航空激光/射頻通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究進展

趙尚弘

(空軍工程大學信息與導航學院， 西安， 710077)

利用航空光通信傳輸鏈路，結(jié)合現(xiàn)有的航空機間射頻數(shù)據(jù)鏈，將各類航空平臺整合為一個互聯(lián)共享的傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建以航空激光骨干網(wǎng)為基礎(chǔ)，隨遇接入航空射頻子網(wǎng)的航空信息網(wǎng)絡(luò)，向上兼容天基平臺，向下接入地面通信系統(tǒng)，能夠有效提高空間信息網(wǎng)絡(luò)傳輸能力[1-3]。然而，在高空大氣信道中，大氣吸收、散射及湍流效應(yīng)、航空平臺特性及氣動光學效應(yīng)嚴重影響航空光通信鏈路性能。此外，由于航空光通信具有大尺度分布、終端動態(tài)運動、傳輸時延大等特點，航空平臺組網(wǎng)應(yīng)用面臨許多挑戰(zhàn)[4-10]。因此，迫切需要開展航空平臺間光通信鏈路傳輸特性及組網(wǎng)技術(shù)的研究，以加強航空激光鏈路傳輸可靠性，提高航空平臺信息傳輸分發(fā)能力，充分發(fā)揮航空平臺信息轉(zhuǎn)發(fā)、互聯(lián)共享的樞紐作用。

1 航空激光點對點通信技術(shù)進展

美國、德國等發(fā)達國家從20世紀80年代開始陸續(xù)開展了一系列機載光通信載荷及鏈路試驗研究，并陸續(xù)取得了實質(zhì)性進展，國內(nèi)主要是長春理工大學、中國科學院和國防科工局等單位進行了系列相關(guān)研究，其中典型的試驗研究如表1所示[11-26]。

表1 航空光通信試驗

1.1 美國研究進展

美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)為發(fā)展下一代全球信息柵格需要的關(guān)鍵技術(shù)，支持了一系列相應(yīng)的研究項目。早在1960年，美國空軍就提出并完成了一架飛機與地面站相距100 km的光通信試驗。美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory, AFRL)開展了機載飛行測試系統(tǒng)(Airborne Flight Test Sytem, AFTS)項目，于1980年在白沙基地首次實現(xiàn)了飛機與地面之間的光通信演示試驗，試驗中KC-135飛機搭載激光終端設(shè)備，采用脈沖間隔調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率為20 kbps，誤碼率≤10-6，上行及下行激光波長分別為532 nm和1 064 nm，此次試驗首次驗證了機載通信終端在空間通信系統(tǒng)中的可行性[11]。隨后在1983年資助的HAVE LACE項目中成功驗證了2架飛機之間光通信的可行性，HAVE LACE項目于1984年成功實現(xiàn)了2架飛機之間通信距離為160 km，飛行高度為6 069～7 620 m的光通信試驗[16]，獲得的具體通信指標為：數(shù)據(jù)速率19.2 kbps，誤碼率≤10-6。1995年資助的RICL項目驗證了2架飛機在約12.192 km高度且相距50～500 km的之間的光通信試驗，通信速率大于1.5 Gbps，誤碼率≤10-6。

1995年開始，美國Thermo Trex公司在AFRL的支持下進行新一代機載光通信設(shè)備RILC的研究。RILC終端為球形轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，采用810 nm的信號光以及852 nm的信標光[17]。Thermo Trex公司隨后采用RILC光通信載荷，在1.1 km的高空中開展了傳輸范圍為20～30 km的空-地間激光鏈路演示驗證，實現(xiàn)了通信速率為1 Gbps的試驗指標[18]；1998年9月，AFRL完成了飛機之間的光通信試驗，RILC光通信載荷分別搭載在2架T-39飛機上，通信鏈路距離50～500 km，傳輸速率1 Gbps，誤碼率≤10-6[19]。隨后在2004年和2005年，RICL項目又相繼進行了一系列試驗，如2架飛機在12.192 km高空中相距100 km下實現(xiàn)了數(shù)據(jù)速率為2.5 Gbps、誤碼率≤10-6的試驗結(jié)果。

美國NASA下屬的JPL實驗室一直致力于光通信終端載荷的研究，研制的第二代OCD(Optical Communications Demonstrator, OCD)系統(tǒng)于2003年進行了空對地光通信鏈路APT演示驗證試驗。OCD-2演示系統(tǒng)主要技術(shù)指標為：高空無人機的飛行高度為18～23 km，跟蹤精度18 μrad，通信速率擬實現(xiàn)2.5 Gbps，通信波長1 550 nm。2013年，NASA成功演示了地月之間進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募す馔ㄐ旁囼?LLCD)，創(chuàng)下622 Mbps的下載速率紀錄。2017年，美國進行了OCSD-2(L5U)衛(wèi)星試驗，星地上行速率10 kbps，下行速率可達5～200 Mbps。

1.2 歐洲研究進展

2006年12月，歐洲空間局(European SpaceAgency, ESA)成功開展LOLA試驗項目，其中法國飛機“神秘20”上搭載ELAS通信終端，飛行高度為6～10 km，飛行速度300 km/h，靜止軌道衛(wèi)星Artemis上搭載SILEX光通信裝置。在大氣湍流傳輸信道條件下，飛機與衛(wèi)星之間建立了通信范圍為38 000 km且通信速率為50 Mbps的空-星雙向光通信鏈路，如圖1所示。

圖1 LOLA項目空-星雙向光通信

德國宇航中心(Deutsches Zentrum Fur Luft-und Raumfahrt, DLR)的ARGOS項目在2008年實現(xiàn)了飛行高度為3 km、通信距離為10～85 km、傳輸速率為155 Mbps的飛機與地面站的光通信演示驗證[22]。飛機搭載光通信載荷于2010年成功進行了通信距離為10～100 km、傳輸速率1.25 Gbps的空地通信鏈路試驗，采用1 550 nm激光波長、發(fā)射功率為1 W、天線孔徑為30 mm的通信終端，具體安裝示意圖如圖2所示。

2013年，在DODfast項目支持下，德國宇航中心(DLR)成功在試驗中建立了戰(zhàn)斗機“狂風”與地面移動節(jié)間的光通信鏈路，測試試驗如圖3所示。其中飛機飛行速度為238.21 m/s，鏈路傳輸速率1.25 Gbps，鏈路距離≥50 km，穩(wěn)定跟蹤距離為79 km[23-24]。

圖2 ARGOS項目機載光通信終端

圖3 DODfast項目戰(zhàn)斗機搭載光通信終端

2016年，歐空局開展了歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)(EDRS)計劃，成功發(fā)射通信衛(wèi)星EDRS-A，測試試驗的星座架構(gòu)如圖4所示。該衛(wèi)星可提供激光和Ka波段2種雙向星間鏈路，星間傳輸速率可達1.8 Gbps，星間最遠距離達到45 000 km，并于2016年7月進入業(yè)務(wù)運行階段。

圖4 EDRS計劃星座架構(gòu)

1.3 中國研究進展

長春理工大學在機間點對點光通信方面開展了一系列研究工作，他們先后進行了船舶與車輛的動平臺間光通信試驗、空中飛艇與船舶間光通信試驗、雙直升機間雙向激光傳輸試驗以及雙固定翼飛機間的激光點對點遠距離通信試驗。在大連黃海灣進行了水面船舶與車輛的動平臺間光通信試驗，試驗中通信距離20.4 km，獲得了通信速率300 Mbps、誤碼率優(yōu)于10-7的試驗指標[25]。2011年8月，在新疆完成了飛艇與水面船舶之間的雙動態(tài)高速率光通信演示驗證試驗，飛艇與船舶間光通信示意圖如圖5所示。其中，光通信載荷分別位于飛艇吊艙和水面船只上，通信距離20.8 km，傳輸速率1.5 Gbps，終端發(fā)射功率為500 mW，通信平均誤碼率≤0.33×10-7。

圖5 飛艇與船舶之間光通信試驗

在飛機平臺間激光鏈路實驗中，低空雙直升機間動態(tài)平臺光通信試驗于2011年9月在黑龍江某機場進行[25]。試驗中雙直升機在800 m高度、距離范圍5 km左右進行捕獲跟蹤，建立光通信鏈路，并逐漸將機間傳輸距離增加至20 km。多次捕獲跟蹤試驗表明，激光終端系統(tǒng)的捕獲平均時間為18 s，當飛機之間相距17 km時實現(xiàn)雙機動態(tài)條件下的穩(wěn)定跟蹤，粗跟蹤和精跟蹤系統(tǒng)的精度分別為6.2×10-5rad和1.6×10-5rad。

此外，2013年進行了雙固定翼飛機間動態(tài)平臺光通信試驗(見圖6)，該動態(tài)遠距離光通信野外試驗實現(xiàn)了雙固定翼飛機間飛行高度為4 700 m，傳輸距離在136～144 km條件下，平均捕獲時間低于20 s、數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5 Gbps、誤碼率≤6.2×10-5以及速率為1.5 Gbps、誤碼率≤10-7的試驗指標[25]。

圖6 雙固定翼飛機間光通信試驗

在中國科學院支持下，由中科院上海光學精密機械所牽頭研制的星地高速相干激光通信試驗成功，此次試驗是國內(nèi)首次在軌相干激光通信試驗，如圖7所示。由2016年8月發(fā)射的“墨子”量子衛(wèi)星進行，實現(xiàn)了星地距離1 000 km以上，下行單路通信速率5.12 Gbps，并成功進行了圖像傳輸，圖片清晰；同時也進行上行PPM調(diào)制直接通信，通信速率可達20 Mbps。

2017年，中國完成了實踐十三號(即中星十六號)衛(wèi)星試驗，建立中國首個GEO衛(wèi)星激光通信實驗平臺。該實驗是世界上首次GEO衛(wèi)星與地面站直接雙向激光高速通訊實驗；首次應(yīng)用Ka頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)，通信總?cè)萘砍^20 Gbps；首次在我國高軌衛(wèi)星上搭載激光通信系統(tǒng)，通信速率達到2.4 Gbps。

圖7 中國“墨子”號量子科學實驗

2 航空信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求

2.1 航空信息網(wǎng)絡(luò)是未來空中作戰(zhàn)與指揮的重要依托

未來網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)體系中的空中作戰(zhàn)與指揮將呈現(xiàn)2個特點[26-27]：一方面，單架戰(zhàn)機的戰(zhàn)斗力并不單單取決于它所攜帶的武器數(shù)、質(zhì)量，更大程度上取決于與聯(lián)合作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)參與作戰(zhàn)成員的信息共享與協(xié)同能力，沒有充分的信息共享與支援，攜帶再多的武器也沒有用武之地；另一方面，依靠單個預(yù)警機、指揮通信機平臺的傳感探測和指揮控制已無法滿足空中作戰(zhàn)平臺對信息共享的需求，有必要將多層次、多平臺的傳感器、指揮控制節(jié)點、武器平臺等鏈接成航空信息網(wǎng)絡(luò)，由此實現(xiàn)戰(zhàn)場綜合態(tài)勢感知、綜合信息處理與分發(fā)、空中指揮控制、協(xié)同作戰(zhàn)和戰(zhàn)場管理等。因此，通過構(gòu)建航空信息網(wǎng)絡(luò)，可以極大地提高空中平臺的信息共享能力，進而全面提高平臺的戰(zhàn)斗力；另一方面，可以將現(xiàn)有的地面指揮系統(tǒng)拓展到空中，有效擴展空中作戰(zhàn)指揮半徑和效能。因此構(gòu)建航空信息網(wǎng)絡(luò)對未來空戰(zhàn)具有重大的現(xiàn)實意義。

根據(jù)目前已有的研究成果，趨于一致的看法是，航空信息網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)上可分為網(wǎng)格型骨干網(wǎng)與多種異構(gòu)戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)兩部分[28]，從網(wǎng)絡(luò)特征上看是一種拓撲高動態(tài)變化的混合、分層、移動自組織網(wǎng)絡(luò),其拓撲結(jié)構(gòu)如圖8所示。

航空骨干網(wǎng)由寬帶數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成，能夠覆蓋整個戰(zhàn)場空域并在大范圍聯(lián)合作戰(zhàn)中實現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)傳輸，并與地面子網(wǎng)、海上子網(wǎng)以及空間平臺形成骨干網(wǎng)路由。骨干網(wǎng)節(jié)點由大型空中平臺組成,主要包括預(yù)警機、指揮通信機、長航時無人機、情報偵察機以及鄰近空間飛行器等。這些具有穩(wěn)定移動軌跡及較強載荷能力的節(jié)點通過寬帶鏈路數(shù)據(jù)鏈相互鏈接，并通過IP協(xié)議及分布式自組織路由功能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸。骨干節(jié)點通常作為戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)與骨干網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)，完成消息格式與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。此外，高級骨干節(jié)點(如指揮通信機)除了具備上述功能外，還需要向上接入一體化戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，使之成為多部隊聯(lián)合作戰(zhàn)的空中信息分發(fā)節(jié)點。

圖8 航空信息網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)

對于航空骨干網(wǎng)絡(luò)機間鏈路有3個基本要求，一是寬帶寬，因為骨干網(wǎng)作為空中指揮信息系統(tǒng)的高速路由通道，必須具備完成諸如視頻、圖像等戰(zhàn)場態(tài)勢的大容量信息的傳輸；二是抗干擾能力強，在空域多平臺進行互聯(lián)時除了抵御敵方干擾，相互之間也不能干擾，保障鏈路暢通；三是隱身能力強，在空域通信時不被敵方檢測到，若信息交互不具備良好的隱身特性，將面臨有源和無源雙重被探測威脅。

