無人戰(zhàn)車遙控數據鏈總體技術*

趙 明，郝小燕，蔣秀蓉

（北方自動控制技術研究所，太原 030006）

0 引言

無人戰(zhàn)車遙控數據鏈技術是指對無人戰(zhàn)車進行信息回傳和操作控制的一種數據鏈控制與組網技術，這里的信息回傳是指對無人戰(zhàn)車上的各種傳感器采集到的實時視頻、圖像、位置等信息的態(tài)勢回傳；操作控制是指后方操控系統(tǒng)對無人戰(zhàn)車駕駛行進狀態(tài)和火指控設備的操作與控制，遙控數據鏈系統(tǒng)功能、性能的好壞直接決定了整個無人戰(zhàn)車系統(tǒng)的作用和能力。遙控數據鏈由數據鏈戰(zhàn)術電臺和操控系統(tǒng)組成，數據鏈戰(zhàn)術電臺是指數據無線傳輸設備，操控系統(tǒng)一般以軟件的形式安裝到有人戰(zhàn)車或地面控制站和無人戰(zhàn)車的計算機中。

無人車遙控數據鏈主要完成實時性較強的遙控信息（視頻/數據）的傳輸與處理，實現有人戰(zhàn)車和無人戰(zhàn)車的協同，提高聯合打擊能力，如圖1所示。按使用屬性和作戰(zhàn)任務，又可以分為情報偵察遙控數據鏈、火力打擊遙控數據鏈、邊界巡邏遙控數據鏈等。

圖1 各種無人戰(zhàn)車遂行各類戰(zhàn)術任務

無人車遙控數據鏈的作用距離、數據傳輸速率和抗干擾能力是遙控數據鏈最主要的技術指標。作用距離既決定了無人戰(zhàn)車的活動半徑，又是影響系統(tǒng)規(guī)模的最主要因素。按照作用距離分檔，分別有近程、短程、中程和遠程無人戰(zhàn)車數據鏈。戰(zhàn)術電臺之間必須滿足無線電通視條件，不具備無線電通視條件時則要采用中繼方式，因此，有視距操控數據鏈、地面中繼操控數據鏈、空中中繼操控數據鏈和衛(wèi)星中繼操控數據鏈，此外有一站多車數據鏈。無人戰(zhàn)車數據鏈的使用環(huán)境相對惡劣，要求數據鏈有良好的電磁兼容性、低的截獲概率、高的安全性和足夠的抗干擾能力，保證在戰(zhàn)場條件下可靠地工作。

遙控數據鏈中的操控系統(tǒng)軟件用于實現路徑規(guī)劃、鏈路控制、運動控制、火力控制、航跡顯示、參數顯示和圖像顯示，以及記錄和分發(fā)等功能。戰(zhàn)術電臺組網多采用點對點的方式，由于無人戰(zhàn)車遙控數據鏈的上下行信道數據傳輸能力明顯不對稱（信息回傳的下行信道的數據速率遠高于傳輸遙控指令的上行信道），所以遙控數據鏈戰(zhàn)術電臺的信道帶寬往往也設計成不對稱性。

遙控數據鏈主要以“人-車”，“人-車-車”和“車-車”3種方式工作，即第1種采用人遠程遙控無人戰(zhàn)車實現各種作戰(zhàn)任務；第2種采用人提前給定無人車預定作戰(zhàn)任務，由無人車按照任務部署完成行動；第3種采用直接由無人車和無人車之間進行協同遙控功能完成作戰(zhàn)任務。通過遙控數據鏈的信息傳輸和處理，充分發(fā)揮了無人戰(zhàn)車的各種作戰(zhàn)效能，實現了鏈路平臺的自動化、一體化。圖2是典型無人戰(zhàn)車遙控數據鏈通信網絡系統(tǒng)。

圖2 典型無人戰(zhàn)車遙控數據鏈通信網絡系統(tǒng)

