無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)及發(fā)展

何源潔 張華鵬

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081）

（2.火箭軍裝備部駐廊坊地區(qū)軍事代表室 河北省廊坊市 065000）

無人機(jī)（UAV）數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o人機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，是無人機(jī)系統(tǒng)高效運行必不可少的關(guān)鍵組成部分之一。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o人機(jī)與其他信息系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、武器系統(tǒng)（如無人機(jī)、導(dǎo)彈、有人機(jī)等）等聯(lián)系的信息橋梁，是實現(xiàn)信息互通、互操作等聯(lián)合作戰(zhàn)的手段，可構(gòu)建跨系統(tǒng)、跨平臺的信息化系統(tǒng)。

目前，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈主要用于無人機(jī)遙控、遙測、跟蹤定位、信息傳輸、態(tài)勢共享、網(wǎng)絡(luò)互連。這些U 關(guān)鍵特征使得UAV 在現(xiàn)代軍事情報偵查、武器引導(dǎo)、態(tài)勢信息傳輸、戰(zhàn)場指揮控制、復(fù)雜高危探測和高空信息采集等方面的使用成為了可能，為UAV 在戰(zhàn)場的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

隨著無人機(jī)系統(tǒng)在各國軍事行動中的大量應(yīng)用，無人系統(tǒng)正逐漸由支援作戰(zhàn)裝備向主戰(zhàn)裝備發(fā)展。為了適應(yīng)信息化條件下作戰(zhàn)模式由單機(jī)獨立作戰(zhàn)到集群作戰(zhàn)、集群作戰(zhàn)到多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的轉(zhuǎn)變，無人系統(tǒng)也逐漸由點對點工作模式發(fā)展為局部網(wǎng)絡(luò)模式、局部網(wǎng)絡(luò)模式再融入全球信息柵格(GIG)中，最后融入到網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)作戰(zhàn)體系中。

1 國外無人機(jī)典型數(shù)據(jù)鏈

1.1 通用數(shù)據(jù)鏈

通用數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)敲绹鴩啦坑?991年開始發(fā)展，它在飛機(jī)和地（海）面之間提供全雙工、寬帶、點對點數(shù)據(jù)通信鏈路。上行通信速率為200kbps，下行通信速率分別為10.71-45 Mbps、137 Mbps和274 Mbps，未來將實現(xiàn)548Mbps 和1096Mbps 通信速率。通用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)定義了5 種類型的鏈路，如表1所示。

表1：CDL 定義的5 種類型的數(shù)據(jù)鏈

1.2 戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈路

由于通用數(shù)據(jù)鏈路終端的重量、體積和價格等因素限制了其在戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)上的應(yīng)用，于是美國防部提出了為戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)開發(fā)戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈路（TCDL）的計劃。

TCDL 是全雙工、點對點視距微波通信數(shù)據(jù)鏈路，可在200 公里范圍內(nèi)，支持空-地信息傳輸，工作在Ku 頻段，上行速率為200kbps，下行速率為10.71Mbps，還能支持速率高達(dá)45Mbps 的通信方式，未來將擴(kuò)展到137Mbps 和274Mbps，并以下行速率與現(xiàn)有的通用數(shù)據(jù)鏈路互通、互操作。該數(shù)據(jù)鏈路具有體積小、總量輕、造價低、模塊化結(jié)構(gòu)等特點，能夠滿足多種需要。

1.3 高集成數(shù)據(jù)鏈

高集成數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)怯糜谂炌c無人機(jī)之間傳輸信息的全雙工、抗干擾、高安全性的數(shù)據(jù)鏈，能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下完成無人機(jī)的發(fā)射、回收控制，并實現(xiàn)一個地面站同時控制多個無人機(jī)。可與頻段更高的TCDL 一同使用，能將無人機(jī)集成到信息網(wǎng)中。HIDL 工作在UHF 波段，上行傳輸速率約為100kbps。下行傳輸速率為3kbps-20Mbps，都具有抗干擾、保密功能。與TCDL 不同的是HIDL 將設(shè)計成一條高綜合性鏈路，而不只是一條寬帶鏈路。

2 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈融入GIG分析

2.1 融入GIG的時間進(jìn)程

網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)鏈只是解決了局部組網(wǎng)的問題，為了實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的全球共享，支持全球聯(lián)合作戰(zhàn)，美軍發(fā)展了GIG。GIG 是美軍建設(shè)的軍事信息基礎(chǔ)平臺，為美軍建立新型指揮控制體系提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，具有全球互聯(lián)、互通、互操作的信息處理能力。

