无人机通讯链路系统

（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：1、项目的立项依据（1）研究意义低空无人机(UnmannedAerialVehicle缩写UAV)也称为无人航空器或遥控驾驶航空器，是一种由无线电遥控设备控制，或由预编程序操纵的非载人飞行器。无人机具有机动灵活的特点，它体积小，重量轻，可随时运输和携带。它对起降的要求低，随时飞降。无人机一般在云下低空平稳飞行，弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷。除了具有广阔的军事应用前景外，用无人机替代有人飞机执行高风险任务，也是当今国际航天领域一个重要发展方面。特别是在近几年国际局部战争中无人机被大量地使用，可以预见在未来战场上无人机用途将越来越大，已经成为世界各国武器装备发展的重点。同时，无人机作为一种技术含量高、使用性能好、发展前景广阔的空中飞行器，在民用领域亦可完成防灾减灾的灾害评估、地质勘测航拍、警用高速公路巡查、森林防火、海事巡逻、大型露场演出航拍等多种任务。但随着机载任务设备（干扰器、雷达等）的不断完善和增加，地面终端与机载平台之间的数据交互量也在也在逐步提高，为了实现数据的可靠交换，提高数据传输速率，必须建立完善的数据链系统。利用数据链进行通信，具有传输速率快、抗干扰能力强、误码率低等优点。与传统的通信方式相比，它能极大的提高信息处理能力,并且最大限度的保证信息的完整性。无人机数据链是无人机系统的重要组成部分,是飞行器与地面系统联系的纽带。随着无线通信、卫星通信和无线网络通信技术的发展,无人机数据链的性能也得到了大幅度提高。但是，目前无人机数据链系统采用的调制模式都比较简单，如2FSK、BPSK、OFDM技术、直接扩频技术等，传输速率与抗干扰能力有限；在现代电子战环境下，无人机数据链系统需要进行超大容量的信息传输，针对性的电子干扰信号，以及信息的传输方式，因此，增强抗干扰性能、及时准确的传输数据以及信息传输绕射能力仍然是无人机数据链系统有待解决的重要研究课题。因此加强对无人机数据链路系统的研究对我国低空领域的发展有着至关重要的意义。本课题拟针对无人机通讯链路系统，吸取国外先进经验，结合国情和人文习惯，重点研究基于单载波频域均衡技术(SC-FDE)的数据链路系统，并对影响无人机的通信的电磁干扰、复杂地形等关键技术进行研究。（2）国内外研究现状我国目前最常用的数据链系统是80年代初研制的数传/导航兼备系统。该系统由机载设备和地面设备构成。数据引导与塔康设备兼容，数据率为600bps，调制方式为ASK。其工作方式为：地面台以广播方式发出带地址码的指挥信息，机载台按地址接收各自的信息，并在接收后经一定的延迟向地面台发回复信息。机载台把接收的信息经译码得到指令，再由码声器转化为声音指令，对重要信息还同时使用综合航向指示器的航向指令针、敌情指示器、双针高度表、双针速度表显示。该链路存在一些不足如：不能传输话音、数据率低、不具备抗干扰能力，地面设备易受攻击等。到目前为止，美国己经研制出TLinkI,、LinkII、LinkIII、Link4、Link11、Link16等多种战术数据链并装备了部队，现在又在着手研制和完善Link16A和Link220。目前美国军方使用较多的仍是Link4A，因为它符合数字信息链路(TADIL)C规范，Link4A一般由控制站终端分系统、传输分系统和受控站终端分系统组成。如图1所示。一个典型的Link一4A系统终端分系统包括UHF无线电设备、调制解调器、密码设备、计数据处理器和用户接口设备，它的组成框图如2所示。Link—4A使用一个时分多址技术在单一频率上连接不同单元，交换目标信息，在单一射频载波上按串行时分复用的方式进行传输，所传送的各个信息以一个序列的时分为基础。由控制站产生并发送的信息称为控制信息，而返回控制站的信息称为应答信息。在使用Link—4A的所有系统中，控制站终端和受控站终端都用半双工模式工作。但控制站终端必须具有全双工操作的能力。