1、（完整word版）美國2013-2038年度無人系統路線圖美國20132038年度無人系統路線圖4.3通信系統,頻譜以及自主修復性4.3.1引言所有的無人系統（而非完全自主的系統）主要面臨的挑戰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對抗干擾的能力（如電磁干擾等）。為滿足作戰指揮的要求，各服務與機構之間的協同工作能力仍將需要繼續改進.國防部無人系統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。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

2、光學）。圖13顯示了支持無人系統所需要的通信網絡體系結構（0V-1）.該架構中同時考慮了載人系統的設計，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境管理系統的頻段，通信網關和中繼網站，數據中心和數據傳播節點,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,用作戰術、戰略等意圖。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現、獲取和分析實時和非實時的情報

3、、監視和偵察（ISR）信息和其他任務的數據。第4。3.2節到第4.3。17節著重闡述了無人通信系統結構發展的需求及計劃,并針對每個領域給出了適用的標準和系統指導。（完整word版）美國2013-2038年度無人系統路線圖（完整word版）美國2013-2038年度無人系統路線圖PIATFORMAGWCJTICGATEWAYSEm圉4sUJrnDFLJstfd世世ZUJU口clsUJo*Ia:UJAUJ-l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當前無人通信系統存在的問題過去十年內，美國在全球作戰應用中操作的經驗教訓、詳細分析研究和回顧、作戰任務需求說明等都充分表

4、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:無人平臺全球發送高帶寬數據（例如，全運動視頻）至戰略戰術用戶的能力不足。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的行動。昂貴的衛星/網絡合同：每個系統的衛星通信帶寬的多是單獨購買通過商業租賃。許多系統還依賴于單獨的平臺為中心的地面網絡基礎設施，以提供與戰術，運營和戰略消費者的連接。由于這種連接通常由租用商業網絡提供，每個系統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

5、設施的開銷成本（例如，設施，項目管理），并抑制系統的互操作性。信息共享性差：許多系統采用專用的處理、利用和分發（PED）和任務數據基礎設施，以防止系統、服務和組織之間的有效的數據共享.總之，目前的無人系統的通信基礎設施是容易產生冗余浪費，缺乏互操作，并抑制了系統數據向潛在用戶的分發。為了更好地找到解決未來無人系統操作所面臨的挑戰的最佳途徑，需要做出幾個關鍵的假設：項目資源將變得有限0C0經費一直維持近幾年無人機系統大部分的運作成本。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境將發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

6、信網關和中繼站點美國國防部和商業網關提供軍事和非軍事的衛星和國防信息系統網（DISN）運輸和互聯網協議（IP）網絡中心服務.因此，能夠提供任務數據的全球發送,使得無人系統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）與超視距無線系統將任務數據傳輸和指揮與控制與DISN進行連接。現有的許多平臺為中心的專用網關可用以支持在中東地區的業務。為了減少網關的長期支出，并更有效地處理來自無人系統信息，國防部將過渡到利用現有的全球衛星通信企業網關設備與平臺無關的網關（如瞬移標準的戰術進入點（STEP）網站）.現有的企業網關可以提供通用、安全的設施以及地面空間集中管理、電源、供暖、通風和空調（

7、HVAC）等。因此，能減少各無人系統項目辦公室之間重復工作。4。3.4企業數據中心和分發節點為了降低成本，優化人力資源需求，提高各服務、組織和聯盟伙伴之間的數據共享，無人系統數據應整合到云計算的企業數據中心，建立一個標準的基礎設施，以分發數據到所有授權的用戶.為實現這一目標，近期需要做的包括，情報系統的“大數據云計算；以及通過建立國防信息系統機構（DISA）的統一視頻傳播服務（UVDS）將全動態視頻圖像的數據實時發送至全球各地的用戶參見圖14.UVDS安裝在DISA國防企業計算中心，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

8、國防部和工業標準、協議、配置文件（例如，SD,HD，MPEG-2,H。264，Flash）保證最大程度的互操作性存在的系統，同時利用現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時地通過衛星通信網絡傳播影像（例如,GBS，通過衛星信道返回聯合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國防信息系統機構所提的UVDS功能架構（完整word版）美國2013-2038年度無人系統路線圖（完整word版）美國2013-2038年度無人系統

