无人机群通用控制站的技术需求分析

柴立功，樊甫华，董世友，张 波

(合肥电子工程学院，安徽合肥230037)

0 引言

无人机群的集群作战已经成为一个突出的发展趋势。在感兴趣的区域，交战各方会同时派出环境监视(电子侦察、图像侦察等)、战场评估、电子对抗、火力打击和防护等具有各种不同功能的战术级、战略级的无人机。因此，同一区域内诸无人机之间的统一调度与指挥、信息分发与共享、碰撞检测、频谱资源管理和航路规划等工作是当前无人机集群作战急需解决的难题。为了对无人机群进行统一管理，需要一个通用的控制站(Global Control Station，GCS)。目前，国内外还没有比较成熟的通用控制站存在。

美国的无人机路线图［1］明确给出了美军无人机对GCS的功能要求。“捕食者”、“影子”、“全球鹰”和“大乌鸦”等多种型号的无人机由各自的地面控制站控制起飞，到达目标区域后，控制工作可以移交给同一套GCS，该GCS作为临时性的战术控制中心。

将GCS设置在战区附近虽有优势，但也增大了遭敌方打击的可能性，对己方的保障也提出了更高的要求。近年来，预警机的功能不断增强，可以将GCS集成到预警机上，使预警机在距离作战区域一定安全距离范围之内完成对多架无人机的协调控制和指挥工作将是一个很明智的选择。

国内也有学者注意到了无人机GCS的发展需求，并提出了一些技术实现措施和思路［2-8］;这些文献重点研究宏观发展趋势，并没有结合无人机和指控站的现状给出具体的改进措施。本文拟从调度与指挥、信息分发与共享、碰撞检测、频谱资源管理和航路规划等方面对控制站和无人机的现状及改进需求进行重点分析。

1 测控系统的需求

早在20世纪90年代初，美国陆军导弹指挥部研究、发展与工程中心的帕特H.麦金维尔和沙伦E.达德利就提出了一种利用专家技术由一个操作员控制多个无人机的自动控制器原理。主要用于一个地面控制站通过一架中继无人机控制多架任务无人机。波音公司生产的任务规划和控制站(MPCS)已证明能适用于各种飞行器，能全面执行无人机的任务，从接受任务到任务规划、飞行器发射和控制、载荷控制、数据处理直至回收飞行器。雷声公司生产的通用地面控制设备可以同时指挥和控制由暗星(Darkstar)和全球鹰(Global Hawk)等组成的3架高空长航时无人机。英国的多无人机控制系统(MAMUCS)可以由单个地面站同时跟踪4～8架转场飞行的无人机或者4架传感器工作着的无人机。以上文献证明了国外先进国家已经具备了一站多机的作战能力，但对具体的实现细节或工作原理没有给出详细说明。

无人机在整个作战行动过程中需要接受不同控制站的控制;控制站也可能会根据任务需要选择不同功能的无人机;当无人机的任务完成后，控制站还应该允许该无人机退出战斗。为了便于切换，无人机的测控系统必须从数据格式、编解码、加解密、射频调制与解调、频率分配和功率分配、航线控制等方面从硬件和软件方面统一进行规范化、通用化设计。

1.1 数据帧格式需求

任何一种型号的无人机系统(包括飞机和对应的指控站)都有其特定的遥控和遥测数据帧格式。一般情况下，一个完整的无人机遥控数据帧包括帧头、指令内容、校验和帧尾等4个部分。帧头用于接收机判断某一个新的数据帧的开始，也可以用于帮助接收机确定帧速率;指令内容是控制站对无人机的控制指令，包括对飞行控制系统、测控系统和任务载荷的控制命令;校验部分是无人机判断接收到数据帧正确与否的依据;帧尾表示当前数据帧的结束。这样的数据帧格式对于简单的无人机系统而言已经足够，且非常简单，但明显不适用于能够同时控制多架不同类型无人机的通用控制站。

