基于衛(wèi)星中繼的無人機信息傳輸系統(tǒng)

● 文|中國空間技術(shù)研究院西安分院　王樂　吳平

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基于衛(wèi)星中繼的無人機信息傳輸系統(tǒng)

● 文|中國空間技術(shù)研究院西安分院王樂吳平

摘 要：針對無人機系統(tǒng)實現(xiàn)遠程測控與信息傳輸?shù)募夹g(shù)需求，提出了利用商業(yè)通信衛(wèi)星或軍用中繼衛(wèi)星作為空中中繼平臺，建立無人機衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)高空高速長航時無人機系統(tǒng)的超視距遙控、遙測和偵察信息實時傳輸?shù)慕鉀Q方案。

引言

無人機具有零傷亡、使用限制少、隱蔽性好、效費比高等特點，完全可以勝任對爭議領(lǐng)土、島嶼及海上航道路遠程偵察、例行巡邏等工作。隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機的遠程偵察與全程飛行監(jiān)控等新應(yīng)用場景對基于衛(wèi)星的信息傳輸技術(shù)及設(shè)備提出了迫切需求：

1．可以支持無人機全程飛行監(jiān)控

將無人機裝載的各種傳感器獲得的數(shù)據(jù)，諸如無人機飛行數(shù)據(jù)和飛行姿態(tài)等狀態(tài)信息等進行提取，利用衛(wèi)星中繼信息傳輸技術(shù)將這些重要信息回傳指揮部以完成對無人機的狀態(tài)監(jiān)控；在無人機飛行過程中通過前向衛(wèi)星鏈路更新目標點位置信息和目標特征參數(shù)，完成對無人機的航跡控制，以實現(xiàn)實時測控。

2．可以支持無人機載荷信息實時回傳

利用無人機裝載傳感器進行目標信息獲取，利用基于衛(wèi)星的信息傳輸技術(shù)將這些偵察信息通過衛(wèi)星中繼回傳指揮部，便于指揮部對偵查信息進行實時評估，進一步指導作戰(zhàn)決策。

國外近期研制的中遠程無人機系統(tǒng)，普遍采用同步通信衛(wèi)星作為空中中繼平臺，構(gòu)成衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈，轉(zhuǎn)發(fā)無人機的遙控指令和圖像／遙測信息，充分利用衛(wèi)星波束的有效覆蓋范圍，實現(xiàn)無人機的超視距測控和信息傳輸。其中，“捕食者”無人機系統(tǒng)采用Ku頻段衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈，偵察信息傳輸速率可達1.544Mbit/s，作用距離900 ～3700km，續(xù)航時間大于20h；“全球鷹”無人機系統(tǒng)也采用了Ku頻段衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈，在增加機載天線尺寸和功率輸出的情況下，偵察信息傳輸速率可達1.5～50Mbit/s，作用距離5500 km。以上2種無人機系統(tǒng)還配置了UHF頻段衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈作為備份鏈路，實時傳輸無人機的遙控遙測數(shù)據(jù)和低速率偵察信息。

一、信息傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

基于衛(wèi)星中繼的無人機信息傳輸系統(tǒng)可分為前向指令信息傳輸和返向狀態(tài)信息的傳輸：前向指令傳輸主要是地面指揮部給無人機上傳更新的目標點位置信息、目標特征參數(shù)和控制指令，返向信息傳輸主要是無人機將各種傳感器獲得的數(shù)據(jù)（無人機位置、姿態(tài)、航跡信息和狀態(tài)信息等）回傳指揮部。如圖1所示，無人機信息傳輸鏈路由無人機、衛(wèi)星、地面站三個環(huán)節(jié)構(gòu)成。由于無人機飛行區(qū)域較大，無人機在執(zhí)行任務(wù)時需要衛(wèi)星點波束天線實時指向無人機飛行的區(qū)域，在無人機衛(wèi)通系統(tǒng)運行過程中，還需要衛(wèi)星地面站支持。

圖1　衛(wèi)星中繼通信無人機信息傳輸系統(tǒng)示意圖

該信息傳輸系統(tǒng)的工作流程如下：

1）衛(wèi)星地面站根據(jù)任務(wù)協(xié)調(diào)，將一個點波束天線指向無人機地面站，或者將無人機地面站放置在衛(wèi)星區(qū)域波束內(nèi)。

2）無人機衛(wèi)通地面站根據(jù)本次任務(wù)選星情況，將地面站衛(wèi)通天線指向衛(wèi)星。

3）無人機將自身位置信息（GPS/BD）通過視距內(nèi)遙測鏈路發(fā)送給地面站，地面站將無人機位置信息發(fā)送給衛(wèi)星地面站，衛(wèi)星地面站將協(xié)調(diào)好的點波束天線指向無人機區(qū)域。

4）無人機將機載衛(wèi)通天線指向選定的衛(wèi)星，并通過衛(wèi)星回傳機載遙測數(shù)據(jù)。

5）地面站通過衛(wèi)通鏈路接收無人機遙測，并將無人機位置信息實時發(fā)送給衛(wèi)星地面站，無人機地面站向無人機發(fā)送遙控信息。

6）衛(wèi)星地面站根據(jù)無人機地面站發(fā)來的無人機位置信息，確定是否移動點波束天線。

7）無人機到達任務(wù)區(qū)域后，通過衛(wèi)星回傳載荷數(shù)據(jù)。

二、信息中繼平臺選擇

通信衛(wèi)星的天線波束覆蓋范圍很大，如國內(nèi)波束可覆蓋整個中國大陸、周邊和東南沿海地區(qū)。因此，利用衛(wèi)星中繼實現(xiàn)地面測控站與無人機之間的雙向信息傳送最為方便，這也是目前國際上遠程無人機系統(tǒng)信息傳輸?shù)氖走x方案。作為無人機信息傳輸系統(tǒng)中繼平臺的衛(wèi)星，應(yīng)著重考慮以下因素：

1）衛(wèi)星天線波束是否覆蓋無人機任務(wù)區(qū)域。

2）無人機的載重有限，機載設(shè)備重量、體積、功耗嚴重受限，為減輕無人機機載設(shè)備的壓力，衛(wèi)星的EIRP和G/T越大，機載衛(wèi)通天線增益就可以越小，天線在有效面積、天線形式等方面的選擇范圍就可以越大。

3）無人機系統(tǒng)的衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)鏈屬于非對稱點到點信息傳輸鏈路，上行遙控指令傳輸速率較低，強調(diào)高可靠性、抗干擾和保密性；下行偵察信息的數(shù)據(jù)量較大，需要優(yōu)化信道設(shè)計，提高信息傳輸速率，同時，需要對偵察圖像采取一些低損傷壓縮措施。

4）衛(wèi)通設(shè)備的工作頻段直接影響著機載天線的形式和結(jié)構(gòu)尺寸，因此衛(wèi)通工作頻率也是重要的考慮因素。

因此，所選的作為中繼平臺的衛(wèi)星需具備如下的條件：

1）衛(wèi)星波束覆蓋范圍能滿足作戰(zhàn)需求。

2）星上具有透明轉(zhuǎn)發(fā)器。

3）具有國土范圍內(nèi)波束直通或與可動點波束透明交鏈方式，在國土范圍外具有國土波束與可動點波束透明交鏈方式。

4）可動點波束跟蹤覆蓋需滿足彈道導彈飛行速度和范圍。

5）選用波束的EIRP和G/T值要高。

6）波束交鏈方式下帶寬要寬。

三、基于衛(wèi)星的機載信息傳輸通信體制分析

要實現(xiàn)無人機地面控制站與無人機間的通信，除了滿足收發(fā)頻率、功率電平、天線覆蓋等要求外，還需根據(jù)傳輸業(yè)務(wù)和信道情況設(shè)計與建立合理的通信傳輸體制。

（1）調(diào)制方式

多進制數(shù)字相位調(diào)制（MPSK）是用基帶信號去調(diào)制載波的相位而形成的調(diào)制信號，相位調(diào)制具有恒包絡(luò)特點，可有效的減小傳輸信道的非線性影響。其中，四進制相調(diào)（QPSK）應(yīng)用最為普遍。QPSK有較高功率和頻譜效率，即具有較好的抗干擾能力和頻帶利用率，且技術(shù)設(shè)計成熟。

（2）通信方式

地面和無人機間通過通信衛(wèi)星中繼透明雙向業(yè)務(wù)信息傳輸，在一定的頻率點、帶寬范圍、收發(fā)功率電平、抗干擾能力和處理能力的情況下，只要衛(wèi)星保障通信帶寬，就可以實現(xiàn)地面控制站與無人機之間的點到點通信方式，而不必與其他用戶按照一定的多址接入（FDMA、TDMA等）方式共享信道帶寬，更不會與其他用戶競爭信道資源。采用中繼衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)通信時，中繼衛(wèi)星已經(jīng)建立了接口規(guī)范，可以適應(yīng)多種方式。

四、衛(wèi)星中繼無人機傳輸系統(tǒng)方案

1．系統(tǒng)框架

衛(wèi)星中繼無人機信息傳輸系統(tǒng)框圖如圖2所示，其信息流向可分為前向鏈路和返向鏈路。前向鏈路是指從作戰(zhàn)指揮中心經(jīng)由衛(wèi)星到無人機建立的通信鏈路。指揮中心將更新的目標點位置、目標特征參數(shù)和無人機控制指令等信息經(jīng)過加密處理后，按照約定的消息格式發(fā)送給衛(wèi)星控管中心，衛(wèi)星控管中心按照衛(wèi)星的通信規(guī)范對收到的信息進行編碼、調(diào)制等處理，通過衛(wèi)星地面站發(fā)送到衛(wèi)星上，衛(wèi)星平臺根據(jù)自身的設(shè)計將收到的信息進行透明轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)衛(wèi)星－無人機下行鏈路傳輸?shù)綗o人機上，機載數(shù)據(jù)鏈終端接收并處理指控信息，最后通過機載計算機完成的飛行控制任務(wù)。前向指控信息速率一般為幾千比特每秒至幾百千比特每秒。

