一種功能分層的無人機測控鏈路互聯(lián)互通設(shè)計方法

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

隨著無人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展及其在戰(zhàn)場上的普及應(yīng)用，各軍兵種、功能各異的不同類型的無人機系統(tǒng)協(xié)同問題日益突顯，美軍發(fā)布的多版無人系統(tǒng)發(fā)展路線圖都指出提升無人機系統(tǒng)的互操作性是解決以上問題的關(guān)鍵。美軍情報、監(jiān)視與偵察(Intelligence,Surveillance and Reconnaissance,ISR)寬帶數(shù)據(jù)鏈[1-3](國內(nèi)也稱為無人機測控與信息傳輸數(shù)據(jù)鏈，簡稱無人機測控鏈路)互連互通的能力是實現(xiàn)無人機系統(tǒng)互操作的前提，而測控鏈路的互聯(lián)互通內(nèi)涵為地面終端可接收來自不同廠家機載終端的任務(wù)、輔助和鏈路管理數(shù)據(jù)，機載終端可接收來自不同廠家地面終端的命令、控制和鏈路管理數(shù)據(jù)。

國外無人機領(lǐng)域起步較早，也經(jīng)歷了無人機數(shù)據(jù)鏈種類繁多、不能互聯(lián)互通的過程。隨著無人機在各個領(lǐng)域的大量應(yīng)用，各國都認識到數(shù)據(jù)鏈標準化的重要性。為此，美國于2002年11月發(fā)布了北約圖像系統(tǒng)互操作數(shù)據(jù)鏈標準STANAG 7085[4-5]的第一版，2004年發(fā)布了第二版。美國和北約國家的新型無人機數(shù)據(jù)鏈均向北約STANAG 7085標準統(tǒng)一，用于實現(xiàn)各種無人機系統(tǒng)甚至有人機與無人機之間的互聯(lián)互通互操作。各廠家都遵循STANAG 7085標準進行設(shè)備研制，還可實現(xiàn)不同廠家的設(shè)備互聯(lián)互通，其中美國的TCDL數(shù)據(jù)鏈就是符合7085標準的數(shù)據(jù)鏈之一，已在美國各型無人機以及與無人機協(xié)同的有人機中廣泛使用。

國內(nèi)在無人機領(lǐng)域起步相對較晚，但隨著近20年無人機領(lǐng)域的大力發(fā)展，也研制出大量適用于不同應(yīng)用方向的無人機系統(tǒng)，并配套研制了多種無人機測控鏈路設(shè)備，滿足了各種無人機系統(tǒng)對控制及ISR信息傳輸?shù)男枨?。隨著無人機應(yīng)用范圍拓展，伴隨而來不同功能的無人機型號的日益繁多，無人機測控鏈路的互連互通的能力越來越受到重視。雖然國內(nèi)陸續(xù)制定了一系列無人機測控鏈路相關(guān)的標準和規(guī)范[6]，但主要是一些基本功能、指標的常規(guī)性的要求，不足以清晰地描述無人機測控鏈路為實現(xiàn)互聯(lián)互通所需的設(shè)計指導和約束。因此國內(nèi)大部分無人機測控鏈路仍然是與無人機型號匹配的一型一鏈配置，不具備一鏈多型無人機或不同廠家鏈路設(shè)備互聯(lián)互通能力。

本文通過對按功能分層建立的無人機測控鏈路抽象架構(gòu)影響鏈路互聯(lián)互通的要素分析，結(jié)合我國無人機測控鏈路的實際情況，提出了一種適用于不同型號無人機測控鏈路的互聯(lián)互通的設(shè)計方法。

2 無人機測控鏈路分層抽象模型

參考OSI開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型，采用功能分層概念建立測控鏈路的抽象模型[7]如圖1所示。測控鏈路分層模型包含應(yīng)用層、格式層、鏈路層、物理層4層，各層都涉及傳輸特性、管理活動和協(xié)議、數(shù)據(jù)流的組織等功能特性。

