蘇紹璟，童小鐘，魏俊宇，吳 鵬

(國防科技大學 智能科學學院， 湖南 長沙 410073)

隨著無人駕駛飛行器應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，無人機作為新時期的高科技裝備，對改變作戰(zhàn)樣式、打贏未來戰(zhàn)爭起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的射頻(Radio Frequency, RF)通信在高壓線和通信基站等環(huán)境下易受磁場干擾影響，難以實時高效地通信，影響無人機集群的協(xié)同作戰(zhàn)效能，此外，RF通信的廣播特性容易產(chǎn)生同頻干擾和安全問題，制約了無人機的隱身性能。而自由空間光(Free Space Optical, FSO)通信擁有大帶寬，免許可證，隱秘安全且不易受干擾的優(yōu)勢，在安全和保密性能方面是傳統(tǒng)的RF通信無法比擬的，因此非常適合軍事通信[1-3]。同時，無人機在商業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展也非常迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于搜索和救援[4]、工農(nóng)業(yè)檢測[5]、道路交通監(jiān)控[6]、地震災(zāi)區(qū)評估[7]、地理信息三維測繪[8]等領(lǐng)域。

近年來，無人機集群承擔的任務(wù)向多元化方向發(fā)展。在軍事方面，美國和俄羅斯等國家已經(jīng)讓其擔負戰(zhàn)場情報搜索、監(jiān)視和偵察打擊等任務(wù)，任務(wù)復(fù)雜度對信息傳輸提出了低延時、大帶寬和高保密性的要求，通信質(zhì)量的好壞決定了其生存能力和任務(wù)成功與否。基于FSO的無人機集群通信僅需通過光強便可及時有效進行沖突檢測和避免碰撞，有效提升其在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下通信抗干擾和任務(wù)執(zhí)行能力，F(xiàn)SO通信能夠滿足4 K視頻回傳等高速實時業(yè)務(wù)的需求，能夠?qū)崿F(xiàn)無人機集群通信隱身化，提高無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)效能。因此，基于FSO的無人機集群通信鏈路的研究已成為各國的熱點[9]。

本文研究內(nèi)容和總體框架如圖1所示。首先，對基于FSO的無人機集群通信載荷的應(yīng)用需求進行了梳理歸納，認真分析了近幾年國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀；然后，深入探討了FSO通信載荷中主要應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)；最后，展望了FSO通信載荷技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，以期為提高基于FSO的無人機集群通信載荷技術(shù)提供借鑒與參考。

圖1 本文研究內(nèi)容和總體框架Fig.1 Content and general framework of article research

1 應(yīng)用需求

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜，利用無人機進行情報搜集和偵察，實時圖像回傳等都需要大量的數(shù)據(jù)傳輸和信息快速交換，集群之間的通信要求低延時，寬帶寬及高保密性來保證不易被攔截竊聽。因此，無人機集群FSO通信存在諸多通信需求，具體有以下幾個方面[9-11]。

1)數(shù)據(jù)隱秘安全傳輸需求。目前，大多數(shù)無人機集群通信都是基于已有的RF無線電基站和協(xié)議基礎(chǔ)上進行改進和優(yōu)化后使用的。無人機集群參與諸如戰(zhàn)場偵察監(jiān)視，情報搜索和目標定位跟蹤等隱秘任務(wù)時，傳統(tǒng)RF通信因其傳輸信道具有廣播特性，容易產(chǎn)生同頻干擾及安全問題,這些都可能使無人機集群系統(tǒng)性能嚴重下降。此外，無人機集群RF通信使用的WiFi和LORA等無線通信網(wǎng)絡(luò)在高壓線、通信基站和金屬設(shè)施多的工廠等復(fù)雜電磁環(huán)境容易受到磁場干擾，難以做到高效穩(wěn)定通信，這將大大降低無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)和工程實際應(yīng)用的能力。而FSO采用點對點定向通信，鏈路間干擾小且有效避免信息竊取，保密性高，因此，為了滿足數(shù)據(jù)隱秘安全傳輸以及未來無人機集群多場景全天候的實戰(zhàn)需求，需要深入研究基于FSO的無人機集群通信技術(shù)。

