美国2013-2038年度无人系统路线图

美国2013-2038年度无人系统路线图

4.3 通信系统，频谱以及自主修复性

4.3.1 引言

所有的无人系统（而非完全自主的系统）主要面临的挑战在于通信链路的可用性、通信链路支持的数据量大小、频谱资源的分配、以及所以射频子系统对抗干扰的能力（如电磁干扰等）。为满足作战指挥的要求，各服务与机构之间的协同工作能力仍将需要继续改进。国防部无人系统需要对操作控制和任务数据分布进行处理，特别是对非自主的系统。因此，对于一些公司和大学，这类信息可以通过电缆传输，但对于高度移动的无人操作，用的电磁波信号（EMS）的传播方式将更加容易，或其他方式（例如，声学或光学）。

图13显示了支持无人系统所需要的通信网络体系结构（OV-1）。该架构中同时考虑了载人系统的设计，说明载人和无人传感器以及其他指挥与控制（C2）系统之间需要共同的通信基础设施支撑。辅助指挥、控制、通信和计算机（C4）的建设应该是平台无关的（载人或无人）。运行架构采用了多种环境管理系统的频段，通信网关和中继网站，数据中心和数据传播节点，以及地面广播和网络服务。在这种体系结构中的通信链路支持无人平台的指挥与控制以及和各自的有效载荷；并且支持将载荷的信息回传，用作战术、战略等意图。应当尽可能地将载荷任务数据及时驻留在全局数据中心，使世界各地的用户能够快速简便地发现、获取和分析实时和非实时的情报、监视和侦察（ISR）信息和其他任务的数据。第4.3.2节到第4.3.17节着重阐述了无人通信系统结构发展的需求及计划，并针对每个领域给出了适用的标准和系统指导。

图13. 高级辅助指挥、控制、通信和计算机（C4）结构运行概念图

4.3.2 当前无人通信系统存在的问题

过去十年内，美国在全球作战应用中操作的经验教训、详细分析研究和回顾、作战任务需求说明等都充分表明了指挥、控制、通信和计算机建设在支持无人平台方面的各种缺陷。具体包括：

全球连通性差：无人平台全球发送高带宽数据（例如，全运动视频）至战略战术用户的能力不足。目前无人驾驶的基础设施大部分集中在中东，无法支持全球其他地区的行动。

昂贵的卫星/网络合同：每个系统的卫星通信带宽的多是单独购买通过商业租赁。许多系统还依赖于单独的平台为中心的地面网络基础设施，以提供与战术，运营和战略消费者的连接。由于这种连接通常由租用商业网络提供，每个系统的开销成本进一步增加。

非模式化的基础设施：许多无人机系统程序建立供应商专有的通信解决方案，包括网站通信和接入地面网络基础设施。这种方法防止跨平台的资源共享，大大增加了基础设施的开销成本（例如，设施，项目管理），并抑制系统的互操作性。

信息共享性差：许多系统采用专用的处理、利用和分发（PED）和任务数据基础设施，以防止系统、服务和组织之间的有效的数据共享。

总之，目前的无人系统的通信基础设施是容易产生冗余浪费，缺乏互操作，并抑制了系统数据向潜在用户的分发。

为了更好地找到解决未来无人系统操作所面临的挑战的最佳途径，需要做出几个关键的假设：

项目资源将变得有限：OCO经费一直维持近几年无人机系统大部分的运作成本。在未来数年内，这一资金将消失。没有项目资源，有限的租赁C4基础设施将萎缩。

C4基础设施的需求在增长：

操作环境将发生改变：

开放标准提高互操作性：

平台无关提高效率：

4.3.3 通信网关和中继站点

美国国防部和商业网关提供军事和非军事的卫星和国防信息系统网（DISN）运输和互联网协议（IP）网络中心服务。因此，能够提供任务数据的全球发送，使得无人系统的远程指挥与控制成为可能。同样，中继站点通过连接视距（LOS）与超视距无线系统将任务数据传输和指挥与控制与DISN进行连接。

现有的许多平台为中心的专用网关可用以支持在中东地区的业务。为了减少网关的长期支出，并更有效地处理来自无人系统信息，国防部将过渡到利用现有的全球卫星通信企业网关设备与平台无关的网关（如瞬移标准的战术进入点（STEP）网站）。现有的企业网关可以提供通用、安全的设施以及地面空间集中管理、电源、供暖、通风和空调（HV AC）等。因此，能减少各无人系统项目办公室之间重复工作。

4.3.4 企业数据中心和分发节点

为了降低成本，优化人力资源需求，提高各服务、组织和联盟伙伴之间的数据共享，无人系统数据应整合到云计算的企业数据中心，建立一个标准的基础设施，以分发数据到所有授权的用户。为实现这一目标，近期需要做的包括，情报系统的“大数据”云计算；以及通过建立国防信息系统机构（DISA）的统一视频传播服务（UVDS）将全动态视频图像的数据实时发送至全球各地的用户。参见图14。

