無人直升機(jī)中繼數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂脺\析

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，無人直升機(jī)主要在低空、超低空?qǐng)?zhí)行監(jiān)視、偵察、目標(biāo)導(dǎo)引、物資運(yùn)送等任務(wù)。作為無人直升機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)了無人直升機(jī)與地面控制站之間的信息傳輸，是一種視距數(shù)據(jù)鏈。無人直升機(jī)在低空?qǐng)?zhí)行任務(wù)時(shí)，如果數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)艿缴襟w、建筑物等障礙物遮擋，無人直升機(jī)與地面控制站之間將無法正常通信。因此，為拓展無人直升機(jī)的使用半徑，提高通信的可靠性和穩(wěn)定性，發(fā)展中繼數(shù)據(jù)鏈具有十分重要的意義。

現(xiàn)有中繼數(shù)據(jù)鏈方案分析

中繼數(shù)據(jù)鏈方案一

該方案對(duì)中繼機(jī)和任務(wù)機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端架構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端設(shè)置有雙向四通道，雙向四通道分別用于中繼機(jī)的前向信息和后向信息傳輸、任務(wù)機(jī)的前向信息和后向信息傳輸。操控員通過軟件在線靈活配置數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端的模式，將任務(wù)機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端設(shè)置為任務(wù)模式，將中繼機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端設(shè)置為中繼模式。方案一具有三個(gè)特點(diǎn)。一是一種無人直升機(jī)構(gòu)型即可滿足使用需求，在使用時(shí)，相同構(gòu)型無人直升機(jī)中的任意一架機(jī)可配置成任務(wù)機(jī)或中繼機(jī)；二是中繼機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端配置雙向四通道，同時(shí)實(shí)現(xiàn)四通道信息收發(fā)；三是與直通型數(shù)據(jù)鏈相比，中繼機(jī)數(shù)據(jù)鏈的通信距離有所減小，中繼機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端的重量、尺寸、功耗及成本等方面均有所增加。

中繼數(shù)據(jù)鏈方案二

任務(wù)機(jī)和中繼機(jī)的數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端具有不同的架構(gòu)，任務(wù)機(jī)配置直通型數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端，中繼機(jī)配置中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端。通過收發(fā)復(fù)用通道，中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端實(shí)現(xiàn)中繼機(jī)信息的雙向傳輸。方案二的特點(diǎn)是，該方案首先需要兩種無人直升機(jī)構(gòu)型，即任務(wù)機(jī)構(gòu)型和中繼機(jī)構(gòu)型，兩種構(gòu)型不能混用；第二，中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端配置一個(gè)接收通道和一個(gè)發(fā)送通道，并設(shè)置了分時(shí)使用策略。復(fù)用通道的兩路信息因頻點(diǎn)不同，不能同時(shí)占用通道；第三，中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端雙向信息傳輸共用收發(fā)通道，中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端的重量、尺寸、功耗及成本等方面變化不大。與直通型數(shù)據(jù)鏈相比，中繼數(shù)據(jù)鏈的通信距離有所減小。

本文采用方案一構(gòu)建一種中繼數(shù)據(jù)鏈架構(gòu)，并對(duì)中繼數(shù)據(jù)鏈的使用展開簡(jiǎn)要介紹。

中繼數(shù)據(jù)鏈架構(gòu)

無人直升機(jī)系統(tǒng)包含1個(gè)地面控制站和2架無人直升機(jī)。每架無人直升機(jī)配置1臺(tái)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端；地面控制站配置1臺(tái)數(shù)據(jù)鏈地面終端，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)2架無人直升機(jī)的監(jiān)控。數(shù)據(jù)鏈的通信模式分為直通模式和中繼模式。在直通模式下，2架無人直升機(jī)承擔(dān)任務(wù)，分別為任務(wù)機(jī)1和任務(wù)機(jī)2。在中繼模式下，1架無人直升機(jī)為任務(wù)機(jī)，執(zhí)行任務(wù)；另1架無人直升機(jī)為中繼機(jī)，為任務(wù)機(jī)提供通信中繼服務(wù)。本文提及的中繼數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)侵柑峁┩ㄐ胖欣^服務(wù)的數(shù)據(jù)鏈，為避免歧義，中繼模式下的數(shù)據(jù)鏈稱為中繼數(shù)據(jù)鏈。

中繼數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)褂梅治?/p>

在直通和中繼模式下，地面控制站需要監(jiān)控2架無人直升機(jī)的信息。當(dāng)中繼數(shù)據(jù)鏈地面終端收到遙控信息時(shí)，需要區(qū)分出發(fā)送給每架無人直升機(jī)的遙控信息，同樣，在收到遙測(cè)信息時(shí)，需要識(shí)別出每架無人直升機(jī)傳輸?shù)倪b測(cè)信息。此外，中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端需要區(qū)分出發(fā)送給自身的遙控信息。為了區(qū)分遙控和遙測(cè)信息，中繼數(shù)據(jù)鏈的報(bào)文幀格式增加了源地址和目的地址，用于區(qū)分接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信息。

