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摘 要：当前微小型无人机系统还没有完整的数据链，数据分发难以实现，战场信息得不到共享，针对这一问题，对微小型无人机数据链进行研究，并提出战场数据分发解决方案，为建立完整的微小型无人机数据链传输系统奠定理论基础。
关键词：微小型无人机；数据链；数据分发系统；缓存算法随着科技信息时代的发展，无人机的研制取得了突破性的进展。根据美国国防部（DoD）发布的无人机系统路线图[1][2][3]，无人驾驶飞机（简称 “无人机”）与其他武器相比有更好的优越性，具有低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用和高机动性等诸多优势，在情报侦察中具有重要的作用。作为无人机核心技术之一的数据链传输系统是无人机系统的重要组成部分，用于完成对无人机的遥控、遥测、跟踪定位及传感器信息的传输，具有统一的消息格式和波形规范、传输距离远、传输速度快和系统容量大的特点，在未来的信息化战争中扮演越来越重要的角色。而体积小、质量轻、部署灵活、机动性好、成本低的微小型无人机（Mini—UAV）还没用完善的数据链设备，主要原因是缺少有效的数据分发系统，使得战场信息难以得到共享。本文提出一种数据分发策略，以完善微小型无人机数据链系统。
1 微小型无人机数据链系统模型
无人机数据链系统通常就是无人机测控系统。无人机数据链路系统框图如图1 所示。根据《无人机系统及作战使用》[4]按数据传输方向的不同可分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送和接收，可用于传输地面操纵人员的指令，引导无人机按地面人员的指令飞行，并控制机载任务设备；下行链路主要完成无人机至地面终端的遥测数据，用于传送无人机的姿态、位置、机载设备的工作状态、当前遥控指令等，进行信息红外或电视图像的发送和接收以及跟踪定位信息的传输，并可用其来进行测距。
1.1 数据链设备
主要由测控管理器、发射机及接收机组成，测控管理器负责地面遥控与遥测数据的融合和处理，管理无线电发射与接收时序，使遥控与遥测同步协调工作。发射机和接收机由无线电测控电台及天线构成，无线电测控电台可采用双工数传电台，负责遥控指令的发射与遥测数据的接收。
1.2 机载设备
包括飞行控制器、传感器及执行机构，飞行控制器一方面收集、处理来自于各个传感器的飞行参数，并将数据打包发送给地面接收装置。另一方面接收来自于地面站的遥控遥测指令，译码后发送给执行机构执行，调整无人机飞行参数。
1.3 地面设备
包括图像显示设备和工程控制计算机、数据分发系统。工程控制计算机对所接收的遥测数据进行处理，而后由图像显示设备将处理后的数据进行显示，供地面操纵人员实时掌握和调整无人机的飞行状态，并通过数据分发系统组建战术局域网将数据图像传递给其他单位。
2 数据分发系统设计方案
在执行某一任务时，地面各单位往往需要协调配合，获取实时可靠的战场信息，并达到战场资源共享。应用微小型无人机系统，不仅要将无人机获取的数据、图像以及视频等信息准确传回地面控制站，还要将信息分发予指挥中心以及其他任务单位。这要求微小型无人机系统具有完善的数据链系统，其中重要的一环是数据分发系统的建立。
2.1 数据分发系统的设计思路
由于微小型无人机通信带宽有限，不能通过下行链路直接将数据、图像及视频信息传给到地面各单位。如果引进一种中间机制，将所要传的信息暂存于这一中间机构，并按照一定的机制进行更新，以保证在存储磁盘允许的范围内，保存大量有效信息。需要获取信息的部门单位根据一定的权限以及优先级通过统一的通信机制获取无人机信息，达到战场信息的共享，而不占用有限的无人机带宽。这一中间机构就是数据分发系统，它作为微小型无人机与各部队部门的中间环节，建立了强大的数据分发机制如图2 所示，地面控制站接收微小型无人机信号传递给数据分发器，由数据分发器与各单位计算机组建战术局域网，将信息分发到各参战部队，达到战场一体化。
