民用無(wú)人機(jī)多通道數(shù)傳交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李凱 何子驥

摘要：無(wú)人機(jī)在軍事應(yīng)用中具有顯著的特點(diǎn)和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它可以避免戰(zhàn)場(chǎng)人員傷亡；適合長(zhǎng)時(shí)間、大縱深作戰(zhàn)；可實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)動(dòng)性能；使用靈活方便，實(shí)時(shí)性、適應(yīng)性更強(qiáng)。無(wú)人機(jī)可以完成偵察監(jiān)視、電子對(duì)抗、精確打擊、通信中繼、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境探測(cè)等多種任務(wù)，還能與衛(wèi)星、有人機(jī)和地面情報(bào)系統(tǒng)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)情報(bào)資源共享。甚至可以成為空中作戰(zhàn)武器平臺(tái)，支持海、陸、空、天、電五維一體的未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)。它必將成為未來(lái)信息化作戰(zhàn)條件下奪取和保持信息優(yōu)勢(shì)的重要作戰(zhàn)裝備，也必將迅速推動(dòng)未來(lái)作戰(zhàn)樣式、作戰(zhàn)理論的更新和發(fā)展。單架無(wú)人機(jī)單獨(dú)執(zhí)行任務(wù)會(huì)面臨諸多問(wèn)題，而組織多架無(wú)人機(jī)，甚至是多架不同類型的無(wú)人機(jī)攜帶多種傳感器協(xié)同執(zhí)行任務(wù)將成為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上一種重要的作戰(zhàn)方式。多無(wú)人機(jī)能適應(yīng)多種戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用，從而可提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的使用效能。因此無(wú)人機(jī)群協(xié)同作戰(zhàn)對(duì)一站多機(jī)數(shù)據(jù)鏈的需求十分迫切。利用一站多機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，可以完成地面控制站對(duì)多無(wú)人機(jī)中的全部或部分關(guān)鍵任務(wù)無(wú)人機(jī)的跟蹤、測(cè)量與定位；可以實(shí)現(xiàn)地面控制站對(duì)多架無(wú)人機(jī)的遙控、遙測(cè)；可以完成多架無(wú)人機(jī)的編隊(duì)飛行的數(shù)據(jù)共享；可以完成多架無(wú)人機(jī)同時(shí)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。要實(shí)現(xiàn)一站多機(jī)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，多通道基帶技術(shù)是關(guān)鍵，隨著硬件技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)基帶技術(shù)的集成度要求越來(lái)越高，要求在一套設(shè)備上完成對(duì)多個(gè)無(wú)人機(jī)的遙控、遙測(cè)、跟蹤及圖像傳輸，多通道基帶技術(shù)可降低成本，減小設(shè)備體積。

關(guān)鍵詞：民用無(wú)人機(jī)；多通道數(shù)傳；交換系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

引言

無(wú)人機(jī)（UAV）是當(dāng)今世界上軍用武器發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。無(wú)人機(jī)是指無(wú)人駕駛，由無(wú)線電遙控或自身程序控制飛行，能夠重復(fù)使用的飛行器。其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景，使得我們有必要將無(wú)人機(jī)向著小型化、輕量化、便民化的方向研究與發(fā)展。為了完成某些特殊任務(wù)，世界各國(guó)紛紛投入大量人力、物力研制新型無(wú)人機(jī)。在災(zāi)區(qū)和戰(zhàn)場(chǎng)等特殊場(chǎng)合，需要一種能夠快速起降，靈活飛行的多功能無(wú)人機(jī)在去完成救援、監(jiān)控、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，小型多功能無(wú)人機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)則是多功能無(wú)人機(jī)的典型代表。

