無線激光通信在海上大型無人機(jī)中的應(yīng)用

2021-06-22 07:55:00劉錫國毛忠陽徐建武王紅波

光通信研究 2021年3期

劉錫國，劉敏，毛忠陽，胡昊，徐建武，王紅波

(1.海軍航空大學(xué) a. 信號(hào)與信息處理山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b. 航空通信教研室，山東煙臺(tái) 264001；2.海軍91599部隊(duì)，山東煙臺(tái) 265200)

0 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，無人機(jī)在軍事領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。近年來的幾場局部戰(zhàn)爭中，無人機(jī)的應(yīng)用更加體現(xiàn)出其優(yōu)勢和重要性?，F(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)提出了更高的要求，無人機(jī)通信鏈路是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控和任務(wù)載荷的必備條件。傳統(tǒng)的無人機(jī)測控和數(shù)據(jù)鏈路都是基于無線電射頻技術(shù)的，隨著無線激光通信技術(shù)和相關(guān)器件的發(fā)展，無線激光通信技術(shù)逐漸應(yīng)用到了無人機(jī)系統(tǒng)中[1-3]。

海上大型無人機(jī)主要用于海洋勘探、應(yīng)急救生、維和護(hù)航以及查證識(shí)別和偵察巡邏等軍事及特殊應(yīng)用領(lǐng)域，因此無線光通信技術(shù)在海上大型無人機(jī)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文分析了機(jī)載無線激光通信技術(shù)及實(shí)驗(yàn)的發(fā)展和趨勢，描述了潛在應(yīng)用場景并對(duì)其通信需求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合無線激光通信的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其在海上大型無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)展開了分析，為進(jìn)一步推廣無線激光通信手段在海上大型無人機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供支持。

1 機(jī)載無線激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

無線激光通信又稱自由空間光通信(Free Space Optical，F(xiàn)SO)，是指利用激光作為信息載體，通過大氣信道傳輸信息的技術(shù)[4-7]，具有速率高、保密性好和抗電磁干擾等特點(diǎn)。作為無線激光通信應(yīng)用的一個(gè)重要方向，機(jī)載激光通信自上世紀(jì)70年代起就受到了世界各國的普遍重視。國內(nèi)外開展了一系列基于各型機(jī)載平臺(tái)的無線激光通信研究和實(shí)驗(yàn)，其中也包括了部分無人機(jī)平臺(tái)測試和研究。

上世紀(jì)70～90年代，美國首先利用KC-135等有人機(jī)載平臺(tái)開展了一系列實(shí)驗(yàn)[4-7]，實(shí)現(xiàn)了最遠(yuǎn)距離為160 km以及最高速率為1 Gbit/s的機(jī)載空-地和空-空激光通信實(shí)驗(yàn)。在接下來的20多年里，美、德和法等國家分別開展了無人機(jī)低速單向地-空激光通信[8]以及遠(yuǎn)距離有人/無人機(jī)對(duì)地高速激光通信[9-11]；近10年來，美國和法國等國家開展了Gbit/s量級(jí)的高速率無人機(jī)對(duì)衛(wèi)星和對(duì)地?zé)o線激光通信[1]，并開展了基于高空大型無人機(jī)的民用無線光通信組網(wǎng)研究[12-13]。

在國內(nèi)，長春理工大學(xué)于2013年完成了兩架軍用運(yùn)輸機(jī)之間的大氣激光通信測試試驗(yàn)；中電34所研制了小型無人機(jī)對(duì)地激光通信樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)[14-16]；海軍航空大學(xué)開展了機(jī)載藍(lán)綠激光通信信道特性研究及調(diào)制解調(diào)新方法研究[17-19]，參與了某地海上機(jī)載藍(lán)綠激光通信實(shí)驗(yàn)并組織進(jìn)行了無線光通信海上實(shí)驗(yàn)。此外，還有多家單位針對(duì)機(jī)載無線激光通信的理論和關(guān)鍵技術(shù)開展了研究[20-21]。

綜上所述，國外對(duì)機(jī)載無線激光通信的研究和實(shí)驗(yàn)起步較早，在理論研究、試驗(yàn)驗(yàn)證及工程化方面更為成熟，研究的重點(diǎn)和趨勢主要在提高通信距離、通信速率、連通率、可靠性以及工程實(shí)現(xiàn)等方面。機(jī)載無線激光通信主要為軍事應(yīng)用，民用較少，在無人機(jī)上也有一定的嘗試，但是實(shí)際應(yīng)用不多。相比國外，國內(nèi)對(duì)機(jī)載激光通信研究和實(shí)現(xiàn)方面有一定的差距，特別是在大型無人機(jī)上的應(yīng)用，理論研究和工程實(shí)踐較少，整體水平也低于國外。

