無人機通信系統(tǒng)頻譜規(guī)劃問題研究

姜水橋

【摘 要】無人機在未來聯(lián)合作戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。本文介紹了無人機頻譜使用面臨的挑戰(zhàn)，統(tǒng)籌分析了無人機通信系統(tǒng)頻譜規(guī)劃應(yīng)考慮的主要因素，并從明確無人機通信系統(tǒng)的功能要求，計算無人機信號傳輸?shù)膸捫枨?，選擇合適頻率等環(huán)節(jié)論述了無人機通信系統(tǒng)頻率選擇的實施步驟。

【關(guān)鍵詞】無人機；通信系統(tǒng)；頻譜規(guī)劃

0 引言

信息化戰(zhàn)場，無人機以其得天獨厚的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場偵察、空中轉(zhuǎn)信、電子攻擊以及精確打擊等場合。但是，無人機作用的發(fā)揮，很大程度依賴于頻譜保障尤其是通信系統(tǒng)的頻譜保障能力。認(rèn)清無人機頻譜保障面臨的挑戰(zhàn)，分析無人機用頻裝備工作的機理，研究無人機通信系統(tǒng)頻譜的超前規(guī)劃，對于發(fā)揮無人機的作戰(zhàn)效能，加強我軍信息化建設(shè)，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 無人機頻譜使用面臨的挑戰(zhàn)

近年來，隨著無人機在各種場合的大量使用，由頻譜保障所帶來的問題層出不窮。無人機正遭受來自頻譜資源緊缺和傳輸數(shù)據(jù)帶寬不足所造成的嚴(yán)重威脅，對無人機的頻譜使用提出了挑戰(zhàn)。

1.1 頻譜保障能力不足，影響無人機作戰(zhàn)效能

數(shù)據(jù)顯示，單架大型偵察無人機，僅通信系統(tǒng)傳輸一路圖像，至少需要6MHz的頻譜需求，一般需要同時傳輸多路信號，則需要6MHz的多倍。美軍在海灣戰(zhàn)爭中僅“全球鷹”無人機消耗的頻譜帶寬是整個美軍其他用頻裝備的5倍[1]。在我軍有無人機參加的多次演練中，由于頻譜資源保障能力不足而出現(xiàn)問題的事件層出不窮。美軍也受此困擾，伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍雖然有同時操控多架無人機的能力，但是受可用頻率數(shù)量限制通常只能維持其中一架執(zhí)行飛行任務(wù)。頻譜保障能力的不足，嚴(yán)重制約了無人機的作戰(zhàn)效能。

1.2 頻譜規(guī)劃不科學(xué)，影響無人機的發(fā)展與使用

無人機由于頻譜規(guī)劃不科學(xué)，在演練實踐中經(jīng)常暴露一些受周邊電磁環(huán)境的影響較大、多架無人機不能同時工作等問題。這些問題的出現(xiàn)，都與無人機頻率的規(guī)劃不科學(xué)有直接關(guān)系。近幾年，我軍加大了頻譜的統(tǒng)籌規(guī)劃力度。然而，由于缺乏對電磁頻譜資源的總體科學(xué)規(guī)劃，再加上規(guī)劃手段的缺乏、對無人機在體系作戰(zhàn)的定位模糊、頻譜規(guī)劃涉及利益等原因，隨意規(guī)劃無人機頻率的現(xiàn)象仍然存在，無人機的頻譜規(guī)劃與頻譜管理滯后，嚴(yán)重影響我軍無人機的使用和未來發(fā)展。

1.3 頻譜保障受制于人，影響國家軍事安全

為解決各類行動頻譜資源保障緊張的問題，經(jīng)常要實施頻譜征用、頻譜管制等措施。這些措施一方面暫時解決了無人機頻譜保障問題，但同時也給無人機的安全使用帶來隱患。美軍為了解決這一問題，也經(jīng)常采取租用頻譜資源的措施。在阿富汗和伊拉克戰(zhàn)場上使用“捕食者”和“全球鷹”無人機的過程中，國防部所屬衛(wèi)星系統(tǒng)無法提供傳輸數(shù)據(jù)鏈圖像數(shù)據(jù)所需的高速數(shù)據(jù)傳輸，所以需要從商業(yè)衛(wèi)星租用大量的通信通道[2]。嚴(yán)重依賴非軍事資源，伴隨的是將是受制于其它買家競購衛(wèi)星信道資源或私營商拒絕提供服務(wù)的威脅，勢必給敵判斷我作戰(zhàn)方案、作戰(zhàn)行動提供渠道，給軍事安全帶來威脅。

