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现代空中交通管理报告
无人机通信及发展现状与技术难点分析
院（系）名称
电子信息工程学院
专业名称
电子与通信工程
学生姓名
学号
指导教师
无人机通信及发展现状与技术难点分析
摘要
无人机在现代战争中的作用越来越重要，无人机的发展也处在快速增长期。
通信系统是无人机关键组成部分，有着不可替代的作用。
本文主要讲解无人机通信的发展及现状，以及相关技术难点和发展趋势。
文章分为四个部分：
第一部分介绍了无人机和无人机通信，给出了本文所要讲解内容的背景和基础知识；第二部分为无人机通信系统的发展及现状，介绍了几种典型的无人机通信系统；第三部分分析了无人机通信中的关键技术及难点；最后，在第四部分对无人机通信系统的发展趋势做出展望。
关键词：
无人机无人机通信关键技术技术难点发展趋势
1.无人机和无人机通信
1.1无人机及其发展
无人机是无人驾驶飞机的简称（UnmannedAerialVehicle），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机，包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。
无人机的发展得益于军事需求，最早的无人机出现在一战期间。
在无人机的整个发展历程中，里程碑式时间有：
1917年：
美国为第一次世界大战而研制了凯特灵（Kettering）“空中鱼雷”号木质无人机。
1935年：
英国，DH.82B蜂王号（DH.82BQueenBee）使得无人机能够回到起飞点。
1944年：
德国，复仇武器1号（V-1RevengeWeapon1）速度达到每小时470英里的无人机。
1986年：
美国，先锋（ThePioneer）RQ-2A，为战术指挥官提供了特定目标以及战场的实时画面，执行了美国海军“侦察、监视并获取目标”等各种任务。
1994年：
美国通用原子公司（GeneralAtomics）在1994年制造了MQ捕食者无人机。
升级版机型能够携带武器并攻击目标，用于伊拉克战争和阿富汗战争。
2009年：
洛克希德马丁公司附属公司臭鼬工厂（SkunkWorks）设计了RQ-170哨兵（Sentinel）无人机。
在阿富汗的“持久自由行动”初次部署，飞行高度经常达到50000英尺。
无人机经过几十年的发展历程，从技术角度看已经比较成熟。
其成本低，易操纵，具有高度灵活性，能够携带一些重要的设备从空中完成特殊任务，比如空中监测、空中监视、空中转信、空中喊话、紧急救援等。
随着民用无人机产品在全球个人消费市场的销售规模出现几何式的发展。
无人机现正朝着模块化、标准化、多样化和系列化的趋势发展，其应用范围广泛，前景非常好。
1.2什么是无人机通信
通信系统是无人机非常重要的组成部分，是无人机对外联系的神经网络，维系着空中的无人机与地/海面控制站及其它地/海/空作战单元之间的信息交换，满足无人机平台监控、传感器监控、传感器数据、任务执行、起降控制等信息传输需求。
提供有效可靠的通信是提高基于信息系统的体系作战能力的基础，无人机通信系统在未来的信息化战争中将扮演越来越重要的角色。
无人机通信技术随着无人机作战使用方式的变化和通信技术进步而不断发展。
早期的无人靶机任务简单，不需要外部通信联络。
20世纪60年代，无人机开始作为单平台在实战中应用。
为了解决无人机飞行过程中的实施操控问题，装备了地空视距通信链路，地面操作员完全依赖空地视距通信链路实现对无人机的控制。
随着无人机载荷能力的提高，作战范围的扩大以及宽带数据链技术，卫星通信技术的发展，无人机开始装备宽带数据链和卫星设备，满足其全球范围作战及大容量信息传输需求。
近年，无人机正作为一种新的航空飞行器在一些国家的空域系统飞行，并且通过装备的民航通信设备实现和空中交通管制（ATC）的通信联络。
1.3无人机通信扮演的角色
通信系统对于无人机来说就是“放风筝的线”。
对于无人机来说通信系统是无人机与地面控制站联系的手段，只有确保链路的安全和正常运作才能完成对无人机的精确控制。
