無線激光通信在海上大型無人機中的應用

劉錫國，劉 敏，毛忠陽，胡 昊，徐建武，王紅波

(1.海軍航空大學 a. 信號與信息處理山東省重點實驗室； b. 航空通信教研室，山東 煙臺 264001；2.海軍91599部隊，山東 煙臺 265200)

0 引 言

隨著無人機技術的不斷發展成熟，無人機在軍事領域扮演著越來越重要的角色。近年來的幾場局部戰爭中，無人機的應用更加體現出其優勢和重要性。現代信息化戰爭對無人機系統提出了更高的要求，無人機通信鏈路是實現遠程測控和任務載荷的必備條件。傳統的無人機測控和數據鏈路都是基于無線電射頻技術的，隨著無線激光通信技術和相關器件的發展，無線激光通信技術逐漸應用到了無人機系統中[1-3]。

海上大型無人機主要用于海洋勘探、應急救生、維和護航以及查證識別和偵察巡邏等軍事及特殊應用領域，因此無線光通信技術在海上大型無人機領域有著廣泛的應用前景。本文分析了機載無線激光通信技術及實驗的發展和趨勢，描述了潛在應用場景并對其通信需求進行分析，在此基礎上結合無線激光通信的關鍵技術，對其在海上大型無人機應用領域的關鍵技術展開了分析，為進一步推廣無線激光通信手段在海上大型無人機領域中的應用提供支持。

1 機載無線激光通信技術的發展現狀

無線激光通信又稱自由空間光通信(Free Space Optical，FSO)，是指利用激光作為信息載體，通過大氣信道傳輸信息的技術[4-7]，具有速率高、保密性好和抗電磁干擾等特點。作為無線激光通信應用的一個重要方向，機載激光通信自上世紀70年代起就受到了世界各國的普遍重視。國內外開展了一系列基于各型機載平臺的無線激光通信研究和實驗，其中也包括了部分無人機平臺測試和研究。

上世紀70～90年代，美國首先利用KC-135等有人機載平臺開展了一系列實驗[4-7]，實現了最遠距離為160 km以及最高速率為1 Gbit/s的機載空-地和空-空激光通信實驗。在接下來的20多年里，美、德和法等國家分別開展了無人機低速單向地-空激光通信[8]以及遠距離有人/無人機對地高速激光通信[9-11]；近10年來，美國和法國等國家開展了Gbit/s量級的高速率無人機對衛星和對地無線激光通信[1]，并開展了基于高空大型無人機的民用無線光通信組網研究[12-13]。

在國內，長春理工大學于2013年完成了兩架軍用運輸機之間的大氣激光通信測試試驗；中電34所研制了小型無人機對地激光通信樣機并進行了試驗[14-16]；海軍航空大學開展了機載藍綠激光通信信道特性研究及調制解調新方法研究[17-19]，參與了某地海上機載藍綠激光通信實驗并組織進行了無線光通信海上實驗。此外，還有多家單位針對機載無線激光通信的理論和關鍵技術開展了研究[20-21]。

綜上所述，國外對機載無線激光通信的研究和實驗起步較早，在理論研究、試驗驗證及工程化方面更為成熟，研究的重點和趨勢主要在提高通信距離、通信速率、連通率、可靠性以及工程實現等方面。機載無線激光通信主要為軍事應用，民用較少，在無人機上也有一定的嘗試，但是實際應用不多。相比國外，國內對機載激光通信研究和實現方面有一定的差距，特別是在大型無人機上的應用，理論研究和工程實踐較少，整體水平也低于國外。

2 海上大型無人機大氣激光通信應用場景設想及需求分析

能在海上執行任務的無人機通常為軍用中大型長航時無人機或大型海上艦艇或作業平臺上的專用無人機。隨著特種無人機平臺的發展，也出現了多種艦基平臺小型或微型編隊無人機。海上大型無人機主要執行海上搜救、中繼等應急任務和維和、護航以及特殊時期的軍事作戰任務，圖1所示為無人機在?？諔饒雎摵献鲬鸨尘跋碌娜蝿請鼍皯B勢假想圖。以海空戰場聯合軍事作戰為背景，海上大型無人機利用無線激光通信手段構建大容量、高速率、遠距離和低時延通信鏈路，相比于短波、超短波和微波等無線鏈路，在遠距離偵查巡邏實時圖像回傳、戰損查證識別與評估、對空對海中繼通信節點和編隊內部組網等場景下具有實際意義，將發揮重要作用。圖中包含了基于無線激光通信鏈路的偵查無人機偵查巡邏數據回傳、無人機通信中繼、多無人機編隊組網、無人機與作戰飛機、艦艇編隊混合組網和無人機對潛通信等多個應用場景設想。

