乾貨| 艦載無人機測控系統中，這些技術很關鍵！

［宇辰導讀］本文透過研究艦載無人機測控系統的現有技術和新技術，對艦載無人機測控系統的關鍵技術進行綜述。

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引 言

艦載無人機系統按功能劃分一般包括飛行器平臺、測控與資訊傳輸系統（簡稱測控系統）、任務載荷系統、艦面綜合保障系統、導航飛控系統等。艦載無人機測控系統作為艦載無人機系統的重要組成部分，實現對艦載無人機的遙控、遙測、跟蹤定位和資訊傳輸，主要包括資料鏈和艦面控制站，其中資料鏈系統包括測量裝置、資訊傳輸裝置、資料中繼裝置等。

無人機測控系統與航天測控系統相比有很大不同，航天測控系統主要針對大氣層外的固定軌道飛行器，無人機主要是在大氣層內飛行，測控環境複雜，而艦載無人機測控系統相比一般無人機測控系統，面臨的測控環境更為複雜，更需要注重測控系統的實時性、互操作性、抗干擾性以及適裝性。

本文透過研究艦載無人機測控系統的現有技術和新技術，對艦載無人機測控系統的關鍵技術進行綜述，主要包括艦載無人機資料鏈通訊技術、艦面測控站技術和天線設計技術。

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艦載無人機資料鏈通訊技術

艦載無人機資料鏈是一種在艦面測控站、指揮資訊系統、無人機之間，採用一種或多種網路結構，按照規定的通訊協議和訊息標準傳遞格式化戰術資訊的資料資訊系統。能夠與測控站、無人機系統、指揮系統緊密結合，將地理空間上相對分散的探測單元、指控系統緊密地連線在一起，保證情報、指揮控制、無人機協同等資訊實時、可靠、準確地傳輸，實現資訊共享，便於指揮人員實時掌握目標區域情況，縮短了情報獲取時間，提高了指揮速度和無人機系統的協同作戰能力。

為了適應未來作戰任務、無人機平臺和任務載荷的發展需求，無人機測控資料鏈技術在資料傳輸能力、抗干擾能力、安全保密能力和網路化等方面面臨挑戰。

2。1 高速率資料傳輸技術

無人機資料鏈的傳輸能力一般指下行鏈路傳輸速率，主要取決於任務感測器的解析度、幀速率、資料鏈的作用範圍、裝置規模和安裝條件等。國外無人機視距資料鏈路傳輸速率一般為1。544Mbps、8。144Mbps、和10。71Mbps，能夠滿足一般戰術偵察和監視的需求。未來，隨著合成孔徑、機載預警雷達和高分辨、多光譜、多組合感測器裝置在無人機上的應用，資料傳輸速率將會達到1。48Mbps～3Gbps，甚至會更高，對無人機資料鏈的傳輸速率和容量提出了更高的要求。

為適應高分辨、多光譜、多組合感測器的發展，必須大力提高資料鏈的傳輸能力，應加強以下方面技術的研究。主要包括 “四合一”一體化通道綜合技術；無人機影片壓縮編碼技術；鐳射通訊資料鏈技術。

（1） “四合一”綜合通道體制是指跟蹤定位、遙測、遙控和資訊傳輸的統一載波體制，即影片資訊傳輸與遙測共用一個通道，利用影片與遙測訊號進行跟蹤測角，利用遙控與遙測進行測距。影片與遙測共用通道的方式包括2種：一種是模擬影片訊號與遙測資料副載波頻分傳輸；另一種是數字影片資料與遙測複合資料傳輸。採用“四合一”綜合通道體制，就要解決直接接收寬頻調製訊號的天線高精度自動跟蹤問題。

（2） 無人機影片壓縮編碼技術是指利用影片影象資料的強相關性，將冗餘資訊分為空域冗餘資訊和時域冗餘資訊，而壓縮技術就是將資料中的冗餘資訊去掉（去除資料之間的相關性），壓縮技術包含幀內影象資料壓縮技術、幀間影象資料壓縮技術和熵編碼壓縮技術。根據無人機使用特點，應研究儲存開銷低（適合機載條件）、實時性強（時延小）、恢復影象質量好（失真小）的高倍影片數字壓縮編碼技術。

（3） 鐳射通訊資料鏈可以提供比現有微波通訊鏈路容量大的多的資料傳輸速率，國外相關技術每秒可傳輸上百萬兆位元的資料。到2030年前，無人機測控系統需要達到500 Mbit/s（視距）或以上的資料率，衛星中繼鏈路和無人機機間高速資料鏈路將需要提供更高的資料傳輸能力，這可以在光通訊新體制方面取得突破，並開展實用性研究。

