基于自由空間光的無(wú)人機(jī)集群通信載荷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

蘇紹璟，童小鐘，魏俊宇，吳 鵬

(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

隨著無(wú)人駕駛飛行器應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，無(wú)人機(jī)作為新時(shí)期的高科技裝備，對(duì)改變作戰(zhàn)樣式、打贏未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的射頻(Radio Frequency, RF)通信在高壓線和通信基站等環(huán)境下易受磁場(chǎng)干擾影響，難以實(shí)時(shí)高效地通信，影響無(wú)人機(jī)集群的協(xié)同作戰(zhàn)效能，此外，RF通信的廣播特性容易產(chǎn)生同頻干擾和安全問(wèn)題，制約了無(wú)人機(jī)的隱身性能。而自由空間光(Free Space Optical, FSO)通信擁有大帶寬，免許可證，隱秘安全且不易受干擾的優(yōu)勢(shì)，在安全和保密性能方面是傳統(tǒng)的RF通信無(wú)法比擬的，因此非常適合軍事通信[1-3]。同時(shí)，無(wú)人機(jī)在商業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展也非常迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于搜索和救援[4]、工農(nóng)業(yè)檢測(cè)[5]、道路交通監(jiān)控[6]、地震災(zāi)區(qū)評(píng)估[7]、地理信息三維測(cè)繪[8]等領(lǐng)域。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)集群承擔(dān)的任務(wù)向多元化方向發(fā)展。在軍事方面，美國(guó)和俄羅斯等國(guó)家已經(jīng)讓其擔(dān)負(fù)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)搜索、監(jiān)視和偵察打擊等任務(wù)，任務(wù)復(fù)雜度對(duì)信息傳輸提出了低延時(shí)、大帶寬和高保密性的要求，通信質(zhì)量的好壞決定了其生存能力和任務(wù)成功與否?；贔SO的無(wú)人機(jī)集群通信僅需通過(guò)光強(qiáng)便可及時(shí)有效進(jìn)行沖突檢測(cè)和避免碰撞，有效提升其在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下通信抗干擾和任務(wù)執(zhí)行能力，F(xiàn)SO通信能夠滿足4 K視頻回傳等高速實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需求，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人機(jī)集群通信隱身化，提高無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)效能。因此，基于FSO的無(wú)人機(jī)集群通信鏈路的研究已成為各國(guó)的熱點(diǎn)[9]。

本文研究?jī)?nèi)容和總體框架如圖1所示。首先，對(duì)基于FSO的無(wú)人機(jī)集群通信載荷的應(yīng)用需求進(jìn)行了梳理歸納，認(rèn)真分析了近幾年國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀；然后，深入探討了FSO通信載荷中主要應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)；最后，展望了FSO通信載荷技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期為提高基于FSO的無(wú)人機(jī)集群通信載荷技術(shù)提供借鑒與參考。

圖1 本文研究?jī)?nèi)容和總體框架Fig.1 Content and general framework of article research

1 應(yīng)用需求

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日趨復(fù)雜，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行情報(bào)搜集和偵察，實(shí)時(shí)圖像回傳等都需要大量的數(shù)據(jù)傳輸和信息快速交換，集群之間的通信要求低延時(shí)，寬帶寬及高保密性來(lái)保證不易被攔截竊聽(tīng)。因此，無(wú)人機(jī)集群FSO通信存在諸多通信需求，具體有以下幾個(gè)方面[9-11]。

1)數(shù)據(jù)隱秘安全傳輸需求。目前，大多數(shù)無(wú)人機(jī)集群通信都是基于已有的RF無(wú)線電基站和協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化后使用的。無(wú)人機(jī)集群參與諸如戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)視，情報(bào)搜索和目標(biāo)定位跟蹤等隱秘任務(wù)時(shí)，傳統(tǒng)RF通信因其傳輸信道具有廣播特性，容易產(chǎn)生同頻干擾及安全問(wèn)題,這些都可能使無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)性能?chē)?yán)重下降。此外，無(wú)人機(jī)集群RF通信使用的WiFi和LORA等無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在高壓線、通信基站和金屬設(shè)施多的工廠等復(fù)雜電磁環(huán)境容易受到磁場(chǎng)干擾，難以做到高效穩(wěn)定通信，這將大大降低無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)和工程實(shí)際應(yīng)用的能力。而FSO采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向通信，鏈路間干擾小且有效避免信息竊取，保密性高，因此，為了滿足數(shù)據(jù)隱秘安全傳輸以及未來(lái)無(wú)人機(jī)集群多場(chǎng)景全天候的實(shí)戰(zhàn)需求，需要深入研究基于FSO的無(wú)人機(jī)集群通信技術(shù)。

