1、引言

艦載無人機系統按功能劃分一般包括飛行器平臺、測控與信息傳輸系統（簡稱測控系統）、任務載荷系統、艦面綜合保障系統、導航飛控系統等。艦載無人機測控系統作為艦載無人機系統的重要組成部分，實現對艦載無人機的遙控、遙測、跟蹤定位和信息傳輸，主要包括數據鏈和艦面控制站，其中數據鏈系統包括測量設備、信息傳輸設備、數據中繼設備等。

無人機測控系統與航天測控系統相比有很大不同，航天測控系統主要針對大氣層外的固定軌道飛行器，無人機主要是在大氣層內飛行，測控環境復雜，而艦載無人機測控系統相比一般無人機測控系統，面臨的測控環境更為復雜，更需要注重測控系統的實時性、互操作性、抗干擾性以及適裝性。

本文通過研究艦載無人機測控系統的現有技術和新技術，對艦載無人機測控系統的關鍵技術進行綜述，主要包括艦載無人機數據鏈通信技術、艦面測控站技術和天線設計技術。

2、艦載無人機數據鏈通信技術

艦載無人機數據鏈是一種在艦面測控站、指揮信息系統、無人機之間，采用一種或多種網絡結構，按照規定的通信協議和消息標準傳遞格式化戰術信息的數據信息系統。能夠與測控站、無人機系統、指揮系統緊密結合，將地理空間上相對分散的探測單元、指控系統緊密地連接在一起，保證情報、指揮控制、無人機協同等信息實時、可靠、準確地傳輸，實現信息共享，便于指揮人員實時掌握目標區域情況，縮短了情報獲取時間，提高了指揮速度和無人機系統的協同作戰能力。

為了適應未來作戰任務、無人機平臺和任務載荷的發展需求，無人機測控數據鏈技術在數據傳輸能力、抗干擾能力、安全保密能力和網絡化等方面面臨挑戰。

2.1 高速率數據傳輸技術

無人機數據鏈的傳輸能力一般指下行鏈路傳輸速率，主要取決于任務傳感器的分辨率、幀速率、數據鏈的作用范圍、設備規模和安裝條件等。國外無人機視距數據鏈路傳輸速率一般為1.544Mbps、8.144Mbps、和10.71Mbps，能夠滿足一般戰術偵察和監視的需求。未來，隨著合成孔徑、機載預警雷達和高分辨、多光譜、多組合傳感器設備在無人機上的應用，數據傳輸速率將會達到1.48Mbps～3Gbps，甚至會更高，對無人機數據鏈的傳輸速率和容量提出了更高的要求。

為適應高分辨、多光譜、多組合傳感器的發展，必須大力提高數據鏈的傳輸能力，應加強以下方面技術的研究。主要包括 “四合一”一體化信道綜合技術；無人機視頻壓縮編碼技術；激光通信數據鏈技術。

（1） “四合一”綜合信道體制是指跟蹤定位、遙測、遙控和信息傳輸的統一載波體制,即視頻信息傳輸與遙測共用一個信道,利用視頻與遙測信號進行跟蹤測角,利用遙控與遙測進行測距。視頻與遙測共用信道的方式包括2種:一種是模擬視頻信號與遙測數據副載波頻分傳輸;另一種是數字視頻數據與遙測復合數據傳輸。采用“四合一”綜合信道體制,就要解決直接接收寬帶調制信號的天線高精度自動跟蹤問題。

（2） 無人機視頻壓縮編碼技術是指利用視頻圖像數據的強相關性，將冗余信息分為空域冗余信息和時域冗余信息，而壓縮技術就是將數據中的冗余信息去掉（去除數據之間的相關性），壓縮技術包含幀內圖像數據壓縮技術、幀間圖像數據壓縮技術和熵編碼壓縮技術。根據無人機使用特點，應研究存儲開銷低（適合機載條件）、實時性強（時延小）、恢復圖像質量好（失真小）的高倍視頻數字壓縮編碼技術。

（3） 激光通信數據鏈可以提供比現有微波通信鏈路容量大的多的數據傳輸速率,國外相關技術每秒可傳輸上百萬兆比特的數據。到2030年前,無人機測控系統需要達到500 Mbit/s(視距)或以上的數據率,衛星中繼鏈路和無人機機間高速數據鏈路將需要提供更高的數據傳輸能力,這可以在光通信新體制方面取得突破,并開展實用性研究。

