無人機群通用控制站的技術需求分析

柴立功，樊甫華，董世友，張 波

(合肥電子工程學院，安徽合肥230037)

0 引言

無人機群的集群作戰已經成為一個突出的發展趨勢。在感興趣的區域，交戰各方會同時派出環境監視(電子偵察、圖像偵察等)、戰場評估、電子對抗、火力打擊和防護等具有各種不同功能的戰術級、戰略級的無人機。因此，同一區域內諸無人機之間的統一調度與指揮、信息分發與共享、碰撞檢測、頻譜資源管理和航路規劃等工作是當前無人機集群作戰急需解決的難題。為了對無人機群進行統一管理，需要一個通用的控制站(Global Control Station，GCS)。目前，國內外還沒有比較成熟的通用控制站存在。

美國的無人機路線圖［1］明確給出了美軍無人機對GCS的功能要求。“捕食者”、“影子”、“全球鷹”和“大烏鴉”等多種型號的無人機由各自的地面控制站控制起飛，到達目標區域后，控制工作可以移交給同一套GCS，該GCS作為臨時性的戰術控制中心。

將GCS設置在戰區附近雖有優勢，但也增大了遭敵方打擊的可能性，對己方的保障也提出了更高的要求。近年來，預警機的功能不斷增強，可以將GCS集成到預警機上，使預警機在距離作戰區域一定安全距離范圍之內完成對多架無人機的協調控制和指揮工作將是一個很明智的選擇。

國內也有學者注意到了無人機GCS的發展需求，并提出了一些技術實現措施和思路［2-8］;這些文獻重點研究宏觀發展趨勢，并沒有結合無人機和指控站的現狀給出具體的改進措施。本文擬從調度與指揮、信息分發與共享、碰撞檢測、頻譜資源管理和航路規劃等方面對控制站和無人機的現狀及改進需求進行重點分析。

1 測控系統的需求

早在20世紀90年代初，美國陸軍導彈指揮部研究、發展與工程中心的帕特H.麥金維爾和沙倫E.達德利就提出了一種利用專家技術由一個操作員控制多個無人機的自動控制器原理。主要用于一個地面控制站通過一架中繼無人機控制多架任務無人機。波音公司生產的任務規劃和控制站(MPCS)已證明能適用于各種飛行器，能全面執行無人機的任務，從接受任務到任務規劃、飛行器發射和控制、載荷控制、數據處理直至回收飛行器。雷聲公司生產的通用地面控制設備可以同時指揮和控制由暗星(Darkstar)和全球鷹(Global Hawk)等組成的3架高空長航時無人機。英國的多無人機控制系統(MAMUCS)可以由單個地面站同時跟蹤4～8架轉場飛行的無人機或者4架傳感器工作著的無人機。以上文獻證明了國外先進國家已經具備了一站多機的作戰能力，但對具體的實現細節或工作原理沒有給出詳細說明。

無人機在整個作戰行動過程中需要接受不同控制站的控制;控制站也可能會根據任務需要選擇不同功能的無人機;當無人機的任務完成后，控制站還應該允許該無人機退出戰斗。為了便于切換，無人機的測控系統必須從數據格式、編解碼、加解密、射頻調制與解調、頻率分配和功率分配、航線控制等方面從硬件和軟件方面統一進行規范化、通用化設計。

1.1 數據幀格式需求

任何一種型號的無人機系統(包括飛機和對應的指控站)都有其特定的遙控和遙測數據幀格式。一般情況下，一個完整的無人機遙控數據幀包括幀頭、指令內容、校驗和幀尾等4個部分。幀頭用于接收機判斷某一個新的數據幀的開始，也可以用于幫助接收機確定幀速率;指令內容是控制站對無人機的控制指令，包括對飛行控制系統、測控系統和任務載荷的控制命令;校驗部分是無人機判斷接收到數據幀正確與否的依據;幀尾表示當前數據幀的結束。這樣的數據幀格式對于簡單的無人機系統而言已經足夠，且非常簡單，但明顯不適用于能夠同時控制多架不同類型無人機的通用控制站。