圖1 ?？諔饒雎摵献鲬鹜ㄐ艖B勢假想圖

由圖1可知，海上大型無人機任務類型和任務場景設想主要有以下幾個：

(1) 無人機海上偵察巡邏

在岸?？章摵献鲬饡r，海上大型偵查無人機通常以岸基指揮所和陣地為基地，在特定海域上空承擔海上偵察巡邏、跟蹤監視和毀傷評估等任務，此時，一般有我方水面艦艇或預警機在視距范圍內。地面、空中或艦載平臺控制端與無人機的直線距離不超過350 km，無人機與控制端保持視距控制鏈路與數傳鏈路，其偵察、識別的實時圖像將通過數據鏈路回傳到控制端，而后經控制端所在平臺中繼或處理后傳送至指揮所。

此場景下，典型的無人機測控鏈路和數據鏈路為微波鏈路，將面對敵方無線電偵察、截獲和干擾威脅，且微波鏈路速率受限，在保證無人機測控鏈路有足夠鏈路余量的前提下，光電偵察視頻數據壓縮率高、分辨率低和回傳質量差，在一定程度上影響了各級指揮所的態勢研判和決策。

對此，可采用無線激光通信鏈路代替微波鏈路，或與現有微波鏈路互補使用。若按照通信速率1 Gbit/s、距離350 km設計大氣激光通信系統，無人機及地面(艦艇、空中平臺)各安裝一臺具有捕獲、跟蹤與瞄準(Acquisition Tracking and Pointing, ATP)功能的小型無線激光光端機，實現點對點通信，可滿足現有需求。

該場景應用難點在于保證無線激光鏈路100%可通率。現有條件下，激光受海上云層、霧、霾和氣溶膠等影響，鏈路光功率衰減大、接收信噪比低，以及平臺抖動、鏈路散射和折射導致的光束漂移將嚴重影響鏈路可通率。解決方法是提高系統設計余量、采用高靈敏度接收模塊、采用先進的調制解調和編碼方法以及采用光/微波混合鏈路[22-24]等。

(2) 無人機空中中繼通信

海上大型無人機可通過加載通信中繼載荷作為空中中繼節點來實現無線激光中繼通信，保證視距范圍內地面指揮所、機動作戰單元、海上艦艇編隊以及大型特種任務飛機、艦載戰斗機和其他任務無人機編隊等信息傳輸，提高通信覆蓋范圍和可靠性。

此場景下，根據中繼對象和承載業務的不同，無人機將作為通信中繼網絡中心節點或轉發節點。受限于紅外激光的點對點傳輸特性，一般需要配置多個光端機或具有多發多收功能的光端機，分別與不同中繼對象建立通信鏈路，實現組網通信。光端機的參數指標需要針對實際需求確定。

典型的應用是非視距鏈路點對點中繼，例如海上艦艇編隊與岸基指揮所通過空中無人機實現高速率非視距無線激光通信鏈路中繼，以及岸基指揮所通過空中無人機無線激光通信混合鏈路中繼實現350 km以外空中及海上平臺的高速數據通信。該應用場景下，系統的技術難點在于機載光端機的小型化和自動跟蹤對準實現以及可調速率糾錯編碼算法的實現。

(3) 無人機無線激光編隊通信

由大量小型或微型無人機構成無人機群實現“蜂群”作戰是無人機作戰的新模式，此時無人機群存在外部通信和內部組網通信，外部通信主要是實現對無人機群的指揮和控制，內部組網通信主要是實現內部組網和信息傳輸，關于蜂群無人機的無線電組網通信有大量文獻研究，這里不再贅述。無線激光通信具有極好的抗干擾和隱蔽特性，因此可采用無線激光通信技術替代無線電實現無人機編隊的組網通信?；驹O想是通過紅外大氣激光通信實現無人機群與其他有人飛機以及多個無人機群間的高速率點對點外部通信，通過紫外激光通信系統的散射特性[25-26]實現無人機群內部的低速組網通信。

(4) 無人機激光對潛通信

對潛通信是全世界戰略通信的重點和難點問題。目前除了傳統的甚低頻對潛通信外，已有部分機載藍綠激光對潛通信和衛星對潛通信的研究[17-19,27-29]。無人機可代替有人駕駛飛機實現對潛通信，作為對潛通信的有效手段之一。相比無人機，星載激光通信系統更適用于活動范圍更廣和更為隱蔽的大型戰略潛艇，而有人機和無人機更適用于相對小型的戰術潛艇通信。該場景下，無人機可具備多條鏈路，其中通過短波、超短波、衛星或無線激光鏈路實現指揮所與無人機的信息傳輸，無人機安裝藍綠激光對潛通信端機設備，通過無人機的空中機動，間斷性地覆蓋特定海域，實現對潛通信。無人機機載無線激光對潛通信可一定程度上代替現有的甚低頻以及有人機載對潛通信，是海上大型無人機大氣激光通信應用的一個重要方向。

