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60 现代导航 2024 年 集群式无人机协同数据链技术 方 成（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）摘 要：无人集群数据链是实现无人平台集群系统内部成员间以及外部控制站间进行信息交互、操作控制和任务执行的关键通信系统，针对当前集群式无人机紧迫的应用需求，设计了适用于集群信息交互的协同数据链，使其具备大规模、低时延、高可靠、全域覆盖和抗干扰等能力，并对所使用的关键技术进行分析。关键词：集群组网；协同传输；抗干扰 中图分类号：TN914 文献标志码：A 文章编号：1674-7976-(2024)-01-060-05 Clustered UAV Collaborative Data Link Technology FANG Cheng Abstract:The unmanned clustered data link is a key communication system that realizes information interaction,operation control and task execution between the internal members of the unmanned platform clustered system and between external control stations.In view of the urgent application requirements of the current clustered UAV,a collaborative data link suitable for clustered information interaction is designed,which has the capabilities of large-scale,low latency,high reliability,global coverage,and anti-jam,and the key technologies used is analyzed.Key words:Clustered Networking;Collaborative Transfer;Anti-Jam 0 引言 近年来，无人机平台已经从技术简单、用途单一的一控一无人机，发展成为能够承担监视、预警、协同探测等功能综合、高度智能化的自组织集群式无人机系统。集群式无人机不是多个无人机间的简单组合，而是通过必要的系统集成使之产生集群协同效应，从而具备执行复杂多变和危险任务的能力。因此，集群式无人机既能最大限度地发挥无人系统的优势，提高整体的载荷能力和信息感知处理能力，又能避免单一无人机执行任务时被能力所限或任务效率不高的问题1-2。协同数据链作为集群式无人 收稿日期：2023-11-10。方成（1989.10），福建福州人，硕士，工程师，主要研究方向为数据链技术。机系统的神经网络，是多机协同作战的通信基础，可以支撑各种信息的快速交互共享，实现应用平台的协同感知、协同处理和协同决策，从而提高无人机的生存能力和整体应用效能。1 应用需求分析 在目前立体化的应用场景中，电磁环境更加复杂，平台数量日益增多，平台机动强度越来越高，由于单个无人机通常只能提供有限的信息，已无法满足多维数据获取需要，大规模组网、协同探测及具备抗干扰能力已是发展趋势3-4。1.1 网络抗毁需求 由于无人机平台数量众多，应用场景与使用环 第 1 期 方成：集群式无人机协同数据链技术 61 境多样，在电磁环境复杂的情况下，各平台之间构成的通信网络是一个成员易受攻击、无线传输易受干扰、成员连通性易受影响、网络拓扑易被毁伤的动态信息网络。因此，要求集群网络具备自适应重构、快速入网等能力，能够自动适应由于内部和外部原因引起的网络结构变化5。