無人系統(tǒng)從專用鏈路發(fā)展到GIG，必須要解決如何發(fā)展和如何接入二個問題。關(guān)于如何發(fā)展問題，美軍在“2005 ～2030年美國無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展路線圖”中對發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行了規(guī)劃，預(yù)計在10年～15年實現(xiàn)無人機(jī)從專線到GIG 的轉(zhuǎn)變。根據(jù)相關(guān)資料分析，美軍目前處于第一階段和第二階段交互階段，一方面通過對原有設(shè)備的升級改造使之具有接入GIG 的能力，另一方面要求新研設(shè)備符合標(biāo)準(zhǔn)的接入格式。

2.2 融入GIG的方式及問題

無人系統(tǒng)如何接入到GIG，概括地講有如下二種方法：

（1）采用網(wǎng)關(guān)與GIG 接口。

（2）全面研究一種支持IP 傳輸波形，以獲得良好的適應(yīng)能力。

美軍在推進(jìn)無人系統(tǒng)接入GIG 的過程中發(fā)現(xiàn)存在幾個問題：

（1）GIG 的傳輸帶寬不足。不能支持將無人平臺的高帶寬數(shù)據(jù)實時分發(fā)給戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)和作戰(zhàn)用戶；

（2）信息處理和數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一。許多無人系統(tǒng)采用了專用的信息存儲、處理和分發(fā)方法以及專用的任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而妨礙了不同系統(tǒng)、各兵種和各用戶之間的信息共享。

為了解決以上問題，特別是GIG 的傳輸帶寬不適應(yīng)無人機(jī)偵察信息高速傳輸?shù)膯栴}，美軍在“無人系統(tǒng)一體化路線圖（2013-2038財年）”中提出了支持無人系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)架構(gòu)。該架構(gòu)規(guī)劃了無人航空系統(tǒng)、無人海上系統(tǒng)、無人地面系統(tǒng)通過視距或超視距手段將寬帶偵察數(shù)據(jù)傳輸給地面指揮控制站網(wǎng)關(guān)，所有無人系統(tǒng)的地面控制站網(wǎng)關(guān)通過國防信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（DISN）將數(shù)據(jù)傳送到云支持的數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心由國防計算機(jī)中心負(fù)責(zé)，并將處理后的數(shù)據(jù)流通過GIG 分發(fā)給全球用戶。

3 融入網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)

通過上述分析，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈正朝著通用化、網(wǎng)絡(luò)化、體系化、互操作方向發(fā)展，將無人機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)體系中的一個節(jié)點，實現(xiàn)測控、偵察、協(xié)同、打擊的一體化。最終建立一個以數(shù)據(jù)鏈為基礎(chǔ)、以GIG 為依托、滿足空天地全維覆蓋的信息系統(tǒng)，在第一時間將正確的信息分發(fā)給正確的無人機(jī)平臺，有效縮短“OODA”的時間鏈。由此可見，根據(jù)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展方向，接入網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)體系需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈開放式體系架構(gòu)設(shè)計技術(shù)

開放式標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范是降低無人系統(tǒng)互操作難度的關(guān)鍵，也是整合專用數(shù)據(jù)鏈的關(guān)鍵。開放式體系結(jié)構(gòu)可參照和吸收美軍的聯(lián)合無線電系統(tǒng)（JTRS）的經(jīng)驗，重點在消息格式、軟件無線電技術(shù)、動態(tài)浮動加載等技術(shù)方面開展研究。

無人機(jī)系統(tǒng)的消息格式主要包括飛行管理信息、航電管理信息、任務(wù)載荷信息、武器控制信息及數(shù)據(jù)鏈信息等多種，只有這些數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)化的格式，才能方便地被各兵種數(shù)據(jù)處理中心識別，并進(jìn)行存儲、處理、傳輸和分發(fā)。開放的體系架構(gòu)必然是一個網(wǎng)絡(luò)化的架構(gòu)，具備不斷演進(jìn)的功能。通過國外的經(jīng)驗可知，軟件無線電架構(gòu)是一種開放的架構(gòu)。軟件無線電技術(shù)可參考軟件通信體系架構(gòu)（SCA）規(guī)范，ASAAC 標(biāo)準(zhǔn)等，構(gòu)建軟件可定義的平臺終端。