圖2　衛(wèi)星中繼無人機信息傳輸系統(tǒng)組成框圖

返向鏈路是指無人機經(jīng)由衛(wèi)星到指揮中心建立的通信鏈路。機載數(shù)據(jù)鏈終端通過與機載計算機、傳感器等設(shè)備的接口收集無人機狀態(tài)信息或偵察信息，機載計算機把這些信息按照約定的消息格式進行編碼，再按照衛(wèi)星的通信規(guī)范對收到的信息進行信道編碼、調(diào)制等處理，然后發(fā)送給衛(wèi)星通信接口設(shè)備并經(jīng)由機載上行傳輸鏈路傳輸?shù)叫l(wèi)星上；衛(wèi)星平臺根據(jù)自身的設(shè)計將收到的信息進行透明轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)星地下行鏈路傳回衛(wèi)星地面站，衛(wèi)星控管中心對收到的信息進行解調(diào)、解碼等處理，將解析后的有效信息發(fā)送給無人機指揮中心，指揮中心對有效信息進行處理得到需要的狀態(tài)信息和偵察信息。典型的返向數(shù)據(jù)類型包括圖像、視頻、遙測等，信息速率為幾十千比特每秒到幾十兆比特每秒。

2．基于通信衛(wèi)星的信息傳輸方案

地面上行發(fā)送控制指令，經(jīng)過地面調(diào)制器調(diào)制，通信衛(wèi)星Ku國土波束透明轉(zhuǎn)發(fā)器接收到信息，再至Ku點波束透明轉(zhuǎn)發(fā)器，進入Ku可動點波束覆蓋范圍，將信息傳輸?shù)綗o人機上。無人機接收到信息，完成解調(diào)、譯碼等處理過程，最后交由無人機上控制器實現(xiàn)指令識別（見圖3）。

圖3　基于通信衛(wèi)星中繼的信息傳輸方案

無人機將狀態(tài)信息或收集的數(shù)據(jù)信息進行調(diào)制發(fā)射，通過無人機返向鏈路傳輸，衛(wèi)星Ku點波束透明轉(zhuǎn)發(fā)器接收信息，至Ku國土波束的透明轉(zhuǎn)發(fā)器，通過星地下行鏈路傳回地面，地面完成信息的接收和解擴解調(diào)等處理，最后將狀態(tài)信息或數(shù)據(jù)信息交由地面控制器處理。處理傳輸流程如圖4所示。

圖4　基于通信衛(wèi)星中繼的信息傳輸系統(tǒng)處理流程

3．基于中繼衛(wèi)星的信息傳輸方案

對KSA（K頻段單址）前向鏈路，中繼衛(wèi)星KSA轉(zhuǎn)發(fā)器接收該信號后將Ka頻段接收信號變頻至Ka星間頻段，由中繼衛(wèi)星星間天線以Ka星間鏈路頻段向用戶終端設(shè)備發(fā)送。對KSA返向鏈路，中繼衛(wèi)星接收用戶終端發(fā)送的返向信號后，中繼衛(wèi)星KSA轉(zhuǎn)發(fā)器將用戶發(fā)送信號變頻至Ka星地頻段，所得信號經(jīng)中繼星－地饋電天線以Ka頻段向地面發(fā)送（見圖5）。

地面終端站接收中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)Ka信號后進行低噪聲放大，并經(jīng)各自變頻器鏈進行變頻處理后，送KSA數(shù)據(jù)傳輸基帶設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸基帶設(shè)備接收下行鏈路送入的中頻信號，經(jīng)解調(diào)（低速率信號先解擴）處理后，得到的返向數(shù)據(jù)流經(jīng)進一步譯碼和打包處理，由中繼衛(wèi)星操作管理中心經(jīng)地面通信網(wǎng)分發(fā)給各個最終用戶單位。

圖5　基于中繼衛(wèi)星中繼的信息傳輸系統(tǒng)處理流程

五、結(jié)束語

隨著高空高速長航時無人機技術(shù)的發(fā)展，其信息傳輸速率和傳輸帶寬需求進一步增大。為滿足信息高數(shù)據(jù)率和寬帶寬的傳輸要求，需在有限的功耗要求及結(jié)構(gòu)尺寸內(nèi)，增大機載射頻發(fā)射功率和機載衛(wèi)通天線尺寸，衛(wèi)星下行鏈路比較緊張，為解決上述問題，未來無人機衛(wèi)星通信將向著增大中繼衛(wèi)星天線增益、減小用戶航天器鏈路負擔等方向發(fā)展。

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