(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

隨著無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及其在戰(zhàn)場上的普及應(yīng)用，各軍兵種、功能各異的不同類型的無人機(jī)系統(tǒng)協(xié)同問題日益突顯，美軍發(fā)布的多版無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖都指出提升無人機(jī)系統(tǒng)的互操作性是解決以上問題的關(guān)鍵。美軍情報、監(jiān)視與偵察(Intelligence,Surveillance and Reconnaissance,ISR)寬帶數(shù)據(jù)鏈[1-3](國內(nèi)也稱為無人機(jī)測控與信息傳輸數(shù)據(jù)鏈，簡稱無人機(jī)測控鏈路)互連互通的能力是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)互操作的前提，而測控鏈路的互聯(lián)互通內(nèi)涵為地面終端可接收來自不同廠家機(jī)載終端的任務(wù)、輔助和鏈路管理數(shù)據(jù)，機(jī)載終端可接收來自不同廠家地面終端的命令、控制和鏈路管理數(shù)據(jù)。

國外無人機(jī)領(lǐng)域起步較早，也經(jīng)歷了無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈種類繁多、不能互聯(lián)互通的過程。隨著無人機(jī)在各個領(lǐng)域的大量應(yīng)用，各國都認(rèn)識到數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)化的重要性。為此，美國于2002年11月發(fā)布了北約圖像系統(tǒng)互操作數(shù)據(jù)鏈標(biāo)準(zhǔn)STANAG 7085[4-5]的第一版，2004年發(fā)布了第二版。美國和北約國家的新型無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈均向北約STANAG 7085標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，用于實(shí)現(xiàn)各種無人機(jī)系統(tǒng)甚至有人機(jī)與無人機(jī)之間的互聯(lián)互通互操作。各廠家都遵循STANAG 7085標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)備研制，還可實(shí)現(xiàn)不同廠家的設(shè)備互聯(lián)互通，其中美國的TCDL數(shù)據(jù)鏈就是符合7085標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈之一，已在美國各型無人機(jī)以及與無人機(jī)協(xié)同的有人機(jī)中廣泛使用。

國內(nèi)在無人機(jī)領(lǐng)域起步相對較晚，但隨著近20年無人機(jī)領(lǐng)域的大力發(fā)展，也研制出大量適用于不同應(yīng)用方向的無人機(jī)系統(tǒng)，并配套研制了多種無人機(jī)測控鏈路設(shè)備，滿足了各種無人機(jī)系統(tǒng)對控制及ISR信息傳輸?shù)男枨?。隨著無人機(jī)應(yīng)用范圍拓展，伴隨而來不同功能的無人機(jī)型號的日益繁多，無人機(jī)測控鏈路的互連互通的能力越來越受到重視。雖然國內(nèi)陸續(xù)制定了一系列無人機(jī)測控鏈路相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[6]，但主要是一些基本功能、指標(biāo)的常規(guī)性的要求，不足以清晰地描述無人機(jī)測控鏈路為實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通所需的設(shè)計(jì)指導(dǎo)和約束。因此國內(nèi)大部分無人機(jī)測控鏈路仍然是與無人機(jī)型號匹配的一型一鏈配置，不具備一鏈多型無人機(jī)或不同廠家鏈路設(shè)備互聯(lián)互通能力。

本文通過對按功能分層建立的無人機(jī)測控鏈路抽象架構(gòu)影響鏈路互聯(lián)互通的要素分析，結(jié)合我國無人機(jī)測控鏈路的實(shí)際情況，提出了一種適用于不同型號無人機(jī)測控鏈路的互聯(lián)互通的設(shè)計(jì)方法。

2 無人機(jī)測控鏈路分層抽象模型

參考OSI開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，采用功能分層概念建立測控鏈路的抽象模型[7]如圖1所示。測控鏈路分層模型包含應(yīng)用層、格式層、鏈路層、物理層4層，各層都涉及傳輸特性、管理活動和協(xié)議、數(shù)據(jù)流的組織等功能特性。