航空戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)的規(guī)模相對較小，但實時性、吞吐量較高,通常由各類射頻戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成。戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)主要由有人/無人作戰(zhàn)飛機、巡航導彈以及空空/空地打擊武器等戰(zhàn)術(shù)節(jié)點組成。各批次作戰(zhàn)飛機與預(yù)警機之間通過射頻指揮控制數(shù)據(jù)鏈組成態(tài)勢感知與指揮控制網(wǎng)絡(luò)；同批次作戰(zhàn)飛機通過機間射頻數(shù)據(jù)鏈組成高吞吐量、延時敏感的協(xié)同交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，縮短從傳感器到射手的信息延時，增強對時延敏感目標的打擊能力。另外，基于IP協(xié)議的戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)可以連接骨干節(jié)點，并通過骨干網(wǎng)與其他子網(wǎng)節(jié)點建立端到端連接[29]。航空信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當采用基于IP協(xié)議標準的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)，如圖9所示。

目前國際上已有的各型數(shù)據(jù)鏈經(jīng)過相應(yīng)的改造即可構(gòu)成各種戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)，可以完成相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)。而如何構(gòu)建航空骨干網(wǎng)就成為急需研究的課題。航空骨干網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括鏈路技術(shù)、路由技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理、服務(wù)質(zhì)量等。

圖9 基于統(tǒng)一IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)

2.2 航空骨干網(wǎng)是寬帶數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展方向

為實現(xiàn)機間信息交互，國際上正在研究指控鏈、武器協(xié)同鏈以及寬帶鏈等3個不同應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)鏈[30]。其中指揮引導數(shù)據(jù)鏈主要用于飛機起飛后到飛達交戰(zhàn)區(qū)這一階段，通過地面或空中指揮員對飛機的飛行航機進行指揮引導。此階段以態(tài)勢分發(fā)和引導指令下達為主；機間指控鏈主要實現(xiàn)機間指控信令的傳輸，速率較低；武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈主要用于編隊間的協(xié)同作戰(zhàn)，通過編隊間快速的信息交互(雷達信息等)實現(xiàn)對目標的精確定位、跟蹤及打擊，對帶寬、時延要求高。寬帶數(shù)據(jù)鏈[31]主要用于ISR信息的傳輸，對帶寬要求更高，但對時延要求較低。由此可見，寬帶數(shù)據(jù)鏈是航空骨干網(wǎng)的基礎(chǔ)，機間指控鏈和武器協(xié)同鏈對應(yīng)于戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)。

目前基于射頻的鏈路存在3個問題：

1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。從傳輸速率來看，射頻數(shù)據(jù)鏈帶寬數(shù)百kbps，只能傳輸簡單的指令信息，如敵機瞬時態(tài)勢、友機位置、燃料、武器配置等，難以完成諸如視頻圖像等戰(zhàn)場態(tài)勢的大容量信息的傳輸。

2)隱身能力弱。從技術(shù)體制而言，目前使用的主要用于信息分發(fā)和指揮引導的射頻數(shù)據(jù)鏈采用全向通信模式，這種全向通信模式的數(shù)據(jù)鏈無法滿足機間數(shù)據(jù)鏈低截獲要求，被敵方無源探測系統(tǒng)感知的風險高。為了降低機間數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)被截獲概率，需要研制微波頻段、定向通信模式的機間數(shù)據(jù)鏈。

3)強電磁干擾環(huán)境下通信能力弱。射頻數(shù)據(jù)鏈最大的問題是抗電磁干擾能力弱，不僅僅是抗敵方主動干擾能力弱，而且友方系統(tǒng)間的相互電磁干擾很容易造成系統(tǒng)無法正常傳輸信息。為了增加通信的抗干擾能力，通常用的手段有：①采用擴頻技術(shù)(如直擴、跳擴)；②采用編碼技術(shù)(如采用卷積編碼、RS編碼、LDPC編碼等)；③采用跳時脈沖突發(fā)技術(shù)。但是從實際應(yīng)用來看，跳頻和擴頻方案的配頻程序極其復(fù)雜，耗時較長，效率較低，難以滿足訓練和作戰(zhàn)需求。

因此，射頻鏈路只適合構(gòu)建各類戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)，而具有低截獲、高速、抗干擾通信特點的激光鏈路就成為未來構(gòu)建航空骨干網(wǎng)的理想方案。

2.3 航空激光鏈路骨干網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)

利用激光鏈路構(gòu)建航空骨干網(wǎng)[32]具有大容量傳輸、隱身傳輸和強電磁干擾下的傳輸優(yōu)勢。原因包括：

1)利用現(xiàn)有成熟光通信技術(shù)容易實現(xiàn)Gbit/s量級以上的傳輸速率，滿足各種戰(zhàn)場信息的傳輸。

2)激光的單色性、相干性和方向性決定了激光傳輸?shù)陌l(fā)散角小，為毫弧度量級，光通信基本上是點對點通信，接收機只有落在激光束的光斑范圍內(nèi)才能接收到信號，因此難以被截獲，傳輸?shù)谋Ｃ苄院茫邆淞肆己玫目臻g傳輸隱身能力。

3)由于光通信的波長遠小于微波通信，頻譜特性決定了目前為止還沒有實用化的針對光通信的干擾措施，因此激光可以在強電磁干擾下實現(xiàn)通信。同時，光通信容易實現(xiàn)設(shè)備輕小型化，具有良好的電磁兼容性，不會對其它電子設(shè)備造成干擾，在飛機內(nèi)部等狹小平臺應(yīng)用的潛力較大。

由此可見，機間光通信技術(shù)是建立航空骨干網(wǎng)的理想方案。結(jié)合未來空中作戰(zhàn)對戰(zhàn)機信息支援能力需求、光通信的優(yōu)勢及技術(shù)成熟度，機載激光大容量隱身信息傳輸技術(shù)可望首先在轟炸效果評估大容量信息傳輸、預(yù)警偵查信息隱身傳輸?shù)确矫婵梢园l(fā)揮寬帶傳輸?shù)淖饔茫鳛橥晟茩C載通信的新型手段，將會在提高戰(zhàn)機戰(zhàn)斗力和戰(zhàn)場生存率方面發(fā)揮重要作用。但同時，由于激光通信頻率高、波束窄，工程實現(xiàn)難度很大，且光頻段易受大氣湍流、云層遮擋等影響，導致穩(wěn)定性、可靠性較低，因此，基于激光鏈路的航空骨干網(wǎng)絡(luò)在可用性上還需進一步提高。