2.2 数据分发系统的结构与工作原理
数据分发系统由数据分发器与数据接收器构成如图3所示。数据分发器由用户IP范围设置模块、分发任务管理模块、分发组件以及缓存服务器构成。用户IP范围设置模块用来控制接受服务的客户计算机，确定哪些用户能够接收到信息。分发任务管理模块将接收的无人机数据图像视频等信息暂存于磁盘，再根据需求从缓存服务器中提取储存信息传到收发组件，发送组件将数据流进行分块，本系统中按1000字节为单位进行分块发送，通过IP协议进入战术局域网，使需求单位进行接收，在此过程中分发任务管理模块可以暂停、恢复、终止数据传输。数据接收器用于接收战术局域网中的信息。通过收发组件接收局域网的数据流，进入数据流执行机构，通过分发操作系统，将数据、图像、视频等信息送达需求单位。
每一个分发任务都要经过数据分发前的连接准备阶段和数据分发阶段。在数据分发准备阶段，地面控制站工作人员需要设置好本次分发的目标单位IP地址段范围，确定服务权限。进入数据分发阶段，分发器向接收器发送一个“开始”指令，然后从存储区提取暂存的信息进行发送，数据流发送完毕后，分发任务管理模块发送一个“结束”通知。流程如图4所示。
2.3 关键技术
数据分发系统工作时，要实现信息实时可靠的传输，要求系统具有强大的数据分发能力以及缓存能力，用到的关键技术有邓永红提出的高速缓存技术及内容分发技术[5]。
（1）高速缓存技术
由于数据分发器存储空间限制，必须有选择地缓存以提高用户的“命中率”。系统采用“拉”方式，由缓存程序透明地自动缓存内容，内容优先级的判定采用最近最多访问算法的原则设计并对算法进行修改。用M表示数据分发器的磁盘容量上限，用T 表示数据分发器总的磁盘容量，用N表示当前数据分发器的磁盘容量，用F表示需要缓存内容的大小，用D表示规定的统计时间间隔。用AD（accessed degree）表示访问度，即D间隔内某一内容累计被访问次数。AD初始规定值为ADo。另外，设定数组Array，其中存放元素的数据结构如图5所示，将数据分发器中所有内容按AD值的大小由小到大排序后存放在Array中 （在D间隔内要不断更新Array）。算法简要描述如下： ① if（N+F）%T 缓存当前大小为F的内容；//当前有足够空间存储，不需耍删除内容//
else
② for（i=O；i< Array.length；i++）
{
if（Array[i].ADAdo的内容暂不删除//
{
if（（N+F—Array[i]Js）%T 删除Array[i]；
N=N—Array[i].fs；//修改数据分发器当前的磁盘容量缓存当前大小为F的内容//
break；
else
删除Array[i]；
N—N—Array[i].fs；//修改数据分发器当前的磁盘容量//
continue；//继续向后删除//
}
else
缓存N 大小的内容；//将AD break；
}
（2）内容分发技术
保持接收器和分发器的内容一致，同样是系统的关键问题。一种处理方式为分发器的内容发生变化时，向接收器发送一个更新版本。如果内容更新频率高于访问频率，则可能产生很多无用的数据流。另一种处理方式为使用失效标志。当一个内容发生变化时，向接收器发送一个失效标志。每个接收器再根据具体情况在最短时间内从分发器获取新版本。本系统采用两种机制结合的方式，基于用户的请求频率和文件的更新频率来决定使用那种方法，从而达到更好的分发效果。
（3）轮巡调度算法
在轮巡（RR）调度算法中，需要调度的信息被分解成为许多小的“单元”，并且在每个刷新周期内对其中的一个单元服务，周而复始。显然，轮巡调度可以使用优先级，虽然没有基于某些预先定义的优先级。算法存一些缺点，在系统存在很多信息需要传输时，它导致了一些不必要的相对较大的延时。式（1）给出轮巡调度算法的平均延时。从等式中我们可以发现它具有很好的“公平性”，因为平均等待时间与信息的长度成比例。
DRR=■（1）
其中ρ为信道利用率，X为信息的传输时间（等价于信息的长度）。