1 無人戰(zhàn)車遙控數據鏈國外發(fā)展現狀

目前世界上研制生產無人戰(zhàn)車系統(tǒng)的國家至少有20多個，其中美國和以色列處于領先地位。美國是世界上生產無人戰(zhàn)車系統(tǒng)品種最多、使用最廣泛的國家，在發(fā)展無人戰(zhàn)車系統(tǒng)方面占主導地位。以色列則是世界上小型短程無人戰(zhàn)車系統(tǒng)方面技術最先進、使用最有經驗的國家。

對國外無人戰(zhàn)車發(fā)展情況的介紹、綜述、分析的文章較多，但其中有關無人戰(zhàn)車遙控數據鏈技術的內容較少，有的也只是作為配套設備的簡單說明，缺少系統(tǒng)地介紹和分析。根據現已掌握的資料分析，以美國和以色列為代表的國外無人戰(zhàn)車遙控數據鏈技術的現狀可以歸納成以下幾方面。

在數據鏈的工作頻段方面，為了適應數據傳輸能力和系統(tǒng)兼容能力增高的需求，除少數低成本、近距離或備用系統(tǒng)仍采用較低的VHF、UHF、L、S波段外，已大都采用較高的C、X、Ku波段。

在數據鏈抗干擾技術方面，已普遍采用卷積、RS、交織等抗干擾編碼，以及直接序列擴頻技術和高速跳頻技術。上行窄帶遙控信道的直接序列擴頻處理增益達到33 dB，最高信息速率達到2 Mb/s（美國的公司）［1］。目前已有在5 Mb/s左右的無人戰(zhàn)車下行數據鏈實現直接序列擴頻的報道，也有在寬帶數據鏈路中采用正交頻分或正交碼分復用擴頻技術的相關應用研究成果，這種擴頻技術有很強的抗干擾能力，能適應惡劣的多徑環(huán)境，但尚未見到在無人戰(zhàn)車下行寬帶信道采用這種擴頻技術的有關報道。

在無人戰(zhàn)車超視距中繼技術方面，已實現了空中中繼和衛(wèi)星中繼。國外無人戰(zhàn)車經過空中中繼作用距離擴展到100 km左右。美國無人戰(zhàn)車使用Ku波段和UHF波段的衛(wèi)星中繼數據鏈，Ku波段地面天線口徑分別為5.5 m和6.25 m，無人車車載天線口徑分別為0.76 m和1.22 m，上行遙控數據速率可達200 kb/s，下行圖像/視頻數據速率分別為1.544 Mb/s和 50 Mb/s，作用距離 500 km 以上［2］。

2 無人戰(zhàn)車遙控數據鏈關鍵技術

研究無人戰(zhàn)車遙控數據鏈總體技術主要是抓住其關鍵技術，只有突破了真正關鍵技術而不是一大堆工作量式的工程，才能促使技術的發(fā)展與進步。下面梳理了6條關鍵技術進行總結。

2.1 遙控數據鏈信道戰(zhàn)術電臺波形研究

設計的遙控數據鏈波形應包含上下行的寬帶/窄帶模式，寬帶模式提供無人戰(zhàn)車向控制中心回傳的視頻圖像信息，提供高帶寬的業(yè)務承載能力，窄帶模式不要求很高的傳輸速率，但要具有較強的干擾能力和苛刻的實時性保證，用于遙控數據鏈控制中心向無人戰(zhàn)車發(fā)送遙控控制指令。兩種模式在物理層和MAC層獨立設計，在MAC層以上采用相同的功能實體進行融合。協議體系的控制面和業(yè)務面分離，遙控數據鏈波形控制面在無線鏈路層進行自適應處理，上層采用統(tǒng)一的控制面功能實體進行處理，對用戶透明。業(yè)務面上，通過分組網關接入網絡。技術體系架構如圖3所示。

