無人機通信系統頻譜規劃問題研究

姜水橋

【摘 要】無人機在未來聯合作戰中發揮重要作用。本文介紹了無人機頻譜使用面臨的挑戰，統籌分析了無人機通信系統頻譜規劃應考慮的主要因素，并從明確無人機通信系統的功能要求，計算無人機信號傳輸的帶寬需求，選擇合適頻率等環節論述了無人機通信系統頻率選擇的實施步驟。

【關鍵詞】無人機；通信系統；頻譜規劃

0 引言

信息化戰場，無人機以其得天獨厚的優勢，廣泛應用于戰場偵察、空中轉信、電子攻擊以及精確打擊等場合。但是，無人機作用的發揮，很大程度依賴于頻譜保障尤其是通信系統的頻譜保障能力。認清無人機頻譜保障面臨的挑戰，分析無人機用頻裝備工作的機理，研究無人機通信系統頻譜的超前規劃，對于發揮無人機的作戰效能，加強我軍信息化建設，具有重要的現實意義。

1 無人機頻譜使用面臨的挑戰

近年來，隨著無人機在各種場合的大量使用，由頻譜保障所帶來的問題層出不窮。無人機正遭受來自頻譜資源緊缺和傳輸數據帶寬不足所造成的嚴重威脅，對無人機的頻譜使用提出了挑戰。

1.1 頻譜保障能力不足，影響無人機作戰效能

數據顯示，單架大型偵察無人機，僅通信系統傳輸一路圖像，至少需要6MHz的頻譜需求，一般需要同時傳輸多路信號，則需要6MHz的多倍。美軍在海灣戰爭中僅“全球鷹”無人機消耗的頻譜帶寬是整個美軍其他用頻裝備的5倍[1]。在我軍有無人機參加的多次演練中，由于頻譜資源保障能力不足而出現問題的事件層出不窮。美軍也受此困擾，伊拉克戰爭中，美軍雖然有同時操控多架無人機的能力，但是受可用頻率數量限制通常只能維持其中一架執行飛行任務。頻譜保障能力的不足，嚴重制約了無人機的作戰效能。

1.2 頻譜規劃不科學，影響無人機的發展與使用

無人機由于頻譜規劃不科學，在演練實踐中經常暴露一些受周邊電磁環境的影響較大、多架無人機不能同時工作等問題。這些問題的出現，都與無人機頻率的規劃不科學有直接關系。近幾年，我軍加大了頻譜的統籌規劃力度。然而，由于缺乏對電磁頻譜資源的總體科學規劃，再加上規劃手段的缺乏、對無人機在體系作戰的定位模糊、頻譜規劃涉及利益等原因，隨意規劃無人機頻率的現象仍然存在，無人機的頻譜規劃與頻譜管理滯后，嚴重影響我軍無人機的使用和未來發展。

1.3 頻譜保障受制于人，影響國家軍事安全

為解決各類行動頻譜資源保障緊張的問題，經常要實施頻譜征用、頻譜管制等措施。這些措施一方面暫時解決了無人機頻譜保障問題，但同時也給無人機的安全使用帶來隱患。美軍為了解決這一問題，也經常采取租用頻譜資源的措施。在阿富汗和伊拉克戰場上使用“捕食者”和“全球鷹”無人機的過程中，國防部所屬衛星系統無法提供傳輸數據鏈圖像數據所需的高速數據傳輸，所以需要從商業衛星租用大量的通信通道[2]。嚴重依賴非軍事資源，伴隨的是將是受制于其它買家競購衛星信道資源或私營商拒絕提供服務的威脅，勢必給敵判斷我作戰方案、作戰行動提供渠道，給軍事安全帶來威脅。

2 無人機通信系統用頻規劃應考慮主要因素

無人機通信系統的用頻規劃，不僅僅涉及頻率使用的問題，還應考慮無人機用途、主要通信裝備、工作方式等諸多方面。

2.1 無人機的用途及類別

無人機通信系統的頻率選擇，必須要考慮無人機的種類以及使用途徑。如微型無人機不能安裝大型天線，不能安裝大型通信設備；遠程無人機必須使用遠程通信設備才能完成任務等。不同類型、不同功能用途的無人機上的用頻設備（包括通信設備）也不同，其頻率選擇也不盡相同。

無人機可區分為殺傷性無人機和非殺傷性無人機。殺傷性無人機又可分為軟殺傷和硬殺傷無人機。軟殺傷無人機主要是電子干擾無人機，硬殺傷無人機主要包括反輻射無人機、激光制導武器目標指示無人機等。非殺傷性無人機包括偵察、監測和情報無人機、炮火校射無人機、戰斗效果評估無人機等。