UVDS安装在DISA国防企业计算中心，支持各种FMV来源和用户提供的黑色（加密）和红色（未加密）FMV流，通过多点传送流和近实时的网络流。UVDS实现国防部和工业标准、协议、配置文件（例如，SD，HD，MPEG-2，H.264，Flash）保证最大程度的互操作性存在的系统，同时利用现有的计算基础设施和国防部的全球信息栅格（GIG）与陆地连接。强大的路由架构能够连接美国大陆和在美国大陆以外的位置，并且利用国防部网关来高效实时地通过卫星通信网络传播影像（例如，GBS，通过卫星信道返回联合IP调制解调器，中央指挥部数字视频广播）。UVDS能够代替捕食者和收割者中专用的点对点通信线路。参见图15。

图14 国防信息系统机构所提的UVDS功能架构

图15 当前的UVDS运行架构（2012年2月）

4.3.5 卫星通信

目前无人系统架构的一个显着的成本是通过商业租赁的卫星带宽的采购。大部分用于支持部署的无人驾驶系统任务的带宽都是单独采购的。通过整合商业卫星租赁在多个无人机系统，国防部能在未来降低成本。为实现该目的，可以通过DISA商业卫星组合研究未来租赁安排，利用未来comsatcom服务获取（FCSA）合同结构。使用一个共同的基础设施，包括兼容的波形，将使卫星带宽共享成为可能，并可以降低总需求，使之低于每个系统的各个要求的总和。

除了高效的商业租赁，卫星带宽的整体成本可以通过利用更多的美国国防部的卫星通信资源进一步减少。宽带全球卫星（WGS）可用于与国防部企业网关连接，来降低商用转发器中的无人系统数据流量。但目前该战略是不可行的，无人平台上缺乏Ka波段的终端。所有要求超视距连接的无人系统项目必须计划建立Ka波段的终端，从而利用军事卫星通信资源和避免昂贵的年度商业租赁。超视距无人系统应当尽可能同时考虑商业和军事卫星频段，进而获得操作的灵活性和使用国防部资源。

4.3.6 网络结构与系统

无人系统计划应当尽可能地利用DISN核心网作为其全球连接的地面网络基础设施。DISN核心网的连接点已经可以在国防部的站点获得。另外，国防信息系统局仍在对DISN核心网进行开发，企业广域网IP服务可用作无人系统中继解决方案的补充。

企业网关的IP网络组件提供了多重安全访问DISN的路由和加解密方案。

4.3.7 天线

高速移动系统之间的通信需要高增益、坚固耐用、成本较低的多指向天线。较大的无人机系统也可以使用聚焦的波束来与更远距离的系统实现连接。相控阵天线和智能天线（包括组合来自多个天线的信号）的发展可以为传统的抛物面天线提供一个代替方案，但它们需要在大小、质量、功耗以及造价方面进行权衡。国防部和工业部门也应当继续发展多聚焦（多波束）和过冷的天线系统等技术。

未来天线系统必须能够在很宽的频率范围内接收信号。但同时也必须具有频率选择性（见 4.3.13）。因此，相控阵是一种可行的方法。动态控制（例如，干扰陷零）的阵列系统（9阵元）目前已经可用。但更多阵元数目的与运载设备表面一致的共形阵列仍处于研发阶段（计划到2020年）。共孔径利用则要求研发新的干扰抑制方法，从而最大限度地减少相同站点的干扰效应，并提高相邻频段内同时发送/接收操作的潜力。

4.3.8 发射机/接收机系统

未来的发射/接收系统需要改进的互操作性、自恢复性、效率和操作的灵活性。未来的超视距收发器应该尽可能支持商业Ku波段和军用Ka波段的连接。海军的Triton和陆军的“灰鹰”等项目已经在朝这个方向努力。这样的硬件结构将最大化各类操作环境下的灵活性，并提高在对抗环境下的系统自恢复性能。无人传感器平台利用多波段终端的挑战往往不是技术上的限制造成的，而是由预算约束。但是，这类系统的周期成本低于仅使用Ku波段平台的周期成本，因为它

需要不断依赖昂贵的商业卫星通信带宽以支持业务。此外，所有的平台都应该考虑采用多波段视距收发器。该策略能够为可能存在竞争的卫星资源提高另外的连接方式，提高连接的多样性和自恢复性，并能够链接到未来的地面和空中（例如，联合空中层网络（JALN））中继节点。

