無(wú)人機(jī)測(cè)控新體制研究

周定宇,黃大慶,周 未

(1.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,南京 210016;2.南京航空航天大學(xué)無(wú)人機(jī)研究院,南京 210016;3.南京大橋機(jī)器廠 軍事代表室,南京 211101)

1 引 言

我國(guó)20世紀(jì)80年代開(kāi)始研制無(wú)人機(jī)的統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng),即遙控、遙測(cè)、定位和圖像傳輸“四合一”綜合無(wú)線電系統(tǒng)[1],在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下是一種較為先進(jìn)的測(cè)控體制,突出表現(xiàn)在利用上下行通信實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位,既有一定的抗干擾性能又有測(cè)距功能,綜合性較強(qiáng)。此后,我國(guó)基本上每隔3～5年提出一套新的無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng),雖然每套新系統(tǒng)都有一些改進(jìn),但體現(xiàn)在測(cè)控方面的改進(jìn)卻很少。隨著各種新型無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)和戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境的需要,無(wú)人機(jī)通信鏈路的可靠性、高效性和安全性越來(lái)越重要。近年來(lái),Turbo碼、LDPC碼、網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)技術(shù)的飛速發(fā)展與日趨成熟,OFDM和MIMO等相關(guān)通信技術(shù)的提出與深入研究,為構(gòu)建更優(yōu)性能的通信系統(tǒng)提供了新思路。本文從一般通信系統(tǒng)出發(fā),對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行深入分析,并結(jié)合目前發(fā)展迅猛的幾種關(guān)鍵通信技術(shù),提出了無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的新體制,可大大提高無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃浴?/p>

2 一般通信系統(tǒng)模型

無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是一般通信系統(tǒng)的一個(gè)特例,深入理解與分析一般通信系統(tǒng),對(duì)于研究無(wú)人機(jī)測(cè)控新體制非常重要。無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)也包含了構(gòu)成一般通信系統(tǒng)的幾個(gè)必要模塊,包括信源編碼、加密措施、信道編碼、數(shù)字調(diào)制、以擴(kuò)頻為中心的抗干擾技術(shù)、天線技術(shù)等,一般通信系統(tǒng)的模型如圖1所示。為了提出符合新時(shí)代需求的無(wú)人機(jī)測(cè)控新體制,有必要對(duì)這些模塊逐個(gè)進(jìn)行深入分析,適時(shí)融合一些新技術(shù),歸納總結(jié)出較為完整且更具生命力的無(wú)人機(jī)測(cè)控新體制。

