舰载无人机测控系统关键技术

来源:空间技术海域应用 时间:2017-11-08 分享至:
[宇辰导读]本文通过研究舰载无人机测控系统的现有技术和新技术,对舰载无人机测控系统的关键技术进行综述,主要包括舰载无人机数据链通信技术、舰面测控站技术和天线设计技术。

1 引言

 

舰载无人机系统按功能划分一般包括飞行器平台、测控与信息传输系统(简称测控系统)、任务载荷系统、舰面综合保障系统、导航飞控系统等。舰载无人机测控系统作为舰载无人机系统的重要组成部分,实现对舰载无人机的遥控、遥测、跟踪定位和信息传输,主要包括数据链和舰面控制站,其中数据链系统包括测量设备、信息传输设备、数据中继设备等。

无人机测控系统与航天测控系统相比有很大不同,航天测控系统主要针对大气层外的固定轨道飞行器,无人机主要是在大气层内飞行,测控环境复杂,而舰载无人机测控系统相比一般无人机测控系统,面临的测控环境更为复杂,更需要注重测控系统的实时性、互操作性、抗干扰性以及适装性。

本文通过研究舰载无人机测控系统的现有技术和新技术,对舰载无人机测控系统的关键技术进行综述,主要包括舰载无人机数据链通信技术、舰面测控站技术和天线设计技术。

2 舰载无人机数据链通信技术

 

舰载无人机数据链是一种在舰面测控站、指挥信息系统、无人机之间,采用一种或多种网络结构,按照规定的通信协议和消息标准传递格式化战术信息的数据信息系统。能够与测控站、无人机系统、指挥系统紧密结合,将地理空间上相对分散的探测单元、指控系统紧密地连接在一起,保证情报、指挥控制、无人机协同等信息实时、可靠、准确地传输,实现信息共享,便于指挥人员实时掌握目标区域情况,缩短了情报获取时间,提高了指挥速度和无人机系统的协同作战能力。

为了适应未来作战任务、无人机平台和任务载荷的发展需求,无人机测控数据链技术在数据传输能力、抗干扰能力、安全保密能力和网络化等方面面临挑战。

2.1高速率数据传输技术

无人机数据链的传输能力一般指下行链路传输速率,主要取决于任务传感器的分辨率、帧速率、数据链的作用范围、设备规模和安装条件等。国外无人机视距数据链路传输速率一般为1.544Mbps、8.144Mbps、和10.71Mbps,能够满足一般战术侦察和监视的需求。未来,随着合成孔径、机载预警雷达和高分辨、多光谱、多组合传感器设备在无人机上的应用,数据传输速率将会达到1.48Mbps~3Gbps,甚至会更高,对无人机数据链的传输速率和容量提出了更高的要求。

为适应高分辨、多光谱、多组合传感器的发展,必须大力提高数据链的传输能力,应加强以下方面技术的研究。主要包括 “四合一”一体化信道综合技术;无人机视频压缩编码技术;激光通信数据链技术。

(1) “四合一”综合信道体制是指跟踪定位、遥测、遥控和信息传输的统一载波体制,即视频信息传输与遥测共用一个信道,利用视频与遥测信号进行跟踪测角,利用遥控与遥测进行测距。视频与遥测共用信道的方式包括2种:一种是模拟视频信号与遥测数据副载波频分传输;另一种是数字视频数据与遥测复合数据传输。采用“四合一”综合信道体制,就要解决直接接收宽带调制信号的天线高精度自动跟踪问题。

(2) 无人机视频压缩编码技术是指利用视频图像数据的强相关性,将冗余信息分为空域冗余信息和时域冗余信息,而压缩技术就是将数据中的冗余信息去掉(去除数据之间的相关性),压缩技术包含帧内图像数据压缩技术、帧间图像数据压缩技术和熵编码压缩技术。根据无人机使用特点,应研究存储开销低(适合机载条件)、实时性强(时延小)、恢复图像质量好(失真小)的高倍视频数字压缩编码技术。

(3) 激光通信数据链可以提供比现有微波通信链路容量大的多的数据传输速率,国外相关技术每秒可传输上百万兆比特的数据。到2030年前,无人机测控系统需要达到500 Mbit/s(视距)或以上的数据率,卫星中继链路和无人机机间高速数据链路将需要提供更高的数据传输能力,这可以在光通信新体制方面取得突破,并开展实用性研究。