2)實(shí)時(shí)高速傳輸需求。無(wú)人機(jī)偵察打擊要求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，其通信鏈路的高速率對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)決策起著至關(guān)重要的作用，以無(wú)人機(jī)為節(jié)點(diǎn)構(gòu)建高速傳播的空中骨干節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)構(gòu)建空天一體化作戰(zhàn)指揮體系實(shí)時(shí)通信具有關(guān)鍵作用。例如，利用無(wú)人機(jī)FSO通信鏈路轉(zhuǎn)發(fā)指揮控制指令、監(jiān)視和感知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)等任務(wù)，需要快速共享指令或者各種傳感器捕獲的情報(bào)信息，只有實(shí)時(shí)高速的傳輸速率才能滿足現(xiàn)代復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下高質(zhì)量的通信。若要構(gòu)建人與無(wú)人機(jī)結(jié)合的作戰(zhàn)體系，則需利用FSO通信實(shí)時(shí)信息傳輸來(lái)滿足人-機(jī)一體化的要求，使其能夠作為指揮員的“千里眼”和“順風(fēng)耳”，幫助指揮員實(shí)時(shí)掌握戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，提高戰(zhàn)場(chǎng)決策和任務(wù)完成能力。

3)良好的抗干擾性能需求。復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，無(wú)人機(jī)集群之間的通信質(zhì)量直接決定了任務(wù)的成功與否，通信數(shù)據(jù)鏈路必將成為敵我雙方電子偵察與干擾的重點(diǎn)。因此，數(shù)據(jù)鏈路的抗干擾性能是通信連接中值得關(guān)注的因素。傳統(tǒng)的RF通信由于其安全性差，易被捕獲和干擾，難以在復(fù)雜電磁環(huán)境下充分發(fā)揮效能。FSO通信在發(fā)射和接收可見(jiàn)光時(shí)難以被敵方捕獲和偵察識(shí)別，通信過(guò)程不易被破壞和竊聽(tīng)，具備強(qiáng)抗干擾特性，能夠幫助無(wú)人機(jī)集群高效傳輸信息，從而提升戰(zhàn)場(chǎng)任務(wù)執(zhí)行能力和生存能力。

4)拓展頻譜資源帶寬的需求。無(wú)人機(jī)集群在戰(zhàn)場(chǎng)上擔(dān)負(fù)著越來(lái)越豐富且關(guān)鍵的角色，任務(wù)執(zhí)行領(lǐng)域和范圍都將有所增加。傳統(tǒng)的RF通信無(wú)線電頻譜在米到毫米范圍，采用6～60 GHz范圍的頻率帶寬[12]，日益增加的頻譜帶寬需求使得頻帶資源(例如13 GHz、15 GHz和23 GHz)正變得擁塞[13]，同時(shí)，RF通信不可避免地存在頻率干擾問(wèn)題。而FSO激光束的波長(zhǎng)在微米范圍[14]，工作頻段在全球不受管制，可以免費(fèi)使用且無(wú)須申請(qǐng)審批，能夠有效擴(kuò)展無(wú)人機(jī)集群高動(dòng)態(tài)通信的頻譜資源，提高頻譜資源利用率，并且其不易受到頻率和相鄰頻段帶來(lái)的干擾，能夠滿足日益增長(zhǎng)的頻譜資源需求，有效解決頻譜資源擁擠和沖突問(wèn)題。

5)無(wú)人機(jī)集群通信智能化需求?，F(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)瞬息萬(wàn)變，作戰(zhàn)時(shí)不同時(shí)間和空間的互聯(lián)關(guān)系難以預(yù)先規(guī)劃，通信連接具有高機(jī)動(dòng)性，這就要求通信系統(tǒng)在建立連接時(shí)具備“高智能化”，即具備無(wú)中心自組織的智能組網(wǎng)通信特性，在應(yīng)對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境背景下遭遇干擾竊聽(tīng)時(shí)能夠主動(dòng)防御，通信被破壞之后能夠利用系統(tǒng)智能算法主動(dòng)修復(fù)，完成高質(zhì)量的通信連接，保證戰(zhàn)場(chǎng)通信的安全性、可靠性和持續(xù)性。智能化通信技術(shù)能夠使無(wú)人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)能力大大提升，增強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)以及抗打擊能力，提供良好的人機(jī)交互性和多功能的信息處理，幫助指揮員快速?zèng)Q策，取得戰(zhàn)場(chǎng)先機(jī)。同時(shí)，稍縱即逝的戰(zhàn)機(jī)要求無(wú)人機(jī)集群主動(dòng)判斷和戰(zhàn)場(chǎng)感知能力的智能化，從而實(shí)現(xiàn)先發(fā)制人，克敵制勝。

