无人空中飞行器通信技术

可实现超视距通信的技术
无人空中飞行器是指无人驾驶的航空器。由这种航空器及其所载的有效通信载荷与地面控制设施、用户设备等一起构成无人空中飞行器通信系统。为这种系统开发和使用的技术统称为无人空中飞行器通信技术。
定义
这是一种可实现超视距通信的技术。由于它采用了先进的传感器和数字通信技术相结合， 大大提高了情报收集与信息传输的能力。它的长续航能力与卫星通信链路相结合，又使其可在全球任何地方实时传送和接收传感器收集的数字信号和飞机控制信号。
基本特点
无人空中飞行器可免除对人的生命威胁，而仍能保持有人机的许多优点， 尤其是小型传感器组件能够收集所需要的信息，既可用于战场侦察监视，又可用于通信。用作通信时，机上高度可靠的控制和通信系统可为情报分析人员和战场指挥官及时提供所需要的信息,这种系统在设计中采用了市场上流行的传感器组件，其中包括光电部件、前视红外装置、合成孔径雷达、移动目标指示器和信号情报系统，例如, 美军的"捕食者"无人空中飞行器的传感器是将现成的商用技术用于获取高分辨率的战场侦察和监视图像，这样可以节省研制费用；续航时间长是无人空中飞行器的另一特点，其航速一般达每小时130～150公里，在作战前线上空或正面上空的飞行半径达925公里，在这样的航速和飞行半径内可续航时间40到70小时。正因如此，美军决定将无人机用于支持未来数字化战场。
国外情况
西方国家从80年代末90年代初开始研制作为侦察、通信手段的无人空中飞行器。在西方国家的军队中,美军的无人空中飞行器最多。它拥有“猎人”、“捕食者”、“"蒂尔”系列无人空中飞行器,其中最新、最先进的是“蒂尔”无人空中飞行器。 这三种类型的无人空中飞行器都以装备部队，其中“猎人”和“捕食者”主要用于战术侦察，“蒂尔”功能更多， 能执行从军事到政治、经济等多种侦察任务。在海湾战争和波黑战争中西方国家， 尤其是美军都大量使用无人空中飞行器。
基本任务
无人空中飞行器至少执行12项基本任务。
无人空中飞行器飞行高度高,续航时间长,可作为C4I 中继和广播系统的良好平台。无人空中飞行器有可能显著增强对所有地区和各之指挥部门之间的战场情报和指挥控制信息的传送。
对敌方移动部队和移动目标（如对“飞毛腿”一类的导弹）实施近实时的跟踪和精确打击提供情报支持。
近实时的战斗评估能力，为计划和实施作战及时反馈信息，以便把误伤减少到最低限度。
提供敌军战斗序列信息，尤其是在“信息稀少的地区”。
战斗损伤评估，对目标的破坏进行高分辨率的近实时评估，及时反馈信息以支持战斗部队对目标的再次打击。
搜集战场情报，为准备地面战斗和两栖攻击与登陆作战观察有关的地区，可显著增强显示和预警能力。
用于特种作战，对极为重要的海上舰只、地面士兵和军事目标进行跟踪，为规划人员提供实时数据。
实施战场封锁和隔离。
实施敏感性侦察行动，包括对重要的军事危机或政治敏感事件的侦察。
人道主义援助，提供有关战争(或迫害)而逃离原住地(或本国) 的人员数量和移动情况或自然灾害的信息。
联合国条约国监视。无人空中飞行器可把违反条约的行为报告联合国当局， 而同时提供有关地区安全和近实时的监视信息。
执行禁毒任务。可对贩毒活动的通行车辆进行鉴别、传送图像和跟踪。
有效载荷
无人空中飞行器一般都采用新式光电和红外摄像机及合成孔径雷达。摄像机内装有传感器,因此它在地面操作员的控制下可提供良好的广域与远距离昼夜监视能力。 合成孔径雷达提供光电或红外技术难以实现的全天候监视。
有的无人空中飞行器还配备了全球导航定位卫星系统和惯性导航系统，传送准确的定位信息，并计算传感器视场内固定和移动目标的位置。并配备了C 波段可变频率数据链路以及控制无人机和有效载荷的特高频 Ku 波段卫星链路。
●传感器
无人空中飞行器上的传感器是高度集成、稳定和万向型的，装在摄像机的球型透镜旋转台内。传感器一般有两个摄像镜头，一个是16～160毫米的， 具无穷大的聚焦能力，另一个一般是900毫米的，以视轴瞄准目标，瞄准范围60×60英尺，倾斜范围 5 英里。16毫米透镜可调整到广视角。
●红外摄像机
这一般是3～5微米的装置，有3 个反射镜，3个倍增器，共6 个聚焦调整装置，调整范围为19～560毫米。例如，美军“捕食者”无人空中飞行器上的这两种传感器可从4950米以上的高空对地面用户提供分辨率为12英寸的图像。
●成像雷达传感器
这一般是一种高度集成的合成孔径雷达，可分辨12英寸的目标，可连续覆盖10公里宽的地域。
卫星数链路
无人空中飞行器上一般采用了两种卫星数字数据链路。一种是特高频(UHF) 卫星链路，用于无人空中飞行器飞越较远距离时中继信息。另一种是商用Ku波段卫星链路。
(1)UHF卫星链路
该链路具备按需分配多址能力，带宽25千赫，每秒可以16.6千比特的吞吐量传送兆比特的图像信息。UHF卫星链路完全能够控制无人机飞行，提供状态报告和回送图像。
通过UHF链路每10～60秒接收一幅图像。如果用户希望时间稍长一些，2分钟传送一幅图像，可降低机上的图像压缩要求，图像质量不会因采用压缩算法而受影响。对于时间性强的目标，如对付“飞毛腿”导弹，为得到所需的信息，往返传送一幅图像可能只需10秒钟。
(2)Ku波段商用卫星链路和机载链路