2.2 數據抗干擾傳輸技術

無人機測控與通信數據鏈抗干擾技術是指采用擴頻抗干擾技術、自適應干擾抑制技術、信源與信道編碼技術等保障無人機運行的暢通。為了提高系統的抗干擾性能、降低攔截概率和檢測概率，結合無人機使用特點，應加強以下方面技術的研究。

（1） 抗干擾技術從單一技術的抗干擾，發展到多種技術相結合，從單一物理層抗干擾發展到包括網絡層、應用層在內的多層面結合優化的抗干擾；從單一設備的抗干擾發展到系統級、網絡級的綜合抗干擾。

（2） 研究抗干擾智能調零天線。智能調零天線采用陣列信號處理和數字波束成形技術，在干擾源方向形成零點，調零深度可達20dB以上，從而實現空域抗干擾。

（3） 研究自適應干擾對校技術。在頻域上寬帶有用信號和窄帶干擾信號特征截然不同，根據此特征可以檢測出干擾信號，并使用自適應陷濾波技術將其消除。

（4） 研究基于認知的抗干擾技術。基于認知的抗干擾技術是結合頻譜感知、頻譜管理和鏈路傳輸參數重新配置的新技術。它利用頻譜感知技術獲得頻譜空間的占用情況，通過頻譜管理給出可選擇的備用信道，并將鏈路建立在新的傳輸信道上，以規避干擾信號所在的頻帶，從而實現數據的可靠傳輸。

2.3 數據鏈加密技術

數據鏈加密技術是指在空間、時間和頻域中采用多重安全保密措施，保證數據鏈傳輸的正確性，系統運行的可靠性和安全性，應對復雜多變的環境。

信息傳輸的可靠性是對通信系統的最重要的要求之一，數據鏈采取了多種技術手段，針對信道傳輸中的各種自然和人為干擾，采用了數據和信道加密技術，確保了信息的安全傳輸。

目前，國外的軍用無人機測控數據鏈普遍采用了有效的加密手段，尤其是美國無人機在推行使用通用數據鏈（CDL）和共用傳輸網絡傳輸信息后，對基于信源和信道的加密更加重視。我軍無人機測控視距鏈路、衛星通信鏈路也普遍采用了機要部門認證的專用加密措施。

為了保護無人機系統的通信，提高測控鏈路的安全保密性，應在以下方面加強研究：

（1） 研究大密鑰、高保密的加密設備。
（2） 研究大容量、高實時性的加密設備。
（3） 研究基于數字簽名和身份認證安全保密機制。
（4） 除報文信息加密、語音加密和網管加密外，還需要研制同步抖動加密和基碼加密，支持跳時/跳擴控制/入網控制/敵我識別等加密功能。

2.4 無人機網絡數據鏈技術

無人機網絡數據鏈技術是將無人機與無人機、有人機以及其它武器平臺之間的數據鏈進行無縫連接，實現信息共享的物理層技術，是實現未來無人機網絡中心站的重要技術基石。

無人機網絡數據鏈技術可形成以無人機為核心的移動戰斗群組網，實現信息共享程度更高，指揮調度更快，作用范圍更廣，系統抗毀能力更強，互操作性更好的信息化聯合作戰系統，確實提高無人機信息化作戰能力和協同作戰能力。

為適應多機和機群的協同作戰要求，應在網絡化方面加強技術研究：

（1） 研究網絡自組織和自愈重構技術；
（2） 研究分布式多址接入技術和高速大容量信息傳輸體制；
（3） 研究無人機組網的網絡體系結構。
（4） 研究實時魯棒動態路由協議技術；
（5） 研究與未來天空地一體化信息格柵網絡的鏈接和協同技術。

2.5 無人機多輸入多輸出（MIMO）數據鏈技術

無人機多輸入多輸出（MIMO）數據鏈技術是一種新的無人機測控數據鏈體制，它在地面控制站和無人機上同時配置多根發射和接收天線，將單一信息通道變成了多個獨立的、并行的信息通道，而每個子信道容量都可以達到在無人機SISO（單輸入單輸出）數道的波形可以獨立控制。而每個子信道容量都可以達到無人機SISO（單輸入單輸出）信道容量，同時可以獨立控制。

