無人機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)-手冊

1、32無人機數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)1.概論：無人機，即無人駕駛的飛機。是指在飛機上沒有駕駛員，只是由程序控制自動飛行或者由人在地面或母機上進行遙控的飛機。它裝有自動駕駛儀、程序控制系統(tǒng)、遙控與遙測系統(tǒng)、自動導航系統(tǒng)、自動著陸系統(tǒng)等，通過這些系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠距離飛行并得以控制。無人機與有人駕駛的飛機相比而言，重量輕、體積小、造價低、隱蔽性好，特別宜于執(zhí)行危險性大的任務，因此被廣泛應用。二、無人機的特點及技術(shù)要求無人機沒有飛行員，其飛行任務的完成是由無人飛行器、地面控制站和發(fā)射器組成的無人機系統(tǒng)在地面指揮小組的控制一下實現(xiàn)的。據(jù)此，無人機具有以下特點:（1）結(jié)構(gòu)簡單。沒有常規(guī)駕駛艙，無人機結(jié)構(gòu)尺寸比有人駕駛飛機

2、小得多。有一種無尾無人機在結(jié)構(gòu)上比常規(guī)飛機縮小40%以上。重量減輕，體積變小，有利于提高飛行性能和降低研制難度。（2）安全性強。無人機在操縱人員培訓和執(zhí)行任務時對人員具有高度的安全性，保護有生力量和稀缺的人力資源?？梢杂脕韴?zhí)行危險性大的任務。（3）性能提高。無人機在設計時不用考慮飛行員的因素。許多受到人生理和心理所限的技術(shù)都可在無人機上使用，從而突破了有人在機的危險，保證了飛行的安全性。（4）一機多用，稍作改進后發(fā)展為輕型近距離對地攻擊機。（5）采用成熟的發(fā)動機和主要機載設備，以減少研制風險與經(jīng)費投入，加快研制進度。聯(lián)合研制以減小投資風險、解決經(jīng)費不足有利于擴大出口及揚長技術(shù)與設備優(yōu)勢。（6）

3、研制綜合訓練系統(tǒng)。技術(shù)要求有:（1）信息技術(shù)包括信息的收集和融合，信息的評估和表達，防御性的信息戰(zhàn)、自動目標確定和識別等；（2）設備組成包括低成本結(jié)構(gòu)、小型化及模塊化電子設備、低可見性天線、小型精確武器、可儲存的高性能發(fā)動機及電動作動器等；（3）性能實現(xiàn)包括先進的低可見性和維護性技術(shù)、任務管理和規(guī)劃、組合模擬和訓練環(huán)境等。三、無人機系統(tǒng)按照功能劃分，主要包括四部分:（1）飛行器系統(tǒng)包括空中和地面兩大部分。空中部分包括：無人機、機載電子設備和輔助設備等，主要完成飛行任務。地面部分包括：飛行器定位系統(tǒng)、飛行器控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)以及發(fā)射回收系統(tǒng)，主要完成對飛行器的遙控、遙測和導航任務，空中與地面系統(tǒng)

4、通過數(shù)據(jù)鏈路建立起緊密聯(lián)系。（2）數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括：遙控、遙測、跟蹤測量設備、信息傳輸設備、數(shù)據(jù)中繼設備等用以指揮操縱飛機飛行，并將飛機的狀態(tài)參數(shù)及偵察信息數(shù)據(jù)傳到控制站。（3）任務設備系統(tǒng)包括：為完成各種任務而需要在飛機上裝載的任務設備。（4）后勤保障系統(tǒng)如檢測設備，維修設備，運輸設備，后勤設備等。2 無人機的飛行控制與測控數(shù)據(jù)傳輸無人機的測控數(shù)據(jù)傳輸均采用無線通信方式將遙控信息由地面站發(fā)送至無人機稱為無線遙控（上行通道）。無人機將飛行中的各種狀態(tài)信息發(fā)給地面站稱為無線遙測（下行通道）。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心問題主要是單/雙無線通道的選擇、電臺的選擇、天線的選擇和安裝姿態(tài)。3.1雙無線通道與單