2 無人機通信系統(tǒng)用頻規(guī)劃應(yīng)考慮主要因素

無人機通信系統(tǒng)的用頻規(guī)劃，不僅僅涉及頻率使用的問題，還應(yīng)考慮無人機用途、主要通信裝備、工作方式等諸多方面。

2.1 無人機的用途及類別

無人機通信系統(tǒng)的頻率選擇，必須要考慮無人機的種類以及使用途徑。如微型無人機不能安裝大型天線，不能安裝大型通信設(shè)備；遠(yuǎn)程無人機必須使用遠(yuǎn)程通信設(shè)備才能完成任務(wù)等。不同類型、不同功能用途的無人機上的用頻設(shè)備（包括通信設(shè)備）也不同，其頻率選擇也不盡相同。

無人機可區(qū)分為殺傷性無人機和非殺傷性無人機。殺傷性無人機又可分為軟殺傷和硬殺傷無人機。軟殺傷無人機主要是電子干擾無人機，硬殺傷無人機主要包括反輻射無人機、激光制導(dǎo)武器目標(biāo)指示無人機等。非殺傷性無人機包括偵察、監(jiān)測和情報無人機、炮火校射無人機、戰(zhàn)斗效果評估無人機等。

按照航程的遠(yuǎn)近，無人機可分為近程類、短程類、中程類、高空長航時類。其中，近程類是指航程為50km，續(xù)航時間1小時到6小時，能夠執(zhí)行全天候偵察監(jiān)視任務(wù)；短程類是指航程為300km，續(xù)航時間8小時到12小時，也能夠執(zhí)行全天候偵察監(jiān)視任務(wù)。中程類是指活動半徑為650km，不需要在空中巡邏，用于晝夜偵察、監(jiān)視。高空長航時類是指至少能夠續(xù)航36小時，飛行在9km以上高度，能執(zhí)行全天候偵察、通信中繼任務(wù)，能在強風(fēng)中保持平穩(wěn)。此外，無人機也可按體積與起飛重量分為大型無人機、中型無人機、小型無人機和微型無人機。

2.2 無人機的主要用頻裝備及工作方式

根據(jù)無人機的功能，其用頻裝備主要包括三大類：第一類是通信設(shè)備（遙控和數(shù)傳設(shè)備，或數(shù)據(jù)鏈）。它是無人機用頻設(shè)備的核心，也是頻譜需求最多的設(shè)備，主要完成地面控制指令的傳輸、無人機高速數(shù)據(jù)偵察信息的實時回傳等。第二類是傳感器設(shè)備，主要完成無人機的遙測。第三類是定位系統(tǒng)，用于完成對無人機的高度、地理位置等的定位。除此以外，根據(jù)功能需求，有的無人機還有電子攻擊設(shè)備。

工作方式：一般而言，在起降階段，地面操控人員根據(jù)任務(wù)規(guī)劃和無人機回傳的狀態(tài)信息，采取視距控制、空中中繼和衛(wèi)星中繼等方式，實時發(fā)出遙控指令，控制無人機飛行和遂行任務(wù)的方式；當(dāng)進入任務(wù)飛行狀態(tài)后，按照預(yù)定程序和任務(wù)規(guī)劃，依托衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電高度表等設(shè)備控制航跡，自動遂行作戰(zhàn)或保障任務(wù)；當(dāng)需要無人機偵察的狀態(tài)或監(jiān)視數(shù)據(jù)時，則依托通信系統(tǒng)，將各類數(shù)據(jù)、圖片、視頻等傳輸至控制中心進行處理。毫無疑問，支持無人機系統(tǒng)提供控制飛行器飛行所需的數(shù)據(jù)，以及將來自機載傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到處理中心都需要通信系統(tǒng)提供一定量的帶寬。另外，無人機系統(tǒng)各部分之間傳輸數(shù)據(jù)的能力也取決于通信系統(tǒng)的可用頻率和帶寬，因此，通信系統(tǒng)的頻率管理和帶寬可用性是未來無人機作戰(zhàn)效能發(fā)揮的關(guān)鍵，通信系統(tǒng)的頻譜規(guī)劃問題則成了無人機頻譜規(guī)劃當(dāng)中最值得關(guān)注之處。

