無(wú)人機(jī)群通用控制站的技術(shù)需求分析

柴立功，樊甫華，董世友，張 波

(合肥電子工程學(xué)院，安徽合肥230037)

0 引言

無(wú)人機(jī)群的集群作戰(zhàn)已經(jīng)成為一個(gè)突出的發(fā)展趨勢(shì)。在感興趣的區(qū)域，交戰(zhàn)各方會(huì)同時(shí)派出環(huán)境監(jiān)視(電子偵察、圖像偵察等)、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估、電子對(duì)抗、火力打擊和防護(hù)等具有各種不同功能的戰(zhàn)術(shù)級(jí)、戰(zhàn)略級(jí)的無(wú)人機(jī)。因此，同一區(qū)域內(nèi)諸無(wú)人機(jī)之間的統(tǒng)一調(diào)度與指揮、信息分發(fā)與共享、碰撞檢測(cè)、頻譜資源管理和航路規(guī)劃等工作是當(dāng)前無(wú)人機(jī)集群作戰(zhàn)急需解決的難題。為了對(duì)無(wú)人機(jī)群進(jìn)行統(tǒng)一管理，需要一個(gè)通用的控制站(Global Control Station，GCS)。目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有比較成熟的通用控制站存在。

美國(guó)的無(wú)人機(jī)路線(xiàn)圖［1］明確給出了美軍無(wú)人機(jī)對(duì)GCS的功能要求?！安妒痴摺?、“影子”、“全球鷹”和“大烏鴉”等多種型號(hào)的無(wú)人機(jī)由各自的地面控制站控制起飛，到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，控制工作可以移交給同一套GCS，該GCS作為臨時(shí)性的戰(zhàn)術(shù)控制中心。

將GCS設(shè)置在戰(zhàn)區(qū)附近雖有優(yōu)勢(shì)，但也增大了遭敵方打擊的可能性，對(duì)己方的保障也提出了更高的要求。近年來(lái)，預(yù)警機(jī)的功能不斷增強(qiáng)，可以將GCS集成到預(yù)警機(jī)上，使預(yù)警機(jī)在距離作戰(zhàn)區(qū)域一定安全距離范圍之內(nèi)完成對(duì)多架無(wú)人機(jī)的協(xié)調(diào)控制和指揮工作將是一個(gè)很明智的選擇。

國(guó)內(nèi)也有學(xué)者注意到了無(wú)人機(jī)GCS的發(fā)展需求，并提出了一些技術(shù)實(shí)現(xiàn)措施和思路［2-8］;這些文獻(xiàn)重點(diǎn)研究宏觀發(fā)展趨勢(shì)，并沒(méi)有結(jié)合無(wú)人機(jī)和指控站的現(xiàn)狀給出具體的改進(jìn)措施。本文擬從調(diào)度與指揮、信息分發(fā)與共享、碰撞檢測(cè)、頻譜資源管理和航路規(guī)劃等方面對(duì)控制站和無(wú)人機(jī)的現(xiàn)狀及改進(jìn)需求進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1 測(cè)控系統(tǒng)的需求

早在20世紀(jì)90年代初，美國(guó)陸軍導(dǎo)彈指揮部研究、發(fā)展與工程中心的帕特H.麥金維爾和沙倫E.達(dá)德利就提出了一種利用專(zhuān)家技術(shù)由一個(gè)操作員控制多個(gè)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)控制器原理。主要用于一個(gè)地面控制站通過(guò)一架中繼無(wú)人機(jī)控制多架任務(wù)無(wú)人機(jī)。波音公司生產(chǎn)的任務(wù)規(guī)劃和控制站(MPCS)已證明能適用于各種飛行器，能全面執(zhí)行無(wú)人機(jī)的任務(wù)，從接受任務(wù)到任務(wù)規(guī)劃、飛行器發(fā)射和控制、載荷控制、數(shù)據(jù)處理直至回收飛行器。雷聲公司生產(chǎn)的通用地面控制設(shè)備可以同時(shí)指揮和控制由暗星(Darkstar)和全球鷹(Global Hawk)等組成的3架高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)。英國(guó)的多無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)(MAMUCS)可以由單個(gè)地面站同時(shí)跟蹤4～8架轉(zhuǎn)場(chǎng)飛行的無(wú)人機(jī)或者4架傳感器工作著的無(wú)人機(jī)。以上文獻(xiàn)證明了國(guó)外先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)具備了一站多機(jī)的作戰(zhàn)能力，但對(duì)具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)或工作原理沒(méi)有給出詳細(xì)說(shuō)明。