6)配置靈活與降低成本需求。隨著無(wú)人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)的多樣化，其作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)范圍將發(fā)生巨大的變化。傳統(tǒng)的RF通信無(wú)法在各種陌生惡劣的環(huán)境快速靈活配置通信，并且設(shè)備及維修費(fèi)用高，通信功耗大，不能夠滿足未來(lái)全空域多場(chǎng)景的任務(wù)持續(xù)性需求。而FSO通信鏈路的功耗小，靈活性高，能夠在各種環(huán)境靈活實(shí)現(xiàn)通信連接配置。同時(shí)，F(xiàn)SO通信設(shè)備簡(jiǎn)單，僅需激光發(fā)射器和信號(hào)探測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)FSO通信，成本低廉并且易于維護(hù)。因此，F(xiàn)SO通信載荷能夠滿足配置靈活和降低成本的需求，從而提升無(wú)人機(jī)集群任務(wù)廣度和執(zhí)行能力[14]。

2 發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

FSO通信具有不易被攔截和竊聽(tīng)、不會(huì)對(duì)附近的射頻造成干擾等多種戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)[15]，不少發(fā)達(dá)國(guó)家早已從事飛機(jī)間的機(jī)載激光通信載荷及鏈路的理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。早在1984年，美軍資助的HAVE LACE 項(xiàng)目就已經(jīng)在兩架KC-135A飛機(jī)間實(shí)現(xiàn)160 km通信距離、19.2 kbit/s傳輸速率以及10-6誤碼率的通信[16]。1998年，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室在兩架T-39飛機(jī)間實(shí)現(xiàn)12 192 m飛行高度、50～500 km通信距離、1 Gbit/s傳輸速率以及10-6誤碼率的通信演示試驗(yàn)[17]。1999年，美國(guó)的Thermo Trex公司和Lucent公司相繼進(jìn)行了機(jī)載激光通信實(shí)驗(yàn)，并分別實(shí)現(xiàn)了50～500 km通信距離、1 Gbit/s傳輸速率以及10-6誤碼率和20 km通信距離、波長(zhǎng)為1 550 nm和2.5 Gbit/s傳輸速率的通信演示試驗(yàn)[18-19]。2003年，美國(guó)空軍研究室研制實(shí)現(xiàn)了100 km通信距離、1～2.5 Gbit/s傳輸速率以及10-7誤碼率的通信原理樣機(jī)，并于2006年完成搭載飛機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)[20]。2008年，德國(guó)宇航中心完成了Do-228飛機(jī)與地面站間10～85 km通信距離、155 Mbit/s通信速率的激光通信實(shí)驗(yàn)，并于2013年成功在“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)和地面移動(dòng)站之間完成50 km通信距離、1.25 Gbit/s傳輸速率的實(shí)驗(yàn)[21]。2009年，麻省理工學(xué)院進(jìn)行了搭載在雙獺飛機(jī)上激光終端的通信實(shí)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了25 km通信距離、2.5 Gbit/s傳輸速率的目標(biāo)[22]。2010年，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了DC-3飛機(jī)之間94～132 km通信距離、2.5 Gbit/s傳輸速率以及10-6誤碼率的雙向激光通信實(shí)驗(yàn)[23-25]。

在無(wú)人機(jī)載激光通信領(lǐng)域，近幾年發(fā)展也十分迅速。2006年，文獻(xiàn)[26]首次提出在無(wú)人機(jī)集群之間應(yīng)用FSO通信鏈路，并指出FSO通信在無(wú)人機(jī)集群中可能的應(yīng)用場(chǎng)景和顯著優(yōu)勢(shì)。2008年，文獻(xiàn)[27]進(jìn)一步討論了FSO通信在無(wú)人機(jī)集群中應(yīng)用所具備的優(yōu)勢(shì)和帶來(lái)的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[28]指出FSO通信非常適合應(yīng)用在需要高速數(shù)據(jù)連接的無(wú)人機(jī)集群中，并討論使用FSO連接的對(duì)準(zhǔn)以及由大氣引起的光束衰減和波動(dòng)等問(wèn)題。文獻(xiàn)[29]在基于FSO的無(wú)人機(jī)鏈路上進(jìn)行了大容量通信，并討論了實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)潛在的困難和挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[30]研究了由于無(wú)人機(jī)位置和方向的隨機(jī)波動(dòng)而引起的FSO通道的幾何損失并對(duì)FSO通道質(zhì)量進(jìn)行了量化。文獻(xiàn)[31]研究了無(wú)人機(jī)的隨機(jī)懸停波動(dòng)對(duì)跟蹤方法性能的影響，并基于無(wú)人機(jī)的不穩(wěn)定性程度，分析推導(dǎo)了用于跟蹤和誤碼率的封閉形式表達(dá)式。文獻(xiàn)[32]提出了不同的基于深度學(xué)習(xí)的新型FSO系統(tǒng)，其中深度學(xué)習(xí)[33]應(yīng)用在檢測(cè)器、聯(lián)合信道估計(jì)器等方面，并考慮到大氣湍流對(duì)所提出結(jié)構(gòu)的符號(hào)誤碼率性能進(jìn)行了研究，提出的結(jié)構(gòu)不需要導(dǎo)頻序列，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本并且具有良好的性能。在無(wú)人機(jī)FSO通信工程實(shí)際應(yīng)用方面，2014年，美國(guó)通用原子公司提出的搭載在MQ-9無(wú)人機(jī)載激光通信載荷并于2020年2月已完成通信系統(tǒng)部分試驗(yàn)，該系統(tǒng)在1.064 μm和1.550 μm兩個(gè)光波波長(zhǎng)下工作，能夠保證無(wú)人機(jī)通信鏈路的低可截獲和低可檢測(cè)概率[34-35]。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)FSO通信載荷技術(shù)研究是從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)機(jī)載激光通信開(kāi)始的[36]，對(duì)基于FSO的無(wú)人機(jī)集群通信研究則相對(duì)更晚，所以與國(guó)外相比，存在較大的差距。不過(guò)近幾年發(fā)展十分迅速，取得了不少顯著的成果[37]。

