無人機系統(tǒng)體系作戰(zhàn)頻譜管理研究

汪關(guān)信 程文超 梁浩聰 陳勇

無人機以其完全無人駕駛、隱蔽性能好、能有效執(zhí)行多種特殊軍事任務(wù)等技術(shù)優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高空偵察、追蹤、戰(zhàn)場轟炸等。但隨著無人機數(shù)量的爆炸增長，需要傳輸?shù)男畔⒁苍絹碓蕉?，信息容量也越來越大，無人機飛行通信所需頻譜資源的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的趨勢。無線通信需求的增加會直接導(dǎo)致無線通信頻譜的使用率大大上升，而頻譜是一種不可再生資源。雖然目前無人機有其固定的通信頻段，但受頻譜資源短缺的約束，無人機通信必然會受到很大影響。此外，在無人機體系作戰(zhàn)中，無人機面臨著復(fù)雜電磁環(huán)境帶來嚴峻考驗。近年來，歷次信息化戰(zhàn)爭的實踐表明，頻率和頻譜管理是影響無人機系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。

無人機系統(tǒng)用頻特點

電磁頻譜是無人機執(zhí)行任務(wù)的重要支撐，根據(jù)無人機系統(tǒng)的用頻類型，可將無人機用頻部分劃分為通信系統(tǒng)、支持系統(tǒng)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)。其中，通信系統(tǒng)主要為無人機提供指揮控制、數(shù)據(jù)傳輸和通信中繼；支持系統(tǒng)保障無人機導(dǎo)航定位、目標指示、雷達探測、敵我識別、飛行記錄傳導(dǎo)等；電子戰(zhàn)系統(tǒng)為電子戰(zhàn)無人機提供電子干擾、通信對抗和光電對抗支持。

無人機通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是無人機最為關(guān)鍵的子系統(tǒng)之一，實現(xiàn)在飛行器和地面單元或其他空中設(shè)備之間的信息傳輸，以及隨時隨地對無人機進行指揮控制，是操控飛行器和成功完成任務(wù)的關(guān)鍵。在現(xiàn)有的無人機通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星通信和超短波通信是主要通信手段。美軍無人機系統(tǒng)采用通用數(shù)據(jù)鏈中，通過直接的點對點鏈接或使用X/Ku波段衛(wèi)星通信連接地面站和無人機，可實現(xiàn)0.2-2Mb/s的速率傳輸上行鏈路指令和控制數(shù)據(jù)，并以10-274Mb/s的速率傳輸下行鏈路機載傳感器數(shù)據(jù)。以美軍的“全球鷹”無人機為例，其通信系統(tǒng)及用頻特點十分顯著。圖1為“全球鷹”系統(tǒng)作戰(zhàn)體系各單元之間的通信結(jié)構(gòu)示意圖。該型無人機由無人飛行器、發(fā)射回收單元和任務(wù)控制單元構(gòu)成。發(fā)射接收單元通過X頻段、Ku頻段、視距VHF、視距UHF以及超視距UHF衛(wèi)星通信的視距通用數(shù)據(jù)鏈對飛行器進行控制；任務(wù)控制單元除控制功能外，還負責傳感器控制及對其觀測數(shù)據(jù)進行接收與分發(fā)，并通過包括GPS和LINK-16在內(nèi)的諸多手段確保戰(zhàn)場念勢感知能力。任務(wù)控制單元通過窄帶視距UHF無線鏈路和UHF衛(wèi)星通信鏈路對無人機進行指揮與控制。視距數(shù)據(jù)鏈路Ku頻段，衛(wèi)星通信鏈路也可以提供指揮與控制信道，無人機觀測數(shù)據(jù)通過視距X頻段、Ku頻段通用數(shù)據(jù)鏈或Ku頻段衛(wèi)星通信鏈路傳給任務(wù)控制單元?！叭蝥棥睙o人機及其機載設(shè)備用頻見表1。

無人機支持系統(tǒng)

無人機支持系統(tǒng)為無人機導(dǎo)航定位、目標指示、敵我識別、飛行記錄等功能提供通信和數(shù)據(jù)傳輸支持，是實現(xiàn)無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)能力不可或缺的部分。無人機支持系統(tǒng)需要分配頻譜的裝備主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航（北斗、GPS等）、合成孔徑雷達（SAR）、移動目標指示儀、敵我識別器、遙感探測儀、飛行記錄儀、雷達高度計等。不同設(shè)備之間在工作頻率、占用帶寬、工作時間上都有很大不同?！叭蝥棥迸鋫涞臄澄易R別器信號頻率為1030/1090MHz，LINK-16數(shù)據(jù)鏈的頻率為960-1215MHz，飛行記錄傳導(dǎo)系統(tǒng)的頻率為1530-1559MHz和2300-2400MHz，雷達高度計為4200-4400MHz?？梢?，其用頻設(shè)備多、占用頻帶寬，在頻譜保障上存在較大難度。

