無人機測控新體制研究

周定宇,黃大慶,周 未

(1.南京航空航天大學電子信息工程學院,南京 210016;2.南京航空航天大學無人機研究院,南京 210016;3.南京大橋機器廠 軍事代表室,南京 211101)

1 引 言

我國20世紀80年代開始研制無人機的統一測控系統,即遙控、遙測、定位和圖像傳輸“四合一”綜合無線電系統[1],在當時的技術條件下是一種較為先進的測控體制,突出表現在利用上下行通信實現目標的定位,既有一定的抗干擾性能又有測距功能,綜合性較強。此后,我國基本上每隔3～5年提出一套新的無人機測控系統,雖然每套新系統都有一些改進,但體現在測控方面的改進卻很少。隨著各種新型無人機的出現和戰場實際環境的需要,無人機通信鏈路的可靠性、高效性和安全性越來越重要。近年來,Turbo碼、LDPC碼、網格編碼調制(TCM)技術的飛速發展與日趨成熟,OFDM和MIMO等相關通信技術的提出與深入研究,為構建更優性能的通信系統提供了新思路。本文從一般通信系統出發,對無人機測控系統的各個組成部分進行深入分析,并結合目前發展迅猛的幾種關鍵通信技術,提出了無人機測控系統的新體制,可大大提高無人機測控系統信息傳輸的有效性和可靠性。

2 一般通信系統模型

無人機測控系統是一般通信系統的一個特例,深入理解與分析一般通信系統,對于研究無人機測控新體制非常重要。無人機測控系統也包含了構成一般通信系統的幾個必要模塊,包括信源編碼、加密措施、信道編碼、數字調制、以擴頻為中心的抗干擾技術、天線技術等,一般通信系統的模型如圖1所示。為了提出符合新時代需求的無人機測控新體制,有必要對這些模塊逐個進行深入分析,適時融合一些新技術,歸納總結出較為完整且更具生命力的無人機測控新體制。

圖1 一般通信系統模型Fig.1 The model of a general communication system

3 無人機測控新體制分析

3.1 信源編碼

一般來說,信源編碼主要有兩個作用,其一是設法減少碼元數目和降低碼元速率,即通常所說的數據壓縮;其二是將信源的模擬信號轉化成數字信號,以實現模擬信號的數字化傳輸。無人機測控系統傳輸的信息內容主要包括上行遙控指令、下行遙測數據(一般是模擬信號)以及任務傳感器信息(包括靜止圖像以及視頻流)。PCM編碼是概念上最簡單、理論上最完善、最早研制成功、使用最為廣泛的編碼方法,并且其數據傳輸率高,硬件技術成熟,所以新體制對上行控制信號以及下行遙測數據仍然采用PCM編碼方法。近年來,新型第二代圖像壓縮編碼方法[2]迅速發展,大致可分為小波編碼、分形編碼、神經網絡編碼以及模型編碼。分型編碼最大限度地利用了空間域上的自相似性,然而其算法復雜度高,收斂過程難于控制,并且高壓縮比下會出現方塊效應;神經網絡編碼雖然具有良好的容錯性、自組織性與自適應性,但由于神經網絡理論本身仍亟待完善,阻礙了該編碼算法的進一步發展;模型編碼的算法復雜度也很高,且通用性差,發展仍然不夠成熟;小波變換由于其良好的時頻定位性質與多分辨率特性,已經成為新一代靜態圖像壓縮標準JPEG2000的核心技術。JPEG2000既支持無損壓縮也支持有損壓縮,同時還能夠實現漸進傳輸以及感興趣區域編碼,這些優良特性都特別符合無人機靜態圖像數據壓縮的要求,因此,新體制將采用JPEG2000作為無人機測控系統靜態圖像的壓縮編碼標準。隨著HDTV的興起,H.264這個規范頻頻出現在我們眼前。H.264是在MPEG-4技術的基礎之上建立起來的,其優勢主要體現在它的高效壓縮性能上,它在同等圖象質量下的壓縮能力比以前的標準提高了50%以上,同時它還具有強大的容錯能力、精確的匹配解碼性能以及更簡單的實施規范。鑒于無人機測控系統下行鏈路傳輸數據量巨大造成數據高速傳輸瓶頸的現狀,新體制將采用壓縮比優勢明顯的H.264作為視頻數據的壓縮標準。

3.2 加密措施

目前無人機的測控數據基本都是透明傳輸,未采取任何加密措施,這樣極易造成情報外泄,甚至在某些極端情況下可能被敵方掌握通信幀格式而對無人機進行控制,新體制有必要對無人機數據鏈采用加密技術。現有加密技術一般分為對稱加密體制和非對稱加密體制,前者僅能對數據進行加解密處理,后者除了用于數據加密外,還可以形成數字簽名。為了兼顧加密效率以及可靠程度,新體制考慮采用混合加密方案,在PGP系統加密體制的基礎上稍作改進[3],就能夠非常好地達到無人機數據鏈的保密需求。加密步驟簡述如下:

(1)對發送信息序列進行SHA-1散列處理,形成160 bit數據摘要;

