美海軍無人海空平臺通信關鍵技術研究?

周 洋 楊心武 劉佳麗

（1.駐江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室 上海 201913）（2.武漢船舶通信研究所 武漢 430205）

1 引言

無人作戰平臺具有非接觸、零傷亡、隱蔽性好、造價低廉和操作靈活等優勢，可擔負多類軍事使命，尤其是高危險、高威脅作戰任務，不僅對空軍、陸軍，而且對海軍也產生了巨大的吸引力，如美國海軍越來越多地引進無人系統并編入作戰編制序列，成為其不可或缺的一員。通信載荷對于無人平臺非常重要，可以說是其“生命線”，通信為無人平臺的指揮控制、情報回傳提供有效、可靠的信息保障，進而支撐無人平臺達成其作戰使命任務。

2 美海軍無人海空平臺使命任務與通信手段

2.1 美海軍無人?？掌脚_使命任務

美國國防部對軍用無人平臺的早期規劃使命任務主要包括:1）偵察；2）精確目標定位與指示；3）探雷/排雷；4）信號諜報；5）作戰管理；6）化學/生物偵察；7）武器化。隨著無人平臺的發展水平提升和在軍事應用的發揮越來越重要的作用，其使命任務也在不斷變化和擴充。在2007 年美國國防部披露的《無人系統發展路線圖2007-2032》中，美國軍用無人系統（包括無人飛行器UAV、無人陸戰車UGV、無人潛航器UUV、無人水面艇USV）使命任務一共規劃了23項，如圖1所示。海軍作為美國最重要和最強大的軍種，其無人平臺所擔任的使命任務也最為廣泛，覆蓋了其中21 項［1］。同樣是在2007 年，美國海軍發布《海軍無人水面艇主計劃》，明確了無人艇的任務和角色，重點集中在反水雷戰、反潛戰、海上安全、水面作戰、特種作戰支援、電子戰、海上封鎖七大任務上［2］。

圖1 美國軍用無人平臺使命任務規劃

2.2 美海軍無人?？掌脚_通信手段

美海軍無人?？掌脚_主要有UAV 和USV 兩類。典型的UAV 型號包括“全球鷹”、“死神”、“先鋒”、X-47B、“火力偵察兵”等，如圖2所示。典型的USV型號包括斯“巴達偵察兵”、遙控獵雷系統、“通用無人水面艦艇”（CUSV）等，如圖3 所示。UAV 近年來在軍用和民用領域都獲得了廣泛發展，其在各個專業包括通信方面被深入研究。如“全球鷹”“死神/捕食者B”“影子200”“獵人”“X-47”等典型無人機均配備了先進的通信載荷或系統［3～4］。相比之下，USV 方面發展相對其他無人平臺較為滯后，USV 基本配備了超短波和衛星通信載荷。由于美國海軍通信有較為完善的發展體系，除去水下通信特殊的電磁波傳輸特性外，USV 和UAV 采用類似的視距和超視距通信手段。

美國海軍無人平臺的通信手段可分為視距和超視距兩種方式［5］。視距通信以超短波通信為主，超視距通信以衛星通信為主。短波作為超視距通信手段的一種，由于其通信模塊體積、重量以及功耗均在整個通信系統中占用較大比例，系統一般很少配置短波通信手段。

圖2 美海軍主要無人機

圖3 美海軍主要無人水面艇

衛星通信具有傳輸信道穩定、通信效果好的優點，是無人平臺超視距測控和信息傳輸最有效的解決方案。目前，美國海軍無人?？掌脚_主要使用UHF 衛通、Ku 商業衛通和國際海事衛通（INMARSAT）等衛通手段。UHF 衛通和INMARSAT 帶寬窄，一般用于指揮和控制（C2）命令的傳輸，Ku頻段衛通除了傳輸C2 命令外，更主要用于傳輸大容量傳感器數據［4，6］。隨著美軍新一代衛星通信系統（如移動用戶目標系統MUOS［6］、寬帶全球衛星通信系統WGS［6～7］、先進極高頻衛星通信系統AEHF［6，8］等）的發展，未來將擴展到X、Ka、EHF 等頻段。無人平臺執行任務的類型與使用衛通種類及相關終端息息相關。無人平臺執行縱深和隱秘打擊任務，需要受保護的通信手段（如AEHF）。執行空中預警/聯合監視目標攻擊雷達系統（AWACS/JSTARS）類似任務時，則同時需要AEHF和可靠的窄帶/寬帶通信手段（MUOS、WGS）。

