何健輝　王梓斌　魏興云　熊剛

摘要：隨著信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人機的應用日益廣泛，無人機測控系統(tǒng)是無人機的重要“生命線”，完成對無人機的遙控、遙測、跟蹤定位及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。首先介紹了主要無人機平臺的發(fā)展情況，在介紹無人機測控系統(tǒng)總體技術(shù)的基礎(chǔ)上，論述了無人機遙控及遙測的通信協(xié)議，然后從物理、鏈路、網(wǎng)絡(luò)、作戰(zhàn)使用等多個層次開展了無人機測控系統(tǒng)的安全性分析。最后分別從標準制定、無人機自主決策、空中交通管制、信道抗干擾等五個方面提出了對無人機測控系統(tǒng)的發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：無人機測控；遙控；遙測；安全性

一、前言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）已成為當今廣泛使用的高新技術(shù)武器之一，在局部戰(zhàn)爭中頻繁使用。目前世界上從事研究和生產(chǎn)無人機的有美國、俄羅斯、以色列、英國等近30個國家，無人機的型號已經(jīng)增加到200種以上，預計全球有3萬架以上的無人機。

無人機系統(tǒng)主要由飛機平臺、任務載荷和測控系統(tǒng)三大部分組成，而無人機測控則是無人機系統(tǒng)最重要的組成部分。無人機測控是指對無人機進行遙控、遙測、跟蹤定位和數(shù)據(jù)傳輸。遙控是指對無人機飛行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)進行控制；遙測是指對無人機飛行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的測量與回傳；跟蹤定位是指對無人機進行實時跟蹤與位置測量；數(shù)據(jù)傳輸是指對無人機載任務載荷及傳感器信息的傳輸。無人機測控系統(tǒng)采用的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應用協(xié)議包括一套通信協(xié)議以及被交換信息的定義[1-2]。

二、無人機測控信息系統(tǒng)特征分析

（一）主要無人機平臺

美國無人機的主要供應商為諾斯羅普·格魯門公司、通用原子公司、洛克希德·馬丁公司、波音公司等。根據(jù)美國《無人機系統(tǒng)路線圖2013-2038》的數(shù)據(jù)，美國還裝備了“全球鷹”“捕食者”“大烏鴉”等不同類型數(shù)量眾多的無人機。

以色列在無人機方面水平與美國相當，研制公司主要有飛機工業(yè)公司馬拉特（MALAT）和埃爾比特（Elbit）公司，典型產(chǎn)品有“哈比”“蒼鷺”“赫爾墨斯”等。

我國研制無人機已有50多年的歷史，主要產(chǎn)品包括“翔龍”“翼龍”“利劍”“天翅”“WJ-600”等[3-4]。

（二）無人機測控技術(shù)體制分析

無人機測控系統(tǒng)主要完成對無人機平臺的遙控、遙測、跟蹤定位及傳感器信息傳輸。目前，針對無人機測控系統(tǒng)的主要規(guī)范包括信道通用要求、端機通用要求、信息傳輸鏈路協(xié)議、遙控遙測等，工作頻段有UHF、X、Ku等多個頻段。下行鏈路傳輸速率符合3.2×2Nkb/s和256×2Nkb/s，其中N為0—6的整數(shù)，采用了BPSK、QPSK、FSK、CPFSK等多種調(diào)制方式，可實現(xiàn)高速率的點對點數(shù)據(jù)傳輸及組網(wǎng)分發(fā)傳輸功能。上行鏈路傳輸速率符合3.2×2Nkb/s，其中N為0—6的整數(shù)，采用了擴頻、跳頻或擴跳結(jié)合體制等抗干擾傳輸體制。中高空長航時無人機還配置了衛(wèi)星中繼測控鏈路，選用Ku或Ka波段為主信道。在指揮控制技術(shù)方面，對無人機的操縱控制已從早期的飛行員實時操縱駕駛飛機向無人機自動飛行控制，甚至自主決策控制方向發(fā)展。