2.4 激光信號對機上裝備和人身安全問題

激光對物質(zhì)的熱損傷效應(yīng)取決于激光的功率大小和波長特性[33-34]。不同大小的功率產(chǎn)生的熱效應(yīng)不同，不同波長的激光具有不同的熱效應(yīng)。對機上人員而言，盡管高功率激光能夠灼傷人的皮膚，但是與之相比，它對于眼睛的危害性更加嚴重。激光危害人眼睛的主要特性是高功率密度和方向性好。正是由于方向性好，使得眼球的晶狀體將射來的平行激光束在視網(wǎng)膜上聚焦成很小的光斑，造成視網(wǎng)膜損傷。人眼所能承受的最強激光照射取決于激光的波長，而與眼睛對激光的透射率無關(guān)。試驗表明，對于波長400～1 400 nm波段的激光輻射，視網(wǎng)膜可能會受到傷害，其中在波長400～700 nm波段內(nèi)造成的傷害最嚴重；因為眼睛前部的器官(角膜、水狀液體和晶狀體)對這些波段的激光透射率最高。如果波長大于700 nm，部分輻射在到達視網(wǎng)膜之前被吸收。對于波長大于1.4 μm的紅外激光，角膜和水狀液體會吸收入射輻射，對于波長大于1.9 μm的輻射，只有被角膜吸收，另外，波長小于315 nm的激光，將完全被角膜吸收，若采用目前地面光通信常用的波長1 550 nm激光，屬于安全波段范圍。另外，根據(jù)國際激光安全標準[35]確定的不產(chǎn)生傷害的激光束的安全距離和功率密度，偶爾直視(輻射時間50 s)對于大于1.4 μm的紅外激光，輻射時間和功率密度閾值更高，就一般航空光通信而言，發(fā)射的初始功率最大2 W，經(jīng)過100 km量級的傳輸后衰減至2 mW左右，光束擴散和功率衰減，導致功率密度在人眼安全閾值以下，可見對人眼是安全的。

對于機上裝備的輻照影響主要是對光學探測設(shè)備的飽和效應(yīng)，考慮到所用激光是通信量級的光功率，而不是激光武器量級的光功率，對機上光學探測裝備不會形成影響。另外，在已有實際演示驗證研究中，未見有任何對人眼和機上裝備產(chǎn)生影響的明顯實例。同時，在實際安裝過程中會合理設(shè)計安裝位置，進一步避免對機上人員和裝備的影響。

3 航空信息網(wǎng)絡(luò)典型項目進展

為了建立一個快速、高效、抗毀性強的空天地一體化信息系統(tǒng)，美國、歐洲等國家和組織針對航空通信領(lǐng)域進行了一系列研究，以移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)為主要組網(wǎng)方式，使空中平臺具有動態(tài)組網(wǎng)、動態(tài)路由和無線中繼的能力，最終實現(xiàn)各航空平臺互聯(lián)互通。在2007年后，隨著機間點對點光通信和路由技術(shù)的發(fā)展，美國開始考慮采用激光、射頻混合鏈路與組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一個高魯棒性、高吞吐量的航空信息網(wǎng)絡(luò)，并提出了一系列激光與微波混合組網(wǎng)項目，航空信息網(wǎng)絡(luò)典型系統(tǒng)如表2所示[36-46]。

表2 航空信息網(wǎng)絡(luò)典型系統(tǒng)

續(xù)表

系統(tǒng)名稱國別系統(tǒng)年份系統(tǒng)架構(gòu)/特點AANET澳大利亞2006—2009在衛(wèi)星、航班及地面Inter-net網(wǎng)關(guān)間建立MANETORCLE美國2008混合鏈路空中網(wǎng)絡(luò)計劃ORCA美國2008戰(zhàn)術(shù)的、安全的、基于IP的混合激光微波骨干網(wǎng)絡(luò)航空骨干網(wǎng)絡(luò)測試試驗美國2012ESB及ORS無線系統(tǒng)機載IP骨干鏈路的通信性能測試DODfast德國2013首個戰(zhàn)斗機激光通信實驗ALCOS歐盟2016至今無人機大容量數(shù)據(jù)實時傳輸系統(tǒng)

3.1 TTNT

戰(zhàn)術(shù)瞄準網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是美國國防先進研究署(DARPA)研究的新一代航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(Network Centric Warfare, NCW)概念網(wǎng)絡(luò)化的實現(xiàn)基礎(chǔ)，其網(wǎng)絡(luò)示意見圖10[31-38]。TTNT(Tactical Targeting Network Technology, TTNT)在網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略環(huán)境中建立戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)傳輸骨干網(wǎng)，其核心是通過建立分布式、動態(tài)的、可重構(gòu)的移動自組網(wǎng)，為戰(zhàn)術(shù)飛行器提供戰(zhàn)術(shù)信息共享，以實現(xiàn)對突發(fā)事件快速應(yīng)對，主要包括對于突發(fā)目標的火力控制和戰(zhàn)斗損傷評估數(shù)據(jù)。TTNT具有基于IP協(xié)議實現(xiàn)各平臺連接、高吞吐量、高傳輸速率、低時延、低截獲、抗干擾以及實時按需帶寬分配的特性，與通用數(shù)據(jù)鏈相比，其應(yīng)用范圍廣，通用性更強。

圖10 TTNT網(wǎng)絡(luò)概念示意圖

TTNT作為高速、寬帶、基于IP的航空自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有連接航空平臺和全球信息柵格(Global Information Grid, GIG)節(jié)點的能力。區(qū)別于通用數(shù)據(jù)鏈的定向數(shù)據(jù)流傳輸，TTNT中節(jié)點能夠快速、靈活地組網(wǎng)，實現(xiàn)用戶信息共享[38]。網(wǎng)絡(luò)支持200～1 000個服務(wù)用戶的高速、安全、抗干擾傳輸，其吞吐量比Link16數(shù)據(jù)鏈高20倍。實驗結(jié)果表明，TTNT支持語音、文本、視頻流、圖像等多類業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率比Link16高50倍，可實現(xiàn)540 km距離范圍的信息傳輸，特別地，在185.2 km的傳輸范圍內(nèi)其信息傳輸速率達2 Mbps。TTNT建網(wǎng)時間僅需不到5 s，遠遠優(yōu)于通用Link16網(wǎng)絡(luò)；可包括200～2 000個用戶，網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘窟_到10 Mb/s，新用戶入網(wǎng)時間約為3 s，可實現(xiàn)航空平臺的隨時入網(wǎng)、退網(wǎng)。其應(yīng)用范圍包括態(tài)勢感知、協(xié)同傳輸、圖像、視頻傳輸?shù)龋啾扔谕ㄓ脭?shù)據(jù)鏈應(yīng)用種類廣泛。

3.2 光/射頻通信鏈路試驗

DARPA一直致力于下一代全球信息柵格通信技術(shù)的研究發(fā)展。2007年后，由于對機載光通信重要性的重新認識和先進路由技術(shù)的發(fā)展，使人們開始重新審視航空激光網(wǎng)絡(luò)的潛力。要構(gòu)建一個強魯棒性、高吞吐量的空中網(wǎng)絡(luò)，必須充分利用激光、射頻混合鏈路與組網(wǎng)技術(shù)，而不是單獨依靠其中之一[38-40]。為此美國MIT林肯實驗室提出了基于激光與射頻混合組網(wǎng)的國防軍事網(wǎng)絡(luò)[41]，如圖11所示。該網(wǎng)絡(luò)很大程度上依賴于大容量自由空間平臺通信，同時美國空軍一直在進行面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的機載高速率骨干網(wǎng)研究和發(fā)展，其中主要進行自由空間光通信鏈路技術(shù)FSO研究，并最終實現(xiàn)混合FSO/RF通信鏈路組網(wǎng)。

