無人機測控數(shù)據鏈發(fā)展綜述

摘 要：本文詳細闡述了無人機測控數(shù)據鏈領域的發(fā)展狀況。首先，介紹了無人機測控數(shù)據鏈的基本概念及在無人機系統(tǒng)中的關鍵地位，強調了其對無人機有效控制與信息獲取的重要性。其次，詳細探討了無人機測控數(shù)據鏈在多個領域的應用場景，分析了不同場景下的特殊需求。再次，深入研究了調制解調技術、信道編碼技術、抗干擾技術等關鍵技術的現(xiàn)狀與發(fā)展。最后，對未來發(fā)展趨勢進行了展望，涵蓋了高速率、寬帶化、智能化、網絡融合等方面，為該領域的進一步研究和發(fā)展提供了參考。

關鍵詞：無人機；測控數(shù)據鏈；發(fā)展綜述

一、概述

無人機作為一種無須載人的飛行器，憑借獨特的優(yōu)勢，如可在復雜、危險環(huán)境中執(zhí)行任務，成本相對較低，操作靈活等，近年來在全球范圍內得到了迅猛發(fā)展。無人機系統(tǒng)主要由無人機平臺、任務載荷、測控與信息傳輸系統(tǒng)等部分構成。無人機測控數(shù)據鏈作為連接地面控制站與無人機的關鍵紐帶，承擔著雙向通信的重要職責。一方面，它將地面控制站的各種指令，如飛行姿態(tài)調整、任務規(guī)劃變更等信息傳輸至無人機，實現(xiàn)對無人機飛行狀態(tài)和任務執(zhí)行的精確控制；另一方面，它把無人機上各類傳感器獲取的飛行狀態(tài)數(shù)據（如高度、速度、航向等）及任務載荷采集的信息（如偵察圖像、監(jiān)測數(shù)據等）實時傳輸回地面控制站，使操作人員能夠全面掌握無人機的工作情況，進而做出科學決策。

早期的無人機測控數(shù)據鏈技術相對簡單，通信距離短、數(shù)據傳輸速率低，僅能滿足一些基本的飛行控制需求。隨著無人機應用領域的不斷拓展和任務要求的日益復雜，人們對測控數(shù)據鏈的性能提出了更高的要求。現(xiàn)代無人機測控數(shù)據鏈需要具備更遠的通信距離、更高的數(shù)據傳輸速率、更強的抗干擾能力以及更好的保密性，以適應多樣化的應用場景和復雜的電磁環(huán)境。因此，對無人機測控數(shù)據鏈進行研究和發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

二、主要應用場景

（一）情報偵察與監(jiān)視

在軍事行動中，及時準確的情報獲取至關重要。無人機憑借其隱蔽性好、機動性強等特點，可攜帶光學、紅外、雷達等多種偵察設備深入敵方區(qū)域執(zhí)行偵察任務。測控數(shù)據鏈可將無人機獲取的高分辨率圖像、視頻以及目標特征數(shù)據等實時傳輸回后方指揮中心，為軍事決策提供有力支持。

（二）火力打擊引導

無人機可作為空中偵察平臺，為火力打擊提供精確的目標指示。通過測控數(shù)據鏈，無人機將偵察到的目標位置、坐標等信息實時傳輸給地面人員，引導他們對目標進行精確打擊。

（三）通信中繼

在地形復雜或通信受干擾的區(qū)域，無人機可作為空中通信中繼平臺。通過搭載通信設備，無人機可利用測控數(shù)據鏈建立起不同作戰(zhàn)單元之間的通信鏈路，擴展通信覆蓋范圍，確保指揮通信暢通。在山地戰(zhàn)中，由于山脈的阻擋，地面通信往往受到嚴重影響。此時，無人機可以作為空中通信中繼平臺發(fā)揮關鍵作用。無人機搭載通信轉發(fā)設備，懸停在山區(qū)上空合適的位置，通過測控數(shù)據鏈與處于不同山頭或山坳中的站點建立通信鏈路，接收一方發(fā)出的通信信號后，經過處理再轉發(fā)給另一方。這樣，即使地面站點之間存在地形阻隔，也能夠實現(xiàn)順暢通信，確保系統(tǒng)正常運行，保證行動協(xié)調一致。

（四）測繪與地理信息采集

在測繪領域，無人機可快速獲取大面積的地理信息數(shù)據。它利用搭載的高精度測繪相機和激光雷達等設備，對地形、地貌進行測繪。測控數(shù)據鏈將采集到的圖像和數(shù)據實時傳輸?shù)降孛嫣幚碇行模瑢I(yè)軟件在對圖像和數(shù)據進行處理后，生成高精度的地圖和三維模型。這在城市規(guī)劃、土地資源調查、交通基礎設施建設等方面具有廣泛應用。

