海軍無人平臺通信技術(shù)研究

包 維，況 陽

(海軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100071)

0 引言

近年來，無人技術(shù)在海洋軍事領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，各軍事大國紛紛加大了對海上無人作戰(zhàn)裝備研發(fā)的投入。傳統(tǒng)海上戰(zhàn)爭具有抵近攻擊、集群對峙和機動緩慢等特點，而海上無人作戰(zhàn)力量具有零傷亡、隱蔽性強、可重復(fù)投入使用、成本低、機動性高，同時又可部署于極端惡劣天氣和危險環(huán)境等超出人類極限負(fù)載的區(qū)域。面對日益復(fù)雜的國際形勢和海軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的不斷深入，無人作戰(zhàn)將成為海軍不可或缺的新型作戰(zhàn)力量和未來海上戰(zhàn)爭的“倍增器”。

無人裝備是指無人駕駛的、完全按遙控操作或者按預(yù)編程序自主運作的、攜帶進(jìn)攻性或防御性武器進(jìn)行作戰(zhàn)任務(wù)的一類武器平臺[1]。海軍無人平臺包括空中無人機（UAV）、水面無人艇（USV）、水下無人航行器（UUV）等。海軍無人作戰(zhàn)力量具備作戰(zhàn)保障能力、作戰(zhàn)能力、勤務(wù)保障能力和有/無人協(xié)同能力，可執(zhí)行情報監(jiān)視和偵察、海洋調(diào)查、目標(biāo)識別和定位、核生化監(jiān)測、毀傷效果評估、時敏打擊、反潛、信息作戰(zhàn)、布雷反水雷/排雷、等多項任務(wù)。

隨著海洋作戰(zhàn)環(huán)境的日益復(fù)雜，在未來無人作戰(zhàn)系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)占有十分重要的地位[2]。通信系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)形式將無人平臺與控制站以及其他作戰(zhàn)平臺進(jìn)行連接，從而實現(xiàn)戰(zhàn)場信息傳輸，是整個作戰(zhàn)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。未來無人作戰(zhàn)對通信能力的需求日益顯現(xiàn)，首先隨著無人裝備信息化、機械化水平的不斷提高，作戰(zhàn)中產(chǎn)生的信息量大大增加，無人作戰(zhàn)通信系統(tǒng)對通信高速數(shù)據(jù)傳輸需求日漸提升。此外，海上無人作戰(zhàn)力量逐步由單一的無人平臺轉(zhuǎn)變?yōu)闊o人作戰(zhàn)系統(tǒng)。不同作戰(zhàn)系統(tǒng)相互制約、相互聯(lián)系構(gòu)成海上無人作戰(zhàn)體系，形成陸地、水面、水下和空中多維度作戰(zhàn)場景。無人平臺、有/無人平臺之間的信息交互顯得尤為重要，因此無人平臺的信息交互能力受到越來越廣泛的關(guān)注。最后，由于無人作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜性和電磁空間的開放性，針對無人系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)受到越來越廣泛的重視。

1 無人平臺及其通信方式

1.1 空中無人機

空中無人機（UAV），是指利用自主編程，通過無線電遙控設(shè)備或地面站控制裝置操縱的半自主或者全自主性不載人駕駛飛行器。海上無人機根據(jù)起降方式的不同可分為陸基無人機和艦載無人機2 種[3]。無人機具有人員傷亡小、制造成本低、操作簡單、機動靈活等優(yōu)點。隨著科技的不斷進(jìn)步，軍用無人機的性能不斷提升，目前已廣泛應(yīng)用于空中偵察、情報收集、電子對抗等軍事任務(wù)中。

