美國2013-2038年度無人系統(tǒng)路線圖

1、美國2013-2038年度無人系統(tǒng)路線圖4.3 通信系統(tǒng)，頻譜以及自主修復性4.3.1 引言所有的無人系統(tǒng)（而非完全自主的系統(tǒng)）主要面臨的挑戰(zhàn)在于通信鏈路的可用性、通信鏈路支持的數據量大小、頻譜資源的分配、以及所以射頻子系統(tǒng)對抗干擾的能力（如電磁干擾等）。為滿足作戰(zhàn)指揮的要求，各服務與機構之間的協(xié)同工作能力仍將需要繼續(xù)改進。國防部無人系統(tǒng)需要對操作控制和任務數據分布進行處理，特別是對非自主的系統(tǒng)。因此，對于一些公司和大學，這類信息可以通過電纜傳輸，但對于高度移動的無人操作，用的電磁波信號（EMS）的傳播方式將更加容易，或其他方式（例如，聲學或光學）。圖13顯示了支持無人系統(tǒng)所需要的通信網絡體系

2、結構（OV-1）。該架構中同時考慮了載人系統(tǒng)的設計，說明載人和無人傳感器以及其他指揮與控制（C2）系統(tǒng)之間需要共同的通信基礎設施支撐。輔助指揮、控制、通信和計算機（C4）的建設應該是平臺無關的（載人或無人）。運行架構采用了多種環(huán)境管理系統(tǒng)的頻段，通信網關和中繼網站，數據中心和數據傳播節(jié)點，以及地面廣播和網絡服務。在這種體系結構中的通信鏈路支持無人平臺的指揮與控制以及和各自的有效載荷；并且支持將載荷的信息回傳，用作戰(zhàn)術、戰(zhàn)略等意圖。應當盡可能地將載荷任務數據及時駐留在全局數據中心，使世界各地的用戶能夠快速簡便地發(fā)現(xiàn)、獲取和分析實時和非實時的情報、監(jiān)視和偵察（ISR）信息和其他任務的數據。第4.3

3、.2節(jié)到第4.3.17節(jié)著重闡述了無人通信系統(tǒng)結構發(fā)展的需求及計劃，并針對每個領域給出了適用的標準和系統(tǒng)指導。圖13. 高級輔助指揮、控制、通信和計算機（C4）結構運行概念圖4.3.2 當前無人通信系統(tǒng)存在的問題過去十年內，美國在全球作戰(zhàn)應用中操作的經驗教訓、詳細分析研究和回顧、作戰(zhàn)任務需求說明等都充分表明了指揮、控制、通信和計算機建設在支持無人平臺方面的各種缺陷。具體包括：全球連通性差：無人平臺全球發(fā)送高帶寬數據（例如，全運動視頻）至戰(zhàn)略戰(zhàn)術用戶的能力不足。目前無人駕駛的基礎設施大部分集中在中東，無法支持全球其他地區(qū)的行動。昂貴的衛(wèi)星/網絡合同：每個系統(tǒng)的衛(wèi)星通信帶寬的多是單獨購買通過商業(yè)租

4、賃。許多系統(tǒng)還依賴于單獨的平臺為中心的地面網絡基礎設施，以提供與戰(zhàn)術，運營和戰(zhàn)略消費者的連接。由于這種連接通常由租用商業(yè)網絡提供，每個系統(tǒng)的開銷成本進一步增加。非模式化的基礎設施：許多無人機系統(tǒng)程序建立供應商專有的通信解決方案，包括網站通信和接入地面網絡基礎設施。這種方法防止跨平臺的資源共享，大大增加了基礎設施的開銷成本（例如，設施，項目管理），并抑制系統(tǒng)的互操作性。信息共享性差：許多系統(tǒng)采用專用的處理、利用和分發(fā)（PED）和任務數據基礎設施，以防止系統(tǒng)、服務和組織之間的有效的數據共享?？傊?，目前的無人系統(tǒng)的通信基礎設施是容易產生冗余浪費，缺乏互操作，并抑制了系統(tǒng)數據向潛在用戶的分發(fā)。為了更好

