楊紅生

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

1 引言

無人機單獨執(zhí)行任務會面臨任務覆蓋區(qū)域受限、任務性質單一、總體效率不高等諸多問題，而組織多個飛行器，甚至是多個不同類型的飛行器攜帶多種傳感器協(xié)同執(zhí)行任務將成為一種重要的新應用方式[1－2］。此外，在實際使用中，傳統(tǒng)的無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)受使用環(huán)境限制，往往存在對任務無人機的遠程支持能力不夠、鏈路被障礙物遮斷、難以在山區(qū)等復雜地形單獨執(zhí)行任務、地面控制站安全保障能力不強等問題。

目前，針對無人機單獨執(zhí)行任務存在的不足，國內外已經有了一些相關研究。有利用機間鏈中繼通信方式，例如美國無人機間的中繼通信主要采用的頻段是UHF和 VHF(航空窄帶數據鏈，如Link11、Link16等，機間傳輸的信息容量有限)[3］。有利用無人機中繼的方式，比如美國“全球鷹”高高空無人機機載終端在中繼通信模式下，可作為多達8個采用時分多址體制的地面用戶間的通信路由器;以色列Spectralink公司的第四代無人機點對點空空中繼鏈路，空空中繼鏈路信道容量可達9 Mb/s。有利用有人機中繼的方式，比如美國的E－9A型機載遙測站針對超低空目標(如巡航式導彈或無人飛行器等)，利用S頻段相控陣天線，可同時跟蹤5個目標，并提供遙測中繼鏈路。有利用有人機指揮控制無人機的方式，比如美國已經在空軍試驗靶場和海軍太平洋靶場廣泛使用的飛機測控站。美國機載有人/無人系統(tǒng)技術項目(AMUST);美國波音公司主持的有人駕駛戰(zhàn)斗機指揮無人機協(xié)同飛行;英國奎奈蒂克公司(QinetiQ)主持的有人機控制無人機試驗[4］;美國陸軍利用L－3公司開發(fā)的戰(zhàn)術通用數據鏈(TCDL)，利用其現役AH－64D直升機、黑鷹指揮控制直升機對“獵人”無人機進行指揮控制(AMUST)等。國內也有利用有人機改裝的單目標遙控遙測站。但國內外還沒有利用無人機實現的多目標遙控、遙測及載荷數據中繼傳輸應用。

為解決當前傳統(tǒng)無人機單獨執(zhí)行任務存在的諸多問題，本文提出一種以相控陣多波束天線為核心的無人機多目標空中中繼指揮應用系統(tǒng)，實現對多個無人機的遙控、遙測及載荷信息中繼。

2 系統(tǒng)組成

無人機多目標空空中繼指揮應用系統(tǒng)設備配置示意圖見圖1所示，機載設備組成見表1。

圖1 設備配置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the device configuration

表1 機載設備組成Table 1 System equipment compositions

鏈路分為空－地鏈路、空－空中繼鏈路兩部分?？眨罩欣^鏈路是無人中繼指揮系統(tǒng)的核心鏈路，實現對多個任務無人機上下行數據的中繼轉發(fā)，結合地－空鏈路實現指揮控制站與多個任務無人機之間在超視距情況下的遙控、遙測與數據傳輸功能。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢

本文所設計的無人機多目標空中中繼指揮應用系統(tǒng)不僅能夠實現無人機多機協(xié)同應用，還能克服傳統(tǒng)地基無人機測控與信息傳輸系統(tǒng)的一些應用限制，具有多方面優(yōu)勢。

(1)機載設備體積小，重量輕，傳輸速率高

與傳統(tǒng)的時分多址、碼分多址、頻分多址技術體制的機間鏈相比，實現多目標同時高速數據的空空中繼，該系統(tǒng)中繼機采用相控陣天線，機載設備體積小、重量輕，并且采用電掃方式進行波束掃描，無需轉臺，對中繼機的裝機要素要求不高。

相對于衛(wèi)星中繼超視距鏈路，該系統(tǒng)任務機對空和對地鏈路可以一體化設計，機載設備體積小，重量輕，并且能夠實現多任務無人機同時寬帶信息傳輸。

(2)具有網絡化協(xié)同作戰(zhàn)能力

網絡化協(xié)同作戰(zhàn)、空天地一體化網絡是未來的發(fā)展趨勢，將多目標的地面測控站搬到空中，構造中繼指揮機是適應將來無人機網絡化協(xié)同作戰(zhàn)、空天地一體化網絡發(fā)展趨勢的重要組成節(jié)點。另外，中繼機可以使各波束對應的鏈路兼容不同傳輸波形和傳輸協(xié)議，可使得大量原裝備的、不具備空空組網和空天接入能力的無人機系統(tǒng)也能納入空天地一體網絡作戰(zhàn)環(huán)境中。