圖1 一般通信系統(tǒng)模型Fig.1 The model of a general communication system

3 無(wú)人機(jī)測(cè)控新體制分析

3.1 信源編碼

一般來(lái)說(shuō),信源編碼主要有兩個(gè)作用,其一是設(shè)法減少碼元數(shù)目和降低碼元速率,即通常所說(shuō)的數(shù)據(jù)壓縮;其二是將信源的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)字化傳輸。無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)傳輸?shù)男畔?nèi)容主要包括上行遙控指令、下行遙測(cè)數(shù)據(jù)(一般是模擬信號(hào))以及任務(wù)傳感器信息(包括靜止圖像以及視頻流)。PCM編碼是概念上最簡(jiǎn)單、理論上最完善、最早研制成功、使用最為廣泛的編碼方法,并且其數(shù)據(jù)傳輸率高,硬件技術(shù)成熟,所以新體制對(duì)上行控制信號(hào)以及下行遙測(cè)數(shù)據(jù)仍然采用PCM編碼方法。近年來(lái),新型第二代圖像壓縮編碼方法[2]迅速發(fā)展,大致可分為小波編碼、分形編碼、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼以及模型編碼。分型編碼最大限度地利用了空間域上的自相似性,然而其算法復(fù)雜度高,收斂過(guò)程難于控制,并且高壓縮比下會(huì)出現(xiàn)方塊效應(yīng);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼雖然具有良好的容錯(cuò)性、自組織性與自適應(yīng)性,但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論本身仍亟待完善,阻礙了該編碼算法的進(jìn)一步發(fā)展;模型編碼的算法復(fù)雜度也很高,且通用性差,發(fā)展仍然不夠成熟;小波變換由于其良好的時(shí)頻定位性質(zhì)與多分辨率特性,已經(jīng)成為新一代靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000的核心技術(shù)。JPEG2000既支持無(wú)損壓縮也支持有損壓縮,同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)漸進(jìn)傳輸以及感興趣區(qū)域編碼,這些優(yōu)良特性都特別符合無(wú)人機(jī)靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮的要求,因此,新體制將采用JPEG2000作為無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)靜態(tài)圖像的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。隨著HDTV的興起,H.264這個(gè)規(guī)范頻頻出現(xiàn)在我們眼前。H.264是在MPEG-4技術(shù)的基礎(chǔ)之上建立起來(lái)的,其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在它的高效壓縮性能上,它在同等圖象質(zhì)量下的壓縮能力比以前的標(biāo)準(zhǔn)提高了50%以上,同時(shí)它還具有強(qiáng)大的容錯(cuò)能力、精確的匹配解碼性能以及更簡(jiǎn)單的實(shí)施規(guī)范。鑒于無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)下行鏈路傳輸數(shù)據(jù)量巨大造成數(shù)據(jù)高速傳輸瓶頸的現(xiàn)狀,新體制將采用壓縮比優(yōu)勢(shì)明顯的H.264作為視頻數(shù)據(jù)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 加密措施

目前無(wú)人機(jī)的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)基本都是透明傳輸,未采取任何加密措施,這樣極易造成情報(bào)外泄,甚至在某些極端情況下可能被敵方掌握通信幀格式而對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制,新體制有必要對(duì)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈采用加密技術(shù)。現(xiàn)有加密技術(shù)一般分為對(duì)稱加密體制和非對(duì)稱加密體制,前者僅能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密處理,后者除了用于數(shù)據(jù)加密外,還可以形成數(shù)字簽名。為了兼顧加密效率以及可靠程度,新體制考慮采用混合加密方案,在PGP系統(tǒng)加密體制的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)[3],就能夠非常好地達(dá)到無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的保密需求。加密步驟簡(jiǎn)述如下:

(1)對(duì)發(fā)送信息序列進(jìn)行SHA-1散列處理,形成160 bit數(shù)據(jù)摘要;

(2)用發(fā)送方的RSA私鑰SK對(duì)數(shù)據(jù)摘要進(jìn)行數(shù)字簽名;

(3)將發(fā)送信息序列與數(shù)字簽名鏈接,規(guī)定發(fā)送信息序列在前,數(shù)字簽名在后;

(4)使用AES加密算法對(duì)簽名后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,密鑰為K;

(5)用接收方的RSA公鑰PK加密AES的密鑰K;

(6)將使用AES加密后的數(shù)據(jù)與經(jīng)RSA公鑰加密的AES密鑰鏈接,規(guī)定數(shù)據(jù)在前,密鑰在后。

加密過(guò)程模型如圖2所示。

圖2 新體制混合加密方案模型Fig.2 The model of hybrid encryption scheme

新體制采用的加密方案巧妙地結(jié)合了公鑰密碼與私鑰密碼體制的優(yōu)勢(shì),同時(shí)兼顧了安全性與效率。與文獻(xiàn)[4]相比,該方案用RSA公鑰加密AES的密鑰,能夠?qū)崿F(xiàn)密鑰管理,因此成功地解決了無(wú)人機(jī)鏈路的多址需求,能夠適應(yīng)未來(lái)“一站多機(jī)”的發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 信道編碼

