無人機測控與信息傳輸有關系統(tǒng)問題探討-

1、無人機測控與信息傳輸有關系統(tǒng)問題探討韓玉輝1,2(11北京航空航天大學,北京100083;21中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081摘要測控與信息傳輸系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)的重要組成部分,按照作用距離,系統(tǒng)可以分為微型無人機、極近程無人機、短程無人機、遠程無人機的測控與信息傳輸系統(tǒng)。對系統(tǒng)設計中的有關系統(tǒng)問題進行了探討,包括頻率資源如何利用、測控和通信功能怎樣綜合以及系統(tǒng)的技術體制如何選擇等。關鍵詞無人機;測控與信息傳輸;系統(tǒng)問題中圖分類號T N92文獻標識碼A 文章編號1003-3106(200808-0004-03R esearch on UAV TT&C and I

2、 nform ation T ransmissionR elated System IssuesH AN Y u 2hui 1,2(1.Beijing Univer sity o f Aeronautics and Astronautics ,Beijing 100083,China ;2.The 54th Research Institute o f CETC ,Shijiazhuang Hebei 050081,China Abstract TT&C and in formation transmission system is an im portant part of UAV

3、(unmanned aerial vehicle .According to the operation range ,it could be divided into mini 2UAV ,very short range UAV ,short range UAV ,long range UAV TT&C and in formation transmission systems.The related system issues in system design are discussed in this paper ,including usage of system res o

4、urce ,integration of TT&C and communication functions and selection of the technical system and s o on.K ey w ords UAV ;TT&C and in formation transmission ;system issue收稿日期:20082032060引言無人機系統(tǒng)一般由7大部分組成,包括飛行器平臺、導航飛控、發(fā)射回收、測控與信息傳輸、任務載荷、情報處理、綜合保障等。無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)的重要組成部分,由數(shù)據(jù)鏈和地面控制站組成,用于完成對無人機的遙

5、控、遙測、跟蹤定位和視頻信息傳輸,實現(xiàn)對無人機的遠距離操縱和機載偵察信息的實時獲取。其性能和規(guī)模在很大程度上決定了整個無人機系統(tǒng)的性能和規(guī)模。隨著無人機系統(tǒng)的發(fā)展,測控與信息傳輸系統(tǒng)具備以下使用特點:一般情況下在飛行過程中,飛機自主飛行,對實時控制的要求降低;在起飛降落過程中,容易出現(xiàn)飛行問題,要有可靠的控制手段,確保飛機的安全;圖像偵察型,一般情況下多是單站單機應用;作戰(zhàn)型(如電子對抗型,一般情況下工作在單站多機,飛機控制數(shù)量在6個以內;即使傳輸部分飛機的圖像,也只用于狀態(tài)觀察;隨機入網(wǎng)、大范圍動態(tài)、不允許存在同步信號。1技術體制選擇原則和資源使用在測控與信息傳輸系統(tǒng)的技術體制選擇原則中,首

6、先要考慮的問題是面對眾多的無人機系統(tǒng),所有的無人機可以工作在一個網(wǎng)絡體系或者是一種體制嗎?回答是既不能也不是。主要原因如下:頻率和帶寬資源限制做不到;數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡應由不同種類的群網(wǎng)絡組成類群網(wǎng)絡;短程以下的戰(zhàn)術類無人機的數(shù)據(jù)鏈對網(wǎng)絡化要求的程度低,例如對無中心網(wǎng)絡的兼容性;戰(zhàn)術類無人機的數(shù)據(jù)鏈可以分成3類工作體制:微型:高度集成化、微型化;極近程:通用性、低成本;近/短程:通用性、網(wǎng)絡化。信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡42008R adio E ngineering V o1138N o 18戰(zhàn)略類無人機的數(shù)據(jù)鏈需要統(tǒng)一的工作體制、網(wǎng)絡化。所以,針對不同種類的無人機系統(tǒng),可以用不同的體制類型。在體制規(guī)劃中,主要