5、無線通道的比較遙控遙測獨立分別采用各自的電臺、天線、無線頻點稱之為雙無線通道的測控系統(tǒng)。優(yōu)點是時序獨立互相之間沒有影響但存在一些嚴重問題：上行、下行分別采用無線通道于是地面和機上就都有了二套電臺、天線、頻率地面系統(tǒng)雖然增加了操作的工作量但并無大礙。而機上系統(tǒng)設備增加使系統(tǒng)復雜、重量加大卻是一個嚴重的問題。無人機的重量增加是影響起飛、空速、續(xù)航時間的一個重要原因。系統(tǒng)復雜又必然造成可靠性降低。在靶機上要放置二根天線一般只能垂直尾翼上放一根在水平副翼上放一根這樣這兩個天線極化方向是不同的而地面站架設的天線則是二根天線全是垂直放置必然造成其中一路通信效果變差。結(jié)果總是出現(xiàn)一路通信距離近的問題.遙控遙

6、測共用同一套電臺、天線、無線頻點采用時分工作方式稱為單無線通道的測控系統(tǒng)。它的優(yōu)點是簡化了機上設備的數(shù)量和線路的復雜性降低了無人機整機重量同時機上天線與地面天線極化方向相同大大提高了通信距離。但這種測控系統(tǒng)對電臺的可靠性要求更高。本文工作開始前無人機的測控系統(tǒng)主要采用雙無線通道的方式設備復雜遙控遙測距離近的問題一定存在。3.2 無人機飛行的無線通道無人機的無線通道分為無線遙控（上行）通道和無線遙測（下行）通道。無線遙控（上行）通道完成遙控指令、參數(shù)信息等數(shù)據(jù)的傳輸。指令：地面站發(fā)給電臺經(jīng)地面天線發(fā)射機上天線接收后電臺將指令發(fā)給飛行控制系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)接收到指令后交給遙測系統(tǒng)已接收指令該指令執(zhí)行

7、后又將交給遙測系統(tǒng)已執(zhí)行指令。參數(shù)（原點、飛行參數(shù)、航路信息）：地面站發(fā)給電臺經(jīng)地面天線發(fā)射機上天線接收后電臺將參數(shù)發(fā)給飛行控制系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)接收到參數(shù)后存入掉電保持的存儲器然后再從存儲器中讀出參數(shù)交遙測系統(tǒng)發(fā)回地面。供地面站校驗。無線遙測（下行）通道完成無人機飛行過程中各狀態(tài)參數(shù)的收集并發(fā)送給地面站。在調(diào)參時也負責回傳參數(shù)信息。3.3 無人機飛行控制器飛行控制器是負責飛行控制系統(tǒng)信號的采集、控制律的解算、飛機的姿態(tài)和速度以及與地面設備的通訊等工作。飛行控制器控制設備由傳感器操作面板數(shù)據(jù)及算術(shù)處理設備和電源組成通信控制設備由編碼器/解碼器控制通信控制盒和自動跟蹤控制器組成。無人機數(shù)據(jù)采集及測

8、控系統(tǒng)集成了模擬、數(shù)字、通訊總線、時間碼等無人機上通用的各種航電信號采集和測試功能。無人駕駛儀的控制系統(tǒng)進行測試主要完成包括對控制系統(tǒng)的各個硬件（傳感器、敏感元件、執(zhí)行機構(gòu)等）、自動駕駛儀以及中間裝置的參數(shù)特性、動態(tài)過程監(jiān)測以及控制系統(tǒng)的航空專用總線。飛控器是以單片機為核心的計算機控制系統(tǒng)其功能是實現(xiàn)由輸入信息的含義決策輸出信息的過程簡單地說是信息處理過程其輸入信息主要是指遙控接收送來的指令信息當然也含故障應急處理信息。根據(jù)輸入信息來決策輸出控制及遙測顯示信息。因此其功能主要有：1）保持飛機按給定的高度穩(wěn)定飛行2）保持飛機按預定的航線穩(wěn)定飛行3）控制飛機按給定的航向角飛行4）控制飛機按給定的姿

9、態(tài)角機動飛行5）控制飛機按預定程序自主飛行6）隨著高度和速度的變化自動改變控制系統(tǒng)7）采集飛行狀態(tài)參數(shù)送至遙測發(fā)射系統(tǒng)8）進行故障應急處理9）完成飛機開關(guān)指令功能對任務設備的控制其中1）5）、9）條是飛控器根據(jù)地面遙控指令切換不同控制模態(tài)來實現(xiàn)第6）、7）、8）條由飛控器自行完成。飛行控制器采用了三種控制方式、四個反饋回路、五種控制模態(tài)來完成控制。（一）控制方式三種控制方式是：無線電指令控制下的自動模態(tài)飛行方式、無線電遙控靜默下的全自主飛行控制方式以及程控飛行方式。（二）反饋回路四個反饋回路：a.以TC-3D垂直陀螺儀構(gòu)成的反饋回路構(gòu)成飛行姿態(tài)穩(wěn)定與控制的內(nèi)回路。這是飛行控制系統(tǒng)的核心控制回路