圖1 鏈路4層模型Fig.1 The model of four-layer link

測控鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)從功能上劃分為三大類數(shù)據(jù),即傳感器數(shù)據(jù)(含輔助數(shù)據(jù)，包括實時的傳感器數(shù)據(jù)和保存在記錄器的非實時的傳感器數(shù)據(jù))、管理數(shù)據(jù)(包括平臺、傳感器的控制管理類指令消息)和鏈路控制數(shù)據(jù)。這3類數(shù)據(jù)通過抽象分層功能模型與物理模型間有一定的對應(yīng)關(guān)系，圖2顯示了下行空地鏈路的分層模型和物理模型之間的對應(yīng)關(guān)系，同樣適用于上行地空鏈路，但數(shù)據(jù)流方向相反。為實現(xiàn)互聯(lián)互通，機載終端和地面終端的相應(yīng)層級需要匹配，如格式層對同種類型數(shù)據(jù)格式封裝匹配，鏈路層對格式層適配后的數(shù)據(jù)復接和解復接(組幀和解幀)匹配、鏈路層的鏈路管理數(shù)據(jù)的請求和響應(yīng)匹配(空地無線鏈路建立、維持、優(yōu)化和拆除)，物理層波形及傳輸參數(shù)配置匹配等，以確保相互通信。

圖2 空地鏈路的數(shù)據(jù)流和功能模型的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 The corresponding relationship between data stream and functional model of air-ground link

功能模型各層級對互聯(lián)互通影響要素如表1所示。

表1 功能模型中各層級對互聯(lián)互通影響要素Tab.1 Interconnection influence factors of each layer in functional model

通過表1可知，應(yīng)用層對外物理電氣接口及通信協(xié)議與無人機平臺直接相關(guān)，通常由平臺專有接口規(guī)范進行規(guī)定；格式層中的用戶數(shù)據(jù)格式可采用透明傳輸，不影響互聯(lián)互通。但因為不同鏈路體制其鏈路管理流程不同，需要對鏈路管理信息及報文格式中參數(shù)的格式及范圍進行統(tǒng)一設(shè)計：物理層需要約定好空地鏈路通信波形以及傳輸參數(shù)可實現(xiàn)無線信號調(diào)制解調(diào)；鏈路層作為消息處理及鏈路管理活動的功能實體是影響鏈路互通互通的關(guān)鍵層級，需要設(shè)計格式化的鏈路管理參數(shù)與透明傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)按需復接為無線傳輸幀。

根據(jù)上述分析，只需將各層級中影響互聯(lián)互通的因素轉(zhuǎn)化為測控鏈路端機對外接口、傳輸波形及通信參數(shù)、無線傳輸幀格式及信息/報文格式、鏈路管理流程等方面設(shè)計約束，即可實現(xiàn)不同型號無人機測控鏈路的互聯(lián)互通。

3 無人機測控鏈路連通性設(shè)計

3.1 端機對外接口

端機對外接口與鏈路外部接入設(shè)備有關(guān)，包括與傳感器、記錄設(shè)備、平臺(地面指控站、機載平臺管理設(shè)備、任務(wù)管理設(shè)備等)、鏈路管理設(shè)備等的接口。

由于測控鏈路端機對外接口中傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)內(nèi)容采用透明傳輸，不影響互聯(lián)互通；而端機實體的接口形式、協(xié)議通常由型號專用接口規(guī)范進行規(guī)定，不影響作為配套的測控鏈路端機之間的互聯(lián)互通。本文僅對端機對外接口中必要的約束要素進行描述，如表 2所示。

表2 端機對外接口要素Tab.2 External interface factors of terminal machines

3.2 傳輸波形及通信參數(shù)