2 海上大型無人機(jī)大氣激光通信應(yīng)用場景設(shè)想及需求分析

能在海上執(zhí)行任務(wù)的無人機(jī)通常為軍用中大型長航時(shí)無人機(jī)或大型海上艦艇或作業(yè)平臺(tái)上的專用無人機(jī)。隨著特種無人機(jī)平臺(tái)的發(fā)展，也出現(xiàn)了多種艦基平臺(tái)小型或微型編隊(duì)無人機(jī)。海上大型無人機(jī)主要執(zhí)行海上搜救、中繼等應(yīng)急任務(wù)和維和、護(hù)航以及特殊時(shí)期的軍事作戰(zhàn)任務(wù)，圖1所示為無人機(jī)在?？諔?zhàn)場聯(lián)合作戰(zhàn)背景下的任務(wù)場景態(tài)勢假想圖。以海空戰(zhàn)場聯(lián)合軍事作戰(zhàn)為背景，海上大型無人機(jī)利用無線激光通信手段構(gòu)建大容量、高速率、遠(yuǎn)距離和低時(shí)延通信鏈路，相比于短波、超短波和微波等無線鏈路，在遠(yuǎn)距離偵查巡邏實(shí)時(shí)圖像回傳、戰(zhàn)損查證識(shí)別與評(píng)估、對(duì)空對(duì)海中繼通信節(jié)點(diǎn)和編隊(duì)內(nèi)部組網(wǎng)等場景下具有實(shí)際意義，將發(fā)揮重要作用。圖中包含了基于無線激光通信鏈路的偵查無人機(jī)偵查巡邏數(shù)據(jù)回傳、無人機(jī)通信中繼、多無人機(jī)編隊(duì)組網(wǎng)、無人機(jī)與作戰(zhàn)飛機(jī)、艦艇編隊(duì)混合組網(wǎng)和無人機(jī)對(duì)潛通信等多個(gè)應(yīng)用場景設(shè)想。

圖1 ?？諔?zhàn)場聯(lián)合作戰(zhàn)通信態(tài)勢假想圖

由圖1可知，海上大型無人機(jī)任務(wù)類型和任務(wù)場景設(shè)想主要有以下幾個(gè)：

(1) 無人機(jī)海上偵察巡邏

在岸?？章?lián)合作戰(zhàn)時(shí)，海上大型偵查無人機(jī)通常以岸基指揮所和陣地為基地，在特定海域上空承擔(dān)海上偵察巡邏、跟蹤監(jiān)視和毀傷評(píng)估等任務(wù)，此時(shí)，一般有我方水面艦艇或預(yù)警機(jī)在視距范圍內(nèi)。地面、空中或艦載平臺(tái)控制端與無人機(jī)的直線距離不超過350 km，無人機(jī)與控制端保持視距控制鏈路與數(shù)傳鏈路，其偵察、識(shí)別的實(shí)時(shí)圖像將通過數(shù)據(jù)鏈路回傳到控制端，而后經(jīng)控制端所在平臺(tái)中繼或處理后傳送至指揮所。

此場景下，典型的無人機(jī)測控鏈路和數(shù)據(jù)鏈路為微波鏈路，將面對(duì)敵方無線電偵察、截獲和干擾威脅，且微波鏈路速率受限，在保證無人機(jī)測控鏈路有足夠鏈路余量的前提下，光電偵察視頻數(shù)據(jù)壓縮率高、分辨率低和回傳質(zhì)量差，在一定程度上影響了各級(jí)指揮所的態(tài)勢研判和決策。

對(duì)此，可采用無線激光通信鏈路代替微波鏈路，或與現(xiàn)有微波鏈路互補(bǔ)使用。若按照通信速率1 Gbit/s、距離350 km設(shè)計(jì)大氣激光通信系統(tǒng)，無人機(jī)及地面(艦艇、空中平臺(tái))各安裝一臺(tái)具有捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)(Acquisition Tracking and Pointing, ATP)功能的小型無線激光光端機(jī)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，可滿足現(xiàn)有需求。

該場景應(yīng)用難點(diǎn)在于保證無線激光鏈路100%可通率。現(xiàn)有條件下，激光受海上云層、霧、霾和氣溶膠等影響，鏈路光功率衰減大、接收信噪比低，以及平臺(tái)抖動(dòng)、鏈路散射和折射導(dǎo)致的光束漂移將嚴(yán)重影響鏈路可通率。解決方法是提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量、采用高靈敏度接收模塊、采用先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)和編碼方法以及采用光/微波混合鏈路[22-24]等。

(2) 無人機(jī)空中中繼通信

海上大型無人機(jī)可通過加載通信中繼載荷作為空中中繼節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)無線激光中繼通信，保證視距范圍內(nèi)地面指揮所、機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)單元、海上艦艇編隊(duì)以及大型特種任務(wù)飛機(jī)、艦載戰(zhàn)斗機(jī)和其他任務(wù)無人機(jī)編隊(duì)等信息傳輸，提高通信覆蓋范圍和可靠性。