(3)提高無人機的使用效能

無人機多目標空空中繼指揮應用能適應多種戰(zhàn)術應用，其執(zhí)行任務的成功率和抗突發(fā)事件的能力較高。例如，編隊飛行中一架飛機出現故障，其余的飛機可以完成預定的任務。

(4)增大作戰(zhàn)半徑

由于無人機測控數據鏈的通信距離、地形地貌的遮擋、安全原因等方面的限制，現有無人機的使用半徑有限，很多情況下不能滿足實際應用需求。在地面站與任務機間增加一架無人中繼指揮機，可以大大提高任務無人機的使用半徑，能夠滿足區(qū)域作戰(zhàn)以及國土范圍不大的小國家使用。

(5)提高地面控制站的安全性

在作戰(zhàn)環(huán)境下，無人機地面控制站深入作戰(zhàn)區(qū)域或在作戰(zhàn)區(qū)域附近都會具有很大的危險性，造成重要的設備和人員損失。通過無人中繼指揮機實現對任務無人機的控制，可以提高地面控制站的使用安全性，提高無人機系統(tǒng)的戰(zhàn)場生存能力。

4 典型應用

由中繼指揮機和多個任務機構成的無人機多目標空中中繼指揮應用系統(tǒng)，可以在協(xié)同偵察、協(xié)同攻擊、協(xié)同防御、協(xié)同態(tài)勢感應，以及在自然災害或特殊地形執(zhí)行任務等多個領域進行應用[5－6］，下面對其中的幾個典型應用進行描述。

4.1 無人機群偵察

單架無人機已經很難勝任對所有地面目標進行空中偵察的任務，而更多地需要多無人機組成機群編隊協(xié)同完成。任務無人機編隊應用可提高對地觀測的覆蓋率，實現多方位多視角觀測、三維立體相干成像、電子偵察、三維成像云層氣象觀測等，可克服單無人機搭載設備受限、偵察和搜索范圍受限等問題。在偵察區(qū)域內，無人機群也可以形成無縫隙的偵察面，對目標進行全面監(jiān)視，如圖2所示。

圖2 無人機群偵察Fig.2 Multi－UAV cooperative reconnaissance

4.2 無人機群協(xié)同攻擊

如圖3所示，指揮機處于敵防區(qū)外安全位置，任務機突前到防區(qū)內直接獲取敵方目標位置信息或接收來自地面單兵的偵察信息，并將其傳送到地面控制站。地面控制站生成火控精度目標信息后，將低時延目標信息傳送給任務機或直接控制指揮機實施攻擊，并根據目標重定位命令和數據，對導彈的飛行姿態(tài)進行控制。無人機群協(xié)同可以實現對空目標攻擊、分布式多任務協(xié)同攻擊、跨平臺制導、防區(qū)外攻擊等。無人機群多機協(xié)同攻擊多個目標可在保存自己的前提下，提高殺傷概率，避免重復攻擊和遺漏，力求最大限度地發(fā)揮無人機的武器威力。

圖3 無人機群協(xié)同攻擊Fig.3 Multi－UAV cooperative attack

4.3 無人機群協(xié)同防御

協(xié)同防御能夠提高威脅告警能力。如圖4所示，可以進行機載有源和無源電子干擾設備組網，感知并回避威脅，協(xié)同跟蹤和識別來襲導彈，并采取適當的對抗措施。用無人機群壓制敵攻擊性武器系統(tǒng)、攔截敵巡航導彈和彈道導彈等目標遠比用有人駕駛的戰(zhàn)斗機和攻擊機安全，而且經濟有效。

圖4 無人機群協(xié)同防御Fig.4 Multi－UAV cooperative defense

4.4 在自然災害或特殊地形執(zhí)行任務

在發(fā)生自然災害或山區(qū)、峽谷等特殊地形執(zhí)行任務期間，由于道路限制，地面控制站無法達到指定控制區(qū)域，或者由于地貌限制，地面控制站和任務區(qū)域間無法建立通信鏈路，可以通過無人機群建立起空－空中繼鏈路來執(zhí)行任務。

以山區(qū)執(zhí)行任務為例，應用示意圖如圖5所示。如地面控制站處于山區(qū)外，2架搭載不同偵察載荷的任務無人機深入山區(qū)內部執(zhí)行任務，中繼指揮機在山區(qū)邊緣的高空，在地面控制站和任務無人機間建立中繼通信鏈路。

圖5 在自然災害或特殊地形執(zhí)行任務Fig.5 Multi－UAV performs tasks in natural disasters or special terrain