5、地找到解決未來無人系統(tǒng)操作所面臨的挑戰(zhàn)的最佳途徑，需要做出幾個關鍵的假設：項目資源將變得有限：OCO經費一直維持近幾年無人機系統(tǒng)大部分的運作成本。在未來數年內，這一資金將消失。沒有項目資源，有限的租賃C4基礎設施將萎縮。C4基礎設施的需求在增長：操作環(huán)境將發(fā)生改變：開放標準提高互操作性：平臺無關提高效率：4.3.3 通信網關和中繼站點美國國防部和商業(yè)網關提供軍事和非軍事的衛(wèi)星和國防信息系統(tǒng)網（DISN）運輸和互聯(lián)網協(xié)議（IP）網絡中心服務。因此，能夠提供任務數據的全球發(fā)送，使得無人系統(tǒng)的遠程指揮與控制成為可能。同樣，中繼站點通過連接視距（LOS）與超視距無線系統(tǒng)將任務數據傳輸和指揮與控制與DI

6、SN進行連接。現(xiàn)有的許多平臺為中心的專用網關可用以支持在中東地區(qū)的業(yè)務。為了減少網關的長期支出，并更有效地處理來自無人系統(tǒng)信息，國防部將過渡到利用現(xiàn)有的全球衛(wèi)星通信企業(yè)網關設備與平臺無關的網關（如瞬移標準的戰(zhàn)術進入點（STEP）網站）?，F(xiàn)有的企業(yè)網關可以提供通用、安全的設施以及地面空間集中管理、電源、供暖、通風和空調（HVAC）等。因此，能減少各無人系統(tǒng)項目辦公室之間重復工作。4.3.4 企業(yè)數據中心和分發(fā)節(jié)點為了降低成本，優(yōu)化人力資源需求，提高各服務、組織和聯(lián)盟伙伴之間的數據共享，無人系統(tǒng)數據應整合到云計算的企業(yè)數據中心，建立一個標準的基礎設施，以分發(fā)數據到所有授權的用戶。為實現(xiàn)這一目標，近

7、期需要做的包括，情報系統(tǒng)的“大數據”云計算；以及通過建立國防信息系統(tǒng)機構（DISA）的統(tǒng)一視頻傳播服務（UVDS）將全動態(tài)視頻圖像的數據實時發(fā)送至全球各地的用戶。參見圖14。UVDS安裝在DISA國防企業(yè)計算中心，支持各種FMV來源和用戶提供的黑色（加密）和紅色（未加密）FMV流，通過多點傳送流和近實時的網絡流。UVDS實現(xiàn)國防部和工業(yè)標準、協(xié)議、配置文件（例如，SD，HD，MPEG-2，H.264，F(xiàn)lash）保證最大程度的互操作性存在的系統(tǒng)，同時利用現(xiàn)有的計算基礎設施和國防部的全球信息柵格（GIG）與陸地連接。強大的路由架構能夠連接美國大陸和在美國大陸以外的位置，并且利用國防部網關來高效實

8、時地通過衛(wèi)星通信網絡傳播影像（例如，GBS，通過衛(wèi)星信道返回聯(lián)合IP調制解調器，中央指揮部數字視頻廣播）。UVDS能夠代替捕食者和收割者中專用的點對點通信線路。參見圖15。圖14 國防信息系統(tǒng)機構所提的UVDS功能架構圖15 當前的UVDS運行架構（2012年2月）4.3.5 衛(wèi)星通信目前無人系統(tǒng)架構的一個顯著的成本是通過商業(yè)租賃的衛(wèi)星帶寬的采購。大部分用于支持部署的無人駕駛系統(tǒng)任務的帶寬都是單獨采購的。通過整合商業(yè)衛(wèi)星租賃在多個無人機系統(tǒng)，國防部能在未來降低成本。為實現(xiàn)該目的，可以通過DISA商業(yè)衛(wèi)星組合研究未來租賃安排，利用未來comsatcom服務獲取（FCSA）合同結構。使用一個共同的