1.2 协同传输需求 集群式无人机系统在飞行中，需要快速交换成员位置状态以及飞控信息，同时在执行探测任务时，要求能够实时可靠传输协同探测信息。这就要求整个协同通信网络信息传输速率不仅需要适应 kbps级至 Mbps 级变化，还要满足不同优先级数据的服务质量（Quality of Service，QoS）服务，以保证指定信息的低时延传输。1.3 抗干扰需求 集群式无人机系统应用范围广、使用场景类型多、传播环境复杂多变，由于地形、地物、大气环境和自身的姿态等因素影响，加上无人机高机动的特点，通信信号本身容易出现快速随机衰落起伏，整个链路传输性能效果差。另一方面集群网络本身的开放特性，容易受到来自其他同频或相近频段的无线射频设备的信号干扰6。因此，集群式系统的组网传输需要具备一定的抗干扰能力来保证大规模组网下的有效通信。2 协同数据链系统 协同数据链系统主要由集群地面指控站与机载数据链设备组成。集群地面指控站包括集群地面指控站端机以及集群链路监控软件。机载数据链设备包括机载数据链终端与机载天线。系统组成示意图如图 1 所示。图 1 协同数据链系统组成框图 为满足在复杂环境下的无人机集群协同飞行与协同探测的需求，协同数据链系统在物理层、链路层、网络层与设备层进行了针对性设计，构建了以集群地面指控站为中心的多平面协同通信网络系统。系统采用分平面的网络架构，空中平面成员可按编队为单位分成若干簇，簇内平面为自组织中心网络，每个簇自组织形成簇首成员，簇内平面信息实时广播共享，簇间通过簇首形成的簇间平面实现簇间双向信息交互，地面指控平面对簇首平面进行测控信息的分发与实时数据的接收。系统平面划分如图 2 所示。图 2 系统平面划分示意图 在物理层，采用了高速跳频、高编码增益纠错码、自适应信息速率传输、伪随机交织和自适应功率控制等多种抗干扰抗截获技术相结合，从频域和时域综合提高无线通信传输时的抗干扰抗截获 能力。链路层，针对多类型业务传输的需求，在信息需求和网络资源之间，将其信息的整体集合按照信息质量映射到不同信息队列进行管理，再按照各信息流在发送队列中所占的优先级，动态选择相应的资源匹配策略，实现信息需求与网络资源的最优 匹配。网络层，采用分级网络结构，网络被分为多个簇，每个簇由一个簇首成员和多个成员组成。簇首成员间又可以组成高一级网络。在高一级网络中，还可以继续分簇，再次形成更高一级网络。簇首成员负责簇间通信的协调和管理。每个簇中还有备份簇首成员，用以提高整个网络的抗毁性。设备层，采用低差损滤波器、收发开关、低噪放、小型屏蔽腔等多种技术手段，可抑制阻塞式干扰，采用开关滤波器组抑制工作频带内的干扰信号。同时采用有效的功放门控电路设计和控制方式，对脉冲信号波形进行控制，保证输出信号具有良好的频谱指标。62 现代导航 2024 年 3 关键技术 3.1 抗干扰波形传输技术 抗干扰波形采用高速跳频、伪随机交织、高性能信道纠检错码、快速帧同步捕获和行列伪随机交织等方法来实现抗转方式干扰、邻道干扰以及突发式干扰等。其中，行列伪随机交织技术可以降低信道的相关性和分散通信系统的突发干扰，抗干扰波形使用伪随机行列交织器进行交织运算，相比于常规的规则交织器（互质交织器、行列交织器、卷积交织器等），伪随机行列交织器具有良好的散乱特性，具有更优良的抗频域和时域干扰性能。抗干扰波形采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）混合接入方式，把时间按时隙和微时隙结构划分。时隙结构如图 3所示。图 3 时隙结构示意图 时隙是时间轴上长度相等的连续时间段，是系统时的一个时间单位。每一时隙为 20 ms，每天 24 h分为 4 320 000 个时隙，时元号从 0 到 4 319 999，当时元号随着时间依次递增到 4 319 999。在每个时隙内划分为长度相等的基本时间段，称为微时隙，1 微时隙为 2 ms。