2。2 資料抗干擾傳輸技術

無人機測控與通訊資料鏈抗干擾技術是指採用擴頻抗干擾技術、自適應干擾抑制技術、信源與通道編碼技術等保障無人機執行的暢通。為了提高系統的抗干擾性能、降低攔截機率和檢測機率，結合無人機使用特點，應加強以下方面技術的研究：

（1） 抗干擾技術從單一技術的抗干擾，發展到多種技術相結合，從單一物理層抗干擾發展到包括網路層、應用層在內的多層面結合最佳化的抗干擾；從單一裝置的抗干擾發展到系統級、網路級的綜合抗干擾。

（2） 研究抗干擾智慧調零天線。智慧調零天線採用陣列訊號處理和數字波束成形技術，在干擾源方向形成零點，調零深度可達20dB以上，從而實現空域抗干擾。

（3） 研究自適應干擾對校技術。在頻域上寬頻有用訊號和窄帶干擾訊號特徵截然不同，根據此特徵可以檢測出干擾訊號，並使用自適應陷濾波技術將其消除。

（4） 研究基於認知的抗干擾技術。基於認知的抗干擾技術是結合頻譜感知、頻譜管理和鏈路傳輸引數重新配置的新技術。它利用頻譜感知技術獲得頻譜空間的佔用情況，透過頻譜管理給出可選擇的備用通道，並將鏈路建立在新的傳輸通道上，以規避干擾訊號所在的頻帶，從而實現資料的可靠傳輸。

2。3 資料鏈加密技術

資料鏈加密技術是指在空間、時間和頻域中採用多重安全保密措施，保證資料鏈傳輸的正確性，系統執行的可靠性和安全性，應對複雜多變的環境。

資訊傳輸的可靠性是對通訊系統的最重要的要求之一，資料鏈採取了多種技術手段，針對通道傳輸中的各種自然和人為干擾，採用了資料和通道加密技術，確保了資訊的安全傳輸。

目前，國外的軍用無人機測控資料鏈普遍採用了有效的加密手段，尤其是美國無人機在推行使用通用資料鏈（CDL）和共用傳輸網路傳輸資訊後，對基於信源和通道的加密更加重視。我軍無人機測控視距鏈路、衛星通訊鏈路也普遍採用了機要部門認證的專用加密措施。

為了保護無人機系統的通訊，提高測控鏈路的安全保密性，應在以下方面加強研究：

（1） 研究大金鑰、高保密的加密裝置；

（2） 研究大容量、高實時性的加密裝置；

（3） 研究基於數字簽名和身份認證安全保密機制；

（4） 除報文資訊加密、語音加密和網管加密外，還需要研製同步抖動加密和基碼加密，支援跳時/跳擴控制/入網控制/敵我識別等加密功能。

2。4 無人機網路資料鏈技術

無人機網路資料鏈技術是將無人機與無人機、有人機以及其它武器平臺之間的資料鏈進行無縫連線，實現資訊共享的物理層技術，是實現未來無人機網路中心站的重要技術基石。

無人機網路資料鏈技術可形成以無人機為核心的移動戰鬥群組網，實現資訊共享程度更高，指揮排程更快，作用範圍更廣，系統抗毀能力更強，互操作性更好的資訊化聯合作戰系統，確實提高無人機資訊化作戰能力和協同作戰能力。

為適應多機和機群的協同作戰要求，應在網路化方面加強技術研究：

（1） 研究網路自組織和自愈重構技術；

（2） 研究分散式多址接入技術和高速大容量資訊傳輸體制；

（3） 研究無人機組網的網路體系結構；

（4） 研究實時魯棒動態路由協議技術；

（5） 研究與未來天空地一體化資訊格柵網路的連結和協同技術。

2。5 無人機多輸入多輸出（MIMO）資料鏈技術

無人機多輸入多輸出（MIMO）資料鏈技術是一種新的無人機測控資料鏈體制，它在地面控制站和無人機上同時配置多根發射和接收天線，將單一資訊通道變成了多個獨立的、並行的資訊通道，而每個子通道容量都可以達到在無人機SISO（單輸入單輸出）數道的波形可以獨立控制。而每個子通道容量都可以達到無人機SISO（單輸入單輸出）通道容量，同時可以獨立控制。