3.2 多數(shù)據(jù)鏈融合處理與綜合集成技術(shù)

隨著無人機(jī)在多領(lǐng)域的應(yīng)用，其用途也是多種多樣。為了支撐無人機(jī)不同的作戰(zhàn)應(yīng)用，滿足無人機(jī)對不同類型信息的傳輸需求，無人機(jī)上需要裝備多種數(shù)據(jù)鏈。軟件通信體系架構(gòu)（SCA）規(guī)范是實現(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈綜合集成與信息互聯(lián)互通有效手段。制定統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議、波形規(guī)范和平臺集成交鏈協(xié)議，以使數(shù)據(jù)鏈具有靈活的應(yīng)變能力，從而提高通信業(yè)務(wù)的質(zhì)量，簡化系統(tǒng)硬件的組成，并通過軟件重用等技術(shù)減少新波形的開發(fā)周期。

3.3 智能綜合多域抗干擾技術(shù)

在未來戰(zhàn)場上，電磁環(huán)境將十分惡劣，信息化戰(zhàn)爭的態(tài)勢也將異常復(fù)雜。抗干擾能力的難點在于如何確定干擾頻譜并采用何種策略將其抑制。為了提高無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈裝備抗干擾能力，需要解決多種無線信號帶來的干擾、信號特征暴露、保密性差等問題。采用多維的綜合抗干擾、抗截獲、抗檢測手段，實現(xiàn)多維抗強(qiáng)干擾信息傳輸與分發(fā)應(yīng)對未來復(fù)雜電磁戰(zhàn)場環(huán)境，提高無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈信息傳輸?shù)目煽啃院皖B存性。主要可以從以下幾個方面考慮：

（1）時域上，通過增加發(fā)射的隨機(jī)性或減少發(fā)射時間來獲得抗干擾、隱身性能；

（2）頻域上，通過載波頻率的隨機(jī)、不規(guī)則變化來獲得隱身性能，如隨機(jī)跳頻；

（3）空域上，通過天線的智能空域濾波處理，提升抗干擾性能；

（4）智能域，通過人工智能，機(jī)器學(xué)習(xí)，自主決策采用合適的抗干擾策略，控制抗干擾波形參數(shù)，實現(xiàn)智能感知、學(xué)習(xí)、決策、實施，完成數(shù)據(jù)鏈抗干擾與效率的最優(yōu)化。

3.4 基于人工智能的快速信息處理與融合技術(shù)

人工智能將成為下一代工業(yè)革命的助推器。美國已經(jīng)將人工智能作為下一代武器裝備的核心之一。未來戰(zhàn)場將是個無人裝備為主的戰(zhàn)場，無人機(jī)不但可以通過預(yù)警機(jī)、有人機(jī)、其他彈藥武器獲取戰(zhàn)場信息，而且自身也攜帶較多的偵察設(shè)備，包括ESM、SAR、紅外搜索跟蹤、光電雷達(dá)、激光測距/指示等，這些信息呈現(xiàn)出多源、異構(gòu)、海量的特點。為了解決在有限帶寬的條件下多源、異構(gòu)、海量信息實時、高效傳輸和抗干擾問題，就需要使用目標(biāo)特征提取與綜合識別、分布式數(shù)據(jù)挖掘、基于傳感器特性的數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)對海量信息進(jìn)行預(yù)處理，剔除海量信息中的冗余部分，然后采用DDS 分布式數(shù)據(jù)服務(wù)，將獲取到的初步處理后的情報數(shù)據(jù)分發(fā)給網(wǎng)內(nèi)各參戰(zhàn)單元。

4 總結(jié)

未來戰(zhàn)爭是無人化的戰(zhàn)爭，無人機(jī)將在未來戰(zhàn)爭中扮演十分重要的角色。無人系統(tǒng)是在以技術(shù)進(jìn)步為基礎(chǔ)、無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈以滿足作戰(zhàn)需求為前提、以提升軍事應(yīng)用的深度和廣度為牽引下發(fā)展的，因此，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈需要開放的體系架構(gòu)。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)化以及多鏈融合的發(fā)展將進(jìn)一步促進(jìn)其在作戰(zhàn)體系中的性能發(fā)揮。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通用化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展必將促進(jìn)無人系統(tǒng)快速融入信息柵格，并且能夠適應(yīng)無人系統(tǒng)作戰(zhàn)模式演進(jìn)的需要。