無人機電子戰(zhàn)系統(tǒng)

電子戰(zhàn)無人機除搭載通信和支持系統(tǒng)外，還可使用機載電子對抗設(shè)備對敵方電子設(shè)備實施軟壓制。實施干擾的無人機通過裝配阻塞式雜波干擾吊艙、噪聲干擾/欺騙干擾吊艙等干擾設(shè)備和無源干擾設(shè)備，干擾敵方電子設(shè)備，淹沒敵方電子設(shè)備企圖接收的信號，壓制和干擾敵方電子系統(tǒng)或進行電子欺騙。以色列Hermes900基本型無人機有效載荷范圍包括X波段（8-12.5GHz）機載和空間系統(tǒng)、30-1200MHz波段機載通信偵察定向探測系統(tǒng)以及30-500GHz空中通信干擾設(shè)備。能夠有效執(zhí)行偵察監(jiān)視、電子干擾能任務(wù)。與大型干擾機和地面固定干擾站相比，無人機目標小、機動性好，可以飛抵敵方空域進行抵近干擾，并獲得相當?shù)纳赵鲆?，以小功率發(fā)射機取得更佳的作戰(zhàn)效果。

無人機系統(tǒng)的用頻特點主要集中在： 用頻設(shè)備多、占用頻帶寬、頻譜需求增長迅速，以及與其他設(shè)備存在頻率沖突問題。因此，無人機系統(tǒng)的頻譜管理和頻譜保障影響重大。

無人機系統(tǒng)頻譜管理方法

以美軍為例，除特定頻段內(nèi)頻譜需求大幅增長外，無人機對當前正在使用的頻段需求也在持續(xù)增長。為滿足無人機系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需要，這些頻段中所需的頻率數(shù)量與帶寬都將不斷增加?？傊儡妼⒋罅Πl(fā)展各種型號、各種功能的無人機，無人機的通信系統(tǒng)、支持系統(tǒng) （雷達、傳感器系統(tǒng)等）以及電子戰(zhàn)系統(tǒng)也會變得更加復(fù)雜多樣，對頻率需求也會增加。為滿足頻譜需求，美軍將加大頻譜管理利用力度，提高頻率的共享程度；強化機載傳感器數(shù)據(jù)處理及壓縮技術(shù)、頻譜重復(fù)利用和頻譜增效等技術(shù) 。

建立無人機電磁頻譜管理體系

無人機系統(tǒng)的電磁頻譜管理問題應(yīng)當納入國家和軍隊的電磁頻譜管理體系，實施統(tǒng)一規(guī)劃和管理設(shè)計，戰(zhàn)區(qū)戰(zhàn)場指揮部和頻譜管理部門應(yīng)在充分掌握無人機系統(tǒng)性能和頻譜需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合電磁頻譜作戰(zhàn)中心建立頻譜管理體系，組織協(xié)調(diào)頻譜管理工作。

利用電磁頻譜作戰(zhàn)中心監(jiān)控在作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的電磁頻譜域中電磁背景、相關(guān)電磁頻段的使用和占用情況，構(gòu)建實時、動態(tài)電磁頻譜態(tài)勢圖。尤其關(guān)注電磁頻譜的重點頻段、背景噪聲的變化、相關(guān)頻段擴頻信號的背景疊加等，并根據(jù)戰(zhàn)區(qū)電磁頻譜監(jiān)控的結(jié)果進行評估，為無人機電磁使用方式和狀態(tài)的轉(zhuǎn)換提供依據(jù)。同時，通過構(gòu)建專門的電磁頻譜作戰(zhàn)系統(tǒng)或體系，建立戰(zhàn)區(qū)范圍距離（200-300km）電磁預(yù)警區(qū)域，對10-50km的空中/空天無人目標建立高威脅電磁頻譜告警區(qū)域。

