《無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論》課件3.5通信系統(tǒng)

3.5通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)是指無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的地面控制站與無(wú)人機(jī)之間的通信，主要由“上行鏈路”和“下行鏈路”組成，所以有時(shí)也稱(chēng)為數(shù)據(jù)鏈。上行鏈路傳輸操控人員的命令和指令到無(wú)人機(jī)，下行鏈路傳輸無(wú)人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)到控制站或其他衛(wèi)星接收站。而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括有效載荷狀態(tài)和圖像數(shù)據(jù)以及無(wú)人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。3.5.1通信系統(tǒng)功能和特性圖3.5.1無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)構(gòu)成圖3.5.1通信系統(tǒng)功能和特性

無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)在發(fā)展中有幾個(gè)理想特性，分別如下：

（1）全球可用的頻率分配：無(wú)論是和平時(shí)期還是戰(zhàn)爭(zhēng)期間，在用戶(hù)感興趣的所有地方，數(shù)據(jù)鏈路都能在當(dāng)?shù)乜捎玫臏y(cè)試和訓(xùn)練操作頻點(diǎn)正常工作。

（2）抗無(wú)意干擾：盡管會(huì)有來(lái)自其他射頻系統(tǒng)的間歇性帶內(nèi)信號(hào)干擾，數(shù)據(jù)鏈路仍能正常工作。

（3）低截獲概率：當(dāng)處在敵方測(cè)向系統(tǒng)的覆蓋范圍和有效距離之內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)鏈路難以被截獲和測(cè)得方位。

（4）安全性：由于信號(hào)加密，即使被截獲，也無(wú)法破譯。

（5）抗欺騙：在敵方意圖向飛行器發(fā)送指令或向地面數(shù)據(jù)終端發(fā)送欺騙信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)鏈路能進(jìn)行抵制。

（6）抗反輻射武器：難以被反輻射武器鎖定，即使被鎖定，也能使對(duì)地面站的毀傷降到最低。

（7）抗干擾：即使遇到外界對(duì)上行鏈路或下行鏈路的蓄意干擾，也能正常工作。3.5.2通信媒介地面站與無(wú)人機(jī)之間的通信媒介主要由三種，即激光、光纖和無(wú)線電。

1.無(wú)線電頻率表3.5.1無(wú)線電譜波段名稱(chēng)（頻率）縮寫(xiě)國(guó)際電聯(lián)定義波段頻率波長(zhǎng)典型應(yīng)用極低頻ELF13-30Hz1000,000km-10，000km潛艇通信超低頻SLF230-300Hz1000-1000km潛艇通信特低頻ULF3300-3000Hz1000-100km坑道內(nèi)通信甚低頻VLF43-30kHz100-10km心臟監(jiān)護(hù)低頻LF530-300kHz10km-1km調(diào)幅廣播中頻MF6300-3000kHz1km-100m調(diào)頻廣播高頻HF73-30MHz100m-10m業(yè)余無(wú)線電甚高頻VHF830-300MHz10m-1mTVBroadcast特高頻UHF9300-3000MHz1m-100m電視、電話(huà)、空空通信，雙路無(wú)線電超高頻SHF103-30GHz100-10mm雷達(dá)，區(qū)域網(wǎng)極高頻EHF1130-300GHz10mm-1mm天文學(xué)3.5.2通信媒介1.無(wú)線電頻率無(wú)人機(jī)與地面控制站之間無(wú)線電視距傳輸?shù)挠行Ь嚯x可以根據(jù)幾何關(guān)系簡(jiǎn)單計(jì)算得到。圖3.5.2無(wú)線電視距傳輸距離推導(dǎo)3.5.2通信媒介1.無(wú)線電頻率對(duì)于微波高頻率無(wú)線電，真實(shí)地球半徑約為6400km，而對(duì)于低頻無(wú)線電，EER的值應(yīng)取8500km。一架無(wú)人機(jī)工作在相對(duì)較低高度（到1000m），采用無(wú)線電波，作用距離如圖3.5.3所示。圖3.5.3無(wú)線電視距傳輸距離3.5.2通信媒介2.無(wú)線電頻段分配表3.5.2無(wú)線電頻段劃分IEEEEU,NATO,USECM.波段頻率波段頻率HF3MHz~30MHzA0GHz~0.25GHzVHF30MHz~3MHzB0.25GHz~0.5GHzUHF0.3GHz~1.0GHzC0.5GHz~1.0GHzL1GHz~2GHzD1GHz~2GHzS2GHz~4GHzE2GHz~3GHzC4GHz~8GHzF3GHz~4GHzX8GHz~12GHzG4GHz~6GHzKU12GHz~18GHzH6GHz~8GHzK18GHz~26GHzI8GHz~10GHzKA26GH~40GHzJ10GHz~20GHzV40GHz~75GHzK20GHz~40GHzW75GHz~111GHzL40GHz~60GHz

M60GHz~100GHz3.5.2通信媒介3.無(wú)線電/微波頻段分配世界范圍內(nèi)協(xié)商無(wú)線電頻譜和衛(wèi)星軌道的國(guó)際論壇是世界無(wú)線電通信會(huì)議（WRC），它沒(méi)兩年或三年組織一次會(huì)議，由聯(lián)合國(guó)的國(guó)際無(wú)線通信聯(lián)合會(huì)組織（ITU）。會(huì)議的目的是考慮科技、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)以及其它方面的發(fā)展所產(chǎn)生的需求，尋求無(wú)線電頻譜的最佳應(yīng)用，以及在國(guó)際上如何使用。

