通用無人機測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

通用無人機測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

1無人機測控系統(tǒng)的互聯(lián)互通無人機系統(tǒng)通常由無人機平臺、任務(wù)負荷、信號傳輸和傳感器系統(tǒng)（以下簡稱傳感器系統(tǒng)）組成。其中,測控系統(tǒng)是必不可少的一個重要組成部分,由測控鏈路和控制站兩部分組成,測控鏈路用于完成對無人機遙控、遙測、跟蹤定位及載荷信息傳輸功能,控制站用于完成對無人機的飛行控制、載荷控制、鏈路控制、任務(wù)規(guī)劃、航跡顯示、載荷信息處理及顯示等功能隨著無人機系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛,國內(nèi)外無人機的型號越來越多,但由于不同無人機平臺、搭載不同任務(wù)設(shè)備,對測控系統(tