无人机通信系统频谱规划问题研究

姜水桥

【摘 要】无人机在未来联合作战中发挥重要作用。本文介绍了无人机频谱使用面临的挑战，统筹分析了无人机通信系统频谱规划应考虑的主要因素，并从明确无人机通信系统的功能要求，计算无人机信号传输的带宽需求，选择合适频率等环节论述了无人机通信系统频率选择的实施步骤。

【关键词】无人机；通信系统；频谱规划

0 引言

信息化战场，无人机以其得天独厚的优势，广泛应用于战场侦察、空中转信、电子攻击以及精确打击等场合。但是，无人机作用的发挥，很大程度依赖于频谱保障尤其是通信系统的频谱保障能力。认清无人机频谱保障面临的挑战，分析无人机用频装备工作的机理，研究无人机通信系统频谱的超前规划，对于发挥无人机的作战效能，加强我军信息化建设，具有重要的现实意义。

1 无人机频谱使用面临的挑战

近年来，随着无人机在各种场合的大量使用，由频谱保障所带来的问题层出不穷。无人机正遭受来自频谱资源紧缺和传输数据带宽不足所造成的严重威胁，对无人机的频谱使用提出了挑战。

1.1 频谱保障能力不足，影响无人机作战效能

数据显示，单架大型侦察无人机，仅通信系统传输一路图像，至少需要6MHz的频谱需求，一般需要同时传输多路信号，则需要6MHz的多倍。美军在海湾战争中仅“全球鹰”无人机消耗的频谱带宽是整个美军其他用频装备的5倍[1]。在我军有无人机参加的多次演练中，由于频谱资源保障能力不足而出现问题的事件层出不穷。美军也受此困扰，伊拉克战争中，美军虽然有同时操控多架无人机的能力，但是受可用频率数量限制通常只能维持其中一架執行飞行任务。频谱保障能力的不足，严重制约了无人机的作战效能。

1.2 频谱规划不科学，影响无人机的发展与使用

无人机由于频谱规划不科学，在演练实践中经常暴露一些受周边电磁环境的影响较大、多架无人机不能同时工作等问题。这些问题的出现，都与无人机频率的规划不科学有直接关系。近几年，我军加大了频谱的统筹规划力度。然而，由于缺乏对电磁频谱资源的总体科学规划，再加上规划手段的缺乏、对无人机在体系作战的定位模糊、频谱规划涉及利益等原因，随意规划无人机频率的现象仍然存在，无人机的频谱规划与频谱管理滞后，严重影响我军无人机的使用和未来发展。

1.3 频谱保障受制于人，影响国家军事安全

为解决各类行动频谱资源保障紧张的问题，经常要实施频谱征用、频谱管制等措施。这些措施一方面暂时解决了无人机频谱保障问题，但同时也给无人机的安全使用带来隐患。美军为了解决这一问题，也经常采取租用频谱资源的措施。在阿富汗和伊拉克战场上使用“捕食者”和“全球鹰”无人机的过程中，国防部所属卫星系统无法提供传输数据链图像数据所需的高速数据传输，所以需要从商业卫星租用大量的通信通道[2]。严重依赖非军事资源，伴随的是将是受制于其它买家竞购卫星信道资源或私营商拒绝提供服务的威胁，势必给敌判断我作战方案、作战行动提供渠道，给军事安全带来威胁。

2 无人机通信系统用频规划应考虑主要因素

无人机通信系统的用频规划，不仅仅涉及频率使用的问题，还应考虑无人机用途、主要通信装备、工作方式等诸多方面。

2.1 无人机的用途及类别

无人机通信系统的频率选择，必须要考虑无人机的种类以及使用途径。如微型无人机不能安装大型天线，不能安装大型通信设备；远程无人机必须使用远程通信设备才能完成任务等。不同类型、不同功能用途的无人机上的用频设备（包括通信设备）也不同，其频率选择也不尽相同。

无人机可区分为杀伤性无人机和非杀伤性无人机。杀伤性无人机又可分为软杀伤和硬杀伤无人机。软杀伤无人机主要是电子干扰无人机，硬杀伤无人机主要包括反辐射无人机、激光制导武器目标指示无人机等。非杀伤性无人机包括侦察、监测和情报无人机、炮火校射无人机、战斗效果评估无人机等。