2)實時高速傳輸需求。無人機偵察打擊要求實時數(shù)據(jù)傳輸，其通信鏈路的高速率對戰(zhàn)場決策起著至關(guān)重要的作用，以無人機為節(jié)點構(gòu)建高速傳播的空中骨干節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，對構(gòu)建空天一體化作戰(zhàn)指揮體系實時通信具有關(guān)鍵作用。例如，利用無人機FSO通信鏈路轉(zhuǎn)發(fā)指揮控制指令、監(jiān)視和感知戰(zhàn)場態(tài)勢等任務(wù)，需要快速共享指令或者各種傳感器捕獲的情報信息，只有實時高速的傳輸速率才能滿足現(xiàn)代復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下高質(zhì)量的通信。若要構(gòu)建人與無人機結(jié)合的作戰(zhàn)體系，則需利用FSO通信實時信息傳輸來滿足人-機一體化的要求，使其能夠作為指揮員的“千里眼”和“順風耳”，幫助指揮員實時掌握戰(zhàn)場態(tài)勢，提高戰(zhàn)場決策和任務(wù)完成能力。

3)良好的抗干擾性能需求。復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下，無人機集群之間的通信質(zhì)量直接決定了任務(wù)的成功與否，通信數(shù)據(jù)鏈路必將成為敵我雙方電子偵察與干擾的重點。因此，數(shù)據(jù)鏈路的抗干擾性能是通信連接中值得關(guān)注的因素。傳統(tǒng)的RF通信由于其安全性差，易被捕獲和干擾，難以在復(fù)雜電磁環(huán)境下充分發(fā)揮效能。FSO通信在發(fā)射和接收可見光時難以被敵方捕獲和偵察識別，通信過程不易被破壞和竊聽，具備強抗干擾特性，能夠幫助無人機集群高效傳輸信息，從而提升戰(zhàn)場任務(wù)執(zhí)行能力和生存能力。

4)拓展頻譜資源帶寬的需求。無人機集群在戰(zhàn)場上擔負著越來越豐富且關(guān)鍵的角色，任務(wù)執(zhí)行領(lǐng)域和范圍都將有所增加。傳統(tǒng)的RF通信無線電頻譜在米到毫米范圍，采用6～60 GHz范圍的頻率帶寬[12]，日益增加的頻譜帶寬需求使得頻帶資源(例如13 GHz、15 GHz和23 GHz)正變得擁塞[13]，同時，RF通信不可避免地存在頻率干擾問題。而FSO激光束的波長在微米范圍[14]，工作頻段在全球不受管制，可以免費使用且無須申請審批，能夠有效擴展無人機集群高動態(tài)通信的頻譜資源，提高頻譜資源利用率，并且其不易受到頻率和相鄰頻段帶來的干擾，能夠滿足日益增長的頻譜資源需求，有效解決頻譜資源擁擠和沖突問題。

5)無人機集群通信智能化需求?，F(xiàn)代戰(zhàn)場瞬息萬變，作戰(zhàn)時不同時間和空間的互聯(lián)關(guān)系難以預(yù)先規(guī)劃，通信連接具有高機動性，這就要求通信系統(tǒng)在建立連接時具備“高智能化”，即具備無中心自組織的智能組網(wǎng)通信特性，在應(yīng)對復(fù)雜的電磁環(huán)境背景下遭遇干擾竊聽時能夠主動防御，通信被破壞之后能夠利用系統(tǒng)智能算法主動修復(fù)，完成高質(zhì)量的通信連接，保證戰(zhàn)場通信的安全性、可靠性和持續(xù)性。智能化通信技術(shù)能夠使無人機集群協(xié)同作戰(zhàn)能力大大提升，增強系統(tǒng)的自適應(yīng)以及抗打擊能力，提供良好的人機交互性和多功能的信息處理，幫助指揮員快速決策，取得戰(zhàn)場先機。同時，稍縱即逝的戰(zhàn)機要求無人機集群主動判斷和戰(zhàn)場感知能力的智能化，從而實現(xiàn)先發(fā)制人，克敵制勝。

