美海军无人海空平台通信关键技术研究∗
周 洋1杨心武2刘佳丽2
（1.驻江南造船（集团）有限责任公司军事代表室 上海 201913）（2.武汉船舶通信研究所 武汉 430205）
摘 要 通信是无人平台对外联络的神经网络，维系着无人平台与控制站或其它平台的控制信息和任务载荷数据的传输，在未来信息化战争中扮演越来越重要的角色。文章对美国海军无人空中和海上平台（UAV&USV）所采用的通信技术进行了研究和分析，首先介绍了无人海空平台的使命任务。然后，对美海军无人海空平台配备的视距（LOS）和超视距（BLOS）通信手段分别进行了叙述。在此基础上，研究并分析了美国海军无人海空平台采用的几大通信关键技术。最后，从系统和网络应用方面，提出了无人海空平台通信的发展建议。
关键词 无人机；无人水面艇；无人系统通信；海军通信
1 引言
无人作战平台具有非接触、零伤亡、隐蔽性好、造价低廉和操作灵活等优势，可担负多类军事使命，尤其是高危险、高威胁作战任务，不仅对空军、陆军，而且对海军也产生了巨大的吸引力，如美国海军越来越多地引进无人系统并编入作战编制序列，成为其不可或缺的一员。通信载荷对于无人平台非常重要，可以说是其“生命线”，通信为无人平台的指挥控制、情报回传提供有效、可靠的信息保障，进而支撑无人平台达成其作战使命任务。
2 美海军无人海空平台使命任务与通信手段
2.1 美海军无人海空平台使命任务
美国国防部对军用无人平台的早期规划使命任务主要包括:1）侦察；2）精确目标定位与指示；3）探雷/排雷；4）信号谍报；5）作战管理；6）化学/生物侦察；7）武器化。随着无人平台的发展水平提升和在军事应用的发挥越来越重要的作用，其使命任务也在不断变化和扩充。在2007 年美国国防部披露的《无人系统发展路线图2007-2032》中，美国军用无人系统（包括无人飞行器UAV、无人陆战车UGV、无人潜航器UUV、无人水面艇USV）使命任务一共规划了23项，如图1所示。海军作为美国最重要和最强大的军种，其无人平台所担任的使命任务也最为广泛，覆盖了其中21 项［1］。同样是在2007 年，美国海军发布《海军无人水面艇主计划》，明确了无人艇的任务和角色，重点集中在反水雷战、反潜战、海上安全、水面作战、特种作战支援、电子战、海上封锁七大任务上［2］。
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图1 美国军用无人平台使命任务规划
2.2 美海军无人海空平台通信手段
美海军无人海空平台主要有UAV 和USV 两类。典型的UAV 型号包括“全球鹰”、“死神”、“先锋”、X-47B、“火力侦察兵”等，如图2所示。典型的USV型号包括斯“巴达侦察兵”、遥控猎雷系统、“通用无人水面舰艇”（CUSV）等，如图3 所示。UAV 近年来在军用和民用领域都获得了广泛发展，其在各个专业包括通信方面被深入研究。如“全球鹰”“死神/捕食者B”“影子200”“猎人”“X-47”等典型无人机均配备了先进的通信载荷或系统［3～4］。相比之下，USV 方面发展相对其他无人平台较为滞后，USV 基本配备了超短波和卫星通信载荷。由于美国海军通信有较为完善的发展体系，除去水下通信特殊的电磁波传输特性外，USV 和UAV 采用类似的视距和超视距通信手段。
美国海军无人平台的通信手段可分为视距和超视距两种方式［5］。视距通信以超短波通信为主，超视距通信以卫星通信为主。短波作为超视距通信手段的一种，由于其通信模块体积、重量以及功耗均在整个通信系统中占用较大比例，系统一般很少配置短波通信手段。
图2 美海军主要无人机
图3 美海军主要无人水面艇
同种种子在相同温度下用液体冷却介质处理不同时间后，其发芽率有显著区别。以-15℃处理为例，处理1.5 d的X1，F6，H1，H4和K17种子4 d的平均发芽率最高，处理6 d的S10和K16种子4 d的平均发芽率明显高于其他处理时间（见图3）。在-15℃下处理不同时间的7 d平均发芽率可以看出，除S23和K17外，其余6种玉米种子经液体冷却介质处理后，7 d的平均发芽率最高且均接近100%（见图 4）。
从美军现役的无人平台来看，“全球鹰”已经实现了综合化的通信系统。随着无人平台越来越多地应用于实战，无人平台搭载的任务载荷和通信手段越来越多，为避免设备简单堆砌造成的体积臃肿、电磁干扰等各种问题，未来无人平台必定强调高度集成。可利用综合射频技术和软件无线电技术，实现天线设备的集成和平台内部信道和终端设备的集成。同时，针对无人平台有限的资源和通用重构需求，解决通信设备的小型化和模块化问题。
3 美国海军无人平台通信关键技术
3.1 中继通信技术
卫星中继方式由地面控制站、卫星和任务无人平台构成，任务无人平台上需要安装一台定尺寸的跟踪天线，采用数字引导指向卫星。相比无人机中继，卫星中继覆盖范围更广，如美国“全球鹰”和“捕食者”长航时无人机采用Ku 和UHF 两种频段的卫通中继，Ku 频段机载天线口径分别为1.2m 和0.7m，地面天线口径分别为6.2m 和5.5m，作用距离达3000 km以上［16］。