在視距通信時，無需占用寶貴的衛星資源，可采用超短波電臺、微波數據鏈和激光通信等視距通信手段。ARC-210 是美國國防部為包括無人機在內的軍用飛機廣泛配備的一種先進的超短波網絡電臺，工作在V/UHF 頻段，具有抗阻塞、軟件可編程等特性，提供雙路、多模式、安全的視距和超視距語音和數據通信，內嵌Havequick、SINCGARS 等抗阻塞波型，在數據、語音和圖像傳輸上提供戰場互操作能力。ARC-210 能夠接收移動用戶目標系統（MUOS）衛星信號，該特性為“全球鷹”帶來超過已有系統十倍的衛星數據吞吐量［9］。數據鏈是作戰信息傳輸的主要方式，用于在傳感器、指控系統和武器之間構成實時傳輸鏈路。為了適應態勢共享和實時控制的需要，數據鏈采用標準化的消息格式、高效的網絡協議和保密抗干擾的數字信道。美海軍無人?？掌脚_上主要采用的數據鏈包括CDL［10～11］、TCDL［12］、Link-16 和C 頻段數據鏈［3］等。將激光應用于無人系統通信可以提供極高的帶寬，同時提升抗干擾性能，減小內部電磁干擾。由于激光波束極窄，保持精確的對準對移動中的無人平臺是一個極大的挑戰。DARPA 自由空間光學試驗網項目采用一種混合光學/射頻通信技術，成功地演示了空空（＞200 km，3 Gbps～6 Gbps）和空地（＞130 km，3 Gbps～9 Gbps）兩種點對點通信鏈路［13］。美國通用原子公司也展示了無人機機載激光通信載荷，搭載于MQ-9“死神”無人機機身前部，與GEO 衛星進行高速激光通信，支持雙向1.8 Gbps信息傳輸速率［14］。

3 美國海軍無人平臺通信關鍵技術

3.1 中繼通信技術

當無人平臺處于控制站無線電視距范圍之外時，需要采取中繼的方式進行通信。無人機中繼和衛星中繼是常用的無人機中繼通信形式。

無人機中繼方式由地面站、中繼無人機、任務平臺構成超視距通信鏈路，特點是移動速度快、機動性高、電波受空間限制少并且成本低。無人機中繼一般采用定向通信方式，定向天線通過數字引導或自跟蹤方式確保對準，也有采用全向天線中繼的方式。美國的“先鋒”式無人機裝有抗干擾擴頻通信設備、大功率固態放大器、全向甚高頻和超高頻無線電臺中繼設備等，可在C波段進行數據、信號、話音和圖像通信，中繼通信距離為185 km［15］。

衛星中繼方式由地面控制站、衛星和任務無人平臺構成，任務無人平臺上需要安裝一臺定尺寸的跟蹤天線，采用數字引導指向衛星。相比無人機中繼，衛星中繼覆蓋范圍更廣，如美國“全球鷹”和“捕食者”長航時無人機采用Ku 和UHF 兩種頻段的衛通中繼，Ku 頻段機載天線口徑分別為1.2m 和0.7m，地面天線口徑分別為6.2m 和5.5m，作用距離達3000 km以上［16］。

3.2 系統集成技術

大型無人系統一般配備多種通信手段，并進行集成?！叭蝥棥睓C載統合通信系統（AICS）為無人機指揮控制（C2）、語音通信和載荷數據傳輸提供冗余的無線電通信和衛星通信手段。AICS 的核心部分是由L-3 通信公司開發的一種多鏈路寬帶綜合通信系統（ICS）。如圖4 所示，ICS 由一部通用機載調制解調組件（CAMA）、一部衛通射頻組件、一部高電壓電源、一部高功率放大器、一副衛通天線、一部視距射頻組件、一副視距雙頻段天線、兩臺UHF接收/發射機、兩臺UHF功率放大器、兩個低噪聲放大器/雙工器以及兩副UHF 天線組成，其中CAMA 是ICS 的核心，所有手段通過CAMA 集成在一起，構成綜合通信系統?；谏鲜黾桑琁CS可提供1 路與CDL 兼容的全雙工、寬帶空對地數據鏈路，1 路全雙工Ku 寬帶衛通數據鏈路，2 路冗余的全雙工UHF衛通或UHF視距鏈路［9］。

