第1章 飞行器通信链路概述
　　1.1 飞行器通信链路需求
　　1.1.1 功能需求
　　无人机、飞艇、导弹等飞行器在军、民诸多领域发挥着越来越重要的作用。按飞行器的飞行高度分类，包括飞行高度大于300km的航天器，如卫星、载人飞船、深空探测器、弹道导弹等；还有飞行高度为20～100km的临近空间飞行器，如再入滑翔飞行器、高超声速巡航导弹、浮空飞艇等；第三类是飞行高度低于18km航空器，如无人机、巡航导弹、火箭弹等。本书重点以无人机、巡航导弹等航空器为例探讨飞行器通信链路关键技术问题。
　　飞行器与地面之间的无线通信链路是决定其能否完成任务的重要支持和保障。飞行器通信链路的传输内容主要包括四类： 遥控指令、航迹数据、遥测信息、载荷数据。
　　1. 遥控指令
　　遥控指令是指地面站利用前向通信链路将控制指令传送到飞行器，控制其完成规定的动作，如控制飞行器改变飞行速度、方向调整、姿态调整、载荷开关机，等等。
　　2. 航迹数据
　　航迹数据是一组按时间点规定飞行器运动轨迹的数据，由地面站规划生成并通过前向通信链路注入飞行器，使飞行器按照预定路线飞行。
　　3. 遥测信息
　　遥测信息是指对飞行器上的待测参数进行检测，如飞行器的舱内温度、压力、湿度、电池电量、飞行速度、定位信息、飞行姿态、故障信息等，并将测量结果通过返向通信链路传输到地面站进行记录、显示和处理。遥测数据传输的目的是保证地面的飞行器操控、管控人员及时掌握飞行器的健康状态、工作状态、位置信息、姿态信息。
　　4. 载荷数据
　　在业内，载荷数据传输通常简称为“数传”，通过返向通信链路传输。传输的内容通常包括遥感载荷的遥感图像信息、环境载荷的环境监测信息，以及视频声音等音像信息。
　　1.1.2 性能需求
　　随着战场作战样式、工业生产方式、人们生活方式的变迁，飞行器的任务也发生着巨大的变化。军用方面，飞行器作战任务趋于多样化、攻防对抗更加激烈、目标种类更加繁多、作战空间日益广阔；民用方面，飞行器已深入工业生产、抢险救灾、通信服务、娱乐活动等方方面面，作业环境复杂多变，覆盖区域愈发广阔，飞行器数量与日俱增。这些任务需求使得地面与飞行器之间的通信距离不断扩大、用户节点数量不断增加、通信数据速率不断提升、飞行器机动性不断提高、通信环境日益恶劣。这些发展趋势对飞行器通信链路提出了更高的要求，具体表现在如下几个方面。
　　（1） 多用户需求。传统的“单兵”作战已不能满足现代战争的要求，单一武器的打击效果远不如群体组成的体系联合作战效果好，多个武器系统铰链、组网后形成的协同作战和群击应用更为有效。较多数量的飞行器可以通过组网形成机群编队，利用畅通的信息共享机制和高效的协同运行策略提高整个编队的任务成功率和效率。例如，无人机群编队的地面站负责机群任务的预先或实时规划与分配，使得整个机群编队以协作的方式完成复杂战场环境下的高概率突防、协同侦察、饱和攻击等任务。
　　（2） 大容量需求。当前，场态势感知、作战决策、打击实施、打击效果评估等每一个作战环节中对于作战信息和数据交换等需求都出现了前所未有的增长趋势，尤其是在群体、精确打击模式下，对图像、态势等信息的传输容量提出了更高的要求，不仅要求飞行器获取的高质量图像能够通过返向链路实时回传地面站，辅助其完成决策，而且要求对面站将含有目标指示信息的图像通过前向链路实时传输至飞行器，供其进行目标匹配、地形匹配、自主决策等。
　　（3） 抗干扰需求。日益恶劣的战场环境对飞行器通信链路的抗干扰能力提出了越来越高的要求： 一方面，要求控制指令通过前向链路可靠地传输至飞行器；另一方面，也要求飞行器的重要状态信息能够通过返向链路可靠地回传至地面站。需要从天线波束成形控制、通信体制优选与改进、工作模式和抗干扰策略优化等多个方面来提升飞行器通信终端抗干扰能力。当前，对于重要的控制指令和关键的用户状态信息，普遍采用扩频通信这样一种公认的抗干扰体制进行传输。然而，由于扩频增益与数据速率之间的矛盾，扩频传输会带来一定带宽条件下的数据速率受限问题。在较低的数据速率下，往往能够获得较高的扩频因子，但在传输高质量图像信息时，却不能获得足够的抗干扰能力。因此，飞行器通信链路中的图像传输一般不采用扩频方式，而更多倾向于采用高效通信体制和高阶调制方式。
　　（4） 资源分配灵活性需求。多样、多变的战场态势和作战任务带来了飞行器编队规模、群组模式、信息传输需求的多样化。执行不同任务时，飞行器所需要的信道资源不同；每个飞行器在不同时间段需要通信的信息种类也有变化。一般来说，编队中的主飞行器承担着自主任务规划、协同控制、信息采集、图像传输等重要任务，需要申请较多的信道资源，以传输较大容量的信息。而其他从飞行器则只需占用较少的信道资源，用于传输控制指令和用户状态等低速信息。但是，主飞行器一旦被毁或失效，就需要其他某个从飞行器及时提升级别，接替主飞行器的任务，这就要求整个系统具备信道资源的动态、实时、灵活分配能力。另外，不同的信息种类往往采用不同的通信体制进行传输，例如，关键的指令、重要的状态一般采用扩频的方式传输，而图像信息则普遍采用非扩频方式传输，这些传输方式对信道资源的需求也是不同的。
　　（5） 高动态需求。未来战场态势复杂多变，要求各类作战单元都具备快速反应和敏捷作战能力，从而可靠地完成对时敏目标的远程、快速、精确侦察或打击。以高超声速巡航导弹打击敌方导弹机动发射阵地为例，一旦对方发射导弹，就可利用导弹预警卫星侦察的发射地点引导高超声速巡航导弹，在其撤收之前完成打击，以消除其二次打击能力。当前，普通巡航导弹速度可达到亚声速级，而高超声速巡航导弹则可达Ma5甚至更高。例如，美国某高超声速巡航导弹的飞行速度可达Ma5～8，飞行高度可达27km。根据巡航导弹的飞行特点，除了飞行速度，还需考虑一定的加速度。巡航导弹机动能力越强，弹载通信终端在高动态条件下精确、稳定同步的难度就越高。
　　1.2 飞行器通信链路系统
　　1.2.1 系统构成
　　以遥感无人机为例，飞行器通信链路系统构成和原理框图分别如图1.1和图1.2所示，由机载通信设备和地面通信设备组成。机载通信设备包括前向接收设备和返向发射设备，其中机载前向接收设备包括遥控/航迹接收模块、遥控/航迹接收天线，与地面的遥控器、遥控发射机、发射天线共同组成前向通信链路，用于遥控指令、航迹信息传输；机载返向发射设备包括图像/遥测发射模块、图像/遥测发射天线，与摄像机、图像处理模块、机载各类传感器、地面遥测接收机和接收天线、基带信号解调器共同组成返向通信链路。通信射频和数字处理电路的集成度越来越高，机载前向接收设备和返向发射设备可以采用一体化设计，共用一副天线。地面通信设备包括前向遥控/航迹发射通道、返向图像/遥测接收通道、地面控制站等，集成了通信电路、主控计算机、键盘鼠标、显示终端等模块，提供人机操作界面，完成前向遥控指令及航迹规划数据的控制与预处理，接收并显示返向图像/遥测通道的数据，实时存储图像/遥测数据，是全系统的操作和显示终端。
　　图1.1 飞行器通信链路系统构成
　　图1.2 飞行器通信链路原理框图LNA表示局域网；AGC表示自动增益控制
　　1. 机载通信设备
　　机载通信设备包括机载前向接收设备和机载返向发射设备。
　　1） 机载前向接收设备
　　机载前向接收设备包括遥控/航迹接收模块、遥控/航迹接收天线。机载遥控/航迹接收天线接收地面的遥控/航迹发射机的射频信号，传送到机载遥控/航迹接收模块，经高频放大、混频、自动增益控制、基带解扩解调后输出遥控指令数据流和航迹规划数据流，传送到导航制导与控制分系统完成遥控数据处理；机载遥控/航迹接收天线一般为螺旋圆极化全向天线，保证在任何飞行方向、姿态条件下均能稳定接收地面发射的遥控/航迹前向信号，可选择安装在机体前部。
　　2） 机载返向发射设备
　　机载返向发射设备包括图像/遥测发射模块、图像/遥测发射天线。图像/遥测发射模块对机载任务设备获得的图像信号进行数据编码压缩，压缩后的数据和导航制导与控制分系统送来的遥测信息进行复接，经调制和功率放大（简称攻放）后，由图像/遥测发射天线发射至地面。图像/遥测发射天线一般为螺旋圆极化全向天线，保证任何飞行方向、姿态条件下均能将返向信号发回地面站，可选择安装在机体垂尾上。
　　2. 地面通信设备
　　按照功能，地面通信设备可分为前向遥控/航迹发射通道和返向图像/遥测接收通道及地面控制站。
　　1） 前向遥控/航迹发射通道
　　前向遥控发射通道由遥控器、地面监控站、遥控/航迹发射机和发射天线等链接而成。
　　（1） 遥控器。
　　遥控器是手控飞行指令及任务设备操作指令的生成器，通过电缆与地面控制站相连；遥控器发出的编码控制指令接到地面控制站，地面控制站通过电缆连接地面遥控/航迹发射机模块，将编码控制指令通过前向扩频信道发射出去，控制飞行器飞行或控制任务设备。除了分立式遥控器，也可以将遥控器和地面控制站集成为小型一体化设备。
　　（2） 遥控/航迹发射机。
　　遥控/航迹发射机模块完成遥控信号的数字化采集、信道编码、差分编码、调制、功放，主要由基带模块、射频调制模块、功放模块组成。遥控/航迹发射机一般结构独立，通过电缆分别与天线和地面控制站连接。遥控/航迹发射天线可采用螺旋圆极化全向天线，保证无线信号覆盖范围，也可采用定向平板/八木天线，以提高无线信号发射增益，但定向天线增益不能设计得过高，因为会造成天线波束过窄，导致无人机飞出波束覆盖区域。欲进一步提高链路增益，则需采用闭环跟踪能力的天伺馈系统，通过高增益窄波束跟踪的方式，最大限度地扩大作用距离，但系统的复杂度、成本会升高。
　　2） 返向图像/遥测接收通道
　　返向图像/遥测接收通道包括遥测接收天线、遥测接收机等，主要由高频放大变频模块、基带数字处理模块、图像解码模块、接口模块组成，完成