无人机中继方式由地面站、中继无人机、任务平台构成超视距通信链路，特点是移动速度快、机动性高、电波受空间限制少并且成本低。无人机中继一般采用定向通信方式，定向天线通过数字引导或自跟踪方式确保对准，也有采用全向天线中继的方式。美国的“先锋”式无人机装有抗干扰扩频通信设备、大功率固态放大器、全向甚高频和超高频无线电台中继设备等，可在C波段进行数据、信号、话音和图像通信，中继通信距离为185 km［15］。
当无人平台处于控制站无线电视距范围之外时，需要采取中继的方式进行通信。无人机中继和卫星中继是常用的无人机中继通信形式。
3.2 系统集成技术
引导定语从句的词有关系代词that，which，who（宾格whom，所有格whose）和关系副词where，when，why。关系代词和关系副词放在先行词和定语从句之间，起联系作用，同时又做定语从句的一个成分。
对连续化疗的患者，临床护士应重视其焦虑状态的累积作用和变化规律，在不同时期，采取针对性的护理措施如适时有效地开展健康宣教、心理支持疗法、减轻化疗副作用的护理方案等。要特别重视一个疗程中最后1次化疗前患者出现的焦虑状态，帮助患者和家属增强治疗的信心和充分做好迎接下次化疗的生理和心理准备。
图4 “全球鹰”综合通信系统（ICS）构成
3.3 移动自组网（MANET）技术
军用通信系统采用不同频段的无线手段、不同格式的数据链、不同协议的网络等以适应不同的通信场合，但这些异构系统往往不能直接互通。安装于“全球鹰”上的BACN 是一种高空机载通信和信息网关，通过机载执行处理器（AEP）调整和组合机上的V/UHF 电台、卫星通信设备以及各种数据链，在空中建立一个可以为地面成员接收、桥接和分布通信的网关系统，实现在不同的通信频率之间“桥接”，在异构的通信系统之间“翻译”，从而建立持续的通信链路，并支持向全球信息栅格（GIG）转发获取的情报信息。BACN 支持的波型包括SINCGARS（单信道地面和机载电台系统），DAMA（按需分配多路接入），EPLRS（增强型定位报告系统），SADL（态势感知数据链），Link 16，以及采用战术目标网络（TTN）、战术通用数据链（TCDL）、通用链路集成处理（CLIP）或802.11b 的IP 网络连接。BACN 系统极其适合在阻挡视距的崎岖地形、民用/军用混合应用、不同业务甚至不同国家间通信等应用场景中使用。例如，通过BACN 可以在战术蜂窝系统和民用蜂窝系统间建立信号链，地面上的特种部队士兵可以通过民用蜂窝手机和战斗机驾驶舱中的飞行员对话［9］。
3.4 战场机载通信节点（BACN）技术
美军“全球鹰”和“捕食者”无人机具备移动自组网（Mobile Ad hoc Network，MANET）的能力，MANET 是由具有无线通信能力的移动节点组成、具有任意和临时性网络拓扑的动态自组织网络系统。MANET 节点既可作为主机也可作为路由器。作为主机，其终端运行各种面向用户的应用程序；作为路由器，其终端运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由维护。这种分布式网络结构具有很强的鲁棒性和抗毁性。MANET的重点在于网络路由协议。由于无线信道质量的不规则变化，节点的移动、加入和退出等都会引起网络拓扑结构的变化。MANET网络路由协议需要在这种环境中监控网络拓扑的变更，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，构建网络的连通［17］。
3.5 控制系统技术
无人平台控制系统向无人平台发送指挥控制（C2）指令，并处理从无人平台发回的遥测数据和传感器数据。控制系统包括指挥控制部分、发射与回收装置、测控与信息传输系统等。以“全球鹰”为例，其控制系统由飞行器、发射与回收单元（LRE）、任务控制单元（MCE）组成，如图5所示。
卫星通信具有传输信道稳定、通信效果好的优点，是无人平台超视距测控和信息传输最有效的解决方案。目前，美国海军无人海空平台主要使用UHF 卫通、Ku 商业卫通和国际海事卫通（INMARSAT）等卫通手段。UHF 卫通和INMARSAT 带宽窄，一般用于指挥和控制（C2）命令的传输，Ku频段卫通除了传输C2 命令外，更主要用于传输大容量传感器数据［4，6］。随着美军新一代卫星通信系统（如移动用户目标系统MUOS［6］、宽带全球卫星通信系统WGS［6～7］、先进极高频卫星通信系统AEHF［6，8］等）的发展，未来将扩展到X、Ka、EHF 等频段。无人平台执行任务的类型与使用卫通种类及相关终端息息相关。无人平台执行纵深和隐秘打击任务，需要受保护的通信手段（如AEHF）。执行空中预警/联合监视目标攻击雷达系统（AWACS/JSTARS）类似任务时，则同时需要AEHF和可靠的窄带/宽带通信手段（MUOS、WGS）。
图5 “全球鹰”指挥控制与数据传输链路