將MIMO技術應用在無人機資料鏈中，構建基於MIMO的無人機資料鏈，主要優勢在於：

（1）增大資訊傳輸容量；（2）降低截獲機率；（3）增強抗干擾能力；（4）提高任務適應能力。

為充分發揮MIMO技術在無人機資料鏈中的應用，主要研究方向包括：

（1） 無人機MIMO天線佈局的進一步研究。當天線數目較多時，天線的空間佈局方式多種多樣，從而其空間相關矩陣也多種多樣，相應的MIMO容量的情況也相當複雜。

（2） 無人機MIMO系統中訊號處理的研究。結合MIMO技術在無人機資料鏈上的應用優勢，在兼顧複用增益和分集增益的情況下，研究選擇怎樣的編解碼策略、如何提升無人機MIMO抗干擾性能等問題。

（3） 無人機MIMO抗干擾和監測技術研究。

（4） 無人機MIMO資料鏈實驗平臺構建。

2。6 一站多機資料鏈技術

一站多機資料鏈技術是指一個測控站（地面或空中）與多架無人機之間的資料鏈通訊，採用頻分、時分及分碼多重進接方式來區分來自不同無人機的遙測引數和任務感測器資訊。簡化了地面控制站的裝置量，使用一個測控站可控制多架無人機；提高了系統互聯互通的能力，使無人機實現多機多系統的相容和協同工作，提高無人機測控系統的使用效率。主要研究方向包括：

（1） 資料傳輸鏈路協議研究。實現無人機的通用化與互操作首先必須實現在物理層上，也就是資料鏈路的通用性，包括頻段、訊號格式、資料格式等測控通訊體制的統一，這是一切互連互通的基礎，美軍於 1991年將通用資料鏈（Common Data Link，CDL）確定為 ISR寬頻資料鏈標準，併發布了《CDL波形規範》，隨後也得到了北約其它成員國的認可，並以該規範為基礎，於 2002年 11月釋出了北約影象系統互操作資料鏈標準 STANAG AR 7085 的第 1 版，2004 年 1 月釋出了該標準的第 2版。為實現資料鏈終端間的互操作，使從空中傳送的影象和管理資料能夠根據需要透過地面/海面指揮、控制和鏈路管理資料終端進行分發，必須準確描述互操作所需的寬頻資料鏈的總體要求、系統功能模型、介面及其特性、保密要求、鏈路管理以及通訊協議等通用技術規範。提高系統通用化、系列化、標準化、模組化水平。

（2） “一站多機”高速資料傳輸技術。除了採用上述高速率資料傳輸技術以外，如果作用距離較遠，測控站需要採用增益較高的定向跟蹤天線，在天線波束不能同時覆蓋多架無人機時，則要採用多個天線或多波束天線。在不需要任務感測器資訊傳輸時，測控站一般採用全向天線或寬波束天線。當多架無人機超出視距範圍以外時，需要採用中繼方式。根據中繼方式不同，又分為空中中繼一站多機資料鏈和衛星中繼一站多機資料鏈。

2。7 超視距中繼傳輸技術

超視距無人機資料鏈是無人機超出地面測控站的無線電視距範圍時，透過地面中繼、衛星中繼、空中中繼實現地面站和無人機的超視距和複雜地形環境下通訊，大大提高了無人機的環境適應能力。

研究超視距中繼傳輸技術可大大提高無人機的執行範圍，提高系統執行的穩定性，避免山區或城市惡劣地形對資料鏈的影響。

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艦面測控站技術

艦面測控站主要完成艦載無人機任務規劃和操縱監視等功能，主要包括：

（1）飛行和機載裝置工作指令的實時遙控技術；

（2）飛行航跡和引數的綜合顯示和記錄等

（3）對無人直升機進行跟蹤定位；

（4）偵察資訊的實時記錄與回傳技術。

3。1 艦面測控站總體佈置設計技術

艦面測控站總體佈置設計技術是指將無人機起降、遙控遙測等所需的艦面裝置進行在艦上進行總體佈置的各項方法、手段和技術的總稱，其中涉及人機工學、裝置電磁相容、艦船總體設計等方面的技術。

艦面測控站總體佈置設計技術是艦面測控站總體設計的重要環節，總體佈置設計是否合理、佈置方案是否最佳化對艦面測控站的操作和功能發揮有直接影響。研究並應用該項技術到實際艦艇設計和加改裝工程中，可保障無人機順利上艦，並進行相應的無人機執行和操作。主要技術研究方向包括：