(2)用發送方的RSA私鑰SK對數據摘要進行數字簽名;

(3)將發送信息序列與數字簽名鏈接,規定發送信息序列在前,數字簽名在后;

(4)使用AES加密算法對簽名后的數據進行加密,密鑰為K;

(5)用接收方的RSA公鑰PK加密AES的密鑰K;

(6)將使用AES加密后的數據與經RSA公鑰加密的AES密鑰鏈接,規定數據在前,密鑰在后。

加密過程模型如圖2所示。

圖2 新體制混合加密方案模型Fig.2 The model of hybrid encryption scheme

新體制采用的加密方案巧妙地結合了公鑰密碼與私鑰密碼體制的優勢,同時兼顧了安全性與效率。與文獻[4]相比,該方案用RSA公鑰加密AES的密鑰,能夠實現密鑰管理,因此成功地解決了無人機鏈路的多址需求,能夠適應未來“一站多機”的發展趨勢。

3.3 信道編碼

信道編碼是提高通信系統可靠性的重要途徑,其編碼碼型眾多,大致可以分為分組碼、卷積碼和級聯碼。BCH碼和RS碼是典型的分組碼,BCH碼是糾錯能力可控制的一類循環碼,可以用于校正多個隨機錯誤;RS碼是一類特殊的非二進制BCH碼,其特點在于其糾正突發錯誤能力極強。卷積碼和分組碼的根本區別在于,它不是把信息序列分組后再進行單獨編碼,而是由連續輸入的信息序列得到連續輸出的已編碼序列,其編碼器將k個信息碼元編為n個碼元時,這n個碼元不僅與當前段的k個信息有關,而且也與前面的(m-1)段信息有關(m稱為約束長度)。級聯碼有串行級聯碼和并行級聯碼之分。RS-卷積級聯碼是串行級聯碼的代表,RS碼糾突發錯誤能力極強,特別適合選作外碼,卷積碼本質上屬于糾隨機差錯碼,被選作內碼,這種編碼組合被稱為串行級聯碼的黃金組合。并行級聯碼的代表是Turbo碼,它巧妙地將卷積碼和隨機交織器結合在一起,同時采用軟輸出迭代譯碼來逼近最大似然譯碼,達到了近Shannon限的性能,目前已成為3G的信道編碼優選方案之一。隨著Turbo碼的興起,LDPC碼被重新重視,目前已成為信道編碼技術研究的熱點。LDPC碼是一種特殊的線性分組碼,其校驗矩陣具有稀疏性。LDPC碼具有較大的靈活性和較低的差錯平底特性,且便于硬件實現,在信道條件極差的通信環境中體現出巨大的優勢,非常適合處于復雜電磁環境的無人機數據通信系統。各種典型信道編碼碼型性能比較[5]如表1所示。

表1 典型信道編碼碼型性能比較Table 1 Performance comparison of typical channel coding

從表1中可以看出,Turbo碼與LDPC碼不僅能夠糾正隨機錯誤和突發錯誤,而且在信道條件惡劣的情況下仍能保證高效傳輸,是新體制信道編碼碼型的優選方案。眾所周知,Turbo碼在中低長編碼長度下仍占據絕對優勢,LDPC碼只有在編碼長度較長時才能保持優于Turbo碼的性能[6],鑒于無人機上行遙控數據量很小,不適于編碼長度過長的現實情況,新體制提出上行鏈路采用Turbo碼、下行鏈路采用LDPC碼進行信道編碼的方案。

3.4 調制

正交頻分復用(OFDM)作為一種高速數據傳輸的有效方案已成為未來無線通信領域的核心技術之一。OFDM調制是一種多載波調制技術,它在頻域內將所給信道劃分成多個正交子信道,在每一個信道上使用子載波進行調制,各個子載波并行傳輸。OFDM技術能夠保證在存在多徑傳播和多普勒頻移的無線通信信道中進行高速數據傳輸,它突出的抗多徑效應能力、無碼間干擾特性以及抗頻率選擇性衰落的優勢,特別適用于無人機數據傳輸環境[7]。在進行OFDM調制之前,通常要先將信息序列映射成OFDM符號。QAM是以載波的振幅和相位兩個參量同時受調制的聯合鍵控體制,比單一鍵控數字符號的頻帶傳輸更具抗干擾能力,同時QAM的多進制體制MQAM,M值可以很大,頻帶利用率高[8],因此,新體制在將信息序列進行OFDM調制之前,采用QAM映射。由于無人機測控系統上行鏈路數據量小,對調制效率要求并不高,并且采用OFDM技術硬件成本昂貴,新體制只在下行鏈路使用OFDM調制技術。考慮到上行鏈路信道編碼已采用Turbo碼,Turbo碼的兩個分量編碼器都是卷積碼,因此可以在上行鏈路采用TTCM編碼調制技術。TTCM編碼調制能夠在不增加傳輸帶寬的前提下,最大限度地發揮Turbo碼的糾錯性能。綜上所述,新體制上行鏈路采用TTCM編碼調制方案,下行鏈路采用QAM+OFDM調制方案。