4.3.9 无人海洋系统通信

4.3.10 频谱考虑

电磁频谱是在国家和国际层面严格管控的。开发人员应该在敲定通信系统设计之前，保持与国防部频谱办事处保持密切联系。

无人地面系统的远程遥控要求在视距和超视距条件下进行协调，进而提供对战场的态势感知和侦察。对受限空间进行实时成像则要求大带宽。因而，频谱的可用性是无人地面系统执行各种任务的关键。

DARPA的下一代无线网络计划表明了动态频谱接入的可行性。基于邻近系统实际使用或未使用的某些频段，动态频谱接入能够自动调节频段。该计划的难点在于：电子对抗下的脆弱性，与现有系统进行集成的代价，标准的开发（涉及法规方面），以及共站点的干扰。

4.3.11 波形

通用数据链是所有机载有人和无人平台的国防部标准波形。

通用数据链（现有5类变体）的波形参数允许终端工作在S, C, X, Ku, 和Ka 波段。其他的一些频段也正在考虑中（见图16）。当前计划要求通用数据链具有点对点的能力。近期规划中，计划加入现代密码学方案、动态自适应波形参数以及抗干扰、低截获/低检测要求。中期规划（2019年）要求具有新的网络能力（例如，自恢复与自组织，ad-hoc网络，中断容错网络以及动态多接入网络管理）。

长期规划（2020年后）将发展基于自主策略的网络管理和认知通用数据链。

图16 可能支持的频段范围

4.3.12 MIMO系统

MIMO是一种成熟的技术，目前被应用在商用的第四代（4G）移动无线系统。测试的数据传输速率高达300 Mbps。MIMO结合了信息论、前向纠错编码、信号处理和传播理论等多项内容；因此，MIMO和空时编码的数学是非常复杂的。MIMO使用多径传输（虽然它们不一定是独立的），每条路径以更低的数据率进行传输。利用空时编码和容量优化来获得总体的高数据传输率。评估良性和应力条件下的性能。

随着电子、接口设计和自适应协议等技术的发展，自组织和自修复网络将使得未来的无人机系统能够在多平台、多传感器网络中工作。

4.3.13 电磁环境效应

4.3.14 光通信

在无人系统通信中使用激光通信可以提高目标检测能力，提高抗干扰性能，提高稳健的LPI/LPD，并降低通信子系统之间的电磁环境干扰。光通信系统的发展受到了大气吸收的阻碍，但是它们提供更大的带宽（每秒数Gb）能力。视距光连接已经成功地展示在链路范围超过50公里。可以应用于固定位置、空对空船对船的场景。理论估算表明，在斜距高达100公里的条件下，空中到地面的链接速率高达100 Mbit/s（取决于大气条件）。由于这种系统极窄的波束宽度，保持定位精度和移动的无人系统将是一个重大的挑战（2020年之后）。最近完成的DARPA项目“自由空间光学实验网络实验”，采用混合光纤/射频通信技术和显示空对空（> 200公里范围内；数据率为3 GB /秒到6 GB /秒）和空对地（> 130公里距离；数据率为3 GB /秒到9 GB /秒）的点对点通信。

4.3.15 先进导航技术的发展

DARPA正在研究两类运动学（即，没有力平衡）的先进导航策略，预计可以提供显着的改善效果。

高精度惯性导航系统（PINS）计划旨在利用超冷原子干涉仪作为一种替代GPS的方案。在过去的二十年中，原子物理学的进步使得科学家们能够更好地控制原子的外部量子态，包括人为生产来自超冷原子的物质波。这种进步使得物质波干涉技术（包括高精度原子加速度计和陀螺仪）可以用来测量作用于物体上的力的大小。该计划旨在利用这种技术来开发一个惯性导航系统，该导航系统应该有极低的漂移率，从而解决许多科学和技术的难题。由于这种创新完全是一个惯性系统，它将不需要与平台之间进行输入输出，从而使得不依赖外界信息的惯性导航系统具有接近GPS的精度，在未来军事潜艇，飞机，导弹可以广泛应用。

该计划已经开发了改进的重力梯度仪，加速度计，陀螺仪，即原子在参考一个近乎完美的惯性系（无传感器的情况下）和激光/原子物理的相互作用确定惯性框架和传感器之间的相对运动。利用光学波前来确定相对运动，进而决定了传感器的高精度。

高动态范围原子（传感器）（HiDRA）计划旨在开发用于动态平台的紧凑型传感器。其中，惯性测量单元（IMU）将提供20米/小时的精度。相比于传统的

传感器，它能够为加速度计和陀螺仪的提供一种共用技术，在高G值环境中具有高灵敏度和线性度，且制造和维修成本低。与PINS II传感器相比，高动态范围原子能够提供用于多轴，高操作，紧凑的传感器头，集成激光系统/传感器头，现场可编程门阵列计时系统的高重复率操作，原子捕获，短调制周期的散射光抑制，以及多脉冲分束器（可选）。