圖11 軍事中心結(jié)構(gòu)FSO/RF混合網(wǎng)絡(luò)概念圖

光/射頻通信鏈路實驗(Optical RF Communi-cations Link Experiment, ORCLE)是DARPA組織的首個FSO和射頻混合鏈路空中網(wǎng)絡(luò)計劃，該計劃主要關(guān)注RF和FSO節(jié)點的組網(wǎng)及物理層技術(shù)的研究，旨在實現(xiàn)激光/射頻通信混合鏈路的智能化應(yīng)用[41]。ORCLE計劃進行了包含空-空和空-地間FSO和射頻鏈路在內(nèi)的混合航空通信網(wǎng)絡(luò)演示，其中，F(xiàn)SO的通信鏈路速率為2.5 Gbps，射頻數(shù)據(jù)鏈的速率為45 Mbps。ORCLE計劃的成功實施驗證了利用現(xiàn)有通信技術(shù)研制FSOC/RF混合通信設(shè)備的可行性，為航空通信網(wǎng)絡(luò)中的高速率通信提供了保障。

3.3 光/射頻通信計劃

ORCLE成功之后，美國空軍研究實驗室(AFRL)也開展了面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的機載混合FSO/RF通信效能研究。DARPA和AFRL組織了光/射頻通信計劃[42-44]。ORCA計劃的目標是設(shè)計、建立并測試一個用以反饋和數(shù)據(jù)傳播應(yīng)用，戰(zhàn)術(shù)的、安全的、基于IP的混合激光微波骨干網(wǎng)絡(luò)，并進行地面節(jié)點之間的混合FSO/RF網(wǎng)絡(luò)技術(shù)驗證。

ORCA項目是一個實際的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)模型，由機間部分和地面部分組成，如圖12所示。

圖12 ORCA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

其中，機間部分通過多平臺組網(wǎng)構(gòu)成移動自組網(wǎng)(Mobile Ad-hoc Networks, MANET)，并利用與ORCA地面節(jié)點相連的戰(zhàn)略網(wǎng)關(guān)路由為GIG提供高可靠雙向骨干網(wǎng)；地面部分通過戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)關(guān)路由為IP地面網(wǎng)絡(luò)提供可靠連接。ORCA系統(tǒng)的混合鏈路中，微波部分數(shù)據(jù)速率174 Mbps，F(xiàn)SO部分數(shù)據(jù)速率>5 Gbps。對于大容量的ORCA網(wǎng)絡(luò)，戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)是其終端子網(wǎng)，同時ORCA也作為GIG高速段的終端網(wǎng)絡(luò)運行。因此，ORCA網(wǎng)絡(luò)必須能夠區(qū)分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)之間的通信流量并通過QoS通信優(yōu)先次序進行補償。

3.4 航空骨干網(wǎng)絡(luò)測試試驗

美國林肯實驗室于2012年進行了航空骨干網(wǎng)絡(luò)測試試驗，作為美軍C4ISR(Command, Control, Communications,Computers, Intelligence,Surveillance, and Reconnaissance, C4ISR)系統(tǒng)行動2010(On-the-Move 2010 Exercise)的一部分，該試驗選擇2個陸地基點和2個空中基點共同構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)性能驗證實驗環(huán)境，研究與評估了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的航空骨干網(wǎng)絡(luò)吞吐量、端到端延遲等網(wǎng)絡(luò)性能[45-46]。測試內(nèi)容包括大容量機載射頻系統(tǒng)性能、RFC4938無線路由器接口、動態(tài)路由及為軍用數(shù)據(jù)提供穩(wěn)定可靠機載IP骨干鏈路的能力等通信性能驗證。圖13(a)給出了試驗中空中平臺、鏈路、高度、速度、通信距離及無線通信系統(tǒng)的具體參數(shù)；圖13(b)為試驗中空中平臺飛行軌跡及距離。該試驗中采用2種不同的通信系統(tǒng)：電子開關(guān)波束(ESB)無線系統(tǒng)及全向無線系統(tǒng)(ORS)。其中，采用時分復(fù)用(TDMA)Ku-波段ESB系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率為2～5 Mbps，鏈路時延60～100 ms；ORS系統(tǒng)為L波段全向天線，采用調(diào)頻隨機接入MAC協(xié)議，其數(shù)據(jù)速率500 kbps～2 Mbps，鏈路時延3～3 000 ms。

圖13 航空骨干網(wǎng)絡(luò)測試試驗

3.5 Minuteman項目

美國加州大學洛杉磯分校開展的Minuteman項目，針對未來海軍作戰(zhàn)需要有效地利用海上、岸上和空中的各種實時信息和傳感器數(shù)據(jù)，將戰(zhàn)場上的UGV和UAV等各自單元組成了一個空間、地面和海上一體化的戰(zhàn)場MANET。其中采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，由骨干節(jié)點組成移動骨干網(wǎng)和接入骨干節(jié)點的本地接入網(wǎng)所組成，如圖14所示。圖中粗線連接的為各群首組成的頂層網(wǎng)絡(luò)，各群為任務(wù)編隊，群內(nèi)成員之間保持相對一致的運動，因而具有穩(wěn)定的群組結(jié)構(gòu)。

圖14 Minuteman的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

3.6 NCW網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

美軍提出的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念(NCW)[47-48]，NCW網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖15所示。力求通過強大的計算機信息網(wǎng)絡(luò)，將分布在廣闊區(qū)域內(nèi)的各種傳感器、指揮中心和各武器平臺融合成為一個統(tǒng)一高效的空間信息系統(tǒng)。NCW由空、天、地、海四層網(wǎng)絡(luò)組成，其中空間大型平臺、海面大型艦艇和地面指揮所通過激光鏈路或者定向射頻鏈路互聯(lián)組建空間骨干信息網(wǎng)絡(luò)。

圖15 DARPA提出的NCW網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.7 ATENAA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2004—2007年，德國、希臘、意大利和法國四國的研究機構(gòu)聯(lián)合開展了ATENAA項目的研究。該項目主要為了驗證寬帶定向數(shù)據(jù)鏈路構(gòu)建空間信息網(wǎng)絡(luò)，其關(guān)鍵技術(shù)包括空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，Ka頻段陣列天線，以及機間光通信技術(shù)等。圖16所示為ATENAA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖，其中包括飛機、地面站、高空平臺等通信節(jié)點。該網(wǎng)絡(luò)針對不同的通信業(yè)務(wù)采用了3種鏈路：VHF數(shù)據(jù)鏈、Ka頻段鏈路和外層光鏈路(Outer Optical Link, OOL)。