10、。靶機的轉(zhuǎn)彎、爬升、下滑飛行是由內(nèi)回路給定相應參考姿態(tài)角來實現(xiàn)的。b.以磁航向傳感器信號作為反饋信號送到無人機的橫向控制通道上構(gòu)成飛行航向控制的外回路。c.以氣壓高度傳感器的輸出信號作為反饋信號送到無人機的縱向控制通道上構(gòu)成飛行航向控制的外回路。d.以氣壓高度傳感器的輸出信號作為反饋信號送到無人機的縱向控制通道上構(gòu)成飛行高度的外回路。d.以GPS接收機接收到的靶機位置和飛行速度信息通過信息融合后反饋遙控接收飛控器舵機舵面，啟動飛機姿態(tài)，遙測發(fā)射敏感元件重心為測量儀遙控發(fā)射地面操縱人、地面，遙測接收機到橫向控制通道上進一步提高航跡的控制精度。在反饋回路中以阻尼、帶寬、靜差、容錯性為要點進行回路的

11、反饋控制參數(shù)設計以增強飛行控制系統(tǒng)全飛行包絡的控制魯棒性。（三）控制模態(tài)飛控系統(tǒng)采用了五種控制模態(tài)即：三軸穩(wěn)定控制模態(tài)、高度保持模態(tài)、航向保持模態(tài)、自動導航模態(tài)、自動歸航模態(tài)。模態(tài)之間的切換時機主要是由地面遙控人員通過指令來實現(xiàn)的而在飛行控制系統(tǒng)中則是通過調(diào)整控制參數(shù)、切換給定參考變量來實現(xiàn)。三軸穩(wěn)定模態(tài)即為垂直陀螺儀控制模態(tài)飛機無論處于什么指令下飛控器接通垂直陀螺儀。高度保持模態(tài)：即飛控器接通“垂直陀螺儀高度傳感器”的控制模態(tài)。當飛機收到“縱平”指令后即接通高度傳感器當飛機收到“爬升”或“俯沖”指令時切斷高度傳感器。航向保持模態(tài)：即飛控器接通“垂直陀螺儀高度傳感器航向傳感器”的控制模態(tài)。當飛

12、機收到“遠航”或是“返航”指令后即接通航向傳感器當飛機收到“橫平”指令時切斷航向傳感器。自動導航模態(tài)：當飛機收到“程控”指令時飛行控制器將自動引導飛機飛行在預設的航路上。用“橫平”指令解除“程控”。歸航模態(tài)：即飛控器接通“垂直陀螺高度傳感器航向傳感器GPS”控制模態(tài)。當飛機接收到“歸航”指令或是飛機在30秒內(nèi)沒有接收到地面的遙控信號（包括空指令信號）時飛控器轉(zhuǎn)入歸航模態(tài)飛控器從內(nèi)存中調(diào)出起飛點的坐標不斷進行比較引導飛機朝起飛點上空飛行到達起飛點后盤旋3分鐘然后自動開傘回收。在此過程中隨時可以通過“橫平”指令來解除“歸航”模態(tài)。4.1無人機的數(shù)據(jù)鏈路4.11 概述無人機的數(shù)據(jù)鏈路用于在無人機飛行

13、過程中，連接飛行，器平臺和地面操控指揮人員與設備的信息橋梁，基本功能，是傳遞地面遙控指令，采油接收無人機的飛行，狀態(tài)信息和傳感器獲取的情報信息。無人機數(shù)據(jù)路的概念如圖4-1所示。圖4-1 無人機數(shù)據(jù)路無人機數(shù)據(jù)鏈路在功能上包括一條用于地面控制站對飛行器及機上設備控制的上行鏈路（也叫指揮鏈路）和一條用于接收無人機下行鏈路。上行鏈路一般帶寬為10Kb/s-200Kb/s，無論何時地面控制站請求發(fā)送命令，上行鏈路必須保證隨時傳送。下行鏈路提供兩個通道。一條是用于向地面控制站傳遞當前的飛行速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及機上設備狀態(tài)等信息的狀態(tài)信道（也稱遙測信道），該信道需要較小的帶寬，類似于指揮鏈路。第二條信道