（五）電力巡檢與管道監(jiān)測

對于電力傳輸線路和石油、天然氣管道等基礎設施的巡檢工作，無人機具有高效、低成本的優(yōu)勢。無人機搭載紅外熱成像儀、高清攝像頭等設備，沿著線路或管道飛行，對設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測。測控數(shù)據鏈將監(jiān)測到的圖像和數(shù)據傳輸回監(jiān)控中心，幫助工作人員及時發(fā)現(xiàn)線路的故障隱患，如絕緣子破損、導線過熱、管道泄漏等問題，并及時安排維修，保障基礎設施的安全穩(wěn)定運行。

（六）應急救援

在發(fā)生自然災害（如地震、洪澇等）后，無人機可迅速抵達受災現(xiàn)場，利用測控數(shù)據鏈將現(xiàn)場的災情，如受災范圍、人員被困情況、道路損毀狀況等實時傳輸給救援指揮中心。救援人員根據這些信息制訂科學合理的救援方案，調配救援力量，進而提高救援效率。在地震災區(qū)，無人機可以快速對倒塌建筑物進行搜索，通過測控數(shù)據鏈將發(fā)現(xiàn)的生命跡象及時傳輸給救援隊伍，為救援行動爭取寶貴時間。

三、關鍵技術

（一）調制解調技術

調制解調技術是測控數(shù)據鏈實現(xiàn)數(shù)據有效傳輸?shù)幕A。早期的無人機測控數(shù)據鏈多采用振幅調制（AM）、頻率調制（FM）等簡單的調制方式，這些方式實現(xiàn)簡單，但頻譜利用率低、抗干擾能力較弱。隨著技術的發(fā)展，現(xiàn)代無人機測控數(shù)據鏈逐漸采用更先進的調制解調技術，如相移鍵控（PSK）及其衍生的多進制相移鍵控（MPSK）、正交振幅調制（QAM）等。例如，16QAM調制方式在相同帶寬下可以傳輸更高的數(shù)據速率，提高了無人機測控數(shù)據鏈的傳輸效率。同時，為了適應復雜的電磁環(huán)境，一些自適應調制解調技術也得到了研究和應用，它可以根據信道質量實時調整調制方式和編碼速率，保證數(shù)據傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ谏絽^(qū)等信號容易受到地形阻擋而衰減的環(huán)境中，自適應調制解調技術能夠快速檢測到信道質量下降，及時從高階調制切換到低階調制。這一過程雖然犧牲了一定的數(shù)據傳輸速率，但確保了信號的穩(wěn)定傳輸。

（二）信道編碼技術

信道編碼技術的主要作用是提高數(shù)據傳輸?shù)目煽啃裕档驼`碼率。常用的編碼方式包括分組碼和卷積碼。分組碼，如漢明碼、循環(huán)冗余校驗（CRC）碼等，通過在信息碼元中按照一定規(guī)則添加冗余碼元，在接收端進行錯誤檢測和糾正。卷積碼是一種具有記憶性的編碼方式，它對連續(xù)的信息序列進行編碼，對前后碼元進行關聯(lián)處理，具有更強的糾錯能力。近年來，Turbo碼、低密度奇偶校驗（LDPC）碼等高性能信道編碼技術在無人機測控數(shù)據鏈中得到了廣泛關注和應用。這些信道編碼技術具有接近香農極限的糾錯性能，能夠在低信噪比條件下有效地提高數(shù)據傳輸?shù)目煽啃裕瑸闊o人機在復雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定通信提供了保障。例如，在強電磁干擾的工業(yè)區(qū)域進行無人機作業(yè)時，LDPC碼可以讓數(shù)據在受到干擾產生誤碼的情況下準確還原原始信息，保證無人機與地面站之間控制指令和監(jiān)測數(shù)據的可靠傳輸。

（三）抗干擾技術

在復雜的電磁環(huán)境中，無人機測控數(shù)據鏈容易受到各種干擾，如敵方有意的電子干擾、民用通信設備的同頻干擾以及自然環(huán)境中的電磁噪聲干擾等。為了提高無人機測控數(shù)據鏈的抗干擾能力，人們采用了多種抗干擾技術。跳頻技術是一種常用的抗干擾手段，它通過在不同的頻率上快速跳變傳輸信號，使干擾源難以跟蹤和干擾。直接序列擴頻（DSSS）技術通過將信號的頻譜擴展到一個很寬的頻帶上，降低信號功率譜密度，提高信號的抗干擾能力。此外，還有自適應濾波技術，它可以根據接收到的信號和干擾的特點，實時調整濾波器的參數(shù)，對干擾進行有效抑制，保證有用信號的正常接收。在城市中，各種通信信號繁雜，無人機利用自適應濾波技術，能夠智能識別并過濾掉來自手機基站、WiFi信號等的干擾，專注接收來自地面控制站的指令信號。