2.4 分发机制策略
微小型无人机数据分发过程中，根据任务的性质可将数据分发分为三种机制，分别是广播、多播以及点播。在执行大型任务时需要各单位协同配合，因此地面控制站需要把无人机信息以广播的形式传达到各单位，它们都对无人机捕获的信息有需求，设置IP为全网段。根据各单位的职能使命确定优先级，地面控制站与指挥中心建立最高优先级，再根据需要与其他单位建立不同的优先级。当某任务需要控制知情范围，要求只有特定参与单位才能获取分发的信息，则采用多播机制，指定IP段范围，控制知情范围。当地面站获取无人机信息时，各单位也可以向地面控制站发出申请，要求无人机信息服务，地面控制站收到申请后，根据进一步的判断决定是否向申请方分发数据，这时采用点播机制。可再用点播调度算法如轮巡调度算法实现。
3 结束语
随着战场任务的多元化、复杂化趋势，单一部门难以满足任务需求，需要各单位协同作战来应对复杂多变的战场情况。微小型无人机越来越受到青睐，而数据链是制约微小型无人机发展的重要环节，不仅要求建立无人机与地面控制站的可靠通信，而且要求将无人机捕获的信息实时准确的分发于各参展单位，然而现阶段微小型无人机还没有完备的数字化数据链系统，针对此问题笔者提出了数据链分发系统的解决方案，为建立完善的微小型无人机数据链提供了理论基础。
参考文献
[1] U.S. Department of Defense. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2011—2036.
[2] U.S. Department of Defense. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2009—2034.
[3] U.S. Army. Unmanned Aircraft Systems Roadmap 2010—2035.
[4] 魏端轩，李学仁.《无人机系统及作战使用》北京：国防工业出版社，2009，3.
[5] 邓永红.内容分发网络技术综述[J].有线电视技术，2005，12（13）：15—20.
作者简介
罗卫兵（1969—），男，湖南，教授，博士。
杨钦诃（1987—），男，内蒙古，硕士。
陈娇叶（1989—），女，河南，硕士。
关键词：微小型无人机；数据链；数据分发系统；缓存算法随着科技信息时代的发展，无人机的研制取得了突破性的进展。根据美国国防部（DoD）发布的无人机系统路线图[1][2][3]，无人驾驶飞机（简称 “无人机”）与其他武器相比有更好的优越性，具有低成本、低损耗、零伤亡、可重复使用和高机动性等诸多优势，在情报侦察中具有重要的作用。作为无人机核心技术之一的数据链传输系统是无人机系统的重要组成部分，用于完成对无人机的遥控、遥测、跟踪定位及传感器信息的传输，具有统一的消息格式和波形规范、传输距离远、传输速度快和系统容量大的特点，在未来的信息化战争中扮演越来越重要的角色。而体积小、质量轻、部署灵活、机动性好、成本低的微小型无人机（Mini—UAV）还没用完善的数据链设备，主要原因是缺少有效的数据分发系统，使得战场信息难以得到共享。本文提出一种数据分发策略，以完善微小型无人机数据链系统。
1 微小型无人机数据链系统模型
无人机数据链系统通常就是无人机测控系统。无人机数据链路系统框图如图1 所示。根据《无人机系统及作战使用》[4]按数据传输方向的不同可分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送和接收，可用于传输地面操纵人员的指令，引导无人机按地面人员的指令飞行，并控制机载任务设备；下行链路主要完成无人机至地面终端的遥测数据，用于传送无人机的姿态、位置、机载设备的工作状态、当前遥控指令等，进行信息红外或电视图像的发送和接收以及跟踪定位信息的传输，并可用其来进行测距。
1.1 数据链设备