此場景下，根據(jù)中繼對(duì)象和承載業(yè)務(wù)的不同，無人機(jī)將作為通信中繼網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)或轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。受限于紅外激光的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸特性，一般需要配置多個(gè)光端機(jī)或具有多發(fā)多收功能的光端機(jī)，分別與不同中繼對(duì)象建立通信鏈路，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信。光端機(jī)的參數(shù)指標(biāo)需要針對(duì)實(shí)際需求確定。

典型的應(yīng)用是非視距鏈路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)中繼，例如海上艦艇編隊(duì)與岸基指揮所通過空中無人機(jī)實(shí)現(xiàn)高速率非視距無線激光通信鏈路中繼，以及岸基指揮所通過空中無人機(jī)無線激光通信混合鏈路中繼實(shí)現(xiàn)350 km以外空中及海上平臺(tái)的高速數(shù)據(jù)通信。該應(yīng)用場景下，系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)在于機(jī)載光端機(jī)的小型化和自動(dòng)跟蹤對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)以及可調(diào)速率糾錯(cuò)編碼算法的實(shí)現(xiàn)。

(3) 無人機(jī)無線激光編隊(duì)通信

由大量小型或微型無人機(jī)構(gòu)成無人機(jī)群實(shí)現(xiàn)“蜂群”作戰(zhàn)是無人機(jī)作戰(zhàn)的新模式，此時(shí)無人機(jī)群存在外部通信和內(nèi)部組網(wǎng)通信，外部通信主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)群的指揮和控制，內(nèi)部組網(wǎng)通信主要是實(shí)現(xiàn)內(nèi)部組網(wǎng)和信息傳輸，關(guān)于蜂群無人機(jī)的無線電組網(wǎng)通信有大量文獻(xiàn)研究，這里不再贅述。無線激光通信具有極好的抗干擾和隱蔽特性，因此可采用無線激光通信技術(shù)替代無線電實(shí)現(xiàn)無人機(jī)編隊(duì)的組網(wǎng)通信?；驹O(shè)想是通過紅外大氣激光通信實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群與其他有人飛機(jī)以及多個(gè)無人機(jī)群間的高速率點(diǎn)對(duì)點(diǎn)外部通信，通過紫外激光通信系統(tǒng)的散射特性[25-26]實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群內(nèi)部的低速組網(wǎng)通信。

(4) 無人機(jī)激光對(duì)潛通信

對(duì)潛通信是全世界戰(zhàn)略通信的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。目前除了傳統(tǒng)的甚低頻對(duì)潛通信外，已有部分機(jī)載藍(lán)綠激光對(duì)潛通信和衛(wèi)星對(duì)潛通信的研究[17-19,27-29]。無人機(jī)可代替有人駕駛飛機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)潛通信，作為對(duì)潛通信的有效手段之一。相比無人機(jī)，星載激光通信系統(tǒng)更適用于活動(dòng)范圍更廣和更為隱蔽的大型戰(zhàn)略潛艇，而有人機(jī)和無人機(jī)更適用于相對(duì)小型的戰(zhàn)術(shù)潛艇通信。該場景下，無人機(jī)可具備多條鏈路，其中通過短波、超短波、衛(wèi)星或無線激光鏈路實(shí)現(xiàn)指揮所與無人機(jī)的信息傳輸，無人機(jī)安裝藍(lán)綠激光對(duì)潛通信端機(jī)設(shè)備，通過無人機(jī)的空中機(jī)動(dòng)，間斷性地覆蓋特定海域，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛通信。無人機(jī)機(jī)載無線激光對(duì)潛通信可一定程度上代替現(xiàn)有的甚低頻以及有人機(jī)載對(duì)潛通信，是海上大型無人機(jī)大氣激光通信應(yīng)用的一個(gè)重要方向。

3 大氣激光通信在海上大型無人機(jī)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)分析

機(jī)載大氣激光通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用和技術(shù)進(jìn)步使得海上大型無人機(jī)大氣激光通信的各種潛在應(yīng)用成為可能，但是無線激光通信技術(shù)在無人機(jī)應(yīng)用中也存在多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)亟待突破和挑戰(zhàn)，主要包含以下幾個(gè)方面：

(1) 精確定位和跟蹤技術(shù)