3 大氣激光通信在海上大型無人機應用中的關鍵技術分析

機載大氣激光通信技術的發展應用和技術進步使得海上大型無人機大氣激光通信的各種潛在應用成為可能，但是無線激光通信技術在無人機應用中也存在多項關鍵技術亟待突破和挑戰，主要包含以下幾個方面：

(1) 精確定位和跟蹤技術

ATP是點對點無線激光通信系統的核心和難點。根據上述場景分析，海上大型無人機的通信對象包含其他空中飛機平臺、海上艦艇平臺、陸上固定指揮所及陣地等，是典型的“動中通”通信鏈路，不僅無人機一端是三維運動平臺，受平臺本身運動姿態、運動軌跡和自身震動的影響大，而且另一端也可能是多維度運動平臺(例如艦艇編隊、其他飛機等)，大型無人機無線激光通信鏈路距另一端相對更遠，受信道特性影響，衰減和抖動更大，因此海上大型無人機機載光通信系統對實時動態ATP技術要求更高，要求系統具有更高的動態指向、穩定精度以及抗擾動和振動能力。關鍵技術研究方面，需要結合特定場景，在ATP系統復合軸光路結構優化設計、粗/精跟蹤捕獲算法優化、信標光/信號光抗抖動跟蹤誤差消除算法和高動態閉環控制技術等方面進行深入研究。

(2) 鏈路增強技術

目前的高速率遠距離大氣激光通信系統通常采用紅外波段激光，海上大型無人機無線激光通信主要也采用紅外波段激光，其對霧、霾和水蒸氣等氣溶膠較為敏感，紅外激光在穿過大氣信道時，會受到大氣介質的影響，產生大氣衰減、湍流和散射等效應，導致發生發射光束漂移、抖動、衰減以及波前畸變等現象。特別是海上大型無人機需要在海面不同高度下執行各類任務，受海洋氣候環境的影響和接收端靈敏度和信噪比限制，隨著通信距離的增加，通信速率很難提高，嚴重時將導致通信中斷。保證在復雜海上氣候條件下無人機通信鏈路的高可通率是無人機大氣激光通信實際應用的關鍵問題，因此需要開展鏈路增強關鍵技術研究。一是開展海洋環境下無人機對空、海、陸鏈路大氣信道特性建模分析、實時信道估計及均衡補償等技術研究，增強鏈路的可靠性；二是結合正交頻分復用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)、正交空時編碼、高階調制、自適應編碼、軌道角動量 (Orbital Angular Momentum, OAM)復用[30-32]和相干光檢測[33-35]等技術提高系統的傳輸效率，開展海上光信道下的調制、編碼及檢測技術研究；三是采用無線光/射頻 (Free Space Optical/ Radio Frequency，FSO/RF)互補鏈路，設計激光/射頻一體化端機，利用激光和微波射頻鏈路對不同環境的適應性實現實時鏈路切換，進一步增強鏈路的可靠性和可通率。

(3) 混合組網技術

海上大型無人機在應用中面臨各種組網的需求，但由于大氣激光通信的固有定向傳輸特性，發射功率受限，通常很難采用類似無線電全向通信的方式實現時分、頻分或碼分組網，只能采用小束散角點對點傳輸無線激光通信模式。在多無人機編隊組網、無人機與艦艇編隊組網、無人機與艦艇和飛機等平臺分層組網等場景下，需要開展混合組網技術研究。一是基于紅外激光的功率受限和單向傳輸特性，在每個無人機節點上安裝多個激光通信端機，研究無線激光多跳網絡拓撲控制和路由策略，結合信道特性感知和節點其他鏈路(短波、超短波、微波和激光)開展基于機器學習和人工智能的多信道跨域組網研究；二是利用紫外光的散射特性，開展近距離紫外光編隊低速自組網研究。

4 結束語

海上大型無人機的大發展和實際需求與無線激光通信技術的進步使無線激光通信技術用于無人機成為可能。本文在分析已有機載無線激光通信技術與試驗進展的基礎上，對海上大型無人機大氣激光通信的應用場景、應用需求、面臨的挑戰以及關鍵技術進行了初步分析，為我國海上大型無人機無線激光通信的應用及發展提供了借鑒。

隨著人們對無人機應用重視程度的不斷提高和對無線光通信技術的逐漸深入了解，兩者結合的可能性也越來越大。在不遠的將來，在大型岸基無人機系統與艦載無人機系統中，無線光通信鏈路將取代現有的微波測控與中繼鏈路系統，與衛星鏈路共同成為海上大型無人機通信鏈路的主要手段，實現遠距離高速保密點對點通信或組網通信；在對潛通信應用上，基于無人機的藍綠激光通信手段也將作為現有手段的有力補充，提高水下潛艇的信息感知能力。民用領域，在海上搜救和維和等場景下，民用大型無人機也將具備無線激光通信能力，為人們的生產生活提供服務。