無人直升機中繼數據鏈使用淺析

在現代戰爭中，無人直升機主要在低空、超低空執行監視、偵察、目標導引、物資運送等任務。作為無人直升機系統的重要組成部分，數據鏈實現了無人直升機與地面控制站之間的信息傳輸，是一種視距數據鏈。無人直升機在低空執行任務時，如果數據鏈受到山體、建筑物等障礙物遮擋，無人直升機與地面控制站之間將無法正常通信。因此，為拓展無人直升機的使用半徑，提高通信的可靠性和穩定性，發展中繼數據鏈具有十分重要的意義。

現有中繼數據鏈方案分析

中繼數據鏈方案一

該方案對中繼機和任務機數據鏈機載終端架構進行一體化設計。數據鏈機載終端設置有雙向四通道，雙向四通道分別用于中繼機的前向信息和后向信息傳輸、任務機的前向信息和后向信息傳輸。操控員通過軟件在線靈活配置數據鏈機載終端的模式，將任務機數據鏈機載終端設置為任務模式，將中繼機數據鏈機載終端設置為中繼模式。方案一具有三個特點。一是一種無人直升機構型即可滿足使用需求，在使用時，相同構型無人直升機中的任意一架機可配置成任務機或中繼機；二是中繼機數據鏈機載終端配置雙向四通道，同時實現四通道信息收發；三是與直通型數據鏈相比，中繼機數據鏈的通信距離有所減小，中繼機數據鏈機載終端的重量、尺寸、功耗及成本等方面均有所增加。

中繼數據鏈方案二

任務機和中繼機的數據鏈機載終端具有不同的架構，任務機配置直通型數據鏈機載終端，中繼機配置中繼數據鏈機載終端。通過收發復用通道，中繼數據鏈機載終端實現中繼機信息的雙向傳輸。方案二的特點是，該方案首先需要兩種無人直升機構型，即任務機構型和中繼機構型，兩種構型不能混用；第二，中繼數據鏈機載終端配置一個接收通道和一個發送通道，并設置了分時使用策略。復用通道的兩路信息因頻點不同，不能同時占用通道；第三，中繼數據鏈機載終端雙向信息傳輸共用收發通道，中繼數據鏈機載終端的重量、尺寸、功耗及成本等方面變化不大。與直通型數據鏈相比，中繼數據鏈的通信距離有所減小。

本文采用方案一構建一種中繼數據鏈架構，并對中繼數據鏈的使用展開簡要介紹。

中繼數據鏈架構

無人直升機系統包含1個地面控制站和2架無人直升機。每架無人直升機配置1臺數據鏈機載終端；地面控制站配置1臺數據鏈地面終端，能夠實現對2架無人直升機的監控。數據鏈的通信模式分為直通模式和中繼模式。在直通模式下，2架無人直升機承擔任務，分別為任務機1和任務機2。在中繼模式下，1架無人直升機為任務機，執行任務；另1架無人直升機為中繼機，為任務機提供通信中繼服務。本文提及的中繼數據鏈是指提供通信中繼服務的數據鏈，為避免歧義，中繼模式下的數據鏈稱為中繼數據鏈。

中繼數據鏈使用分析

在直通和中繼模式下，地面控制站需要監控2架無人直升機的信息。當中繼數據鏈地面終端收到遙控信息時，需要區分出發送給每架無人直升機的遙控信息，同樣，在收到遙測信息時，需要識別出每架無人直升機傳輸的遙測信息。此外，中繼數據鏈機載終端需要區分出發送給自身的遙控信息。為了區分遙控和遙測信息，中繼數據鏈的報文幀格式增加了源地址和目的地址，用于區分接收節點和發送節點的信息。