14、用于向地面控制站傳遞傳感器信息，它需要足夠的帶寬傳送大量的傳感器信息，帶寬范圍為300Kb/s-10Mb/s。一般下行鏈路都，是連續(xù)傳送的，但有時也會臨時啟動以傳送機上暫存的等待發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路也可用于測量地面天線相對于飛行器的距離和方位，這些信息可用于無人機的導航，提高機載傳感器對目標位置的測量精度。4.2.2 數(shù)據(jù)鏈路的結(jié)構(gòu)與原理無人機數(shù)據(jù)鏈路一般由機載部分和地面部分組成。數(shù)據(jù)鏈路的機載部分包括機載數(shù)據(jù)終端（ADT）和天線。機載數(shù)據(jù)終端RF接收機、發(fā)射機以及用于連接接收機和發(fā)射機到系統(tǒng)其余部分的調(diào)制調(diào)解器。有些機載數(shù)據(jù)終端為了滿足帶寬的要求，還提供壓縮數(shù)據(jù)處理。天線采用全向天線，有時也

15、采用具有增益的有向天線。數(shù)據(jù)鏈的地面部分包含地面數(shù)據(jù)終端（GDT）和一副，或幾副，天線。GDT包含RF接收機和發(fā)射機以及調(diào)制調(diào)解器。若傳感器信息在傳輸前經(jīng)過壓縮，那么地面數(shù)據(jù)終端還需采用處理器對數(shù)據(jù)進行重建。數(shù)據(jù)壓縮和重建可以分裝成幾個部分，一般包括一輛天線車（可以放在離無人機地面控制占有一定距離的地方）、一條連接地面天線和地面控制站的本地數(shù)據(jù)連線，以及地面控制站中的若干處理器和接口。無人機數(shù)據(jù)鏈路地面部分的工作原理如圖4-2所示。圖4-2 無人機數(shù)據(jù)鏈路地面部分工作原理圖地面站發(fā)送的控制指令在信源編碼器中進行指令編碼，然后將編碼完的數(shù)據(jù)進行加密運算，加密完的數(shù)據(jù)同偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽碼進行相加

16、從而完成擴頻，擴頻完的擴頻信號對載波信號進行調(diào)制，生成載波調(diào)制信號，然后將此信號送至功率放大器進行功率放大，經(jīng)過功率放大的射頻信號經(jīng)過饋線送到天線上，由天線發(fā)射出去。地面站在發(fā)射控制信息的同時，還進行遙測接收。機載下行信號通過天線和饋線送至高頻放大器，經(jīng)放大后的信號同本地振蕩器進行混頻，混頻后得到的第一中頻信號分為兩路；一路送給測向誤差產(chǎn)生與處理電路，出來的結(jié)果送至天線伺服系統(tǒng)進行天線跟蹤控制；另一路送至第二漫步器同本地振蕩器產(chǎn)生的信號進行混頻，然后再通過帶通濾波器進行濾波，此時的中頻信號經(jīng)過鑒頻器鑒頻后分成兩路，一路通過低通濾波器濾波產(chǎn)生視頻信號，將視頻信號送至監(jiān)視器進行視頻顯示，另一路經(jīng)過

17、帶通濾波器濾波產(chǎn)生，然后經(jīng)過鑒頻和分離電路恢復遙測基帶信號與偽碼數(shù)據(jù)流信號，遙測信號通過位環(huán)和幀環(huán)提取電路送至測控制終端進行遙測數(shù)據(jù)處理，另一路送至測距電路，測距電路將此信號同偽碼產(chǎn)生器偽隨機碼對比產(chǎn)生測距信號，最后將此測距信號送至測控終端進行數(shù)據(jù)處理。無人機數(shù)據(jù)鏈路機載部分的工作原理如圖4-3所示。機載飛行控制系統(tǒng)通過串行數(shù)據(jù)口發(fā)出遙測信號數(shù)據(jù)流，同時接收遙控指令數(shù)據(jù)流。對于遙控接收部分，從天線接收到的遙控信號經(jīng)過接收機的放大、一次混頻，由射頻信號變換為中頻信號，經(jīng)過二次混頻、放大，經(jīng)過濾波、整形，進行解擴解調(diào)后，得到遙控基帶信號數(shù)據(jù)流。該數(shù)據(jù)流通過解密后直接送至飛行控制計算機處理。對于遙測

