无线激光通信在海上大型无人机中的应用

刘锡国，刘 敏，毛忠阳，胡 昊，徐建武，王红波

(1.海军航空大学 a. 信号与信息处理山东省重点实验室； b. 航空通信教研室，山东 烟台 264001；2.海军91599部队，山东 烟台 265200)

0 引 言

随着无人机技术的不断发展成熟，无人机在军事领域扮演着越来越重要的角色。近年来的几场局部战争中，无人机的应用更加体现出其优势和重要性。现代信息化战争对无人机系统提出了更高的要求，无人机通信链路是实现远程测控和任务载荷的必备条件。传统的无人机测控和数据链路都是基于无线电射频技术的，随着无线激光通信技术和相关器件的发展，无线激光通信技术逐渐应用到了无人机系统中[1-3]。

海上大型无人机主要用于海洋勘探、应急救生、维和护航以及查证识别和侦察巡逻等军事及特殊应用领域，因此无线光通信技术在海上大型无人机领域有着广泛的应用前景。本文分析了机载无线激光通信技术及实验的发展和趋势，描述了潜在应用场景并对其通信需求进行分析，在此基础上结合无线激光通信的关键技术，对其在海上大型无人机应用领域的关键技术展开了分析，为进一步推广无线激光通信手段在海上大型无人机领域中的应用提供支持。

1 机载无线激光通信技术的发展现状

无线激光通信又称自由空间光通信(Free Space Optical，FSO)，是指利用激光作为信息载体，通过大气信道传输信息的技术[4-7]，具有速率高、保密性好和抗电磁干扰等特点。作为无线激光通信应用的一个重要方向，机载激光通信自上世纪70年代起就受到了世界各国的普遍重视。国内外开展了一系列基于各型机载平台的无线激光通信研究和实验，其中也包括了部分无人机平台测试和研究。

上世纪70～90年代，美国首先利用KC-135等有人机载平台开展了一系列实验[4-7]，实现了最远距离为160 km以及最高速率为1 Gbit/s的机载空-地和空-空激光通信实验。在接下来的20多年里，美、德和法等国家分别开展了无人机低速单向地-空激光通信[8]以及远距离有人/无人机对地高速激光通信[9-11]；近10年来，美国和法国等国家开展了Gbit/s量级的高速率无人机对卫星和对地无线激光通信[1]，并开展了基于高空大型无人机的民用无线光通信组网研究[12-13]。

在国内，长春理工大学于2013年完成了两架军用运输机之间的大气激光通信测试试验；中电34所研制了小型无人机对地激光通信样机并进行了试验[14-16]；海军航空大学开展了机载蓝绿激光通信信道特性研究及调制解调新方法研究[17-19]，参与了某地海上机载蓝绿激光通信实验并组织进行了无线光通信海上实验。此外，还有多家单位针对机载无线激光通信的理论和关键技术开展了研究[20-21]。

综上所述，国外对机载无线激光通信的研究和实验起步较早，在理论研究、试验验证及工程化方面更为成熟，研究的重点和趋势主要在提高通信距离、通信速率、连通率、可靠性以及工程实现等方面。机载无线激光通信主要为军事应用，民用较少，在无人机上也有一定的尝试，但是实际应用不多。相比国外，国内对机载激光通信研究和实现方面有一定的差距，特别是在大型无人机上的应用，理论研究和工程实践较少，整体水平也低于国外。

2 海上大型无人机大气激光通信应用场景设想及需求分析

能在海上执行任务的无人机通常为军用中大型长航时无人机或大型海上舰艇或作业平台上的专用无人机。随着特种无人机平台的发展，也出现了多种舰基平台小型或微型编队无人机。海上大型无人机主要执行海上搜救、中继等应急任务和维和、护航以及特殊时期的军事作战任务，图1所示为无人机在海空战场联合作战背景下的任务场景态势假想图。以海空战场联合军事作战为背景，海上大型无人机利用无线激光通信手段构建大容量、高速率、远距离和低时延通信链路，相比于短波、超短波和微波等无线链路，在远距离侦查巡逻实时图像回传、战损查证识别与评估、对空对海中继通信节点和编队内部组网等场景下具有实际意义，将发挥重要作用。图中包含了基于无线激光通信链路的侦查无人机侦查巡逻数据回传、无人机通信中继、多无人机编队组网、无人机与作战飞机、舰艇编队混合组网和无人机对潜通信等多个应用场景设想。