圖1 鏈路4層模型Fig.1 The model of four-layer link

測控鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從功能上劃分為三大類數(shù)據(jù),即傳感器數(shù)據(jù)(含輔助數(shù)據(jù)，包括實(shí)時的傳感器數(shù)據(jù)和保存在記錄器的非實(shí)時的傳感器數(shù)據(jù))、管理數(shù)據(jù)(包括平臺、傳感器的控制管理類指令消息)和鏈路控制數(shù)據(jù)。這3類數(shù)據(jù)通過抽象分層功能模型與物理模型間有一定的對應(yīng)關(guān)系，圖2顯示了下行空地鏈路的分層模型和物理模型之間的對應(yīng)關(guān)系，同樣適用于上行地空鏈路，但數(shù)據(jù)流方向相反。為實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，機(jī)載終端和地面終端的相應(yīng)層級需要匹配，如格式層對同種類型數(shù)據(jù)格式封裝匹配，鏈路層對格式層適配后的數(shù)據(jù)復(fù)接和解復(fù)接(組幀和解幀)匹配、鏈路層的鏈路管理數(shù)據(jù)的請求和響應(yīng)匹配(空地?zé)o線鏈路建立、維持、優(yōu)化和拆除)，物理層波形及傳輸參數(shù)配置匹配等，以確保相互通信。

圖2 空地鏈路的數(shù)據(jù)流和功能模型的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 The corresponding relationship between data stream and functional model of air-ground link

功能模型各層級對互聯(lián)互通影響要素如表1所示。

表1 功能模型中各層級對互聯(lián)互通影響要素Tab.1 Interconnection influence factors of each layer in functional model

通過表1可知，應(yīng)用層對外物理電氣接口及通信協(xié)議與無人機(jī)平臺直接相關(guān)，通常由平臺專有接口規(guī)范進(jìn)行規(guī)定；格式層中的用戶數(shù)據(jù)格式可采用透明傳輸，不影響互聯(lián)互通。但因?yàn)椴煌溌敷w制其鏈路管理流程不同，需要對鏈路管理信息及報文格式中參數(shù)的格式及范圍進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)：物理層需要約定好空地鏈路通信波形以及傳輸參數(shù)可實(shí)現(xiàn)無線信號調(diào)制解調(diào)；鏈路層作為消息處理及鏈路管理活動的功能實(shí)體是影響鏈路互通互通的關(guān)鍵層級，需要設(shè)計(jì)格式化的鏈路管理參數(shù)與透明傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)按需復(fù)接為無線傳輸幀。

根據(jù)上述分析，只需將各層級中影響互聯(lián)互通的因素轉(zhuǎn)化為測控鏈路端機(jī)對外接口、傳輸波形及通信參數(shù)、無線傳輸幀格式及信息/報文格式、鏈路管理流程等方面設(shè)計(jì)約束，即可實(shí)現(xiàn)不同型號無人機(jī)測控鏈路的互聯(lián)互通。

3 無人機(jī)測控鏈路連通性設(shè)計(jì)

3.1 端機(jī)對外接口

端機(jī)對外接口與鏈路外部接入設(shè)備有關(guān)，包括與傳感器、記錄設(shè)備、平臺(地面指控站、機(jī)載平臺管理設(shè)備、任務(wù)管理設(shè)備等)、鏈路管理設(shè)備等的接口。

由于測控鏈路端機(jī)對外接口中傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)內(nèi)容采用透明傳輸，不影響互聯(lián)互通；而端機(jī)實(shí)體的接口形式、協(xié)議通常由型號專用接口規(guī)范進(jìn)行規(guī)定，不影響作為配套的測控鏈路端機(jī)之間的互聯(lián)互通。本文僅對端機(jī)對外接口中必要的約束要素進(jìn)行描述，如表 2所示。

表2 端機(jī)對外接口要素Tab.2 External interface factors of terminal machines

3.2 傳輸波形及通信參數(shù)

傳輸波形及通信參數(shù)的匹配保證空地通信各方以同一方式了解參數(shù)的定義和取值范圍，是機(jī)載端機(jī)和地面端機(jī)連通性的基本保證。傳輸波形是鏈路連通性主要影響因素；通信參數(shù)中除工作頻率、頻點(diǎn)步進(jìn)外，其余參數(shù)只是反應(yīng)端機(jī)自身性能的優(yōu)劣，而不會影響空地連通性。而傳輸波形的連通性設(shè)計(jì)，必須完整描述發(fā)端各波形要素的詳細(xì)參數(shù)。