（1） 艦面控制站中任務控制裝置、飛行控制裝置的艙內人機工程學佈置。

（2） 資料鏈裝置艙外總體佈置，包括資料鏈天線與其他雷達、通訊、敵我識別裝置的電磁相容設計。

（3） 無人機艦面起降輔助裝置所需的慣性測量單元、GPS及副資料鏈的總體佈置，包括位置、遮蔽等方面的考慮。

3。2 艦面指揮控制站互操作與通用化技術

艦面指揮控制站互操作與通用化技術的涵義包括：

（1）實現多型無人機系統在執行指派任務時協同行動的能力；

（2）利用和共享跨領域無人機系統感測器的資訊來無縫地指揮、控制和通訊的能力；

（3）能夠接受不同系統的資料資訊和功能服務，並使得他們有效協作的能力；

（4）能夠提供資料資訊和功能服務給其他無人機系統、單位、部隊的能力。

互操作是實現網路中心站的基本使能技術，是實現聯合作戰和協同作戰的基礎。實現地面站互操作與通用化為目標，制定統一地面站資訊與控制介面標準和人機介面，使單一的地面控制站可滿足多型無人機控制需求，並使各型無人機地面站相互之間資訊共享，這也是未來艦面測控站發展方向。主要技術研究方向包括：

（1） 頂層綜合規劃和統一管理，強調互操作性標準及情報、件事和偵察系統的統一化設計。

（2） 技術上設計統一標準和開放式結構，包括技術標準、作戰標準、戰術標準、程式標準、資料標準、介面標準，並透過模組化設計和開放式結構，進行綜合整合和配置。

（3） 研究北約標準――無人機控制系統介面標準STANAG 4586，STANAG 4586標準採用無人機控制系統功能體系架構，規定該功能體系架構中的資料鏈介面、無人機控制介面和人機介面的詳細要求以及設計方法等。可以使無人機地面控制站與不同型別的無人機平臺及其載荷，以及與作戰系統之間進行通訊。

（4） 在應用和戰術上，與其他無人機、有人機系統及各戰術平臺進行協同作戰，真正實現互操作。

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天線設計技術

天線作為無人機上艦後測控系統的重要組成部分，其效能直接影響無人機系統的效能發揮。而艦船平臺結構複雜裝置繁多空間有限，研究艦面測控天線綜合整合設計具有十分重要的意義。

國內陸基型無人機測控技術已較成熟，但測控系統上艦涉及的天線整合技術薄弱，天線難以滿足艦載條件下的一體化和小型化以及動基座下天線自動跟蹤精度要求。展望未來測控天線的發展趨勢，將會向智慧蒙皮、大規模整合、超寬頻、高效率、低RCS等方向發展；頻段將由微波段向毫米波段，甚至光波段延伸；新興天線必將融合多種技術，效能將會得到進一步提升。因此，加速研製適應這些新概念、新體制的測控天線必將推進測控通訊技術的進一步發展。

4。1 基於綜合射頻體制的無人機艦面測控天線設計技術

基於綜合射頻體制的無人機艦面測控天線設計技術是將資料鏈天線孔徑由載艦的分散式寬頻多功能孔徑取代，採用模組化、開放式、可重構的射頻感測器系統體系構架，並結合功能控制與資源管理排程演算法、軟體，實現無人機資料傳輸的射頻功能。

綜合射頻技術將“綜合”推進到天線及射頻前端，基於共用射頻模組進行實時控制與資源共享、資源管理、資源分配，從而使系統設計師能用盡可熊少的多功能射頻模組構建出一個兼具任務規劃，導航通訊識別，態勢感知、目標探測、跟蹤、攻擊能力的多功能一體化綜合射頻航空電子系統，而且使航空電子系統的成本、重量、功耗、失效率顯著下降。主要技術研究方向包括：

（1） 資源排程設計，基於時間、功能的資源分配、重構和管理；

（2） 寬頻相控陣多工技術；

（3） 寬頻有源T/R元件技術；

（4） 寬頻帶天線、微波系統技術；

（5） 綜合訊號處理技術；

（6） 高速資料傳輸和交換網路技術；

（7） 多功能綜合射頻系統管理和控制技術。

4。2 無穩定平臺裝置的無人機測控天線自動跟蹤技術

無穩定平臺裝置的無人機測控天線自動跟蹤技術是利用GPS引導方式和無刷伺服電機控制，實現對定向天線的方位角、俯仰角的伺服控制，並具有一定預留擴充套件性。避免採用單通道單脈衝跟蹤體制，透過訊號相位關係來進行方位俯仰判斷而引入複雜伺服系統。