6)配置靈活與降低成本需求。隨著無人機集群執(zhí)行任務(wù)的多樣化，其作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)范圍將發(fā)生巨大的變化。傳統(tǒng)的RF通信無法在各種陌生惡劣的環(huán)境快速靈活配置通信，并且設(shè)備及維修費用高，通信功耗大，不能夠滿足未來全空域多場景的任務(wù)持續(xù)性需求。而FSO通信鏈路的功耗小，靈活性高，能夠在各種環(huán)境靈活實現(xiàn)通信連接配置。同時，F(xiàn)SO通信設(shè)備簡單，僅需激光發(fā)射器和信號探測儀便可實現(xiàn)FSO通信，成本低廉并且易于維護。因此，F(xiàn)SO通信載荷能夠滿足配置靈活和降低成本的需求，從而提升無人機集群任務(wù)廣度和執(zhí)行能力[14]。

2 發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

FSO通信具有不易被攔截和竊聽、不會對附近的射頻造成干擾等多種戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢[15]，不少發(fā)達國家早已從事飛機間的機載激光通信載荷及鏈路的理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。早在1984年，美軍資助的HAVE LACE 項目就已經(jīng)在兩架KC-135A飛機間實現(xiàn)160 km通信距離、19.2 kbit/s傳輸速率以及10-6誤碼率的通信[16]。1998年，美國空軍實驗室在兩架T-39飛機間實現(xiàn)12 192 m飛行高度、50～500 km通信距離、1 Gbit/s傳輸速率以及10-6誤碼率的通信演示試驗[17]。1999年，美國的Thermo Trex公司和Lucent公司相繼進行了機載激光通信實驗，并分別實現(xiàn)了50～500 km通信距離、1 Gbit/s傳輸速率以及10-6誤碼率和20 km通信距離、波長為1 550 nm和2.5 Gbit/s傳輸速率的通信演示試驗[18-19]。2003年，美國空軍研究室研制實現(xiàn)了100 km通信距離、1～2.5 Gbit/s傳輸速率以及10-7誤碼率的通信原理樣機，并于2006年完成搭載飛機的測試實驗[20]。2008年，德國宇航中心完成了Do-228飛機與地面站間10～85 km通信距離、155 Mbit/s通信速率的激光通信實驗，并于2013年成功在“狂風”戰(zhàn)斗機和地面移動站之間完成50 km通信距離、1.25 Gbit/s傳輸速率的實驗[21]。2009年，麻省理工學院進行了搭載在雙獺飛機上激光終端的通信實驗，并實現(xiàn)了25 km通信距離、2.5 Gbit/s傳輸速率的目標[22]。2010年，美國空軍實驗室進行了DC-3飛機之間94～132 km通信距離、2.5 Gbit/s傳輸速率以及10-6誤碼率的雙向激光通信實驗[23-25]。

在無人機載激光通信領(lǐng)域，近幾年發(fā)展也十分迅速。2006年，文獻[26]首次提出在無人機集群之間應(yīng)用FSO通信鏈路，并指出FSO通信在無人機集群中可能的應(yīng)用場景和顯著優(yōu)勢。2008年，文獻[27]進一步討論了FSO通信在無人機集群中應(yīng)用所具備的優(yōu)勢和帶來的挑戰(zhàn)。文獻[28]指出FSO通信非常適合應(yīng)用在需要高速數(shù)據(jù)連接的無人機集群中，并討論使用FSO連接的對準以及由大氣引起的光束衰減和波動等問題。文獻[29]在基于FSO的無人機鏈路上進行了大容量通信，并討論了實現(xiàn)這一技術(shù)潛在的困難和挑戰(zhàn)。文獻[30]研究了由于無人機位置和方向的隨機波動而引起的FSO通道的幾何損失并對FSO通道質(zhì)量進行了量化。文獻[31]研究了無人機的隨機懸停波動對跟蹤方法性能的影響，并基于無人機的不穩(wěn)定性程度，分析推導了用于跟蹤和誤碼率的封閉形式表達式。文獻[32]提出了不同的基于深度學習的新型FSO系統(tǒng)，其中深度學習[33]應(yīng)用在檢測器、聯(lián)合信道估計器等方面，并考慮到大氣湍流對所提出結(jié)構(gòu)的符號誤碼率性能進行了研究，提出的結(jié)構(gòu)不需要導頻序列，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本并且具有良好的性能。在無人機FSO通信工程實際應(yīng)用方面，2014年，美國通用原子公司提出的搭載在MQ-9無人機載激光通信載荷并于2020年2月已完成通信系統(tǒng)部分試驗，該系統(tǒng)在1.064 μm和1.550 μm兩個光波波長下工作，能夠保證無人機通信鏈路的低可截獲和低可檢測概率[34-35]。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對FSO通信載荷技術(shù)研究是從點對點機載激光通信開始的[36]，對基于FSO的無人機集群通信研究則相對更晚，所以與國外相比，存在較大的差距。不過近幾年發(fā)展十分迅速，取得了不少顯著的成果[37]。