2001年，上海光機(jī)所開(kāi)始研制點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的機(jī)載激光通信樣機(jī)，該通信樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)50～100 km通信距離、1 Gbit/s傳輸速率以及10-6誤碼率的通信[36,38]；2006年，武漢大學(xué)首次成功實(shí)現(xiàn)了42 Mbit/s的多業(yè)務(wù)機(jī)載激光通信試驗(yàn)，而且次年又成功地在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了全空域的機(jī)載激光通信自動(dòng)跟蹤伺服系統(tǒng)試驗(yàn)[36]；2009年，西安理工大學(xué)成功研制了基于以太網(wǎng)的大氣激光視頻傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了3～5 km通信距離，24小時(shí)全天候無(wú)間斷實(shí)時(shí)視頻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信[36-37]；2011年，長(zhǎng)春理工大學(xué)實(shí)現(xiàn)直升機(jī)之間的通信距離為20 km的動(dòng)態(tài)激光通信野外實(shí)驗(yàn)[36,39]；2013年，長(zhǎng)春理工大學(xué)對(duì)無(wú)人機(jī)載激光通信的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了機(jī)載激光通信原型研制并在兩架運(yùn)12型固定翼飛機(jī)之間進(jìn)行了高速長(zhǎng)距離通信測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)了通信距離為144 km，通信速率為2.5 Gbit/s的通信[40]；2016年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所實(shí)現(xiàn)了通信距離為3 110 m飛機(jī)-水下的無(wú)線光通信試驗(yàn)；2017年，中電三十四研究所采用小型旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了6.7 km通信距離、1.25 Gbit/s通信速率前提下穩(wěn)定的信號(hào)傳輸,對(duì)信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量進(jìn)行了測(cè)試分析[41]。然而，與國(guó)外相比，我國(guó)FSO通信技術(shù)工業(yè)應(yīng)用發(fā)展相對(duì)滯后，尤其是在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域存在較大差距。因此，加快推進(jìn)國(guó)內(nèi)基于FSO的無(wú)人機(jī)集群通信技術(shù)研究和應(yīng)用具有重要意義。

綜合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，在FSO通信載荷機(jī)載應(yīng)用方面，主要涉及有人機(jī)載激光通信載荷的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光通信，暫未進(jìn)行大規(guī)模集群間的FSO通信試驗(yàn)；而有關(guān)無(wú)人機(jī)集群的FSO通信載荷試驗(yàn)則更是鮮有報(bào)道?，F(xiàn)階段關(guān)于FSO通信研究主要存在以下幾個(gè)方面的局限性：①FSO通信系統(tǒng)是通信載荷發(fā)展的基礎(chǔ)，而現(xiàn)有的FSO通信系統(tǒng)主要應(yīng)用在衛(wèi)星或中大型有人機(jī)，其功率和尺寸等都無(wú)法直接匹配無(wú)人機(jī)通信載荷。②現(xiàn)階段FSO通信載荷試驗(yàn)都是采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，這種通信方式受大氣環(huán)境的影響導(dǎo)致鏈路可靠性變差，影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纳珊蛢?yōu)化，網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性差[42]，F(xiàn)SO通信鏈路的狀態(tài)隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化而發(fā)生改變，需要網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刂?包括光路邏輯和物理拓?fù)涞闹刂?來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)通信，這些因素都限制了FSO通信在無(wú)人機(jī)集群中的工程應(yīng)用。③未能很好地解決無(wú)人機(jī)集群大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)接入進(jìn)行超密集型業(yè)務(wù)造成網(wǎng)絡(luò)中FSO鏈路(包括地面網(wǎng)絡(luò)與無(wú)人機(jī)之間的鏈路，無(wú)人機(jī)與無(wú)人機(jī)之間的鏈路)的負(fù)載和鏈路利用率不均衡的問(wèn)題。④FSO通信由于光束的方向性使得無(wú)人機(jī)集群面臨通信鏈路難以快速建立的問(wèn)題，F(xiàn)SO鏈路的獲取、跟蹤和指向都是不小的挑戰(zhàn)。此外，機(jī)載終端之間視線損失和大氣影響等問(wèn)題也限制了無(wú)人機(jī)集群FSO通信載荷的發(fā)展。