18、發(fā)射部分，來自飛行控制計算機或直接來自機上設備的遙測數(shù)據(jù)，首先經(jīng)過遙測編碼，再經(jīng)過載波調(diào)制得數(shù)下行的射頻信號，該射頻信號經(jīng)過功率放大器送至天線，最后由天線發(fā)射出去。圖4-3 無人機數(shù)據(jù)鏈路機載部分工作原理4.3.3 對數(shù)據(jù)鏈路的特別要求戰(zhàn)場上，無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)會受到各種電磁威脅，如反輻射攻擊、電子截獲和情報利用、欺騙反制、對數(shù)據(jù)鏈的無意干擾和蓄意干擾等。因此，從作戰(zhàn)需要來說，對無人機數(shù)據(jù)鏈路適應復雜電磁環(huán)境的能力有以下要求。（1）抗反輻射攻擊。降低上行鏈路的占空比是可供考慮的抗擊反輻射武器的措施。理想的情況，是上行鏈路只有在必須向無人機發(fā)送指令時才發(fā)送信號，這樣上行鏈路便，可以長時間保持緘默。

19、這是系統(tǒng)問題，因為整個系統(tǒng)的設計應該使上行鏈路的使用最少；同時也是數(shù)據(jù)鏈問題，某些數(shù)據(jù)鏈被設計成即使沒有任何指令要傳送也定時輻射信號。護反輻射武器可以通過采用低截獲頻率、頻率捷變和擴頻技術(shù)來實現(xiàn)。（2）低截獲概率。由于地面站常常需要段較長時間的靜止不動以對飛行中的飛行器進行控制，這就使其一旦確定方位就會成為炮火和導彈容易擊中的目標。所以，上行鏈路需要具有低截獲概率，而低截獲概率對下行鏈路不是很重要。采用擴頻、頻率捷變、功率管理和低占空比技術(shù)可獲得低截獲概率。但受低成本的限制，低截獲概率不是數(shù)據(jù)鏈必須具備的性能。（3）抗欺騙反制。對方通過對上行鏈路的欺騙可獲得對飛機的控制權(quán)，從而引導飛機墜毀、改

20、變飛行方向或?qū)⑵浠厥?。這比干擾千萬的損失更加嚴重，因為欺騙可導致飛行器及機載設備的損失，而干擾一般只是影響其完成任務的好壞。而且，假如能夠引導飛機墜毀，用一個簡單的欺騙系統(tǒng)便，可以依次引導多架飛機。對上行鏈路欺騙的方式也很簡單，只要讓無人機能夠接收一條災難性的指令即可。由于通用，地面站的使用，無人機采用通用的數(shù)據(jù)和某些通用的指令碼，所以人對上行鏈路的保護要特別慎重。由于操作員能夠識別欺騙數(shù)據(jù)，所以對下行鏈路的欺騙比較困難。采用文電鑒別碼和某些抗干擾技術(shù)可獲得抗欺騙的性能，抗欺騙單元可以在數(shù)據(jù)鏈路的外部實現(xiàn)，這是因為文電鑒別碼可由系統(tǒng)產(chǎn)生，由機上計算機，校驗。（4）抗干擾。數(shù)據(jù)鏈路在存在蓄意干擾

21、的情況下保持正常工作的能力稱為抗干擾能力，或叫抗干擾度?？垢蓴_度的大小用抗干擾系數(shù)來衡量，抗干擾系數(shù)定義為無干擾時系統(tǒng)的實際信噪比與系統(tǒng)正常工作所需要的最小信噪比的比值，單位為dB，即R（dB）=10lg(R)(5.1)式中：R為信噪比下降倍數(shù)?？垢蓴_系數(shù)下降40dB的含義是：干擾必須使接收機信噪比下降10000倍（10lg(10000)=40）以上才能使系統(tǒng)工作正常。4.3.4 抗干擾能力分析抗干擾能力一般通過抗干擾系數(shù)來表示出來。與數(shù)據(jù)鏈路抗干擾系數(shù)相關(guān)的因素包括發(fā)射功率，天線增益和處理增益。增加發(fā)射功率是克服干擾的最佳途徑。當數(shù)據(jù)鏈的功率大于干擾機的功率時，就能取得良好的抗干擾效果。一般