系统使用这种能力进行联机性能监测。控制站数据终端设备提供战术数据系统使用的通用数字计算机和用于发送和接收Link—4A控制信息和应答信息的无线电设备之间所需的接口。控制站数据终端设备可以使用Link—4A对机载惯性导航系统进行校准。当按这种功能操作时，数据传输是单向的。这时，控制站数据终端设备能用专用定时进行操作，即产生14ms±0.07ms帧发送周期及2ms±0.01ms帧接收周期的网络帧定时间隔。控制站数据终端设备能转换到14ms或18ms的帧定时，作为处理测试信息或监测控制信息所要求的时间间隔。控制站数据终端设备还能完成Link—4A网定时、控制信号产生和差错检测、应答信息处理、与计算机的数字数据交换、测试工作方式和无线电控制等功能。总的来说，我国自己在无人机方面的研究主要是侧重于图像的传输、飞行的控制等问题，而对无人机通讯方式相对较少，目前处在学习试验次级阶段。此外，我国关于图像的传输延迟、传输距离等问题对低空小型无人机发展的影响，有关高等院校科研单位已有较多研究，而对于无人机通讯链路等问题的研究较少。（3）参考文献[1]李芸等.小型无人机空地数据链系统的应用研究[J]微处理机,2006(3):87-89[2]崔瑞琴.数据链及其发展应用[J].地面防空武器，2006（2）.[3]刘崔海.美军战术数据链的发展及作战运用[J].电讯技术，2007（10）.[4]王永寿.无人机的通信技术[J].飞航导弹，2005（2）.[5]仵敏娟.无人机数据链的关键技术研究[D].西安:西北工业大学,2007．[6]MarkGordo,ShayneKondo,Dr.ErieCorban,Dr.DanSchrage.RotorcraftAeriaRobo--ChallengesandSolutions[J].DigitalAvionicsSystemsConference1992:1993IEEE:298--305[7]EdwardsKL.Air-to-groundtargeting---UAVS,datalinksandinteroperability(ProjectExtendor)[J]AeronautiealJournal，2004，108(1088):493--504[8]邱金刚，陈自力无人机数据链信道的Turb。均衡[J].测控技术，2005，35(7):33-35[9]李芸，高超，钟诚文等.小型无人机空地数据链系统的应用研究[J1.微处理机，2006，(3):87-89[10]廖长清，龚诚.航空战术数据链系统及关键技术研究的探讨[J].航空电子技术，2005，36(l):11-15[11]MurphyMichaelJ,DonaldsonMark.Digitalmicrowavelinkforunmannedvehicles[C].AUVSI’s,UnmannedSystemsNorthAmerica2005.Baltimore,MD,UnitedStates,2005:1029--1040[12]ScottWilliamT,KingDebbie,MaschinoMike.InformationassuranceintheUAV/UCAVenvironment[C].AUVSI’s,UnmannedSystemsNorthAmerica2005.Baltimore,MD,UnitedStates,2005:1307—1302[13]王斌华，薛敏彪，胡永红等.无人机无线电数据链自动测试系统方案设计[Jl.计算机测量与控制，2005，13(2):103-05[14]SHAFIA.DIAMONDS-DistributedAgentsforMobileandDynamicServices[C].LaJolla,California:InProceedingsoftheCHEP03,2003:24-28.[15]CassStePhen.Hardwareforyoursoftwareradio[J].IEEESpectrum,2006,43(10):51-5.