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(fù)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(shù)據(jù)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(wù)與機(jī)構(gòu)之間的協(xié)同工作能力仍將需要繼續(xù)改進(jìn)。國防部無人系統(tǒng)需要對操作控制和任務(wù)數(shù)據(jù)分布進(jìn)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(xué)，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(xué)或光學(xué)）。圖13顯示了支持無人系統(tǒng)所需要的通信網(wǎng)絡(luò)體系

2、結(jié)構(gòu)（OV-1）。該架構(gòu)中同時考慮了載人系統(tǒng)的設(shè)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(chǔ)設(shè)施支撐。輔助指揮、控制、通信和計算機(jī)（C4）的建設(shè)應(yīng)該是平臺無關(guān)的（載人或無人）。運行架構(gòu)采用了多種環(huán)境管理系統(tǒng)的頻段，通信網(wǎng)關(guān)和中繼網(wǎng)站，數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)傳播節(jié)點，以及地面廣播和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在這種體系結(jié)構(gòu)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(shù)、戰(zhàn)略等意圖。應(yīng)當(dāng)盡可能地將載荷任務(wù)數(shù)據(jù)及時駐留在全局?jǐn)?shù)據(jù)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(wù)的數(shù)據(jù)。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(jié)構(gòu)發(fā)展的需求及計劃，并針對每個領(lǐng)域給出了適用的標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)指導(dǎo)。圖13. 高級輔助指揮、控制、通信和計算機(jī)（C4）結(jié)構(gòu)運行概念圖4.3.2 當(dāng)前無人通信系統(tǒng)存在的問題過去十年內(nèi)，美國在全球作戰(zhàn)應(yīng)用中操作的經(jīng)驗教訓(xùn)、詳細(xì)分析研究和回顧、作戰(zhàn)任務(wù)需求說明等都充分表明了指揮、控制、通信和計算機(jī)建設(shè)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(shù)據(jù)（例如，全運動視頻）至戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)用戶的能力不足。目前無人駕駛的基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以提供與戰(zhàn)術(shù)，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(wǎng)絡(luò)提供，每個系統(tǒng)的開銷成本進(jìn)一步增加。非模式化的基礎(chǔ)設(shè)施：許多無人機(jī)系統(tǒng)程序建立供應(yīng)商專有的通信解決方案，包括網(wǎng)站通信和接入地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。這種方法防止跨平臺的資源共享，大大增加了基礎(chǔ)設(shè)施的開銷成本（例如，設(shè)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(wù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，以防止系統(tǒng)、服務(wù)和組織之間的有效的數(shù)據(jù)共享?？傊?，目前的無人系統(tǒng)的通信基礎(chǔ)設(shè)施是容易產(chǎn)生冗余浪費，缺乏互操作，并抑制了系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(guān)鍵的假設(shè)：項目資源將變得有限：OCO經(jīng)費一直維持近幾年無人機(jī)系統(tǒng)大部分的運作成本。在未來數(shù)年內(nèi)，這一資金將消失。沒有項目資源，有限的租賃C4基礎(chǔ)設(shè)施將萎縮。C4基礎(chǔ)設(shè)施的需求在增長：操作環(huán)境將發(fā)生改變：開放標(biāo)準(zhǔn)提高互操作性：平臺無關(guān)提高效率：4.3.3 通信網(wǎng)關(guān)和中繼站點美國國防部和商業(yè)網(wǎng)關(guān)提供軍事和非軍事的衛(wèi)星和國防信息系統(tǒng)網(wǎng)（DISN）運輸和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)。因此，能夠提供任務(wù)數(shù)據(jù)的全球發(fā)送，使得無人系統(tǒng)的遠(yuǎn)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(wù)數(shù)據(jù)傳輸和指揮與控制與DI

6、SN進(jìn)行連接。現(xiàn)有的許多平臺為中心的專用網(wǎng)關(guān)可用以支持在中東地區(qū)的業(yè)務(wù)。為了減少網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)設(shè)備與平臺無關(guān)的網(wǎng)關(guān)（如瞬移標(biāo)準(zhǔn)的戰(zhàn)術(shù)進(jìn)入點（STEP）網(wǎng)站）?，F(xiàn)有的企業(yè)網(wǎng)關(guān)可以提供通用、安全的設(shè)施以及地面空間集中管理、電源、供暖、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）等。因此，能減少各無人系統(tǒng)項目辦公室之間重復(fù)工作。4.3.4 企業(yè)數(shù)據(jù)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(wù)、組織和聯(lián)盟伙伴之間的數(shù)據(jù)共享，無人系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)整合到云計算的企業(yè)數(shù)據(jù)中心，建立一個標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施，以分發(fā)數(shù)據(jù)到所有授權(quán)的用戶。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，近

