浅析美军无人机数据链技术与发展趋势

2022-02-06胡玉鹏陈帅管强

无人机 2022年9期

胡玉鹏，陈帅，管强

61255部队

随着人工智能、自主控制、大数据等前沿技术的发展与应用，无人机的运用范围更加广泛，这要求无人机数据链具有更优异的性能。本文阐述无人机数据链技术，重点分析美军无人机数据链的类型、发展现状与趋势。

无人机系统主要包括无人机平台、飞行控制、通信、动力、发射与回收等系统，各个分系统协同工作，保证无人机高效、准确地完成各项任务。作为一种高性能、智能化系统，无人机在侦察、监视、打击、战场毁伤评估、通信中继、测绘、应急救援、巡检、货物运输等军事和民用领域发挥着不可替代的作用，而且应用领域正在不断拓宽。在遂行任务过程中，无人机系统既面临着多径衰落、码间串扰、多用户干扰等来自己方的无意干扰，又面临着敌方干扰机释放的干扰信号等恶意干扰。有效的数据采集、准确的数据传输以及高效的数据融合处理，是无人机系统成功完成任务的基础。因此，无人机数据链技术至关重要。

无人机数据链概述

无人机数据链是任务机与地面控制站之间，任务机与通信中继机、武器系统、其他装备之间，按照约定的通信协议和信息传输方式，实现指令交互、信息传输的无线通信链路。传感器、指挥控制中心、武器之间通过数据链建立了一种实时、高效的信息交互网，以满足体系化作战信息共享的需求。作为无人机系统的信息传输网络，数据链为无人机系统内部、无人机系统与其他作战系统之间搭建了一个实时性信息通信网络，实现战场情报、指挥控制信息、装备协同作战信息的实时分发。无人机与指挥控制中心实现互联互通，是无人机系统融入网络化作战体系的前提条件，数据链在整个作战体系中发挥着重要作用。

地面控制站通过上行链路向实战中的无人机发送遥控指令，以此控制无人机的飞行姿态、飞行速度、飞行航线等；远程遥控无人机将获取的战场情报信息、自身的飞行姿态信息通过下行链路传输给地面控制站，以实现信息反馈。但是，敌方会发送干扰信号，扰乱无人机数据链的正常工作。图1是无人机数据链工作和受到干扰的示意图。

图1 无人机数据链工作和受到干扰的示意图。

美军数据链的类型

根据不同的作战任务，美军无人机数据链可分为测控数据链、指挥控制数据链、侦察监视数据链和协同作战数据链等类型，其用途及典型产品详见表1。

表1 美军无人机数据链的类型及典型产品。

随着时代发展，无人机的作战环境、作战背景、作战任务越发多样，复杂电磁环境的干扰日趋严重，对无人机数据链提出了更高的要求。

美军无人机数据链的发展现状

美军研制了“死神”“全球鹰”等多型无人机系统，在近年爆发的几场高科技局部战争中大放异彩。当前，美军无人机数据链正在向通用数据链体制过渡，主要包括Link 16数据链、Link 22数据链、通用宽带数据链(CDL)、战术数字数据链(TDDL)、战术通用数据链(TCDL)、高完整性数据链(HIDL)。

Link 16 数据链

随着美国三军联合战术信息分发系统(JTIDS)的研究和应用，Link 16数据链应运而生。该数据链的工作频段为UHF频段，是集时隙管理、网络同步、加密数据交互、入退网等功能于一体的战术数据链系统，具有加密性好、实时性高、吞吐量大等优势，适用于无人机数据通信，并能实现陆基、海基、空基平台间的战术信息共享，在协同作战中发挥重要作用。

Link 22数据链

在现有Link 16数据链的战术功能基础上，美军对Link 22数据链进行了改进，旨在取代Link 11数据链。Link22数据链在HF或UHF频段工作，具有抗干扰性强、加密性好、可靠性高等特点，采用时分多址（TDMA）和动态时分多址（DTDMA）两种接入方式，通信网络中的每个节点占用一个微时隙，用于数据传输。在高频定频时数据传输速率为1120 ～4053b/s，在高频跳频时达500 ～2200b/s，在超高频定频时可达到12.667Kb/s，适合无人机数据通信，可实现空中、地面、水面、水下系统间的目标信息传输，实时传输控制命令和预警信息。