無人機用頻規(guī)劃前期需要開展廣泛研究，評估潛在頻譜需求。參考在相應(yīng)頻段國外的頻譜規(guī)劃情況，全面考慮各類無人機的不同機載用頻設(shè)備和工作方式，確保無人機通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)與其他業(yè)務(wù)的兼容性。在頻譜規(guī)劃中，應(yīng)充分考慮未來無人機的用頻發(fā)展趨勢，從用頻技術(shù)發(fā)展角度出發(fā)，用頻適當朝高頻方向傾斜，特別是Ku、Ka衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)頻段，以適應(yīng)未來大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

實施戰(zhàn)場電磁頻譜管理計劃

體系作戰(zhàn)中，無人機系統(tǒng)的頻譜管理規(guī)劃應(yīng)當采用自上而下的方式，從指揮部到各級作戰(zhàn)單元進行組織實施，同時結(jié)合戰(zhàn)場態(tài)勢和情報信息及時準確地進行頻譜管理方案的更新維護。圖3是體系作戰(zhàn)中制定無人機系統(tǒng)頻譜管理計劃的流程圖。無人機系統(tǒng)頻譜管理主要步驟包括：根據(jù)戰(zhàn)場情報作戰(zhàn)方案等進行態(tài)勢評估，在此基礎(chǔ)上，考慮無人機用頻特點、頻譜管理政策等擬制頻譜管理方案，進而確定無人機系統(tǒng)頻譜要求，最后綜合考慮無人機系統(tǒng)性能、作戰(zhàn)指揮方案等制定無人機頻譜使用計劃。頻譜使用計劃包括無人機系統(tǒng)的頻段分配、使用時間、保護頻率、限制頻率等內(nèi)容。

短期長期相互結(jié)合

雖然隨著科學技術(shù)的進步，可以解決無人機系統(tǒng)頻譜和帶寬可用性相關(guān)問題，但根本途徑還是需要通過短期調(diào)控措施和長期研試方法的共同作用實現(xiàn)頻譜可用性。短期措施主要是通過增加無人機頻率分配和用好頻率管理工具。體系作戰(zhàn)中要求作戰(zhàn)部隊按優(yōu)先順序使用電磁頻譜資源，并做到以最佳方式全面地保障作戰(zhàn)任務(wù)。通過研發(fā)或改進現(xiàn)有頻譜管理工具，進而實現(xiàn)準確、實時和合理地分配電磁頻譜資源，提高頻譜規(guī)劃人員自動化實時管理可用頻率的能力。例如，美軍的SPECTRUM XXI是一種自動化頻譜管理工具，用來支持作戰(zhàn)計劃的制定及無線電頻譜的實時管理。它能夠適應(yīng)平時到戰(zhàn)時在作戰(zhàn)地域、頻率分配、地形數(shù)據(jù)、裝備特性和戰(zhàn)術(shù)制約等方面多樣變化的作戰(zhàn)行動。

長期方法主要包括改變無人機系統(tǒng)頻譜測試流程、采用新技術(shù)提高頻譜使用率等。針對研制中的無人機系統(tǒng)，在其測試環(huán)節(jié)中，需要更加注重電磁兼容性測試，并滿足作戰(zhàn)部隊對于無人機系統(tǒng)頻率和帶寬適應(yīng)性的要求。針對未來的無人機系統(tǒng)研發(fā)，在頻率和帶寬規(guī)劃方面應(yīng)更具前瞻性，使其具備更加靈活的頻譜適應(yīng)能力。隨著電磁頻譜技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)被應(yīng)用于無人機系統(tǒng)中，激光通信是提高通信帶寬和傳輸效率的一種重要方法，其帶寬可以達到射頻系統(tǒng)的2-3倍，同時質(zhì)量減輕30%-50%，并且中斷率低、抗干擾性強，但激光通信在應(yīng)用的成熟度還有待加強。此外，提高無人機通信系統(tǒng)覆蓋范圍、采用更加高效的數(shù)據(jù)壓縮算法、采用頻譜重復(fù)利用和頻譜增效等方法，對于提高無人機頻譜和帶寬可用性也都具有重要意義。

結(jié)束語

頻譜使用和管理是影響體系作戰(zhàn)中無人機系統(tǒng)戰(zhàn)斗力發(fā)揮的重要舉措，本文針對性梳理美軍無人機用頻情況，總結(jié)出無人機系統(tǒng)用頻特點，提出無人機頻譜管理方法，主要是通過建立頻譜管理體系、實施頻譜管理計劃和采用短期措施與長期方法相結(jié)合等方面提出建議，從而進一步適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中無人機體系作戰(zhàn)能力和生存能力。