2.3 相應(yīng)頻段的頻譜劃分

選擇合適的頻譜資源，必須要考慮國際、國內(nèi)在相應(yīng)頻段的頻譜劃分情況，確保無人機通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)與其他業(yè)務(wù)能夠相互兼容。如美軍的戰(zhàn)術(shù)公共數(shù)據(jù)鏈下行14.40—14.83GHz工作頻段，分配了固定、移動微波系統(tǒng)、便攜式遙測微波系統(tǒng)通信傳輸以及射電天文業(yè)務(wù)[1]。這些業(yè)務(wù)既有軍用業(yè)務(wù)，也有民用業(yè)務(wù)；既有聯(lián)邦用戶，也有非聯(lián)邦用戶；既有地面業(yè)務(wù)，也有空間業(yè)務(wù)。因此，美軍在進行無人機數(shù)據(jù)鏈頻譜規(guī)劃時，必須要考慮這些業(yè)務(wù)與戰(zhàn)術(shù)公共數(shù)據(jù)鏈的共存問題。同時，無人機頻率規(guī)劃還必須考慮有關(guān)國際頻率劃分。如：當(dāng)國際上將某段頻率劃分為全球某種業(yè)務(wù)使用，則無人機必須避免使用該頻段。

3 無人機通信系統(tǒng)的頻率選擇

在統(tǒng)籌考慮無人機通信系統(tǒng)頻譜規(guī)劃相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，規(guī)劃無人機的頻率使用，應(yīng)按照明確無人機通信系統(tǒng)的功能要求，計算無人機傳輸信號的帶寬需求，選擇合適頻率等步驟實施。

3.1 無人機通信系統(tǒng)的功能要求

為完成無人機的主要任務(wù)，其通信系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)以下功能：

一是對無人機及其機載設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制。無人機在飛行過程中，飛行航跡必須從地面進行控制。機載傳感器平臺的控制，機載設(shè)備如干擾設(shè)備的激活或解除，也需從地面控制站進行，這些功能的實現(xiàn)均需要從地面到無人機的通信通道，該通道被稱為遙控指令上行鏈路，通常容量較低，一般只需幾十至幾百千赫茲。

二是監(jiān)視無人機及其設(shè)備的狀態(tài)。無人機在執(zhí)行任務(wù)過程中，地面控制站要實時地對飛機進行監(jiān)控，這就需要無人機上的各種狀態(tài)信息能夠及時傳回地面，這些信息僅包含了無人機和機載傳感器的狀態(tài)信息以及部分設(shè)備的數(shù)據(jù)，如高度計和慣性測量設(shè)備。這些數(shù)據(jù)從無人機到地面的傳輸，可以使用低容量的通道進行傳輸，稱此為遙感勘測下行鏈路。

三是偵察監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳，在線評估。無人機在執(zhí)行監(jiān)視、目標(biāo)搜索、火控或戰(zhàn)場損傷評估等任務(wù)中，機載合成孔徑雷達(dá)或光電傳感器得到的大量數(shù)據(jù)或視頻信息必須及時地從機上發(fā)回到地面控制站，需要速度非常高的傳輸通道，即電視下行鏈路。