2001年，上海光機所開始研制點對點的機載激光通信樣機，該通信樣機可以實現(xiàn)50～100 km通信距離、1 Gbit/s傳輸速率以及10-6誤碼率的通信[36,38]；2006年，武漢大學首次成功實現(xiàn)了42 Mbit/s的多業(yè)務(wù)機載激光通信試驗，而且次年又成功地在國內(nèi)進行了全空域的機載激光通信自動跟蹤伺服系統(tǒng)試驗[36]；2009年，西安理工大學成功研制了基于以太網(wǎng)的大氣激光視頻傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了3～5 km通信距離，24小時全天候無間斷實時視頻網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信[36-37]；2011年，長春理工大學實現(xiàn)直升機之間的通信距離為20 km的動態(tài)激光通信野外實驗[36,39]；2013年，長春理工大學對無人機載激光通信的關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細分析，建立了機載激光通信原型研制并在兩架運12型固定翼飛機之間進行了高速長距離通信測試，并實現(xiàn)了通信距離為144 km，通信速率為2.5 Gbit/s的通信[40]；2016年，中國科學院上海光學精密機械研究所實現(xiàn)了通信距離為3 110 m飛機-水下的無線光通信試驗；2017年，中電三十四研究所采用小型旋翼無人機平臺實現(xiàn)了6.7 km通信距離、1.25 Gbit/s通信速率前提下穩(wěn)定的信號傳輸,對信號傳輸?shù)馁|(zhì)量進行了測試分析[41]。然而，與國外相比，我國FSO通信技術(shù)工業(yè)應(yīng)用發(fā)展相對滯后，尤其是在無人機領(lǐng)域存在較大差距。因此，加快推進國內(nèi)基于FSO的無人機集群通信技術(shù)研究和應(yīng)用具有重要意義。

綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，在FSO通信載荷機載應(yīng)用方面，主要涉及有人機載激光通信載荷的點對點激光通信，暫未進行大規(guī)模集群間的FSO通信試驗；而有關(guān)無人機集群的FSO通信載荷試驗則更是鮮有報道?，F(xiàn)階段關(guān)于FSO通信研究主要存在以下幾個方面的局限性：①FSO通信系統(tǒng)是通信載荷發(fā)展的基礎(chǔ)，而現(xiàn)有的FSO通信系統(tǒng)主要應(yīng)用在衛(wèi)星或中大型有人機，其功率和尺寸等都無法直接匹配無人機通信載荷。②現(xiàn)階段FSO通信載荷試驗都是采取點對點通信，這種通信方式受大氣環(huán)境的影響導致鏈路可靠性變差，影響網(wǎng)絡(luò)拓撲的生成和優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)容錯性差[42]，F(xiàn)SO通信鏈路的狀態(tài)隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化而發(fā)生改變，需要網(wǎng)絡(luò)拓撲重置(包括光路邏輯和物理拓撲的重置)來保證網(wǎng)絡(luò)通信，這些因素都限制了FSO通信在無人機集群中的工程應(yīng)用。③未能很好地解決無人機集群大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)接入進行超密集型業(yè)務(wù)造成網(wǎng)絡(luò)中FSO鏈路(包括地面網(wǎng)絡(luò)與無人機之間的鏈路，無人機與無人機之間的鏈路)的負載和鏈路利用率不均衡的問題。④FSO通信由于光束的方向性使得無人機集群面臨通信鏈路難以快速建立的問題，F(xiàn)SO鏈路的獲取、跟蹤和指向都是不小的挑戰(zhàn)。此外，機載終端之間視線損失和大氣影響等問題也限制了無人機集群FSO通信載荷的發(fā)展。