圖3 接入波形技術體系架構

在控制面，RAC層主要完成無人戰(zhàn)車終端用戶的接入控制，以及空中接口到網絡側IP接口的轉換，包含節(jié)點管理、無線資源管理、IP地址池管理、移動性管理、用戶數據管理、接入網關、分組數據控制、單站模式下短消息、單呼、組呼等功能實體；RRC層主要完成無線資源管理、終端無線連接狀態(tài)管理；PDCP層主要完成業(yè)務/控制數據傳輸、壓縮及完整性保護功能；RLC則提供數據傳輸鏈路控制功能，MAC層完成邏輯信道到傳輸信道的映射、傳輸優(yōu)先級管理、鏈路層數據的傳輸等功能，PHY層則負責空口數據的收發(fā)。在業(yè)務面，數據業(yè)務通過分組網關PGW接入網絡，窄帶模式下的話音業(yè)務則直接從MAC層通過話音網關接入網絡。

2.2 時隙分配技術

無人車遙控數據鏈一般采用“點-點”的組網模式，即后方一輛指揮控制車或控制中心，操控一輛無人車，這樣的組網模式對于通信資源時隙的劃分相對簡單，可按照需求進行固定劃分即可。隨著計算機處理技術，移動無線寬帶技術的發(fā)展，提出了“一對多”的無人車遙控數據鏈技術，即后方只存在一輛控制車/控制中心，可以控制前方多輛無人戰(zhàn)車的模式。這樣的時隙劃分可采用“固定+動態(tài)”的時隙分配策略完成。如圖4所示1表示此時隙分配給后方指揮控制車，2、3表示此時隙分別分配給2輛無人戰(zhàn)車，其中遙控數據鏈操控指令采用固定分配時隙（前6個時隙），保證操控信息的實時性，而回傳視頻圖像信息采用預留競爭時隙（后面12個時隙），最大程度提高信道的利用率和吞吐量，圖4是遙控數據鏈的時隙分配表，可以看出固定時隙為1～6，6～32采用預約競爭分配時隙，每個時隙1.2 ms。

圖4 典型遙控數據鏈鏈時隙分配圖

2.3 遙控與通信數據抗干擾傳輸技術

抗干擾能力是無人戰(zhàn)車測控系統(tǒng)性能的重要指標。一般常采用基于DSSS擴頻技術，同時具備選頻功能，在復雜電磁環(huán)境下，具備隱蔽通信和抗干擾能力。

采用基于前饋功放的頻率捷變載波聚合技術進行設計。此時，控制中心通過搜索多個載波的同步信道發(fā)現并駐留在可用載波上。系統(tǒng)決定其中一個載波為無人車使用的主載波，其他駐留載波為輔載波?？刂浦行膬H使用主載波進行通信。當干擾發(fā)生時，控制中心檢測出的可用頻點中選擇使用一個未受干擾的頻點，使用頻率捷變技術實現快速頻點切換，在所有頻點均被干擾的情況下，使用載波內子載波干擾剔除技術來增強抗干擾能力。

根據消息的重要程度，采用超長序列進行擴頻，大幅度降低信號的功率；同時結合自動功率控制機制，將發(fā)射的功率進一步壓低，保證信號在低于背景噪聲的情況下仍然能夠工作，降低被檢測的概率。采用跳碼的方式以增強擴頻碼的隨機性，從而增加抗截獲性能。

2.4 多波形加載技術

根據戰(zhàn)術部隊各分隊作戰(zhàn)應用對通信網絡的不同需求，遙控數據鏈采用在同一硬件平臺上加載不同波形實現窄帶波形和寬帶波形同時傳輸功能，需要對多波形統(tǒng)一加載涉及的軟件無線電多波形軟件/硬件規(guī)范、輕量化平臺、多波形寬頻段覆蓋硬件小型化和功放適應性能等技術進行研究。