將MIMO技術應用在無人機數據鏈中，構建基于MIMO的無人機數據鏈，主要優勢在于：

（1）增大信息傳輸容量；（2）降低截獲概率；（3）增強抗干擾能力；（4）提高任務適應能力。為充分發揮MIMO技術在無人機數據鏈中的應用，主要研究方向包括：

（1） 無人機MIMO天線布局的進一步研究。當天線數目較多時，天線的空間布局方式多種多樣，從而其空間相關矩陣也多種多樣，相應的MIMO容量的情況也相當復雜。
（2） 無人機MIMO系統中信號處理的研究。結合MIMO技術在無人機數據鏈上的應用優勢，在兼顧復用增益和分集增益的情況下，研究選擇怎樣的編解碼策略、如何提升無人機MIMO抗干擾性能等問題。
（3） 無人機MIMO抗干擾和監測技術研究。
（4） 無人機MIMO數據鏈實驗平臺構建。

2.6 一站多機數據鏈技術

一站多機數據鏈技術是指一個測控站（地面或空中）與多架無人機之間的數據鏈通信，采用頻分、時分及碼分多址方式來區分來自不同無人機的遙測參數和任務傳感器信息。簡化了地面控制站的設備量，使用一個測控站可控制多架無人機；提高了系統互聯互通的能力，使無人機實現多機多系統的兼容和協同工作，提高無人機測控系統的使用效率。主要研究方向包括：

（1） 數據傳輸鏈路協議研究。實現無人機的通用化與互操作首先必須實現在物理層上,也就是數據鏈路的通用性，包括頻段、信號格式、數據格式等測控通信體制的統一,這是一切互連互通的基礎，美軍于1991年將通用數據鏈（Common Data Link，CDL）確定為ISR寬帶數據鏈標準，并發布了《CDL波形規范》，隨后也得到了北約其它成員國的認可，并以該規范為基礎，于2002年11月發布了北約圖像系統互操作數據鏈標準STANAG AR 7085 的第1 版，2004 年1 月發布了該標準的第2版。為實現數據鏈終端間的互操作，使從空中發送的圖像和管理數據能夠根據需要通過地面/海面指揮、控制和鏈路管理數據終端進行分發，必須準確描述互操作所需的寬帶數據鏈的總體要求、系統功能模型、接口及其特性、保密要求、鏈路管理以及通信協議等通用技術規范。提高系統通用化、系列化、標準化、模塊化水平。

（2） “一站多機”高速數據傳輸技術。除了采用上述高速率數據傳輸技術以外，如果作用距離較遠,測控站需要采用增益較高的定向跟蹤天線,在天線波束不能同時覆蓋多架無人機時,則要采用多個天線或多波束天線。在不需要任務傳感器信息傳輸時,測控站一般采用全向天線或寬波束天線。當多架無人機超出視距范圍以外時,需要采用中繼方式。根據中繼方式不同,又分為空中中繼一站多機數據鏈和衛星中繼一站多機數據鏈。

2.7 超視距中繼傳輸技術

超視距無人機數據鏈是無人機超出地面測控站的無線電視距范圍時，通過地面中繼、衛星中繼、空中中繼實現地面站和無人機的超視距和復雜地形環境下通信，大大提高了無人機的環境適應能力。

研究超視距中繼傳輸技術可大大提高無人機的運行范圍，提高系統運行的穩定性，避免山區或城市惡劣地形對數據鏈的影響。

3、艦面測控站技術

艦面測控站主要完成艦載無人機任務規劃和操縱監視等功能，主要包括：（1）飛行和機載設備工作指令的實時遙控技術；（2）飛行航跡和參數的綜合顯示和記錄等；（3）對無人直升機進行跟蹤定位；（4）偵察信息的實時記錄與回傳技術。

3.1 艦面測控站總體布置設計技術

艦面測控站總體布置設計技術是指將無人機起降、遙控遙測等所需的艦面設備進行在艦上進行總體布置的各項方法、手段和技術的總稱，其中涉及人機工學、設備電磁兼容、艦船總體設計等方面的技術。

艦面測控站總體布置設計技術是艦面測控站總體設計的重要環節，總體布置設計是否合理、布置方案是否優化對艦面測控站的操作和功能發揮有直接影響。研究并應用該項技術到實際艦艇設計和加改裝工程中，可保障無人機順利上艦，并進行相應的無人機運行和操作。主要技術研究方向包括：

（1） 艦面控制站中任務控制設備、飛行控制設備的艙內人機工程學布置。
（2） 數據鏈設備艙外總體布置，包括數據鏈天線與其他雷達、通信、敵我識別設備的電磁兼容設計。
（3） 無人機艦面起降輔助設備所需的慣性測量單元、GPS及副數據鏈的總體布置，包括位置、遮蔽等方面的考慮。