2013年，德國宇航局啟動光數(shù)據(jù)鏈高速傳輸演示驗證項目，DODfast，在“狂風”戰(zhàn)斗機上掛載激光通信終端進行了空地通信試驗，實現(xiàn)了1 Gbps的數(shù)據(jù)回傳。此外，歐盟在2016年開展了無人機載無線光通信演示驗證項目ALCOS。目前，該項目還在進行過程中，其驗證目標是要實現(xiàn)無人機到衛(wèi)星的上行傳輸速率達到1.8 Gbps，下行衛(wèi)星對無人機的傳輸速率為100 Mbps，通信距離可達數(shù)千公里。

圖16 ATENAA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

3.8 激光微波通信鏈路(ORCLE)實驗

該項目是美國DARPA組織的第一個混合鏈路空中網(wǎng)絡(luò)計劃，主要關(guān)注射頻(RF)和自由空間激光(FSO)節(jié)點的組網(wǎng)及物理層技術(shù)的研究[49-52]。ORCLE項目依據(jù)傳輸信息的大小以及通信環(huán)境的不同，通過選擇最合理的通信方式，實現(xiàn)激光和射頻通信鏈路智能化的混合應(yīng)用，達到能夠為聯(lián)合部隊指揮官提供有保障的高數(shù)據(jù)率通信的能力。ORCLE搭建了空-空和空-地實驗演示系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中FSO數(shù)據(jù)鏈的通信數(shù)據(jù)率為2.5 Gbps，而射頻戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈(TCDL)的數(shù)據(jù)率則為45 Mbps。

3.9 光射頻通信優(yōu)化(ORCA)項目

該項目基于ORCLE項目的相關(guān)研究成果，開發(fā)FSO/RF混合通信設(shè)備，并測試基于FSO/RF混合的IP骨干網(wǎng)絡(luò)，目標是用其滿足戰(zhàn)場上回傳后方的通信傳輸需求。ORCA項目是由機間部分和地面部分組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖17所示。ORCA系統(tǒng)混合鏈路中微波部分數(shù)據(jù)速率為274 Mbps，F(xiàn)SO部分數(shù)據(jù)速率>5 Gbps。

圖17 ORCA計劃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.10 射頻/激光綜合組網(wǎng)戰(zhàn)術(shù)瞄準網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(IRON-T2)研究計劃

IRON-T2的研究目的是演示驗證FSO/RF通信鏈路混用必需技術(shù)和設(shè)備的可行性。IRON-T2項目于2008年完結(jié)，演示了射頻和激光混合通信系統(tǒng)應(yīng)用的效率，測試數(shù)據(jù)表明，混合通信系統(tǒng)可以在白天和夜晚的多種環(huán)境下提供可靠的Gbps級鏈路。

3.11 自由空間實驗性光網(wǎng)絡(luò)試驗

FOENEX項目由AOptix公司和約翰-霍普金斯大學應(yīng)用物理實驗室共同研發(fā)，其目標是在空-地(50 km)、空-空鏈路(200 km)中，利用射頻與激光混合通信信道提供的端對端網(wǎng)絡(luò)高可靠性傳輸。FOENEX的網(wǎng)絡(luò)演示場景如圖18所示。空中和地面節(jié)點配置有兩條或多條射頻與激光混合通信鏈路。FOENEX在2011年底和2012年初進行了飛行測試。試驗表明，應(yīng)用于射頻與激光混合通信鏈路的FOENEX重傳算法可以在5×10-2誤包率的信道上實現(xiàn)100%數(shù)據(jù)送達。

圖18 美國DARPA的FOENEX計劃

目前國內(nèi)機載激光/射頻混合傳輸?shù)南嚓P(guān)研究工作剛剛起步。前期長春理工大學分別在2011年和2013年完成機載平臺之間速率1.5 Gbps(17.5 km)和2.5 Gbps(144 km)的光通信實驗，為下一步建立航空骨干網(wǎng)奠定了很好的基礎(chǔ)。

4 新型航空信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

當前各種類型的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)基本采用定制化的設(shè)計思路，不同數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)針對特定的需求設(shè)計，僅能完成其特定的戰(zhàn)術(shù)功能，各自組建的網(wǎng)絡(luò)形成不同的專用子網(wǎng)，工作于不同頻段，采用不同的波形和組網(wǎng)技術(shù)，互操作能力非常有限。此外，這些數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)大都缺乏開放的系統(tǒng)訪問接口，系統(tǒng)在運行前，往往需要基于專用工具進行人工化的參數(shù)配置與加載，且系統(tǒng)運行細節(jié)對外透明，靈活性、開放性很差。隨著武器裝備信息化水平的不斷提升，面臨著新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力需求，面向航空信息網(wǎng)絡(luò)時，靈活性、開放性、互操作性不足的問題顯得愈發(fā)突出。

面對航空信息網(wǎng)絡(luò)存在的問題，DRAPA于2014年和2015年分別開展了C2E項目和DyNAMO項目。C2E項目的目的在于為航空平臺構(gòu)建一個自適應(yīng)的通信系統(tǒng)來融合不同航空平臺上的異構(gòu)通信需求。該通信系統(tǒng)基于模塊化的硬件架構(gòu)設(shè)計，能夠在不進行大規(guī)模系統(tǒng)升級的情況下，靈活、按需地配置通信系統(tǒng)的通信功能。而DyNAMO項目則以C2E項目的前期研究成果為支撐，強調(diào)依據(jù)任務(wù)需求對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的各種參數(shù)進行動態(tài)優(yōu)化調(diào)整，并引入信息中心網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)，來橋接不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，增強網(wǎng)絡(luò)的靈活性和互操作性。麻省理工大學林肯實驗室的航空信息網(wǎng)絡(luò)組以TCP/IP協(xié)議棧模型為參考并結(jié)合航空信息網(wǎng)絡(luò)特點，分別從物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層闡述了其對如何設(shè)計下一代航空信息網(wǎng)絡(luò)的思考。指出在物理層要充分權(quán)衡SWaP與新物理層技術(shù)的應(yīng)用，在鏈路層設(shè)計信道接入控制協(xié)議時充分考慮物理層技術(shù)的特點以及航空信息網(wǎng)絡(luò)在傳播時延、鏈路穩(wěn)定性等方面的特殊性，在網(wǎng)絡(luò)層以標準化、模塊化設(shè)計的方式收斂網(wǎng)絡(luò)層功能。國內(nèi)也有部分學者提出了很有參考價值的機載網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。