7、期需要做的包括，情報系統(tǒng)的“大數(shù)據(jù)”云計算；以及通過建立國防信息系統(tǒng)機(jī)構(gòu)（DISA）的統(tǒng)一視頻傳播服務(wù)（UVDS）將全動態(tài)視頻圖像的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)流。UVDS實現(xiàn)國防部和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、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(chǔ)設(shè)施和國防部的全球信息柵格（GIG）與陸地連接。強(qiáng)大的路由架構(gòu)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(wǎng)關(guān)來高效實

8、時地通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)傳播影像（例如，GBS，通過衛(wèi)星信道返回聯(lián)合IP調(diào)制解調(diào)器，中央指揮部數(shù)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(jī)構(gòu)所提的UVDS功能架構(gòu)圖15 當(dāng)前的UVDS運行架構(gòu)（2012年2月）4.3.5 衛(wèi)星通信目前無人系統(tǒng)架構(gòu)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(wù)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(jī)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(wù)獲?。‵CSA）合同結(jié)構(gòu)。使用一個共同的

9、基礎(chǔ)設(shè)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(jìn)一步減少。寬帶全球衛(wèi)星（WGS）可用于與國防部企業(yè)網(wǎng)關(guān)連接，來降低商用轉(zhuǎn)發(fā)器中的無人系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(yīng)當(dāng)盡可能同時考慮商業(yè)和軍事衛(wèi)星頻段，進(jìn)而獲得操作的靈活性和使用國防部資源。4.3.6 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)無人系統(tǒng)計劃應(yīng)當(dāng)盡可能地利用DISN

10、核心網(wǎng)作為其全球連接的地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。DISN核心網(wǎng)的連接點已經(jīng)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(wǎng)進(jìn)行開發(fā)，企業(yè)廣域網(wǎng)IP服務(wù)可用作無人系統(tǒng)中繼解決方案的補(bǔ)充。企業(yè)網(wǎng)關(guān)的IP網(wǎng)絡(luò)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(jī)系統(tǒng)也可以使用聚焦的波束來與更遠(yuǎn)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(zhì)量、功耗以及造價方面進(jìn)行權(quán)衡。國防部和工業(yè)部門也應(yīng)當(dāng)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(shù)。未來天線系統(tǒng)必須能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)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(jīng)可用。但更多陣元數(shù)目的與運載設(shè)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(yīng)，并提高相鄰頻段內(nèi)同時發(fā)送/接收操作的潛力。4.3.8 發(fā)射機(jī)/接收機(jī)系統(tǒng)未來的發(fā)射/接收系統(tǒng)需要改進(jìn)的互操作性、自恢復(fù)性、效率和操作的靈活性。未來的超視距收發(fā)器應(yīng)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(jīng)在朝這個方向努力。這樣的硬件結(jié)構(gòu)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(fù)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(shù)上的限制造成的，而是由預(yù)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(wù)。此外，所有的平臺都應(yīng)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(fù)性，并能夠鏈接到未來的地面和空中（例如，聯(lián)合空中層網(wǎng)絡(luò)（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(yán)格管控的。開發(fā)人員

