无人机系统体系作战频谱管理研究

2023-10-28汪关信程文超梁浩聪陈勇

无人机 2023年6期

汪关信程文超梁浩聪陈勇

无人机以其完全无人驾驶、隐蔽性能好、能有效执行多种特殊军事任务等技术优点，广泛应用于高空侦察、追踪、战场轰炸等。但随着无人机数量的爆炸增长，需要传输的信息也越来越多，信息容量也越来越大，无人机飞行通信所需频谱资源的需求呈现爆发式增长的趋势。无线通信需求的增加会直接导致无线通信频谱的使用率大大上升，而频谱是一种不可再生资源。虽然目前无人机有其固定的通信频段，但受频谱资源短缺的约束，无人机通信必然会受到很大影响。此外，在无人机体系作战中，无人机面临着复杂电磁环境带来严峻考验。近年来，历次信息化战争的实践表明，频率和频谱管理是影响无人机系统发展的重要因素。

无人机系统用频特点

电磁频谱是无人机执行任务的重要支撑，根据无人机系统的用频类型，可将无人机用频部分划分为通信系统、支持系统和电子战系统。其中，通信系统主要为无人机提供指挥控制、数据传输和通信中继；支持系统保障无人机导航定位、目标指示、雷达探测、敌我识别、飞行记录传导等；电子战系统为电子战无人机提供电子干扰、通信对抗和光电对抗支持。

无人机通信系统

通信系统是无人机最为关键的子系统之一，实现在飞行器和地面单元或其他空中设备之间的信息传输，以及随时随地对无人机进行指挥控制，是操控飞行器和成功完成任务的关键。在现有的无人机通信系统中，卫星通信和超短波通信是主要通信手段。美军无人机系统采用通用数据链中，通过直接的点对点链接或使用X/Ku波段卫星通信连接地面站和无人机，可实现0.2-2Mb/s的速率传输上行链路指令和控制数据，并以10-274Mb/s的速率传输下行链路机载传感器数据。以美军的“全球鹰”无人机为例，其通信系统及用频特点十分显著。图1为“全球鹰”系统作战体系各单元之间的通信结构示意图。该型无人机由无人飞行器、发射回收单元和任务控制单元构成。发射接收单元通过X频段、Ku频段、视距VHF、视距UHF以及超视距UHF卫星通信的视距通用数据链对飞行器进行控制；任务控制单元除控制功能外，还负责传感器控制及对其观测数据进行接收与分发，并通过包括GPS和LINK-16在内的诸多手段确保战场念势感知能力。任务控制单元通过窄带视距UHF无线链路和UHF卫星通信链路对无人机进行指挥与控制。视距数据链路Ku频段，卫星通信链路也可以提供指挥与控制信道，无人机观测数据通过视距X频段、Ku频段通用数据链或Ku频段卫星通信链路传给任务控制单元。“全球鹰”无人机及其机载设备用频见表1。

无人机支持系统

无人机支持系统为无人机导航定位、目标指示、敌我识别、飞行记录等功能提供通信和数据传输支持，是实现无人机系统作战能力不可或缺的部分。无人机支持系统需要分配频谱的装备主要包括卫星导航（北斗、GPS等）、合成孔径雷达（SAR）、移动目标指示仪、敌我识别器、遥感探测仪、飞行记录仪、雷达高度计等。不同设备之间在工作频率、占用带宽、工作时间上都有很大不同。“全球鹰”配备的敌我识别器信号频率为1030/1090MHz，LINK-16数据链的频率为960-1215MHz，飞行记录传导系统的频率为1530-1559MHz和2300-2400MHz，雷达高度计为4200-4400MHz。可见，其用频设备多、占用频带宽，在频谱保障上存在较大难度。

无人机电子战系统

电子战无人机除搭载通信和支持系统外，还可使用机载电子对抗设备对敌方电子设备实施软压制。实施干扰的无人机通过装配阻塞式杂波干扰吊舱、噪声干扰/欺骗干扰吊舱等干扰设备和无源干扰设备，干扰敌方电子设备，淹没敌方电子设备企图接收的信号，压制和干扰敌方电子系统或进行电子欺骗。以色列Hermes900基本型无人机有效载荷范围包括X波段（8-12.5GHz）机载和空间系统、30-1200MHz波段机载通信侦察定向探测系统以及30-500GHz空中通信干扰设备。能够有效执行侦察监视、电子干扰能任务。与大型干扰机和地面固定干扰站相比，無人机目标小、机动性好，可以飞抵敌方空域进行抵近干扰，并获得相当的升空增益，以小功率发射机取得更佳的作战效果。