按照航程的遠近，無人機可分為近程類、短程類、中程類、高空長航時類。其中，近程類是指航程為50km，續航時間1小時到6小時，能夠執行全天候偵察監視任務；短程類是指航程為300km，續航時間8小時到12小時，也能夠執行全天候偵察監視任務。中程類是指活動半徑為650km，不需要在空中巡邏，用于晝夜偵察、監視。高空長航時類是指至少能夠續航36小時，飛行在9km以上高度，能執行全天候偵察、通信中繼任務，能在強風中保持平穩。此外，無人機也可按體積與起飛重量分為大型無人機、中型無人機、小型無人機和微型無人機。

2.2 無人機的主要用頻裝備及工作方式

根據無人機的功能，其用頻裝備主要包括三大類：第一類是通信設備（遙控和數傳設備，或數據鏈）。它是無人機用頻設備的核心，也是頻譜需求最多的設備，主要完成地面控制指令的傳輸、無人機高速數據偵察信息的實時回傳等。第二類是傳感器設備，主要完成無人機的遙測。第三類是定位系統，用于完成對無人機的高度、地理位置等的定位。除此以外，根據功能需求，有的無人機還有電子攻擊設備。

工作方式：一般而言，在起降階段，地面操控人員根據任務規劃和無人機回傳的狀態信息，采取視距控制、空中中繼和衛星中繼等方式，實時發出遙控指令，控制無人機飛行和遂行任務的方式；當進入任務飛行狀態后，按照預定程序和任務規劃，依托衛星導航、無線電高度表等設備控制航跡，自動遂行作戰或保障任務；當需要無人機偵察的狀態或監視數據時，則依托通信系統，將各類數據、圖片、視頻等傳輸至控制中心進行處理。毫無疑問，支持無人機系統提供控制飛行器飛行所需的數據，以及將來自機載傳感器的數據發送到處理中心都需要通信系統提供一定量的帶寬。另外，無人機系統各部分之間傳輸數據的能力也取決于通信系統的可用頻率和帶寬，因此，通信系統的頻率管理和帶寬可用性是未來無人機作戰效能發揮的關鍵，通信系統的頻譜規劃問題則成了無人機頻譜規劃當中最值得關注之處。

2.3 相應頻段的頻譜劃分

選擇合適的頻譜資源，必須要考慮國際、國內在相應頻段的頻譜劃分情況，確保無人機通信系統的業務與其他業務能夠相互兼容。如美軍的戰術公共數據鏈下行14.40—14.83GHz工作頻段，分配了固定、移動微波系統、便攜式遙測微波系統通信傳輸以及射電天文業務[1]。這些業務既有軍用業務，也有民用業務；既有聯邦用戶，也有非聯邦用戶；既有地面業務，也有空間業務。因此，美軍在進行無人機數據鏈頻譜規劃時，必須要考慮這些業務與戰術公共數據鏈的共存問題。同時，無人機頻率規劃還必須考慮有關國際頻率劃分。如：當國際上將某段頻率劃分為全球某種業務使用，則無人機必須避免使用該頻段。

3 無人機通信系統的頻率選擇

在統籌考慮無人機通信系統頻譜規劃相關因素的基礎上，規劃無人機的頻率使用，應按照明確無人機通信系統的功能要求，計算無人機傳輸信號的帶寬需求，選擇合適頻率等步驟實施。

3.1 無人機通信系統的功能要求

為完成無人機的主要任務，其通信系統應實現以下功能：

一是對無人機及其機載設備進行遠程控制。無人機在飛行過程中，飛行航跡必須從地面進行控制。機載傳感器平臺的控制，機載設備如干擾設備的激活或解除，也需從地面控制站進行，這些功能的實現均需要從地面到無人機的通信通道，該通道被稱為遙控指令上行鏈路，通常容量較低，一般只需幾十至幾百千赫茲。

二是監視無人機及其設備的狀態。無人機在執行任務過程中，地面控制站要實時地對飛機進行監控，這就需要無人機上的各種狀態信息能夠及時傳回地面，這些信息僅包含了無人機和機載傳感器的狀態信息以及部分設備的數據，如高度計和慣性測量設備。這些數據從無人機到地面的傳輸，可以使用低容量的通道進行傳輸，稱此為遙感勘測下行鏈路。