目前，無人駕駛飛機的內(nèi)部通信系統(tǒng)主要是有線通信和總線通信，而外界通信則主要是“三合一”與“四合一”的一體化通信系統(tǒng)[4]。小型戰(zhàn)術(shù)無人機采用視距鏈路，配備窄帶、寬帶并用，無衛(wèi)通的鏈路模式。如美軍“影子”200 無人機，配有UHF，S 頻段窄帶視距鏈路和C 波段寬帶視距數(shù)據(jù)鏈路。其中，指揮控制信息的傳輸由UHF，S 頻段視距鏈路完成，速率達(dá)幾十kbit/s，業(yè)務(wù)控制信息和傳感數(shù)據(jù)傳輸由C 波段寬帶視距數(shù)據(jù)鏈路完成，速率可達(dá)mbit/s 數(shù)量級。中高空、長航時無人機為滿足通信需求，通常配備視距、超視距多條通信鏈路。如美軍的“捕食者”，主要配備5G 的C 頻段的視距，Ku 頻段衛(wèi)通。“全球鷹”無人機指控信息傳輸?shù)闹饕溌肥? 條通信鏈路，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸由3 條窄帶完成；2 條寬帶其中1 條是Ku 頻段、全雙工、寬帶衛(wèi)星通信鏈路，1 條是與CDL 兼容的、全雙工、寬帶、空地數(shù)據(jù)鏈。另外，與有人飛機之間的協(xié)同通信能力是無人機通信系統(tǒng)另一重要層面。如美軍無人機通信載荷一般標(biāo)準(zhǔn)配備Link16 數(shù)據(jù)鏈、機間數(shù)據(jù)鏈等，尤其是在大中型無人機、無人作戰(zhàn)飛機等平臺上。又如，美軍X ?4 7作戰(zhàn)無人機通信系統(tǒng)配裝了Link?16、VHF/UHF 數(shù)據(jù)鏈、機間數(shù)據(jù)鏈等視距鏈路通信載荷，以及AEHF 頻段和Ka 頻段等超視距鏈路的衛(wèi)星通信載荷。

1.2 水面無人艇

水面無人艇（USV）是一種自主或半自主駕駛的水面船舶、具有航速較快、續(xù)航能力強、作戰(zhàn)性能強大、適用性廣泛等優(yōu)點[5]。水面無人艇通常由岸基或母船平臺布放或回收，水面無人艇集群通過組網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同作戰(zhàn)可大大提高作戰(zhàn)能力。

水面無人艇的通信主要以衛(wèi)星通信、超高頻/甚高頻通信等無線通信方式為主。衛(wèi)星通信是一種可靠的遠(yuǎn)距離通信方式，但通常資源有限；超高頻/甚高頻通信的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，可用于UAV 作戰(zhàn)，但對于USV 數(shù)據(jù)上傳和下載來說仍然存在限制。

1.3 水下無人航行器

水下無人航行器（UUV）是一種無人駕駛可通過自主控制的無人航行器，在未來以無人作戰(zhàn)為主導(dǎo)的水下戰(zhàn)場中發(fā)揮重要作用[6]。水下無人航行器根據(jù)工作模式的不同分為自主水下航行器（AUV）和遙控水下航行器（ROV）。無人航行器具有持久力強、機動性強、隱蔽攻擊能力強等特點，可應(yīng)用于海洋環(huán)境探測、反水雷、情報監(jiān)視偵察、區(qū)域探潛、水下打擊等作戰(zhàn)任務(wù)中。

水下無人航行器的通信技術(shù)[7]一直是國際性的難題，這是由于傳統(tǒng)通信頻段聲波、電磁波等在水下的傳輸損耗要遠(yuǎn)大于在水面和大氣環(huán)境中。按使用場景，目前常用的解決方案主要有：當(dāng)水下無人平臺與母船（控制中心）較近時，采用水下光纖通信和水聲通信；當(dāng)與母船（控制中心）較遠(yuǎn)時，采用短波、衛(wèi)星通信，但此方法需要水下無人平臺定時上浮至水面建立傳輸信道，有很大暴露位置的風(fēng)險。美國先進(jìn)無人搜索系統(tǒng)（AUSS）采用水聲通信傳輸信號，信息傳輸速率4 800 bit/s，指令傳輸速率1 200 bit/s。法國Alister 18 支持WIFI/以太網(wǎng)上傳/下載數(shù)據(jù)、水聲通信、無線電（VHF）以及衛(wèi)星通信。美國遠(yuǎn)期水雷偵察系統(tǒng)（LMRS）在水下使用水聲信號進(jìn)行通信，上浮后使用無線電通信。英國Talisman AUV 水下使用水聲通信，浮出水面使用衛(wèi)星通信、WIFI 通信和視距無線通信。