3.3 無線傳輸幀格式

無線傳輸幀是按一定規(guī)則約定實(shí)現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和鏈路控制數(shù)據(jù)等的封裝，主要包括格式層對各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分段/重組和適配，并按照數(shù)據(jù)來源將用戶數(shù)據(jù)封裝后進(jìn)行透明傳輸，以及鏈路層將格式層適配后的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)接和解復(fù)接操作。無線傳輸幀組幀流程如圖3所示。

圖3 無線傳輸幀復(fù)接原理框圖Fig.3 The functional block diagram of wireless transmission frame rejoin

無線傳輸幀的解幀(解復(fù)接)即是組幀(復(fù)接)逆過程，組幀及解幀操作流程程序不會對互操作性造成影響，但對無線傳輸幀格式理解不一致將導(dǎo)致鏈路不能互聯(lián)互通。

目前，國軍標(biāo)GJB 7102-2010所定義的無線傳輸幀格式在適應(yīng)多類型用戶數(shù)據(jù)包和較長的用戶數(shù)據(jù)包方面存在較大的局限性：子幀總長度過短，數(shù)據(jù)區(qū)有效長度受限，三類控制數(shù)據(jù)往往不能同幀發(fā)送；采用多子幀發(fā)送時，傳輸效率低且低優(yōu)先級數(shù)據(jù)延時大；往往不能滿足不同型號無人機(jī)用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｔ趩伟脩魯?shù)據(jù)大于數(shù)據(jù)區(qū)長度時，除定制重設(shè)幀結(jié)構(gòu)，只有將用戶數(shù)據(jù)分包多幀傳輸，而幀結(jié)構(gòu)中缺乏分包連接標(biāo)志(或復(fù)接表)，沒有顯性分割/重組規(guī)則，直接影響鏈路互操作性。

針對現(xiàn)有國軍標(biāo)對無線傳輸幀格式定義的局限，筆者通過對功能模型中各層級對互聯(lián)互通影響要素的分析，設(shè)計(jì)了一種具有較高通用性的實(shí)用無線傳輸幀格式。該無線傳輸幀通?？煞譃閳箢^和有效數(shù)據(jù)兩個字段:報頭包括幀頭(幀同步字)、幀標(biāo)識、地址、分包連接標(biāo)志(復(fù)接表)、密管信息、幀計(jì)數(shù)、幀校驗(yàn)等信息；有效數(shù)據(jù)可包括多個數(shù)據(jù)子區(qū)，分別封裝不同類型的數(shù)據(jù)(含鏈路管理數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等)，分區(qū)的類型和長度由報頭中分包連接標(biāo)志進(jìn)行定義。

采用動態(tài)復(fù)接幀技術(shù)的實(shí)用無線傳輸幀復(fù)接時，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)類型的多少和數(shù)據(jù)包長度生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)子區(qū)，并將數(shù)據(jù)子區(qū)的類型和數(shù)據(jù)子區(qū)有效數(shù)據(jù)長度填入復(fù)接表，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)按需傳輸；接收端根據(jù)分包連接標(biāo)志中的數(shù)據(jù)類型和長度信息，即可完成對無線傳輸幀中各類數(shù)據(jù)的解析、處理和分發(fā)。

實(shí)用無線傳輸幀具有的按需傳輸特性，對不同型號無人機(jī)平臺差異極大的用戶數(shù)據(jù)包類型和數(shù)據(jù)包長度需求，具有良好的適應(yīng)性；無線傳輸幀中對用戶數(shù)據(jù)包的顯性分割/重組規(guī)則定義，使遵循該規(guī)則的無人機(jī)測控鏈路具有良好的互聯(lián)互通性能。

實(shí)用無線傳輸幀結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 實(shí)用無線傳輸幀結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of practical wireless transmission frame

無線傳輸幀結(jié)構(gòu)中不同參數(shù)對鏈路的連通性影響程度有所不同，分別就“幀起始信息”字段和“數(shù)據(jù)區(qū)”字段內(nèi)容進(jìn)行描述，如表3所述。

表3 實(shí)用無線傳輸幀結(jié)構(gòu)中不同參數(shù)對連通性影響Tab.3 Influences of different parameters on connection in practical wireless transmission frames