4.5 協(xié)同態(tài)勢感知

協(xié)同態(tài)勢感知是編隊或機群協(xié)同模式下，由于協(xié)同原因或本平臺傳感器不能對目標進行有效探測，把編隊成員獲取的信息和自身平臺戰(zhàn)術信息進行共享，實現協(xié)同態(tài)勢感知。如圖6所示，利用無人機群的多個資源跟蹤同一個目標可有效提高跟蹤質量，且可實時顯示目標未被跟蹤(如未分配)或者不能跟蹤(如未在自己的視場內)的狀態(tài)，從而極大增強無人機群的狀態(tài)感知能力。同時，利用無人機群共享的角度跟蹤數據以及多種技術可有效地對無源輻射或有源輻射目標實施無源定位。

圖6 協(xié)同態(tài)勢感知Fig.6 Multi－UAV cooperative situation awareness

5 關鍵技術

本系統(tǒng)中包含的空空和空地兩條鏈路，硬件上涉及到的天線、信道、信號處理平臺等都是成熟設備，軟件上涉及到的編譯碼、調制解調及信號處理等也都是成熟技術。本系統(tǒng)的關鍵是天線設計，機載終端一體化、小型化設計，鏈路協(xié)議，系統(tǒng)使用流程等方面。

5.1 中繼機天線設計

空空中繼鏈路是該系統(tǒng)的核心，以空空鏈路需要的數傳速率4.096Mb/s、作用距離200km為例進行設計，經初步的鏈路電平計算，在任務機發(fā)射功放為20 W，即43 dBm的情況下，發(fā)射天線增益+接收天線增益至少需要達到28dB。需要從裝機要素、成本、實現難易程度等方面進行綜合考慮，選擇合適的天線選擇方案。具體可以有以下幾種天線方案:

(1)中繼機和任務機，一個使用全向天線，一個使用定向天線，則定向天線至少需要0.6m口徑，對于普通的任務機和中繼機都難以安裝，并且中繼機使用定向天線時，還需要快速的機械掃描使波束對準各任務無人機;

(2)中繼機使用多波束相控陣天線，任務機使用全向天線，經計算相控陣天線至少需要256個陣元，成本較高;

(3)任務機使用小口徑的定向天線，中繼機使用小型多波束相控陣天線，相控陣天線每個波束獨立電掃，速度快，能滿足多目標使用要求;經計算中繼機天線只需要24個陣元，任務機使用0.2m口徑天線即可，成本可大幅降低。

經比較，中繼機使用小型多波束相控陣天線，任務機使用0.2m口徑的定向天線的方案最佳。

中繼機使用時是在某個矩形范圍內來回往復式機動，由于相控陣天線掃描范圍有限，方位掃描范圍通常在45°～60°，不能實現 360°覆蓋，因此對于中繼機相控陣天線的設計，可以有3種方法:一是設計四面陣，實現360°覆蓋，但這種方法成本太高;二是設計單面陣，使用360°旋轉的轉臺，但安裝不共形，對飛機的氣動布局有影響;三是飛機左右兩側安裝兩面相控陣天線，并使用1副全向天線用于飛機轉彎時的補盲，該方案可行。

5.2 機載終端一體化、小型化設計

機載終端的體積、重量關系到設備適用于什么樣的機載平臺。對機載終端進行一體化、小型化設計，便于設備裝機，使系統(tǒng)能夠適用于小型平臺，便于應用，也是一個研制重點。

中繼機機載終端包括對地機載終端、定向天線，對空中繼終端、相控陣天線、全向天線。為進行一體化、小型化設計，可以從兩方面進行設計:一方面是將相控陣天線的陣面、接收信道組件和波束形成網絡進行一體化設計;另一方面是將對地終端和對空終端的數據處理平臺進行一體化設計，使模塊的硬件達到高度的共用化，有效降低中繼機機載設備的尺寸、重量。另外，由于不同任務機與中繼機之間的鏈路技術體制也可以不同，還涉及到多體制最小資源共用設計問題，以降低對數據處理平臺資源的需求。

類似地，為降低任務機設備的重量，可以將任務機對空終端和對地終端進行設備復用、一體化設計。采用一個機載數據處理終端，配置兩套獨立的對空終端和對地終端的信道和天線，使用時通過信道切換分別建立空空鏈路和空地鏈路，這樣就可以降低對任務機的載重要求，使系統(tǒng)可以適用于比較小型的無人機平臺。

5.3 鏈路協(xié)議設計

中繼機進行數據中繼可以采用再生轉發(fā)的方式完成，各任務機將獲取的任務信息與本機的遙測信息融合后發(fā)送給中繼指揮機，中繼指揮機將接收到的多任務機信息與本機的遙測信息進行融合，再發(fā)送至多目標地面控制站。而多目標地面控制站將對中繼指揮機和各任務機的遙控信號通過地空鏈路發(fā)送至中繼指揮機，中繼指揮機接收后，將發(fā)給本機的信號解調出來，同時將發(fā)往各任務機的信息再中繼轉發(fā)給各任務機。