綜上所述，盡管FSO通信在理論和應(yīng)用上取得了一定程度的進(jìn)展，并開(kāi)展了機(jī)載激光通信載荷相關(guān)的仿真和試驗(yàn)，但仍然面臨諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)，限制了基于FSO的無(wú)人機(jī)集群通信的發(fā)展，應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到當(dāng)前試驗(yàn)的局限和不足，深入進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究。

2.3 發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)集群FSO通信發(fā)展現(xiàn)狀，可以總結(jié)以下幾點(diǎn)主要發(fā)展趨勢(shì)[9,32,43-49]：

1)無(wú)人機(jī)集群通信朝著RF/FSO異構(gòu)融合方向發(fā)展。未來(lái)無(wú)人機(jī)集群通信將朝著RF/FSO混合通信發(fā)展，最大限度地發(fā)揮不同譜段通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。不同的譜段均有各自的特點(diǎn),無(wú)線電易受電磁干擾，難以實(shí)時(shí)高效通信,但其穿透云霧能力強(qiáng)；可見(jiàn)光抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的方向性和安全性，但易受大氣環(huán)境和天氣因素影響。構(gòu)建無(wú)線電和可見(jiàn)光的異構(gòu)融合通信，能夠最大限度地發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，可以有效拓展無(wú)人機(jī)集群高動(dòng)態(tài)通信的頻譜資源，提供更好的數(shù)據(jù)連接的安全性和可靠性，提高頻譜資源利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域的無(wú)縫高速通信連接，為日益錯(cuò)綜復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境提供全天候、全方位的通信保障服務(wù)[50]。

2)FSO通信載荷智能化。近年來(lái)，機(jī)器學(xué)習(xí)飛速發(fā)展，其在智能識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了卓越的表現(xiàn)，將機(jī)器學(xué)習(xí)與FSO通信技術(shù)結(jié)合，有助于實(shí)現(xiàn)載荷智能化。一方面，機(jī)器學(xué)習(xí)的強(qiáng)大學(xué)習(xí)能力有利于實(shí)現(xiàn)載荷對(duì)通信環(huán)境的態(tài)勢(shì)感知；另一方面，將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于FSO通信鏈路中，有利于通信鏈路快速建立連接，提高通信傳輸速率和抗干擾、抗損衰的性能[51]。機(jī)器學(xué)習(xí)與FSO通信技術(shù)構(gòu)建的載荷智能化有助于提升無(wú)人機(jī)集群FSO通信性能，進(jìn)一步減少成本、降低功耗和復(fù)雜性。因此，與機(jī)器學(xué)習(xí)深度融合的智能化載荷是未來(lái)無(wú)人機(jī)集群FSO通信應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

3)FSO通信組網(wǎng)智能化。目前，無(wú)人機(jī)集群主要采用基于基礎(chǔ)設(shè)施和基于自組網(wǎng)(ad-hoc)的集群架構(gòu)[52]?；诨A(chǔ)設(shè)施通信架構(gòu)雖可減少計(jì)算能力和無(wú)人機(jī)有效負(fù)載，但容易受到干擾，限制集群功效和規(guī)模的增加[53-54]?；谧越M網(wǎng)的通信架構(gòu)不依賴(lài)于任何基礎(chǔ)設(shè)施，臨時(shí)建立適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化節(jié)點(diǎn)的機(jī)器對(duì)機(jī)器(Machine to Machine, M2M)通信網(wǎng)絡(luò)[55]，但仍需有一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接地面基站或衛(wèi)星。FSO通信采取智能化組網(wǎng)策略有利于應(yīng)對(duì)不同傳感器采取不同傳輸策略，面對(duì)突發(fā)、隱秘和嚴(yán)峻任務(wù)時(shí)，主動(dòng)構(gòu)建無(wú)中心自組織的效能最大化通信網(wǎng)絡(luò)，遭遇干擾和破壞時(shí)主動(dòng)防御和自動(dòng)修復(fù)，降低數(shù)據(jù)丟包率，維持高質(zhì)量的通信連接，保證任務(wù)執(zhí)行通信的可靠性，提升集群協(xié)同探測(cè)和規(guī)劃性能[56]。