22、在無人機的下行數(shù)據(jù)鏈路中使用。天線增益的定義是：天線在某方向上產(chǎn)生的功率密度與理想電源同一方向上產(chǎn)生的功率密度的比值，單位為dB。當天線輻射的大小隨角度而變且在某一方向上達到最大值時，最大方向上的天線增益稱為峰值天線增益，其值可用下面公式近似表示，即式中分別代表垂直和水平方向的半功率波瓣寬度。其中天線的波瓣寬度與天線的尺寸（和）成反比，與輻射信號的波長（）成正比。處理增益是通過將干擾能量擴散到數(shù)據(jù)鏈信號帶寬之外來增強信號。在傳輸之前按某種帶寬的方式對數(shù)據(jù)鏈要傳送的信息進行編碼，在接收端通過編碼來恢復信號，這樣處理可以實現(xiàn)對信號的增強。由于干擾機無法采用與數(shù)據(jù)鏈相同的編碼，因此它必須對經(jīng)過人工擴

23、展后的傳輸信號帶寬進行干擾和覆蓋。處理增益主要包括兩種形式：一種是直擴通信，即對原信號加偽碼調(diào)制愉增大傳輸帶寬，降低每單位頻率間隔內(nèi)的功率，這樣為了達到干擾效果，干擾機的干擾頻率必須達到整個傳輸帶寬；另一種是跳頻通信，即載波頻率按照偽隨機序列跳變。如果干擾機不知道跳頻方案，不能按跳頻方案實時工作，它就必須干擾跳頻工作的整個頻段?？垢蓴_系數(shù)的數(shù)學定義為抗干擾系數(shù)（dB）=處理增益（dB）+衰減系數(shù)（dB）衰減系數(shù)是指系統(tǒng)正常工作可用的信噪比與所要求的信噪比的比值。經(jīng)過仔細設計的數(shù)據(jù)鏈路具有一定的衰減系數(shù)，干擾機只有克服這個系數(shù)才能降低通信系統(tǒng)的工作效能。但是，在有效的干擾噪聲進入通信系統(tǒng)之前，有

24、效干擾噪聲會被處理增益抑制，然后才在通信系統(tǒng)中出現(xiàn)。天線增益通過提升信號對衰減系統(tǒng)做出貢獻。天線增益增加多少dB，衰減系數(shù)和抗干擾系數(shù)就增加多少dB.4.4仿真框圖經(jīng)過調(diào)制后，調(diào)制信號就可以在信道上傳輸。但是在實際的信道中傳輸時，會疊加很多噪聲，因此，程序模擬在實際信道上傳輸，產(chǎn)生噪聲，疊加到已調(diào)信號上。在接收端，通過相干解調(diào)的方法，把接收到的疊加有噪聲的信號進行解調(diào)，但是解調(diào)后的信號還不是最先發(fā)送的二進制比特流，需要對解調(diào)得到的信號進行抽樣判決，才能得到發(fā)送的二進制比特流，即發(fā)送信號。軟件的仿真流程圖如7所示。圖7 基于MATLAB的BPSK調(diào)制解調(diào)仿真框圖4.41 基于MATLAB的仿真結(jié)

25、果圖 5. 無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)5.1 無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)概述無人飛行器采用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)可以達到非常理想的效果。所謂的鏈路就是指連接兩個通信節(jié)點的一段物理線路而中間沒有任何其他的交換節(jié)點。數(shù)據(jù)鏈路則是另外一個概念當需要在一條線路上傳輸數(shù)據(jù)信息時除了必須有一條物理線路外還必須有一些必要的通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。如果把實現(xiàn)這些協(xié)議的軟件和硬件加到鏈路上就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路無人機數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)是連接飛機和地面控制站的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實現(xiàn)無人機系統(tǒng)中的傳感器平臺、控制平臺、任務平臺和監(jiān)測平臺之間各種數(shù)據(jù)信息的處理與傳輸通過數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)各平臺之間形成數(shù)據(jù)連接關(guān)系。無人機數(shù)據(jù)鏈在整個無人機系統(tǒng)中發(fā)揮著極其重要的作用。