通用宽带数据链

无人机获取的大部分信息为图像、视频，这些海量信息对无人机数据链的带宽以及安全性提出了新的要求。为此，美军成功研制了通用宽带数据链。该数据链在X波段或Ku波段工作，未来可能使用Ka波段。无人机通过下行通用宽带数据链将传感器情报传给地面控制站，数据传输速率可以设置为274Mb/s、137Mb/s、21.42Mb/s、10.71Mb/s 等速率；地面控制站通过上行通用宽带数据链，将指令、话音数据、位置信息、导航数据等信息传给空中系统，数据传输速率可达200Kb/s。通用宽带数据链具备加密性好、全双工通信、点对点宽带数据传输等优点，实现了各个节点间的战术情报信息传输。

战术数字数据链

战术数字数据链使用软件定义的无线电技术，通过编程设置调制方式和数据传输速率，便捷可靠，具有加密性高、全双工通信、抗干扰、点对点数据传输等优势，能与战术通用数据链兼容。战术数字数据链的机载设备质量低于6kg，作用距离可达到200km，上行数据传输速率为2Mb/s，下行数据传输速率可达45Mb/s，能在多个频段工作，兼容性高，数据传输速率高、数据吞吐量大。

战术通用数据链

由于通用宽带数据链具有机载设备质量大、价格高等缺点，未能被无人机广泛使用。因此，美军迫切须要一种能与通用宽带数据链兼容，价格便宜，且能传输多种小型无人侦察机数据的数据链。正是这种新需求的牵引，美军开发了战术通用数据链，该数据链也称“鹰链”，在Ku频段工作，可在加密、抗干扰模式下实现全双工、点对点数据通信，能以上行数据传输速率200Kb/s和下行数据传输速率10Mb/s，为无人机与有人机之间、无人机与地面控制站之间提供安全、可互操作宽带数据传输，并能与原有的通用宽带数据链兼容，数据传输速率甚至可达137Mb/s或274Mb/s。

高完整性数据链

高完整性数据链是一种加密、全双工、窄带、抗干扰数据链，应用于舰艇与无人机之间的信息传输，可以帮助操控员控制在舰船上起降的无人机，而且支持无人机向地面控制站传输数据、视频、图像等信息。该数据链可同时控制至少两架无人机，作用距离可达200km，能与通用宽带数据链、战术通用数据链兼容，数据传输速率为3 ～20Mb/s。

美军无人机数据链关键技术分析

美军无人机数据链涉及通信中继、组网、通信天线等关键技术和天线对准与跟踪算法。

通信中继技术

当无人机不在地面控制站的无线电通信覆盖范围内，须要采用通信中继方式来实现与地面控制站之间的通信。按照通信中继设备所处的位置，通信中继方式可以分为地面通信中继和空中通信中继两种方式。地面通信中继设备放置在地面控制站与无人机之间的通信断点上；无人机或者卫星可充当空中通信中继设备。两种通信中继方式相比，空中通信中继的成本较高。

无人机作为空中通信中继设备，优势是移动速度快、机动性高、通信中继信号受空间限制小，但是通信中继无人机的抗毁能力须要加强。相较于通信中继无人机，卫星充当通信中继设备，信号覆盖范围更广，卫星信道性能比较稳定，可用的频带宽，通信容量更大，但成本较高。

自组网技术

许多美军无人机以单机方式执行任务。美军通过地面控制站对无人机单机进行控制，形成一种以地面控制站指挥中心为起点、多架无人机为通信中继平台的星形架构。有关报告称，美军现役无人机仍然由地面控制站控制。地面控制站控制无人机的方案包括两种。