4)FSO通信載荷多功能復(fù)用的新型應(yīng)用模式。無(wú)人機(jī)集群擔(dān)負(fù)的任務(wù)更加多元后，不可避免的需要搭載更多的任務(wù)載荷，受制于無(wú)人機(jī)平臺(tái)空間的尺寸和功耗，F(xiàn)SO通信載荷將集成不同功能模塊的任務(wù)載荷，這種具備多功能的FSO通信載荷將是新的應(yīng)用模式。多功能集成化不僅能夠降低載荷體積質(zhì)量，而且有利于降低系統(tǒng)功耗和成本，進(jìn)一步推動(dòng)FSO通信載荷在機(jī)載平臺(tái)的工程應(yīng)用。利用激光測(cè)距的精確性，結(jié)合FSO安全高速的通信，在無(wú)人機(jī)集群間建立測(cè)距、通信與偵察成像多功能復(fù)合的FSO數(shù)據(jù)鏈以及共跟蹤系統(tǒng)，采用成像與通信共用光學(xué)天線，通信與跟蹤系統(tǒng)共光路，提高系統(tǒng)的高度集成化，豐富無(wú)人機(jī)集群FSO通信功能的同時(shí)擴(kuò)大執(zhí)行任務(wù)的領(lǐng)域。

5)帶有FSO通信載荷的無(wú)人機(jī)作為靈活通信中繼點(diǎn)提升數(shù)據(jù)傳輸鏈路性能[57-59]。隨著5G技術(shù)進(jìn)入商用化階段，數(shù)據(jù)傳輸速率以及容量將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，而無(wú)人機(jī)集群將成為5G無(wú)線通信中的重要元素。在許多情況下，將使用FSO通信技術(shù)提供高速無(wú)線連接。一方面，可以將數(shù)據(jù)連接實(shí)體安裝在多旋翼無(wú)人機(jī)集群中以提供蜂窩連接，它們具有固定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中沒(méi)有的某些功能，例如易于部署，強(qiáng)大的視距連接以及具有受控移動(dòng)性的自由度。另一方面，在中大型固定翼無(wú)人機(jī)集群間利用通信載荷作為空中骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)高速傳輸交換，覆蓋大范圍通信，提供遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)通信保障，解決復(fù)雜環(huán)境數(shù)據(jù)資源需求。此外，基于FSO通信的無(wú)人機(jī)作為靈活通信中繼點(diǎn)還具有多種用途，例如增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)連接性、火災(zāi)檢測(cè)、災(zāi)難應(yīng)急服務(wù)、高速列車(chē)回傳、安全和事故監(jiān)視、污染監(jiān)視、停車(chē)監(jiān)視等[60-63]。

6)FSO通信載荷朝著模塊化、小型化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。隨著FSO通信技術(shù)的不斷成熟，此項(xiàng)技術(shù)將會(huì)應(yīng)用在更多的領(lǐng)域，對(duì)于不同的平臺(tái)和不同的場(chǎng)景，模塊化將有助于充分發(fā)揮FSO通信優(yōu)勢(shì)，拓寬其廣闊的發(fā)展空間，便于與其他技術(shù)的融合；載荷輕小型化能夠推動(dòng)FSO通信載荷廣泛應(yīng)用于各類(lèi)無(wú)人機(jī)型，低功率有助于提升無(wú)人機(jī)續(xù)航性能，進(jìn)而提升無(wú)人機(jī)集群任務(wù)屬性；標(biāo)準(zhǔn)化將有助于無(wú)人機(jī)配備兼容的系統(tǒng)體制和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化接口，提高無(wú)人機(jī)集群的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制性能，提高通用性，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和維修成本，縮短維修周期，提升無(wú)人機(jī)集群戰(zhàn)場(chǎng)通信性能[43]。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

通過(guò)FSO通信系統(tǒng)的發(fā)展歷史可以看出，盡管其已經(jīng)有了較為漫長(zhǎng)的研究歷史，但仍然未能在無(wú)人機(jī)集群中廣泛應(yīng)用。這主要是由FSO的固有特性以及飛行環(huán)境的復(fù)雜性決定的。尤其是在無(wú)人機(jī)集群應(yīng)用方面，還面臨著平臺(tái)的不穩(wěn)定性，溫度、氣壓的變化以及功耗的限制等方面的影響。為了推動(dòng)FSO通信載荷技術(shù)工程應(yīng)用，應(yīng)該著力研究以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。

1)基于FSO的無(wú)人機(jī)集群通信信道特性研究[64-68]。一體化作戰(zhàn)背景下，無(wú)人機(jī)集群面臨的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日趨復(fù)雜，情報(bào)偵察、實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)榷夹枰弑Ｃ?、高速率的?shù)據(jù)流，通信性能好壞直接影響其戰(zhàn)術(shù)目的和技術(shù)性能。信道模型是評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，信道特性對(duì)信號(hào)傳輸具有很大的影響。因此，建立適合無(wú)人機(jī)特點(diǎn)的信道模型對(duì)于改善數(shù)據(jù)鏈路性能具有重要作用[69]。無(wú)人機(jī)集群FSO通信信道主要受到直射激光信號(hào)視距(Line Of Sight, LOS)對(duì)不準(zhǔn)的幾何損失和近地大氣湍流中弱透鏡渦旋隨機(jī)分布構(gòu)成的近地湍流信道非理想特性影響。對(duì)于LOS導(dǎo)致的通信信號(hào)損衰，主要通過(guò)捕獲、對(duì)準(zhǔn)、跟蹤(Acquisition Pointing Tracking, APT)機(jī)載系統(tǒng)，完成運(yùn)動(dòng)中的無(wú)人機(jī)視軸快速、高概率的捕獲對(duì)準(zhǔn)以及高精度、高動(dòng)態(tài)性的跟蹤[70-71]；對(duì)于近地湍流損傷，現(xiàn)有基于FSO通信信道主要是按照隨機(jī)分布湍流強(qiáng)度大小分類(lèi)，按照從弱到強(qiáng)主要有三種模型：服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型、伽馬-伽馬模型和負(fù)指數(shù)分布模型等[72-74]。