無(wú)人機(jī)在整個(gè)作戰(zhàn)行動(dòng)過(guò)程中需要接受不同控制站的控制;控制站也可能會(huì)根據(jù)任務(wù)需要選擇不同功能的無(wú)人機(jī);當(dāng)無(wú)人機(jī)的任務(wù)完成后，控制站還應(yīng)該允許該無(wú)人機(jī)退出戰(zhàn)斗。為了便于切換，無(wú)人機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)必須從數(shù)據(jù)格式、編解碼、加解密、射頻調(diào)制與解調(diào)、頻率分配和功率分配、航線(xiàn)控制等方面從硬件和軟件方面統(tǒng)一進(jìn)行規(guī)范化、通用化設(shè)計(jì)。

1.1 數(shù)據(jù)幀格式需求

任何一種型號(hào)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(包括飛機(jī)和對(duì)應(yīng)的指控站)都有其特定的遙控和遙測(cè)數(shù)據(jù)幀格式。一般情況下，一個(gè)完整的無(wú)人機(jī)遙控?cái)?shù)據(jù)幀包括幀頭、指令內(nèi)容、校驗(yàn)和幀尾等4個(gè)部分。幀頭用于接收機(jī)判斷某一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始，也可以用于幫助接收機(jī)確定幀速率;指令內(nèi)容是控制站對(duì)無(wú)人機(jī)的控制指令，包括對(duì)飛行控制系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和任務(wù)載荷的控制命令;校驗(yàn)部分是無(wú)人機(jī)判斷接收到數(shù)據(jù)幀正確與否的依據(jù);幀尾表示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。這樣的數(shù)據(jù)幀格式對(duì)于簡(jiǎn)單的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠，且非常簡(jiǎn)單，但明顯不適用于能夠同時(shí)控制多架不同類(lèi)型無(wú)人機(jī)的通用控制站。

控制站信息部分可以用于無(wú)人機(jī)判斷該數(shù)據(jù)幀的來(lái)源。當(dāng)控制站切換時(shí)，原來(lái)的控制站可以利用該部分內(nèi)容通知新的控制站接管控制關(guān)系;該信息也可以用于控制站之間的互相協(xié)調(diào)。無(wú)人機(jī)編號(hào)用于無(wú)人機(jī)根據(jù)接收的內(nèi)容判斷當(dāng)前的指令是否是給本機(jī)的指令，避免誤操作。調(diào)制方式通知無(wú)人機(jī)是否改變當(dāng)前的調(diào)制方式和重新設(shè)置調(diào)制參數(shù)，如調(diào)制頻率、調(diào)制帶寬、擴(kuò)頻調(diào)制中的偽隨機(jī)碼參數(shù)、通信體制、編碼方式和加解密方式等。功率設(shè)置主要用于CDMA體制下的功率控制，當(dāng)同一區(qū)域內(nèi)多架無(wú)人機(jī)的發(fā)射功率不同時(shí)，避免互相干擾，控制站必須實(shí)時(shí)地調(diào)整控制各無(wú)人機(jī)的發(fā)射功率;另外，還可以采用主副幀的格式，以副幀傳遞航線(xiàn)控制信息。無(wú)人機(jī)通用遙控?cái)?shù)據(jù)幀的建議格式如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)通用遙控?cái)?shù)據(jù)幀的建議格式

遙測(cè)數(shù)據(jù)幀的格式與遙控幀類(lèi)似，指令內(nèi)容部分主要包括:飛機(jī)的姿態(tài)信息、測(cè)距信息和指令的回報(bào)碼。對(duì)于大數(shù)據(jù)量、高速的任務(wù)載荷，如各種圖像(可見(jiàn)光、紅外和SAR等)的偵察數(shù)據(jù)建議設(shè)置獨(dú)立的專(zhuān)用輔助信道來(lái)傳輸，而對(duì)任務(wù)載荷的控制指令及指令回報(bào)，仍在常規(guī)的測(cè)控鏈路傳輸。

1.2 編解碼需求

無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的編解碼包括信源編碼和信道編碼;信源和信道都有多種編碼方式，如PCM編碼和ADPCM編碼、A律及μ律語(yǔ)音壓縮編碼、MPEG及JPG等圖片編碼、H.262等視頻數(shù)據(jù)流編碼等信源編碼;差分編碼、卷積編碼、RS編碼和交織編碼等信道抗干擾編碼。為了便于統(tǒng)一，可以在遙控?cái)?shù)據(jù)幀里增加信源和信道編碼的選擇標(biāo)志;同時(shí)，無(wú)論是無(wú)人機(jī)還是指控站，都應(yīng)該能夠支持多種格式的編解碼功能;尤其是指控站，應(yīng)該能夠快速、準(zhǔn)確地完成不同編碼格式的轉(zhuǎn)換。

1.3 加解密需求

軍事通信必然會(huì)對(duì)信息加密有較高要求。加密的方法也有單鑰和雙鑰序列密鑰體制和數(shù)據(jù)鍵控加密體制等。為了簡(jiǎn)化機(jī)上設(shè)備，無(wú)人機(jī)多采用數(shù)據(jù)鍵控加密體制。雙鑰加解密體制對(duì)處理器的要求稍高一些，但加密效果更好，便于通用。直接序列擴(kuò)頻加密可以提供擴(kuò)頻增益，從而降低對(duì)信噪比的要求，但高密度地使用擴(kuò)頻加密也會(huì)產(chǎn)生互擾。從通用的角度考慮，建議對(duì)UAV和GCS都選擇雙鑰序列密鑰體制。

1.4 射頻調(diào)制與解調(diào)

射頻調(diào)制有AM、FM、ASK、PSK及其變種、直接序列擴(kuò)頻、跳時(shí)和跳頻等多種調(diào)制方式;不同的調(diào)制方式適合于不同類(lèi)型的信息。如AM和FM調(diào)制多用于語(yǔ)音和模擬圖像信號(hào)的調(diào)制，其他多用于數(shù)字化遙控信號(hào)的調(diào)制。對(duì)于使用不同調(diào)制方式的無(wú)人機(jī)而言，指控站應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整調(diào)制方式，以保證有效的通信。用于產(chǎn)生偽隨機(jī)碼(M序列、GOLD序列)的特征多項(xiàng)式可以進(jìn)行編號(hào)，將此編號(hào)在遙測(cè)數(shù)據(jù)幀內(nèi)發(fā)送就可以較好地實(shí)現(xiàn)共享和同步等需求，同時(shí)，將控制站和無(wú)人機(jī)上的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生由硬件改為軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，就可以大大提高系統(tǒng)的靈活性。

1.5 頻譜管理需求

現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)多采用頻率分集(使用同一頻段內(nèi)的不同頻道)的方式來(lái)滿(mǎn)足單一控制站對(duì)多架同型號(hào)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)控制;如果某區(qū)域內(nèi)同時(shí)存在多架同型號(hào)無(wú)人機(jī)，將會(huì)使使用同一頻道的所有無(wú)人機(jī)失去控制。對(duì)于不同功能的無(wú)人機(jī)，GCS可以采用動(dòng)態(tài)頻譜管理，也可以根據(jù)無(wú)人機(jī)在系統(tǒng)作戰(zhàn)中的重要性來(lái)分配頻道，建議使用蜂窩移動(dòng)通信中的碼分多址通信體制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于頻譜感知和壓縮感知的相關(guān)技術(shù)也是無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中頻譜管理的較好選擇。

1.6 功率管理需求

功率管理主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)目的:①和射頻調(diào)制及頻譜管理工作一起，防止己方用頻設(shè)備的互擾;②在保證通信正常、可靠的前提下，盡量減少發(fā)射功率以便有效降低被敵方捕獲的概率。類(lèi)似于蜂窩移動(dòng)通信中對(duì)功率控制的需求相似，如果是采用CDMA的通信體制，則功率管理與控制的功能必不可少。

1.7 通信鏈路和網(wǎng)絡(luò)需求

通信鏈路包括基于地基測(cè)控的視距多目標(biāo)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈和地空寬帶測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈;基于天基測(cè)控的衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈;自組網(wǎng)機(jī)間寬帶高速數(shù)據(jù)鏈;獨(dú)立子網(wǎng)通信數(shù)據(jù)鏈等多種測(cè)控和數(shù)據(jù)傳輸鏈路。機(jī)間自組網(wǎng)的結(jié)構(gòu)確定了該網(wǎng)比較適合傳輸數(shù)據(jù)量相對(duì)較小的測(cè)控信息，不太適合傳輸大容量的偵察信息。戰(zhàn)術(shù)級(jí)無(wú)人機(jī)的偵察信息，可以考慮直接傳輸給GCS，而非通過(guò)衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈傳輸;相應(yīng)地，GCS的測(cè)控天線(xiàn)建議采用寬帶相控陣天線(xiàn)。

1.8 信息分發(fā)與共享

信息分發(fā)與共享主要指諸負(fù)責(zé)偵察的無(wú)人機(jī)將信息上傳給控制站，控制站接收處理，并提取有用信息給相應(yīng)的需要該信息的無(wú)人機(jī)，如將欲打擊目標(biāo)的坐標(biāo)、速度、方向和高度等信息發(fā)送給執(zhí)行攻擊任務(wù)的無(wú)人機(jī);甚至允許控制站上的操作員越權(quán)直接控制該無(wú)人機(jī)。因此，對(duì)通用控制站上的處理器要求較高;還要配備相應(yīng)信息的提取、分析及融合等軟件設(shè)備。參照美海軍的E-2D“先進(jìn)鷹眼”無(wú)人機(jī)的發(fā)展思路，國(guó)內(nèi)也應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)信息分發(fā)與共享的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)的制定指導(dǎo)工作。

2 統(tǒng)一調(diào)度與指揮需求

統(tǒng)一調(diào)度與指揮涉及到的功能也很多，包括對(duì)無(wú)人機(jī)的航路規(guī)劃、任務(wù)載荷的控制、對(duì)無(wú)人機(jī)的定位與跟蹤、信息的上傳下達(dá)、碰撞檢測(cè)與規(guī)避、敵我識(shí)別和安全防衛(wèi)等。其中亟待解決的問(wèn)題是碰撞檢測(cè)與規(guī)避。碰撞引起的損傷是美軍在近幾場(chǎng)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中無(wú)人機(jī)損毀的主要原因之一。想要避免碰撞，前提條件是能夠?qū)o(wú)人機(jī)進(jìn)行精確定位。對(duì)無(wú)人機(jī)的定位主要有衛(wèi)星導(dǎo)航定位以及指控站對(duì)無(wú)人機(jī)的自主定位2種方式。衛(wèi)星導(dǎo)航定位是當(dāng)前無(wú)人機(jī)系統(tǒng)定位的首選技術(shù)，在差分GPS定位系統(tǒng)中，定位精度可以達(dá)到數(shù)厘米，能夠滿(mǎn)足對(duì)定位精度的要求。但作為軍用無(wú)人機(jī)而言，難免會(huì)受到敵方的干擾而致定位失效。因此，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)一般還保留了信息幀測(cè)距的自主定位功能，并結(jié)合測(cè)控天線(xiàn)的方向性完成測(cè)角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的定位。信息幀測(cè)距是借助于測(cè)控信號(hào)包含的信息，由控制站解算得到無(wú)人機(jī)的距離信息，信息幀測(cè)距的一個(gè)隱含條件是測(cè)控信號(hào)必須連續(xù)，以便于同步鎖定與跟蹤，這種方式不太適合于時(shí)分多址、跳時(shí)和跳頻等通信體制。將GCS搬移到預(yù)警機(jī)上，則可以弱化信息幀測(cè)距的功能，而借助于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位功能，此時(shí)將可以大大降低對(duì)無(wú)人機(jī)和指控站設(shè)備量的要求，且無(wú)需對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行大的技術(shù)改動(dòng)。

3 對(duì)預(yù)警機(jī)的需求

預(yù)警機(jī)要增加對(duì)無(wú)人機(jī)群的通用控制設(shè)備、航路規(guī)劃設(shè)備、擴(kuò)容或增添新的信道、指揮控制和信息處理等新的功能;還要提高數(shù)據(jù)處理能力和速度;尤其是要提高對(duì)無(wú)人機(jī)的定位精度和速度。

3.1 相控陣天線(xiàn)需求

建議將GCS的測(cè)控天線(xiàn)與預(yù)警機(jī)上的雷達(dá)系統(tǒng)合成為一部寬帶相控陣天線(xiàn)，與常規(guī)雷達(dá)對(duì)天線(xiàn)的掃描需求不同，GCS必須要求在指定的區(qū)域或方向上有波束一直跟蹤相應(yīng)的無(wú)人機(jī)。多架無(wú)人機(jī)需要多個(gè)不同的波束。因此需要對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的波束控制方式進(jìn)行修改，要求同時(shí)能夠形成多個(gè)波束，且自動(dòng)跟蹤指向無(wú)人機(jī);波束必須是筆狀波束，且波束的寬度必須能夠分辨相對(duì)距離較近的無(wú)人機(jī)。

3.2 定位精度需求

常規(guī)的雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量雷達(dá)脈沖的往返時(shí)間來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，定位精度約為雷達(dá)視頻脈沖寬度的一半。以脈沖寬度1 μs為例，雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的定位精度約為150 m，這樣的定位精度不能滿(mǎn)足對(duì)高度不同、水平距離較近的無(wú)人機(jī)分辨需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

將無(wú)人機(jī)的通用控制站搬移到戰(zhàn)區(qū)附近的空中預(yù)警機(jī)上，是當(dāng)前無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)的一個(gè)發(fā)展方向，也對(duì)無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)研制和設(shè)計(jì)工作提出了新的要求。無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)改動(dòng)是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，涉及到很多方面，需要統(tǒng)籌考慮。建設(shè)的原則應(yīng)該是盡量簡(jiǎn)化無(wú)人機(jī)機(jī)上部分的軟硬件改動(dòng)，向通用化的方向發(fā)展，而強(qiáng)化對(duì)指控站的功能建設(shè)和完善。

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