3.5 抗干擾技術

現有無人機上的測控系統多是簡單的直接序列擴頻,雖然具有一定的抗干擾能力,但遠不能達到實際的作戰需求,甚至發生過在某型無人機演示過程中,產生了站—站間的相互干擾,損失了一架飛機。因此有必要將擴頻和跳頻相結合,這樣才是在密集電磁頻譜對抗環境下的現代戰爭中最富有生命力的抗干擾通信系統。

直序擴頻系統具有隱蔽性好、抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落、有測距功能等諸多優勢,然而同時它又存在捕獲時間長、抗遠近效應能力弱、抗窄帶干擾能力差的缺點。跳頻擴頻通過頻率的跳變來躲避干擾,其發射信號功率譜密度仍然高于噪聲功率譜密度,如果敵方頻譜儀的掃描時間能夠小于跳頻信號的駐留時間,就可以完整地顯示跳頻頻譜,即使跳頻速度較快,也可采用掃描累加方式監測跳頻通信所占的頻譜范圍。FH/DS混合擴頻通信系統結合了兩者的優勢,它一方面通過直擴使信號功率譜密度低于噪聲功率譜密度從而起到隱蔽通信的作用,另一方面通過跳頻解決敵方窄帶攻擊的問題,目前已成為國內外公認的最富有生命力的抗干擾系統。差分跳頻是近年來所提出的一種新型跳頻體制,與常規跳頻系統不同,差分跳頻系統的發送頻率直接由信息數據經 G函數變換確定,因此,差分跳頻系統接收端無需進行復雜的偽隨機碼同步過程,從而能夠實現短波信道中的高速數據傳輸。在AWGN與瑞利信道下,差分跳頻系統的抗部分頻帶干擾性能明顯優于快跳頻系統[9]。綜合以上分析,并且考慮到無人機測控系統下行鏈路數據量龐大,不適合采用直擴技術,新體制在無人機上行鏈路采用FH/DS混合擴頻抗干擾體制,在下行鏈路采用差分跳頻抗干擾體制。

3.6 天線

智能天線是由一組相關的天線元素在空間構成一定的幾何形狀,根據期望信號和干擾信號到達陣列各個元素的角度和相位的不同,通過相應的自適應算法和高速數字信號處理技術,以多個高增益的動態窄波束分別跟蹤多個期望信號,從而抑制干擾信號的技術。智能天線可以有效地抵消多徑干擾以及由于頻率復用造成的同信道干擾,并可以對其載體的高速運動進行跟蹤,這些特點非常符合無人機測控系統復雜電磁環境下對無人機群的跟蹤測控需求。

近年來,許多研究表明,MIMO技術通過在無線通信系統發射端和接收端使用多根天線,能夠為無線通信系統提供空間復用增益和空間分集增益,空間復用增益可以有效提高無線通信系統的信道容量和頻譜利用率,空間分集增益則可以有效克服無線信道的多徑散射效應。

在智能天線上引入MIMO的分集思想能夠實現比傳統智能天線更好的性能。以智能天線單元組建MIMO陣列,通過智能天線單元間協同工作,形成不同指向的波束以跟蹤具有不同到達角的可分辨時延路徑,這種融合結構[10]改變了MIMO信道矩陣的構成,達到了去相關目的,從而有效地提高了MIMO系統的信道容量,因此,新體制將采用智能天線和MIMO技術的融合技術。

4 無人機測控新體制模型

根據前文所述,本文總結出無人機測控系統的一套新的體制,信源編碼部分采用PCM編碼、JPEG2000標準以及H.264標準,保證了信源編碼的高效壓縮性能,為高速數據傳輸提供了保障;加密方案采用非常適合無人機測控系統的混合加密體制,兼顧了安全性與效率;信道編碼部分采用接近Shannon限性能的Turbo碼和LDPC碼,能夠有效地提高信息傳輸的可靠性;調制部分在上行鏈路采用TTCM編碼調制技術,下行鏈路采用OFDM調制技術,充分考慮了無人機上下行鏈路數據傳輸的差異;抗干擾部分在上行鏈路采用FH/DS混合擴頻技術,下行鏈路采用差分跳頻技術,大大提高了無人機測控系統的抗干擾能力;最后采用智能天線和MIMO技術的融合技術,巧妙地結合了兩者的優勢。新體制上、下行鏈路的發射端原理框圖如圖3所示。

圖3 新體制上行鏈路發射框圖Fig.3 The transmitting block diagram of the uplink

圖4 新體制下行鏈路發射框圖Fig.4 The transmitting block diagram of the downlink

5 結 論

本文提出了一套較為完整的無人機測控體制,并給出了這套體制的理論模型框圖。針對現有無人機測控系統信息透明傳輸所存在的隱憂,新體制中增加了加密模塊,為信息傳輸的安全性與可靠性提供了更有力的支持。此外,新體制的研究仍處于理論層面,對整個系統的仿真實現存在困難。進一步豐富和完善無人機測控新體制,可從無人機信息傳輸的復合鏈路以及多無人機測控系統兩個方面著手深入。

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