綜上所述，盡管FSO通信在理論和應(yīng)用上取得了一定程度的進展，并開展了機載激光通信載荷相關(guān)的仿真和試驗，但仍然面臨諸多問題和挑戰(zhàn)，限制了基于FSO的無人機集群通信的發(fā)展，應(yīng)該充分認識到當前試驗的局限和不足，深入進行相關(guān)領(lǐng)域的研究。

2.3 發(fā)展趨勢

結(jié)合國內(nèi)外無人機集群FSO通信發(fā)展現(xiàn)狀，可以總結(jié)以下幾點主要發(fā)展趨勢[9,32,43-49]：

1)無人機集群通信朝著RF/FSO異構(gòu)融合方向發(fā)展。未來無人機集群通信將朝著RF/FSO混合通信發(fā)展，最大限度地發(fā)揮不同譜段通信系統(tǒng)的優(yōu)勢。不同的譜段均有各自的特點,無線電易受電磁干擾，難以實時高效通信,但其穿透云霧能力強；可見光抗干擾能力強，具有很高的方向性和安全性，但易受大氣環(huán)境和天氣因素影響。構(gòu)建無線電和可見光的異構(gòu)融合通信，能夠最大限度地發(fā)揮各自的優(yōu)勢，可以有效拓展無人機集群高動態(tài)通信的頻譜資源，提供更好的數(shù)據(jù)連接的安全性和可靠性，提高頻譜資源利用率和數(shù)據(jù)傳輸速率，實現(xiàn)特定區(qū)域的無縫高速通信連接，為日益錯綜復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境提供全天候、全方位的通信保障服務(wù)[50]。

2)FSO通信載荷智能化。近年來，機器學習飛速發(fā)展，其在智能識別、目標檢測等各個領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了卓越的表現(xiàn)，將機器學習與FSO通信技術(shù)結(jié)合，有助于實現(xiàn)載荷智能化。一方面，機器學習的強大學習能力有利于實現(xiàn)載荷對通信環(huán)境的態(tài)勢感知；另一方面，將機器學習應(yīng)用于FSO通信鏈路中，有利于通信鏈路快速建立連接，提高通信傳輸速率和抗干擾、抗損衰的性能[51]。機器學習與FSO通信技術(shù)構(gòu)建的載荷智能化有助于提升無人機集群FSO通信性能，進一步減少成本、降低功耗和復(fù)雜性。因此，與機器學習深度融合的智能化載荷是未來無人機集群FSO通信應(yīng)用研究的熱點。

3)FSO通信組網(wǎng)智能化。目前，無人機集群主要采用基于基礎(chǔ)設(shè)施和基于自組網(wǎng)(ad-hoc)的集群架構(gòu)[52]?；诨A(chǔ)設(shè)施通信架構(gòu)雖可減少計算能力和無人機有效負載，但容易受到干擾，限制集群功效和規(guī)模的增加[53-54]。基于自組網(wǎng)的通信架構(gòu)不依賴于任何基礎(chǔ)設(shè)施，臨時建立適應(yīng)動態(tài)變化節(jié)點的機器對機器(Machine to Machine, M2M)通信網(wǎng)絡(luò)[55]，但仍需有一個節(jié)點連接地面基站或衛(wèi)星。FSO通信采取智能化組網(wǎng)策略有利于應(yīng)對不同傳感器采取不同傳輸策略，面對突發(fā)、隱秘和嚴峻任務(wù)時，主動構(gòu)建無中心自組織的效能最大化通信網(wǎng)絡(luò)，遭遇干擾和破壞時主動防御和自動修復(fù)，降低數(shù)據(jù)丟包率，維持高質(zhì)量的通信連接，保證任務(wù)執(zhí)行通信的可靠性，提升集群協(xié)同探測和規(guī)劃性能[56]。

