美军无人机通信系统发展现状及趋势*

2014-02-10关中锋

通信技术 2014年10期

关键词：数据链视距捕食者

关中锋

(中国西南电子技术研究所,四川成都610036)

美军无人机通信系统发展现状及趋势*

关中锋

(中国西南电子技术研究所,四川成都610036)

无人机通信系统是影响无人机系统作战效能的重要因素,跟踪美军无人机通信系统的发展现状及趋势,可为我国无人机通信系统的研制提供一定的参考价值。从美军无人机通信的发展历史入手,详细描述了几种典型无人机通信系统的发展现状,然后分析并总结了系统的典型配置、功能及特点,最后对美军无人机通信系统的发展趋势进行了展望。期望为从事无人机通信技术研究的工程技术人员提供一定的参考。

无人机通信系统发展趋势综合化网络化

0 引言

通信系统是无人机非常重要的组成部分,是无人机对外联系的神经网络,维系着空中的无人机与地/海面控制站及其它地/海/空作战单元之间的信息交换,满足无人机平台监控、传感器监控、传感器数据、任务执行、起降控制等信息传输需求。提供有效可靠的通信是提高基于信息系统的体系作战能力的基础[1],无人机通信系统在未来的信息化战争中将扮演越来越重要的角色。

无人机通信技术随着无人机作战使用方式的变化和通信技术进步而不断发展。早期的无人靶机任务单纯,不需要外部通信联络。20世纪60年代,无人机开始作为单平台在实战中应用,为了解决无人机飞行过程中的实施操控问题,装备了空地视距通信链路,地面操作员完全依赖空地视距通信链路实现对无人机的控制。随着无人机载荷能力提高、作战范围的扩大以及宽带数据链技术、卫星通信技术的发展,无人机开始装备宽带数据链和卫通设备,满足其全球范围作战无人机控制及大容量信息传输需求。另外,在国外,无人机正作为一种新的航空飞行器在国家空域系统飞行,通过在无人机上装备民航通信设备实现和空中交通管制(ATC)部门的通信联络。

1 美军无人机通信系统发展现状

1.1 小型战术无人机通信系统

小型战术无人机的作用距离一般仅在视距范围内,如“影子”200、“猎人”等,主要执行侦察任务为主。无人机有限的机载动力和有效载荷负载能力,限制了机载硬件的使用。载荷主要为简单的、小型化的光电侦察载荷,为地面作战人员提供视距外的战场情况。通信系统一般仅有1～2条视距通信链路组成,而且之前还有一些小型战术无人机使用的是模拟数据链,近期才更换成数字数据链以提高频率利用效率。

“影子”200无人机是美国陆军大量装备的一种轻型战术无人机,其通信系统包括UHF、S频段窄带视距链路和C波段宽带视距数据链[2],其中,UHF、S频段视距链路用于指挥控制信息传输,链路速率几十kb/s,C波段视距数据链传输指挥控制信息和传感器数据,速率可达2.2 Mb/s。“影子”200无人机通信系统设备组成如图1所示。升级版的RQ-7B改进型将安装更高带宽的TCDL(战术通用数据链),速率可达45 Mb/s。

“猎人”无人机最初是陆军/海军/海军陆战队联合发展的短程无人机系统,配置了C波段视距数据链传输指挥控制信息、传感器数据、图像等,并支持实时向空中另1架“猎人”无人机转发。

1.2 中高空长航时无人机通信系统

中高空长航时无人机的飞行高度一般在7～8 km之间,典型平台为美军的“捕食者”无人机,主要用作侦察打击一体化任务,其次是用作情报收集[3]。此类平台除了视距链路外,还需要配置卫通链路以支持其全球作战。

捕食者无人机上配备的主要通信系统包括5. 25～5.85 GHz的C频段的视距数据链和12.5～18 GHz的Ku频段卫通数据链,并配有30～512 MHz频段的ARC-210超短波电台,用于空管话音中继通信和指控备份。其中C波段下行速率4.5 Mb/s,Ku卫通下行速率最高可达50 Mb/s。在起飞和着陆阶段,发射与回收单元通过C频段视距通信链路进行控制;在离地面站150 n mile的视距范围内,地面站主要使用C频段视距数据链对无人机进行操控或由无人机自主运行;而在无人机进入超视距范围时,地面站则主要使用Ku频段的卫通数据链。对于捕食者无人机,由于美军主要采用远程分工操作的模式对其进行操作,也就是实施控制的操作员位于美国本土,因而Ku频段的卫通数据链是捕食者无人机最主要使用的数据链。捕食者无人机通信系统设备组成如图2所示。