（四）組網技術

隨著無人機在戰(zhàn)場上應用數(shù)量的不斷增加，實現(xiàn)多無人機之間以及無人機與其他作戰(zhàn)平臺之間的組網通信變得至關重要。組網技術可以使無人機群協(xié)同作戰(zhàn)，提高作戰(zhàn)效能。常見的組網技術有自組織（Ad Hoc）網絡和Mesh網絡。自組織網絡能夠在沒有固定基礎設施的情況下，快速構建起無人機之間的通信網絡，具有靈活性高、適應性強的特點。Mesh網絡通過多跳路由的方式，實現(xiàn)了節(jié)點之間的可靠通信，擴大了通信覆蓋范圍。例如，在執(zhí)行大規(guī)模偵察任務時，多架無人機可以通過Mesh網絡組網，實現(xiàn)數(shù)據的共享和協(xié)同處理，提高偵察效率。

（五）多址技術

多址技術用于解決多個無人機或地面站同時接入測控數(shù)據鏈時的信號區(qū)分和資源分配問題。常見的多址技術包括頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。FDMA通過將不同用戶的信號分配到不同的頻率信道上進行傳輸，實現(xiàn)多用戶通信，但頻譜利用率較低。TDMA通過將時間劃分為不同的時隙，讓每個用戶在特定的時隙內進行信號傳輸，提高了頻譜利用率。CDMA利用不同的編碼序列來區(qū)分不同用戶的信號，具有抗干擾能力強、保密性好等優(yōu)點，但實現(xiàn)復雜度較高。在實際應用中，根據無人機系統(tǒng)的規(guī)模和需求，選擇合適的多址技術或采用多種多址技術相結合的方式，以滿足多用戶通信的需求。例如，在大型物流園區(qū)，多架無人機同時執(zhí)行配送任務，采用TDMA和CDMA相結合的多址技術，既利用TDMA合理分配各無人機的通信時隙，又利用CDMA的編碼特性增強信號抗干擾能力和保密性，保障無人機群與調度中心的高效通信。

四、未來發(fā)展趨勢

（一）高速率、寬帶化

隨著無人機搭載的傳感器性能不斷提高，其產生的數(shù)據量越來越大。為了能夠實時傳輸高清圖像、視頻等大數(shù)據量信息，未來無人機測控數(shù)據鏈需要朝著高速率、寬帶化的方向發(fā)展。一方面，無人機測控數(shù)據鏈將向更高頻段拓展，如毫米波頻段（30～300GHz）和太赫茲頻段（0.1～10THz）。毫米波頻段具有帶寬大、數(shù)據傳輸速率高的優(yōu)點，能夠滿足無人機對高清視頻、大數(shù)據量傳輸?shù)男枨螅惶掌濐l段具有更豐富的頻譜資源和更強的穿透能力，可在復雜環(huán)境下實現(xiàn)可靠通信。然而，高頻段通信也面臨著信號傳播損耗大、對天線尺寸和精度要求高等挑戰(zhàn)，需要進一步研究相關技術來解決。例如，開發(fā)新型的天線材料和設計更高效的信號放大器，以降低信號損耗，適應高頻段通信需求。

（二）智能化

隨著人工智能技術的快速發(fā)展，無人機測控數(shù)據鏈也將朝著智能化方向發(fā)展。智能化的數(shù)據鏈可根據無人機的飛行狀態(tài)、任務需求以及信道質量等因素，自動調整通信參數(shù)和策略，實現(xiàn)通信資源的優(yōu)化配置。例如，通過機器學習算法，數(shù)據鏈可以實時預測信道狀態(tài)，提前調整調制解調方式和編碼速率，保證數(shù)據傳輸?shù)目煽啃裕焕萌斯ぶ悄芗夹g對傳輸?shù)臄?shù)據進行智能處理和分析，提取關鍵信息，減輕地面控制站的處理負擔。同時，智能化的數(shù)據鏈還可以實現(xiàn)故障的自動診斷和修復，提高系統(tǒng)的可靠性和維護性。未來，借助智能決策系統(tǒng)，無人機在面對突發(fā)通信故障時，可迅速自主選擇備用通信方案，保障任務順利進行。