微时隙是系统时划分的最小单位，也是系统成员在网内发射或接收消息的基本时间单位。抗干扰波形消息结构如图 4 所示。图 4 抗干扰波形结构示意图 在跳频通信系统中，帧长时间由脉冲时间和频率切换保护时间组成，本协同数据链采用高速跳频，跳频速率大于 10 000 跳，脉冲和频率切换保护总消耗时间小于 100 s，在有限的帧长和脉冲时间内，采用短时隙结构以减少传输时延；采用零延时帧同步和位同步方法，减少跳频同步时间；同时采用并行高效的前向纠错译码器以及循环冗余校验的动态迭代译码算法，可极大地减少接收信息的译码 时延。在频率使用上将整个带宽分为 N 个子频带，每个子频带带宽为总带宽 Hz/N，并且频率位置按照某种规律随时间进行动态变化，不但能够达到抗干扰的目的，而且支持多重子网频率并行传输，有效利用频谱资源，提高网络容量，同时降低传输时延。3.2 数据低时延分发技术 3.2.1 介质访问协议 为实现不同业务数据自适应传输，保证低时延高可靠的数据分发，网络采用 FDMA+动态时分多址（Distributed Time Division Multiple Access，DTDMA）组合协议，该协议是在系统时间同步的条件下，对系统资源进行综合动态划分的介质访问协议。具体实现如图 5 所示。图 5 数据分发链路接入示意图 介质访问协议包括 FDMA 协议与 DTDMA 协议，具体如下所示。1）FDMA 协议 按照分层分簇的网络结构，网络被分为多个频分子网。每个子网为一个簇。每个簇内都包含一个簇首成员，簇首成员之间组成高一级的骨干网，负责簇间的信息交换。骨干网和各子网采用不同的跳频图样，满足骨干网和多个子网同时工作的要求。2）DTDMA 协议 对网络中的时间资源进行动态划分，采用时隙动态占用策略实现网络中部分时隙资源的动态划分。根据网络结构的特点以信息传输时延的要求，进行信道时隙划分7-8。时隙划分包括控制时隙与业务时隙。4 320 000 个时隙 每微时隙 2 ms 1 d 24 h 第 1 期 方成：集群式无人机协同数据链技术 63 控制时隙分配给网络内所有成员，主要用于网络的维护。子网控制时隙配置在子网内，每个簇占用一个子信道，传输子网维护消息。成员在该时隙发送的消息只有其簇内邻居成员能接收到。子信道之间采用不同频率图样，不同簇内的成员可在该时隙并行传输。骨干网控制时隙配置在公共信道上，分配给簇首成员，主要用于骨干网的维护，传输骨干网维护消息。业务时隙用于簇内通信或簇间业务通信，主要传输各类业务消息。簇内通信的业务时隙配置在子信道上，用于子网内成员间的图像信息、视频信息和数据状态信息分发。簇间通信的业务时隙配置在公共信道上，用于成员间的态势信息共享。动态业务时隙的来源是成员入网分配相应的固定控制时隙资源后的剩余资源，以及成员退网后释放的控制信息资源。动态业务时隙通过成员竞争获取。3.2.2 数据服务 数据服务主要包括消息拆分与消息重组，具体如下所示。1）消息拆分 链路层对上层应用消息长度进行判断，当上层应用消息长度大于物理层每帧传输长度时，链路层对应用消息进行拆分。链路层将对上层消息拆分为包含报头、循环冗余校验码以及有效载荷在内的数据包9。当从上层接收的消息小于空间传输的有效载荷长度时，链路层直接将上层消息作为空间传输数据包的有效载荷封装进空间传输数据包中。2）消息重组 链路层可以保存多个独立数据流，用于重组本成员接收的消息。当满足下列条件之一时，链路层可认为该数据包为发往本成员数据包，执行消息重组过程：（1）数据包中的目的地址与本成员配置的自组网地址匹配；（2）数据包中的目的地址与本成员配置的一组地址匹配。消息重组过程首先为数据包确定它所属的独立数据流，然后根据数据包中携带的消息起始标识、结束标识以及序列号等参数对消息进行重组。3.2.3 链路服务 链路服务主要实现消息的查重校验功能、分组转发功能以及可靠性服务等。1）查重校验 链路层采用扩散型中继协议，链路层有可能不止一次地接收到同一个数据包。