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做无人机测控 这篇文章你非看不可

“为了满足无人机整体的功能,本文分析了国内外测控链路的新发展以及新技术。”

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无人机测控系统发展的新要求:

设备向着更小更轻方向发展

无人机测控系统除了在功能上满足更加先进的要求之外,还需要具有着更小的体积,更轻的重量以及更低的功耗。

传输实时性更高

战场情况瞬息万变,无论遥测遥控,实时性都是至关重要的,具有着更短的延时效果,将是评价一套无人机测控系统性能的重要指标。

通道容量更大

协同作战和互联互操作以及一站多机与一机多站的需求,将实时产生大量的数据,要求未来无人机的信道容量应当数倍于当下无人机测控系统。

保密性能强

军事作战中,保密至关重要,这也便对无人机的测控链路的保密性能提出了更高的要求,让敌人无法破译的通信技术才是合格的通信技术。

环境适应性强

战场上甚至普通的环境中都极有可能充满着各种各样的电磁干扰,只有能够适应恶劣环境中传输数据的链路才能够应用于作战系统。

技术展望:智能天线

相比于传统的天线而言,智能天线利用信号统计检测理论,估计理论和最优控制理论,自动形成多个高增益的空间窄波束,跟踪移动用户,并抑制波束以外的噪声和干扰。而自适应阵列智能天线作为智能天线发展主流,已经逐渐走向了应用,其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励,利用波的干涉原理产生强方向性的辐射方向图,使用DPS方法使主瓣自适应的指向移动台方向,从而提高信号的载干比,降低发射功率等目的。技术上最重要的部分在于基带处理,所采用的是复杂的自适应算法。

与传统的全向机载天线相比其具有如下优点:

1、功耗低,重量及体积较小,能够更好的融合到机身外形设计当中,对于气动以及隐身性能都是至关重要的;

2、高增益,传统的全向天线的增益只有0dB左右,而智能天线阵的增益能够高达8dB左右;

3、具有良好的抗干扰性能,发射方直接指向接收方,后瓣和旁瓣则是对应干扰方向,由于这种天线具有着较小的后瓣和旁瓣,所以具有着很好的抗干扰性能。

下面给出一种典型的自适应智能天线阵的工作方式:

1、对所有来自天线的信号进行取向,并且转化为数字信号,存储在内存上;

2、空分多址处理器对来自多个天线的信号进行分析得知信号来源的位置,并且确定有用信号或者干扰源。

3、处理器计算信号的组合方式,进行叠加处理,使所需系统信号系数相对于其他信号大大增强;

4、进行模拟计算,使天线阵多个信号相互干涉,最终发射的信号在特定的空间方位达到最强。

在自适应智能天线的基础上,采用空分多址,能够在空间形成多个信道,这样便可以与每一个系统通过单独的通信信道——空间信道进行传输,并且每个空间信道均是双向的。由于每一个空分系统又可以进行频分,进而进行时分和码分,从而产生大量的信道。这就能够在有限的频谱范围内,支持更多的系统,并且由于不同的信道是针对不同的用户,具有较强的抗干扰性能,从而为协同作战和互联互操作打下了基础。

激光通信

虽然智能天线阵能够在一定程度上弥补微波通信的弊端,但是随着空天一体化以及协同作战,互联互操作的需求日益提高,对于数据传输速度,传输量以及保密性能都具有着更高一层的要求。

相较于传统的微波通信技术而言,激光通信具有通信容量大,保密性强,体积小,重量轻,功耗低等优点,能够满足无人机通信速率高的要求,并且能够减少载荷体积和功耗,提高使用寿命。有理由相信,激光通信会逐渐的取代微波通信,应用于无人机测控系统当中。

激光通信主要由接收机、发射机和跟踪瞄准分系统组成。发射机和接收机相互配合完成通信功能,实现高带宽、高实时、低误码率通信同时利用光束整形光学系统将通信光以接近衍射极限微小束散角发射和接收,是激光通信的主体部分。而跟踪扫描分系统的主要任务则是实现发射机和接收机之间的初始对准功能以及高精度的动态跟踪功能,其精度要求通过优化能够达到散射角的八分之一以内,实现动态跟踪精度达到微弧度量级,是激光通信的关键技术,也是在技术上需要攻克的难点。