2 無人平臺通信技術(shù)

2.1 無線電通信

利用無線電磁波在空間傳輸信息的通信方式，是現(xiàn)代無人平臺的主要通信手段。無線電通信具有通信距離遠(yuǎn)，機動性好，建立迅速等優(yōu)點。長波（低頻）通信指工作頻段在300 kHz 以下，主要包括甚低頻通信和超低頻通信。需要超大功率的發(fā)射機和大尺寸的天線，可用于水下無人平臺間低速率、單向通信。短波（高頻）通信的工作頻段在3～30 MHz，可利用電離層反射電磁波實現(xiàn)超視距通信，且不受網(wǎng)絡(luò)樞紐和中繼制約。同時，也可用于視距范圍內(nèi)海上話音和低速率數(shù)據(jù)通信。超短波（甚高頻）工作頻段在30～300 MHz，通信速率可達(dá)幾十Mbps，具有頻段寬、通信容量大、天線尺寸較小、通信較穩(wěn)定等優(yōu)點?？蓮V泛應(yīng)用于無人艇和無人艇、無人艇和無人機、無人機和無人機之間的視距高速通信。微波通信指工作頻率在300 MHz 以上的通信方式，具有通信速率高、電波繞射能力弱、空間衰減大等特點?？蓱?yīng)用于無人平臺間視距范圍內(nèi)高速數(shù)據(jù)傳輸，同時也可利用中繼站實現(xiàn)超視距通信。

衛(wèi)星通信就是將衛(wèi)星作為中繼站的一種特殊的微波通信方式，具有覆蓋范圍廣、通信速率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于水下、水面、空中各種無人平臺中。水下無人航行器[7]上，衛(wèi)星通信主要工作在L/K 波段，通信速率較慢。無人水面艇上[8]，衛(wèi)星通信主要工作在S/Ku/Ka 波段，通信速率較高，可用于與母船或者地面站信息交互。無人機上[9]，可利用衛(wèi)星通信進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)的高速率傳輸。目前，美國海軍無人海空平臺主要使用UHF 衛(wèi)通、Ku 商業(yè)衛(wèi)通和國際海事衛(wèi)通等衛(wèi)通手段。

2.2 數(shù)據(jù)鏈通信

數(shù)據(jù)鏈通信是戰(zhàn)場中各個無人平臺間之間傳遞實時戰(zhàn)術(shù)信息的主要方式。在數(shù)字化戰(zhàn)場中，數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)鏈接各傳感器平臺、武器平臺和指揮控制平臺進(jìn)行態(tài)勢信息、作戰(zhàn)指控命令、管理消息等信息的處理和傳輸。具有傳輸信息容量大、高效、實時、精確等優(yōu)點。數(shù)據(jù)鏈通信包含傳輸設(shè)備、信息標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議三大組成要素。根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需求不同，分為戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈和寬帶數(shù)據(jù)鏈。戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈通信主要負(fù)責(zé)無人平臺的戰(zhàn)術(shù)實時數(shù)據(jù)的分發(fā)和交換。寬帶數(shù)據(jù)鏈主要負(fù)責(zé)情報偵察和監(jiān)視任務(wù)中的高速率數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)鏈通信一般采用無線電通信方式。對于低成本的短程無人機視距通信，通常使用超高頻、甚高頻、L 和S 頻段。對于中、遠(yuǎn)距離視距鏈路和中繼鏈路，通常采用 X 和 Ku 頻段。對于中、長距離衛(wèi)星中繼鏈路，一般采用 Ku 和 Ka 頻段。針對數(shù)據(jù)鏈通信中頻譜資源有限，美國空軍采用功率控制、數(shù)據(jù)壓縮、頻段選取等技術(shù)來提高無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率。美海軍無人?？掌脚_所使用的數(shù)據(jù)鏈有 CDL，Link?16，C 頻段數(shù)據(jù)鏈，TCDL 等。CHBDL?ST ?；ㄓ脭?shù)據(jù)鏈工作頻段為X 和Ku 頻段，上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率200 kbit/s，下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸速率10.71～274 Mbit/s，可實現(xiàn)無人艇和無人機載傳感器之間高速率全雙工數(shù)據(jù)傳輸。HUGIN 水下無人航行器安有Link 終端，可實現(xiàn)水下環(huán)境及目標(biāo)相關(guān)信息的快速、準(zhǔn)確傳輸。

