淺析美軍無人機數據鏈技術與發展趨勢

胡玉鵬，陳帥，管強

61255部隊

隨著人工智能、自主控制、大數據等前沿技術的發展與應用，無人機的運用范圍更加廣泛，這要求無人機數據鏈具有更優異的性能。本文闡述無人機數據鏈技術，重點分析美軍無人機數據鏈的類型、發展現狀與趨勢。

無人機系統主要包括無人機平臺、飛行控制、通信、動力、發射與回收等系統，各個分系統協同工作，保證無人機高效、準確地完成各項任務。作為一種高性能、智能化系統，無人機在偵察、監視、打擊、戰場毀傷評估、通信中繼、測繪、應急救援、巡檢、貨物運輸等軍事和民用領域發揮著不可替代的作用，而且應用領域正在不斷拓寬。在遂行任務過程中，無人機系統既面臨著多徑衰落、碼間串擾、多用戶干擾等來自己方的無意干擾，又面臨著敵方干擾機釋放的干擾信號等惡意干擾。有效的數據采集、準確的數據傳輸以及高效的數據融合處理，是無人機系統成功完成任務的基礎。因此，無人機數據鏈技術至關重要。

無人機數據鏈概述

無人機數據鏈是任務機與地面控制站之間，任務機與通信中繼機、武器系統、其他裝備之間，按照約定的通信協議和信息傳輸方式，實現指令交互、信息傳輸的無線通信鏈路。傳感器、指揮控制中心、武器之間通過數據鏈建立了一種實時、高效的信息交互網，以滿足體系化作戰信息共享的需求。作為無人機系統的信息傳輸網絡，數據鏈為無人機系統內部、無人機系統與其他作戰系統之間搭建了一個實時性信息通信網絡，實現戰場情報、指揮控制信息、裝備協同作戰信息的實時分發。無人機與指揮控制中心實現互聯互通，是無人機系統融入網絡化作戰體系的前提條件，數據鏈在整個作戰體系中發揮著重要作用。

地面控制站通過上行鏈路向實戰中的無人機發送遙控指令，以此控制無人機的飛行姿態、飛行速度、飛行航線等；遠程遙控無人機將獲取的戰場情報信息、自身的飛行姿態信息通過下行鏈路傳輸給地面控制站，以實現信息反饋。但是，敵方會發送干擾信號，擾亂無人機數據鏈的正常工作。圖1是無人機數據鏈工作和受到干擾的示意圖。

圖1 無人機數據鏈工作和受到干擾的示意圖。

美軍數據鏈的類型

根據不同的作戰任務，美軍無人機數據鏈可分為測控數據鏈、指揮控制數據鏈、偵察監視數據鏈和協同作戰數據鏈等類型，其用途及典型產品詳見表1。

表1 美軍無人機數據鏈的類型及典型產品。

隨著時代發展，無人機的作戰環境、作戰背景、作戰任務越發多樣，復雜電磁環境的干擾日趨嚴重，對無人機數據鏈提出了更高的要求。

美軍無人機數據鏈的發展現狀

美軍研制了“死神”“全球鷹”等多型無人機系統，在近年爆發的幾場高科技局部戰爭中大放異彩。當前，美軍無人機數據鏈正在向通用數據鏈體制過渡，主要包括Link 16數據鏈、Link 22數據鏈、通用寬帶數據鏈(CDL)、戰術數字數據鏈(TDDL)、戰術通用數據鏈(TCDL)、高完整性數據鏈(HIDL)。

Link 16 數據鏈

隨著美國三軍聯合戰術信息分發系統(JTIDS)的研究和應用，Link 16數據鏈應運而生。該數據鏈的工作頻段為UHF頻段，是集時隙管理、網絡同步、加密數據交互、入退網等功能于一體的戰術數據鏈系統，具有加密性好、實時性高、吞吐量大等優勢，適用于無人機數據通信，并能實現陸基、海基、空基平臺間的戰術信息共享，在協同作戰中發揮重要作用。

Link 22數據鏈

在現有Link 16數據鏈的戰術功能基礎上，美軍對Link 22數據鏈進行了改進，旨在取代Link 11數據鏈。Link22數據鏈在HF或UHF頻段工作，具有抗干擾性強、加密性好、可靠性高等特點，采用時分多址（TDMA）和動態時分多址（DTDMA）兩種接入方式，通信網絡中的每個節點占用一個微時隙，用于數據傳輸。在高頻定頻時數據傳輸速率為1120 ～4053b/s，在高頻跳頻時達500 ～2200b/s，在超高頻定頻時可達到12.667Kb/s，適合無人機數據通信，可實現空中、地面、水面、水下系統間的目標信息傳輸，實時傳輸控制命令和預警信息。