图2 捕食者无人机通信系统设备组成Fig.2 Composition of Predator communications system

有资料显示,捕食者无人机上的C频段数据链是由L-3公司研制,支持4.5 Mb/s的模拟数据传输。另外,L-3公司还在捕食者无人机上对Ku频段的TCDL数据链进行过飞行测试,目前资料披露的信息来看这种数据链似乎并未真正装备到捕食者无人机上,不过由于TCDL兼容于美军目前大力推广的CDL系统,因而未来它很有可能取代原有的C频段视距数据链。

1.3 高空长航时无人机通信系统

高空长航时无人机飞行高度在18 km以上,飞行时间不少于24 h。在未来战争中,将成为获取战略情报的重要手段之一。

高空长航时无人机典型的平台是美军“全球鹰”无人机,其平台的空间和载重量更大,搭载的航空电子设备和载荷也更多。“全球鹰”是全球第一架具有自主控制功能的高空长航时无人机,是美国获取情报、监视与侦察(ISR)信息的重要装备[4]。

“全球鹰”的机载综合化通信系统(AICS)可为“全球鹰”无人机提供5条通信链路,包括3条窄带链路和2条宽带链路[5]。AICS系统装有L-3公司开发的综合化通信系统(ICS),包括1条8～12.5 GHz、与CDL兼容的、全双工、宽带、空地数据链,1条12.5～18 GHz Ku频段、全双工、宽带卫星通信链路以及3条0.3～3 GHz、具有冗余功能的、用于指挥/控制的、全双工、UHF卫星或视距链路。其中,UHF卫通是“全球鹰”无人机指控信息传输的主要链路,为确保其可靠性,采用了冗余配置;ICS由一部共用机载调制解调器组件(CAMA)、一部卫通无线电频率组件(RFA)、一个高压电源(HVPS)、一个大功率放大器(HPA)、一个卫通天线、一个视距RFA、一个视距双频段天线、2个UHF接收机/发射机、2个功放、2个LNA/天线共用器组成。它可为“全球鹰”提供全套的视距通信及卫星通信能力。“全球鹰”综合化通信系统(ICS)设备组成如图3所示。另外,“全球鹰”无人机还计划升级INMARSAT能力作为支持超视距指控的窄带通信链路选择之一。

图3 综合化通信系统(ICS)设备组成Fig.3 Composition of ICS

另外,为了支持和空中交通管制(ATC)系统通信,全球鹰配置了3套AN/ARC-210多模式综合通信系统,该系统可在30～400 MHz频率范围上提供两路多模式语音和数据通信,具有普通、保密和抗干扰等特性,可通过视距链路和卫星通信链路进行传输。同时,ARC-210可满足8.33 kHz欧洲ATC要求。

1.4 无人作战飞机通信系统

世界上各个军事强国都预见无人作战飞机在未来战争中将扮演重要角色,因此纷纷研发各自的UCAV[6]。美军的主要无人作战飞机包括“火力侦察兵”武装无人机、X-45无人作战飞机、X-47无人作战飞机等。

“火力侦察兵”武装无人机通信系统主要包括战术通用数据链(TCDL)和UHF链路,采用TCDL将作为控制站与飞行器之间的首选数据链,这是一种Ku频段、全双工的数字RF数据链,下行链路使用原有通用数据链(CDL)波形,速率为10.71 Mb/s;上行链路采用扩频方式,速率为200 kb/s。UHF作为备选数据链,使用ARC-210UHF/VHF电台,工作频率为225～399.975 MHz。

X-45和X-47无人作战飞机(UCAV)是美国空军和海军分别发展的主要无人作战平台,都非常强调其协同作战能力。X-45通信系统主要包括Link-16、ARC-210等视距链路,以及UHF卫星通信、军事星中数据率(MDR)信道和高数据率(HDR)信道、转型通信系统(TCS)等卫星通信链路,未来将扩展机间数据链(IFDL)。空军把Link-16作为其视距(LOS)通信的首选链路,备用链路为ARC-210,未来则IFDL实现。而对超视距通信需求则分为近、中、远期三个阶段,其中近期重点是获得2～4 kb/s的UHF卫星通信;在中期,将利用军事星MDR信道和HDR信道传输SAR目标信息,速率为1 Mbit/s;在远期,如果UCAV系统正式投入使用, UCAV系统将与转型通信系统(TCS)集成,包括无人机的指挥与控制和SAR目标数据的传输。