3.2 艦面指揮控制站互操作與通用化技術

艦面指揮控制站互操作與通用化技術的涵義包括：（1）實現多型無人機系統在執行指派任務時協同行動的能力。（2）利用和共享跨領域無人機系統傳感器的信息來無縫地指揮、控制和通信的能力。（3）能夠接受不同系統的數據信息和功能服務，并使得他們有效協作的能力。（4）能夠提供數據信息和功能服務給其他無人機系統、單位、部隊的能力。

互操作是實現網絡中心站的基本使能技術，是實現聯合作戰和協同作戰的基礎。實現地面站互操作與通用化為目標，制定統一地面站信息與控制接口標準和人機界面，使單一的地面控制站可滿足多型無人機控制需求，并使各型無人機地面站相互之間信息共享，這也是未來艦面測控站發展方向。主要技術研究方向包括：

（1） 頂層綜合規劃和統一管理，強調互操作性標準及情報、件事和偵察系統的統一化設計。
（2） 技術上設計統一標準和開放式結構，包括技術標準、作戰標準、戰術標準、程序標準、數據標準、界面標準，并通過模塊化設計和開放式結構，進行綜合集成和配置。
（3） 研究北約標準――無人機控制系統接口標準STANAG 4586，STANAG 4586標準采用無人機控制系統功能體系架構，規定該功能體系架構中的數據鏈接口、無人機控制接口和人機接口的詳細要求以及設計方法等。可以使無人機地面控制站與不同類型的無人機平臺及其載荷，以及與作戰系統之間進行通信[3]。
（4） 在應用和戰術上，與其他無人機、有人機系統及各戰術平臺進行協同作戰，真正實現互操作。

4、天線設計技術

天線作為無人機上艦后測控系統的重要組成部分，其性能直接影響無人機系統的性能發揮。而艦船平臺結構復雜設備繁多空間有限，研究艦面測控天線綜合集成設計具有十分重要的意義。

國內陸基型無人機測控技術已較成熟，但測控系統上艦涉及的天線集成技術薄弱，天線難以滿足艦載條件下的一體化和小型化以及動基座下天線自動跟蹤精度要求。展望未來測控天線的發展趨勢，將會向智能蒙皮、大規模集成、超寬帶、高效率、低RCS等方向發展；頻段將由微波段向毫米波段，甚至光波段延伸；新興天線必將融合多種技術，性能將會得到進一步提升。因此，加速研制適應這些新概念、新體制的測控天線必將推進測控通信技術的進一步發展。

4.1 基于綜合射頻體制的無人機艦面測控天線設計技術

基于綜合射頻體制的無人機艦面測控天線設計技術是將數據鏈天線孔徑由載艦的分布式寬帶多功能孔徑取代，采用模塊化、開放式、可重構的射頻傳感器系統體系構架，并結合功能控制與資源管理調度算法、軟件，實現無人機數據傳輸的射頻功能。

綜合射頻技術將“綜合”推進到天線及射頻前端，基于共用射頻模塊進行實時控制與資源共享、資源管理、資源分配，從而使系統設計師能用盡可熊少的多功能射頻模塊構建出一個兼具任務規劃，導航通信識別，態勢感知、目標探測、跟蹤、攻擊能力的多功能一體化綜合射頻航空電子系統，而且使航空電子系統的成本、重量、功耗、失效率顯著下降。主要技術研究方向包括：

（1） 資源調度設計，基于時間、功能的資源分配、重構和管理；
（2） 寬帶相控陣多任務技術；
（3） 寬帶有源T/R組件技術；
（4） 寬頻帶天線、微波系統技術；
（5） 綜合信號處理技術；
（6） 高速數據傳輸和交換網絡技術；
（7） 多功能綜合射頻系統管理和控制技術；

4.2 無穩定平臺裝置的無人機測控天線自動跟蹤技術

無穩定平臺裝置的無人機測控天線自動跟蹤技術是利用GPS引導方式和無刷伺服電機控制，實現對定向天線的方位角、俯仰角的伺服控制，并具有一定預留擴展性。避免采用單通道單脈沖跟蹤體制，通過信號相位關系來進行方位俯仰判斷而引入復雜伺服系統。

