征參數(shù)和控制指令，返向信息傳輸主要是無人機(jī)將各種傳感器獲得的數(shù)據(jù)（無人機(jī)位置、姿態(tài)、航跡信息和狀態(tài)信息等）回傳指揮部。如圖1所示，無人機(jī)信息傳輸鏈路由無人機(jī)、衛(wèi)星、地面站三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。由于無人機(jī)飛行區(qū)域較大，無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要衛(wèi)星點(diǎn)波束天線實(shí)時(shí)指向無人機(jī)飛行的區(qū)域，在無人機(jī)衛(wèi)通系統(tǒng)運(yùn)行過程中，還需要衛(wèi)星地面站支持。

圖1　衛(wèi)星中繼通信無人機(jī)信息傳輸系統(tǒng)示意圖

該信息傳輸系統(tǒng)的工作流程如下：

1）衛(wèi)星地面站根據(jù)任務(wù)協(xié)調(diào)，將一個(gè)點(diǎn)波束天線指向無人機(jī)地面站，或者將無人機(jī)地面站放置在衛(wèi)星區(qū)域波束內(nèi)。

2）無人機(jī)衛(wèi)通地面站根據(jù)本次任務(wù)選星情況，將地面站衛(wèi)通天線指向衛(wèi)星。

3）無人機(jī)將自身位置信息（GPS/BD）通過視距內(nèi)遙測(cè)鏈路發(fā)送給地面站，地面站將無人機(jī)位置信息發(fā)送給衛(wèi)星地面站，衛(wèi)星地面站將協(xié)調(diào)好的點(diǎn)波束天線指向無人機(jī)區(qū)域。

4）無人機(jī)將機(jī)載衛(wèi)通天線指向選定的衛(wèi)星，并通過衛(wèi)星回傳機(jī)載遙測(cè)數(shù)據(jù)。

5）地面站通過衛(wèi)通鏈路接收無人機(jī)遙測(cè)，并將無人機(jī)位置信息實(shí)時(shí)發(fā)送給衛(wèi)星地面站，無人機(jī)地面站向無人機(jī)發(fā)送遙控信息。

6）衛(wèi)星地面站根據(jù)無人機(jī)地面站發(fā)來的無人機(jī)位置信息，確定是否移動(dòng)點(diǎn)波束天線。

7）無人機(jī)到達(dá)任務(wù)區(qū)域后，通過衛(wèi)星回傳載荷數(shù)據(jù)。

二、信息中繼平臺(tái)選擇

通信衛(wèi)星的天線波束覆蓋范圍很大，如國內(nèi)波束可覆蓋整個(gè)中國大陸、周邊和東南沿海地區(qū)。因此，利用衛(wèi)星中繼實(shí)現(xiàn)地面測(cè)控站與無人機(jī)之間的雙向信息傳送最為方便，這也是目前國際上遠(yuǎn)程無人機(jī)系統(tǒng)信息傳輸?shù)氖走x方案。作為無人機(jī)信息傳輸系統(tǒng)中繼平臺(tái)的衛(wèi)星，應(yīng)著重考慮以下因素：

1）衛(wèi)星天線波束是否覆蓋無人機(jī)任務(wù)區(qū)域。

2）無人機(jī)的載重有限，機(jī)載設(shè)備重量、體積、功耗嚴(yán)重受限，為減輕無人機(jī)機(jī)載設(shè)備的壓力，衛(wèi)星的EIRP和G/T越大，機(jī)載衛(wèi)通天線增益就可以越小，天線在有效面積、天線形式等方面的選擇范圍就可以越大。

3）無人機(jī)系統(tǒng)的衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈屬于非對(duì)稱點(diǎn)到點(diǎn)信息傳輸鏈路，上行遙控指令傳輸速率較低，強(qiáng)調(diào)高可靠性、抗干擾和保密性；下行偵察信息的數(shù)據(jù)量較大，需要優(yōu)化信道設(shè)計(jì)，提高信息傳輸速率，同時(shí)，需要對(duì)偵察圖像采取一些低損傷壓縮措施。