傳輸波形及通信參數(shù)的匹配保證空地通信各方以同一方式了解參數(shù)的定義和取值范圍，是機載端機和地面端機連通性的基本保證。傳輸波形是鏈路連通性主要影響因素；通信參數(shù)中除工作頻率、頻點步進外，其余參數(shù)只是反應(yīng)端機自身性能的優(yōu)劣，而不會影響空地連通性。而傳輸波形的連通性設(shè)計，必須完整描述發(fā)端各波形要素的詳細參數(shù)。

3.3 無線傳輸幀格式

無線傳輸幀是按一定規(guī)則約定實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和鏈路控制數(shù)據(jù)等的封裝，主要包括格式層對各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分段/重組和適配，并按照數(shù)據(jù)來源將用戶數(shù)據(jù)封裝后進行透明傳輸，以及鏈路層將格式層適配后的數(shù)據(jù)進行復接和解復接操作。無線傳輸幀組幀流程如圖3所示。

圖3 無線傳輸幀復接原理框圖Fig.3 The functional block diagram of wireless transmission frame rejoin

無線傳輸幀的解幀(解復接)即是組幀(復接)逆過程，組幀及解幀操作流程程序不會對互操作性造成影響，但對無線傳輸幀格式理解不一致將導致鏈路不能互聯(lián)互通。

目前，國軍標GJB 7102-2010所定義的無線傳輸幀格式在適應(yīng)多類型用戶數(shù)據(jù)包和較長的用戶數(shù)據(jù)包方面存在較大的局限性：子幀總長度過短，數(shù)據(jù)區(qū)有效長度受限，三類控制數(shù)據(jù)往往不能同幀發(fā)送；采用多子幀發(fā)送時，傳輸效率低且低優(yōu)先級數(shù)據(jù)延時大；往往不能滿足不同型號無人機用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。在單包用戶?shù)據(jù)大于數(shù)據(jù)區(qū)長度時，除定制重設(shè)幀結(jié)構(gòu)，只有將用戶數(shù)據(jù)分包多幀傳輸，而幀結(jié)構(gòu)中缺乏分包連接標志(或復接表)，沒有顯性分割/重組規(guī)則，直接影響鏈路互操作性。

針對現(xiàn)有國軍標對無線傳輸幀格式定義的局限，筆者通過對功能模型中各層級對互聯(lián)互通影響要素的分析，設(shè)計了一種具有較高通用性的實用無線傳輸幀格式。該無線傳輸幀通?？煞譃閳箢^和有效數(shù)據(jù)兩個字段:報頭包括幀頭(幀同步字)、幀標識、地址、分包連接標志(復接表)、密管信息、幀計數(shù)、幀校驗等信息；有效數(shù)據(jù)可包括多個數(shù)據(jù)子區(qū)，分別封裝不同類型的數(shù)據(jù)(含鏈路管理數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等)，分區(qū)的類型和長度由報頭中分包連接標志進行定義。

采用動態(tài)復接幀技術(shù)的實用無線傳輸幀復接時，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)類型的多少和數(shù)據(jù)包長度生成對應(yīng)的數(shù)據(jù)子區(qū)，并將數(shù)據(jù)子區(qū)的類型和數(shù)據(jù)子區(qū)有效數(shù)據(jù)長度填入復接表，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)按需傳輸；接收端根據(jù)分包連接標志中的數(shù)據(jù)類型和長度信息，即可完成對無線傳輸幀中各類數(shù)據(jù)的解析、處理和分發(fā)。

實用無線傳輸幀具有的按需傳輸特性，對不同型號無人機平臺差異極大的用戶數(shù)據(jù)包類型和數(shù)據(jù)包長度需求，具有良好的適應(yīng)性；無線傳輸幀中對用戶數(shù)據(jù)包的顯性分割/重組規(guī)則定義，使遵循該規(guī)則的無人機測控鏈路具有良好的互聯(lián)互通性能。

實用無線傳輸幀結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 實用無線傳輸幀結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of practical wireless transmission frame

無線傳輸幀結(jié)構(gòu)中不同參數(shù)對鏈路的連通性影響程度有所不同，分別就“幀起始信息”字段和“數(shù)據(jù)區(qū)”字段內(nèi)容進行描述，如表3所述。

表3 實用無線傳輸幀結(jié)構(gòu)中不同參數(shù)對連通性影響Tab.3 Influences of different parameters on connection in practical wireless transmission frames

3.4 鏈路管理參數(shù)格式

在無線傳輸幀的各種消息/報文中，位于數(shù)據(jù)子區(qū)的鏈路管理數(shù)據(jù)最大程度地影響空地端機間互操作性，必須要進行詳細進行定義。鏈路管理數(shù)據(jù)主要包括波形、頻率、帶寬和功率等必須的鏈路操作指令，以及用于鏈路建立和維護的注入指令(如地面站位置數(shù)據(jù)等)。各種鏈路管理數(shù)據(jù)功能劃分以及對鏈路連通性影響如表4所示。

表4 鏈路管理參數(shù)對連通性影響Tab.4 Influences of link manage parameters on connection

鏈路管理數(shù)據(jù)參數(shù)格式如圖5所示。圖5中鏈路管理數(shù)據(jù)參數(shù)中控制指令類型和控制指令子類型復用1個字節(jié)表示，圖中左上角的“7”代表最高bit位，右上角的“0”代表最低bit位。

圖5 鏈路管理數(shù)據(jù)參數(shù)格式Fig.5 The parameter format of link management data

3.5 鏈路管理流程

鏈路管理的目的是在環(huán)境限制和作戰(zhàn)任務(wù)限制條件下使鏈路運行最優(yōu)化，其實現(xiàn)途徑就是通過各種鏈路管理活動，包括:評估電磁環(huán)境，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)，控制數(shù)據(jù)流量，根據(jù)預先計劃或依據(jù)動態(tài)協(xié)商結(jié)果向鏈路終端分配資源，等。

鏈路管理流程分為機載終端部分和地面終端部分，負責規(guī)定必須的鏈路操作，包括對波形、頻率、帶寬和功率等的控制。鏈路管理功能一般由地面終端發(fā)起，機載終端可請求改變鏈路參數(shù)，但需地面終端確定是否改變和何時改變。

鏈路管理的特定活動通常體現(xiàn)為某種在某個終端被調(diào)用，用于建立或維持鏈路的程序。如果該程序?qū)ゲ僮餍栽斐捎绊懀仨殞@些特殊程序進行規(guī)定；如果該程序不會對互操作性造成影響，就不需要進行約束。影響測控鏈路連通性的主要鏈路管理操作因素如表5所示。

表5 影響測控鏈路連通性的主要鏈路管理操作因素Tab.5 Primary factors of link management and operation influencing TT&C link connection

下面以無線資源控制中端機初始化流程和頻譜感知及自適應(yīng)規(guī)避流程進行說明。

3.5.1 端機初始化流程約束

初始化上電后，數(shù)據(jù)鏈機載終端和地面終端分別調(diào)用自己的初始化程序?qū)?shù)進行配置，初始化程序本身不會影響連通性，但如果配置導致鏈路機地參數(shù)的不匹配，將直接影響到機載、地面端機的不能連通。對此，端機初始化流程活動必須約束的參數(shù)包括射頻信號的初始傳輸波形；射頻信號的初始工作頻率(波道)；機載端機、地面端機的ID號；數(shù)據(jù)加密配置；使用特殊天線方向圖，如采用全向天線，用于初始信號的獲取和提取機載慣導數(shù)據(jù)輔助定向天線指向。

3.5.2 頻譜感知及自適應(yīng)規(guī)避流程

頻譜感知[8-9]及自適應(yīng)規(guī)避流程是機載端機或地面端機根據(jù)接收端對電磁環(huán)境分析，結(jié)合對接收端正常業(yè)務(wù)接收質(zhì)量評估，調(diào)用的端機內(nèi)部自適應(yīng)規(guī)避程序進行的無線資源控制操作。該程序分為多個步驟，在端機內(nèi)部運行的步驟不會影響互操作，但當存在需要與另一方協(xié)調(diào)的步驟，直接影響連通性。