我國(guó)在2006年9月5日由中華人民共和國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部第二十三次部務(wù)會(huì)議審議通過(guò)《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》，并且自公布之日起開(kāi)始實(shí)行。3.5.2通信媒介4.無(wú)線電作用距離受限于功率無(wú)線電作用的距離除了受到視距傳輸?shù)南拗疲€與無(wú)人機(jī)可以使用的頻率有關(guān)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)如果要正常工作，那么全系統(tǒng)的各部件提供的射頻功率應(yīng)滿(mǎn)足作用距離時(shí)需要考慮的相關(guān)因素包括：發(fā)射機(jī)輸出功率和接收機(jī)的靈敏度、天線增益、路徑損耗。5.多徑傳播多徑傳播，也稱(chēng)多徑傳輸問(wèn)題，就是在相隔微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)的兩個(gè)信號(hào)，都出現(xiàn)在接收器圖像顯示器上，造成圖像模糊。發(fā)射信號(hào)經(jīng)附近的地物反射，就可能造成這種情況，這一問(wèn)題可采用窄波束傳輸或先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)克服。3.5.2通信媒介6.無(wú)線電跟蹤無(wú)線電跟蹤可以作為無(wú)人機(jī)導(dǎo)航的一種方法，只需要在無(wú)人機(jī)上安裝無(wú)線電收發(fā)信機(jī)，可以接收、放大、回傳來(lái)自控制站或跟蹤站的信號(hào)，或者無(wú)人機(jī)下行發(fā)射適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)。7.控制站與無(wú)人機(jī)之間鏈路中斷控制站和無(wú)人機(jī)上的天線系統(tǒng)能夠按照方位和俯仰方向以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行掃描，鏈路中斷后，一個(gè)進(jìn)行掃描來(lái)尋找另一個(gè)，它們彼此知道中斷前最后時(shí)刻對(duì)方的位置坐標(biāo)，成功捕獲對(duì)方的時(shí)間取決于彼此的波束寬度。在制定時(shí)間內(nèi)雙方還沒(méi)有建立起通信聯(lián)系，無(wú)人機(jī)就按照預(yù)定程序返回基地，也可以恢復(fù)使用備份的短距離的全向VHF鏈路，特別是在控制站主鏈路發(fā)射出現(xiàn)故障時(shí)采取該模式。3.5.2通信媒介8.脆弱性無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的脆弱性包含兩個(gè)方面，一個(gè)方面是無(wú)人機(jī)與地面控制站之間的通信容易被敵方檢測(cè)到，從而暴露無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，是敵方對(duì)無(wú)人機(jī)攻擊進(jìn)行提前預(yù)警或是對(duì)我方無(wú)人機(jī)系統(tǒng)采取攻擊或干擾等措施，使無(wú)人機(jī)系統(tǒng)失去其工作的意義。另一個(gè)方面是無(wú)人機(jī)和地面控制站之間的通信很容易受到各種各樣的干擾。通常采用極窄波束的方法進(jìn)行傳輸避免對(duì)方檢測(cè)到無(wú)人機(jī)信號(hào)，并且采用提高發(fā)射功率、增大天線增益、縮小波束寬度，提高處理增益的方法來(lái)盡量減小來(lái)自各方信號(hào)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的干擾。3.5.2通信媒介9.多用戶(hù)通信與互操作無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在未來(lái)發(fā)展中，可能會(huì)不僅僅是單用戶(hù)的操作，很有可能需要其他用戶(hù)參與進(jìn)來(lái)，并且彼此之間進(jìn)行收發(fā)信息、信息共享等操作，那么這就需要無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的多用戶(hù)通信以及其通信系統(tǒng)的互操作特性。圖3.5.4無(wú)人機(jī)互操作系統(tǒng)的示意圖3.5.3通信系統(tǒng)的性能通信系統(tǒng)的性能主要包括數(shù)據(jù)通信速率及帶寬利用率。為了使數(shù)據(jù)適應(yīng)通信系統(tǒng)的性能，有時(shí)需要將數(shù)據(jù)的傳輸速率降低到能夠在無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸?shù)乃俾省ＭǔＳ袃煞N方法來(lái)降低數(shù)據(jù)傳輸率，分別為數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)截?cái)?。?shù)據(jù)壓縮是將數(shù)據(jù)變換為效率更高的形式，變換后保留數(shù)據(jù)原有的全部信息，并能在地面重建，按需恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。理想情況下，不論是否為有用信息，所有的信息均不會(huì)丟失，而實(shí)際上，由于壓縮和重建過(guò)程中的缺陷，丟失信息的情況時(shí)有發(fā)生。數(shù)據(jù)壓縮使用了一些算法去除原始數(shù)據(jù)中的冗余部分。為了使地面站操作員能夠理解數(shù)據(jù)，還需將去除的部分重新插入數(shù)據(jù)。3.5.3通信系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)截?cái)嗑褪菫榱私档蛿?shù)據(jù)傳輸率而丟掉部分?jǐn)?shù)據(jù)。在此處理過(guò)程中部分信息會(huì)丟失。但是，若能明智地進(jìn)行數(shù)據(jù)截?cái)?，則能