9、基礎設施，包括兼容的波形，將使衛(wèi)星帶寬共享成為可能，并可以降低總需求，使之低于每個系統(tǒng)的各個要求的總和。除了高效的商業(yè)租賃，衛(wèi)星帶寬的整體成本可以通過利用更多的美國國防部的衛(wèi)星通信資源進一步減少。寬帶全球衛(wèi)星（WGS）可用于與國防部企業(yè)網關連接，來降低商用轉發(fā)器中的無人系統(tǒng)數據流量。但目前該戰(zhàn)略是不可行的，無人平臺上缺乏Ka波段的終端。所有要求超視距連接的無人系統(tǒng)項目必須計劃建立Ka波段的終端，從而利用軍事衛(wèi)星通信資源和避免昂貴的年度商業(yè)租賃。超視距無人系統(tǒng)應當盡可能同時考慮商業(yè)和軍事衛(wèi)星頻段，進而獲得操作的靈活性和使用國防部資源。4.3.6 網絡結構與系統(tǒng)無人系統(tǒng)計劃應當盡可能地利用DISN

10、核心網作為其全球連接的地面網絡基礎設施。DISN核心網的連接點已經可以在國防部的站點獲得。另外，國防信息系統(tǒng)局仍在對DISN核心網進行開發(fā)，企業(yè)廣域網IP服務可用作無人系統(tǒng)中繼解決方案的補充。企業(yè)網關的IP網絡組件提供了多重安全訪問DISN的路由和加解密方案。4.3.7 天線高速移動系統(tǒng)之間的通信需要高增益、堅固耐用、成本較低的多指向天線。較大的無人機系統(tǒng)也可以使用聚焦的波束來與更遠距離的系統(tǒng)實現(xiàn)連接。相控陣天線和智能天線（包括組合來自多個天線的信號）的發(fā)展可以為傳統(tǒng)的拋物面天線提供一個代替方案，但它們需要在大小、質量、功耗以及造價方面進行權衡。國防部和工業(yè)部門也應當繼續(xù)發(fā)展多聚焦（多波束）和

11、過冷的天線系統(tǒng)等技術。未來天線系統(tǒng)必須能夠在很寬的頻率范圍內接收信號。但同時也必須具有頻率選擇性（見4.3.13）。因此，相控陣是一種可行的方法。動態(tài)控制（例如，干擾陷零）的陣列系統(tǒng)（9陣元）目前已經可用。但更多陣元數目的與運載設備表面一致的共形陣列仍處于研發(fā)階段（計劃到2020年）。共孔徑利用則要求研發(fā)新的干擾抑制方法，從而最大限度地減少相同站點的干擾效應，并提高相鄰頻段內同時發(fā)送/接收操作的潛力。4.3.8 發(fā)射機/接收機系統(tǒng)未來的發(fā)射/接收系統(tǒng)需要改進的互操作性、自恢復性、效率和操作的靈活性。未來的超視距收發(fā)器應該盡可能支持商業(yè)Ku波段和軍用Ka波段的連接。海軍的Triton和陸軍的“灰

12、鷹”等項目已經在朝這個方向努力。這樣的硬件結構將最大化各類操作環(huán)境下的靈活性，并提高在對抗環(huán)境下的系統(tǒng)自恢復性能。無人傳感器平臺利用多波段終端的挑戰(zhàn)往往不是技術上的限制造成的，而是由預算約束。但是，這類系統(tǒng)的周期成本低于僅使用Ku波段平臺的周期成本，因為它需要不斷依賴昂貴的商業(yè)衛(wèi)星通信帶寬以支持業(yè)務。此外，所有的平臺都應該考慮采用多波段視距收發(fā)器。該策略能夠為可能存在競爭的衛(wèi)星資源提高另外的連接方式，提高連接的多樣性和自恢復性，并能夠鏈接到未來的地面和空中（例如，聯(lián)合空中層網絡（JALN）中繼節(jié)點。4.3.9 無人海洋系統(tǒng)通信4.3.10 頻譜考慮電磁頻譜是在國家和國際層面嚴格管控的。開發(fā)人員