完善信道估計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，具有較高的功耗，并且成本高昂，此外，傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法還需要導(dǎo)頻或者訓(xùn)練序列輔助，將導(dǎo)致傳輸有效數(shù)據(jù)速率降低。目前，部分學(xué)者已經(jīng)提出基于深度學(xué)習(xí)的FSO通信信道估計(jì)器，將深度學(xué)習(xí)用作檢測(cè)器、聯(lián)合信道估計(jì)器。深度學(xué)習(xí)考慮了廣泛的大氣湍流(從弱到強(qiáng))的影響后能夠得到接近于理想的信道估計(jì)，并且其價(jià)格低廉、復(fù)雜度低。因此，在無(wú)人機(jī)集群通信中運(yùn)用基于深度學(xué)習(xí)的FSO信道估計(jì)器對(duì)于提高FSO數(shù)據(jù)鏈路性能具有十分重要的意義[32]。

2)高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)集群FSO通信數(shù)據(jù)鏈路快速建立技術(shù)研究。高動(dòng)態(tài)條件下快速建立FSO通信數(shù)據(jù)鏈路是無(wú)人機(jī)集群實(shí)現(xiàn)FSO通信的前提和關(guān)鍵。無(wú)人機(jī)集群FSO通信覆蓋性能完全取決于視線的傳播，略微依賴(lài)于仰角。然而，F(xiàn)SO通信由于光束的方向性，使得光學(xué)鏈路在大規(guī)模無(wú)人機(jī)集群的建立比RF通信更加困難，其對(duì)收發(fā)器對(duì)準(zhǔn)高度敏感[2]，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，沖突檢測(cè)和避免碰撞將變得更具挑戰(zhàn)；另外，機(jī)載平臺(tái)的飛行速度快、航跡不確定等高動(dòng)態(tài)特性對(duì)通信數(shù)據(jù)鏈路的快速建立帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。此外，機(jī)載平臺(tái)自身不穩(wěn)定、天氣狀況和姿態(tài)變換等因素也對(duì)鏈路的精度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，從而加劇覆蓋和連接問(wèn)題。在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，如何在高航速和未知航跡的80 μrad信標(biāo)光波束寬度的激光鏈路進(jìn)行高精度跟蹤瞄準(zhǔn)和快速捕獲，使節(jié)點(diǎn)快速地從任意方向與其他節(jié)點(diǎn)建立光鏈路是無(wú)人機(jī)集群通信必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題[75-76]。因此，為提升無(wú)人機(jī)集群快速反應(yīng)能力必須深入高動(dòng)態(tài)條件下快速建立通信的技術(shù)研究。

3)大規(guī)模無(wú)人機(jī)集群環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)研究[77-78]。隨著無(wú)人機(jī)集群任務(wù)執(zhí)行逐漸向遠(yuǎn)、中、近程拓展，在無(wú)人機(jī)集群之間通過(guò)FSO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信時(shí)，最大的挑戰(zhàn)是指向誤差、大氣湍流和不利天氣因素[79]。由于存在指向誤差，通信時(shí)獲取和跟蹤的要求隨鏈路長(zhǎng)度的增加而增加。陰雨天氣條件下，提高鏈路的可靠性和可用性意味著需要縮短集群間的通信距離。霧和云在FSO通信鏈路上容易造成高衰減，而濃霧是光學(xué)鏈路的最壞情況；晴朗天氣條件下，必須考慮由太陽(yáng)加熱和風(fēng)引起的溫度和大氣壓力的不均勻性引起的大氣湍流運(yùn)動(dòng)。有研究表明，霧天情況下的功率消耗比晴天情況下的功率消耗相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以還應(yīng)考慮環(huán)境對(duì)其續(xù)航帶來(lái)的影響。此外，大規(guī)模集群無(wú)人機(jī)還受到大氣損失以及背景輻射等外部因素和機(jī)載平臺(tái)振動(dòng)等自身因素的影響，若FSO通信在不同環(huán)境背景下不能快速適應(yīng)，則難以實(shí)現(xiàn)高性能的FSO通信。因此，開(kāi)展大規(guī)模無(wú)人機(jī)集群環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)研究有利于推動(dòng)無(wú)人機(jī)集群FSO通信的工程應(yīng)用。

