集群式无人机协同数据链技术.pdf
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1、 60 现代导航 2024 年 集群式无人机协同数据链技术 方 成(中国电子科技集团公司第二十研究所,西安 710068)摘 要:无人集群数据链是实现无人平台集群系统内部成员间以及外部控制站间进行信息交互、操作控制和任务执行的关键通信系统,针对当前集群式无人机紧迫的应用需求,设计了适用于集群信息交互的协同数据链,使其具备大规模、低时延、高可靠、全域覆盖和抗干扰等能力,并对所使用的关键技术进行分析。关键词:集群组网;协同传输;抗干扰 中图分类号:TN914 文献标志码:A 文章编号:1674-7976-(2024)-01-060-05 Clustered UAV Collaborative Da
2、ta Link Technology FANG Cheng Abstract:The unmanned clustered data link is a key communication system that realizes information interaction,operation control and task execution between the internal members of the unmanned platform clustered system and between external control stations.In view of the
3、 urgent application requirements of the current clustered UAV,a collaborative data link suitable for clustered information interaction is designed,which has the capabilities of large-scale,low latency,high reliability,global coverage,and anti-jam,and the key technologies used is analyzed.Key words:C
4、lustered Networking;Collaborative Transfer;Anti-Jam 0 引言 近年来,无人机平台已经从技术简单、用途单一的一控一无人机,发展成为能够承担监视、预警、协同探测等功能综合、高度智能化的自组织集群式无人机系统。集群式无人机不是多个无人机间的简单组合,而是通过必要的系统集成使之产生集群协同效应,从而具备执行复杂多变和危险任务的能力。因此,集群式无人机既能最大限度地发挥无人系统的优势,提高整体的载荷能力和信息感知处理能力,又能避免单一无人机执行任务时被能力所限或任务效率不高的问题1-2。协同数据链作为集群式无人 收稿日期:2023-11-10。方成(1
5、989.10),福建福州人,硕士,工程师,主要研究方向为数据链技术。机系统的神经网络,是多机协同作战的通信基础,可以支撑各种信息的快速交互共享,实现应用平台的协同感知、协同处理和协同决策,从而提高无人机的生存能力和整体应用效能。1 应用需求分析 在目前立体化的应用场景中,电磁环境更加复杂,平台数量日益增多,平台机动强度越来越高,由于单个无人机通常只能提供有限的信息,已无法满足多维数据获取需要,大规模组网、协同探测及具备抗干扰能力已是发展趋势3-4。1.1 网络抗毁需求 由于无人机平台数量众多,应用场景与使用环 第 1 期 方成:集群式无人机协同数据链技术 61 境多样,在电磁环境复杂的情况下,
6、各平台之间构成的通信网络是一个成员易受攻击、无线传输易受干扰、成员连通性易受影响、网络拓扑易被毁伤的动态信息网络。因此,要求集群网络具备自适应重构、快速入网等能力,能够自动适应由于内部和外部原因引起的网络结构变化5。1.2 协同传输需求 集群式无人机系统在飞行中,需要快速交换成员位置状态以及飞控信息,同时在执行探测任务时,要求能够实时可靠传输协同探测信息。这就要求整个协同通信网络信息传输速率不仅需要适应 kbps级至 Mbps 级变化,还要满足不同优先级数据的服务质量(Quality of Service,QoS)服务,以保证指定信息的低时延传输。1.3 抗干扰需求 集群式无人机系统应用范围广
7、、使用场景类型多、传播环境复杂多变,由于地形、地物、大气环境和自身的姿态等因素影响,加上无人机高机动的特点,通信信号本身容易出现快速随机衰落起伏,整个链路传输性能效果差。另一方面集群网络本身的开放特性,容易受到来自其他同频或相近频段的无线射频设备的信号干扰6。因此,集群式系统的组网传输需要具备一定的抗干扰能力来保证大规模组网下的有效通信。2 协同数据链系统 协同数据链系统主要由集群地面指控站与机载数据链设备组成。集群地面指控站包括集群地面指控站端机以及集群链路监控软件。机载数据链设备包括机载数据链终端与机载天线。系统组成示意图如图 1 所示。图 1 协同数据链系统组成框图 为满足在复杂环境下的
8、无人机集群协同飞行与协同探测的需求,协同数据链系统在物理层、链路层、网络层与设备层进行了针对性设计,构建了以集群地面指控站为中心的多平面协同通信网络系统。系统采用分平面的网络架构,空中平面成员可按编队为单位分成若干簇,簇内平面为自组织中心网络,每个簇自组织形成簇首成员,簇内平面信息实时广播共享,簇间通过簇首形成的簇间平面实现簇间双向信息交互,地面指控平面对簇首平面进行测控信息的分发与实时数据的接收。系统平面划分如图 2 所示。图 2 系统平面划分示意图 在物理层,采用了高速跳频、高编码增益纠错码、自适应信息速率传输、伪随机交织和自适应功率控制等多种抗干扰抗截获技术相结合,从频域和时域综合提高无
9、线通信传输时的抗干扰抗截获 能力。链路层,针对多类型业务传输的需求,在信息需求和网络资源之间,将其信息的整体集合按照信息质量映射到不同信息队列进行管理,再按照各信息流在发送队列中所占的优先级,动态选择相应的资源匹配策略,实现信息需求与网络资源的最优 匹配。网络层,采用分级网络结构,网络被分为多个簇,每个簇由一个簇首成员和多个成员组成。簇首成员间又可以组成高一级网络。在高一级网络中,还可以继续分簇,再次形成更高一级网络。簇首成员负责簇间通信的协调和管理。每个簇中还有备份簇首成员,用以提高整个网络的抗毁性。设备层,采用低差损滤波器、收发开关、低噪放、小型屏蔽腔等多种技术手段,可抑制阻塞式干扰,采用
10、开关滤波器组抑制工作频带内的干扰信号。同时采用有效的功放门控电路设计和控制方式,对脉冲信号波形进行控制,保证输出信号具有良好的频谱指标。62 现代导航 2024 年 3 关键技术 3.1 抗干扰波形传输技术 抗干扰波形采用高速跳频、伪随机交织、高性能信道纠检错码、快速帧同步捕获和行列伪随机交织等方法来实现抗转方式干扰、邻道干扰以及突发式干扰等。其中,行列伪随机交织技术可以降低信道的相关性和分散通信系统的突发干扰,抗干扰波形使用伪随机行列交织器进行交织运算,相比于常规的规则交织器(互质交织器、行列交织器、卷积交织器等),伪随机行列交织器具有良好的散乱特性,具有更优良的抗频域和时域干扰性能。抗干扰
11、波形采用时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)和频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)混合接入方式,把时间按时隙和微时隙结构划分。时隙结构如图 3所示。图 3 时隙结构示意图 时隙是时间轴上长度相等的连续时间段,是系统时的一个时间单位。每一时隙为 20 ms,每天 24 h分为 4 320 000 个时隙,时元号从 0 到 4 319 999,当时元号随着时间依次递增到 4 319 999。在每个时隙内划分为长度相等的基本时间段,称为微时隙,1 微时隙为 2 ms。微时隙是系统时划分的最小单位,也是系
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