控制站信息部分可以用于无人机判断该数据帧的来源。当控制站切换时，原来的控制站可以利用该部分内容通知新的控制站接管控制关系;该信息也可以用于控制站之间的互相协调。无人机编号用于无人机根据接收的内容判断当前的指令是否是给本机的指令，避免误操作。调制方式通知无人机是否改变当前的调制方式和重新设置调制参数，如调制频率、调制带宽、扩频调制中的伪随机码参数、通信体制、编码方式和加解密方式等。功率设置主要用于CDMA体制下的功率控制，当同一区域内多架无人机的发射功率不同时，避免互相干扰，控制站必须实时地调整控制各无人机的发射功率;另外，还可以采用主副帧的格式，以副帧传递航线控制信息。无人机通用遥控数据帧的建议格式如图1所示。

图1 无人机通用遥控数据帧的建议格式

遥测数据帧的格式与遥控帧类似，指令内容部分主要包括:飞机的姿态信息、测距信息和指令的回报码。对于大数据量、高速的任务载荷，如各种图像(可见光、红外和SAR等)的侦察数据建议设置独立的专用辅助信道来传输，而对任务载荷的控制指令及指令回报，仍在常规的测控链路传输。

1.2 编解码需求

无人机测控系统的编解码包括信源编码和信道编码;信源和信道都有多种编码方式，如PCM编码和ADPCM编码、A律及μ律语音压缩编码、MPEG及JPG等图片编码、H.262等视频数据流编码等信源编码;差分编码、卷积编码、RS编码和交织编码等信道抗干扰编码。为了便于统一，可以在遥控数据帧里增加信源和信道编码的选择标志;同时，无论是无人机还是指控站，都应该能够支持多种格式的编解码功能;尤其是指控站，应该能够快速、准确地完成不同编码格式的转换。

1.3 加解密需求

军事通信必然会对信息加密有较高要求。加密的方法也有单钥和双钥序列密钥体制和数据键控加密体制等。为了简化机上设备，无人机多采用数据键控加密体制。双钥加解密体制对处理器的要求稍高一些，但加密效果更好，便于通用。直接序列扩频加密可以提供扩频增益，从而降低对信噪比的要求，但高密度地使用扩频加密也会产生互扰。从通用的角度考虑，建议对UAV和GCS都选择双钥序列密钥体制。

1.4 射频调制与解调

射频调制有AM、FM、ASK、PSK及其变种、直接序列扩频、跳时和跳频等多种调制方式;不同的调制方式适合于不同类型的信息。如AM和FM调制多用于语音和模拟图像信号的调制，其他多用于数字化遥控信号的调制。对于使用不同调制方式的无人机而言，指控站应该能够实时调整调制方式，以保证有效的通信。用于产生伪随机码(M序列、GOLD序列)的特征多项式可以进行编号，将此编号在遥测数据帧内发送就可以较好地实现共享和同步等需求，同时，将控制站和无人机上的伪随机码产生由硬件改为软件来实现，就可以大大提高系统的灵活性。

1.5 频谱管理需求

现有的无人机系统多采用频率分集(使用同一频段内的不同频道)的方式来满足单一控制站对多架同型号无人机的实时控制;如果某区域内同时存在多架同型号无人机，将会使使用同一频道的所有无人机失去控制。对于不同功能的无人机，GCS可以采用动态频谱管理，也可以根据无人机在系统作战中的重要性来分配频道，建议使用蜂窝移动通信中的码分多址通信体制。随着技术的进步，基于频谱感知和压缩感知的相关技术也是无人机测控系统中频谱管理的较好选择。

1.6 功率管理需求

功率管理主要实现2个目的:①和射频调制及频谱管理工作一起，防止己方用频设备的互扰;②在保证通信正常、可靠的前提下，尽量减少发射功率以便有效降低被敌方捕获的概率。类似于蜂窝移动通信中对功率控制的需求相似，如果是采用CDMA的通信体制，则功率管理与控制的功能必不可少。