无人机系统的用频特点主要集中在：用频设备多、占用频带宽、频谱需求增长迅速，以及与其他设备存在频率冲突问题。因此，无人机系统的频谱管理和频谱保障影响重大。

无人机系统频谱管理方法

以美军为例，除特定频段内频谱需求大幅增长外，无人机对当前正在使用的频段需求也在持续增长。为满足无人机系统的广泛应用和日益增长的数据传输需要，这些频段中所需的频率数量与带宽都将不断增加。总之，美军将大力发展各种型号、各种功能的无人机，无人机的通信系统、支持系统（雷达、传感器系统等）以及电子战系统也会变得更加复杂多样，对频率需求也会增加。为满足频谱需求，美军将加大频谱管理利用力度，提高频率的共享程度；强化机载传感器数据处理及压缩技术、频谱重复利用和频谱增效等技术。

建立无人机电磁频谱管理体系

无人机系统的电磁频谱管理问题应当纳入国家和军队的电磁频谱管理体系，实施统一规划和管理设计，战区战场指挥部和频谱管理部门应在充分掌握无人机系统性能和频谱需求的基础上，结合电磁频谱作战中心建立频谱管理体系，组织协调频谱管理工作。

利用电磁频谱作战中心监控在作战区域内的电磁频谱域中电磁背景、相关电磁频段的使用和占用情况，构建实时、动态电磁频谱态势图。尤其关注电磁频谱的重点频段、背景噪声的变化、相关频段扩频信号的背景叠加等，并根据战区电磁频谱监控的结果进行评估，为无人机电磁使用方式和状态的转换提供依据。同时，通过构建专门的电磁频谱作战系统或体系，建立战区范围距离（200-300km）电磁预警区域，对10-50km的空中/空天无人目标建立高威胁电磁频谱告警区域。

无人机用频规划前期需要开展广泛研究，评估潜在频谱需求。参考在相应频段国外的频谱规划情况，全面考虑各类无人机的不同机载用频设备和工作方式，确保无人机通信系统业务与其他业务的兼容性。在频谱规划中，应充分考虑未来无人机的用频发展趋势，从用频技术发展角度出发，用频适当朝高频方向倾斜，特别是Ku、Ka卫星固定业务频段，以适应未来大量数据传输的需求。

实施战场电磁频谱管理计划

体系作战中，无人机系统的频谱管理规划应当采用自上而下的方式，从指挥部到各级作战单元进行组织实施，同时结合战场态势和情报信息及时准确地进行频谱管理方案的更新维护。图3是体系作战中制定无人机系统频谱管理计划的流程图。无人机系统频谱管理主要步骤包括：根据战场情报作战方案等进行态势评估，在此基础上，考虑无人机用频特点、频谱管理政策等拟制频谱管理方案，进而确定无人机系统频谱要求，最后综合考虑无人机系统性能、作战指挥方案等制定无人机频谱使用计划。频谱使用计划包括无人机系统的频段分配、使用时间、保護频率、限制频率等内容。

短期长期相互结合

虽然随着科学技术的进步，可以解决无人机系统频谱和带宽可用性相关问题，但根本途径还是需要通过短期调控措施和长期研试方法的共同作用实现频谱可用性。短期措施主要是通过增加无人机频率分配和用好频率管理工具。体系作战中要求作战部队按优先顺序使用电磁频谱资源，并做到以最佳方式全面地保障作战任务。通过研发或改进现有频谱管理工具，进而实现准确、实时和合理地分配电磁频谱资源，提高频谱规划人员自动化实时管理可用频率的能力。例如，美军的SPECTRUM XXI是一种自动化频谱管理工具，用来支持作战计划的制定及无线电频谱的实时管理。它能够适应平时到战时在作战地域、频率分配、地形数据、装备特性和战术制约等方面多样变化的作战行动。

长期方法主要包括改变无人机系统频谱测试流程、采用新技术提高频谱使用率等。针对研制中的无人机系统，在其测试环节中，需要更加注重电磁兼容性测试，并满足作战部队对于无人机系统频率和带宽适应性的要求。针对未来的无人机系统研发，在频率和带宽规划方面应更具前瞻性，使其具备更加灵活的频谱适应能力。随着电磁频谱技术的发展，越来越多的新技术被应用于无人机系统中，激光通信是提高通信带宽和传输效率的一种重要方法，其带宽可以达到射频系统的2-3倍，同时质量减轻30%-50%，并且中断率低、抗干扰性强，但激光通信在应用的成熟度还有待加强。此外，提高无人机通信系统覆盖范围、采用更加高效的数据压缩算法、采用频谱重复利用和频谱增效等方法，对于提高无人机频谱和带宽可用性也都具有重要意义。