控制站信息部分可以用于無人機判斷該數據幀的來源。當控制站切換時，原來的控制站可以利用該部分內容通知新的控制站接管控制關系;該信息也可以用于控制站之間的互相協調。無人機編號用于無人機根據接收的內容判斷當前的指令是否是給本機的指令，避免誤操作。調制方式通知無人機是否改變當前的調制方式和重新設置調制參數，如調制頻率、調制帶寬、擴頻調制中的偽隨機碼參數、通信體制、編碼方式和加解密方式等。功率設置主要用于CDMA體制下的功率控制，當同一區域內多架無人機的發射功率不同時，避免互相干擾，控制站必須實時地調整控制各無人機的發射功率;另外，還可以采用主副幀的格式，以副幀傳遞航線控制信息。無人機通用遙控數據幀的建議格式如圖1所示。

圖1 無人機通用遙控數據幀的建議格式

遙測數據幀的格式與遙控幀類似，指令內容部分主要包括:飛機的姿態信息、測距信息和指令的回報碼。對于大數據量、高速的任務載荷，如各種圖像(可見光、紅外和SAR等)的偵察數據建議設置獨立的專用輔助信道來傳輸，而對任務載荷的控制指令及指令回報，仍在常規的測控鏈路傳輸。

1.2 編解碼需求

無人機測控系統的編解碼包括信源編碼和信道編碼;信源和信道都有多種編碼方式，如PCM編碼和ADPCM編碼、A律及μ律語音壓縮編碼、MPEG及JPG等圖片編碼、H.262等視頻數據流編碼等信源編碼;差分編碼、卷積編碼、RS編碼和交織編碼等信道抗干擾編碼。為了便于統一，可以在遙控數據幀里增加信源和信道編碼的選擇標志;同時，無論是無人機還是指控站，都應該能夠支持多種格式的編解碼功能;尤其是指控站，應該能夠快速、準確地完成不同編碼格式的轉換。

1.3 加解密需求

軍事通信必然會對信息加密有較高要求。加密的方法也有單鑰和雙鑰序列密鑰體制和數據鍵控加密體制等。為了簡化機上設備，無人機多采用數據鍵控加密體制。雙鑰加解密體制對處理器的要求稍高一些，但加密效果更好，便于通用。直接序列擴頻加密可以提供擴頻增益，從而降低對信噪比的要求，但高密度地使用擴頻加密也會產生互擾。從通用的角度考慮，建議對UAV和GCS都選擇雙鑰序列密鑰體制。

1.4 射頻調制與解調

射頻調制有AM、FM、ASK、PSK及其變種、直接序列擴頻、跳時和跳頻等多種調制方式;不同的調制方式適合于不同類型的信息。如AM和FM調制多用于語音和模擬圖像信號的調制，其他多用于數字化遙控信號的調制。對于使用不同調制方式的無人機而言，指控站應該能夠實時調整調制方式，以保證有效的通信。用于產生偽隨機碼(M序列、GOLD序列)的特征多項式可以進行編號，將此編號在遙測數據幀內發送就可以較好地實現共享和同步等需求，同時，將控制站和無人機上的偽隨機碼產生由硬件改為軟件來實現，就可以大大提高系統的靈活性。

1.5 頻譜管理需求

現有的無人機系統多采用頻率分集(使用同一頻段內的不同頻道)的方式來滿足單一控制站對多架同型號無人機的實時控制;如果某區域內同時存在多架同型號無人機，將會使使用同一頻道的所有無人機失去控制。對于不同功能的無人機，GCS可以采用動態頻譜管理，也可以根據無人機在系統作戰中的重要性來分配頻道，建議使用蜂窩移動通信中的碼分多址通信體制。隨著技術的進步，基于頻譜感知和壓縮感知的相關技術也是無人機測控系統中頻譜管理的較好選擇。

1.6 功率管理需求

功率管理主要實現2個目的:①和射頻調制及頻譜管理工作一起，防止己方用頻設備的互擾;②在保證通信正常、可靠的前提下，盡量減少發射功率以便有效降低被敵方捕獲的概率。類似于蜂窩移動通信中對功率控制的需求相似，如果是采用CDMA的通信體制，則功率管理與控制的功能必不可少。