按照航程的远近，无人机可分为近程类、短程类、中程类、高空长航时类。其中，近程类是指航程为50km，续航时间1小时到6小时，能够执行全天候侦察监视任务；短程类是指航程为300km，续航时间8小时到12小时，也能够执行全天候侦察监视任务。中程类是指活动半径为650km，不需要在空中巡逻，用于昼夜侦察、监视。高空长航时类是指至少能够续航36小时，飞行在9km以上高度，能执行全天候侦察、通信中继任务，能在强风中保持平稳。此外，无人机也可按体积与起飞重量分为大型无人机、中型无人机、小型无人机和微型无人机。

2.2 无人机的主要用频装备及工作方式

根据无人机的功能，其用频装备主要包括三大类：第一类是通信设备（遥控和数传设备，或数据链）。它是无人机用频设备的核心，也是频谱需求最多的设备，主要完成地面控制指令的传输、无人机高速数据侦察信息的实时回传等。第二类是传感器设备，主要完成无人机的遥测。第三类是定位系统，用于完成对无人机的高度、地理位置等的定位。除此以外，根据功能需求，有的无人机还有电子攻击设备。

工作方式：一般而言，在起降阶段，地面操控人员根据任务规划和无人机回传的状态信息，采取视距控制、空中中继和卫星中继等方式，实时发出遥控指令，控制无人机飞行和遂行任务的方式；当进入任务飞行状态后，按照预定程序和任务规划，依托卫星导航、无线电高度表等设备控制航迹，自动遂行作战或保障任务；当需要无人机侦察的状态或监视数据时，则依托通信系统，将各类数据、图片、视频等传输至控制中心进行处理。毫无疑问，支持无人机系统提供控制飞行器飞行所需的数据，以及将来自机载传感器的数据发送到处理中心都需要通信系统提供一定量的带宽。另外，无人机系统各部分之间传输数据的能力也取决于通信系统的可用频率和带宽，因此，通信系统的频率管理和带宽可用性是未来无人机作战效能发挥的关键，通信系统的频谱规划问题则成了无人机频谱规划当中最值得关注之处。

2.3 相应频段的频谱划分

选择合适的频谱资源，必须要考虑国际、国内在相应频段的频谱划分情况，确保无人机通信系统的业务与其他业务能够相互兼容。如美军的战术公共数据链下行14.40—14.83GHz工作频段，分配了固定、移动微波系统、便携式遥测微波系统通信传输以及射电天文业务[1]。这些业务既有军用业务，也有民用业务；既有联邦用户，也有非联邦用户；既有地面业务，也有空间业务。因此，美军在进行无人机数据链频谱规划时，必须要考虑这些业务与战术公共数据链的共存问题。同时，无人机频率规划还必须考虑有关国际频率划分。如：当国际上将某段频率划分为全球某种业务使用，则无人机必须避免使用该频段。

3 无人机通信系统的频率选择

在统筹考虑无人机通信系统频谱规划相关因素的基础上，规划无人机的频率使用，应按照明确无人机通信系统的功能要求，计算无人机传输信号的带宽需求，选择合适频率等步骤实施。

3.1 无人机通信系统的功能要求

为完成无人机的主要任务，其通信系统应实现以下功能：

一是对无人机及其机载设备进行远程控制。无人机在飞行过程中，飞行航迹必须从地面进行控制。机载传感器平台的控制，机载设备如干扰设备的激活或解除，也需从地面控制站进行，这些功能的实现均需要从地面到无人机的通信通道，该通道被称为遥控指令上行链路，通常容量较低，一般只需几十至几百千赫兹。

二是监视无人机及其设备的状态。无人机在执行任务过程中，地面控制站要实时地对飞机进行监控，这就需要无人机上的各种状态信息能够及时传回地面，这些信息仅包含了無人机和机载传感器的状态信息以及部分设备的数据，如高度计和惯性测量设备。这些数据从无人机到地面的传输，可以使用低容量的通道进行传输，称此为遥感勘测下行链路。