在大多数无人机坠机事件中，与地面的通信链路中断是主要原因。
链路受到干扰问题也是非常严重的，无人机可能做出错误的判断，甚至坠毁。
同时，收集战场信息并且传到指挥中心也是无人机的重要任务，这就加强了对通信链路的要求。
这些要求包括稳定性，大带宽，高速率等等。
可以说没有通信系统就不会有今天无人机的广泛应用以及未来的普及。
2.无人机通信系统发展及现状
按照无人机的类型以及执行任务的不同，无人机通信系统可以分为：
小型战术无人机通信系统；中高空长航时无人机通信系统；高空长航时无人机通信系统；无人作战飞机通信系统。
1.小型战术无人机通信系统
小型战术无人机的作用距离一般仅在视距范围内，如“影子”200、“猎人”等，主要执行侦察任务为主。
无人机有限的机载动力和有效载荷负载能力，限制了机载硬件的使用。
载荷主要为简单的、小型化的光电侦察载荷，为地面作战人员提供视距外的战场情况。
通信系统一般仅有1-2条视距通信链路组成，而且之前还有一些小型战术无人机使用的是模拟数据链，近期才更换成数字数据链以提高频率利用效率。
以“影子”200无人机为例，其通信系统包括UHF、S频段窄带视距链路和C波段宽带视距数据链[1]，其中，UHF、S频段视距链路用于指挥控制信息传输，链路速率几十kb/s，C波段视距数据链传输指挥控制信息和传感器数据，速率可达2.2M/s。
“影子”200无人机通信系统设备组成如图1所示。
图1：
CompositionofShadow200communicationsystem
2.中高空长航时无人机通信系统
中高空长航时无人机的飞行高度一般在7～8km之间，典型平台为美军的“捕食者”无人机，主要用作侦察打击一体化任务，其次是用作情报收集[2]。
此类平台除了视距链路外还需要配置卫通链路以支持其全球作战。
捕食者无人机上配备的主要通信系统包括5.25～5.85GHz的C频段的视距数据链和12.5～18GHz的Ku频段卫通数据链，并配有30～512MHz频段的ARC－210超短波电台，用于空管话音中继通信和指控备份。
其中C波段下行速率4.5Mb/s，Ku卫通下行速率最高可达50Mb/s。
在起飞和着陆阶段，发射与回收单元通过C频段视距通信链路进行控制;在离地面站150nmile的视距范围内，地面站主要使用C频段视距数据链对无人机进行操控或由无人机自主运行;而在无人机进入超视距范围时，地面站则主要使Ku频段的卫通数据链。
对于捕食者无人机，由于美军主要采用远程分工操作的模式对其进行操作，也就是实施控制的操作员位于美国本土，因而Ku频段的卫通数据链是捕食者无人机最主要使用的数据链。
捕食者无人机通信系统设备组成如图2所示。
图2：
CompositionofPredatorcommunicationsystem
3.高空长航时无人机通信系统
高空长航时无人机飞行高度在18km以上，飞行时间不少于24h。
在未来战争中，将成为获取战略情报的重要手段之一。
高空长航时无人机典型的平台是美军“全球鹰”无人机，其平台的空间和载重量更大，搭载的航空电子设备和载荷也更多。
“全球鹰”是全球第一架具有自主控制功能的高空长航时无人机，是美国获取情报、监视与侦察（ISR）信息的重要装备。
“全球鹰”的机载综合化通信系统（AICS）可为“全球鹰”无人机提供5条通信链路，包括3条窄带链路和2条宽带链路。
AICS系统装有L-3公司开发的综合化通信系统（ICS），包括1条8～12.5GHz、与CDL兼容的、全双工、宽带、空地数据链，1条12.5～8GHzKu频段、全双工、宽带卫星通信链路以及3条0.3～3GHz、具有冗余功能的、用于指挥/控制的、全双工、UHF卫星或视距链路。
其中，UHF卫星通信是“全球鹰”无人机指控信息传输的主要链路，为确保其可靠性，采用了冗余配置；ICS由一部共用机载调制解调器组件（CAMA）、一部卫通无线电频率组件（RFA）、一个高压电源（HVPS）、一个大功率放大器（HPA）、一个卫通天线、一个视距RFA、一个视距双频段天线、2个UHF接收机/发射机、2个功放、2个LNA/天线共用器组成。
它可为“全球鹰”提供全套的视距通信及卫星通信能力。