4）衛(wèi)通設(shè)備的工作頻段直接影響著機(jī)載天線的形式和結(jié)構(gòu)尺寸，因此衛(wèi)通工作頻率也是重要的考慮因素。

因此，所選的作為中繼平臺(tái)的衛(wèi)星需具備如下的條件：

1）衛(wèi)星波束覆蓋范圍能滿足作戰(zhàn)需求。

2）星上具有透明轉(zhuǎn)發(fā)器。

3）具有國土范圍內(nèi)波束直通或與可動(dòng)點(diǎn)波束透明交鏈方式，在國土范圍外具有國土波束與可動(dòng)點(diǎn)波束透明交鏈方式。

4）可動(dòng)點(diǎn)波束跟蹤覆蓋需滿足彈道導(dǎo)彈飛行速度和范圍。

5）選用波束的EIRP和G/T值要高。

6）波束交鏈方式下帶寬要寬。

三、基于衛(wèi)星的機(jī)載信息傳輸通信體制分析

要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)地面控制站與無人機(jī)間的通信，除了滿足收發(fā)頻率、功率電平、天線覆蓋等要求外，還需根據(jù)傳輸業(yè)務(wù)和信道情況設(shè)計(jì)與建立合理的通信傳輸體制。

（1）調(diào)制方式

多進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制（MPSK）是用基帶信號(hào)去調(diào)制載波的相位而形成的調(diào)制信號(hào)，相位調(diào)制具有恒包絡(luò)特點(diǎn)，可有效的減小傳輸信道的非線性影響。其中，四進(jìn)制相調(diào)（QPSK）應(yīng)用最為普遍。QPSK有較高功率和頻譜效率，即具有較好的抗干擾能力和頻帶利用率，且技術(shù)設(shè)計(jì)成熟。

（2）通信方式

地面和無人機(jī)間通過通信衛(wèi)星中繼透明雙向業(yè)務(wù)信息傳輸，在一定的頻率點(diǎn)、帶寬范圍、收發(fā)功率電平、抗干擾能力和處理能力的情況下，只要衛(wèi)星保障通信帶寬，就可以實(shí)現(xiàn)地面控制站與無人機(jī)之間的點(diǎn)到點(diǎn)通信方式，而不必與其他用戶按照一定的多址接入（FDMA、TDMA等）方式共享信道帶寬，更不會(huì)與其他用戶競(jìng)爭(zhēng)信道資源。采用中繼衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，中繼衛(wèi)星已經(jīng)建立了接口規(guī)范，可以適應(yīng)多種方式。

四、衛(wèi)星中繼無人機(jī)傳輸系統(tǒng)方案

1．系統(tǒng)框架

衛(wèi)星中繼無人機(jī)信息傳輸系統(tǒng)框圖如圖2所示，其信息流向可分為前向鏈路和返向鏈路。前向鏈路是指從作戰(zhàn)指揮中心經(jīng)由衛(wèi)星到無人機(jī)建立的通信鏈路。指揮中心將更新的目標(biāo)點(diǎn)位置、目標(biāo)特征參數(shù)和無人機(jī)控制指令等信息經(jīng)過加密處理后，按照約定的消息格式發(fā)送給衛(wèi)星控管中心，衛(wèi)星控管中心按照衛(wèi)星的通信規(guī)范對(duì)收到的信息進(jìn)行編碼、調(diào)制等處理，通過衛(wèi)星地面站發(fā)送到衛(wèi)星上，衛(wèi)星平臺(tái)根據(jù)自身的設(shè)計(jì)將收到的信息進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)衛(wèi)星－無人機(jī)下行鏈路傳輸?shù)綗o人機(jī)上，機(jī)載數(shù)據(jù)鏈終端接收并處理指控信息，最后通過機(jī)載計(jì)算機(jī)完成的飛行控制任務(wù)。前向指控信息速率一般為幾千比特每秒至幾百千比特每秒。