2003年8月,清华大学的陈非凡教授等人提出了一种基于光路可逆原理和moems技术的自动跟踪系统,该系统是通过新型的微型激光阵列器件来实现的。它是将众多微型激光器和微型激光探测器呈交错阵列排布集成于同一平面内,用moems技术集成到同一器件中,构成一个新型的激光阵列器件,并置于透镜焦平面上。由于透镜焦平面上的点发射的光通过透镜变换都将向着特定的方向发射平行光,反之亦然。移动目标自动捕获和跟踪通信的过程是:通信时,激光平行入射后经过凸透镜后将聚焦到激光阵列器件上的某一点,这一点唯一地对应一个特定入射角度(激光入射方向和透镜主轴形成的角度)的平行激光,所以将确定这个点在激光阵列器件中的位置的过程称为目标自动捕获过程。

目标捕获以后,选通阵列器件上离目标捕获点最近的激光器,发射回应激光,即可沿着入射激光的原光路返回给通信对方,实现自动跟踪的激光移动通信,将这一过程称为目标自动跟踪过程。整个通信的过程就可以划分为目标自动捕获加目标自动跟踪的循环过程。结合光学的特性进行推导,在实际应用中,将激光阵列器件安装在与透镜焦平面相隔一定距离的位置。这便使得出射的激光具有一个小的发散角,而这个小角度也被证明了刚好覆盖由于相邻器件间隙引起的角度误差。

由此,只要发射机与接收机在彼此的视角覆盖范围内,便能够实现自动跟踪定位的通信,对于要求大视角的情况,我们可以将其与传统的通信系统伺服电机相结合,既保证了全方位、大视角的通信,又能够提高反应速度。

采用激光通信,无论是在通讯容量、通讯速率还是抗干扰等性能上上都要优于传统的微波通信,是未来测控技术发展的必然趋势,但是相较于微波通信而言,技术上还是存在诸多不足之处,有待进一步的提高。

信道编码

目前在通信中比较常见的编码方式主要有线性分组码、卷积码、级联码、Turbo码以及LDPC码,给出这几种编码方式的主要性能介绍。

线性分组码

具有完美的数学结构和许多简单有效的纠错译码算法,译码简单。性能码率比低,传输效率低。

卷积码

很强的随机纠错能力。译码复杂度较高,时延大,容易产生突发错误。

级联码

信噪比较大时,误码可以做到非常低。提高纠错能力会降低编码效率。

Turbo码

误比特率极小,抗干扰能力强,纠错能力很强,中高噪声情况下性能保持较好,香农极限距离小。计算量大需要很大的交织器,延时高。

LDPC码

信噪比很低的情况下具有很好的性能,抗干扰能力强,纠错能力很强,香农限差距极小。编码复杂度高,在编码长度小的时候优势不明显。

编码方式

通过以上比较可以看出,Turbo码和LDPC码分别作为第三代通信和第四代通信的代表,在信道环境较差的情况下依然能够具有着较好的性能,并且是最接近香农定理的编码方式。在未来无人机的通信系统中,一定会占有着主要的地位。

此外,混沌理论在通信系统中也得到越来越多的应用,混沌与一般的随机性不同在于,在没有外界随机因素的情况下,因系统条件对初始状态的敏感依赖性而产生的一种内在的随机过程。其具有以下四大特点:

1、随机性,即只要选取的方程参数在混沌区,方程输出的序列即为混沌;

2、确定性,混沌是由确定的方程产生的,只要初值和方程参数确定,那么便可以进行还原;

3、遍历性,混沌变量在一定的范围内,按照其一定的规律,不重复的遍历所有状态;

4、初值敏感性,即便初值只有很小的差异,经过多次迭代之后,序列值将会有很大的差异;

考虑到无人机通信系统的特点以及要求,结合混沌理论在通信中的发展,可以得出以下推论:

1、遥控数据由于数据量相对较小,选择Turbo码,遥测数据数据量相对较大,选择LDPC码;

2、应用混沌理论设计Turbo码的交织器以及LDPC码的校验矩阵,大大的提高通信的保密性;

3、应用混沌理论优化编码和译码算法,提高编码和译码效率,降低延时。

总结

测控技术是当今科学界研究的热门技术,这便给了无人机测控系统的研究提供了更多的途径和更加先进的理论依据,我们应该本着应用成熟技术、发展先进技术、规划突破性技术的思路不断提高无人机的测控系统。将先进的技术有机的融合到现有的技术当中,实现逐渐过渡,既匹配现有的技术条件,又能够朝着未来趋势的方向发展。(来源:UAS微信公众号)

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