9、路線圖（完整word版）美國2013-2038年度無人系統路線圖Logmd-r-UWUiHhMV-kkMaIU*WTrIU-kHrmoh-video鼻ouimIW衲就刃LVW*LPNlRC韋li和VbH)LjndiluhSTHtp幀L*&OTHHrl：bEcC-Maziijncjuliiurgawii*rUTfiftMCCMCHifrntCCUHCLASZEi口FWtIrillniria-*49NXiGanngnUpmmmr!bM圖15當前的UVDS運行架構（2012年2月）4.3.5衛星通信目前無人系統架構的一個顯著的成本是通過商業租賃的衛星帶寬的采購。大部分用于支持部署的無人駕駛系統任務的

10、帶寬都是單獨采購的。通過整合商業衛星租賃在多個無人機系統，國防部能在未來降低成本。為實現該目的，可以通過DISA商業衛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。使用一個共同的基礎設施，包括兼容的波形，將使衛星帶寬共享成為可能，并可以降低總需求，使之低于每個系統的各個要求的總和.除了高效的商業租賃，衛星帶寬的整體成本可以通過利用更多的美國國防部的衛星通信資源進一步減少。寬帶全球衛星（WGS）可用于與國防部企業網關連接，來降低商用轉發器中的無人系統數據流量但目前該戰略是不可行的，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項目必須計劃建立Ka波段

11、的終端，從而利用軍事衛星通信資源和避免昂貴的年度商業租賃。超視距無人系統應當盡可能同時考慮商業和軍事衛星頻段，進而獲得操作的靈活性和使用國防部資源。4.3.6網絡結構與系統無人系統計劃應當盡可能地利用DISN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，國防信息系統局仍在對DISN核心網進行開發，企業廣域網IP服務可用作無人系統中繼解決方案的補充。企業網關的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。較大的無人機系統也可以使用聚焦的波束來與更遠距離的系

12、統實現連接。相控陣天線和智能天線（包括組合來自多個天線的信號）的發展可以為傳統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。國防部和工業部門也應當繼續發展多聚焦（多波束）和過冷的天線系統等技術。未來天線系統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.動態控制（例如，干擾陷零）的陣列系統（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階段（計劃到2020年）。共孔徑利用則要求研發新的干擾抑制方法,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送/接收操

13、作的潛力。4。3.8發射機/接收機系統未來的發射/接收系統需要改進的互操作性、自恢復性、效率和操作的靈活性。未來的超視距收發器應該盡可能支持商業Ku波段和軍用Ka波段的連接.海軍的Triton和陸軍的“灰鷹”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境下的靈活性,并提高在對抗環境下的系統自恢復性能。無人傳感器平臺利用多波段終端的挑戰往往不是技術上的限制造成的，而是由預算約束。但是,這類系統的周期成本低于僅使用Ku波段平臺的周期成本，因為（完整word版）美國2013-2038年度無人系統路線圖它需要不斷依賴昂貴的商業衛星通信帶寬以支持業務。此外,所有的平臺都應該考慮采用多波段

14、視距收發器.該策略能夠為可能存在競爭的衛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，聯合空中層網絡（JALN）中繼節點。4.3.9無人海洋系統通信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。開發人員應該在敲定通信系統設計之前，保持與國防部頻譜辦事處保持密切聯系。無人地面系統的遠程遙控要求在視距和超視距條件下進行協調，進而提供對戰場的態勢感知和偵察。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執行各種任務的關鍵。DARPA的下一代無線網絡計劃表明了動態頻譜接入的可行性。基于鄰近系統實際使用或未使用的某些頻段，動態

15、頻譜接入能夠自動調節頻段。該計劃的難點在于：電子對抗下的脆弱性，與現有系統進行集成的代價，標準的開發（涉及法規方面），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（現有5類變體）的波形參數允許終端工作在S,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。近期規劃中，計劃加入現代密碼學方案、動態自適應波形參數以及抗干擾、低截獲/低檢測要求。中期規劃（2019年）要求具有新的網絡能力（例如，自恢復與自組織，adhoc網絡，中斷容錯網絡以及動態多接入網絡管理）。長期規劃（2020年后）將發展