美國BMS公司已將該技術應用到某無人機最新的跟蹤天線中。目前國內無人機測控定向天線多采用單通道單脈衝跟蹤體制，透過訊號相位關係來進行方位俯仰判斷，需要一套複雜的天線伺服反饋系統，成本很高，維護檢修技術要求較高。此外，在實際使用中，很容易受到干擾而導致天線亂轉。主要技術研究方向包括：

（1） 系統架構設計，將飛行中的無人機GPS位置與艦面控制站中的資料鏈GPS位置、系統傳輸延遲等因素，解算求得天線的方位和俯仰角。

（2） 伺服電機控制，既保證轉動力矩平穩，又要轉動角度準確。

（3） 再次跟蹤技術，針對無人機資料鏈天線丟失無人機後的再次捕獲技術。

4。3 輕型整合一體化天線設計技術

輕型整合天線技術是將多種天線整合化、輕型化、一體化、平面化，將天線嵌入、整合成艦艇上層建築中的技術，它綜合運用平面陣天線、聯合孔徑、材料、結構設計、系統整合等技術，透過系統工程的辦法，使艦艇的天線設計與隱身設計有機地集合起來。主要優勢在於：

（1）天線小型化，可減小天線體積、尺寸，適宜艦艇安裝；

（2）多制式天線的應用將節省成本和天面資源，靈活滿足要求；

（3）新材料的應用，即可滿足天線的基本功能，又能在隱身、電磁相容方面有所提高。

國外天線設計已從單一功能向綜合化、分體設計向模組化整合設計、電磁無源材料向有源電控材料、大尺寸向小型化變化，且無論從功能、設計、部署都朝智慧化發展。主要技術研究方向包括：

（1） 天線體積小型化。天線小型化是在保證天線效能基本不變的條件下，減小天線的體積。

（2） 多種制式網路共天饋應用。未來多種制式共用一面超寬頻天線，不僅天線工作頻段覆蓋多個制式，而且可以根據系統的不同要求實現每一個制式的獨立調節。

（3） 天線功能模式向智慧化功能方向發展。未來天線實現智慧化的波束賦形、波束指向控制、波束分裂和遠端控制，靈活滿足戰場的應用需求。透過天線的智慧化實現系統間互操作和資源的最佳化利用，最終實現智慧化的操作方式。

（4） 天線與射頻模組連線由分離式向集中式發展。未來集中式的裝置代替分離式的裝置，光纖代替電纜，天線與主裝置實現小型化和一體化並充分結合，實現天線、頻譜資源的節約和靈活的部署方式，適應網路扁平化的發展趨勢。

（5） 新型材料的研發與運用。

4。4 機載共形相控陣天線技術

機載共形天線（陣）是將天線從飛機內笨重的裝置轉型成為大型但輕薄的陣列，從而成為長航時無人機機翼的一部分甚至是飛機蒙皮的一部分，使天線與載體飛機共形；而不破壞飛機的機械效能和氣動效能。

將共形陣列附著在飛機的外層有幾大好處。首先擴大了用於感知探測的平臺範圍，任何飛機都容易被改裝用於情報蒐集。機翼、機門或機身都可以成為天線；另外，採用共形天線後，陣列孔徑更大，這意味著探測效能會更好。而且，採用共形天線可以實現對飛機進行降低雷達特徵的最佳化設計，同時可以節省空間，減少飛機的氣動阻力，最大限度地減少天線對飛行器氣動力學的影響，相應地提高了飛機的飛行時間。

在共形天線領域，國際上存在著激烈的競爭。美國國防部認為，未來十年需要研製的是高階無人作戰飛機以及無人偵察飛機。共形的多孔徑感測器，也被稱作智慧蒙皮，將是這些工作中的重點。近期共形天線的應用是用於無人機“全球鷹”無人偵察飛機、“捕食者”A/B無人機以及A160無人直升機等。目前存在的需求是製造能夠作為飛機蒙皮、耗電非常少的輕型天線陣列。將共形陣列用於無人作戰飛機上，小型、隱身、導彈大小的無人作戰飛機可以很好地結合共形天線的優勢，將整個無人機平臺的外表層都作為孔徑，進行通訊、成像、干擾並向敵方電子裝置發射高功率脈衝以發揮武器的作用。

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結 論

無人機測控系統是無人機系統的重要組成部分，從艦載無人機資料鏈通訊技術、艦面測控站技術和天線設計技術三個方面，介紹了相關關鍵技術的基本概念、作用意義以及重點研究方向。對艦載無人機測控系統的設計研究有重要意義。

文章來源於： 空間技術海域應用

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