2.3 水聲通信

水聲通信是最為成熟的水下無線通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水下通信、傳感、探測、導(dǎo)航、定位等領(lǐng)域。聲波在水下傳輸信號時衰減小，傳輸距離遠(yuǎn)，可以從幾百米延伸至幾十千米。與無線電通信和光通信2 種手段相比，水聲通信的通信距離具有明顯優(yōu)勢。日本的聯(lián)合通信技術(shù)項目中，利用水聲通信實現(xiàn)了UUV和USV 的實時數(shù)據(jù)傳輸，從而對水下目標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)。

水聲通信系統(tǒng)性能受復(fù)雜的水聲信道的影響較大，面臨多徑效應(yīng)嚴(yán)重、環(huán)境噪聲影響大、通信速率低、多普勒效應(yīng)、起伏效應(yīng)等諸多挑戰(zhàn)，需要解決的核心問題是水聲信道帶來的頻率選擇性衰落以及多徑傳播引起的碼間干擾。針對頻率選擇性衰落問題，可采用分集接收技術(shù)改善信號質(zhì)量。針對碼間干擾問題，通常采用均衡技術(shù)補償信道畸變。近年來，水聲通信技術(shù)在多載波調(diào)制技術(shù)和多輸入多輸出技術(shù)等方面取得較大的進(jìn)步，如能采取有效的多普勒補償措施、確保低誤碼率、提高傳輸速率和通信距離、充分考慮信息傳遞的安全和多址接入問題，將取得突破性發(fā)展，極大提高水聲通信的質(zhì)量水平。

2.4 光通信

光通信具有速率高和頻帶寬等優(yōu)點，在無人機之間、無人艇之間、無人航行器之間以及跨域無人平臺高速信息傳輸中具有光明的應(yīng)用前景。尤其在水下無人航行器高速通信場景中，水下光通信作為一種新興的高速傳輸手段，受到越來越廣泛的關(guān)注。水下光通信技術(shù)利用光載波傳輸信息，可用于水下無人平臺通信。由于波長450～530 nm 藍(lán)綠光在水下的衰減較其他光波段小得多，因此藍(lán)綠光常作為窗口波段。藍(lán)綠光通信方向性好，接收天線較小。具有海水穿透能力強、數(shù)據(jù)傳輸速率快、方向性好、設(shè)備輕巧且抗截獲和抗核輻射影響能力好等優(yōu)點。此外，藍(lán)綠光通信的最突出的優(yōu)勢是擁有幾種方式中最高傳輸速率。在超近距離下，其速率可到達(dá)Gbps 級。水下電磁波通信、水聲通信和水下光通信3 種水下通信方式對比如表1所示。

表1 水下通信性能對比Tab.1 Performance comparison of underwater communication

水下光通信技術(shù)主要面臨水中懸浮顆粒及浮游生物對光的明顯散射作用，水媒質(zhì)、溶解物及懸浮物等對光信號的吸收以及來自水面外的強烈自然光以及水下生物幅射光等對光信號形成干擾等問題。因此，水下光通信在淺海近距離的通信存在很大的困難。