三是偵察監測數據回傳，在線評估。無人機在執行監視、目標搜索、火控或戰場損傷評估等任務中，機載合成孔徑雷達或光電傳感器得到的大量數據或視頻信息必須及時地從機上發回到地面控制站，需要速度非常高的傳輸通道，即電視下行鏈路。

3.2 無人機傳輸信號的帶寬需求

一定的頻譜帶寬是確保無人機通信系統功能的保證。從遙控角度分析，無人機起飛和著陸時的控制數據傳輸速率僅需要幾kbps，因為在大多數需要戰術機動的場合，從開始遙控到完成機動的時間約為秒級，故遙控指令的速率約為1kb/s量級已足夠使用。從偵察監測數據回傳角度分析，據計算，為保證一架大型偵察無人機的偵察效果，至少需要傳輸5路圖像信息，按每路壓縮后的圖像信息需要最低6Mbps傳輸速率，則一架偵察無人機要求數據信息的傳輸速率最低為30 Mbps，再根據其在戰場上的頻譜利用效率，單架無人機系統所需頻率帶寬一般是60MHz。如果幾架無人機同時上空，網所需頻率資源同倍數增加。當然，各種無人機由于用途不一，或者使用范圍不一，所需頻譜帶寬有所區別。因此，上述所需帶寬只是一種比較典型的情況。

3.3 無人機通信系統頻率選擇

根據無人機傳輸信號的帶寬需求，各頻段電波傳播特性以及無人機大小、通信設備的功率、天線尺寸等，就可選擇合適的頻段。

一是短波頻段。該頻段主要依靠電離層的反射來實現，能夠實現非視線的遠距離傳播。該頻段通信系統的功率以及天線尺寸一般可滿足無人機要求。但帶寬受限，不能用于電視圖像傳輸，但傳輸單一、固定的電視畫面倒是可行。根據傳播特性，該頻段無人機部分可用的高頻波段一般在2—12MHz內。

二是超短波、微波部分頻段（30MHz—1GHz）。該頻段可通過低頻部分的衍射進行傳播，覆蓋足夠遠的距離。然而衍射傳播的功率級別非常高以至于在無人機上無法實現，并且天線尺寸非常大。無人機使用該頻段較少。

三是微波頻段。該頻段是無人機通信系統的主要應用頻段。比起短波鏈路，微波數據鏈路由于具有更高的可用帶寬，可允許傳輸活動視頻畫面。微波鏈路帶寬高且天線尺寸相對較小。可裝在無人機上微波鏈路主要應用波段較多，如常見的Ku波段、X波段、C波段和L/S波段。微波鏈路的缺點是視線傳播，限制了覆蓋距離。而無人機活動半徑通常100km到300km，則必須使用空中中繼站，該中繼器可以是中繼飛機，也可以是中繼無人機或者中繼衛星。

四是衛星通信頻段。衛星通信鏈路一般是以人造地球衛星為中繼站的微波數據鏈路，它主要用于視距之外的遠距離傳播。憑借衛星通信手段，衛星數據鏈路能夠為無人機提供大范圍的數據通信鏈路覆蓋。但是，采用衛星通信鏈路也受到一定限制，如軍用通信衛星的數量、租用民用寬帶衛星的成本以及可用性、遠距離的鏈路傳輸需要的極高增益天線無法在戰術無人機上安裝。目前寬帶衛星數據鏈路的應用主要限于高空長航時戰略無人機，它能保證數據傳輸的容量和速率，但對于戰術無人機，由于尺寸和重量的限制，衛星通信鏈路今天還不是一個可取的辦法。

選定合適的頻段后，根據無人機通信系統的功能要求，再結合國家無線電頻率劃分、戰場電磁干擾、保密性要求等情況，就可選擇合適的頻率。

4 結束語

無機通信系統的頻譜使用，涉及因素多，技術含量高，與作戰使用結合緊密，規劃時必須綜合考慮各種因素。實施無人機通信系統的頻譜規劃，必須作為戰略性任務，在總體規劃的基礎上，確定每一種類型無人機通信系統的頻率使用。

【參考文獻】

[1]張清理，等.美軍無人機的頻譜案例研究[M].國家無線電頻譜管理研究所，2011，12.

[2]Department of Defense Electromagnetic Spectrum Management Strategic Plan[J].張燦，譯.外軍電信動態，2007，6.

[3]談鈴，等.海上艦船電磁頻譜規劃問題[J].火力與指揮控制，2011，7，36.

[責任編輯：楊玉潔]