三是侦察监测数据回传，在线评估。无人机在执行监视、目标搜索、火控或战场损伤评估等任务中，机载合成孔径雷达或光电传感器得到的大量数据或视频信息必须及时地从机上发回到地面控制站，需要速度非常高的传输通道，即电视下行链路。

3.2 无人机传输信号的带宽需求

一定的频谱带宽是确保无人机通信系统功能的保证。从遥控角度分析，无人机起飞和着陆时的控制数据传输速率仅需要几kbps，因为在大多数需要战术机动的场合，从开始遥控到完成机动的时间约为秒级，故遥控指令的速率约为1kb/s量级已足够使用。从侦察监测数据回传角度分析，据计算，为保证一架大型侦察无人机的侦察效果，至少需要传输5路图像信息，按每路压缩后的图像信息需要最低6Mbps传输速率，则一架侦察无人机要求数据信息的传输速率最低为30 Mbps，再根据其在战场上的频谱利用效率，单架无人机系统所需频率带宽一般是60MHz。如果几架无人机同时上空，网所需频率资源同倍数增加。当然，各种无人机由于用途不一，或者使用范围不一，所需频谱带宽有所区别。因此，上述所需带宽只是一种比较典型的情况。

3.3 无人机通信系统频率选择

根据无人机传输信号的带宽需求，各频段电波传播特性以及无人机大小、通信设备的功率、天线尺寸等，就可选择合适的频段。

一是短波频段。该频段主要依靠电离层的反射来实现，能够实现非视线的远距离传播。该频段通信系统的功率以及天线尺寸一般可满足无人机要求。但带宽受限，不能用于电视图像传输，但传输单一、固定的电视画面倒是可行。根据传播特性，该频段无人机部分可用的高频波段一般在2—12MHz内。

二是超短波、微波部分频段（30MHz—1GHz）。该频段可通过低频部分的衍射进行传播，覆盖足够远的距离。然而衍射传播的功率级别非常高以至于在无人机上无法实现，并且天线尺寸非常大。无人机使用该频段较少。

三是微波频段。该频段是无人机通信系统的主要应用频段。比起短波链路，微波数据链路由于具有更高的可用带宽，可允许传输活动视频画面。微波链路带宽高且天线尺寸相对较小。可装在无人机上微波链路主要应用波段较多，如常见的Ku波段、X波段、C波段和L/S波段。微波链路的缺点是视线传播，限制了覆盖距离。而无人机活动半径通常100km到300km，则必须使用空中中继站，该中继器可以是中继飞机，也可以是中继无人机或者中继卫星。

四是卫星通信频段。卫星通信链路一般是以人造地球卫星为中继站的微波数据链路，它主要用于视距之外的远距离传播。凭借卫星通信手段，卫星数据链路能够为无人机提供大范围的数据通信链路覆盖。但是，采用卫星通信链路也受到一定限制，如军用通信卫星的数量、租用民用宽带卫星的成本以及可用性、远距离的链路传输需要的极高增益天线无法在战术无人机上安装。目前宽带卫星数据链路的应用主要限于高空长航时战略无人机，它能保证数据传输的容量和速率，但对于战术无人机，由于尺寸和重量的限制，卫星通信链路今天还不是一个可取的办法。

选定合适的频段后，根据无人机通信系统的功能要求，再结合国家无线电频率划分、战场电磁干扰、保密性要求等情况，就可选择合适的频率。

4 结束语

无机通信系统的频谱使用，涉及因素多，技术含量高，与作战使用结合紧密，规划时必须综合考虑各种因素。实施无人机通信系统的频谱规划，必须作为战略性任务，在总体规划的基础上，确定每一种类型无人机通信系统的频率使用。

【参考文献】

[1]张清理，等.美军无人机的频谱案例研究[M].国家无线电频谱管理研究所，2011，12.

[2]Department of Defense Electromagnetic Spectrum Management Strategic Plan[J].张灿，译.外军电信动态，2007，6.

[3]谈铃，等.海上舰船电磁频谱规划问题[J].火力与指挥控制，2011，7，36.

[责任编辑：杨玉洁]