1無(wú)人機(jī)基本概念

遙控、遙測(cè)、測(cè)距、測(cè)角及圖像信息傳輸四個(gè)部分為無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的基本功能。無(wú)人機(jī)遙控：無(wú)人機(jī)遙控包括對(duì)飛行器系統(tǒng)，任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)及機(jī)載測(cè)控系統(tǒng)的控制，按命令內(nèi)容不同可以分為三類：一類是飛行控制命令，包括飛行連續(xù)命令、飛行開(kāi)關(guān)指令、飛行組合命令，如控制無(wú)人機(jī)的起飛、爬升、開(kāi)傘、回收等動(dòng)作；一類是任務(wù)控制命令，即對(duì)為完成各種任務(wù)而需要在飛機(jī)上裝載的任務(wù)設(shè)備的控制，如控制攝像機(jī)的開(kāi)機(jī)、調(diào)焦、關(guān)機(jī)等動(dòng)作；一類是鏈路控制命令，即對(duì)機(jī)載測(cè)空設(shè)備的控制，如信道頻率、調(diào)制方式、工作方式等控制。無(wú)人機(jī)遙測(cè)：無(wú)人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)包括無(wú)人機(jī)參數(shù)、任務(wù)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)和機(jī)載測(cè)控設(shè)備參數(shù)，地面測(cè)控站接收遙測(cè)數(shù)據(jù)后可實(shí)時(shí)處理并顯示供現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視用，也可事后處理，以提高遙測(cè)精度或供進(jìn)一步分析用。無(wú)人機(jī)測(cè)距：由于擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很好的抗干擾能力，所以偽碼測(cè)距已經(jīng)廣泛用于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈中，擴(kuò)頻碼即可作為測(cè)距碼，又可作為一站多機(jī)的地址碼。無(wú)人機(jī)圖像信息傳輸：圖像偵查信息作為情報(bào)的重要來(lái)源，是下行信號(hào)中唯一的寬帶信號(hào)，當(dāng)無(wú)人機(jī)有偵察數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，下行信號(hào)采用非平衡非平絕對(duì)移相鍵控（UQPSK）調(diào)制體制，I路傳遙測(cè)數(shù)據(jù)，遙測(cè)信息擴(kuò)頻傳輸，Q路傳偵察數(shù)據(jù)，偵察數(shù)據(jù)不擴(kuò)頻。顯然，多無(wú)人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)不同的地址碼進(jìn)行碼分多址傳輸。偵察數(shù)據(jù)不擴(kuò)頻，沒(méi)有相應(yīng)的地址碼，但同時(shí)也需要多址傳輸，所以將數(shù)傳信息采用頻分多址傳輸，不同的無(wú)人機(jī)目標(biāo)，下行信號(hào)采用不同的工作點(diǎn)頻。

2無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)要求

2.1功能指標(biāo)要求

根據(jù)對(duì)該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)工作情況作了需求分析，得出無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的功能要求如下：（1）具有對(duì)無(wú)人機(jī)狀態(tài)和機(jī)載設(shè)備工作狀態(tài)的遙控能力；（2）具有對(duì)無(wú)人機(jī)狀態(tài)和機(jī)載設(shè)備工作狀態(tài)的遙測(cè)能力；（3）具有對(duì)無(wú)人機(jī)載荷數(shù)據(jù)或圖像進(jìn)行傳輸、顯示的能力；（4）具有對(duì)無(wú)人機(jī)遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行顯示和記錄的功能；（5）具備對(duì)機(jī)載設(shè)備的自動(dòng)跟蹤能力；（6）具有對(duì)測(cè)控鏈路的監(jiān)控管理功能（信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)跟蹤情況）；（7）具有與指揮控制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交換的能力；（8）滿足無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)要求。

2.2技術(shù)指標(biāo)要求

（1）作用距離：不小于100km（2）遙測(cè)速率12.8k，數(shù)傳速率2.048M；（3）遙測(cè)接收靈敏度：C/N0=55.5dBHz，誤碼率：10-6（4）數(shù)傳接收靈敏度：C/N0=69.5dBHz，誤碼率：10-5（5）測(cè)距精度：優(yōu)于5m（RMS）（6）信號(hào)捕獲時(shí)間：優(yōu)于0.4s2.3