（三）網絡融合

未來的無人機測控數(shù)據鏈將不再是獨立的通信系統(tǒng)，而是與其他通信網絡實現(xiàn)深度融合。一方面，無人機將與衛(wèi)星通信網絡融合，利用衛(wèi)星的廣域覆蓋優(yōu)勢，實現(xiàn)無人機的全球范圍通信，拓展無人機的應用范圍，如在遠洋監(jiān)測、全球物流配送等領域的應用。另一方面，無人機將與地面5G等移動通信網絡融合，借助5G網絡的高帶寬、低時延特性，實現(xiàn)無人機的高速數(shù)據傳輸和實時控制，提升無人機在城市等人口密集區(qū)域的應用能力，如城市快遞配送、應急救援通信等。此外，無人機之間還可能形成自組織網絡，實現(xiàn)無人機群之間的協(xié)同通信和自主控制。通過網絡融合，無人機能夠在不同場景下靈活切換通信方式，始終保持最佳通信狀態(tài)。

（四）低功耗、小型化

為了延長無人機的續(xù)航時間、增加其有效載荷，無人機測控數(shù)據鏈設備需要朝著低功耗、小型化的方向發(fā)展。在硬件設計方面，將采用新型的低功耗芯片和電路設計技術，降低設備的能耗。同時，通過優(yōu)化算法和軟件設計，提高設備的處理效率，減少不必要的計算開銷。在小型化方面，將采用先進的集成技術，將數(shù)據鏈的各個功能模塊集成在一個更小的芯片或電路板上，減小設備的體積和重量。例如，采用片上系統(tǒng)（SoC）技術，將調制解調、信道編碼、信號處理等功能集成在一個芯片上，大大減小了數(shù)據鏈設備的體積。

（五）安全可靠

隨著無人機在各個領域的廣泛應用，其信息安全問題日益受到關注。未來，無人機測控數(shù)據鏈將進一步強化安全與保密技術。在加密技術方面，將采用更先進的加密算法，如量子加密技術，確保數(shù)據傳輸?shù)谋Ｃ苄院屯暾裕乐箶?shù)據被竊取和篡改。在身份認證方面，將采用多因素認證技術，對無人機和地面控制站的身份進行嚴格驗證，防止非法接入。同時，將加強對數(shù)據鏈的網絡安全防護，采用入侵檢測、防火墻等技術，抵御各種網絡攻擊，保障無人機系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。通過采用多重安全保障措施，無人機在執(zhí)行關鍵任務時，其數(shù)據傳輸和系統(tǒng)運行的安全性將得到全方位提升。

結語

無人機測控數(shù)據鏈作為無人機系統(tǒng)的核心組成部分，在現(xiàn)代通信中發(fā)揮著至關重要的作用。通過對其應用場景的分析，我們可以看到無人機測控數(shù)據鏈在情報偵察與監(jiān)視、火力打擊引導、通信中繼、測繪與地理信息采集、電力巡檢與管道監(jiān)測、應急救援等任務中具有不可或缺的作用。在關鍵技術方面，調制解調技術、信道編碼技術、抗干擾技術、組網技術、多址技術等的不斷發(fā)展，為無人機測控數(shù)據鏈的性能提升提供了有力保障。展望未來，高速率、寬帶化、智能化、網絡融合、低功耗、小型化和安全可靠將是無人機測控數(shù)據鏈的主要發(fā)展趨勢。隨著這些技術的不斷進步和應用，無人機測控數(shù)據鏈將在未來的軍用和民用領域中發(fā)揮更加重要的作用，為人類社會的發(fā)展做出更大的貢獻。

參考文獻：

［1］陳夢.無人機測控鏈路干擾策略研究［D］.成都：電子科技大學，2022.

［2］翟中英，閆朝星.無人機測控通信自組網技術綜述［J］.遙測遙控，2018，39（4）：6674.

［3］楊紅生，黃華園.通用無人機測控系統(tǒng)與關鍵技術［J］.電訊技術，2018，58（4）：391396.

［4］常偉明，李永翔，徐伯夏，等.無人機數(shù)據鏈國內外發(fā)展簡介及關鍵技術探究［C］//第八屆全國信號和智能信息處理與應用學術會議會刊會議論文集.青海：第八屆全國信號和智能信息處理與應用學術會議，2014：4044，112.

［5］王俊，周樹道，程龍，等.無人機數(shù)據鏈關鍵技術與發(fā)展趨勢［J］.飛航導彈，2011（3）：6265.

［6］吳潛.無人機測控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.電訊技術，2009，49（9）：9094.

［7］周祥生.無人機測控與信息傳輸技術發(fā)展綜述［J］.無線電工程，2008（1）：3033.

［8］吳潛，雷厲.多無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)的技術與發(fā)展［J］.電訊技術，2008（10）：107111.

［9］馬傳焱.無人機測控系統(tǒng)抗干擾技術與應用分析［J］.飛航導彈，2006（11）：911.

作者簡介：曾偉（1988— ），男，漢族，湖南郴州人，碩士研究生，工程師，研究方向為機載通信數(shù)據鏈總體設計。