為了能夠顯著提升現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的易用性，賦予網(wǎng)絡(luò)更強的可編程能力，進而實現(xiàn)自動化、智能化的網(wǎng)絡(luò)管控，Nick McKeown教授在分析計算機產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的三部分功能模塊進行了重新劃分，在每層之間建立統(tǒng)一的開放接口，提出了一個新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)：軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking, SDN)[53-54]。SDN使網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，采用邏輯上集中的控制器基于全局網(wǎng)絡(luò)視圖對可編程的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進行統(tǒng)一管理，簡化了網(wǎng)絡(luò)管理和配置操作，為網(wǎng)絡(luò)的研究與發(fā)展帶來了更為靈活開放的環(huán)境，有利于創(chuàng)新應(yīng)用的部署以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進。SDN一經(jīng)提出便引起了學術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并逐步從有線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域推廣應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，如5G網(wǎng)絡(luò)[55]，車載網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)等。這種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對航空信息網(wǎng)絡(luò)滿足不同任務(wù)需求的特點極具啟發(fā)性。有研究指出SDN應(yīng)用于航空信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有較好的前景，SDN應(yīng)用于無人機網(wǎng)絡(luò)將對解決未來無人機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所面臨的問題提供全新的途徑；針對現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈仍存在通用性差、封閉性高等明顯的局限性，基于SDN技術(shù)的核心思想，在整個戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)中實時構(gòu)建虛擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，形成若干臨時高速數(shù)據(jù)鏈路，提供點對點間的高速數(shù)據(jù)傳輸功能。通過定制類似可擴展虛擬局域網(wǎng)絡(luò)(Virtual Extensible LAN, VXLAN)，使得數(shù)據(jù)鏈具備快速動態(tài)重構(gòu)的特點，并實現(xiàn)多跳鏈路協(xié)同工作，進而實現(xiàn)戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò)差異化服務(wù)。

雖然國內(nèi)在SDN地面網(wǎng)絡(luò)已有了廣泛應(yīng)用，但目前基于SDN構(gòu)建航空信息網(wǎng)絡(luò)還處于概念描述和初步探索階段，還未有完整的基于SDN的航空信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)被提出。為了給構(gòu)建符合未來航空集群作戰(zhàn)應(yīng)用需求的航空信息網(wǎng)絡(luò)從根本上提供理論支撐，2017年本項目組分析了航空集群作戰(zhàn)應(yīng)用對航空集群機載戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的基本能力需求，總結(jié)了將SDN設(shè)計思想運用于航空集群機載戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的優(yōu)勢，在此基礎(chǔ)上提出了一種面向集群空戰(zhàn)的機載可定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[56]，如圖19所示，并對其基本架構(gòu)進行了闡述，對未來機載戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的演進方向提出了一些大膽思考。

圖19 航空機載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5 航空光通信網(wǎng)絡(luò)研究熱點

根據(jù)國際上研究現(xiàn)狀可知，目前航空光通信領(lǐng)域的研究正處于從理論研究逐步向工程實現(xiàn)轉(zhuǎn)化、從航空平臺點對點光通信向航空平臺組網(wǎng)驗證轉(zhuǎn)化的階段，對航空平臺間靈活可靠的光通信及組網(wǎng)技術(shù)提出了迫切需求。目前關(guān)于航空平臺間光通信方面的研究仍處于起步階段，研究成果主要集中在空地光通信ATP技術(shù)、外界環(huán)境等方面，而航空激光平臺組網(wǎng)的研究尚未全面開展。根據(jù)以上對國內(nèi)外研究進展的分析可知，為實現(xiàn)航空平臺間光通信的工程應(yīng)用和組網(wǎng)驗證，還存在以下問題亟待關(guān)注：

5.1 機載光通信中的捕獲、跟蹤和瞄準(Acquisition Tracking and Pointing, ATP)

捕獲、跟蹤和瞄準系統(tǒng)是開展機載光通信研究的理論基礎(chǔ)。Yohan Shim等[57]通過運動全球定位系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，針對空間光通信及組網(wǎng)應(yīng)用，提出了精密視軸指向?qū)史椒āmita Shrestha等[58]針對空-地光通信鏈路，提出了一種光學天線視軸誤差校正方法，并實現(xiàn)了空-地間光通信演示試驗。孟立新等[59]研究了機載ATP系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，考慮外界環(huán)境影響，對機載平臺跟蹤精度和光束發(fā)散角進行了優(yōu)化設(shè)計，開展了機載激光轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)和伺服結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了基于全光捕獲的機載光通信快速捕獲方法，提出了ATP系統(tǒng)的高精度跟蹤和穩(wěn)定精度檢測方法。趙馨等[60]針對飛機與地面之間光通信鏈路，提出了光學天線視軸初始對準方法及初始指向系統(tǒng)中的視軸標校方法。齊秋菊等[61]提出了機載激光終端信標光及反射光源信標光的跟蹤精度檢測方法，并通過跟蹤精度檢測系統(tǒng)進行了驗證實驗。徐春鳳等[62]考慮航空平臺間光通信全過程，研究了通信環(huán)節(jié)及大氣信道對信標光功率的作用規(guī)律，獲得了發(fā)射端信標光功率與接收端探測概率的變化關(guān)系。趙義武等[63]根據(jù)機載平臺飛行運動和終端振動的測量數(shù)據(jù)，推導了空間激光系統(tǒng)的通信捕獲動態(tài)補償公式，并提出了相應(yīng)的航空平臺間光通信捕獲算法。

5.2 機載光通信信道建模

由于機載平臺的運動特性及大氣環(huán)境條件變化，機載光通信傳輸信道會受到影響，引起接收端光信號衰落和光強起伏。機載平臺自身的高頻振動和低頻抖動特性會造成傳輸光束的對準誤差，造成接收端探測光功率降低。因此，建立準確的光通信信道模型是分析和改善機載光通信系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。Paul R等[64]針對ORCA項目中機載光通信骨干鏈路，分布考慮弱湍流及中強湍流條件，建立大氣效應(yīng)影響下光通信鏈路模型。Meiwei Kong等[65]考慮低空無人飛行終端及光電二極管探測器，研究了機載無線光通信系統(tǒng)的可行性，通過鏈路誤碼率、光束發(fā)散角及偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)仿真驗證了系統(tǒng)性能。陳純毅等[66]考慮空間背景光、接收端效率、大氣信道衰減作用及光強閃爍效應(yīng)，建立了飛機與衛(wèi)星間上行光通信鏈路的信道模型和誤碼率模型。王靜等[67]研究了機載終端的運動特性，建立了航空平臺與各空間節(jié)點間光通信的物理及數(shù)學運動模型，進行了機載激光鏈路方程推導和仿真計算。韓志鋼等[68]從理論上研究了機載光通信中的大氣湍流效應(yīng)對通信鏈路的影響，分析了激光光束的光場二階特性，并通過仿真評估了接收光斑尺寸、光束到達角起伏等光束參數(shù)隨鏈路傳輸條件的變化關(guān)系。

5.3 氣動光學效應(yīng)