“全球鹰”综合化通信系统（ICS）设备组成如图3所示。
图3：
CompositionofICS
4.无人作战飞机通信系统
世界上各个军事强国都预见无人作战飞机在未来战争中将扮演重要角色，因此纷纷研发各自的UCAV。
美军的主要无人作战飞机包括“火力侦察兵”武装无人机、X－45无人作战飞机、X－47无人作战飞机等。
“火力侦察兵”武装无人机通信系统主要包括战术通用数据链（TCDL）和UHF链路，采用TCDL将作为控制站与飞行器之间的首选数据链，这是一种Ku频段、全双工的数字RF数据链，下行链路使用原有通用数据链（CDL）波形，速率为10.71Mb/s;上行链路采用扩频方式，速率为200kb/s。
UHF作为备选数据链，使用ARC－210UHF/VHF电台，工作频率为225～399.975MHz。
X－45和X－47无人作战飞机（UCAV）是美国空军和海军分别发展的主要无人作战平台，都非常强调其协同作战能力。
X－45通信系统主要包括Link－16、ARC-210等视距链路，以及UHF卫星通信、军事星中数据率（MDR）信道和高数据率（HDR）信道、转型通信系统（TCS）等卫星通信链路，未来将扩展机间数据链（IFDL）。
空军把Link－16作为其视距（LOS）通信的首选链路，备用链路为ARC－210，未来则IFDL实现。
而对超视距通信需求则分为近、中、远期三个阶段，其中近期重点是获得2～4kb/s的UHF卫星通信;在中期，将利用军事星MDR信道和HDR信道传输SAR目标信息，速率为1Mbit/s;在远期，如果UCAV系统正式投入使用，UCAV系统将与转型通信系统（TCS）集成，包括无人机的指挥与控制和SAR目标数据的传输。
X-47通信系统主要包括CDL－N/TCDL、Link-16、VHF/UHF数据链、机间数据链等视距链路，以及AEHF收发信机、Ka频段商用卫星等卫星通信链路[3]。
海军将选择CDL－N/TCDL作为无人作战飞机首选LOS通信数据链,要求使用多平台通用数据链（MP－CDL）网络操作，此外还将使用Link－16作为对舰船通信的备用链路（还可能用于机间通信），低概率检测和低截获概率及抗干扰（LPD/LPI/AI）的机间数据链以及用于指挥控制与话音中继VHF/UHF数据链。
海军可选用支持单信道与多信道（宽带约10～12Mb/s）操作的小型AEHF收发信机、Ka频段商用卫星、CDL－N/TCDL（Ku频段）实现机载通信中继;使用自适应通信节点（ACN）和MP－CDL实现组网功能;使用UHF军用卫星进行无人机指挥控制的备份;并且使用VHF/UHF链路实现空管控制功能。
X－47未来通信系统设备组成如图4所示。
图4：
CompositionofX–47communicationsystem
3.无人机通信中的关键技术
3.1无人机通信关键技术
无人机通信系统的设计基本上是按照“给定频带和平台所允许的尺寸，质量和消耗的电力，实现通信距离x数据速率的最大化”。
无人机通信技术的主要内容是关于带宽，频率及信息数据流的灵活性，适应性以及基于认识的适应控制能力[4]。
主要技术有下面几个：
1.数据链技术
战场信息主要采用数据链作为传输方式。
数据链在传感器、指控系统和武器平台之间实时传输战术信息,是满足作战信息交换需求的有效手段。
数据链是现代信息技术与战术理念相结合的产物,是为了适应机动条件下作战单元共享战场态势和实时控制的需要,采取标准化的消息格式、高效的组网协议、保密抗干扰的数字信道而构成的一种战术信息系统。
飞机数据链的传输速率和处理能力可以扩大未来无人机的能力。
目前的情况是,机上数据中继到地面,由地面设施对传回的数据按需要进行处理。
而随着技术的发展,机载处理能力将超过数据链能力,无人机有可能将这些数据的处理结果中继到地面以供地面做出决定。
这样无人机通信对于数据速率的要求尤其是像图像采集等特定应用将会减少。
为了提高现有频谱利用效率,美军无人机通信中采用了功率控制、数据压缩、频带选择技术。
对于无人机通信,系统要尽可能少地发送数据量,比如,可以尽可能使用数据率与任务要求的通信量相匹配的调制解调器。