X-47通信系统主要包括CDL-N/TCDL、Link-16、VHF/UHF数据链、机间数据链等视距链路,以及AEHF收发信机、Ka频段商用卫星等卫星通信链路。海军将选择CDL-N/TCDL作为无人作战飞机首选的LOS通信数据链,要求使用多平台通用数据链(MPCDL)网络操作,此外还将使用Link-16作为对舰船通信的备用链路(还可能用于机间通信),低概率检测和低截获概率及抗干扰(LPD/LPI/AI)的机间数据链以及用于指挥控制与话音中继的VHF/UHF数据链。海军可选用支持单信道与多信道(宽带约10～12 Mb/s)操作的小型AEHF收发信机、Ka频段商用卫星、CDL-N/TCDL(Ku频段)实现机载通信中继;使用自适应通信节点(ACN)和MP-CDL实现组网功能;使用UHF军用卫星进行无人机指挥控制的备份;并且使用VHF/UHF链路实现空管控制功能。X-47未来通信系统设备组成如图4所示。

图4 X-47通信系统设备组成Fig.4 Composition of X-47 communications system

2 美军无人机通信系统特点

美军无人机成体系发展,种类繁多、功能各异,通信系统成体系发展。全球鹰无人机通信网络体系图如图5所示。

图5 全球鹰通信网络体系Fig.5 Global hawk communications system

总结国外典型无人机通信系统现状并分析看出,目前美军无人机通信系统具有如下特点:

1)小型战术无人机一般不装备卫通链路,更多的是采用视距数据链,一般都配置窄带和宽带2种,其中视距窄带通信链路一般以UHF链路为主,主要用于飞行指令、飞行器状态等指挥控制类信息传输;视距宽带通信链路一般以速率可达4.5 Mb/s的C波段链路为主,主要用于平台指挥控制类信息、载荷控制及状态信息、传感器信息等传输。

2)中高空、长航时无人机通常都会配备视距、超视距多条通信链路来满足任务执行、无人机操控、传感器数据分发以及起降控制等一系列功能的数据通信需求。视距通信链路主要用于起降站本地操作,超视距通信链路主要用于任务站超视距操作。其中窄带通信链路一般包括UHF视距链路、UHF卫通链路,未来计划升级为INMARSAT卫通链路,主要传输指挥控制等上行信息、健康及状态信息、应答信息等;宽带通信链路一般包括速率可达274 Mb/s的CDL视距链路、速率可达1.5～50 Mb/s的Ku宽带卫通链路,主要用于传输传感器等任务数据,同时也能完成窄带链路的传输功能。

3)越来越多无人机选择配置ARC-210 UHF/ VHF电台,并有成为标准配置的趋势,以支持和空管系统通信。

4)无人机通信系统越来越强调和有人飞机之间协同通信能力,Link16数据链、MP-CDL数据链、机间数据链等成为越来越多无人机的选择,特别是在大中型无人机、无人作战飞机等平台上。

5)无人机通信系统的标准化、通用性和互通性能力比较差。目前国外无人机通信链路种类多、互通能力差,但国外已经意识到此问题,特别重视无人机通信系统的标准化、通用性和互通性能力,并制定了相应的标准体系。

6)目前,美军无人机通信系统借鉴有人机系统,并从经济可承受性、可靠性和可支持性的角度出发,体系架构还是以独立设备集成为主。但是,随着有人机航空电子系统综合化和模块技术的不断成熟,综合化通信系统将成为无人机系统发展趋势,并已经在“全球鹰”上采用了通信系统适度综合化设计。

3 美军无人机通信系统发展趋势

从几种典型无人机通信系统的组成、功能、特点和发展等情况看,未来美军无人机通信系统的发展趋势如下:

(1)构建无人机通信体系

现有的视距和超视距通信系统不能满足无人机日益增长的数据传输的需要。美军提出大力发展无人机通信体系的要求,建立以网络为中心的通信体系。特别是高空飞行的无人机,例如“全球鹰”和“捕食者”,由于其覆盖范围很大,因此很容易发展成网络“中枢”,或者发展成组网系统。为了支持这种应用业务,必须发展组网通信能力,以便更好地提高其通信能力、稳定性、可靠性、互连能力等。

(2)通信系统综合化一体化

从目前美军现役的无人机来看,还只有“全球鹰”无人机采用了综合化通信系统,随着无人机越来越多地应用于实战,无人机搭载的任务载荷和通信手段越来越多,机载设备以及跨越频段的不断增多。美军大力发展综合化通信中继载荷,采用模块化、尺寸大小可变设计,适应多种平台装载需要[7]。未来无人机强调的是高度集成化,它将广泛采用模块化设计和开放式架构,不论是通信系统,还是传感器载荷,都有小型化、模块化、综合化的趋势。

(3)进一步提高数据传输速率

随着无人机载荷能力提高,机上需要传输的数据量越来越多,这就要求通信系统进一步拓宽频带、提高频率利用率和提高信息传输容量。

(4)对宽带卫通资源的需求越来越大

随着无人机技术发展及应用推广,无人机超视距作战成为无人机的主要作战方式,卫星中继成为无人机的主要通信方式,对卫星资源的需求愈来愈多。通过借助卫星转发器,特别是宽带卫通转发器,满足无人机超视距作战数据宽带传输需求。

(5)对通信链路的安全性要求更高

无人机的使用环境更加恶劣,这就要求通信系统具备更加良好的电磁兼容性、低截获概率、抗欺骗能力、高安全性和足够的抗干扰能力,保证无人机通信系统在恶劣战场条件下稳定、可靠、安全工作。

(6)将应用光学、激光等新型通信手段

光学数据链或激光通信系统等更高频段的新型通信技术,具备消耗功率低、抗干扰能力强、速率更高等特点,激光通信可以数倍地提高数据链的传输速率[8],将是无人机通信技术的一个重要发展方向。但是由于光学、激光等通信的关键技术还有待进一步突破,且射频数据链本身相对于光学、激光通信也具有较好的全天候适应能力,以此,射频数据链在未来一段时间仍将占领无人机低空通信领域的主导地位。

(7)通信系统通用化、系列化、标准化、网络化和互通性能力

随着无人机系统的大量应用,未来无人机通信系统将逐步实现通用化、系列化、标准化、网络化,实现多机系统兼容、协同工作及互联互通互操作,包括和有人飞机、民航空管系统的通信能力。作为代表可列举出通用数据链(CDL)/STANAG 7085[9]。另外,随着网络中心战的发展,无人机将能接入全球信息栅格网,并将成为其中一个关键节点。

(8)通信系统即插即用

无人机作为作战部队的力量倍增器,未来将会对通信系统的能力有持续不断增加的要求[10]。这就要求未来需要的是简单的即插即用通信设备,即可以方便地、快速地、在节约成本的情况下修改、更新和升级通信功能。

4 结语

在国外,无人机系统已在多次战争中承担大量的作战任务,信息化作战步伐的加快,进一步促进国外无人机系统的发展,特别是对作为无人机力量倍增器的通信系统提出了更多的发展需求。

本文对美军无人机通信系统发展状态进行了详细介绍,提炼了其配置、主要功能指标、标准化、实现方式等特点,归纳总结了其发展趋势,为我国无人机通信系统的研制提供一定的参考价值。

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Current Status and Trend of US Military UA Communication System

GUAN Zhong-feng
(Southwest Research Institute of Electronic Technology,Chengdu Sichuan 610036,China)

Unmanned aircraft(UA)communication system is one of the vitally important factors affecting the efficiency of unmanned aircraft system(UAS).Tracking the current status and evolving trend of the US military UA communication system can provide reference for the development of domestic UA communication system.Starting from the history of US military UA communication system,this paper describes in detail the current status of some representative UA communication systems,then analyzes and summarizes the typical configurations,functions and characteristics of these systems.Finally,the developing trend of US military UA communication system is predicted.The author hopes that this paper could offer some references for those engaged in UAV communication field.

UA;communication system;developing trend;integration;networking

TN914.3

1002-0802(2014)10-1109-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.10.001