LRE 提供任务规划、飞行器指挥和控制功能。LRE 包括一个任务规划工作站和一个指挥控制工作站。在执行起飞操作时，操作员扮演本地指挥官，直到飞行器控制权转移到MCE。LRE 和MCE的最主要区别是LRE 不具备宽带数据链路和图像处理能力，但配有精确导航、起飞和着陆所需的差分全球定位系统（DGPS）。LRE 通过视距通用数据链（LOS-CDL）、视距超高频电台（LOS-UHF）以及超视距超高频（BLOS-UHF）卫通对飞行器进行控制。
MCE 负责任务规划，包括飞行规划、通信规划、以及传感器规划。MCE 除了包含LRE 对飞行器的控制功能外，还提供对传感器的控制。MCE可同时控制三架无人飞行器，但同一时刻仅接收一架飞行器的传感数据。MCE 对飞行器的指挥和控制通过窄带LOS UHF 电台和UHF 卫通手段，并采用国际海事卫星通信作为备用指控链路。LOS CDL 和Ku 频段卫通也可以提供指挥和控制信道。传感器数据可以通过LOS-CDL 或者Ku 频段卫通任一手段传回至MCE。MCE能够存储24小时的影像数据，并能为战术需求提供所需的存储数据。系统提供近实时的数据传输，信息延时只与电子处理、通信和飞行器机械响应速度有关［5，18］。
大型无人系统一般配备多种通信手段，并进行集成。“全球鹰”机载统合通信系统（AICS）为无人机指挥控制（C2）、语音通信和载荷数据传输提供冗余的无线电通信和卫星通信手段。AICS 的核心部分是由L-3 通信公司开发的一种多链路宽带综合通信系统（ICS）。如图4 所示，ICS 由一部通用机载调制解调组件（CAMA）、一部卫通射频组件、一部高电压电源、一部高功率放大器、一副卫通天线、一部视距射频组件、一副视距双频段天线、两台UHF接收/发射机、两台UHF功率放大器、两个低噪声放大器/双工器以及两副UHF 天线组成，其中CAMA 是ICS 的核心，所有手段通过CAMA 集成在一起，构成综合通信系统。基于上述集成，ICS可提供1 路与CDL 兼容的全双工、宽带空对地数据链路，1 路全双工Ku 宽带卫通数据链路，2 路冗余的全双工UHF卫通或UHF视距链路［9］。
4 海军无人平台通信发展建议
4.1 无人平台通信系统综合一体化设计
在视距通信时，无需占用宝贵的卫星资源，可采用超短波电台、微波数据链和激光通信等视距通信手段。ARC-210 是美国国防部为包括无人机在内的军用飞机广泛配备的一种先进的超短波网络电台，工作在V/UHF 频段，具有抗阻塞、软件可编程等特性，提供双路、多模式、安全的视距和超视距语音和数据通信，内嵌Havequick、SINCGARS 等抗阻塞波型，在数据、语音和图像传输上提供战场互操作能力。ARC-210 能够接收移动用户目标系统（MUOS）卫星信号，该特性为“全球鹰”带来超过已有系统十倍的卫星数据吞吐量［9］。数据链是作战信息传输的主要方式，用于在传感器、指控系统和武器之间构成实时传输链路。为了适应态势共享和实时控制的需要，数据链采用标准化的消息格式、高效的网络协议和保密抗干扰的数字信道。美海军无人海空平台上主要采用的数据链包括CDL［10～11］、TCDL［12］、Link-16 和C 频段数据链［3］等。将激光应用于无人系统通信可以提供极高的带宽，同时提升抗干扰性能，减小内部电磁干扰。由于激光波束极窄，保持精确的对准对移动中的无人平台是一个极大的挑战。DARPA 自由空间光学试验网项目采用一种混合光学/射频通信技术，成功地演示了空空（＞200 km，3 Gbps～6 Gbps）和空地（＞130 km，3 Gbps～9 Gbps）两种点对点通信链路［13］。美国通用原子公司也展示了无人机机载激光通信载荷，搭载于MQ-9“死神”无人机机身前部，与GEO 卫星进行高速激光通信，支持双向1.8 Gbps信息传输速率［14］。
从表4中可以看出，当加入氧化铋的倍数为15倍以上时，除氯后的结果即可满足电解要求，一般采用15～20倍。
4.2 无人平台集群的组网通信技术研究
根据战争理论中的Lanchester 定律，作战单元的数量是比单元作战能力更为重要的战争胜负决定因素，无人平台集群因而能够实现比敌方优势战机或舰艇更大的胜率，也是无人平台最重要的发展趋势之一。相应地，应提前并深入开展无人平台集群的组网通信技术研究，设计自组网路由协议，研制网络传输服务、网络管理和通信安全防护等软件，解决大量无人平台造成的冗余信息交互问题、平台间的信息延迟问题、节点加入和退出问题、失去地面联系时自组织等问题。
4.3 海空天潜有人/无人平台异构组网研究
有人/无人作战平台协同作战，开展分布式协同侦察打击，是未来海战场环境下无人平台执行作战任务的主要方式。美国防部《2005～2030 年美国无人机系统发展路线图》已明确军用无人机需要能够接入其全球信息栅格（GIG）网络，建立以网络为中心的通信体系。而各类有人/无人平台因通信手段不同，其组网协议也不同，有必要开展不同平台异构组网研究。深入研究子网间的异构网络互连路由协议，优化子网内部的无线自组织网络协议，开展组网控制、服务保障、网络管理和安全防护等装备研制，以支持陆海空天潜异构立体组网，为有人无人作战平台协同态势感知、协同指挥决策、协同行动控制等作战活动的实施提供支撑。