無人機測控系統(tǒng)采用“X合一”技術(shù)體制，常用的有“三合一”和“四合一”體制[5]。“三合一”信道體制是指遙控、遙測和跟蹤定位統(tǒng)一的載波體制，即利用遙控和遙測實現(xiàn)測距，利用遙測信號實現(xiàn)跟蹤測角，而利用另外單獨的下行傳輸任務載荷信息?！八暮弦弧毙诺荔w制是指遙控、遙測、跟蹤定位和任務載荷信息傳輸?shù)慕y(tǒng)一載波體制，即任務載荷信息與遙測共用信道傳輸，利用遙控和遙控實現(xiàn)測距，利用任務載荷與遙測信號實現(xiàn)跟蹤測角。

（三）無人機測控通信協(xié)議分析

1.遙控

無人機遙控信息的處理分為多個層次，從源控制端發(fā)出的遙控數(shù)據(jù)經(jīng)過5個層次的處理送往無人機相應的遙控信號接收機，如圖1所示。

遙控應用數(shù)據(jù)在包裝層加上包頭后，形成遙控包。遙控包是遙控用戶數(shù)據(jù)單元的一種主要形式。遙控包在分段層被分段或被集裝后，加上段頭形成遙控段。遙控段是遙控幀數(shù)據(jù)單元的一種主要形式。遙控用戶數(shù)據(jù)單元和遙控幀數(shù)據(jù)單元還可以是外來的由用戶自定義的數(shù)據(jù)單元。在傳送層，遙控幀數(shù)據(jù)單元放入遙控傳送幀的數(shù)據(jù)域，在它的前面有幀頭，后面可選擇差錯控制碼作幀尾。一個傳送幀被分組編碼為一系列有固定長度的短碼組，這些分組碼有糾檢錯能力。把分組碼序列再包裝成一個遙控信道傳輸單元，每個單元可以包含一個或多個傳送幀。最后把這些遙控信道傳輸單元調(diào)制到物理信道上，往無人機遙控信號接收機發(fā)送，在無人機上完成上述過程的逆過程。

2.遙測

遙測數(shù)據(jù)流用于表示在遙測系統(tǒng)中，遙測數(shù)據(jù)從無人機數(shù)據(jù)源點傳送到控制中心的數(shù)據(jù)終點所經(jīng)歷的全部過程。源包中包含了待傳送到地面的無人機上應用數(shù)據(jù)塊和為地面捕獲、存儲、分配這些遙測數(shù)據(jù)所需的基本信息。源包依次由主導頭和數(shù)據(jù)域二部分組成，其最小長度為7字節(jié)，最大長度為65542字節(jié)。傳送幀規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于傳送源包、空閑數(shù)據(jù)和自定義的數(shù)據(jù)。自定義的數(shù)據(jù)可以是專門的高速率數(shù)據(jù)或其它不符合源包結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。傳送幀由幀主導頭、幀副導頭、幀數(shù)據(jù)域、操作控制域和幀差錯控制域組成。在一特定任務階段，傳送幀的長度應固定不變，幀的最大長度為16384比特。

三、無人機測控系統(tǒng)安全性分析

（一）物理層安全性分析

無人機測控系統(tǒng)上行遙控信道在物理層提供由地面控制站到無人機的射頻信道及其相應的操作，以支持遙控數(shù)據(jù)的傳輸。物理層數(shù)據(jù)是由捕獲序列、遙控信道傳輸單元和空閑序列組成[5-6]。

捕獲序列是一個“1”和“0”交替的序列，起始可以是“1”，也可以是“0”。它的長度至少是16個字節(jié)，其作用是獲取初始比特同步。在連續(xù)傳送n1和n2個遙控信道傳輸單元之間可以用空閑序列連接，空閑序列是當遙控信道傳輸單元不存在時，用來維持比特同步的，它也是“1”和“0”交替的序列，長度不限。

無人機測控系統(tǒng)上行鏈路采用具有抗干擾能力的擴頻、跳頻或擴跳結(jié)合體制，數(shù)字調(diào)制方式以PSK為主，編碼主要包括卷積編碼、交織和RS編碼。下行鏈路采用抗多徑、抗衰弱、頻帶利用率較好、適應地空低仰角信道和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制體制。