4)FSO通信載荷多功能復(fù)用的新型應(yīng)用模式。無人機集群擔負的任務(wù)更加多元后，不可避免的需要搭載更多的任務(wù)載荷，受制于無人機平臺空間的尺寸和功耗，F(xiàn)SO通信載荷將集成不同功能模塊的任務(wù)載荷，這種具備多功能的FSO通信載荷將是新的應(yīng)用模式。多功能集成化不僅能夠降低載荷體積質(zhì)量，而且有利于降低系統(tǒng)功耗和成本，進一步推動FSO通信載荷在機載平臺的工程應(yīng)用。利用激光測距的精確性，結(jié)合FSO安全高速的通信，在無人機集群間建立測距、通信與偵察成像多功能復(fù)合的FSO數(shù)據(jù)鏈以及共跟蹤系統(tǒng)，采用成像與通信共用光學天線，通信與跟蹤系統(tǒng)共光路，提高系統(tǒng)的高度集成化，豐富無人機集群FSO通信功能的同時擴大執(zhí)行任務(wù)的領(lǐng)域。

5)帶有FSO通信載荷的無人機作為靈活通信中繼點提升數(shù)據(jù)傳輸鏈路性能[57-59]。隨著5G技術(shù)進入商用化階段，數(shù)據(jù)傳輸速率以及容量將會進一步擴大，而無人機集群將成為5G無線通信中的重要元素。在許多情況下，將使用FSO通信技術(shù)提供高速無線連接。一方面，可以將數(shù)據(jù)連接實體安裝在多旋翼無人機集群中以提供蜂窩連接，它們具有固定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中沒有的某些功能，例如易于部署，強大的視距連接以及具有受控移動性的自由度。另一方面，在中大型固定翼無人機集群間利用通信載荷作為空中骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行數(shù)據(jù)高速傳輸交換，覆蓋大范圍通信，提供遠程機動作戰(zhàn)通信保障，解決復(fù)雜環(huán)境數(shù)據(jù)資源需求。此外，基于FSO通信的無人機作為靈活通信中繼點還具有多種用途，例如增強網(wǎng)絡(luò)連接性、火災(zāi)檢測、災(zāi)難應(yīng)急服務(wù)、高速列車回傳、安全和事故監(jiān)視、污染監(jiān)視、停車監(jiān)視等[60-63]。

6)FSO通信載荷朝著模塊化、小型化和標準化方向發(fā)展。隨著FSO通信技術(shù)的不斷成熟，此項技術(shù)將會應(yīng)用在更多的領(lǐng)域，對于不同的平臺和不同的場景，模塊化將有助于充分發(fā)揮FSO通信優(yōu)勢，拓寬其廣闊的發(fā)展空間，便于與其他技術(shù)的融合；載荷輕小型化能夠推動FSO通信載荷廣泛應(yīng)用于各類無人機型，低功率有助于提升無人機續(xù)航性能，進而提升無人機集群任務(wù)屬性；標準化將有助于無人機配備兼容的系統(tǒng)體制和統(tǒng)一的標準化接口，提高無人機集群的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制性能，提高通用性，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和維修成本，縮短維修周期，提升無人機集群戰(zhàn)場通信性能[43]。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

通過FSO通信系統(tǒng)的發(fā)展歷史可以看出，盡管其已經(jīng)有了較為漫長的研究歷史，但仍然未能在無人機集群中廣泛應(yīng)用。這主要是由FSO的固有特性以及飛行環(huán)境的復(fù)雜性決定的。尤其是在無人機集群應(yīng)用方面，還面臨著平臺的不穩(wěn)定性，溫度、氣壓的變化以及功耗的限制等方面的影響。為了推動FSO通信載荷技術(shù)工程應(yīng)用，應(yīng)該著力研究以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)。

1)基于FSO的無人機集群通信信道特性研究[64-68]。一體化作戰(zhàn)背景下，無人機集群面臨的戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜，情報偵察、實時圖像傳輸?shù)榷夹枰弑Ｃ堋⒏咚俾实臄?shù)據(jù)流，通信性能好壞直接影響其戰(zhàn)術(shù)目的和技術(shù)性能。信道模型是評價通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，信道特性對信號傳輸具有很大的影響。因此，建立適合無人機特點的信道模型對于改善數(shù)據(jù)鏈路性能具有重要作用[69]。無人機集群FSO通信信道主要受到直射激光信號視距(Line Of Sight, LOS)對不準的幾何損失和近地大氣湍流中弱透鏡渦旋隨機分布構(gòu)成的近地湍流信道非理想特性影響。對于LOS導致的通信信號損衰，主要通過捕獲、對準、跟蹤(Acquisition Pointing Tracking, APT)機載系統(tǒng)，完成運動中的無人機視軸快速、高概率的捕獲對準以及高精度、高動態(tài)性的跟蹤[70-71]；對于近地湍流損傷，現(xiàn)有基于FSO通信信道主要是按照隨機分布湍流強度大小分類，按照從弱到強主要有三種模型：服從對數(shù)正態(tài)分布模型、伽馬-伽馬模型和負指數(shù)分布模型等[72-74]。

完善信道估計是一項復(fù)雜的任務(wù)，具有較高的功耗，并且成本高昂，此外，傳統(tǒng)的信道估計方法還需要導頻或者訓練序列輔助，將導致傳輸有效數(shù)據(jù)速率降低。目前，部分學者已經(jīng)提出基于深度學習的FSO通信信道估計器，將深度學習用作檢測器、聯(lián)合信道估計器。深度學習考慮了廣泛的大氣湍流(從弱到強)的影響后能夠得到接近于理想的信道估計，并且其價格低廉、復(fù)雜度低。因此，在無人機集群通信中運用基于深度學習的FSO信道估計器對于提高FSO數(shù)據(jù)鏈路性能具有十分重要的意義[32]。

2)高動態(tài)無人機集群FSO通信數(shù)據(jù)鏈路快速建立技術(shù)研究。高動態(tài)條件下快速建立FSO通信數(shù)據(jù)鏈路是無人機集群實現(xiàn)FSO通信的前提和關(guān)鍵。無人機集群FSO通信覆蓋性能完全取決于視線的傳播，略微依賴于仰角。然而，F(xiàn)SO通信由于光束的方向性，使得光學鏈路在大規(guī)模無人機集群的建立比RF通信更加困難，其對收發(fā)器對準高度敏感[2]，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，沖突檢測和避免碰撞將變得更具挑戰(zhàn)；另外，機載平臺的飛行速度快、航跡不確定等高動態(tài)特性對通信數(shù)據(jù)鏈路的快速建立帶來了較大的挑戰(zhàn)。此外，機載平臺自身不穩(wěn)定、天氣狀況和姿態(tài)變換等因素也對鏈路的精度產(chǎn)生嚴重的影響，從而加劇覆蓋和連接問題。在執(zhí)行任務(wù)過程中，如何在高航速和未知航跡的80 μrad信標光波束寬度的激光鏈路進行高精度跟蹤瞄準和快速捕獲，使節(jié)點快速地從任意方向與其他節(jié)點建立光鏈路是無人機集群通信必須解決的關(guān)鍵問題[75-76]。因此，為提升無人機集群快速反應(yīng)能力必須深入高動態(tài)條件下快速建立通信的技術(shù)研究。

3)大規(guī)模無人機集群環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)研究[77-78]。隨著無人機集群任務(wù)執(zhí)行逐漸向遠、中、近程拓展，在無人機集群之間通過FSO進行數(shù)據(jù)傳輸和通信時，最大的挑戰(zhàn)是指向誤差、大氣湍流和不利天氣因素[79]。由于存在指向誤差，通信時獲取和跟蹤的要求隨鏈路長度的增加而增加。陰雨天氣條件下，提高鏈路的可靠性和可用性意味著需要縮短集群間的通信距離。霧和云在FSO通信鏈路上容易造成高衰減，而濃霧是光學鏈路的最壞情況；晴朗天氣條件下，必須考慮由太陽加熱和風引起的溫度和大氣壓力的不均勻性引起的大氣湍流運動。有研究表明，霧天情況下的功率消耗比晴天情況下的功率消耗相差兩個數(shù)量級，所以還應(yīng)考慮環(huán)境對其續(xù)航帶來的影響。此外，大規(guī)模集群無人機還受到大氣損失以及背景輻射等外部因素和機載平臺振動等自身因素的影響，若FSO通信在不同環(huán)境背景下不能快速適應(yīng)，則難以實現(xiàn)高性能的FSO通信。因此，開展大規(guī)模無人機集群環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)研究有利于推動無人機集群FSO通信的工程應(yīng)用。