图1 海空战场联合作战通信态势假想图

由图1可知，海上大型无人机任务类型和任务场景设想主要有以下几个：

(1) 无人机海上侦察巡逻

在岸海空联合作战时，海上大型侦查无人机通常以岸基指挥所和阵地为基地，在特定海域上空承担海上侦察巡逻、跟踪监视和毁伤评估等任务，此时，一般有我方水面舰艇或预警机在视距范围内。地面、空中或舰载平台控制端与无人机的直线距离不超过350 km，无人机与控制端保持视距控制链路与数传链路，其侦察、识别的实时图像将通过数据链路回传到控制端，而后经控制端所在平台中继或处理后传送至指挥所。

此场景下，典型的无人机测控链路和数据链路为微波链路，将面对敌方无线电侦察、截获和干扰威胁，且微波链路速率受限，在保证无人机测控链路有足够链路余量的前提下，光电侦察视频数据压缩率高、分辨率低和回传质量差，在一定程度上影响了各级指挥所的态势研判和决策。

对此，可采用无线激光通信链路代替微波链路，或与现有微波链路互补使用。若按照通信速率1 Gbit/s、距离350 km设计大气激光通信系统，无人机及地面(舰艇、空中平台)各安装一台具有捕获、跟踪与瞄准(Acquisition Tracking and Pointing, ATP)功能的小型无线激光光端机，实现点对点通信，可满足现有需求。

该场景应用难点在于保证无线激光链路100%可通率。现有条件下，激光受海上云层、雾、霾和气溶胶等影响，链路光功率衰减大、接收信噪比低，以及平台抖动、链路散射和折射导致的光束漂移将严重影响链路可通率。解决方法是提高系统设计余量、采用高灵敏度接收模块、采用先进的调制解调和编码方法以及采用光/微波混合链路[22-24]等。

(2) 无人机空中中继通信

海上大型无人机可通过加载通信中继载荷作为空中中继节点来实现无线激光中继通信，保证视距范围内地面指挥所、机动作战单元、海上舰艇编队以及大型特种任务飞机、舰载战斗机和其他任务无人机编队等信息传输，提高通信覆盖范围和可靠性。

此场景下，根据中继对象和承载业务的不同，无人机将作为通信中继网络中心节点或转发节点。受限于红外激光的点对点传输特性，一般需要配置多个光端机或具有多发多收功能的光端机，分别与不同中继对象建立通信链路，实现组网通信。光端机的参数指标需要针对实际需求确定。

典型的应用是非视距链路点对点中继，例如海上舰艇编队与岸基指挥所通过空中无人机实现高速率非视距无线激光通信链路中继，以及岸基指挥所通过空中无人机无线激光通信混合链路中继实现350 km以外空中及海上平台的高速数据通信。该应用场景下，系统的技术难点在于机载光端机的小型化和自动跟踪对准实现以及可调速率纠错编码算法的实现。

(3) 无人机无线激光编队通信

由大量小型或微型无人机构成无人机群实现“蜂群”作战是无人机作战的新模式，此时无人机群存在外部通信和内部组网通信，外部通信主要是实现对无人机群的指挥和控制，内部组网通信主要是实现内部组网和信息传输，关于蜂群无人机的无线电组网通信有大量文献研究，这里不再赘述。无线激光通信具有极好的抗干扰和隐蔽特性，因此可采用无线激光通信技术替代无线电实现无人机编队的组网通信。基本设想是通过红外大气激光通信实现无人机群与其他有人飞机以及多个无人机群间的高速率点对点外部通信，通过紫外激光通信系统的散射特性[25-26]实现无人机群内部的低速组网通信。

(4) 无人机激光对潜通信

对潜通信是全世界战略通信的重点和难点问题。目前除了传统的甚低频对潜通信外，已有部分机载蓝绿激光对潜通信和卫星对潜通信的研究[17-19,27-29]。无人机可代替有人驾驶飞机实现对潜通信，作为对潜通信的有效手段之一。相比无人机，星载激光通信系统更适用于活动范围更广和更为隐蔽的大型战略潜艇，而有人机和无人机更适用于相对小型的战术潜艇通信。该场景下，无人机可具备多条链路，其中通过短波、超短波、卫星或无线激光链路实现指挥所与无人机的信息传输，无人机安装蓝绿激光对潜通信端机设备，通过无人机的空中机动，间断性地覆盖特定海域，实现对潜通信。无人机机载无线激光对潜通信可一定程度上代替现有的甚低频以及有人机载对潜通信，是海上大型无人机大气激光通信应用的一个重要方向。

3 大气激光通信在海上大型无人机应用中的关键技术分析

机载大气激光通信技术的发展应用和技术进步使得海上大型无人机大气激光通信的各种潜在应用成为可能，但是无线激光通信技术在无人机应用中也存在多项关键技术亟待突破和挑战，主要包含以下几个方面：

(1) 精确定位和跟踪技术

ATP是点对点无线激光通信系统的核心和难点。根据上述场景分析，海上大型无人机的通信对象包含其他空中飞机平台、海上舰艇平台、陆上固定指挥所及阵地等，是典型的“动中通”通信链路，不仅无人机一端是三维运动平台，受平台本身运动姿态、运动轨迹和自身震动的影响大，而且另一端也可能是多维度运动平台(例如舰艇编队、其他飞机等)，大型无人机无线激光通信链路距另一端相对更远，受信道特性影响，衰减和抖动更大，因此海上大型无人机机载光通信系统对实时动态ATP技术要求更高，要求系统具有更高的动态指向、稳定精度以及抗扰动和振动能力。关键技术研究方面，需要结合特定场景，在ATP系统复合轴光路结构优化设计、粗/精跟踪捕获算法优化、信标光/信号光抗抖动跟踪误差消除算法和高动态闭环控制技术等方面进行深入研究。

(2) 链路增强技术

目前的高速率远距离大气激光通信系统通常采用红外波段激光，海上大型无人机无线激光通信主要也采用红外波段激光，其对雾、霾和水蒸气等气溶胶较为敏感，红外激光在穿过大气信道时，会受到大气介质的影响，产生大气衰减、湍流和散射等效应，导致发生发射光束漂移、抖动、衰减以及波前畸变等现象。特别是海上大型无人机需要在海面不同高度下执行各类任务，受海洋气候环境的影响和接收端灵敏度和信噪比限制，随着通信距离的增加，通信速率很难提高，严重时将导致通信中断。保证在复杂海上气候条件下无人机通信链路的高可通率是无人机大气激光通信实际应用的关键问题，因此需要开展链路增强关键技术研究。一是开展海洋环境下无人机对空、海、陆链路大气信道特性建模分析、实时信道估计及均衡补偿等技术研究，增强链路的可靠性；二是结合正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)、正交空时编码、高阶调制、自适应编码、轨道角动量 (Orbital Angular Momentum, OAM)复用[30-32]和相干光检测[33-35]等技术提高系统的传输效率，开展海上光信道下的调制、编码及检测技术研究；三是采用无线光/射频 (Free Space Optical/ Radio Frequency，FSO/RF)互补链路，设计激光/射频一体化端机，利用激光和微波射频链路对不同环境的适应性实现实时链路切换，进一步增强链路的可靠性和可通率。

(3) 混合组网技术

海上大型无人机在应用中面临各种组网的需求，但由于大气激光通信的固有定向传输特性，发射功率受限，通常很难采用类似无线电全向通信的方式实现时分、频分或码分组网，只能采用小束散角点对点传输无线激光通信模式。在多无人机编队组网、无人机与舰艇编队组网、无人机与舰艇和飞机等平台分层组网等场景下，需要开展混合组网技术研究。一是基于红外激光的功率受限和单向传输特性，在每个无人机节点上安装多个激光通信端机，研究无线激光多跳网络拓扑控制和路由策略，结合信道特性感知和节点其他链路(短波、超短波、微波和激光)开展基于机器学习和人工智能的多信道跨域组网研究；二是利用紫外光的散射特性，开展近距离紫外光编队低速自组网研究。

4 结束语

海上大型无人机的大发展和实际需求与无线激光通信技术的进步使无线激光通信技术用于无人机成为可能。本文在分析已有机载无线激光通信技术与试验进展的基础上，对海上大型无人机大气激光通信的应用场景、应用需求、面临的挑战以及关键技术进行了初步分析，为我国海上大型无人机无线激光通信的应用及发展提供了借鉴。

随着人们对无人机应用重视程度的不断提高和对无线光通信技术的逐渐深入了解，两者结合的可能性也越来越大。在不远的将来，在大型岸基无人机系统与舰载无人机系统中，无线光通信链路将取代现有的微波测控与中继链路系统，与卫星链路共同成为海上大型无人机通信链路的主要手段，实现远距离高速保密点对点通信或组网通信；在对潜通信应用上，基于无人机的蓝绿激光通信手段也将作为现有手段的有力补充，提高水下潜艇的信息感知能力。民用领域，在海上搜救和维和等场景下，民用大型无人机也将具备无线激光通信能力，为人们的生产生活提供服务。