2.2数据抗干扰传输技术

无人机测控与通信数据链抗干扰技术是指采用扩频抗干扰技术、自适应干扰抑制技术、信源与信道编码技术等保障无人机运行的畅通。为了提高系统的抗干扰性能、降低拦截概率和检测概率,结合无人机使用特点,应加强以下方面技术的研究。

(1) 抗干扰技术从单一技术的抗干扰,发展到多种技术相结合,从单一物理层抗干扰发展到包括网络层、应用层在内的多层面结合优化的抗干扰;从单一设备的抗干扰发展到系统级、网络级的综合抗干扰。

(2) 研究抗干扰智能调零天线。智能调零天线采用阵列信号处理和数字波束成形技术,在干扰源方向形成零点,调零深度可达20dB以上,从而实现空域抗干扰。

(3) 研究自适应干扰对校技术。在频域上宽带有用信号和窄带干扰信号特征截然不同,根据此特征可以检测出干扰信号,并使用自适应陷滤波技术将其消除。

(4) 研究基于认知的抗干扰技术。基于认知的抗干扰技术是结合频谱感知、频谱管理和链路传输参数重新配置的新技术。它利用频谱感知技术获得频谱空间的占用情况,通过频谱管理给出可选择的备用信道,并将链路建立在新的传输信道上,以规避干扰信号所在的频带,从而实现数据的可靠传输。

2.3数据链加密技术

数据链加密技术是指在空间、时间和频域中采用多重安全保密措施,保证数据链传输的正确性,系统运行的可靠性和安全性,应对复杂多变的环境。

信息传输的可靠性是对通信系统的最重要的要求之一,数据链采取了多种技术手段,针对信道传输中的各种自然和人为干扰,采用了数据和信道加密技术,确保了信息的安全传输。

目前,国外的军用无人机测控数据链普遍采用了有效的加密手段,尤其是美国无人机在推行使用通用数据链(CDL)和共用传输网络传输信息后,对基于信源和信道的加密更加重视。我军无人机测控视距链路、卫星通信链路也普遍采用了机要部门认证的专用加密措施。

为了保护无人机系统的通信,提高测控链路的安全保密性,应在以下方面加强研究:

(1) 研究大密钥、高保密的加密设备。

(2) 研究大容量、高实时性的加密设备。

(3) 研究基于数字签名和身份认证安全保密机制。

(4) 除报文信息加密、语音加密和网管加密外,还需要研制同步抖动加密和基码加密,支持跳时/跳扩控制/入网控制/敌我识别等加密功能。

2.4无人机网络数据链技术

无人机网络数据链技术是将无人机与无人机、有人机以及其它武器平台之间的数据链进行无缝连接,实现信息共享的物理层技术,是实现未来无人机网络中心站的重要技术基石。

无人机网络数据链技术可形成以无人机为核心的移动战斗群组网,实现信息共享程度更高,指挥调度更快,作用范围更广,系统抗毁能力更强,互操作性更好的信息化联合作战系统,确实提高无人机信息化作战能力和协同作战能力。

为适应多机和机群的协同作战要求,应在网络化方面加强技术研究:

(1) 研究网络自组织和自愈重构技术;

(2) 研究分布式多址接入技术和高速大容量信息传输体制;

(3) 研究无人机组网的网络体系结构。

(4) 研究实时鲁棒动态路由协议技术;

(5) 研究与未来天空地一体化信息格栅网络的链接和协同技术。

2.5无人机多输入多输出(MIMO)数据链技术

无人机多输入多输出(MIMO)数据链技术是一种新的无人机测控数据链体制,它在地面控制站和无人机上同时配置多根发射和接收天线,将单一信息通道变成了多个独立的、并行的信息通道,而每个子信道容量都可以达到在无人机SISO(单输入单输出)数道的波形可以独立控制。而每个子信道容量都可以达到无人机SISO(单输入单输出)信道容量,同时可以独立控制。

将MIMO技术应用在无人机数据链中,构建基于MIMO的无人机数据链,主要优势在于:

(1)增大信息传输容量;(2)降低截获概率;(3)增强抗干扰能力;(4)提高任务适应能力。为充分发挥MIMO技术在无人机数据链中的应用,主要研究方向包括:

(1) 无人机MIMO天线布局的进一步研究。当天线数目较多时,天线的空间布局方式多种多样,从而其空间相关矩阵也多种多样,相应的MIMO容量的情况也相当复杂。

(2) 无人机MIMO系统中信号处理的研究。结合MIMO技术在无人机数据链上的应用优势,在兼顾复用增益和分集增益的情况下,研究选择怎样的编解码策略、如何提升无人机MIMO抗干扰性能等问题。

(3) 无人机MIMO抗干扰和监测技术研究。

(4) 无人机MIMO数据链实验平台构建。

2.6一站多机数据链技术

一站多机数据链技术是指一个测控站(地面或空中)与多架无人机之间的数据链通信,采用频分、时分及码分多址方式来区分来自不同无人机的遥测参数和任务传感器信息。简化了地面控制站的设备量,使用一个测控站可控制多架无人机;提高了系统互联互通的能力,使无人机实现多机多系统的兼容和协同工作,提高无人机测控系统的使用效率。主要研究方向包括:

(1) 数据传输链路协议研究。实现无人机的通用化与互操作首先必须实现在物理层上,也就是数据链路的通用性,包括频段、信号格式、数据格式等测控通信体制的统一,这是一切互连互通的基础,美军于 1991年将通用数据链(Common Data Link,CDL)确定为 ISR宽带数据链标准,并发布了《CDL波形规范》,随后也得到了北约其它成员国的认可,并以该规范为基础,于 2002年 11月发布了北约图像系统互操作数据链标准 STANAG AR 7085 的第 1 版,2004 年 1 月发布了该标准的第 2版。为实现数据链终端间的互操作,使从空中发送的图像和管理数据能够根据需要通过地面/海面指挥、控制和链路管理数据终端进行分发,必须准确描述互操作所需的宽带数据链的总体要求、系统功能模型、接口及其特性、保密要求、链路管理以及通信协议等通用技术规范。提高系统通用化、系列化、标准化、模块化水平。

(2) “一站多机”高速数据传输技术。除了采用上述高速率数据传输技术以外,如果作用距离较远,测控站需要采用增益较高的定向跟踪天线,在天线波束不能同时覆盖多架无人机时,则要采用多个天线或多波束天线。在不需要任务传感器信息传输时,测控站一般采用全向天线或宽波束天线。当多架无人机超出视距范围以外时,需要采用中继方式。根据中继方式不同,又分为空中中继一站多机数据链和卫星中继一站多机数据链。

2.7超视距中继传输技术

超视距无人机数据链是无人机超出地面测控站的无线电视距范围时,通过地面中继、卫星中继、空中中继实现地面站和无人机的超视距和复杂地形环境下通信,大大提高了无人机的环境适应能力。

研究超视距中继传输技术可大大提高无人机的运行范围,提高系统运行的稳定性,避免山区或城市恶劣地形对数据链的影响。

3 舰面测控站技术

 

舰面测控站主要完成舰载无人机任务规划和操纵监视等功能,主要包括:(1)飞行和机载设备工作指令的实时遥控技术;(2)飞行航迹和参数的综合显示和记录等;(3)对无人直升机进行跟踪定位;(4)侦察信息的实时记录与回传技术。

3.1舰面测控站总体布置设计技术

舰面测控站总体布置设计技术是指将无人机起降、遥控遥测等所需的舰面设备进行在舰上进行总体布置的各项方法、手段和技术的总称,其中涉及人机工学、设备电磁兼容、舰船总体设计等方面的技术。

舰面测控站总体布置设计技术是舰面测控站总体设计的重要环节,总体布置设计是否合理、布置方案是否优化对舰面测控站的操作和功能发挥有直接影响。研究并应用该项技术到实际舰艇设计和加改装工程中,可保障无人机顺利上舰,并进行相应的无人机运行和操作。主要技术研究方向包括:

(1) 舰面控制站中任务控制设备、飞行控制设备的舱内人机工程学布置。

(2) 数据链设备舱外总体布置,包括数据链天线与其他雷达、通信、敌我识别设备的电磁兼容设计。

(3) 无人机舰面起降辅助设备所需的惯性测量单元、GPS及副数据链的总体布置,包括位置、遮蔽等方面的考虑。

3.2舰面指挥控制站互操作与通用化技术

舰面指挥控制站互操作与通用化技术的涵义包括:(1)实现多型无人机系统在执行指派任务时协同行动的能力。(2)利用和共享跨领域无人机系统传感器的信息来无缝地指挥、控制和通信的能力。(3)能够接受不同系统的数据信息和功能服务,并使得他们有效协作的能力。(4)能够提供数据信息和功能服务给其他无人机系统、单位、部队的能力。

互操作是实现网络中心站的基本使能技术,是实现联合作战和协同作战的基础。实现地面站互操作与通用化为目标,制定统一地面站信息与控制接口标准和人机界面,使单一的地面控制站可满足多型无人机控制需求,并使各型无人机地面站相互之间信息共享,这也是未来舰面测控站发展方向。主要技术研究方向包括:

(1) 顶层综合规划和统一管理,强调互操作性标准及情报、件事和侦察系统的统一化设计。

(2) 技术上设计统一标准和开放式结构,包括技术标准、作战标准、战术标准、程序标准、数据标准、界面标准,并通过模块化设计和开放式结构,进行综合集成和配置。

(3) 研究北约标准――无人机控制系统接口标准STANAG 4586,STANAG 4586标准采用无人机控制系统功能体系架构,规定该功能体系架构中的数据链接口、无人机控制接口和人机接口的详细要求以及设计方法等。可以使无人机地面控制站与不同类型的无人机平台及其载荷,以及与作战系统之间进行通信[3]。

(4) 在应用和战术上,与其他无人机、有人机系统及各战术平台进行协同作战,真正实现互操作。

4 天线设计技术

 

天线作为无人机上舰后测控系统的重要组成部分,其性能直接影响无人机系统的性能发挥。而舰船平台结构复杂设备繁多空间有限,研究舰面测控天线综合集成设计具有十分重要的意义。

国内陆基型无人机测控技术已较成熟,但测控系统上舰涉及的天线集成技术薄弱,天线难以满足舰载条件下的一体化和小型化以及动基座下天线自动跟踪精度要求。展望未来测控天线的发展趋势,将会向智能蒙皮、大规模集成、超宽带、高效率、低RCS等方向发展;频段将由微波段向毫米波段,甚至光波段延伸;新兴天线必将融合多种技术,性能将会得到进一步提升。因此,加速研制适应这些新概念、新体制的测控天线必将推进测控通信技术的进一步发展。

4.1基于综合射频体制的无人机舰面测控天线设计技术

基于综合射频体制的无人机舰面测控天线设计技术是将数据链天线孔径由载舰的分布式宽带多功能孔径取代,采用模块化、开放式、可重构的射频传感器系统体系构架,并结合功能控制与资源管理调度算法、软件,实现无人机数据传输的射频功能。

综合射频技术将“综合”推进到天线及射频前端,基于共用射频模块进行实时控制与资源共享、资源管理、资源分配,从而使系统设计师能用尽可熊少的多功能射频模块构建出一个兼具任务规划,导航通信识别,态势感知、目标探测、跟踪、攻击能力的多功能一体化综合射频航空电子系统,而且使航空电子系统的成本、重量、功耗、失效率显著下降。主要技术研究方向包括:

(1) 资源调度设计,基于时间、功能的资源分配、重构和管理;

(2) 宽带相控阵多任务技术;

(3) 宽带有源T/R组件技术;

(4) 宽频带天线、微波系统技术;

(5) 综合信号处理技术;

(6) 高速数据传输和交换网络技术;

(7) 多功能综合射频系统管理和控制技术;

4.2无稳定平台装置的无人机测控天线自动跟踪技术

无稳定平台装置的无人机测控天线自动跟踪技术是利用GPS引导方式和无刷伺服电机控制,实现对定向天线的方位角、俯仰角的伺服控制,并具有一定预留扩展性。避免采用单通道单脉冲跟踪体制,通过信号相位关系来进行方位俯仰判断而引入复杂伺服系统。