13、應該在敲定通信系統(tǒng)設計之前，保持與國防部頻譜辦事處保持密切聯(lián)系。無人地面系統(tǒng)的遠程遙控要求在視距和超視距條件下進行協(xié)調，進而提供對戰(zhàn)場的態(tài)勢感知和偵察。對受限空間進行實時成像則要求大帶寬。因而，頻譜的可用性是無人地面系統(tǒng)執(zhí)行各種任務的關鍵。DARPA的下一代無線網絡計劃表明了動態(tài)頻譜接入的可行性?；卩徑到y(tǒng)實際使用或未使用的某些頻段，動態(tài)頻譜接入能夠自動調節(jié)頻段。該計劃的難點在于：電子對抗下的脆弱性，與現(xiàn)有系統(tǒng)進行集成的代價，標準的開發(fā)（涉及法規(guī)方面），以及共站點的干擾。4.3.11 波形通用數據鏈是所有機載有人和無人平臺的國防部標準波形。通用數據鏈（現(xiàn)有5類變體）的波形參數允許終端工作在S

14、, C, X, Ku, 和 Ka波段。其他的一些頻段也正在考慮中（見圖16）。當前計劃要求通用數據鏈具有點對點的能力。近期規(guī)劃中，計劃加入現(xiàn)代密碼學方案、動態(tài)自適應波形參數以及抗干擾、低截獲/低檢測要求。中期規(guī)劃（2019年）要求具有新的網絡能力（例如，自恢復與自組織，ad-hoc網絡，中斷容錯網絡以及動態(tài)多接入網絡管理）。長期規(guī)劃（2020年后）將發(fā)展基于自主策略的網絡管理和認知通用數據鏈。圖16 可能支持的頻段范圍4.3.12 MIMO系統(tǒng)MIMO是一種成熟的技術，目前被應用在商用的第四代（4G）移動無線系統(tǒng)。測試的數據傳輸速率高達300 Mbps。MIMO結合了信息論、前向糾錯編碼、信號

15、處理和傳播理論等多項內容；因此，MIMO和空時編碼的數學是非常復雜的。MIMO使用多徑傳輸（雖然它們不一定是獨立的），每條路徑以更低的數據率進行傳輸。利用空時編碼和容量優(yōu)化來獲得總體的高數據傳輸率。評估良性和應力條件下的性能。隨著電子、接口設計和自適應協(xié)議等技術的發(fā)展，自組織和自修復網絡將使得未來的無人機系統(tǒng)能夠在多平臺、多傳感器網絡中工作。4.3.13 電磁環(huán)境效應4.3.14 光通信在無人系統(tǒng)通信中使用激光通信可以提高目標檢測能力，提高抗干擾性能，提高穩(wěn)健的LPI/LPD，并降低通信子系統(tǒng)之間的電磁環(huán)境干擾。光通信系統(tǒng)的發(fā)展受到了大氣吸收的阻礙，但是它們提供更大的帶寬（每秒數Gb）能力。視

16、距光連接已經成功地展示在鏈路范圍超過50公里?？梢詰糜诠潭ㄎ恢?、空對空船對船的場景。理論估算表明，在斜距高達100公里的條件下，空中到地面的鏈接速率高達100 Mbit/s（取決于大氣條件）。由于這種系統(tǒng)極窄的波束寬度，保持定位精度和移動的無人系統(tǒng)將是一個重大的挑戰(zhàn)（2020年之后）。最近完成的DARPA項目“自由空間光學實驗網絡實驗”，采用混合光纖/射頻通信技術和顯示空對空（> 200公里范圍內；數據率為3 GB /秒到6 GB /秒）和空對地（> 130公里距離；數據率為3 GB /秒到9 GB /秒）的點對點通信。4.3.15 先進導航技術的發(fā)展DARPA正在研究兩類運動學

17、（即，沒有力平衡）的先進導航策略，預計可以提供顯著的改善效果。高精度慣性導航系統(tǒng)（PINS）計劃旨在利用超冷原子干涉儀作為一種替代GPS的方案。在過去的二十年中，原子物理學的進步使得科學家們能夠更好地控制原子的外部量子態(tài)，包括人為生產來自超冷原子的物質波。這種進步使得物質波干涉技術（包括高精度原子加速度計和陀螺儀）可以用來測量作用于物體上的力的大小。該計劃旨在利用這種技術來開發(fā)一個慣性導航系統(tǒng)，該導航系統(tǒng)應該有極低的漂移率，從而解決許多科學和技術的難題。由于這種創(chuàng)新完全是一個慣性系統(tǒng)，它將不需要與平臺之間進行輸入輸出，從而使得不依賴外界信息的慣性導航系統(tǒng)具有接近GPS的精度，在未來軍事潛艇，飛