主要由测控管理器、发射机及接收机组成，测控管理器负责地面遥控与遥测数据的融合和处理，管理无线电发射与接收时序，使遥控与遥测同步协调工作。发射机和接收机由无线电测控电台及天线构成，无线电测控电台可采用双工数传电台，负责遥控指令的发射与遥测数据的接收。
1.2 机载设备
包括飞行控制器、传感器及执行机构，飞行控制器一方面收集、处理来自于各个传感器的飞行参数，并将数据打包发送给地面接收装置。另一方面接收来自于地面站的遥控遥测指令，译码后发送给执行机构执行，调整无人机飞行参数。
1.3 地面设备
包括图像显示设备和工程控制计算机、数据分发系统。工程控制计算机对所接收的遥测数据进行处理，而后由图像显示设备将处理后的数据进行显示，供地面操纵人员实时掌握和调整无人机的飞行状态，并通过数据分发系统组建战术局域网将数据图像传递给其他单位。
2 数据分发系统设计方案
在执行某一任务时，地面各单位往往需要协调配合，获取实时可靠的战场信息，并达到战场资源共享。应用微小型无人机系统，不仅要将无人机获取的数据、图像以及视频等信息准确传回地面控制站，还要将信息分发予指挥中心以及其他任务单位。这要求微小型无人机系统具有完善的数据链系统，其中重要的一环是数据分发系统的建立。
2.1 数据分发系统的设计思路
由于微小型无人机通信带宽有限，不能通过下行链路直接将数据、图像及视频信息传给到地面各单位。如果引进一种中间机制，将所要传的信息暂存于这一中间机构，并按照一定的机制进行更新，以保证在存储磁盘允许的范围内，保存大量有效信息。需要获取信息的部门单位根据一定的权限以及优先级通过统一的通信机制获取无人机信息，达到战场信息的共享，而不占用有限的无人机带宽。这一中间机构就是数据分发系统，它作为微小型无人机与各部队部门的中间环节，建立了强大的数据分发机制如图2 所示，地面控制站接收微小型无人机信号传递给数据分发器，由数据分发器与各单位计算机组建战术局域网，将信息分发到各参战部队，达到战场一体化。
2.2 数据分发系统的结构与工作原理
数据分发系统由数据分发器与数据接收器构成如图3所示。数据分发器由用户IP范围设置模块、分发任务管理模块、分发组件以及缓存服务器构成。用户IP范围设置模块用来控制接受服务的客户计算机，确定哪些用户能够接收到信息。分发任务管理模块将接收的无人机数据图像视频等信息暂存于磁盘，再根据需求从缓存服务器中提取储存信息传到收发组件，发送组件将数据流进行分块，本系统中按1000字节为单位进行分块发送，通过IP协议进入战术局域网，使需求单位进行接收，在此过程中分发任务管理模块可以暂停、恢复、终止数据传输。数据接收器用于接收战术局域网中的信息。通过收发组件接收局域网的数据流，进入数据流执行机构，通过分发操作系统，将数据、图像、视频等信息送达需求单位。
每一个分发任务都要经过数据分发前的连接准备阶段和数据分发阶段。在数据分发准备阶段，地面控制站工作人员需要设置好本次分发的目标单位IP地址段范围，确定服务权限。进入数据分发阶段，分发器向接收器发送一个“开始”指令，然后从存储区提取暂存的信息进行发送，数据流发送完毕后，分发任务管理模块发送一个“结束”通知。流程如图4所示。
2.3 关键技术
数据分发系统工作时，要实现信息实时可靠的传输，要求系统具有强大的数据分发能力以及缓存能力，用到的关键技术有邓永红提出的高速缓存技术及内容分发技术[5]。
（1）高速缓存技术
由于数据分发器存储空间限制，必须有选择地缓存以提高用户的“命中率”。系统采用“拉”方式，由缓存程序透明地自动缓存内容，内容优先级的判定采用最近最多访问算法的原则设计并对算法进行修改。用M表示数据分发器的磁盘容量上限，用T 表示数据分发器总的磁盘容量，用N表示当前数据分发器的磁盘容量，用F表示需要缓存内容的大小，用D表示规定的统计时间间隔。用AD（accessed degree）表示访问度，即D间隔内某一内容累计被访问次数。AD初始规定值为ADo。另外，设定数组Array，其中存放元素的数据结构如图5所示，将数据分发器中所有内容按AD值的大小由小到大排序后存放在Array中 （在D间隔内要不断更新Array）。算法简要描述如下： ① if（N+F）%T