以地面端機接收頻譜感知及自適應(yīng)規(guī)避流程為例進行說明。地面端機該流程由端機內(nèi)部協(xié)議管理設(shè)備發(fā)起，流程示意圖如圖6所示，其工作流程如下：

(1)協(xié)議管理設(shè)備向頻譜感知設(shè)備發(fā)送流程起始信息。

(2)頻譜感知設(shè)備控制信道設(shè)備分段對整個工作頻段進行頻譜感知，信道設(shè)備響應(yīng)并回報控制到位信息。重復這兩步，直至整個工作頻段分析完成。

(3)協(xié)議管理設(shè)備中頻譜分析模塊接收頻譜感知設(shè)備輸出的分段頻譜感知信息，生成工作頻帶頻譜分析結(jié)果至自適應(yīng)規(guī)避策略模塊。

(4)自適應(yīng)規(guī)避策略模塊結(jié)合頻譜分析結(jié)果以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接收質(zhì)量評估，制定下行接收工作頻率調(diào)整參數(shù)，生成上行頻率控制傳輸幀，并調(diào)整地面端機接收工作頻率，同時將控制結(jié)果告知操作席位。

(5)通過上行鏈路通報機載端機，機載端機接收并響應(yīng)下行工作頻率控制，直至下行鏈路重新鎖定，本次流程完成。

圖6 頻譜感知及自適應(yīng)規(guī)避流程示意圖Fig.6 Flow chart of frequency spectrum sensing and automatic adaptation and elusion

圖6所示流程中，①～⑤都只是地面端機內(nèi)部為實現(xiàn)頻譜感知及自適應(yīng)規(guī)避功能采用的算法或策略，僅僅反應(yīng)地面端機自身性能的優(yōu)劣，不影響機載、地面連通性，不必反映在無線傳輸幀的鏈路管控參數(shù)中；而⑥和⑦表示鏈路自適應(yīng)規(guī)避流程中對機載端機和地面端機的工作頻率調(diào)整操作，就必須以頻率控制指令形式反映在無線傳輸幀的鏈路管控參數(shù)中，且需明確定義參數(shù)表達方式、范圍和精度，使機、地端機對該指令格式達成一致的理解，才能實現(xiàn)機載端機和地面端機互連。

4 結(jié)束語

隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，當前大部分無人機測控端機設(shè)備均具備通過加載相應(yīng)功能軟件模塊實現(xiàn)功能變更，而本文提出的基于功能分層的無人機測控鏈路互聯(lián)互通設(shè)計方法，在不涉及產(chǎn)品具體形態(tài)和實現(xiàn)方式前提下，通過約束通信信息幀格式、物理波形和通信參數(shù)等即可實現(xiàn)不同廠家測控鏈路設(shè)備互聯(lián)互通，為我國現(xiàn)役的各型無人機鏈路改造及后續(xù)新型無人機鏈路通用化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

采用該方法研制的通用化無人機測控鏈路，利用分包連接標志按需復接的無線傳輸幀，兼容適應(yīng)用戶數(shù)據(jù)包類型和長度差異很大的不同型號無人機平臺對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅邆洹耙绘湺嘈汀边m應(yīng)能力，解決了不同廠家、不同型號無人機系統(tǒng)“一型一鏈”配置的問題，目前已投入實際應(yīng)用。后續(xù)將在本文設(shè)計的無線傳輸幀基礎(chǔ)上，進一步細化形成鏈路協(xié)議規(guī)范，可支持該型通用化測控鏈路與遵循該協(xié)議規(guī)范約束的其他廠家機載或地面端機互聯(lián)互通，大幅降低用戶單位采購、維護和使用成本，減少用戶單位對操作使用人員的培訓難度和周期，降低整個生命周期內(nèi)的使用成本，因而具有極其重要的應(yīng)用價值。