4)FSO通信系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸技術(shù)研究。自適應(yīng)傳輸技術(shù)早已廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)RF通信，它根據(jù)通信信道在空間、時(shí)間和頻率等變化，動(dòng)態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，例如發(fā)射功率、調(diào)制大小、調(diào)制類(lèi)型、碼率或這些參數(shù)的組合，旨在保持傳輸質(zhì)量的同時(shí)提高通信系統(tǒng)的信道資源和平均頻帶的利用率[80]。在FSO通信系統(tǒng)中，面臨大氣湍流緩慢變化的衰落、路徑損耗和天氣狀況等因素的影響，建立自適應(yīng)傳輸技術(shù)有助于FSO通信系統(tǒng)顯著地提升通信性能的同時(shí)維持傳輸質(zhì)量?；诼窂綋p耗或者最大化信道容量的條件下進(jìn)行功率自適應(yīng)研究，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)集群FSO通信功率效用最大化；基于強(qiáng)大氣湍流背景下進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)制編碼的研究，提升誤碼率性能和頻譜效率，使FSO通信系統(tǒng)在時(shí)變信道上實(shí)現(xiàn)魯棒和高效的頻譜傳輸[81]；基于峰值功率的約束下，根據(jù)信道條件變化自適應(yīng)調(diào)整傳輸功率或調(diào)制大小，從而實(shí)現(xiàn)頻譜效率和平均功耗的優(yōu)化[82]。因此，深入研究自適應(yīng)算法和FSO通信系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸技術(shù)，有利于提升通信鏈路可靠性和通信性能的同時(shí)推動(dòng)無(wú)人機(jī)集群通信智能化發(fā)展。

5)FSO通信載荷輕小型集成化研究。受制于無(wú)人機(jī)搭載空間、承載能力和功耗，無(wú)人機(jī)集群通信載荷必須滿足輕小型化和低功耗的要求。在保證無(wú)人機(jī)集群通信性能的前提下，進(jìn)一步減小載荷體積和質(zhì)量是推動(dòng)FSO通信載荷應(yīng)用于各類(lèi)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的關(guān)鍵。深入FSO通信載荷輕小型集成化研究，從整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光路設(shè)計(jì)以及材料選取等方面考慮通信載荷輕小型化設(shè)計(jì)，推動(dòng)通信系統(tǒng)的光學(xué)、通信和跟蹤等分系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，完善通信載荷功能的同時(shí)進(jìn)行光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，有助于減小通信載荷體積和質(zhì)量，降低通信載荷的成本和功耗，使無(wú)人機(jī)集群FSO通信載荷的適用性更加廣泛并且配置更加靈活，推動(dòng)無(wú)人機(jī)集群FSO通信載荷的工程應(yīng)用。

6)基于FSO通信多平臺(tái)融合的總體技術(shù)研究。隨著無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇以及無(wú)人車(chē)等“無(wú)人化”裝備逐步在戰(zhàn)場(chǎng)上擔(dān)負(fù)越來(lái)越重要的角色，在“無(wú)人化”裝備之間建立機(jī)-艇、機(jī)-車(chē)和機(jī)-機(jī)通信將成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的一種趨勢(shì)。FSO通信載荷能否完美地融合于不同的平臺(tái)，決定了未來(lái) “無(wú)人化”聯(lián)合作戰(zhàn)體系的效能。不同的平臺(tái)之間涉及了不同的學(xué)科和領(lǐng)域，彼此之間存在不小的跨度，這意味著應(yīng)該牢牢抓住FSO通信多平臺(tái)融合的總體技術(shù)，將光學(xué)、通信和跟蹤技術(shù)有效地結(jié)合到一起，綜合考慮各平臺(tái)的特征，選擇性地應(yīng)用一些新技術(shù)和新方法，努力推動(dòng)FSO通信載荷不斷向前發(fā)展，使其進(jìn)入更多的領(lǐng)域，牢牢把握各個(gè)平臺(tái)的核心技術(shù)，構(gòu)建服務(wù)空天一體化作戰(zhàn)體系的通信載荷。

4 結(jié)論

隨著無(wú)人機(jī)集群在戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)搜索、偵察監(jiān)視和精確打擊等方面扮演越來(lái)越重要的角色，F(xiàn)SO通信載荷將廣泛應(yīng)用于各類(lèi)無(wú)人機(jī)平臺(tái)，提供高速率、高可靠的通信保障[83]。我國(guó)應(yīng)不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究并推進(jìn)相關(guān)工程領(lǐng)域建設(shè)，積累經(jīng)驗(yàn)，充分借鑒國(guó)外成熟的FSO通信技術(shù)，推陳出新，發(fā)展具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的通信載荷技術(shù)，攻占FSO通信的制高點(diǎn)，為構(gòu)建空天一體化作戰(zhàn)體系提供通信保障，為打贏未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。