信道編碼是提高通信系統(tǒng)可靠性的重要途徑,其編碼碼型眾多,大致可以分為分組碼、卷積碼和級(jí)聯(lián)碼。BCH碼和RS碼是典型的分組碼,BCH碼是糾錯(cuò)能力可控制的一類循環(huán)碼,可以用于校正多個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤;RS碼是一類特殊的非二進(jìn)制BCH碼,其特點(diǎn)在于其糾正突發(fā)錯(cuò)誤能力極強(qiáng)。卷積碼和分組碼的根本區(qū)別在于,它不是把信息序列分組后再進(jìn)行單獨(dú)編碼,而是由連續(xù)輸入的信息序列得到連續(xù)輸出的已編碼序列,其編碼器將k個(gè)信息碼元編為n個(gè)碼元時(shí),這n個(gè)碼元不僅與當(dāng)前段的k個(gè)信息有關(guān),而且也與前面的(m-1)段信息有關(guān)(m稱為約束長(zhǎng)度)。級(jí)聯(lián)碼有串行級(jí)聯(lián)碼和并行級(jí)聯(lián)碼之分。RS-卷積級(jí)聯(lián)碼是串行級(jí)聯(lián)碼的代表,RS碼糾突發(fā)錯(cuò)誤能力極強(qiáng),特別適合選作外碼,卷積碼本質(zhì)上屬于糾隨機(jī)差錯(cuò)碼,被選作內(nèi)碼,這種編碼組合被稱為串行級(jí)聯(lián)碼的黃金組合。并行級(jí)聯(lián)碼的代表是Turbo碼,它巧妙地將卷積碼和隨機(jī)交織器結(jié)合在一起,同時(shí)采用軟輸出迭代譯碼來(lái)逼近最大似然譯碼,達(dá)到了近Shannon限的性能,目前已成為3G的信道編碼優(yōu)選方案之一。隨著Turbo碼的興起,LDPC碼被重新重視,目前已成為信道編碼技術(shù)研究的熱點(diǎn)。LDPC碼是一種特殊的線性分組碼,其校驗(yàn)矩陣具有稀疏性。LDPC碼具有較大的靈活性和較低的差錯(cuò)平底特性,且便于硬件實(shí)現(xiàn),在信道條件極差的通信環(huán)境中體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì),非常適合處于復(fù)雜電磁環(huán)境的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。各種典型信道編碼碼型性能比較[5]如表1所示。

表1 典型信道編碼碼型性能比較Table 1 Performance comparison of typical channel coding

從表1中可以看出,Turbo碼與LDPC碼不僅能夠糾正隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤,而且在信道條件惡劣的情況下仍能保證高效傳輸,是新體制信道編碼碼型的優(yōu)選方案。眾所周知,Turbo碼在中低長(zhǎng)編碼長(zhǎng)度下仍占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),LDPC碼只有在編碼長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)才能保持優(yōu)于Turbo碼的性能[6],鑒于無(wú)人機(jī)上行遙控?cái)?shù)據(jù)量很小,不適于編碼長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)實(shí)情況,新體制提出上行鏈路采用Turbo碼、下行鏈路采用LDPC碼進(jìn)行信道編碼的方案。