通用寬帶數據鏈

無人機獲取的大部分信息為圖像、視頻，這些海量信息對無人機數據鏈的帶寬以及安全性提出了新的要求。為此，美軍成功研制了通用寬帶數據鏈。該數據鏈在X波段或Ku波段工作，未來可能使用Ka波段。無人機通過下行通用寬帶數據鏈將傳感器情報傳給地面控制站，數據傳輸速率可以設置為274Mb/s、137Mb/s、21.42Mb/s、10.71Mb/s 等速率；地面控制站通過上行通用寬帶數據鏈，將指令、話音數據、位置信息、導航數據等信息傳給空中系統，數據傳輸速率可達200Kb/s。通用寬帶數據鏈具備加密性好、全雙工通信、點對點寬帶數據傳輸等優點，實現了各個節點間的戰術情報信息傳輸。

戰術數字數據鏈

戰術數字數據鏈使用軟件定義的無線電技術，通過編程設置調制方式和數據傳輸速率，便捷可靠，具有加密性高、全雙工通信、抗干擾、點對點數據傳輸等優勢，能與戰術通用數據鏈兼容。戰術數字數據鏈的機載設備質量低于6kg，作用距離可達到200km，上行數據傳輸速率為2Mb/s，下行數據傳輸速率可達45Mb/s，能在多個頻段工作，兼容性高，數據傳輸速率高、數據吞吐量大。

戰術通用數據鏈

由于通用寬帶數據鏈具有機載設備質量大、價格高等缺點，未能被無人機廣泛使用。因此，美軍迫切須要一種能與通用寬帶數據鏈兼容，價格便宜，且能傳輸多種小型無人偵察機數據的數據鏈。正是這種新需求的牽引，美軍開發了戰術通用數據鏈，該數據鏈也稱“鷹鏈”，在Ku頻段工作，可在加密、抗干擾模式下實現全雙工、點對點數據通信，能以上行數據傳輸速率200Kb/s和下行數據傳輸速率10Mb/s，為無人機與有人機之間、無人機與地面控制站之間提供安全、可互操作寬帶數據傳輸，并能與原有的通用寬帶數據鏈兼容，數據傳輸速率甚至可達137Mb/s或274Mb/s。

高完整性數據鏈

高完整性數據鏈是一種加密、全雙工、窄帶、抗干擾數據鏈，應用于艦艇與無人機之間的信息傳輸，可以幫助操控員控制在艦船上起降的無人機，而且支持無人機向地面控制站傳輸數據、視頻、圖像等信息。該數據鏈可同時控制至少兩架無人機，作用距離可達200km，能與通用寬帶數據鏈、戰術通用數據鏈兼容，數據傳輸速率為3 ～20Mb/s。

美軍無人機數據鏈關鍵技術分析

美軍無人機數據鏈涉及通信中繼、組網、通信天線等關鍵技術和天線對準與跟蹤算法。

通信中繼技術

當無人機不在地面控制站的無線電通信覆蓋范圍內，須要采用通信中繼方式來實現與地面控制站之間的通信。按照通信中繼設備所處的位置，通信中繼方式可以分為地面通信中繼和空中通信中繼兩種方式。地面通信中繼設備放置在地面控制站與無人機之間的通信斷點上；無人機或者衛星可充當空中通信中繼設備。兩種通信中繼方式相比，空中通信中繼的成本較高。

無人機作為空中通信中繼設備，優勢是移動速度快、機動性高、通信中繼信號受空間限制小，但是通信中繼無人機的抗毀能力須要加強。相較于通信中繼無人機，衛星充當通信中繼設備，信號覆蓋范圍更廣，衛星信道性能比較穩定，可用的頻帶寬，通信容量更大，但成本較高。

自組網技術

許多美軍無人機以單機方式執行任務。美軍通過地面控制站對無人機單機進行控制，形成一種以地面控制站指揮中心為起點、多架無人機為通信中繼平臺的星形架構。有關報告稱，美軍現役無人機仍然由地面控制站控制。地面控制站控制無人機的方案包括兩種。

一是地面控制站直接控制一架或者若干架無人機。該方式應用普遍，但是受面曲率以及無人機使用半徑的限制。

二是地面控制站通過若干架通信中繼無人機，實現對遠程無人機的控制以及信息傳輸。無人機集群采用自組網技術以及多跳通信方法，可以大幅拓展無人機通信信號的覆蓋范圍。

通信天線技術

全向天線結構和跟蹤裝置設計比較簡單，容易滿足各個無人機通信節點高速移動的需求，適應無人機在復雜環境中執行任務，并能保證天線增益的穩定性。定向天線擁有高增益、低旁瓣的方向圖特性，具有空間復用率高、傳輸距離遠、傳輸速率高、隱蔽性能強及可檢測性低的優勢。通信中繼無人機的數據鏈應該采用全向天線與定向天線相結合的方式，充分發揮二者的優勢，增加物理層的性能，進一步提高無人機通信中繼網絡的性能。