ATP是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線激光通信系統(tǒng)的核心和難點(diǎn)。根據(jù)上述場景分析，海上大型無人機(jī)的通信對(duì)象包含其他空中飛機(jī)平臺(tái)、海上艦艇平臺(tái)、陸上固定指揮所及陣地等，是典型的“動(dòng)中通”通信鏈路，不僅無人機(jī)一端是三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，受平臺(tái)本身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡和自身震動(dòng)的影響大，而且另一端也可能是多維度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(例如艦艇編隊(duì)、其他飛機(jī)等)，大型無人機(jī)無線激光通信鏈路距另一端相對(duì)更遠(yuǎn)，受信道特性影響，衰減和抖動(dòng)更大，因此海上大型無人機(jī)機(jī)載光通信系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)ATP技術(shù)要求更高，要求系統(tǒng)具有更高的動(dòng)態(tài)指向、穩(wěn)定精度以及抗擾動(dòng)和振動(dòng)能力。關(guān)鍵技術(shù)研究方面，需要結(jié)合特定場景，在ATP系統(tǒng)復(fù)合軸光路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、粗/精跟蹤捕獲算法優(yōu)化、信標(biāo)光/信號(hào)光抗抖動(dòng)跟蹤誤差消除算法和高動(dòng)態(tài)閉環(huán)控制技術(shù)等方面進(jìn)行深入研究。

(2) 鏈路增強(qiáng)技術(shù)

目前的高速率遠(yuǎn)距離大氣激光通信系統(tǒng)通常采用紅外波段激光，海上大型無人機(jī)無線激光通信主要也采用紅外波段激光，其對(duì)霧、霾和水蒸氣等氣溶膠較為敏感，紅外激光在穿過大氣信道時(shí)，會(huì)受到大氣介質(zhì)的影響，產(chǎn)生大氣衰減、湍流和散射等效應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)生發(fā)射光束漂移、抖動(dòng)、衰減以及波前畸變等現(xiàn)象。特別是海上大型無人機(jī)需要在海面不同高度下執(zhí)行各類任務(wù)，受海洋氣候環(huán)境的影響和接收端靈敏度和信噪比限制，隨著通信距離的增加，通信速率很難提高，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致通信中斷。保證在復(fù)雜海上氣候條件下無人機(jī)通信鏈路的高可通率是無人機(jī)大氣激光通信實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問題，因此需要開展鏈路增強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研究。一是開展海洋環(huán)境下無人機(jī)對(duì)空、海、陸鏈路大氣信道特性建模分析、實(shí)時(shí)信道估計(jì)及均衡補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)研究，增強(qiáng)鏈路的可靠性；二是結(jié)合正交頻分復(fù)用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)、正交空時(shí)編碼、高階調(diào)制、自適應(yīng)編碼、軌道角動(dòng)量 (Orbital Angular Momentum, OAM)復(fù)用[30-32]和相干光檢測[33-35]等技術(shù)提高系統(tǒng)的傳輸效率，開展海上光信道下的調(diào)制、編碼及檢測技術(shù)研究；三是采用無線光/射頻 (Free Space Optical/ Radio Frequency，F(xiàn)SO/RF)互補(bǔ)鏈路，設(shè)計(jì)激光/射頻一體化端機(jī)，利用激光和微波射頻鏈路對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)鏈路切換，進(jìn)一步增強(qiáng)鏈路的可靠性和可通率。

(3) 混合組網(wǎng)技術(shù)

海上大型無人機(jī)在應(yīng)用中面臨各種組網(wǎng)的需求，但由于大氣激光通信的固有定向傳輸特性，發(fā)射功率受限，通常很難采用類似無線電全向通信的方式實(shí)現(xiàn)時(shí)分、頻分或碼分組網(wǎng)，只能采用小束散角點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸無線激光通信模式。在多無人機(jī)編隊(duì)組網(wǎng)、無人機(jī)與艦艇編隊(duì)組網(wǎng)、無人機(jī)與艦艇和飛機(jī)等平臺(tái)分層組網(wǎng)等場景下，需要開展混合組網(wǎng)技術(shù)研究。一是基于紅外激光的功率受限和單向傳輸特性，在每個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)上安裝多個(gè)激光通信端機(jī)，研究無線激光多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂坪吐酚刹呗?，結(jié)合信道特性感知和節(jié)點(diǎn)其他鏈路(短波、超短波、微波和激光)開展基于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的多信道跨域組網(wǎng)研究；二是利用紫外光的散射特性，開展近距離紫外光編隊(duì)低速自組網(wǎng)研究。

4 結(jié)束語

海上大型無人機(jī)的大發(fā)展和實(shí)際需求與無線激光通信技術(shù)的進(jìn)步使無線激光通信技術(shù)用于無人機(jī)成為可能。本文在分析已有機(jī)載無線激光通信技術(shù)與試驗(yàn)進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對(duì)海上大型無人機(jī)大氣激光通信的應(yīng)用場景、應(yīng)用需求、面臨的挑戰(zhàn)以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步分析，為我國海上大型無人機(jī)無線激光通信的應(yīng)用及發(fā)展提供了借鑒。