在直通模式下，任務機（任務機1或任務機2）前向信息的傳輸流程是，地面控制站將遙控信息發送給數據鏈地面終端，數據鏈地面終端處理遙控信息后，將遙控信息發給數據鏈機載終端，數據鏈機載終端首先處理并解析出遙控信息，然后識別遙控信息中的源地址和目的地址，確定遙控信息是發送給自身的信息后，再將遙控信息發送給機載飛控、任務載荷等系統。任務機后向信息的傳輸流程是，數據鏈機載終端將來自飛控、任務載荷等系統的遙測信息和任務載荷信息發送給數據鏈地面終端，數據鏈地面終端首先處理并解析信息，然后識別信息中的源地址和目的地址，確定信息來源于哪架任務機后，再將信息發送給地面控制站，地面控制站在指定區域顯示收到的信息。

在中繼模式下，中繼機前向信息和后向信息的傳輸流程與直通模式下任務機信息傳輸流程相同，任務機需要通過中繼機實現前向信息和后向信息傳輸。任務機前向信息傳輸的流程是，地面控制站將遙控信息發給中繼機數據鏈機載終端，中繼機數據鏈機載終端識別遙控信息中的源地址和目的地址，確定遙控信息是發送給任務機的遙控信息后，再將遙控信息發送給任務機中繼數據鏈機載終端，任務機中繼數據鏈機載終端將處理后的遙控信息發送給機載飛控、任務載荷等系統。任務機后向信息傳輸的流程是，任務機中繼數據鏈機載終端將收到的遙測信息和任務載荷信息發送給中繼機數據鏈機載終端，中繼機數據鏈機載終端將收到的信息發送給中繼數據鏈地面終端，中繼數據鏈地面終端首先處理并解析信息，然后識別信息中的源地址和目的地址，確定信息來源于哪架任務機后，再將信息發送給地面控制站，地面控制站在指定的區域顯示收到的信息。

中繼數據鏈的發展方向

低時延

信息實時傳輸是數據鏈的最基本功能。信息傳輸的實時性直接影響著無人直升機的飛行和任務。任務機的遙控、遙測信息由中繼數據鏈傳輸，時延會成倍增加，這對實時性要求比較高的信息傳輸將產生較大影響。低時延中繼數據鏈技術研究勢在必行。

機載終端小型化

無人直升機內部空間狹小，且任務配置越來越多，機載任務載荷設備日益增加，為中繼數據鏈機載終端提供的安裝空間更加有限。因此，中繼數據鏈機載終端尺寸需要做得更小。隨著當今制造技術的不斷提高，新材料的大量應用，小型機載終端研制將不是難題。

高數據傳輸速率、遠通信距離

在中繼數據鏈設計中，數據傳輸速率和通信距離會相互制約。通信距離越遠，數據傳輸能力就越差。無人直升機通信中繼要保證高數據傳輸速率，通信距離會相應縮短。軍用和民用領域需要更大的信息傳輸量、更廣的信息采集范圍，對中繼數據鏈的性能要求越來越高。為滿足數據量、作戰半徑不斷增大的需求，速率高、通信距離遠的中繼數據鏈是未來發展方向。

天線布局及使用策略優化

小型無人直升機以全向天線為主。天線數量增加及合理布局基本可以解決無人直升機中繼數據鏈在使用過程中的通信盲區問題。但是，大型無人直升機往往會配置全向天線、定向天線、相控陣天線等不同構型的天線。由于機身尺寸較大，天線的無線信號更易受機身及無人直升機飛行姿態的影響。因此，無人直升機需要合理配置天線數量，天線布局應進行充分的理論及仿真分析。在中繼模式下，中繼機要與任務機、地面控制站進行雙向通信，為確保中繼機與任務機之間、中繼機與地面控制站之間擁有穩定的通信，除了合理布局天線外，技術人員還需要優化天線使用策略，確定中繼機分別使用何種天線與任務機和地面控制站進行通信。

結束語

近年，無人直升機在軍用和民用領域展現了獨特的優勢，中繼數據鏈已在無人直升機上成功應用。通信中繼是無人直升機領域的重要研究方向，中繼數據鏈是一種典型的通信中繼手段。通用性好、配置靈活、穩定可靠的小型中繼數據鏈機載終端仍待研究。