1.7 通信鏈路和網絡需求

通信鏈路包括基于地基測控的視距多目標測控數據鏈和地空寬帶測控數據鏈;基于天基測控的衛星中繼數據鏈;自組網機間寬帶高速數據鏈;獨立子網通信數據鏈等多種測控和數據傳輸鏈路。機間自組網的結構確定了該網比較適合傳輸數據量相對較小的測控信息，不太適合傳輸大容量的偵察信息。戰術級無人機的偵察信息，可以考慮直接傳輸給GCS，而非通過衛星中繼數據鏈傳輸;相應地，GCS的測控天線建議采用寬帶相控陣天線。

1.8 信息分發與共享

信息分發與共享主要指諸負責偵察的無人機將信息上傳給控制站，控制站接收處理，并提取有用信息給相應的需要該信息的無人機，如將欲打擊目標的坐標、速度、方向和高度等信息發送給執行攻擊任務的無人機;甚至允許控制站上的操作員越權直接控制該無人機。因此，對通用控制站上的處理器要求較高;還要配備相應信息的提取、分析及融合等軟件設備。參照美海軍的E-2D“先進鷹眼”無人機的發展思路，國內也應該加強對信息分發與共享的技術研究和標準的制定指導工作。

2 統一調度與指揮需求

統一調度與指揮涉及到的功能也很多，包括對無人機的航路規劃、任務載荷的控制、對無人機的定位與跟蹤、信息的上傳下達、碰撞檢測與規避、敵我識別和安全防衛等。其中亟待解決的問題是碰撞檢測與規避。碰撞引起的損傷是美軍在近幾場局部戰爭中無人機損毀的主要原因之一。想要避免碰撞，前提條件是能夠對無人機進行精確定位。對無人機的定位主要有衛星導航定位以及指控站對無人機的自主定位2種方式。衛星導航定位是當前無人機系統定位的首選技術，在差分GPS定位系統中，定位精度可以達到數厘米，能夠滿足對定位精度的要求。但作為軍用無人機而言，難免會受到敵方的干擾而致定位失效。因此，無人機系統一般還保留了信息幀測距的自主定位功能，并結合測控天線的方向性完成測角，從而實現對無人機的定位。信息幀測距是借助于測控信號包含的信息，由控制站解算得到無人機的距離信息，信息幀測距的一個隱含條件是測控信號必須連續，以便于同步鎖定與跟蹤，這種方式不太適合于時分多址、跳時和跳頻等通信體制。將GCS搬移到預警機上，則可以弱化信息幀測距的功能，而借助于相控陣雷達技術來實現定位功能，此時將可以大大降低對無人機和指控站設備量的要求，且無需對無人機進行大的技術改動。

3 對預警機的需求

預警機要增加對無人機群的通用控制設備、航路規劃設備、擴容或增添新的信道、指揮控制和信息處理等新的功能;還要提高數據處理能力和速度;尤其是要提高對無人機的定位精度和速度。

3.1 相控陣天線需求

建議將GCS的測控天線與預警機上的雷達系統合成為一部寬帶相控陣天線，與常規雷達對天線的掃描需求不同，GCS必須要求在指定的區域或方向上有波束一直跟蹤相應的無人機。多架無人機需要多個不同的波束。因此需要對雷達系統的波束控制方式進行修改，要求同時能夠形成多個波束，且自動跟蹤指向無人機;波束必須是筆狀波束，且波束的寬度必須能夠分辨相對距離較近的無人機。

3.2 定位精度需求

常規的雷達系統通過測量雷達脈沖的往返時間來對目標進行定位，定位精度約為雷達視頻脈沖寬度的一半。以脈沖寬度1 μs為例，雷達對目標的定位精度約為150 m，這樣的定位精度不能滿足對高度不同、水平距離較近的無人機分辨需求。

4 結束語

將無人機的通用控制站搬移到戰區附近的空中預警機上，是當前無人機系統作戰的一個發展方向，也對無人機的系統研制和設計工作提出了新的要求。無人機的設計改動是一個系統性的工程，涉及到很多方面，需要統籌考慮。建設的原則應該是盡量簡化無人機機上部分的軟硬件改動，向通用化的方向發展，而強化對指控站的功能建設和完善。

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［6］ 陳 巖，黃世釗.相控陣技術在無人機“一站多機”方案中的應用［J］.現代防御技術，2000，28(3):44-48.

［7］ 仵敏娟.無人機數據鏈的關鍵技術研究［D］.西安:西北工業大學，2007:1-5.

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