美国BMS公司已将该技术应用到某无人机最新的跟踪天线中。目前国内无人机测控定向天线多采用单通道单脉冲跟踪体制,通过信号相位关系来进行方位俯仰判断,需要一套复杂的天线伺服反馈系统,成本很高,维护检修技术要求较高。此外,在实际使用中,很容易受到干扰而导致天线乱转。主要技术研究方向包括:

(1) 系统架构设计,将飞行中的无人机GPS位置与舰面控制站中的数据链GPS位置、系统传输延迟等因素,解算求得天线的方位和俯仰角。

(2) 伺服电机控制,既保证转动力矩平稳,又要转动角度准确。

(3) 再次跟踪技术,针对无人机数据链天线丢失无人机后的再次捕获技术。

4.3轻型集成一体化天线设计技术

轻型集成天线技术是将多种天线集成化、轻型化、一体化、平面化,将天线嵌入、集成成舰艇上层建筑中的技术,它综合运用平面阵天线、联合孔径、材料、结构设计、系统集成等技术,通过系统工程的办法,使舰艇的天线设计与隐身设计有机地集合起来。主要优势在于:(1)天线小型化,可减小天线体积、尺寸,适宜舰艇安装。(2)多制式天线的应用将节省成本和天面资源,灵活满足要求。(3)新材料的应用,即可满足天线的基本功能,又能在隐身、电磁兼容方面有所提高。

国外天线设计已从单一功能向综合化、分体设计向模块化集成设计、电磁无源材料向有源电控材料、大尺寸向小型化变化,且无论从功能、设计、部署都朝智能化发展。主要技术研究方向包括:

(1) 天线体积小型化。天线小型化是在保证天线性能基本不变的条件下,减小天线的体积。

(2) 多种制式网络共天馈应用。未来多种制式共用一面超宽带天线,不仅天线工作频段覆盖多个制式,而且可以根据系统的不同要求实现每一个制式的独立调节。

(3) 天线功能模式向智能化功能方向发展。未来天线实现智能化的波束赋形、波束指向控制、波束分裂和远程控制,灵活满足战场的应用需求。通过天线的智能化实现系统间互操作和资源的优化利用,最终实现智能化的操作方式。

(4) 天线与射频模块连接由分离式向集中式发展。未来集中式的设备代替分离式的设备,光纤代替电缆,天线与主设备实现小型化和一体化并充分结合,实现天线、频谱资源的节约和灵活的部署方式,适应网络扁平化的发展趋势。

(5) 新型材料的研发与运用。

4.4机载共形相控阵天线技术

机载共形天线(阵)是将天线从飞机内笨重的设备转型成为大型但轻薄的阵列,从而成为长航时无人机机翼的一部分甚至是飞机蒙皮的一部分,使天线与载体飞机共形,而不破坏飞机的机械性能和气动性能。

将共形阵列附着在飞机的外层有几大好处。首先扩大了用于感知探测的平台范围,任何飞机都容易被改装用于情报搜集。机翼、机门或机身都可以成为天线;另外,采用共形天线后,阵列孔径更大,这意味着探测性能会更好。而且,采用共形天线可以实现对飞机进行降低雷达特征的优化设计,同时可以节省空间,减少飞机的气动阻力,最大限度地减少天线对飞行器气动力学的影响,相应地提高了飞机的飞行时间。

在共形天线领域,国际上存在着激烈的竞争。美国国防部认为,未来十年需要研制的是高端无人作战飞机以及无人侦察飞机。共形的多孔径传感器,也被称作智能蒙皮,将是这些工作中的重点。近期共形天线的应用是用于无人机“全球鹰”无人侦察飞机、“捕食者”A/B无人机以及A160无人直升机等。目前存在的需求是制造能够作为飞机蒙皮、耗电非常少的轻型天线阵列。将共形阵列用于无人作战飞机上,小型、隐身、导弹大小的无人作战飞机可以很好地结合共形天线的优势,将整个无人机平台的外表层都作为孔径,进行通信、成像、干扰并向敌方电子设备发射高功率脉冲以发挥武器的作用。

5 结论

 

无人机测控系统是无人机系统的重要组成部分,从舰载无人机数据链通信技术、舰面测控站技术和天线设计技术三个方面,介绍了相关关键技术的基本概念、作用意义以及重点研究方向。对舰载无人机测控系统的设计研究有重要意义。



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