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（HVAC）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4.3.12MIMO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300Mbps。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100Mbit/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3GB/秒到6GB/秒）和空对地（130公里距离；数据率为3GB/秒到9GB/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