當航空平臺在大氣環(huán)境中高速運動時，會引起湍流流場起伏現(xiàn)象，即氣動光學效應(yīng)。氣動光學效應(yīng)會引起運動平臺附近氣流的折射率起伏強烈，造成光束擴展、波前漂移及遠場峰值強度降低，嚴重影響光通信系統(tǒng)性能，是航空光通信研究中亟待解決的關(guān)鍵問題。美國氣動光學實驗室(Airborne Aero-Optics Laboratory, AAOL)[69]在2011年研究了機載平臺高速飛行時，平面窗口的氣動光學效應(yīng)，并進行了超音速的機載平臺外掛吊艙氣動光學試驗。高天元等[70]針對機載平臺光通信試驗中的觀測獲得氣動光學效應(yīng)現(xiàn)象，采用衍射光學理論和光學方法，研究了氣動光學效應(yīng)的原理分析和有效補償方法。殷柯欣等[71]分析了航空平臺飛行高度、速度、終端位置等參數(shù)對光學平臺像差的影響作用。孫寧等[72]針對氣動光學效應(yīng)的產(chǎn)生原理、數(shù)值計算和仿真進行研究，分析了在不同機載光通信參數(shù)條件下，氣動光學對通信鏈路性能的影響。張曦文等[73]慮飛機高速運動和高空大氣信道，分析了大氣附面層結(jié)構(gòu)，理論研究了機間激光光束傳輸中的聚焦效應(yīng)和氣動光學效應(yīng)。

5.4 航空光網(wǎng)絡(luò)

當前文獻研究主要集中于航空信息網(wǎng)絡(luò)及自由空間光通信(Free-space Optical Communication, FSOC)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化及設(shè)計問題。Vey Q等[74]提出了航空自組織網(wǎng)絡(luò)(Aeronautical Ad-hoc Network)，考慮利用移動自組網(wǎng)技術(shù)來實現(xiàn)航空平臺優(yōu)化組網(wǎng)。谷文哲等[75]針對航空自組織網(wǎng)絡(luò)中的QoS路由問題進行研究，提出了基于時延感知、拓撲感知和移動感知的路由算法。李晶等[76]考慮航空自組網(wǎng)的節(jié)點移動特點，建立了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動模型和鏈路穩(wěn)定性模型。Nestor D等[77]針對FSOC網(wǎng)絡(luò)，考慮鏈路及發(fā)射功率有限條件，提出了基于隨機網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及Lyapunov理論的任務(wù)優(yōu)化調(diào)度方法。Y Tang等[78]針對混合RF/FSO并行網(wǎng)絡(luò)，考慮大氣湍流效應(yīng)，提出了一種網(wǎng)絡(luò)控制方法，研究了網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。針對航空激光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)研究較少，Zachary C. Bagley等[42]針對ORCA項目中的機載激光/射頻混合網(wǎng)絡(luò)，提出了鏈路層重傳機制和基于混合鏈路的失效備緩策略來應(yīng)對由于大氣湍流及平臺移動性導致的網(wǎng)絡(luò)中斷。

5.5 高空大氣信道及氣動光學效應(yīng)下航空激光鏈路建模

航空平臺間光通信鏈路處于高空大氣信道環(huán)境中，由于大氣環(huán)境不穩(wěn)定性高空大氣、溫度、氣壓、平臺振動等因素會導致航空平臺間信道動態(tài)變化。大氣吸收和散射效應(yīng)會導致接收光功率的衰減，大氣湍流導致的光強閃爍效應(yīng)嚴重影響鏈路傳輸性能。航空平臺在大氣環(huán)境中高速動態(tài)運行特性會引起氣動光學效應(yīng)，造成光束擴展、波前漂移及遠場峰值強度降低，嚴重影響光通信系統(tǒng)性能。激光終端的高頻振動和低頻抖動會造成光束傳輸指向誤差，造成接收端探測光功率降低。高空大氣信道條件及氣動光學效應(yīng)對航空平臺間光通信鏈路的通信性能影響需要準確深入的研究。因此，系統(tǒng)研究大氣信道特性，建立高空環(huán)境下航空平臺間光通信模型，分析不同大氣信道通信環(huán)境影響下光通信鏈路差錯性能，可為鏈路性能改善和通信系統(tǒng)設(shè)計提供理論參考。

5.6 航空平臺RF/FSO鏈路協(xié)同

考慮到激光和射頻通信技術(shù)各自優(yōu)勢，航空光通信與傳統(tǒng)機間射頻數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的混合應(yīng)用，是建立高速穩(wěn)定的航空通信鏈路，實現(xiàn)航空信息網(wǎng)絡(luò)的重要途徑。在未來航空信息網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)射頻通信網(wǎng)絡(luò)與光通信網(wǎng)絡(luò)之間的異構(gòu)融合和無縫接入是需要解決的重點問題。因此，構(gòu)建航空平臺混合RF/FSO中繼傳輸系統(tǒng)，分析不同中繼方式下混合RF/FSO鏈路的信道特性，研究鏈路傳輸差錯性能，可為實現(xiàn)FSO及RF通信技術(shù)優(yōu)勢互補，增強航空平臺間鏈路傳輸可靠性提供理論基礎(chǔ)。

5.7 航空信息網(wǎng)絡(luò)中流量工程問題

考慮航空節(jié)點在業(yè)務(wù)特點、運行環(huán)境、技術(shù)體制及應(yīng)用類型等方面的差異性，以及航空平臺間激光及射頻混合通信鏈路的傳輸特征，航空信息網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)及業(yè)務(wù)多樣化的特點，而不同航空業(yè)務(wù)具有不同的傳輸需求，包括端到端延遲、丟包率、QoS等級等網(wǎng)絡(luò)需求指標。此外，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，空間信息傳輸需求不斷增長，海量的重要信息需要通過航空平臺進行傳輸。面對航空信息網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流量的迅速增長及業(yè)務(wù)異質(zhì)性的特點，如何對網(wǎng)絡(luò)中流量進行靈活的調(diào)度控制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用和合理分配，是航空信息網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)應(yīng)用中亟待解決的問題。因此，利用邏輯集中的網(wǎng)絡(luò)管控策略，建立航空信息網(wǎng)絡(luò)流量負載均衡模型，并提出高效的流量調(diào)度優(yōu)化算法進行求解，是實現(xiàn)航空信息網(wǎng)絡(luò)中流量業(yè)務(wù)的調(diào)度規(guī)劃，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的有效方案。

5.8 新型航空信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

將軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)思想引入航空組網(wǎng)中，建立邏輯集中控制的網(wǎng)絡(luò)管控策略，能夠?qū)崿F(xiàn)航空信息網(wǎng)絡(luò)中流量業(yè)務(wù)的優(yōu)化調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)的靈活配置，滿足空間信息網(wǎng)絡(luò)中多類用戶傳輸需求。然而航空信息網(wǎng)絡(luò)具有空間大尺度分布、業(yè)務(wù)流量大、傳播時延長、傳輸鏈路時變等特點，需要控制器部署方案具有高可靠性、低傳輸時延和負載均衡的能力。因此，針對邏輯集中控制航空信息網(wǎng)絡(luò)的特點，研究航空信息網(wǎng)絡(luò)中控制器部署問題，建立控制器部署的整數(shù)規(guī)劃模型并提出部署優(yōu)化算法進行求解，獲得控制器的最佳部署方案，是實現(xiàn)航空信息網(wǎng)絡(luò)資源靈活調(diào)度和管理的重要研究內(nèi)容。