上述整個過程涉及到多目標地面控制站的下行信息接收、處理、分發(fā)，上行信息收集、處理、發(fā)射，中繼機下行信息收集、處理、發(fā)射，上行信息接收、處理、分發(fā)。上下行信息涉及到的信息類型都比較多，包括任務載荷信息、任務機狀態(tài)信息、任務機導航信息、中繼機狀態(tài)信息、中繼機導航信息、中繼機遙控信息、任務機遙控信息等，因此，需要參考ISO參考模型，進行鏈路協(xié)議分層設計。此外，由于任務無人機數量不是固定的，協(xié)議內容還需要可以根據任務無人機數量動態(tài)配置和復接。

5.4 系統(tǒng)使用流程設計

系統(tǒng)使用時，首先是地面指揮控制站控制中繼機起飛，然后依次由起降控制站控制任務無人機起飛;各任務機到達指定空域后，控制權依次轉交給中繼鏈路;任務完成后，各任務機飛回到指定空域，控制權再依次轉交給起降控制站，降落回收;最后，中繼機降落回收。

整個使用過程涉及到任務機空空中繼鏈路和任務機空地鏈路間的雙向切換過程。為保障鏈路切換過程的安全，以下幾個方面是系統(tǒng)設計的關鍵:第一，由于中繼機和任務機都是定向天線，在鏈路切換時要合理設計切換流程，確保中繼機和任務機天線能夠相互對準;第二，考慮到和平時期和戰(zhàn)時應用環(huán)境，天線對準需要包括數字引導模式和測角模式;第三，需要設計鏈路切換的請求應答流程，確保鏈路的安全切換;第四，設計中繼機轉彎時，用全向天線進行鏈路補盲的方案及流程，確保全程的可靠通信。

6 結束語

本文所提無人機多目標空中中繼指揮應用技術是從測控鏈路角度進行的研究，實際應用中還需根

據應用需要，結合多無人機協(xié)同任務分配、多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃、多無人機協(xié)同編隊軌跡優(yōu)化、多無人機協(xié)同任務自組織等技術，構成完整的無人機多目標協(xié)同應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有對機載設備體積重量要求低、網絡化協(xié)同作戰(zhàn)能力、實現同頻段不同技術體制的已裝備無人機協(xié)同應用、實現多無人機同時寬帶數據傳輸、擴展無人機作用距離、提高地面控制站安全性等優(yōu)點，對于區(qū)域作戰(zhàn)以及國土范圍不大的第三世界國家都具有重要應用價值。

[1]朱戰(zhàn)霞，袁建平.無人機編隊飛行問題初探[J］.飛行力學，2003，21(2):5－7，12.ZHU Zhan－xia，YUAN Jian－ping.Discuss on formation flight of UAV[J］.Flight Dynamics，2003，21(2):5－7，12.(in Chinese)

[2]樊瓊劍，楊忠，方挺，等.多無人機協(xié)同編隊飛行控制的研究現狀[J］.航空學報，2009，30(4):683－691.FAN Qiong－jian，YANG Zhong，FANG Ting，et al.Research status of coordinated formation flight control for Multi－UAVs[J］.Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2009，30(4):683－691.(in Chinese)

[3]王邦榮，李輝，張安，等.戰(zhàn)術數據鏈的現狀及未來發(fā)展趨勢[J］.火力與指揮控制，2007，32(12):5－9.WANG Bang－rong，LI Hui，ZHANG An，et al.Status quo and Future Development Trend of Tactical Data Links[J］.Fire Control and Command Control，2007，32(12):5－9.(in Chinese)

[4]王繼業(yè).無人作戰(zhàn)飛機寬帶信息網絡的發(fā)展與思考[J］.電訊技術，2009，49(8):103－107.WANG Ji－ ye.Broadband information network of unmanned combat aerial vehicles(UCAVs):development and thought[J］.Telecommunication Engineering，2009，49(8):103－107.(in Chinese)

[5]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，2008，48(10):107－111.WU Qian，LEI Li.TT＆C and information transmission system for multiple unmanned aerial vehicles(UAVs):technology and development[J］.Telecommunication Engineering，2008，48(10):107－111.(in Chinese)

[6]Maza I，Ollero A.Multiple UAV Cooperative Searching operation using polygon area decompositionand efficient coverage algorithms[C］//Proceeding of the 7th International Symposium on Distributed Autono－mous Robotics Systems.Toulouse，France:Springer，2004:211－220.