3 通信關(guān)鍵技術(shù)

針對未來無人戰(zhàn)場信息交互日益頻繁、數(shù)據(jù)傳輸量大大增加、作戰(zhàn)環(huán)境干擾日益加劇問題，本文介紹通信自組網(wǎng)技術(shù)、通信抗干擾技術(shù)、寬帶通信技術(shù)等，為今后無人通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究方向提供依據(jù)。

3.1 通信組網(wǎng)技術(shù)

通信組網(wǎng)技術(shù)主要解決無人戰(zhàn)場中多平臺接入的信息交互問題。無人平臺的通信方案包括單點對單點、單點對多點和多點對多點。組網(wǎng)形式包括有中心組網(wǎng)、無中心組網(wǎng)和異構(gòu)融合組網(wǎng)。點對點組網(wǎng)通信可用于無人平臺之間或海上無人平臺與指揮中心之間通信。對于遠(yuǎn)距離超視距通信，常采用組網(wǎng)中繼技術(shù)擴(kuò)展通信距離。美國的“影子”200 無人機在4 km 之上的高空，支持?jǐn)?shù)據(jù)和話音通信中繼，戰(zhàn)術(shù)通信覆蓋范圍提高至170 km 左右。有中心組網(wǎng)架構(gòu)主要包括星型和樹型。無中心組網(wǎng)主要有網(wǎng)狀拓?fù)洹湫屯負(fù)?、混合拓?fù)?。隨著無人組網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，大規(guī)模高動態(tài)路由組網(wǎng)技術(shù)這一關(guān)鍵技術(shù)受到重視。常見的路由協(xié)議有表驅(qū)動路由協(xié)議（DSDV，OLSR，WRP 等）和按需路由協(xié)議（AODV，DSR，TORA，SSR 等）。表驅(qū)動路由協(xié)議具有良好的實時性但不適用于高動態(tài)組網(wǎng)場景，如高速移動的無人機自組網(wǎng)。按需路由協(xié)議具有較好的靈活性但存在一定得網(wǎng)絡(luò)延時不適用于實時通信場景。因此，開發(fā)大規(guī)模、高動態(tài)、低延時路由協(xié)議仍是亟需解決的組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。

此外，物理層協(xié)議也是通信組網(wǎng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，對通信組網(wǎng)的性能有著十分重要的作用。通常情況下，一個接入節(jié)點面臨多個無人平臺節(jié)點的接入。設(shè)計高效的物理層協(xié)議對數(shù)據(jù)沖突問題進(jìn)行解決顯得十分重要。目前物理層接入?yún)f(xié)議主要包括基于競爭機制的物理層協(xié)議（CSMA，F(xiàn)AMA，BTMA 等）、基于調(diào)度機制的物理層協(xié)議（TDMA，F(xiàn)DMA，CDMA等）和混合類物理層協(xié)議。

3.2 通信抗干擾技術(shù)

通信抗干擾[10]是通信裝備及系統(tǒng)為對抗干擾方干擾、偵察、截獲、無線病毒注入，電磁能和定向能控制、攻擊通信電磁頻譜，以提高其在通信對抗中的生存能力，在復(fù)雜電磁環(huán)境中的綜合作戰(zhàn)效能的通信反對抗信息防御技術(shù)的體系、方法和措施的總和[11]。其基本原理是利用頻域處理、空間處理和時域處理等方法，使通信信號與干擾信號在頻率域、時間域、功率域上不發(fā)生重迭，或使通信接收機的輸出端保持高信干比。