4.3.16 GPS性能改进

国家地理空间情报局已经出了高精度的估计和预测的轨道和时钟（EPOCHA）实时软件来对GPS轨道/时钟进行估计。这使得许多平台的更高精度的GPS定位成为可能。利用国家地理空间情报局的EPOCHA产品能够提供更多的当前高速率信息来提高位置估计精度。这种概念已经在后处理中进行验证，并且结果证实了精度的提高。是否将其纳入现有的或未来的系统中仍处于探讨阶段。

EPOCHA对军用平台的实时支持的初始作战能力为2014年度，具有5分钟的消息更新率。全面作战能力（FOC）预计在2016年度，具有30秒的消息更新率。

许多无人系统通过GPS进行定位、导航和定时。目前，国防部要求GPS具有可选择性的反欺骗模块，该模块通过GPS数据加密和卫星身份验证提高了GPS 的稳健性。在不久的将来，军用GPS将升级为M码GPS。M码信号提供了更好的抗干扰性能，增强了身份验证、保密性和密钥分发功能。与之前的系统不同，M码GPS可以独立利用M码信号来进行定位、导航和定时，而不必依赖于GPS 来定位。

4.3.17 成本效益考虑

4.3.18 未来发展方向

由于无人系统为作战部队带来的巨大力量，可以预计其通信系统能力将有一个持续不断增长的需求。这些需求包括，一个操作员能够对多个情况进行实时分

析，而无人系统则自主执行许多分配的任务。未来的通信设备必须是简单的即插即用的载荷，能够容易、快速、低成本地修改/更新和/或升级，并具有全球连接能力（例如，网关，数据中心）确保从任何国防部授权的用户中快速发现和利用任务信息。

4.3.19 移动技术

移动技术的目标在于快速现成的政府应用开发；计算平台向平板电脑和智能手机过渡；4G蜂窝基础设施传播情报，数据和语音传输。通过使用商业开发和支持的设备，能够大大节省经费。

4.3.20 总结

未来无人系统通信基础设施面临的挑战可以采取以下几步措施。（1）通过集中化管理来降低无人系统的耗费。指挥、控制、通信和计算机的运输和网络建设的集中化管理能够利用有限的系统资源极大提高系统的效率、降低成本。多系统资源的共同管理，会使得传感器平台具有网络冗余备份，应变能力，以及路径的的多样性。还保证了发射与回收的灵活性。（2）协同工作能力应该是在考虑未来架构解决方案的负担能力的关键因素。该结构要求现有系统从封闭式的冗余方案转向利用现有企业的卫星通信，网关和地面网络资源。常见的IP调制解调器（例如，JIPM）应该成为提供以网络为中心的系统能力的标准。未来的商业服务应该通过更多的创新战略采购（例如，FSCA租赁，商业网关访问点）。（3）此外，通信资源可以通过使用军事Ka波段来扩大频谱资源范围，以及利用航空网络功能，如JALN。

开放标准和接口定义是降低无人系统通信设施协同工作难度的关键。通过实施开放标准和政府拥有的数据权限，将促进共同组件的利用，并促进异构无人系统平台的重用。利用国有企业的资产（例如，WGS，国防部企业网关，DISN核心）将有助于统一通信基础设施。

图17总结了无人系统通信体系结构与所提出的解决方案。通过使用共同的控制和数据分发系统，新的基础设施使得各种无人系统平台之间具有更大的协同工作性能。自主修复性能能是通过使用多波段终端和通用接口来进行改进的，这

种改进的自恢复性允许访问国防部和商业卫星资源，以及企业网关和一些商用无线设施的微小连接点。这一架构中的国防部资产的利用率的增加抵消商业资源的要求，提高了效率，降低了运营成本。

图17 无人系统目标架构

图18 总结了无人系统的通信系统，频谱以及自主修复性的发展目标。

期望的性能近期目标：

支持非洲与太平洋地区的无人

系统连接至通信站点；

全球的统一视频分发服务能

力；

安全的微型数字数据链；

动态频谱接入；

减少芯片数量；

Ka波段终端；

单片收/发器；

氮化镓技术；

先进MIMO的技术；

通用通信架构下的综合网关；

中期目标：

多聚焦（多波束）超冷

天线；

共形相控阵天线；

标准的多波段收发器；

云端数据中心；

从超视距网关能力向企

业网关(由覆盖区域外的

复杂网关补充)过渡；

终端硬件升级为Ka波段

或多波段。

长期目标：

先进的误差控制技

术；

更先进的MIMO配

置；

网络路径多样性；

光通信；

带有数字中频设备

间传输功能的商业

网关入网点

图18 无人系统的通信系统，频谱以及自主修复性的发展目标