基于對無人機測控系統(tǒng)物理層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及信道傳輸特征進行分析，得到其在物理層存在如下安全性問題：（1）下行鏈路主要用于遙測及數(shù)據(jù)回傳，該鏈路未采用擴頻、跳頻等抗干擾通信方式，抗干擾能力較弱；（2）上行鏈路物理層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中捕獲序列位置及長度固定，易受到瞄準式擾亂，使得遙控信息解析失敗，遙控功能喪失。

（二）鏈路層安全性分析

傳送層是無人機遙控的核心層，它提供了可靠傳送遙控數(shù)據(jù)所需要的最重要的操作。傳送幀的標準數(shù)據(jù)格式包含主導頭、幀數(shù)據(jù)域和可選的幀的差錯控制碼三部分。在信道編碼層為了降低物理信道上噪聲對所傳輸?shù)倪b控數(shù)據(jù)的影響，采用分組碼進行差錯控制。分組碼與遙控數(shù)據(jù)的同步關(guān)系由遙控信道傳輸單元的標準結(jié)構(gòu)來保證。在接收端，對碼元“1”和“0”的模糊度可以通過物理層選擇調(diào)制體制來解決，也可以通過辨識遙控信道傳輸單元起始序列來解決。把傳送幀按分組碼要求進行分組和編碼后，形成一系列碼塊，每m個碼塊串接起來，再加上起始序列和結(jié)尾序列的包裝，構(gòu)成遙控信息傳輸單元。起始序列（16bit）用于同步用，結(jié)尾序列是一個不符合信道編碼規(guī)則的序列，用以停止接收譯碼器的工作。

遙測信息傳送幀的幀主導頭由幀版本號、幀識別、主信道幀計數(shù)、虛擬信道幀計數(shù)和幀數(shù)據(jù)域狀態(tài)五個域組成。其主要功能是：識別出數(shù)據(jù)單元是否為傳送幀；識別出發(fā)送遙測數(shù)據(jù)的無人機；將多路虛擬信道組成一路主信道；對主信道和虛擬信道進行計數(shù)；提供指針和其它信息用來從傳送幀數(shù)據(jù)域中提取可變長度的源包。

基于以上對無人機測控系統(tǒng)遙控及遙測信道的傳送層和信道編碼層進行分析，得到其在鏈路層存在如下安全性問題：（1）遙控信道在編碼層之后的遙控信息傳輸單元存在長度和位置固定的起始序列和結(jié)尾序列，其中起始序列用于比特同步，在信號解調(diào)的基礎(chǔ)上該字段易受擾亂，使得比特同步失??；（2）遙測信道的傳送幀在完成信道編碼之后形成了格式固定的碼塊結(jié)構(gòu)，且編碼碼塊的識別是基于同步標識位完成的，因此對信息的譯碼首先取決于對同步標識位的準確識別，在同步標識為被擾亂的情況下難以進行正常的遙測信息的譯碼。

（三） 網(wǎng)絡(luò)層安全性分析

多類型無人機的最優(yōu)組網(wǎng)，需要具備快速為各無人機平臺分配任務、手動控制無人機及其載荷和在不同指揮級別快速分發(fā)結(jié)果信息的能力，這就要求部署的無人機系統(tǒng)是可以互操作的。

目前的無人機系統(tǒng)大多是“煙囪式”系統(tǒng)，它們使用專用測控系統(tǒng)、通信協(xié)議和消息格式來完成與其它無人機以及外部通信系統(tǒng)之間的通信，從而導致傳感器數(shù)據(jù)分發(fā)大多是通過間接方式，也就是從無人機到應用系統(tǒng)再到目的端的流程。同樣地，來自外部通信系統(tǒng)的無人機系統(tǒng)任務分配也要通過間接方式實現(xiàn)。