同时为了减少数据量还可以使用高效的压缩技术。
例如,使用H.264压缩和高性能FEC编码,用3Mbps调制解调比特率就能传输30fps标准分辨率视频。
美军在无人机路线图中，着重阐述了通信拥堵问题及其解决方法，并明确指出数据压缩只是解决带宽不足的权宜之计，并认为光学数据链，也称激光通信技术，所提供的数据速率比最好射频系统的数据速率要高2～5个数量级,确保激光链路能够被捕获和维持的关键技术还有待进一步突破。
与传统射频数据链相比,光学数据链在带宽、重量和抗干扰方面更具优势。
光学数据链具有重量轻，对功率要求低的特点,使它非常适合应用于无人机通信，但目前技术还不十分成熟，离实际应用还有一定的差距。
中继技术属于无人机数据链技术，对于无人机通信尤为重要。
当无人机超出无线电视距范围时，就需要采用中继方式实现与地面指挥站间的通信。
按照中继转发设备所处的位置不同可以分为地面中继和空中中继。
地面中继转发设备置于地面控制站与无人机之间的制高点上；空中中继转发设备置于空中中继平台上，空中中继平台与任意无人机间采用定向天线，并且通过数字引导或自跟踪方式确保天线波束彼此对准。
相比地面中继而言，空中中继的成本要高一些。
按照中继设备的不同，空中中继又可以分为飞机中继和卫星中继，示意图如图5,6所示：
图5：
Planerelay
飞机中继方式采用飞机作为中继转发设备，由地面站、中继飞机、任务无人机群构成超视距通信网[5]。
特点是移动速度快、机动性高、电波受空间限制少并且成本低，但考虑到无人机的抗打击能力不强，采用这种中继方式不是太可靠。
图6：
Satelliterelay
卫星中继方式采用通信卫星作为转发设备，无人机上要安装一定尺寸的跟踪天线，机载天线采用数字引导指向卫星，采用自跟踪方式实现对卫星的跟踪。
相比较无人机中继方式而言，卫星中继的覆盖范围更广，并且卫星的信道性能较稳定，可用频带宽，通信容量大。
2.MANET网络技术
移动自组网简称MANET网络（MobileAdHocNetworks）,是由具有无线通信能力移动节点组成的,具有任意和临时性网络拓扑的动态自组织网络系统。
MANET的节点可以快速地移动,必须既可作为主机又可作为路由器。
作为主机,终端需要运行各种面向用户的应用程序;作为路由器,终端需要运行相应的路由协议,根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由维护工作。
在MANET网络中,节点间的路由通常由多个网段（跳）组成,由于终端的无线传输范围有限,两个无法直接通信的终端节点往往要通过多个中间节点的转发来实现通信。
所以,MANET又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。
在部分通信网络遭到破坏后,这种分布式控制和无中心的网络结构能维持剩余的通信能力,确保重要的通信指挥畅通,因而具有很强的鲁棒性和抗毁性。
美军全球鹰和捕食者无人机,其自身就具备支持MANET网络的能力。
对于MANET网络技术中,最主要的技术难点就是路由协议、服务质量和安全问题。
3.2无人机通信面临的问题及潜在解决方案
1.无人机通信难以获取足够的频谱和带宽资源。
近年来，随着无人机在各种场合的大量使用，由频谱保障所带来的问题层出不穷。
无人机正遭受来自频谱资源短缺和传输数据带宽不足所造成的严重威胁。
频谱资源是非常宝贵的，同时也是属于一种战略稀缺资源。
以大型侦察机为例，仅通信系统传输一路图像就至少需要6Mhz频谱资源，并且往往需要同时传输多路信号。
海湾战争中仅“全球鹰”无人机消耗的频谱资源为美军其他用频装备的5倍。
在“沙漠风暴”行动中美国国防部的卫星提供的带宽仅为所需带宽峰值的75%。
盟军部队联合作战时签订的商业卫星带宽租赁合同超过200亿美元。
那么有什么潜在的或者说可行的解决方案呢？
我们第一时间想到的就是获得更多的频谱资源，然而全球频谱分配是有相关条约和国际协议控制的，具体流程由世界无线电通信会议管理，流程非常复杂。
另一方面从商用资源购买或租赁是非常昂贵的，并且存在安全隐患。