4)FSO通信系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸技術(shù)研究。自適應(yīng)傳輸技術(shù)早已廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)RF通信，它根據(jù)通信信道在空間、時間和頻率等變化，動態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，例如發(fā)射功率、調(diào)制大小、調(diào)制類型、碼率或這些參數(shù)的組合，旨在保持傳輸質(zhì)量的同時提高通信系統(tǒng)的信道資源和平均頻帶的利用率[80]。在FSO通信系統(tǒng)中，面臨大氣湍流緩慢變化的衰落、路徑損耗和天氣狀況等因素的影響，建立自適應(yīng)傳輸技術(shù)有助于FSO通信系統(tǒng)顯著地提升通信性能的同時維持傳輸質(zhì)量?；诼窂綋p耗或者最大化信道容量的條件下進行功率自適應(yīng)研究，實現(xiàn)無人機集群FSO通信功率效用最大化；基于強大氣湍流背景下進行自適應(yīng)調(diào)制編碼的研究，提升誤碼率性能和頻譜效率，使FSO通信系統(tǒng)在時變信道上實現(xiàn)魯棒和高效的頻譜傳輸[81]；基于峰值功率的約束下，根據(jù)信道條件變化自適應(yīng)調(diào)整傳輸功率或調(diào)制大小，從而實現(xiàn)頻譜效率和平均功耗的優(yōu)化[82]。因此，深入研究自適應(yīng)算法和FSO通信系統(tǒng)自適應(yīng)傳輸技術(shù)，有利于提升通信鏈路可靠性和通信性能的同時推動無人機集群通信智能化發(fā)展。

5)FSO通信載荷輕小型集成化研究。受制于無人機搭載空間、承載能力和功耗，無人機集群通信載荷必須滿足輕小型化和低功耗的要求。在保證無人機集群通信性能的前提下，進一步減小載荷體積和質(zhì)量是推動FSO通信載荷應(yīng)用于各類無人機平臺的關(guān)鍵。深入FSO通信載荷輕小型集成化研究，從整機結(jié)構(gòu)設(shè)計、光路設(shè)計以及材料選取等方面考慮通信載荷輕小型化設(shè)計，推動通信系統(tǒng)的光學、通信和跟蹤等分系統(tǒng)的集成設(shè)計，完善通信載荷功能的同時進行光機電一體化設(shè)計，有助于減小通信載荷體積和質(zhì)量，降低通信載荷的成本和功耗，使無人機集群FSO通信載荷的適用性更加廣泛并且配置更加靈活，推動無人機集群FSO通信載荷的工程應(yīng)用。

6)基于FSO通信多平臺融合的總體技術(shù)研究。隨著無人機、無人艇以及無人車等“無人化”裝備逐步在戰(zhàn)場上擔負越來越重要的角色，在“無人化”裝備之間建立機-艇、機-車和機-機通信將成為未來戰(zhàn)爭中的一種趨勢。FSO通信載荷能否完美地融合于不同的平臺，決定了未來 “無人化”聯(lián)合作戰(zhàn)體系的效能。不同的平臺之間涉及了不同的學科和領(lǐng)域，彼此之間存在不小的跨度，這意味著應(yīng)該牢牢抓住FSO通信多平臺融合的總體技術(shù)，將光學、通信和跟蹤技術(shù)有效地結(jié)合到一起，綜合考慮各平臺的特征，選擇性地應(yīng)用一些新技術(shù)和新方法，努力推動FSO通信載荷不斷向前發(fā)展，使其進入更多的領(lǐng)域，牢牢把握各個平臺的核心技術(shù)，構(gòu)建服務(wù)空天一體化作戰(zhàn)體系的通信載荷。

4 結(jié)論

隨著無人機集群在戰(zhàn)場情報搜索、偵察監(jiān)視和精確打擊等方面扮演越來越重要的角色，F(xiàn)SO通信載荷將廣泛應(yīng)用于各類無人機平臺，提供高速率、高可靠的通信保障[83]。我國應(yīng)不斷加強基礎(chǔ)理論研究并推進相關(guān)工程領(lǐng)域建設(shè)，積累經(jīng)驗，充分借鑒國外成熟的FSO通信技術(shù)，推陳出新，發(fā)展具有獨特優(yōu)勢的通信載荷技術(shù)，攻占FSO通信的制高點，為構(gòu)建空天一體化作戰(zhàn)體系提供通信保障，為打贏未來戰(zhàn)爭奠定堅實基礎(chǔ)。