3.2 無人機傳輸信號的帶寬需求

一定的頻譜帶寬是確保無人機通信系統(tǒng)功能的保證。從遙控角度分析，無人機起飛和著陸時的控制數(shù)據(jù)傳輸速率僅需要幾kbps，因為在大多數(shù)需要戰(zhàn)術(shù)機動的場合，從開始遙控到完成機動的時間約為秒級，故遙控指令的速率約為1kb/s量級已足夠使用。從偵察監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳角度分析，據(jù)計算，為保證一架大型偵察無人機的偵察效果，至少需要傳輸5路圖像信息，按每路壓縮后的圖像信息需要最低6Mbps傳輸速率，則一架偵察無人機要求數(shù)據(jù)信息的傳輸速率最低為30 Mbps，再根據(jù)其在戰(zhàn)場上的頻譜利用效率，單架無人機系統(tǒng)所需頻率帶寬一般是60MHz。如果幾架無人機同時上空，網(wǎng)所需頻率資源同倍數(shù)增加。當(dāng)然，各種無人機由于用途不一，或者使用范圍不一，所需頻譜帶寬有所區(qū)別。因此，上述所需帶寬只是一種比較典型的情況。

3.3 無人機通信系統(tǒng)頻率選擇

根據(jù)無人機傳輸信號的帶寬需求，各頻段電波傳播特性以及無人機大小、通信設(shè)備的功率、天線尺寸等，就可選擇合適的頻段。

一是短波頻段。該頻段主要依靠電離層的反射來實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)非視線的遠(yuǎn)距離傳播。該頻段通信系統(tǒng)的功率以及天線尺寸一般可滿足無人機要求。但帶寬受限，不能用于電視圖像傳輸，但傳輸單一、固定的電視畫面倒是可行。根據(jù)傳播特性，該頻段無人機部分可用的高頻波段一般在2—12MHz內(nèi)。

二是超短波、微波部分頻段（30MHz—1GHz）。該頻段可通過低頻部分的衍射進行傳播，覆蓋足夠遠(yuǎn)的距離。然而衍射傳播的功率級別非常高以至于在無人機上無法實現(xiàn)，并且天線尺寸非常大。無人機使用該頻段較少。

三是微波頻段。該頻段是無人機通信系統(tǒng)的主要應(yīng)用頻段。比起短波鏈路，微波數(shù)據(jù)鏈路由于具有更高的可用帶寬，可允許傳輸活動視頻畫面。微波鏈路帶寬高且天線尺寸相對較小。可裝在無人機上微波鏈路主要應(yīng)用波段較多，如常見的Ku波段、X波段、C波段和L/S波段。微波鏈路的缺點是視線傳播，限制了覆蓋距離。而無人機活動半徑通常100km到300km，則必須使用空中中繼站，該中繼器可以是中繼飛機，也可以是中繼無人機或者中繼衛(wèi)星。

四是衛(wèi)星通信頻段。衛(wèi)星通信鏈路一般是以人造地球衛(wèi)星為中繼站的微波數(shù)據(jù)鏈路，它主要用于視距之外的遠(yuǎn)距離傳播。憑借衛(wèi)星通信手段，衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路能夠為無人機提供大范圍的數(shù)據(jù)通信鏈路覆蓋。但是，采用衛(wèi)星通信鏈路也受到一定限制，如軍用通信衛(wèi)星的數(shù)量、租用民用寬帶衛(wèi)星的成本以及可用性、遠(yuǎn)距離的鏈路傳輸需要的極高增益天線無法在戰(zhàn)術(shù)無人機上安裝。目前寬帶衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路的應(yīng)用主要限于高空長航時戰(zhàn)略無人機，它能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘亢退俾?，但對于?zhàn)術(shù)無人機，由于尺寸和重量的限制，衛(wèi)星通信鏈路今天還不是一個可取的辦法。

選定合適的頻段后，根據(jù)無人機通信系統(tǒng)的功能要求，再結(jié)合國家無線電頻率劃分、戰(zhàn)場電磁干擾、保密性要求等情況，就可選擇合適的頻率。

4 結(jié)束語

無機通信系統(tǒng)的頻譜使用，涉及因素多，技術(shù)含量高，與作戰(zhàn)使用結(jié)合緊密，規(guī)劃時必須綜合考慮各種因素。實施無人機通信系統(tǒng)的頻譜規(guī)劃，必須作為戰(zhàn)略性任務(wù)，在總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，確定每一種類型無人機通信系統(tǒng)的頻率使用。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]