16、基于自主策略的網絡管理和認知通用數據（完整word版）美國2013-2038年度無人系統路線圖（完整word版）美國2013-2038年度無人系統路線圖鏈。17,2一50.2GHzSSRAOVERALLRESULTS(JSCReportDtOCR-1X)J2)bLra圖16可能支持的頻段范圍4.3。12MIM0系統MIM0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。測試的數據傳輸速率高達300Mbps.MIMO結合了信息論、前向糾錯編碼、信號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

17、數據率進行傳輸。利用空時編碼和容量優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議等技術的發展，自組織和自修復網絡將使得未來的無人機系統能夠在多平臺、多傳感器網絡中工作。4。3。13電磁環境效應4.3.14光通信在無人系統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,提高穩健的LPI/LPD,并降低通信子系統之間的電磁環境干擾。光通信系統的發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。視距光連接已經成功地展示在鏈路范圍超過50公里。可以應用于固定位置、空對空船對船的場景。理論估算表明，在斜距高達100公里的條件下，空中到地

18、面的鏈接速率高達100Mbit/s（取決于大氣條件）。由于這種系統極窄的波束寬度,保持定位精度和移動的無人系統將是一個重大的挑戰（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3GB/秒到6GB/秒）和空對地（130公里距離；數據率為3GB/秒到9GB/秒）的點對點通信。4。3。15先進導航技術的發展DARPA正在研究兩類運動學（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（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

19、使得科學家們能夠更好地控制原子的外部量子態，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一個慣性導航系統，該導航系統應該有極低的漂移率，從而解決許多科學和技術的難題.由于這種創新完全是一個慣性系統，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具有接近GPS的精度，在未來軍事潛艇，飛機，導彈可以廣泛應用。該計劃已經開發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

20、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。高動態范圍原子（傳感器）（HiDRA）計劃旨在開發用于動態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值環境中具有高靈敏度和線性度，且制造和維修成本低。與PINSII傳感器相比，高動態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/傳感器頭，現場可編程門陣列計時系統的高重復率操作，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。16GPS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

21、（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.是否將其納入現有的或未來的系統中仍處于探討階段。EPOCHA對軍用平臺的實時支持的初始作戰能力為2014年度，具有5分鐘的消息更新率.全面作戰能力（FOC）預計在2016年度，具有30秒的消息更新率。許多無人系統通過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數據加密和衛星身份驗證提高了GPS的穩健性。在

22、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、保密性和密鑰分發功能。與之前的系統不同，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未來發展方向（完整word版）美國2013-2038年度無人系統路線圖由于無人系統為作戰部隊帶來的巨大力量，可以預計其通信系統能力將有一個持續不斷增長的需求。這些需求包括,一個操作員能夠對多個情況進行實時分析,而無人系統則自主執行許多分配的任務。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（

23、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現和利用任務信息。4.3.19移動技術移動技術的目標在于快速現成的政府應用開發；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。通過使用商業開發和支持的設備，能夠大大節省經費。4。3。20總結未來無人系統通信基礎設施面臨的挑戰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的耗費。指揮、控制、通信和計算機的運輸和網絡建設的集中化管理能夠利用有限的系統資源極大提高系統的效率、降低成本。多系統資源的共同管理,會使得傳感器平臺具有網絡冗余備份,應變能力,以及路徑的的多樣性.還保證了發射與回收的靈活性.（2）協同工作能力應該是在考慮未來架構解決方案的負擔能力的關鍵因素。該結構要求現有系統從封閉式的冗余方案轉向利用現有企業的衛星通信，網關和地面網絡資源。常見的IP調制解調器（例如JIPM）應該成為提供以網絡為中心的系統能力的標準.未來的商業服務應該通過更多的創新戰略采購（例如，FSCA租賃，商業網關訪問點）。（3）此外，通信資源可以通過使用軍事Ka波段來擴大頻譜資源范圍