因此，链路层接收到数据包时，必须确定该数据包是否已经被接收过了，即在消息重组或中继转发之前执行查重校验，丢弃被重复接收的数据包。链路层依据每个数据包的报头和逻辑结构与本地保存的独立数据流信息比对，如果完全一致则认为该数据包为重复接收的数据包，将其丢弃，不再执行后续的消息重组或分组转发过程。2）分组转发 分组转发是指链路层将所接收到的数据包转发出去，实现多跳网络能力。当数据包满足以下条件之一时，成员节点将作为数据包转发的中继节点：（1）目的地址不是本节点的地址；（2）目的地址是广播地址。分组转发时，将数据包报头中的生存时间减 1，如果生存时间取值为 0，则链路层丢弃该数据包，不做转发；否则，链路层将数据包分配到合适的数据队列中，等待发送。节点转发分组的机制与本节点数据发送的机制一致。3）可靠性服务 针对有可靠性服务需求的报文，链路层依靠一个确认字符（Acknowledge Character，ACK）/非应答（Negative Acknowledgment，NAK）协议来保证链路层的可靠性，通过建立在 ACK/NAK 应答协议基础上的丢包重传的机制，实现报文的可靠性10。链路层提供的 ACK 服务决定是否回复一个ACK 响应或者发送一个 ACK 请求。当接收到一个ACK 响应报文，ACK 服务将重传所有没有成功接收的数据包，并删除已成功接收的数据包。3.3 动态可重构组网技术 针对簇首成员失效的场景，本协同数据链采用以下方式进行网络动态重构：1）备份簇首 在每个子网内都有备份簇首，在簇首成员未失效前充当普通簇内成员的角色，一旦出现簇首成员失效，不能维持正常的通信时，备份簇首自动升级为簇首，并行使簇首成员的全部职责。备份簇首可以缩短簇首再推举的时间，从而有效地保障了簇的稳定性。备份簇首升级的工作流程如图 6 所示。64 现代导航 2024 年 图 6 备份簇首升级流程 对于已经成功入网的备份簇首成员，需要持续监控簇首成员的在网状态，当出现如下情况时，备份簇首升级为簇首：情况一：备份簇首到簇首成员的路径不可达，且持续 T_Lost（簇首成员脱网时长）；情况二：备份簇首收到簇首成员退网消息。备份簇首升级为簇首时，需向本簇内其他成员通知备份簇首升级信息。若原簇首成员恢复入网，则交由原簇首成员重新接管簇首职责。2）簇首推举 成员长时间未入网时，需要推举新的簇首解决网络建立的问题。可根据簇首推举算法，判决本成员是否可升级为簇首成员。若成员成功升级为簇首成员，则执行簇首成员的职责，使用相同的网络规划参数组建网络。簇首推举的工作流程如下：对于未加入规划簇首成员所在网络的成员，周期进行簇首升级判断。（1）若本成员为孤立成员，以概率 P1（P1=1/n，n 为规划的簇内成员数）判断是否在当前周期内升级为簇首成员。当本成员升级为簇首成员后，发起网络建立流程；（2）若本成员已经升级为簇首成员，且有其他成员入网时，以概率 P2（P2=1/2）判断是否在当前周期内升级为簇首成员；（3）若本成员是作为簇成员加入升级簇首组建的网络，则不再进行簇首升级判断；（4）若本成员作为升级簇首，与规划簇首所在的网络相遇时，升级簇首所在的网络同规划簇首所在的网络需要进行簇合并。4 结语 本文以集群通信网络抗毁、协同分发和抗干扰传输需求为牵引，提出集群式无人机协同数据链系统方案，并且从物理层、链路层、网络层以及设备层分别阐述了实现的基本方法，本文方案所涉及的抗干扰波形传输、数据低时延分发和动态可重构组网等三项关键技术在国内都有一定的研究基础，具有可行性，可为集群式无人机协同通信组网提供研制思路。参考文献：1 刘昕.军用无人机自组网技术研究D.南京：南京理工大学，2014.2 陶于金，李沛峰.无人机系统发展与关键技术综述J.航空制造技术，2014（20）：34-39.3 李桂花 外军无人机数据链的发展现状与趋势J 电讯技术，2014，54（6）：851-856 4 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