圖2　衛(wèi)星中繼無人機(jī)信息傳輸系統(tǒng)組成框圖

返向鏈路是指無人機(jī)經(jīng)由衛(wèi)星到指揮中心建立的通信鏈路。機(jī)載數(shù)據(jù)鏈終端通過與機(jī)載計(jì)算機(jī)、傳感器等設(shè)備的接口收集無人機(jī)狀態(tài)信息或偵察信息，機(jī)載計(jì)算機(jī)把這些信息按照約定的消息格式進(jìn)行編碼，再按照衛(wèi)星的通信規(guī)范對(duì)收到的信息進(jìn)行信道編碼、調(diào)制等處理，然后發(fā)送給衛(wèi)星通信接口設(shè)備并經(jīng)由機(jī)載上行傳輸鏈路傳輸?shù)叫l(wèi)星上；衛(wèi)星平臺(tái)根據(jù)自身的設(shè)計(jì)將收到的信息進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)星地下行鏈路傳回衛(wèi)星地面站，衛(wèi)星控管中心對(duì)收到的信息進(jìn)行解調(diào)、解碼等處理，將解析后的有效信息發(fā)送給無人機(jī)指揮中心，指揮中心對(duì)有效信息進(jìn)行處理得到需要的狀態(tài)信息和偵察信息。典型的返向數(shù)據(jù)類型包括圖像、視頻、遙測(cè)等，信息速率為幾十千比特每秒到幾十兆比特每秒。

2．基于通信衛(wèi)星的信息傳輸方案

地面上行發(fā)送控制指令，經(jīng)過地面調(diào)制器調(diào)制，通信衛(wèi)星Ku國土波束透明轉(zhuǎn)發(fā)器接收到信息，再至Ku點(diǎn)波束透明轉(zhuǎn)發(fā)器，進(jìn)入Ku可動(dòng)點(diǎn)波束覆蓋范圍，將信息傳輸?shù)綗o人機(jī)上。無人機(jī)接收到信息，完成解調(diào)、譯碼等處理過程，最后交由無人機(jī)上控制器實(shí)現(xiàn)指令識(shí)別（見圖3）。

圖3　基于通信衛(wèi)星中繼的信息傳輸方案

無人機(jī)將狀態(tài)信息或收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，通過無人機(jī)返向鏈路傳輸，衛(wèi)星Ku點(diǎn)波束透明轉(zhuǎn)發(fā)器接收信息，至Ku國土波束的透明轉(zhuǎn)發(fā)器，通過星地下行鏈路傳回地面，地面完成信息的接收和解擴(kuò)解調(diào)等處理，最后將狀態(tài)信息或數(shù)據(jù)信息交由地面控制器處理。處理傳輸流程如圖4所示。

圖4　基于通信衛(wèi)星中繼的信息傳輸系統(tǒng)處理流程

3．基于中繼衛(wèi)星的信息傳輸方案

對(duì)KSA（K頻段單址）前向鏈路，中繼衛(wèi)星KSA轉(zhuǎn)發(fā)器接收該信號(hào)后將Ka頻段接收信號(hào)變頻至Ka星間頻段，由中繼衛(wèi)星星間天線以Ka星間鏈路頻段向用戶終端設(shè)備發(fā)送。對(duì)KSA返向鏈路，中繼衛(wèi)星接收用戶終端發(fā)送的返向信號(hào)后，中繼衛(wèi)星KSA轉(zhuǎn)發(fā)器將用戶發(fā)送信號(hào)變頻至Ka星地頻段，所得信號(hào)經(jīng)中繼星－地饋電天線以Ka頻段向地面發(fā)送（見圖5）。

地面終端站接收中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)Ka信號(hào)后進(jìn)行低噪聲放大，并經(jīng)各自變頻器鏈進(jìn)行變頻處理后，送KSA數(shù)據(jù)傳輸基帶設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸基帶設(shè)備接收下行鏈路送入的中頻信號(hào)，經(jīng)解調(diào)（低速率信號(hào)先解擴(kuò)）處理后，得到的返向數(shù)據(jù)流經(jīng)進(jìn)一步譯碼和打包處理，由中繼衛(wèi)星操作管理中心經(jīng)地面通信網(wǎng)分發(fā)給各個(gè)最終用戶單位。

圖5　基于中繼衛(wèi)星中繼的信息傳輸系統(tǒng)處理流程

五、結(jié)束語

隨著高空高速長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其信息傳輸速率和傳輸帶寬需求進(jìn)一步增大。為滿足信息高數(shù)據(jù)率和寬帶寬的傳輸要求，需在有限的功耗要求及結(jié)構(gòu)尺寸內(nèi)，增大機(jī)載射頻發(fā)射功率和機(jī)載衛(wèi)通天線尺寸，衛(wèi)星下行鏈路比較緊張，為解決上述問題，未來無人機(jī)衛(wèi)星通信將向著增大中繼衛(wèi)星天線增益、減小用戶航天器鏈路負(fù)擔(dān)等方向發(fā)展。

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