在直通模式下，任務(wù)機(jī)（任務(wù)機(jī)1或任務(wù)機(jī)2）前向信息的傳輸流程是，地面控制站將遙控信息發(fā)送給數(shù)據(jù)鏈地面終端，數(shù)據(jù)鏈地面終端處理遙控信息后，將遙控信息發(fā)給數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端，數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端首先處理并解析出遙控信息，然后識(shí)別遙控信息中的源地址和目的地址，確定遙控信息是發(fā)送給自身的信息后，再將遙控信息發(fā)送給機(jī)載飛控、任務(wù)載荷等系統(tǒng)。任務(wù)機(jī)后向信息的傳輸流程是，數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端將來自飛控、任務(wù)載荷等系統(tǒng)的遙測(cè)信息和任務(wù)載荷信息發(fā)送給數(shù)據(jù)鏈地面終端，數(shù)據(jù)鏈地面終端首先處理并解析信息，然后識(shí)別信息中的源地址和目的地址，確定信息來源于哪架任務(wù)機(jī)后，再將信息發(fā)送給地面控制站，地面控制站在指定區(qū)域顯示收到的信息。

在中繼模式下，中繼機(jī)前向信息和后向信息的傳輸流程與直通模式下任務(wù)機(jī)信息傳輸流程相同，任務(wù)機(jī)需要通過中繼機(jī)實(shí)現(xiàn)前向信息和后向信息傳輸。任務(wù)機(jī)前向信息傳輸?shù)牧鞒淌?，地面控制站將遙控信息發(fā)給中繼機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端，中繼機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端識(shí)別遙控信息中的源地址和目的地址，確定遙控信息是發(fā)送給任務(wù)機(jī)的遙控信息后，再將遙控信息發(fā)送給任務(wù)機(jī)中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端，任務(wù)機(jī)中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端將處理后的遙控信息發(fā)送給機(jī)載飛控、任務(wù)載荷等系統(tǒng)。任務(wù)機(jī)后向信息傳輸?shù)牧鞒淌牵蝿?wù)機(jī)中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端將收到的遙測(cè)信息和任務(wù)載荷信息發(fā)送給中繼機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端，中繼機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端將收到的信息發(fā)送給中繼數(shù)據(jù)鏈地面終端，中繼數(shù)據(jù)鏈地面終端首先處理并解析信息，然后識(shí)別信息中的源地址和目的地址，確定信息來源于哪架任務(wù)機(jī)后，再將信息發(fā)送給地面控制站，地面控制站在指定的區(qū)域顯示收到的信息。

中繼數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展方向

低時(shí)延

信息實(shí)時(shí)傳輸是數(shù)據(jù)鏈的最基本功能。信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性直接影響著無人直升機(jī)的飛行和任務(wù)。任務(wù)機(jī)的遙控、遙測(cè)信息由中繼數(shù)據(jù)鏈傳輸，時(shí)延會(huì)成倍增加，這對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的信息傳輸將產(chǎn)生較大影響。低時(shí)延中繼數(shù)據(jù)鏈技術(shù)研究勢(shì)在必行。

機(jī)載終端小型化

無人直升機(jī)內(nèi)部空間狹小，且任務(wù)配置越來越多，機(jī)載任務(wù)載荷設(shè)備日益增加，為中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端提供的安裝空間更加有限。因此，中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端尺寸需要做得更小。隨著當(dāng)今制造技術(shù)的不斷提高，新材料的大量應(yīng)用，小型機(jī)載終端研制將不是難題。

高數(shù)據(jù)傳輸速率、遠(yuǎn)通信距離

在中繼數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)傳輸速率和通信距離會(huì)相互制約。通信距離越遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸能力就越差。無人直升機(jī)通信中繼要保證高數(shù)據(jù)傳輸速率，通信距離會(huì)相應(yīng)縮短。軍用和民用領(lǐng)域需要更大的信息傳輸量、更廣的信息采集范圍，對(duì)中繼數(shù)據(jù)鏈的性能要求越來越高。為滿足數(shù)據(jù)量、作戰(zhàn)半徑不斷增大的需求，速率高、通信距離遠(yuǎn)的中繼數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)俏磥戆l(fā)展方向。

天線布局及使用策略優(yōu)化

小型無人直升機(jī)以全向天線為主。天線數(shù)量增加及合理布局基本可以解決無人直升機(jī)中繼數(shù)據(jù)鏈在使用過程中的通信盲區(qū)問題。但是，大型無人直升機(jī)往往會(huì)配置全向天線、定向天線、相控陣天線等不同構(gòu)型的天線。由于機(jī)身尺寸較大，天線的無線信號(hào)更易受機(jī)身及無人直升機(jī)飛行姿態(tài)的影響。因此，無人直升機(jī)需要合理配置天線數(shù)量，天線布局應(yīng)進(jìn)行充分的理論及仿真分析。在中繼模式下，中繼機(jī)要與任務(wù)機(jī)、地面控制站進(jìn)行雙向通信，為確保中繼機(jī)與任務(wù)機(jī)之間、中繼機(jī)與地面控制站之間擁有穩(wěn)定的通信，除了合理布局天線外，技術(shù)人員還需要優(yōu)化天線使用策略，確定中繼機(jī)分別使用何種天線與任務(wù)機(jī)和地面控制站進(jìn)行通信。

結(jié)束語

近年，無人直升機(jī)在軍用和民用領(lǐng)域展現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，中繼數(shù)據(jù)鏈已在無人直升機(jī)上成功應(yīng)用。通信中繼是無人直升機(jī)領(lǐng)域的重要研究方向，中繼數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N典型的通信中繼手段。通用性好、配置靈活、穩(wěn)定可靠的小型中繼數(shù)據(jù)鏈機(jī)載終端仍待研究。