26、在國外，無人機采用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)對偵察信息的處理及傳輸是采用無線電中繼方式所無法比擬的。5.2 無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的基本組成5.2.1 無人機數(shù)據(jù)鏈的基本組成基帶信號處理發(fā)射機發(fā)射天線接收機接收基帶信號處理天線信道圖5-1 無人機數(shù)據(jù)鏈簡化模型圖5-1為無人機數(shù)據(jù)鏈的簡化模型。首先，基帶信號（遙測、遙控、圖像）在基帶信號處理部分進行處理，然后送至發(fā)射機，由發(fā)射機變成射頻信號交給天線，由天線發(fā)送給信道。在接收端，天線將電磁信號轉(zhuǎn)變成射頻信號送給接收機，接收機將射頻信號轉(zhuǎn)變成基帶信號并送給基帶信號處理部分，在這里進行處理。通常，無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)由兩部分設備組成：一部分裝在無人機上，稱為機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)；另

27、一部分裝在控制站上，稱為地面控制站系統(tǒng)。（1）機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括RF接收機、發(fā)射機以及用于連接接收機和發(fā)射機到系統(tǒng)其余部分的調(diào)制解調(diào)器。有些機載數(shù)據(jù)終端為了滿足下行鏈路的帶寬限制，還提供了用于壓縮數(shù)據(jù)的處理器。天線采用全向天線，有時也用具有增益的有向天線。機載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的任務是發(fā)送遙測信號和接收遙控信號。對于遙控接收部分，從天線接收到的遙控信號經(jīng)過接收機的放大、混頻、濾波、解擴解調(diào)、解密后送至飛行控制計算機處理。對于遙測發(fā)射部分，飛行控制計算機發(fā)出的遙測指令數(shù)據(jù)流與NP碼合成遙測基帶信號，該信號經(jīng)過副載波調(diào)制后與圖像信號相加，送至FM調(diào)制器調(diào)制得到射頻信號，射頻信號經(jīng)過功率放大器送至天線，最后

28、由天線發(fā)射出去。（2）數(shù)據(jù)鏈的地面部分也稱地面數(shù)據(jù)終端，包括一副或幾副天線。RF接收機和發(fā)射機以及調(diào)制解調(diào)器。地面數(shù)據(jù)終端可以分裝成幾個部分，一般包括：一輛天線車，一條連接地面天線和地面控制站的本地連接線，以及地面控制站中的若干處理器和連接線。地面數(shù)據(jù)終端的任務是發(fā)送遙控信號和接收遙測信號。操縱器產(chǎn)生的飛行控制指令與上傳指令在信源編碼器中進行指令編碼，然后完成加密運算，加密完的數(shù)據(jù)同偽碼相加從而完成擴頻，擴頻完的信號對載波信號進行調(diào)制，生成載波調(diào)制信號，然后將此信號送至功率放大器放大，最后送至天線，由天線發(fā)射出去。5.2.2 無人機數(shù)據(jù)鏈特征在無人機系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈是其最復雜。最關(guān)鍵的部分，在一

29、定程度上決定著系統(tǒng)的規(guī)模和水平。無人機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)鏈的基本要求是: （1）通用性和互通性。數(shù)據(jù)鏈信息傳輸釆用標準化的信息格式包括幀格式、接口標準和傳輸速率等對無人機系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)信息進行規(guī)范化處理后通過統(tǒng)一的信道傳輸，能滿足不同傳感器、不同信息內(nèi)容和形式，完成與情報處理及C3I系統(tǒng)的互連互通。信息傳輸采用標準化的信息格式，包括傳輸速率、幀格式、接口界面、測距信息格式和導航定位信息等；對不同的控制信息、遙測信息、導航信息和傳感信息進行標準規(guī)范處理后，通過統(tǒng)一信道傳輸。這樣不僅提高了信息傳輸?shù)男释瑫r也提高了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的互操作性（2）數(shù)據(jù)鏈的抗干擾、抗截獲和保密性、安全性。傳輸數(shù)據(jù)鏈是無人機系統(tǒng)信

30、息交換的橋梁。在復雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境中，當有斷斷續(xù)續(xù)來自其他RF設備的帶內(nèi)信號出現(xiàn)或遇到蓄意干擾時，要求系統(tǒng)仍能正常工作；當處在敵方測向系統(tǒng)的有效頻率范圍和有效距離之內(nèi)，卻難以被截獲或測向，這些都要求數(shù)據(jù)鏈必須具備較強的抗干擾、抗截獲和保密能力。若在開放的環(huán)境條件下傳輸通道中的數(shù)據(jù)被其他設備截獲后要求數(shù)據(jù)鏈必須具備較強的保密能力。（3）實時性和高精度。地面控制站通過遙控指令直接控制無人機的飛行姿態(tài)，所以指令延遲不允許太長；無人機的飛行控制主要依靠遙控指令，因此對指令產(chǎn)生、發(fā)送、傳輸和接收的精度、可靠性要求非常高。（4）利用GPS和GLONass聯(lián)合對飛機定位。利用RA/與GPS組合定位精度優(yōu)于I