3.4 鏈路管理參數(shù)格式

在無線傳輸幀的各種消息/報文中，位于數(shù)據(jù)子區(qū)的鏈路管理數(shù)據(jù)最大程度地影響空地端機(jī)間互操作性，必須要進(jìn)行詳細(xì)進(jìn)行定義。鏈路管理數(shù)據(jù)主要包括波形、頻率、帶寬和功率等必須的鏈路操作指令，以及用于鏈路建立和維護(hù)的注入指令(如地面站位置數(shù)據(jù)等)。各種鏈路管理數(shù)據(jù)功能劃分以及對鏈路連通性影響如表4所示。

表4 鏈路管理參數(shù)對連通性影響Tab.4 Influences of link manage parameters on connection

鏈路管理數(shù)據(jù)參數(shù)格式如圖5所示。圖5中鏈路管理數(shù)據(jù)參數(shù)中控制指令類型和控制指令子類型復(fù)用1個字節(jié)表示，圖中左上角的“7”代表最高bit位，右上角的“0”代表最低bit位。

圖5 鏈路管理數(shù)據(jù)參數(shù)格式Fig.5 The parameter format of link management data

3.5 鏈路管理流程

鏈路管理的目的是在環(huán)境限制和作戰(zhàn)任務(wù)限制條件下使鏈路運(yùn)行最優(yōu)化，其實(shí)現(xiàn)途徑就是通過各種鏈路管理活動，包括:評估電磁環(huán)境，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)，控制數(shù)據(jù)流量，根據(jù)預(yù)先計(jì)劃或依據(jù)動態(tài)協(xié)商結(jié)果向鏈路終端分配資源，等。

鏈路管理流程分為機(jī)載終端部分和地面終端部分，負(fù)責(zé)規(guī)定必須的鏈路操作，包括對波形、頻率、帶寬和功率等的控制。鏈路管理功能一般由地面終端發(fā)起，機(jī)載終端可請求改變鏈路參數(shù)，但需地面終端確定是否改變和何時改變。

鏈路管理的特定活動通常體現(xiàn)為某種在某個終端被調(diào)用，用于建立或維持鏈路的程序。如果該程序?qū)ゲ僮餍栽斐捎绊?，必須對這些特殊程序進(jìn)行規(guī)定；如果該程序不會對互操作性造成影響，就不需要進(jìn)行約束。影響測控鏈路連通性的主要鏈路管理操作因素如表5所示。

表5 影響測控鏈路連通性的主要鏈路管理操作因素Tab.5 Primary factors of link management and operation influencing TT&C link connection

下面以無線資源控制中端機(jī)初始化流程和頻譜感知及自適應(yīng)規(guī)避流程進(jìn)行說明。

3.5.1 端機(jī)初始化流程約束

初始化上電后，數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端和地面終端分別調(diào)用自己的初始化程序?qū)?shù)進(jìn)行配置，初始化程序本身不會影響連通性，但如果配置導(dǎo)致鏈路機(jī)地參數(shù)的不匹配，將直接影響到機(jī)載、地面端機(jī)的不能連通。對此，端機(jī)初始化流程活動必須約束的參數(shù)包括射頻信號的初始傳輸波形；射頻信號的初始工作頻率(波道)；機(jī)載端機(jī)、地面端機(jī)的ID號；數(shù)據(jù)加密配置；使用特殊天線方向圖，如采用全向天線，用于初始信號的獲取和提取機(jī)載慣導(dǎo)數(shù)據(jù)輔助定向天線指向。

3.5.2 頻譜感知及自適應(yīng)規(guī)避流程

頻譜感知[8-9]及自適應(yīng)規(guī)避流程是機(jī)載端機(jī)或地面端機(jī)根據(jù)接收端對電磁環(huán)境分析，結(jié)合對接收端正常業(yè)務(wù)接收質(zhì)量評估，調(diào)用的端機(jī)內(nèi)部自適應(yīng)規(guī)避程序進(jìn)行的無線資源控制操作。該程序分為多個步驟，在端機(jī)內(nèi)部運(yùn)行的步驟不會影響互操作，但當(dāng)存在需要與另一方協(xié)調(diào)的步驟，直接影響連通性。