7、考慮影響測控與信息傳輸系統(tǒng)規(guī)模和復雜度的體制要素。飛機類型不同,細微的傳輸體制可以不同,但每一類系統(tǒng)主要體制要符合無人機使用特點。任何一個測控與信息傳輸系統(tǒng),其主要體制要素包括頻段、測控與通信的復合方式、傳輸速率、信道編碼、調制方式、抗干擾抗多徑措施、中繼方式和多址體制等。無人機測控系統(tǒng)的資源主要包括頻率、帶寬等要素,需要考慮以下原則:據(jù)無人機系統(tǒng)戰(zhàn)術使用的特點,不同種類的無人機系統(tǒng)對信息量的需求不同,分別使用不同的頻段;展可用頻帶寬度,減小頻道步進間隔,增加頻道數(shù)量,為戰(zhàn)場頻率管理和調配創(chuàng)造條件;大型無人機的測控與信息傳輸系統(tǒng)用頻盡量向高靠,以便獲得較寬的可用帶寬和相對較好的電磁環(huán)境。2測控

8、與通信綜合211測控與通信的區(qū)別測控系統(tǒng)作用對象以設備為主,要求被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具備實時性、準確性和非完整性。比如對于飛機姿態(tài)的遙控和遙測,從人員操作的角度,只關心目前的數(shù)據(jù),過去的數(shù)據(jù)不再關心。通信系統(tǒng)作用對象以人為主,要求被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具備完整性、正確性和準實時性,對過程不太關心,關心的是結果的數(shù)據(jù)完整性。無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)鏈,不管是地空數(shù)據(jù)鏈還是衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈,都是一類與無人機系統(tǒng)應用相關的特殊數(shù)據(jù)鏈,盡管都是傳輸鏈路,但在作為測控和通信不同的應用時,傳輸鏈路的設計是有區(qū)別的。比如對于無線鏈路的傳輸控制協(xié)議,由于測控要求的實時性,一般情況下要求是流控制協(xié)議;而通信要求的完整性,無

9、線鏈路的傳輸控制協(xié)議需要包傳輸協(xié)議。212載波分立和統(tǒng)一體制選擇在多年的技術發(fā)展過程中,遙控遙測和信息傳輸?shù)捏w制,經(jīng)歷了分立載波到統(tǒng)一載波的發(fā)展。由于無人機的使用經(jīng)歷了單系統(tǒng)應用到大量群應用,分立載波占據(jù)較多的率資源。另外,單獨遙控遙測功能的分立載波主要考慮的是鏈路窄帶傳輸?shù)目煽啃?以更好地保證飛機安全,隨著無人機自動控制能力的提升,飛機的控制安全主要取決于自動控制能力,并不取決于窄帶遙控遙測系統(tǒng)的鏈路可靠性,因此還應該堅持統(tǒng)一載波模式。213復合鏈路協(xié)議綜合考慮遙控遙測和任務載荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c,無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)鏈的無線傳輸協(xié)議應該是一個兼容2種協(xié)議的復合鏈路協(xié)議,一種是有利于

10、過程控制的的流傳輸協(xié)議,一種是有利于結果完整性的數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議。3工作模式測控與信息傳輸系統(tǒng)的工作模式是指影響系統(tǒng)規(guī)模和復雜度的綜合模式,包括系統(tǒng)的帶寬、控制飛機的數(shù)量和中繼方式等。這種工作模式的需求決定了系統(tǒng)規(guī)模的大小和復雜程度、工作體制的選擇,各類測控與信息傳輸系統(tǒng)的工作模式可以綜合為以下6種類型,如表1所示。表1各類測控與信息傳輸系統(tǒng)工作模式工作模式體制特點主要戰(zhàn)術應用工作模式1地空寬帶一站多機圖像偵察型,包括可見光、紅外、S AR、電子偵察數(shù)據(jù)等;也可用于一站一機的偵察打擊無人機;以一站一機工作模式為主,一站多機為輔工作模式2地空窄帶一站多機作戰(zhàn)型,包括電子對抗、硬武器攻擊等工作模式3

11、地空寬帶一站一機+窄帶一站多機察打一體型,包括電子偵察和干擾、圖像偵察和硬武器攻擊等工作模式4空-空中繼空中中繼類工作模式5單收單收站、接收偵察圖象或態(tài)勢信息工作模式6衛(wèi)星中繼通過機-星-地鏈路中繼4無人機系統(tǒng)的抗干擾、抗多徑措施抗干擾、抗多徑的設計不是單方面的因素,要進行綜合考慮,根據(jù)系統(tǒng)應用的信道特點,每種通道分別可以采取的抗干擾、抗多徑措施綜合如表2所示。信息系統(tǒng)與網(wǎng)絡2008年無線電工程第38卷第8期5表2各類不同信道的抗干擾抗多徑特性通道類型頻域時域空域地空通道空空通道上行窄帶遙控多頻段冗余;多頻點自適應頻率跳變;直接序列擴頻、隱分集下行窄帶遙測多頻段冗余;多頻點自適應頻率跳變;直接

12、序列擴頻、隱分集下行2/4/8Mbps多頻段冗余;多頻點自適應頻率跳變;正交碼分多路、隱分集;QAM;頻率分集;超寬帶下行25/50Mbps多頻點自適應頻率跳變;正交碼分多路、隱分集;QAM;均衡;MI M O;超寬帶無中心網(wǎng)絡正交碼分多路、隱分集;QAM;均衡信號猝發(fā)糾錯編碼交織窄波束跟蹤天線;數(shù)字多波束天線;自適應調零天線通信衛(wèi)星上行窄帶遙控下行窄帶遙測下行窄帶通道多頻點自適應頻率跳變多頻點自適應頻率跳變;正交碼分多路、隱分集信號猝發(fā)糾錯編碼交織5多址方式測控與信息傳輸系統(tǒng)可能有以下4種網(wǎng)絡形態(tài):同一區(qū)域多系統(tǒng)兼容、一站多機、一機多站和無中心自由網(wǎng),這4種網(wǎng)絡形態(tài)需要運用不同的多址體制。5

13、11同一區(qū)域多系統(tǒng)兼容體制由于無人機系統(tǒng)的應用特點,不同的系統(tǒng)屬于不同的作戰(zhàn)部門、應用地域隨機多變,不存在時間統(tǒng)一系統(tǒng)的可能,時分多址體制不適用。由于遠近效應模型的不可估計性,也不能采取碼分多址體制。同一區(qū)域多系統(tǒng)兼容體制只能采取頻分多址體制。另外,附帶的碼分多址可以提高系統(tǒng)的軟性能。512一站多機體制一站多機是1套地面系統(tǒng)同時控制多架無人機,通過對無人機應用特點的分析可知,無論上行遙控還是下行圖像遙測,都不能選擇設備復雜、占用頻率資源的頻分多址體制。一站多址體制與系統(tǒng)類型密切相關,各種通道可能的一站多址體制綜合如表3所示。表3各種不同信道的多址體制通道類型多址體制空地通道空空通道通信衛(wèi)星通道

14、上行窄帶通道下行窄帶通道下行寬帶通道一般系統(tǒng)復雜系統(tǒng)超寬帶系統(tǒng)無中心網(wǎng)絡AD-HOC上行窄帶遙控下行窄帶遙測下行2Mbps時分多址碼分多址、不需功率控制分時多址、實時輪詢分時多址、非實時輪詢碼分多址、非實時輪詢分時多址非實時輪詢相控陣時分時多址、實時輪詢數(shù)字多波束時頻分多址(適用高頻段系統(tǒng)碼分多址Internet IP時分多址,碼分多址碼分多址,頻分多址頻分多址513一機多站體制隨著大型無人機或有人機任務載荷的多樣化和綜合化,一個飛機平臺可以同時完成多種功能,這就需要一架飛機向不同的多個地面站分發(fā)不同的信息,既一機多站系統(tǒng)。一般情況下,對飛機和任務載荷的控制由一個地面系統(tǒng)完成,當不同的地面系統(tǒng)需要單獨控制任務載荷時,上行控制可以采取分時多址體制。下行信息的傳輸一般是一個綜合寬帶傳輸,對不同的地面站,下行可以采取時分多址體制。514無中心自由網(wǎng)無中心自由網(wǎng)絡是未來發(fā)展的一種網(wǎng)絡形式,當多個飛機平臺與地面系統(tǒng)一起構成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡,互相之間存在信息交換時,就形成一種無中心自由網(wǎng)。6結束語測控與信息傳輸是無人機系統(tǒng)中的重要組成部分,其頻率資源的利用、工作模式、抗干擾、抗多徑措