圖4 “全球鷹”綜合通信系統（ICS）構成

3.3 移動自組網（MANET）技術

美軍“全球鷹”和“捕食者”無人機具備移動自組網（Mobile Ad hoc Network，MANET）的能力，MANET 是由具有無線通信能力的移動節點組成、具有任意和臨時性網絡拓撲的動態自組織網絡系統。MANET 節點既可作為主機也可作為路由器。作為主機，其終端運行各種面向用戶的應用程序；作為路由器，其終端運行相應的路由協議，根據路由策略和路由表完成數據的分組轉發和路由維護。這種分布式網絡結構具有很強的魯棒性和抗毀性。MANET的重點在于網絡路由協議。由于無線信道質量的不規則變化，節點的移動、加入和退出等都會引起網絡拓撲結構的變化。MANET網絡路由協議需要在這種環境中監控網絡拓撲的變更，交換路由信息，定位目的節點位置，產生、維護和選擇路由，構建網絡的連通［17］。

3.4 戰場機載通信節點（BACN）技術

軍用通信系統采用不同頻段的無線手段、不同格式的數據鏈、不同協議的網絡等以適應不同的通信場合，但這些異構系統往往不能直接互通。安裝于“全球鷹”上的BACN 是一種高空機載通信和信息網關，通過機載執行處理器（AEP）調整和組合機上的V/UHF 電臺、衛星通信設備以及各種數據鏈，在空中建立一個可以為地面成員接收、橋接和分布通信的網關系統，實現在不同的通信頻率之間“橋接”，在異構的通信系統之間“翻譯”，從而建立持續的通信鏈路，并支持向全球信息柵格（GIG）轉發獲取的情報信息。BACN 支持的波型包括SINCGARS（單信道地面和機載電臺系統），DAMA（按需分配多路接入），EPLRS（增強型定位報告系統），SADL（態勢感知數據鏈），Link 16，以及采用戰術目標網絡（TTN）、戰術通用數據鏈（TCDL）、通用鏈路集成處理（CLIP）或802.11b 的IP 網絡連接。BACN 系統極其適合在阻擋視距的崎嶇地形、民用/軍用混合應用、不同業務甚至不同國家間通信等應用場景中使用。例如，通過BACN 可以在戰術蜂窩系統和民用蜂窩系統間建立信號鏈，地面上的特種部隊士兵可以通過民用蜂窩手機和戰斗機駕駛艙中的飛行員對話［9］。

3.5 控制系統技術

無人平臺控制系統向無人平臺發送指揮控制（C2）指令，并處理從無人平臺發回的遙測數據和傳感器數據?？刂葡到y包括指揮控制部分、發射與回收裝置、測控與信息傳輸系統等。以“全球鷹”為例，其控制系統由飛行器、發射與回收單元（LRE）、任務控制單元（MCE）組成，如圖5所示。

圖5 “全球鷹”指揮控制與數據傳輸鏈路

LRE 提供任務規劃、飛行器指揮和控制功能。LRE 包括一個任務規劃工作站和一個指揮控制工作站。在執行起飛操作時，操作員扮演本地指揮官，直到飛行器控制權轉移到MCE。LRE 和MCE的最主要區別是LRE 不具備寬帶數據鏈路和圖像處理能力，但配有精確導航、起飛和著陸所需的差分全球定位系統（DGPS）。LRE 通過視距通用數據鏈（LOS-CDL）、視距超高頻電臺（LOS-UHF）以及超視距超高頻（BLOS-UHF）衛通對飛行器進行控制。

