《利用无人机（UAV）提高舰队数据传输能力》107页论文

海军水面作战中心胡内姆港分部发现，为了满足未来的数据需求，需要改进舰岸数据传输能力。近年来，对更好的舰岸数据传输系统的需求日益增长，这主要是由于作战系统元素日益复杂。这些数据需求，加上通信技术的进步，将有助于提供一个有效和高效的数据传输系统，超越目前带宽的限制。增强数据传输能力和补充现有舰艇数据传输方法的一种方法是使用无人系统作为主要或辅助通信手段。本毕业设计提供了一个概念系统的作战概念、系统架构以及建模和仿真分析，旨在满足美国海军提高舰对岸数据传输能力的需求。与目前的数据传输方法相比，这种方法的概念应用所显示的结果可显著缩短操作时间。在仿真和数据分析的支持下，操作时间的减少为使用无人飞行器的可行性和提高海军舰艇上的舰岸数据传输能力带来了积极的结果。

海军水面作战中心胡内姆港分部（NSWC PHD）需要改进舰岸数据传输能力，以支持美国海军（USN）的测试活动，本项目正是针对这一需求而开发的。具体来说，需要一种更快的数据传输方法来增强现有的舰岸通信网络，以支持美国海军的测试活动。测试活动分析和远程支持工作需要与岸基活动之间传输大量数据。现有通信系统对数据传输的限制会阻碍及时进行测试活动数据分析和远程支持工作。测试活动通常在舰艇交付后或实施重大系统升级的可用期后进行。由于目前的目标是建立一支拥有 355 艘舰艇的舰队（2020 年为 O'Rourke），而且舰艇系统的复杂性也在不断增加，因此在可预见的未来，对改进数据传输能力以支持测试活动的需求将是持续而迫切的。为此，顶点团队收集了相关信息，以制定顶点问题陈述： 近年来，对更好的舰岸（双向）数据传输系统的需求一直是人们最关心的问题，这主要是由于作战系统元素对数据的需求不断增加。这些数据需求加上通信技术的进步，将有助于提供更好的决策支持和作战能力，超越当前舰载系统的局限性。

顶点团队发现了一个技术机会，即利用现有无人机（UAV）平台的能力来填补这一能力差距，从而促进能够满足利益相关者要求的辅助通信线路。此外，该系统还必须在与美国海军测试活动相关的环境条件下运行，与舰艇和地面站的操作人员连接，根据需要在舰艇和地面站之间建立并保持双向数据连接，并具备连接和将数据写入经批准的可移动媒体的能力。我们创建了一个概念性系统设计，命名为可部署空中数据链路（DAD），旨在表明利用无人机平台可以实现利益相关者的目标。该系统旨在提高从船上到岸上的数据可用性。DAD 系统的操作概念包括使用舰艇部队提供的可拆卸介质上传至外部系统，然后与部署在无人机上的螺栓子系统通信，进行数据上传或中继。在图 1 中，配备有 DAD 模块化计算机子系统的美国海军舰艇利用 DAD 系统通信线路，通过配备有 DAD 栓式子系统的无人机接收或传输来自 DAD 模块化计算机子系统的数据。

图 1 - DAD 作战视图

顶点团队在系统概念化过程中使用了量身定制的系统工程 Vee 模型，该模型改编自国际系统工程理事会（INCOSE）和 Wiley（2015 年）。该研究提出了操作概念、技术方法、一套可行的候选解决方案、系统架构、系统模型和仿真以及可行性结果。得出的概念系统是对现有通信方法和相关系统的分析与运行目标的综合。进行了替代方案分析（AoA），并确定了四种潜在解决方案供分析：(1) 继续使用现有卫星技术，(2) 使用无人机作为中继器，(3) 使用无人机进行接收和传输，以及 (4) 使用无人机进行数据上传和硬盘移除。

根据得出的系统要求，通过应用分区标准将要求转化为系统功能，开发了一个物理架构。然后进一步分解系统和子系统功能，并应用可行性标准来开发物理系统架构。功能、接口和系统组成在系统架构中得到进一步定义和捕捉，为此，顶点团队使用基于模型的系统工程（MBSE）工具 Innoslate 创建了概念系统。图 2 提供了一个高级 DAD 系统块定义图 (BDD)。

在确定了系统要求和系统架构后，确定了建模方法，以得出预期的系统性能。建模和仿真工具 ExtendSim 被用来分析特定场景条件下运行时间和数据传输率之间的关系。分析支持使用无人机作为数据传输平台，并揭示了可取的系统配置和系统使用方法。初步研究结果表明，与现有通信系统相比，利用无人机的概念系统有可能以较低的运行成本为美国海军提供更高的数据传输能力。