美國BMS公司已將該技術應用到某無人機最新的跟蹤天線中。目前國內無人機測控定向天線多采用單通道單脈沖跟蹤體制，通過信號相位關系來進行方位俯仰判斷，需要一套復雜的天線伺服反饋系統，成本很高，維護檢修技術要求較高。此外，在實際使用中，很容易受到干擾而導致天線亂轉。主要技術研究方向包括：

（1） 系統架構設計，將飛行中的無人機GPS位置與艦面控制站中的數據鏈GPS位置、系統傳輸延遲等因素，解算求得天線的方位和俯仰角。
（2） 伺服電機控制，既保證轉動力矩平穩，又要轉動角度準確。
（3） 再次跟蹤技術，針對無人機數據鏈天線丟失無人機后的再次捕獲技術。

4.3 輕型集成一體化天線設計技術

輕型集成天線技術是將多種天線集成化、輕型化、一體化、平面化，將天線嵌入、集成成艦艇上層建筑中的技術，它綜合運用平面陣天線、聯合孔徑、材料、結構設計、系統集成等技術，通過系統工程的辦法，使艦艇的天線設計與隱身設計有機地集合起來。主要優勢在于：（1）天線小型化，可減小天線體積、尺寸，適宜艦艇安裝。（2）多制式天線的應用將節省成本和天面資源，靈活滿足要求。（3）新材料的應用，即可滿足天線的基本功能，又能在隱身、電磁兼容方面有所提高。

國外天線設計已從單一功能向綜合化、分體設計向模塊化集成設計、電磁無源材料向有源電控材料、大尺寸向小型化變化，且無論從功能、設計、部署都朝智能化發展。主要技術研究方向包括：

（1） 天線體積小型化。天線小型化是在保證天線性能基本不變的條件下，減小天線的體積。
（2） 多種制式網絡共天饋應用。未來多種制式共用一面超寬帶天線，不僅天線工作頻段覆蓋多個制式，而且可以根據系統的不同要求實現每一個制式的獨立調節。
（3） 天線功能模式向智能化功能方向發展。未來天線實現智能化的波束賦形、波束指向控制、波束分裂和遠程控制，靈活滿足戰場的應用需求。通過天線的智能化實現系統間互操作和資源的優化利用，最終實現智能化的操作方式。
（4） 天線與射頻模塊連接由分離式向集中式發展。未來集中式的設備代替分離式的設備，光纖代替電纜，天線與主設備實現小型化和一體化并充分結合，實現天線、頻譜資源的節約和靈活的部署方式，適應網絡扁平化的發展趨勢。
（5） 新型材料的研發與運用。

4.4 機載共形相控陣天線技術

機載共形天線(陣)是將天線從飛機內笨重的設備轉型成為大型但輕薄的陣列，從而成為長航時無人機機翼的一部分甚至是飛機蒙皮的一部分，使天線與載體飛機共形,而不破壞飛機的機械性能和氣動性能。

將共形陣列附著在飛機的外層有幾大好處。首先擴大了用于感知探測的平臺范圍，任何飛機都容易被改裝用于情報搜集。機翼、機門或機身都可以成為天線；另外，采用共形天線后，陣列孔徑更大，這意味著探測性能會更好。而且，采用共形天線可以實現對飛機進行降低雷達特征的優化設計，同時可以節省空間，減少飛機的氣動阻力，最大限度地減少天線對飛行器氣動力學的影響，相應地提高了飛機的飛行時間。

在共形天線領域，國際上存在著激烈的競爭。美國國防部認為，未來十年需要研制的是高端無人作戰飛機以及無人偵察飛機。共形的多孔徑傳感器，也被稱作智能蒙皮，將是這些工作中的重點。近期共形天線的應用是用于無人機“全球鷹”無人偵察飛機、“捕食者”A/B無人機以及A160無人直升機等。目前存在的需求是制造能夠作為飛機蒙皮、耗電非常少的輕型天線陣列。將共形陣列用于無人作戰飛機上，小型、隱身、導彈大小的無人作戰飛機可以很好地結合共形天線的優勢，將整個無人機平臺的外表層都作為孔徑，進行通信、成像、干擾并向敵方電子設備發射高功率脈沖以發揮武器的作用。

5、結論

無人機測控系統是無人機系統的重要組成部分，從艦載無人機數據鏈通信技術、艦面測控站技術和天線設計技術三個方面，介紹了相關關鍵技術的基本概念、作用意義以及重點研究方向。對艦載無人機測控系統的設計研究有重要意義。