[16]UNMANNEDAIRCRAFTSYSTEMSROADMAP2005-2030[J].OFFICEOFTHESECRETARYOFDEFENSE,2005[17]韩玉辉.无人机测控与信息传输有关系统问题探讨[J].无线电工程,2008,8[18]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法.科学出版社,2008[19]高同跃,龚振邦,罗均.超小型无人机数据链的现状,飞航导弹,2005(9):53-55[20]石海天,田军生,张丽琴.我国无人机发展现状与思考.尖兵之翼—2006中国无人机大会论文集.北京:中国航空学会,2006:1-5[21]周祥生.无人机测控与数据链技术发展综述.尖兵之翼—2006中国无人机大会论文集.北京:中国航空学会,2006:572-5752.项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题本课题主要针对无人机数据链路系统及通信信道进行研究，其主要研究内容、目标及方法路线如图1所示。图1研究内容、目标及方法路线图研究内容（1）本无人机数据传输链路系统采用引入多输入多输出(MIMO)复用技术的SC-FDE(单载波频域均衡)系统方案。该方案使用两根发射天线在同一个频率同时发射包含不同信息的两路数据，并使用两根接收天线同时进行接收。（2）基于MIMO复用技术与SC-FDE的无人机数据链路模型的建立。（3）研究出适合MIMO（多输入多输出）+SC-FDE(单载波频域均衡)系统方案的最佳信道估计算法，以便于更好的进行频域均衡。（4）在频域选择性衰落比较严重的无线信道中，判决反馈均衡(DFE，Decisionfeedbackequalization)算法比LE算法有更好的性能。在传统的DFE均衡器中，使用符号到符号的判决、滤波和直接反馈来消除随后来自检测符号的干扰结果。但是在SC-FDE系统中均衡是在频域内实现的，而在FFT块信号处理中必定存在一定延迟，所以判决反馈滤波器就不能够直接在频域中实现。因此采用一种时频混合的DFE方法，即频域均衡部分与上文的频域线性均衡一样，而反馈部分则是在IFFT之后采用传统的横向滤波器实现。这样就可以解决由于进行FFT运算而产生的延迟问题。研究目标（1）建立起基于MIMO+SC-FDE技术的无人机通讯链路的通讯模型。（2）在建立起的模型中设定映射变量，使系统适应不同场合下的应用。（3）研究出适合MIMO+SC-FDE技术的最佳信道估计算法。（4）研究无人机通讯链路系统在复杂外界环境下工作质量，提出方法提高其在恶劣环境中的信号传输质量。拟解决的关键问题（1）将基于多输入多输出(MIMO)复用技术的SC-FDE系统引进无人机数据传输链路，系统解决信号的绕射问题。（2）利用UW进行系统的信道估计和判决反馈均衡算法实现频域均衡。（3）提出在电磁干扰、复杂环境等条件下的最佳的信道估计算法。（4）研究无人机通讯链路在电磁干扰、复杂地形等特殊情况下信号传输的完整性、保密性等。3．拟采取的研究方案及可行性分析研究方案本课题主要针对无人机通讯链路系统进行实际研究，结合MIMO+SC-FDE，考虑无人机在电磁干扰、复杂地形等因素，进行关键技术研究具体方案和技术路线如图2所示，并说明如下：（1）MIMO复用方案MIMO复用方案为：发射天线T1和T2分别在同一个发射频率上同时发射包含不同信息的信号S1和S2，R1和R2则是两路信号经过信道后的混叠。利用S1和S2中的信道估计序列，分别估计出H1、H2、H3和H4，再利用它们对R1和R2进行均衡和检测，以恢复发送数据S1和S2。（2）同步方法为了从混叠的接收信号中获得同步，设计了新的帧结构。在每帧的帧头，天线1发送导频序列时，天线2发送全0信号；待天线1发送完导频序列后，开始发全0信号，天线2则开始发送导频序列；信源串/并转化QPSK调制QPSK调制数据成型数据成型分组加CP分组加CP发射天线发射天线比特流均衡信道估计IFFTIFFT并/串转换数据还原判决FFTFF