我们认为首先可以考虑的是从技术角度解决问题，第一点就是需要依赖于电磁频谱技术的发展，比如利用光学数据链（激光通信）等新兴技术。
激光通信的带宽可能达到RF的2到3倍，重量比RF系统经30%到50%，并且中断率低，具有抗干扰性[6]。
第二点是利用具有超高速计算能力的计算核心，将信息的初步处理和无人机的行为决策更多的交给无人机本身。
这样做将会降低整个通信链路的负担，并且进一步提升无人机的智能化。
2.来自通信安全性方面的挑战。
我们知道通信链路是无人机系统操纵的主要途径，而无人机系统对电磁波干扰非常敏感，一旦受到干扰，就可能会导致产生错误的控制指令，致使无法执行任务，甚至可能失控坠机。
数据显示美军采购的269架捕食者无人机，已有48%在事故中坠毁。
其中大部分与通信故障有关。
可见无人机通信技术成熟度是非常差的。
那么有哪些潜在的或者说可行的解决方案呢？
我们认为第一个还是利用技术手段，在技术层面上合理采用抗干扰技术,如采用自适应干扰抑制，混频扩频等技术。
另一方面为了应对指挥与控制潜在的不可预料中断，无人机系统都应该有相关预编程序和自主返回地面的预案。
比如一旦与控制台的通讯中断就原地待命或者借助导航系统返回基地等等。
这一点已经在美军现役无人机上实现，但是效果不是很好，相关软件还需要进一步完善。
4.无人机通信的发展趋势
从无人机通信系统的组成,功能，特点和发展情况分析，未来无人机通信系统有以下发展趋势。
（1）构建无人机通信系统
美军提出大力发展无人机通信体系的要求，建立以网络为中心的通信体系[7]。
特别是高空飞行的无人机，例如“全球鹰”和“捕食者”，由于其覆盖范围很大，因此容易发展成网络“中枢”，或者发展成组网系统。
只有发展组网通信能力，以便更好地提高其通信能力、稳定性、可靠性、互连能力等。
（2）通信系统综合化、一体化
从现代典型的军用无人机来看，只有“全球鹰”无人机采用了综合化通信系统。
随着无人机越来越多的应用于实战，无人机搭载的任务载荷和通信手段越来越多，机载设备以及跨越频段的不断增多。
这就要求未来的无人机通信系统采用模块化，尺寸大小可变设计，适应多种平台搭载需求。
（3）对通信链路的安全性要求越来越高
无人机的使用环境越来越恶劣，主要原因有无人机数量的急剧增加，以及敌方的电磁干扰等等。
这就要求通信系统具备更加良好的电磁兼容性和低拦截率，抗欺骗能力和足够的抗干扰能力。
只有这样才能保证无人机在恶劣战场环境中稳定，可靠，安全的工作。
（4）通信系统通用化，标准化，网络化
未来无人机通信系统将会逐步实现通用化，系列化，网络化。
实现多机兼容，系统工作以及互联互通工作。
随着网络中心战的发展，无人机将能接入全球信息栅格网，并且成为其中的一个关键。
总结
本文主要介绍了无人机及无人机通信的发展，无人机通信的关键技术以及技术难点，无人机通信面临的挑战和潜在解决方案，最后是无人机通信的发展确实。
通过这篇文章，本人对无人机及无人机通信有了更深入的了解，包括技术方面和发展形势，有助于以后的进一步研究和认识。
参考文献：
[1]UnmannedAircraftSystemRoadmap2005–2030[s].WashingtonDC:
OfficerofTheSecretaryofDefense,2005.
[2]沈亮，欧阳平。
捕食者系列无人机特点及其发展经验[J].飞航导弹，2012（12）：
33-36.
[3]关中锋。
美军无人机通信系统发展现状及趋势。
通信技术，2014.10
[4]邹湘伏，何清华，贺继林。
无人机发展现状及相关技术。
无人机，2010
[5]王俊，周树道，程龙，朱国涛。
无人机数据链关键技术与发展趋势。
无人机，2012
[6]曹秋声，张会军。
高空长航时无人机发展特点及技术难点探讨[J].中国电子科学研究院学报，2008（01）
[7]UnmannedSystemsIntegratedRoadmapFY2011-2036[S].WashingtonDC:
OfficerofTheSecretaryofDefense,2011
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