else
② for（i=O；i< Array.length；i++）
{
if（Array[i].AD
{
if（（N+F—Array[i]Js）%T
N=N—Array[i].fs；//修改数据分发器当前的磁盘容量缓存当前大小为F的内容//
break；
else
删除Array[i]；
N—N—Array[i].fs；//修改数据分发器当前的磁盘容量//
continue；//继续向后删除//
}
else
缓存N 大小的内容；//将AD
}
（2）内容分发技术
保持接收器和分发器的内容一致，同样是系统的关键问题。一种处理方式为分发器的内容发生变化时，向接收器发送一个更新版本。如果内容更新频率高于访问频率，则可能产生很多无用的数据流。另一种处理方式为使用失效标志。当一个内容发生变化时，向接收器发送一个失效标志。每个接收器再根据具体情况在最短时间内从分发器获取新版本。本系统采用两种机制结合的方式，基于用户的请求频率和文件的更新频率来决定使用那种方法，从而达到更好的分发效果。
（3）轮巡调度算法
在轮巡（RR）调度算法中，需要调度的信息被分解成为许多小的“单元”，并且在每个刷新周期内对其中的一个单元服务，周而复始。显然，轮巡调度可以使用优先级，虽然没有基于某些预先定义的优先级。算法存一些缺点，在系统存在很多信息需要传输时，它导致了一些不必要的相对较大的延时。式（1）给出轮巡调度算法的平均延时。从等式中我们可以发现它具有很好的“公平性”，因为平均等待时间与信息的长度成比例。
DRR=■（1）
其中ρ为信道利用率，X为信息的传输时间（等价于信息的长度）。
2.4 分发机制策略
微小型无人机数据分发过程中，根据任务的性质可将数据分发分为三种机制，分别是广播、多播以及点播。在执行大型任务时需要各单位协同配合，因此地面控制站需要把无人机信息以广播的形式传达到各单位，它们都对无人机捕获的信息有需求，设置IP为全网段。根据各单位的职能使命确定优先级，地面控制站与指挥中心建立最高优先级，再根据需要与其他单位建立不同的优先级。当某任务需要控制知情范围，要求只有特定参与单位才能获取分发的信息，则采用多播机制，指定IP段范围，控制知情范围。当地面站获取无人机信息时，各单位也可以向地面控制站发出申请，要求无人机信息服务，地面控制站收到申请后，根据进一步的判断决定是否向申请方分发数据，这时采用点播机制。可再用点播调度算法如轮巡调度算法实现。
3 结束语
随着战场任务的多元化、复杂化趋势，单一部门难以满足任务需求，需要各单位协同作战来应对复杂多变的战场情况。微小型无人机越来越受到青睐，而数据链是制约微小型无人机发展的重要环节，不仅要求建立无人机与地面控制站的可靠通信，而且要求将无人机捕获的信息实时准确的分发于各参展单位，然而现阶段微小型无人机还没有完备的数字化数据链系统，针对此问题笔者提出了数据链分发系统的解决方案，为建立完善的微小型无人机数据链提供了理论基础。
参考文献
[1] U.S. Department of Defense. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2011—2036.
[2] U.S. Department of Defense. Unmanned Systems Integrated Roadmap FY2009—2034.
[3] U.S. Army. Unmanned Aircraft Systems Roadmap 2010—2035.
[4] 魏端轩，李学仁.《无人机系统及作战使用》北京：国防工业出版社，2009，3.
[5] 邓永红.内容分发网络技术综述[J].有线电视技术，2005，12（13）：15—20.
作者简介
罗卫兵（1969—），男，湖南，教授，博士。
杨钦诃（1987—），男，内蒙古，硕士。
陈娇叶（1989—），女，河南，硕士。