2.4.1 基于軟件通信體系結構標準的寬帶波形技術規(guī)范

制定完備、可行的軟件通信體系結構標準規(guī)范。規(guī)范戰(zhàn)術電臺架構、軟硬件平臺和寬帶波形組件設計規(guī)范，實現電臺具備通用化、軟件可升級、波形可更換的目標。

2.4.2 軟件平臺輕量化設計技術

針對小型化、多形態(tài)的無人車的特點，需研究輕量化的軟件無線電軟件平臺：包括輕量化的核心框架和輕量化組件技術，支持資源受限平臺下波形組件的高效部署和運行。采用優(yōu)化和裁剪相結合的方式設計滿足背負臺的軟件架構體系。

2.4.3 小型化寬帶可配置射頻設計技術

為滿足小型化、寬覆蓋頻段、信道帶寬可變，適應多種模式的要求，有必要開展小型寬帶配置射頻設計。

1）實現信道帶寬可靈活配置，要求帶寬可變換，提高整機數據傳輸速率適應性，能夠適應不同業(yè)務下傳輸數據量需求；

2）提高功放的效率和線性度。功放線性度和效率設計是設備小型化的難點之一。該技術提升多種調制方式和不同帶寬下的電路匹配性能和功放效率。

2.5 遙控數據鏈信息處理及消息格式化技術

遙控數據鏈的信息處理主要包括以下幾個方面：1）控制信息，主要是控制終端對無人裝備進行行為控制的指令信息的處理與實時傳輸；2）位置信息、時間信息的處理，主要是根據系統(tǒng)對位置和時間精度的要求進行處理等；3）受控無人裝備的運行狀態(tài)信息的處理，裝備在受控執(zhí)行任務的過程中需要實時反饋當前工作狀態(tài)，使得控制人員了解裝備的運行情況，從而進行下一步指揮控制；4）協同信息的傳輸分發(fā)，主要是偵察信息的實時按需發(fā)送和作戰(zhàn)協同信息的傳輸等。

建立對上述信息的處理數學模型和工程模型，分析信息源的種類、數量、每個信息源產生信息的單位時間量，構建并管理強實時、大容量、高速通信網絡，從而明確信息處理的方法并進行驗證，滿足進行無人裝備遙控對信息的時間、精度、延遲等方面的需求。

遙控數據鏈信息的分發(fā)與信道帶寬、信息時隙寬度、信息受體的可接收程度等方面密切相關，需要研究一種新的按需、按要求進行自適應分發(fā)的互動協調式分發(fā)機制，以滿足協同信息分發(fā)的需要。

2.6 多信道多點頻收發(fā)設備的電磁兼容技術

無人戰(zhàn)車遙控數據鏈有上下行信道，又要考慮多機多系統(tǒng)兼容工作和必要時的中繼轉發(fā)，再加上由于安裝空間的限制，因此，多信道多點頻收發(fā)的電磁兼容問題十分突出。要根據這些特點，在頻段選擇和頻道設計上周密考慮，并采取必要的濾波和隔離措施。

3 結論

無人戰(zhàn)車遙控數據鏈是無人戰(zhàn)車系統(tǒng)的重要組成部分，為無人戰(zhàn)車與有人戰(zhàn)車/控制中心、地面通信中繼點之間提供無縫的數據通信連接，保障有人戰(zhàn)車對無人戰(zhàn)車的控制信息，無人戰(zhàn)車對有人戰(zhàn)車的反饋信息、位置信息、行駛狀態(tài)信息，以及火力單元信息的實時安全傳遞，滿足無人戰(zhàn)車遂行高實時可靠的戰(zhàn)術任務需求，同時可以看出未來無人戰(zhàn)車遙控數據鏈的發(fā)展趨向于智能化、多用途、低功耗、自主協同等方面發(fā)展［3］，隨之帶來的無人戰(zhàn)車遙控數據鏈方面要向寬帶化、標準化、更強抗干擾能力方向和互聯互通互操作方向發(fā)展。