1.7 通信链路和网络需求

通信链路包括基于地基测控的视距多目标测控数据链和地空宽带测控数据链;基于天基测控的卫星中继数据链;自组网机间宽带高速数据链;独立子网通信数据链等多种测控和数据传输链路。机间自组网的结构确定了该网比较适合传输数据量相对较小的测控信息，不太适合传输大容量的侦察信息。战术级无人机的侦察信息，可以考虑直接传输给GCS，而非通过卫星中继数据链传输;相应地，GCS的测控天线建议采用宽带相控阵天线。

1.8 信息分发与共享

信息分发与共享主要指诸负责侦察的无人机将信息上传给控制站，控制站接收处理，并提取有用信息给相应的需要该信息的无人机，如将欲打击目标的坐标、速度、方向和高度等信息发送给执行攻击任务的无人机;甚至允许控制站上的操作员越权直接控制该无人机。因此，对通用控制站上的处理器要求较高;还要配备相应信息的提取、分析及融合等软件设备。参照美海军的E-2D“先进鹰眼”无人机的发展思路，国内也应该加强对信息分发与共享的技术研究和标准的制定指导工作。

2 统一调度与指挥需求

统一调度与指挥涉及到的功能也很多，包括对无人机的航路规划、任务载荷的控制、对无人机的定位与跟踪、信息的上传下达、碰撞检测与规避、敌我识别和安全防卫等。其中亟待解决的问题是碰撞检测与规避。碰撞引起的损伤是美军在近几场局部战争中无人机损毁的主要原因之一。想要避免碰撞，前提条件是能够对无人机进行精确定位。对无人机的定位主要有卫星导航定位以及指控站对无人机的自主定位2种方式。卫星导航定位是当前无人机系统定位的首选技术，在差分GPS定位系统中，定位精度可以达到数厘米，能够满足对定位精度的要求。但作为军用无人机而言，难免会受到敌方的干扰而致定位失效。因此，无人机系统一般还保留了信息帧测距的自主定位功能，并结合测控天线的方向性完成测角，从而实现对无人机的定位。信息帧测距是借助于测控信号包含的信息，由控制站解算得到无人机的距离信息，信息帧测距的一个隐含条件是测控信号必须连续，以便于同步锁定与跟踪，这种方式不太适合于时分多址、跳时和跳频等通信体制。将GCS搬移到预警机上，则可以弱化信息帧测距的功能，而借助于相控阵雷达技术来实现定位功能，此时将可以大大降低对无人机和指控站设备量的要求，且无需对无人机进行大的技术改动。

3 对预警机的需求

预警机要增加对无人机群的通用控制设备、航路规划设备、扩容或增添新的信道、指挥控制和信息处理等新的功能;还要提高数据处理能力和速度;尤其是要提高对无人机的定位精度和速度。

3.1 相控阵天线需求

建议将GCS的测控天线与预警机上的雷达系统合成为一部宽带相控阵天线，与常规雷达对天线的扫描需求不同，GCS必须要求在指定的区域或方向上有波束一直跟踪相应的无人机。多架无人机需要多个不同的波束。因此需要对雷达系统的波束控制方式进行修改，要求同时能够形成多个波束，且自动跟踪指向无人机;波束必须是笔状波束，且波束的宽度必须能够分辨相对距离较近的无人机。

3.2 定位精度需求

常规的雷达系统通过测量雷达脉冲的往返时间来对目标进行定位，定位精度约为雷达视频脉冲宽度的一半。以脉冲宽度1 μs为例，雷达对目标的定位精度约为150 m，这样的定位精度不能满足对高度不同、水平距离较近的无人机分辨需求。

4 结束语

将无人机的通用控制站搬移到战区附近的空中预警机上，是当前无人机系统作战的一个发展方向，也对无人机的系统研制和设计工作提出了新的要求。无人机的设计改动是一个系统性的工程，涉及到很多方面，需要统筹考虑。建设的原则应该是尽量简化无人机机上部分的软硬件改动，向通用化的方向发展，而强化对指控站的功能建设和完善。

［1］ 刘成朋.无人机公共测控网络技术体制初探［J］.无线电工程，2006，37(10):36-38.

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［6］ 陈 岩，黄世钊.相控阵技术在无人机“一站多机”方案中的应用［J］.现代防御技术，2000，28(3):44-48.

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