18、機，導彈可以廣泛應用。該計劃已經開發(fā)了改進的重力梯度儀，加速度計，陀螺儀，即原子在參考一個近乎完美的慣性系（無傳感器的情況下）和激光/原子物理的相互作用確定慣性框架和傳感器之間的相對運動。利用光學波前來確定相對運動，進而決定了傳感器的高精度。高動態(tài)范圍原子（傳感器）（HiDRA）計劃旨在開發(fā)用于動態(tài)平臺的緊湊型傳感器。其中，慣性測量單元（IMU）將提供20米/小時的精度。相比于傳統(tǒng)的傳感器，它能夠為加速度計和陀螺儀的提供一種共用技術，在高G值環(huán)境中具有高靈敏度和線性度，且制造和維修成本低。與PINS II傳感器相比，高動態(tài)范圍原子能夠提供用于多軸，高操作，緊湊的傳感器頭，集成激光系統(tǒng)/傳感器頭

19、，現(xiàn)場可編程門陣列計時系統(tǒng)的高重復率操作，原子捕獲，短調制周期的散射光抑制，以及多脈沖分束器（可選）。4.3.16 GPS性能改進國家地理空間情報局已經出了高精度的估計和預測的軌道和時鐘（EPOCHA）實時軟件來對GPS軌道/時鐘進行估計。這使得許多平臺的更高精度的GPS定位成為可能。利用國家地理空間情報局的EPOCHA產品能夠提供更多的當前高速率信息來提高位置估計精度。這種概念已經在后處理中進行驗證，并且結果證實了精度的提高。是否將其納入現(xiàn)有的或未來的系統(tǒng)中仍處于探討階段。EPOCHA對軍用平臺的實時支持的初始作戰(zhàn)能力為2014年度，具有5分鐘的消息更新率。全面作戰(zhàn)能力（FOC）預計在201

20、6年度，具有30秒的消息更新率。許多無人系統(tǒng)通過GPS進行定位、導航和定時。目前，國防部要求GPS具有可選擇性的反欺騙模塊，該模塊通過GPS數據加密和衛(wèi)星身份驗證提高了GPS的穩(wěn)健性。在不久的將來，軍用GPS將升級為M碼GPS。M碼信號提供了更好的抗干擾性能，增強了身份驗證、保密性和密鑰分發(fā)功能。與之前的系統(tǒng)不同，M碼GPS可以獨立利用M碼信號來進行定位、導航和定時，而不必依賴于GPS來定位。4.3.17 成本效益考慮4.3.18 未來發(fā)展方向由于無人系統(tǒng)為作戰(zhàn)部隊帶來的巨大力量，可以預計其通信系統(tǒng)能力將有一個持續(xù)不斷增長的需求。這些需求包括，一個操作員能夠對多個情況進行實時分析，而無人系統(tǒng)則自主執(zhí)行許多分配的任務。未來的通信設備必須是簡單的即插即用的載荷，能夠容易、快速、低成本地修改/更新和/或升級，并具有全球連接能力（例如，網關，數據中心）確保從任何國防部授權的用戶中快速發(fā)現(xiàn)和利用任務信息。4.3.19 移動技術移動技術的目標在于快速現(xiàn)成的政府應用開發(fā)；計算平臺向平板電腦和智能手機過渡；4G蜂窩基礎設施傳播情報，數據和語音傳輸。通過使用商業(yè)開發(fā)和支持的設備，能夠大大節(jié)省經費。4.3.20 總結未來無人系統(tǒng)通信基礎設施面臨的挑戰(zhàn)可以采取以下幾步措施。（1）通過集中化管理來降低無人系統(tǒng)的耗費。指