3測(cè)量體制

測(cè)距方式主要有：純側(cè)音測(cè)距體制、偽隨機(jī)碼測(cè)距體制、音碼混合測(cè)距體制以及信息幀測(cè)距體制等多種。在抗干擾測(cè)控系統(tǒng)中，常采用偽隨機(jī)碼測(cè)距體制，利用上下行擴(kuò)頻偽碼相干轉(zhuǎn)發(fā)可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器與地面站之間的距離測(cè)量。配合抑制載波的BPSK或QPSK信號(hào)調(diào)制。測(cè)距偽碼不僅可用于距離測(cè)量，還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擴(kuò)頻、碼分多址等功能，一舉多得。在國(guó)內(nèi)擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)中，采用了兩種偽碼測(cè)距方式，擴(kuò)頻模式1采用測(cè)距偽碼相干轉(zhuǎn)發(fā)體制，利用碼周期解距離模糊，測(cè)距精度主要取決于偽碼速率和信噪比。擴(kuò)頻模式2采用偽碼非相干測(cè)距方式，利用信息幀解距離模糊，測(cè)距精度主要取決于偽碼速率和信噪比。從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)講，兩種測(cè)距方式精度無(wú)明顯差異。相比來(lái)講，在本系統(tǒng)中，采用偽碼相干轉(zhuǎn)發(fā)體制更容易實(shí)現(xiàn)，不需要地面高精度時(shí)鐘和天地時(shí)間差進(jìn)行測(cè)量，不需要無(wú)人機(jī)載設(shè)備作距離測(cè)量處理并提取各種輔助雙向測(cè)距信息，減輕無(wú)人機(jī)載設(shè)備信號(hào)處理方面的壓力，也不需要對(duì)信息速率、信息幀周期和偽碼周期等作嚴(yán)格限制。本系統(tǒng)采用偽碼相干轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)距體制。在偽碼測(cè)距體制中，一般用偽隨機(jī)碼作為擴(kuò)頻序列，偽隨機(jī)序列具有類似于隨機(jī)序列的性質(zhì)，其結(jié)構(gòu)和形式可以預(yù)先確定，并可重復(fù)的產(chǎn)生和復(fù)制，這樣的偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻碼常用種類有m序列、Gold碼、混沌碼序列等。M序列相關(guān)特性最好，但其數(shù)量最少，可選擇的范圍不大?；煦绱a雖然抗截獲能力強(qiáng)，但其非周期性使的捕獲與同步困難，且需要借助輔助的時(shí)間信息。而平衡Gold碼數(shù)量多，具有調(diào)制特性好，載波抑制度好等特點(diǎn)，被無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)廣泛使用。碼速率和系統(tǒng)所需的擴(kuò)頻處理增益及偽碼測(cè)距分辨力有關(guān)。偽碼的比特率決定著擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬，一般信息速率是已知的，碼速率越高，系統(tǒng)處理增益越大。通常接收機(jī)相關(guān)器輸出的干擾電平降至熱噪聲時(shí)的碼速率稱為最佳碼速率。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)為應(yīng)付各類戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的偵察，監(jiān)視，攻擊等協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)的高質(zhì)量完成，有必要使用無(wú)人機(jī)群作戰(zhàn)。多架無(wú)人機(jī)配合工作，可以對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)多視角觀察，提高反輻射攻擊命中率和增大導(dǎo)彈攔截能力。如果一臺(tái)地面戰(zhàn)僅控制一架無(wú)人機(jī)，那么，無(wú)人機(jī)群作戰(zhàn)需要多臺(tái)地面戰(zhàn)控制，一站多機(jī)的無(wú)人機(jī)測(cè)控與信息傳輸系統(tǒng)，可以極大地提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)作戰(zhàn)的靈活性，提高測(cè)控系統(tǒng)的使用效率。一站多機(jī)系統(tǒng)不管采用頻分還是碼分，都需要中頻基帶處理系統(tǒng)具有多通道處理能力，多通道地面基帶可以大大減小設(shè)備量，為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化、便攜式提供硬件基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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