4.4 无人艇通信载荷的智能化提升
智能化是无人平台的重中之重，也是研究中的最大难点，无人平台要具备在极其恶劣的海况条件下安全飞行/航行的能力，在远程、超视距范围时还能精准地进行控制、自主导航、规避障碍物，并完成相应的使命任务，就需要在智能化研究方面做出更大的努力。可提前开展智能自主网络、智能适变天线、战场电磁频谱智能感知与适应、智能波形、智能安全防护等前沿技术研究。
5 结语
随着无人装备的迅速发展，特别是近年来无人水面艇的兴起，全方位的无人化配备将是未来军队装备的一大趋势。通信系统作为无人平台的“生命线”，需构建大容量、全范围、实时、可靠、安全的信息保障，承担严峻的使命任务。本文对美军无人海空平台采用的通信技术进行了详细研究，讨论了其配备的视距和超视距通信手段，研究了其中继、系统集成、组网、网关和控制等关键技术，并提出了海军无人平台通信的发展建议，为我国海军无人装备的发展提供一定的参考价值。
1) 建立信息共享中心。可在所确立的海上搜救责任区内设立信息共享中心，各救助方共享海上险情信息，协调行动，及时做出应急处理。各缔约国可以指定国内相应的救助机构作为信息联络点，并向海上信息共享中心派驻协调员，负责与本国的救助机构联系，共同承担海上人命救助责任。
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Research on Key Technologies of US Navy Unmanned Aerial and Surface Vehicles Communications
ZHOU Yang1 YANG Xinwu2 LIU Jiali2
（1.Military Representative Office at Jiangnan Shipyard（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 201913）（2.Wuhan Maritime Communications Research Institute，Wuhan 430205）
Abstract Communication system is the neural network for the unmanned platform to contact the outside，which transmits control information and payload data between unmanned platform and control station or other platforms. It plays an increasingly important role in the future information war.In this article，the communication technologies of US Navy unmanned aerial and surface vehicles（UAV & USV）are researched and analyzed. First，the missions of the US Navy UAV & USV is introduced briefly. Then，the line of sight（LOS）and beyond line of sight（BLOS）means of communications on these platforms are described individually，following which several key technologies of communications the US Navy UAV & USV used are researched and analyzed. At last，some suggestions are given to the navy about future development of UAV&USV communication systems and networks.
Key Words unmanned aerial vehicles，unmanned surface vehicles，unmanned system communications，maritime communications
中图分类号 V279
DOI: 10.3969/j.issn.1672-9730.2019.10.004
∗收稿日期: 2019年4月13日，
修回日期: 2019年5月26日
作者简介: 周洋，男，工程师，研究方向:通信工程。杨心武，男，博士，高级工程师，研究方向:船舶通信系统设计和开发。刘佳丽，女，硕士，工程师，研究方向:船舶通信系统设计和开发。
Class Number V279
标签：无人机论文; 无人水面艇论文; 无人系统通信论文; 海军通信论文; 驻江南造船(集团)有限责任公司军事代表室论文; 武汉船舶通信研究所论文;