軍事通信抗干擾技術(shù)主要有對抗性強、技術(shù)綜合性強、難度高、發(fā)展快和對技術(shù)實用性和可靠性要求高的特點，可分為時間域抗干擾技術(shù)、頻率域抗干擾技術(shù)、功率域抗干擾技術(shù)3 種抗干擾技術(shù)。頻域抗干擾技術(shù)包括擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)。目前已經(jīng)開發(fā)出了跳頻技術(shù)在VHF，UHF 和HF 頻段的應(yīng)用。美國CHESS 短波跳頻電臺采用差動跳頻技術(shù)，跳頻速率可達(dá)5 000 跳/s，并可實現(xiàn)19 200 bps 的最高數(shù)據(jù)數(shù)率。時域抗干擾技術(shù)典型的包括猝發(fā)技術(shù)，可應(yīng)用于水下無人潛航器與岸基之間的通信。猝發(fā)通信通常使用中、高頻段，Link?16 數(shù)據(jù)鏈便應(yīng)用了猝發(fā)技術(shù)實現(xiàn)加密信息的傳輸。此外美國SC140、比利時的BAMS、以色列的HF?2000 等均具備猝發(fā)通信能力?？沼蚩垢蓴_技術(shù)包括自適應(yīng)天線技術(shù)，通過對準(zhǔn)天線方向?qū)崿F(xiàn)自動抗干擾。除此之外，法國ALCATEL111、瑞典MRR 等系列電臺采用了基于多種抗干擾技術(shù)的綜合抗干擾體制。

3.3 寬帶通信技術(shù)

隨著未來無人戰(zhàn)場信息容量的不斷提高，無人平臺通信對通信帶寬需求越來越高。尤其在無人平臺進(jìn)行偵察任務(wù)時所獲取的視頻圖像、傳感器信息數(shù)據(jù)量龐大，需要更高的寬帶傳輸能力。高階調(diào)制技術(shù)可提高無人平臺通信系統(tǒng)的上行和下行峰值速率，從而有效提高頻帶效率。正交幅度調(diào)制（QAM）結(jié)合了PSK和ASK 兩種調(diào)制方法的優(yōu)點，頻譜效率較高。16QAM和64QAM 星座圖如圖1 所示。64QAM 調(diào)制方式的頻譜效率可比16QAM 調(diào)制方式的頻譜效率高出50%。多入多出（MIMO）智能天線技術(shù)也可提升通信系統(tǒng)的頻譜效率和容量。MIMO 系統(tǒng)有空間復(fù)用、空時編碼、分級系統(tǒng)、智能天線系統(tǒng)等多種形式。法國Elistair和美國Silvus 合作開發(fā)了可用于戰(zhàn)場無人機的MN?MIMO網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[11]。該系統(tǒng)綜合了COFDM、MIMO 天線技術(shù)和MANET 技術(shù)，可提供遠(yuǎn)程高速的視頻數(shù)據(jù)傳輸。此外，突破多種新型通信技術(shù)（如光通信）等對于高速率數(shù)據(jù)傳輸尤其是水下無人航行器通信具有十分重要的意義。

圖1 星座圖Fig.1 Planisphere

4 結(jié)語

無人平臺通信技術(shù)對未來無人戰(zhàn)場的基礎(chǔ)保障性作用，雖然目前無人平臺的通信手段眾多，但仍然有一些問題需要解決。首先，針對水面無人艇和水下航行器通信仍是目前研究的重點和難點，需要進(jìn)一步突破新型通信技術(shù)（光通信）等，為海洋戰(zhàn)場提供高速率、大寬帶數(shù)據(jù)傳輸支撐。其次，缺少通信網(wǎng)絡(luò)的整體頂層規(guī)劃和設(shè)計，需要建立一種海上綜合通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過多網(wǎng)融合（光纖，衛(wèi)星通信，電磁波通信，水聲通信），統(tǒng)籌多種通信方式信息平臺資源（空中、空中、海岸、?；退禄兀?，為整個海上通信系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)支撐。最后針對通信資源異構(gòu)化程度高、融合應(yīng)用困難等問題，需要對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，進(jìn)行業(yè)務(wù)和資源的協(xié)調(diào)控制。