以地面端機(jī)接收頻譜感知及自適應(yīng)規(guī)避流程為例進(jìn)行說明。地面端機(jī)該流程由端機(jī)內(nèi)部協(xié)議管理設(shè)備發(fā)起，流程示意圖如圖6所示，其工作流程如下：

(1)協(xié)議管理設(shè)備向頻譜感知設(shè)備發(fā)送流程起始信息。

(2)頻譜感知設(shè)備控制信道設(shè)備分段對整個工作頻段進(jìn)行頻譜感知，信道設(shè)備響應(yīng)并回報控制到位信息。重復(fù)這兩步，直至整個工作頻段分析完成。

(3)協(xié)議管理設(shè)備中頻譜分析模塊接收頻譜感知設(shè)備輸出的分段頻譜感知信息，生成工作頻帶頻譜分析結(jié)果至自適應(yīng)規(guī)避策略模塊。

(4)自適應(yīng)規(guī)避策略模塊結(jié)合頻譜分析結(jié)果以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收質(zhì)量評估，制定下行接收工作頻率調(diào)整參數(shù)，生成上行頻率控制傳輸幀，并調(diào)整地面端機(jī)接收工作頻率，同時將控制結(jié)果告知操作席位。

(5)通過上行鏈路通報機(jī)載端機(jī)，機(jī)載端機(jī)接收并響應(yīng)下行工作頻率控制，直至下行鏈路重新鎖定，本次流程完成。

圖6 頻譜感知及自適應(yīng)規(guī)避流程示意圖Fig.6 Flow chart of frequency spectrum sensing and automatic adaptation and elusion

圖6所示流程中，①～⑤都只是地面端機(jī)內(nèi)部為實(shí)現(xiàn)頻譜感知及自適應(yīng)規(guī)避功能采用的算法或策略，僅僅反應(yīng)地面端機(jī)自身性能的優(yōu)劣，不影響機(jī)載、地面連通性，不必反映在無線傳輸幀的鏈路管控參數(shù)中；而⑥和⑦表示鏈路自適應(yīng)規(guī)避流程中對機(jī)載端機(jī)和地面端機(jī)的工作頻率調(diào)整操作，就必須以頻率控制指令形式反映在無線傳輸幀的鏈路管控參數(shù)中，且需明確定義參數(shù)表達(dá)方式、范圍和精度，使機(jī)、地端機(jī)對該指令格式達(dá)成一致的理解，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)載端機(jī)和地面端機(jī)互連。

4 結(jié)束語

隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前大部分無人機(jī)測控端機(jī)設(shè)備均具備通過加載相應(yīng)功能軟件模塊實(shí)現(xiàn)功能變更，而本文提出的基于功能分層的無人機(jī)測控鏈路互聯(lián)互通設(shè)計(jì)方法，在不涉及產(chǎn)品具體形態(tài)和實(shí)現(xiàn)方式前提下，通過約束通信信息幀格式、物理波形和通信參數(shù)等即可實(shí)現(xiàn)不同廠家測控鏈路設(shè)備互聯(lián)互通，為我國現(xiàn)役的各型無人機(jī)鏈路改造及后續(xù)新型無人機(jī)鏈路通用化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

采用該方法研制的通用化無人機(jī)測控鏈路，利用分包連接標(biāo)志按需復(fù)接的無線傳輸幀，兼容適應(yīng)用戶數(shù)據(jù)包類型和長度差異很大的不同型號無人機(jī)平臺對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，具備“一鏈多型”適應(yīng)能力，解決了不同廠家、不同型號無人機(jī)系統(tǒng)“一型一鏈”配置的問題，目前已投入實(shí)際應(yīng)用。后續(xù)將在本文設(shè)計(jì)的無線傳輸幀基礎(chǔ)上，進(jìn)一步細(xì)化形成鏈路協(xié)議規(guī)范，可支持該型通用化測控鏈路與遵循該協(xié)議規(guī)范約束的其他廠家機(jī)載或地面端機(jī)互聯(lián)互通，大幅降低用戶單位采購、維護(hù)和使用成本，減少用戶單位對操作使用人員的培訓(xùn)難度和周期，降低整個生命周期內(nèi)的使用成本，因而具有極其重要的應(yīng)用價值。