13、應(yīng)該在敲定通信系統(tǒng)設(shè)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(yuǎn)程遙控要求在視距和超視距條件下進(jìn)行協(xié)調(diào)，進(jìn)而提供對戰(zhàn)場的態(tài)勢感知和偵察。對受限空間進(jìn)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(wù)的關(guān)鍵。DARPA的下一代無線網(wǎng)絡(luò)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(diào)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(jìn)行集成的代價，標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)鏈?zhǔn)撬袡C(jī)載有人和無人平臺的國防部標(biāo)準(zhǔn)波形。通用數(shù)據(jù)鏈（現(xiàn)有5類變體）的波形參數(shù)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(dāng)前計劃要求通用數(shù)據(jù)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(xué)方案、動態(tài)自適應(yīng)波形參數(shù)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(wǎng)絡(luò)能力（例如，自恢復(fù)與自組織，ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，中斷容錯網(wǎng)絡(luò)以及動態(tài)多接入網(wǎng)絡(luò)管理）。長期規(guī)劃（2020年后）將發(fā)展基于自主策略的網(wǎng)絡(luò)管理和認(rèn)知通用數(shù)據(jù)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(shù)，目前被應(yīng)用在商用的第四代（4G）移動無線系統(tǒng)。測試的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)300 Mbps。MIMO結(jié)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(nèi)容；因此，MIMO和空時編碼的數(shù)學(xué)是非常復(fù)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(shù)據(jù)率進(jìn)行傳輸。利用空時編碼和容量優(yōu)化來獲得總體的高數(shù)據(jù)傳輸率。評估良性和應(yīng)力條件下的性能。隨著電子、接口設(shè)計和自適應(yīng)協(xié)議等技術(shù)的發(fā)展，自組織和自修復(fù)網(wǎng)絡(luò)將使得未來的無人機(jī)系統(tǒng)能夠在多平臺、多傳感器網(wǎng)絡(luò)中工作。4.3.13 電磁環(huán)境效應(yīng)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(biāo)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(shù)Gb）能力。視

16、距光連接已經(jīng)成功地展示在鏈路范圍超過50公里?？梢詰?yīng)用于固定位置、空對空船對船的場景。理論估算表明，在斜距高達(dá)100公里的條件下，空中到地面的鏈接速率高達(dá)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(xué)實驗網(wǎng)絡(luò)實驗”，采用混合光纖/射頻通信技術(shù)和顯示空對空（> 200公里范圍內(nèi)；數(shù)據(jù)率為3 GB /秒到6 GB /秒）和空對地（> 130公里距離；數(shù)據(jù)率為3 GB /秒到9 GB /秒）的點對點通信。4.3.15 先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展DARPA正在研究兩類運動學(xué)

17、（即，沒有力平衡）的先進(jìn)導(dǎo)航策略，預(yù)計可以提供顯著的改善效果。高精度慣性導(dǎo)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(xué)的進(jìn)步使得科學(xué)家們能夠更好地控制原子的外部量子態(tài)，包括人為生產(chǎn)來自超冷原子的物質(zhì)波。這種進(jìn)步使得物質(zhì)波干涉技術(shù)（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(shù)來開發(fā)一個慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，該導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)該有極低的漂移率，從而解決許多科學(xué)和技術(shù)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(jìn)行輸入輸出，從而使得不依賴外界信息的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有接近GPS的精度，在未來軍事潛艇，飛

18、機(jī)，導(dǎo)彈可以廣泛應(yīng)用。該計劃已經(jīng)開發(fā)了改進(jìn)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(xué)波前來確定相對運動，進(jìn)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(shù)，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(fù)率操作，原子捕獲，短調(diào)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(jìn)國家地理空間情報局已經(jīng)出了高精度的估計和預(yù)測的軌道和時鐘（EPOCHA）實時軟件來對GPS軌道/時鐘進(jìn)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(chǎn)品能夠提供更多的當(dāng)前高速率信息來提高位置估計精度。這種概念已經(jīng)在后處理中進(jìn)行驗證，并且結(jié)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(yù)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(jìn)行定位、導(dǎo)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(shù)據(jù)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(qiáng)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(jìn)行定位、導(dǎo)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(yù)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?qū)Χ鄠€情況進(jìn)行實時分析，而無人系統(tǒng)則自主執(zhí)行許多分配的任務(wù)。未來的通信設(shè)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(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)中心）確保從任何國防部授權(quán)的用戶中快速發(fā)現(xiàn)和利用任務(wù)信息。4.3.19 移動技術(shù)移動技術(shù)的目標(biāo)在于快速現(xiàn)成的政府應(yīng)用開發(fā)；計算平臺向平板電腦和智能手機(jī)過渡；4G蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施傳播情報，數(shù)據(jù)和語音傳輸。通過使用商業(yè)開發(fā)和支持的設(shè)備，能夠大大節(jié)省經(jīng)費。4.3.20 總結(jié)未來無人系統(tǒng)通信基礎(chǔ)設(shè)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