MCE 負責任務規劃，包括飛行規劃、通信規劃、以及傳感器規劃。MCE 除了包含LRE 對飛行器的控制功能外，還提供對傳感器的控制。MCE可同時控制三架無人飛行器，但同一時刻僅接收一架飛行器的傳感數據。MCE 對飛行器的指揮和控制通過窄帶LOS UHF 電臺和UHF 衛通手段，并采用國際海事衛星通信作為備用指控鏈路。LOS CDL 和Ku 頻段衛通也可以提供指揮和控制信道。傳感器數據可以通過LOS-CDL 或者Ku 頻段衛通任一手段傳回至MCE。MCE能夠存儲24小時的影像數據，并能為戰術需求提供所需的存儲數據。系統提供近實時的數據傳輸，信息延時只與電子處理、通信和飛行器機械響應速度有關［5，18］。

4 海軍無人平臺通信發展建議

4.1 無人平臺通信系統綜合一體化設計

從美軍現役的無人平臺來看，“全球鷹”已經實現了綜合化的通信系統。隨著無人平臺越來越多地應用于實戰，無人平臺搭載的任務載荷和通信手段越來越多，為避免設備簡單堆砌造成的體積臃腫、電磁干擾等各種問題，未來無人平臺必定強調高度集成?？衫镁C合射頻技術和軟件無線電技術，實現天線設備的集成和平臺內部信道和終端設備的集成。同時，針對無人平臺有限的資源和通用重構需求，解決通信設備的小型化和模塊化問題。

4.2 無人平臺集群的組網通信技術研究

根據戰爭理論中的Lanchester 定律，作戰單元的數量是比單元作戰能力更為重要的戰爭勝負決定因素，無人平臺集群因而能夠實現比敵方優勢戰機或艦艇更大的勝率，也是無人平臺最重要的發展趨勢之一。相應地，應提前并深入開展無人平臺集群的組網通信技術研究，設計自組網路由協議，研制網絡傳輸服務、網絡管理和通信安全防護等軟件，解決大量無人平臺造成的冗余信息交互問題、平臺間的信息延遲問題、節點加入和退出問題、失去地面聯系時自組織等問題。

4.3 ?？仗鞚撚腥?無人平臺異構組網研究

有人/無人作戰平臺協同作戰，開展分布式協同偵察打擊，是未來海戰場環境下無人平臺執行作戰任務的主要方式。美國防部《2005～2030 年美國無人機系統發展路線圖》已明確軍用無人機需要能夠接入其全球信息柵格（GIG）網絡，建立以網絡為中心的通信體系。而各類有人/無人平臺因通信手段不同，其組網協議也不同，有必要開展不同平臺異構組網研究。深入研究子網間的異構網絡互連路由協議，優化子網內部的無線自組織網絡協議，開展組網控制、服務保障、網絡管理和安全防護等裝備研制，以支持陸?？仗鞚摦悩嬃Ⅲw組網，為有人無人作戰平臺協同態勢感知、協同指揮決策、協同行動控制等作戰活動的實施提供支撐。

4.4 無人艇通信載荷的智能化提升

智能化是無人平臺的重中之重，也是研究中的最大難點，無人平臺要具備在極其惡劣的海況條件下安全飛行/航行的能力，在遠程、超視距范圍時還能精準地進行控制、自主導航、規避障礙物，并完成相應的使命任務，就需要在智能化研究方面做出更大的努力?？商崆伴_展智能自主網絡、智能適變天線、戰場電磁頻譜智能感知與適應、智能波形、智能安全防護等前沿技術研究。

5 結語

隨著無人裝備的迅速發展，特別是近年來無人水面艇的興起，全方位的無人化配備將是未來軍隊裝備的一大趨勢。通信系統作為無人平臺的“生命線”，需構建大容量、全范圍、實時、可靠、安全的信息保障，承擔嚴峻的使命任務。本文對美軍無人?？掌脚_采用的通信技術進行了詳細研究，討論了其配備的視距和超視距通信手段，研究了其中繼、系統集成、組網、網關和控制等關鍵技術，并提出了海軍無人平臺通信的發展建議，為我國海軍無人裝備的發展提供一定的參考價值。