该链路完全符合通用数据链路标准，在每秒1.54兆比特的速率下，通过Ku波段系统在无人机和卫星之间传送图像。卫星的天线孔径和充足的功率可将传输速率提高到10.7兆比特，但是这需要在卫星上租用更多的转发器。
Ku波段机载链路是一种无人空中飞行器机载数据链路，采用数据压缩方法，目前正在研制中。该链路用于传输图像，只要无人机不飞离卫星点波束覆盖范围，飞行距离可达几千英里，并可发送实时图像。如果飞行纵剖面超出点波束的覆盖范围，该无人机还可为全自主飞行任务自动预编程。在这种情况下地面站必须在发送情报图像之前，等待无人机再次飞到卫星覆盖范围内。
地球站是收集情报的手段。通过两次卫星中继，可在世界上任何地方传送和接收“捕食者”采集的图像。一是通过国防信息系统网和联合全球情报信息系统进行日常图像传输，二是通过国防卫星通信系统对海军舰艇传送图像。并通过联合可部署的情报支持系统处理运动图像和带注释的静态图像。
战场战术应用
利用无人空中飞行器执行侦察任务可减少费用、简化训练和勤务保障。例如旅指挥官如果拥有无人空中飞行器提供的图像信息，可将前线部队的活动范围向前延伸30公里。无人空中飞行器配备给机动部队，其指挥官可以控制飞机，并对作战方案进行有效的综合。
(1) 无人空中飞行器的战术配置
无人空中飞行器可配置到营、旅和师级，例如旅指挥官如果利用无人空中飞行器，可将活动范向前延伸30公里；机动部队利用无人空中飞行器可控制战术飞机，对作战方案进行有效的综合。但是，无人航空器要适合机动部队机动作战方案的要求， 可能使飞机和传感器设备的能力受限制，如远距离续航、全天候实时数据传输能力将难以发挥作用，部署在前方的无人空中飞行器也容易敌方武器的摧毁。解决的办法是将无人空中飞行器配在军级或特遣部队级，对战术部队提供支援。现有的技术可使地面指挥官在其建制部队不具备无人空中飞行器的情况下，可通过无人空中飞行器接收控制和方向监视数据。采用续航时间长的无人航空器，使其飞行范围不受战术部队所处位置的限制，从而在机动部队中消除了对无人空中飞行器支援设备的需求。
(2)无人空中飞行器系统配置
无人空中飞行器的系统配置包括近程、中程、远程和低、中、高空系列。例如美军的"蒂尔"系列(见附1)
表1 美军"蒂尔"无人空中飞行器系列
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│ "蒂尔"系列无人空中飞行器战术技术特性 │
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│特性 │ 蒂尔Ⅱ │ 蒂尔Ⅱ+ │ 蒂尔Ⅲ- │
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│重量(净重) │ >1873谤 │ >20000磅 │ 7500磅 │
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│续航时间 │ 24小时 │ 24小时 │ >8小时 │
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│实际航速 │ 60～110节 │ 300～400节 │ >250节 │
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│飞行高度 │ 最大高度7620米 │ 15240～19800米 │ >13720米 │
│ │ 一般高度4570米 │ │ │
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│飞行半径 │ 926.5公里 │ 5559公里 │ >962.5公里 │
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│抗毁性 │ 无 │ 威胁预警和电子 │ 很难观察到 │
│ │ │ 对抗 │ │
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│指挥控制 │ UHF军用卫星/ │ 宽带卫星通信: │ 窄带卫星通信:│
│ │ 视距通信: │ 20～50 Mb/s； │ 1.5 Mb/s │
│ │ Ku波段和UHF； │ 视距通信: │ 视距通信: │
│ │ 视距通信:C波段 │ 137 Mb/s │ 137 Mb/s │
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综合影响
无人空中飞行器是一种新的情报和通信手段， 它的最大作用在于起到载人侦察机和其他地面侦察手段起不到作用，而成本远远低于侦察卫星。因此,无人空中飞行器与卫星一样，在美军等西方国家的军队中占重要的地位，或者说是空间、 空中和地面三重指挥控制网络中空中这一层的重要配置，特别在作战前线起的作用更大。是高空探测最好的选择。
技术实施难点
无人空中飞行器易受电磁干扰的威胁， 包括使目标消隐和采取欺骗行动的有源和无源探测能力的威胁，从无人空中飞行器的传感器到地面站的光电、 红外及合成孔径雷达的数据传输也会受电子探测和对抗系统的威胁。当无人空中飞行器把视距或UHF 卫星用作指挥控制上行和下行链路时，数据传输也会受干扰和截收。但是，采用先进的屏蔽技术和传感器技术，这些技术难点可在一定程度上得到解决。