3.4 調(diào)制

正交頻分復(fù)用(OFDM)作為一種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Х桨敢殉蔀槲磥?lái)無(wú)線通信領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。OFDM調(diào)制是一種多載波調(diào)制技術(shù),它在頻域內(nèi)將所給信道劃分成多個(gè)正交子信道,在每一個(gè)信道上使用子載波進(jìn)行調(diào)制,各個(gè)子載波并行傳輸。OFDM技術(shù)能夠保證在存在多徑傳播和多普勒頻移的無(wú)線通信信道中進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸,它突出的抗多徑效應(yīng)能力、無(wú)碼間干擾特性以及抗頻率選擇性衰落的優(yōu)勢(shì),特別適用于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境[7]。在進(jìn)行OFDM調(diào)制之前,通常要先將信息序列映射成OFDM符號(hào)。QAM是以載波的振幅和相位兩個(gè)參量同時(shí)受調(diào)制的聯(lián)合鍵控體制,比單一鍵控?cái)?shù)字符號(hào)的頻帶傳輸更具抗干擾能力,同時(shí)QAM的多進(jìn)制體制MQAM,M值可以很大,頻帶利用率高[8],因此,新體制在將信息序列進(jìn)行OFDM調(diào)制之前,采用QAM映射。由于無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)上行鏈路數(shù)據(jù)量小,對(duì)調(diào)制效率要求并不高,并且采用OFDM技術(shù)硬件成本昂貴,新體制只在下行鏈路使用OFDM調(diào)制技術(shù)。考慮到上行鏈路信道編碼已采用Turbo碼,Turbo碼的兩個(gè)分量編碼器都是卷積碼,因此可以在上行鏈路采用TTCM編碼調(diào)制技術(shù)。TTCM編碼調(diào)制能夠在不增加傳輸帶寬的前提下,最大限度地發(fā)揮Turbo碼的糾錯(cuò)性能。綜上所述,新體制上行鏈路采用TTCM編碼調(diào)制方案,下行鏈路采用QAM+OFDM調(diào)制方案。

3.5 抗干擾技術(shù)

現(xiàn)有無(wú)人機(jī)上的測(cè)控系統(tǒng)多是簡(jiǎn)單的直接序列擴(kuò)頻,雖然具有一定的抗干擾能力,但遠(yuǎn)不能達(dá)到實(shí)際的作戰(zhàn)需求,甚至發(fā)生過(guò)在某型無(wú)人機(jī)演示過(guò)程中,產(chǎn)生了站—站間的相互干擾,損失了一架飛機(jī)。因此有必要將擴(kuò)頻和跳頻相結(jié)合,這樣才是在密集電磁頻譜對(duì)抗環(huán)境下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中最富有生命力的抗干擾通信系統(tǒng)。

直序擴(kuò)頻系統(tǒng)具有隱蔽性好、抗多徑干擾、抗頻率選擇性衰落、有測(cè)距功能等諸多優(yōu)勢(shì),然而同時(shí)它又存在捕獲時(shí)間長(zhǎng)、抗遠(yuǎn)近效應(yīng)能力弱、抗窄帶干擾能力差的缺點(diǎn)。跳頻擴(kuò)頻通過(guò)頻率的跳變來(lái)躲避干擾,其發(fā)射信號(hào)功率譜密度仍然高于噪聲功率譜密度,如果敵方頻譜儀的掃描時(shí)間能夠小于跳頻信號(hào)的駐留時(shí)間,就可以完整地顯示跳頻頻譜,即使跳頻速度較快,也可采用掃描累加方式監(jiān)測(cè)跳頻通信所占的頻譜范圍。FH/DS混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì),它一方面通過(guò)直擴(kuò)使信號(hào)功率譜密度低于噪聲功率譜密度從而起到隱蔽通信的作用,另一方面通過(guò)跳頻解決敵方窄帶攻擊的問(wèn)題,目前已成為國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最富有生命力的抗干擾系統(tǒng)。差分跳頻是近年來(lái)所提出的一種新型跳頻體制,與常規(guī)跳頻系統(tǒng)不同,差分跳頻系統(tǒng)的發(fā)送頻率直接由信息數(shù)據(jù)經(jīng) G函數(shù)變換確定,因此,差分跳頻系統(tǒng)接收端無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的偽隨機(jī)碼同步過(guò)程,從而能夠?qū)崿F(xiàn)短波信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸。在AWGN與瑞利信道下,差分跳頻系統(tǒng)的抗部分頻帶干擾性能明顯優(yōu)于快跳頻系統(tǒng)[9]。綜合以上分析,并且考慮到無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)下行鏈路數(shù)據(jù)量龐大,不適合采用直擴(kuò)技術(shù),新體制在無(wú)人機(jī)上行鏈路采用FH/DS混合擴(kuò)頻抗干擾體制,在下行鏈路采用差分跳頻抗干擾體制。