天線對準與跟蹤算法

圖2 由通信中繼無人機、地面控制站構建的超視距通信網絡。

天線對準是指發射端與接收端雙方天線的主瓣波束相互覆蓋對方，以達到最大的天線增益；天線跟蹤是指，當接收端的位置在通信過程中發生相對變化時，控制端使用天線跟蹤設備與算法，以確保發射端天線始終對準接收端，減小外部干擾以及機間干擾。在通信網絡初始化階段，由于拓撲信息不完整等原因，發射端須要采用全向天線搜索、發現鄰近節點的位置以及通信網絡的拓撲信息。在全向天線獲得通信節點位置信息的基礎上，定向天線在小區域進行快速掃描，達到天線對準的效果，獲得最大的天線增益。天線對準與跟蹤算法加入俯仰角、搖擺角、姿態修正等參數信息，以獲得更好的性能，確保通信雙方保持天線對準狀態。

美軍無人機數據鏈的發展趨勢

為滿足任務需求，無人機須要在更加廣闊的區域完成任務，實時傳輸大量數據信息，而且應具有信息處理、向遠程系統快速傳輸信息的能力。

安全性高

通信數據的安全性是無人機數據鏈設計與開發的前提條件。設計與開發不僅要保障無人機數據鏈將信息安全地傳輸至地面控制中心，還要防止地面控制中心被監視和打擊，以及防止敵方篡改我方無人機與地面控制中心之間的導航信號。除此之外，還須要權衡無人機數據鏈的安全性與性能。

設備小型化

美軍無人機數據鏈設備正在向小型化方向發展。美國空軍“武器數據鏈結構”計劃旨在全力打造小型化16號數據鏈。美國海軍陸戰隊“先鋒”無人機裝備“星鏈”緊湊型數據鏈設備，“星鏈”數據鏈中的無人機機載通信設備重量僅0.23-0.30kg，并能與美國陸軍開發的戰術通用數據鏈實現高度兼容。雖然無人機數據鏈設備的重量正在不斷減輕，但數據傳輸能力須要增強，數據傳輸的可靠性須要提高，這對無人機數據鏈的設計與開發提出了更高的要求。美軍認為，軟件無線電技術可實現無人機數據鏈設備的小型化。具體方法是，無人機數據鏈設備應設計成一種通用性、模塊化、規范化硬件，而數據鏈的一些功能盡量通過軟件編程來實現，同時射頻前端應進行簡化，使得模擬數字轉換器距離天線較近，方便模擬信號轉換為數字信號，便于信號處理，提升各項性能指標。

高速傳輸性能

隨著傳感器技術的提高，無人機獲取的視頻、圖像的質量越來越好，無人機數據鏈傳輸的數據量也越來越大，而美軍對數據傳輸的實時性要求較高。為了確保信息能夠實時、準確地交互，并獲取可靠的情報信息，美國相關部門已經要求，圖像分辨率應從1280×720像素提升至1920×1080像素，無人機數據鏈的數據傳輸速率應達到3 ～6Gb/s。由此可見，美軍提高無人機數據鏈的數據傳輸速率，無人機系統的性能也隨之提升。

網絡化通信

目前，無人機系統大多使用點對點數據鏈路。隨著無人機數量的增多，如果無人機都使用點對點通信，這對頻譜和帶寬的要求會更高。所以美軍利用無人機數據鏈的寬帶、數據傳輸速率高等優勢，讓部分無人機充當通信網絡中的交換機或路由器，形成子網絡以傳輸信息，擴大了無人機數據鏈的數據傳輸容量，提高了通信距離以及工作范圍。無人機數據鏈自組網技術是一個重要的研究內容。

通用化和標準化數據鏈

通用化和標準化無人機數據鏈是指，各種系統體制相互兼容，以前所設計開發的無人機數據鏈技術被整合，使新數據鏈能與任何其他數據鏈同時使用。如果無人機數據鏈不能實現通用化和標準化，將不利于無人機研制和無人機操控。

無人機的作戰效能在很大程度上依賴于數據鏈的性能。當前，美軍在作戰中廣泛使用無人機，并深入研究無人機數據鏈技術及發展趨勢。以其之矛設我之盾，本文力爭為未來作戰提供相關借鑒。