31、Om。利用R/A與GPS/GLONaSS組合定位精度優(yōu)于SM。無人機系統(tǒng)中已采用組合定位方式，這不僅提高了定位的實時性，同時也提高了定位精度。（5）傳輸方式的多樣化。為適應各種應用平臺的不同數(shù)據(jù)交換需求保證信息可靠、實時地傳輸數(shù)據(jù)鏈可以釆用多種傳輸介質(zhì)和方式既有點到點的單鏈路傳輸也有點到多點及對等的網(wǎng)絡傳輸。（6）小型化、模塊化設計?？紤]到無人機本身的負載能力無人機機載設備，要求體積小、重量輕、可靠性高，便于維護和升級。我國最新設計的無人機數(shù)據(jù)鏈機載設備均采用模塊化結(jié)構(gòu)，其體積重量4年內(nèi)下降了一半。5.2.3 無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括三個基本組成要素：傳輸通道、消息標準和通信協(xié)議。

32、（1）傳輸通道傳輸通道都具有一定的的性能指標如通信頻段、發(fā)射功率、接收靈敏度等；處在傳輸通道中的各設備之間均有標準的數(shù)據(jù)接口如RS-232、RS-422/485等；通過選擇合適的信道、功率、調(diào)制解調(diào)器、編解碼及加密算法滿足數(shù)據(jù)鏈信息的傳輸要求如通信距離、數(shù)據(jù)帶寬、傳輸速率、時延、通信方式、抗干擾及可靠性等。傳輸通道的基本組成通常包括有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、接口控制單元、數(shù)據(jù)鏈終端設備和接收/發(fā)送天線等如圖2-1所示。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要完成格式化消息的處理通常有多種實現(xiàn)方式。一般情況下在單處理器系統(tǒng)中直接由主處理器來實現(xiàn)而在多處理器系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理部分在協(xié)處理器中進行并與主處理器之間通過標準數(shù)據(jù)接口通信。數(shù)

33、據(jù)處理系統(tǒng)接受各種傳感器數(shù)據(jù)(如IMU數(shù)據(jù)、電子羅盤數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、高度氣壓計數(shù)據(jù)等)和遙控指令數(shù)據(jù)(如遙控器信號、PID參數(shù)、軌跡規(guī)劃指令等)并將其封裝成標準的信息格式用于進一步的存儲與分發(fā)。接口控制單元主要是用來完成不同數(shù)據(jù)鏈的協(xié)議和接口轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無人機系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的共享和狀態(tài)信息、控制指令的準確傳遞保證對鏈路數(shù)據(jù)信息的一致性理解。數(shù)據(jù)終端設備一般由調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡控制器及加解密設備構(gòu)成并且?guī)в杏糜阪溌房刂频逆溌诽幚砥魇菙?shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的核心部分和最基本單元在通信協(xié)議的控制下進行數(shù)據(jù)收發(fā)和處理。（2）消息標準消息標準是對鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的傾結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送規(guī)則等方面的詳細規(guī)定。制定標準的數(shù)據(jù)傳輸格式有利于處理器生成、解析及處理這需要設計具體的格式處理和數(shù)值轉(zhuǎn)換程序。（3）通信協(xié)議通信協(xié)議就是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)在通信的過程中有關(guān)數(shù)據(jù)信息的傳輸時序、傳輸條件、傳輸流程及傳輸控制方式等方面的規(guī)約主要解決各種應用系統(tǒng)的格式化消息如何通過信息網(wǎng)絡可靠且有效地建立鏈路從而達成數(shù)據(jù)交換的目的。通信協(xié)議主要包括有網(wǎng)絡協(xié)議、頻率協(xié)議、鏈路協(xié)議、接口標準和操作規(guī)程等內(nèi)容。5.3 無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計小型無人直升機的飛行模式主要有兩種情況：一種是在起飛和降落階段考慮到飛機對控制精度等實時性指標有著極