一是地面控制站直接控制一架或者若干架无人机。该方式应用普遍，但是受面曲率以及无人机使用半径的限制。

二是地面控制站通过若干架通信中继无人机，实现对远程无人机的控制以及信息传输。无人机集群采用自组网技术以及多跳通信方法，可以大幅拓展无人机通信信号的覆盖范围。

通信天线技术

全向天线结构和跟踪装置设计比较简单，容易满足各个无人机通信节点高速移动的需求，适应无人机在复杂环境中执行任务，并能保证天线增益的稳定性。定向天线拥有高增益、低旁瓣的方向图特性，具有空间复用率高、传输距离远、传输速率高、隐蔽性能强及可检测性低的优势。通信中继无人机的数据链应该采用全向天线与定向天线相结合的方式，充分发挥二者的优势，增加物理层的性能，进一步提高无人机通信中继网络的性能。

天线对准与跟踪算法

图2 由通信中继无人机、地面控制站构建的超视距通信网络。

天线对准是指发射端与接收端双方天线的主瓣波束相互覆盖对方，以达到最大的天线增益；天线跟踪是指，当接收端的位置在通信过程中发生相对变化时，控制端使用天线跟踪设备与算法，以确保发射端天线始终对准接收端，减小外部干扰以及机间干扰。在通信网络初始化阶段，由于拓扑信息不完整等原因，发射端须要采用全向天线搜索、发现邻近节点的位置以及通信网络的拓扑信息。在全向天线获得通信节点位置信息的基础上，定向天线在小区域进行快速扫描，达到天线对准的效果，获得最大的天线增益。天线对准与跟踪算法加入俯仰角、摇摆角、姿态修正等参数信息，以获得更好的性能，确保通信双方保持天线对准状态。

美军无人机数据链的发展趋势

为满足任务需求，无人机须要在更加广阔的区域完成任务，实时传输大量数据信息，而且应具有信息处理、向远程系统快速传输信息的能力。

安全性高

通信数据的安全性是无人机数据链设计与开发的前提条件。设计与开发不仅要保障无人机数据链将信息安全地传输至地面控制中心，还要防止地面控制中心被监视和打击，以及防止敌方篡改我方无人机与地面控制中心之间的导航信号。除此之外，还须要权衡无人机数据链的安全性与性能。

设备小型化

美军无人机数据链设备正在向小型化方向发展。美国空军“武器数据链结构”计划旨在全力打造小型化16号数据链。美国海军陆战队“先锋”无人机装备“星链”紧凑型数据链设备，“星链”数据链中的无人机机载通信设备重量仅0.23-0.30kg，并能与美国陆军开发的战术通用数据链实现高度兼容。虽然无人机数据链设备的重量正在不断减轻，但数据传输能力须要增强，数据传输的可靠性须要提高，这对无人机数据链的设计与开发提出了更高的要求。美军认为，软件无线电技术可实现无人机数据链设备的小型化。具体方法是，无人机数据链设备应设计成一种通用性、模块化、规范化硬件，而数据链的一些功能尽量通过软件编程来实现，同时射频前端应进行简化，使得模拟数字转换器距离天线较近，方便模拟信号转换为数字信号，便于信号处理，提升各项性能指标。

高速传输性能

随着传感器技术的提高，无人机获取的视频、图像的质量越来越好，无人机数据链传输的数据量也越来越大，而美军对数据传输的实时性要求较高。为了确保信息能够实时、准确地交互，并获取可靠的情报信息，美国相关部门已经要求，图像分辨率应从1280×720像素提升至1920×1080像素，无人机数据链的数据传输速率应达到3 ～6Gb/s。由此可见，美军提高无人机数据链的数据传输速率，无人机系统的性能也随之提升。

网络化通信

目前，无人机系统大多使用点对点数据链路。随着无人机数量的增多，如果无人机都使用点对点通信，这对频谱和带宽的要求会更高。所以美军利用无人机数据链的宽带、数据传输速率高等优势，让部分无人机充当通信网络中的交换机或路由器，形成子网络以传输信息，扩大了无人机数据链的数据传输容量，提高了通信距离以及工作范围。无人机数据链自组网技术是一个重要的研究内容。