3.6 天線

智能天線是由一組相關(guān)的天線元素在空間構(gòu)成一定的幾何形狀,根據(jù)期望信號(hào)和干擾信號(hào)到達(dá)陣列各個(gè)元素的角度和相位的不同,通過(guò)相應(yīng)的自適應(yīng)算法和高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),以多個(gè)高增益的動(dòng)態(tài)窄波束分別跟蹤多個(gè)期望信號(hào),從而抑制干擾信號(hào)的技術(shù)。智能天線可以有效地抵消多徑干擾以及由于頻率復(fù)用造成的同信道干擾,并可以對(duì)其載體的高速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤,這些特點(diǎn)非常符合無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)無(wú)人機(jī)群的跟蹤測(cè)控需求。

近年來(lái),許多研究表明,MIMO技術(shù)通過(guò)在無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)射端和接收端使用多根天線,能夠?yàn)闊o(wú)線通信系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益,空間復(fù)用增益可以有效提高無(wú)線通信系統(tǒng)的信道容量和頻譜利用率,空間分集增益則可以有效克服無(wú)線信道的多徑散射效應(yīng)。

在智能天線上引入MIMO的分集思想能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)智能天線更好的性能。以智能天線單元組建MIMO陣列,通過(guò)智能天線單元間協(xié)同工作,形成不同指向的波束以跟蹤具有不同到達(dá)角的可分辨時(shí)延路徑,這種融合結(jié)構(gòu)[10]改變了MIMO信道矩陣的構(gòu)成,達(dá)到了去相關(guān)目的,從而有效地提高了MIMO系統(tǒng)的信道容量,因此,新體制將采用智能天線和MIMO技術(shù)的融合技術(shù)。

4 無(wú)人機(jī)測(cè)控新體制模型

根據(jù)前文所述,本文總結(jié)出無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的一套新的體制,信源編碼部分采用PCM編碼、JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)以及H.264標(biāo)準(zhǔn),保證了信源編碼的高效壓縮性能,為高速數(shù)據(jù)傳輸提供了保障;加密方案采用非常適合無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的混合加密體制,兼顧了安全性與效率;信道編碼部分采用接近Shannon限性能的Turbo碼和LDPC碼,能夠有效地提高信息傳輸?shù)目煽啃?調(diào)制部分在上行鏈路采用TTCM編碼調(diào)制技術(shù),下行鏈路采用OFDM調(diào)制技術(shù),充分考慮了無(wú)人機(jī)上下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟町?抗干擾部分在上行鏈路采用FH/DS混合擴(kuò)頻技術(shù),下行鏈路采用差分跳頻技術(shù),大大提高了無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力;最后采用智能天線和MIMO技術(shù)的融合技術(shù),巧妙地結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)。新體制上、下行鏈路的發(fā)射端原理框圖如圖3所示。

圖3 新體制上行鏈路發(fā)射框圖Fig.3 The transmitting block diagram of the uplink

圖4 新體制下行鏈路發(fā)射框圖Fig.4 The transmitting block diagram of the downlink

5 結(jié) 論

本文提出了一套較為完整的無(wú)人機(jī)測(cè)控體制,并給出了這套體制的理論模型框圖。針對(duì)現(xiàn)有無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)信息透明傳輸所存在的隱憂,新體制中增加了加密模塊,為信息傳輸?shù)陌踩耘c可靠性提供了更有力的支持。此外,新體制的研究仍處于理論層面,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)存在困難。進(jìn)一步豐富和完善無(wú)人機(jī)測(cè)控新體制,可從無(wú)人機(jī)信息傳輸?shù)膹?fù)合鏈路以及多無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)兩個(gè)方面著手深入。

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