基于以上對現(xiàn)有無人機互操作網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行分析，得到其在網(wǎng)絡(luò)存在如下安全性問題：（1）無人機測控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議、消息格式等標準，使得各種無人機之間缺乏協(xié)同作戰(zhàn)的實時性能力，也會給協(xié)同作戰(zhàn)帶來安全隱患；（2）現(xiàn)有的無人機測控系統(tǒng)互操作能力過渡的依賴地面通信系統(tǒng)節(jié)點的支撐，從而使得在通信系統(tǒng)節(jié)點一旦出現(xiàn)故障或被破壞，則無人機測控系統(tǒng)的互操作性將喪失。

（四）使用方式安全性分析

1.測控系統(tǒng)地面操作

在測控站地面操作方面，目前存在以下兩點安全性隱患：（1）地面指揮站針對不同的無人機采用相同或相似的操作方式，使得針對不同類型無人機的遙控無法做到最優(yōu)化，使得無人機地面遙控存在安全隱患；（2）無人機操作員培訓過程中，缺乏對情景意識、自身安全擔憂、所欲湍流身體感受、嚴重程度評估等訓練，使得在戰(zhàn)時無人機遙控操作存在很大的安全隱患。

2.衛(wèi)星測控鏈路

當無人機執(zhí)行超視距長航作戰(zhàn)任務時，測控系統(tǒng)需要采用中繼的方式完成遙控遙測，其中常用的中繼方式為衛(wèi)星中繼，國內(nèi)衛(wèi)星中繼測控一般選用Ku或Ka波段為主信道[6]。結(jié)合衛(wèi)星中繼一般選用地球同步衛(wèi)星的特點，分析無人機測控系統(tǒng)衛(wèi)星鏈路存在如下安全性隱患：（1）中繼衛(wèi)星采用軍事衛(wèi)星或租用商用衛(wèi)星進行無人機遙控遙測，其波束覆蓋范圍很廣，可以輕易在我國領(lǐng)土范圍外接受到無人機的遙控遙測信號；且衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式，使得無人機遙控遙測信號易被解析；（2）同樣無人機測控鏈路容易在衛(wèi)星的波束范圍內(nèi)受到有意和無意的干擾；（3）一旦用于無人機測控中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器受到阻塞干擾，則無人機將失去遙控遙測功能，存在失控的危險。

四、結(jié)語

本文在介紹無人機測控系統(tǒng)總體技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究無人機測控系統(tǒng)技術(shù)體制、遙控和遙測通信協(xié)議，探索無人機測控信息系統(tǒng)的特征，并且分別從物理、鏈路、網(wǎng)絡(luò)、使用方式等多個層次開展了無人機測控系統(tǒng)安全性的具體分析。

下面從標準制定、無人機自主決策、信道抗干擾等三個方面提出對我國無人機測控系統(tǒng)的發(fā)展建議。

（1）健全無人機測控系統(tǒng)標準制訂

針對無人機測控系統(tǒng)在互操作網(wǎng)絡(luò)層次方面存在的安全性問題，建議重點針對無人機未來的發(fā)展戰(zhàn)略，充分利用國外標準的有利資源，結(jié)合國內(nèi)型號研制的需求，研究和搭建我國無人機測控系統(tǒng)標準體系框架，制修訂急需的無人機互操作標準，以滿足無人機各型號研制與互聯(lián)互通的需求。。

（2）推進無人機自主決策化

由于無人機測控系統(tǒng)的安全性問題，特別是在超視距作戰(zhàn)時的安全性問題突出，因此建議著力推進無人機自主決策、航跡規(guī)劃、自主巡航等技術(shù)的研究與應用，提高無人機在戰(zhàn)時及遠程戰(zhàn)略偵察時的存活率。

（3）提升信道抗干擾措施

建議采用智能天線自適應技術(shù)，提升目前測控系統(tǒng)衛(wèi)星中繼鏈路的抗干擾能力了；建議對無人機測控系統(tǒng)返向數(shù)傳鏈路采用數(shù)據(jù)加密或擴頻等技術(shù)手段，防止返現(xiàn)數(shù)傳信息被敵方偵測；建議采用測控鏈路冗余手段，特別是在衛(wèi)星中繼測控情況下，以防止由于測控鏈路失效造成無人機失控。H

參考文獻

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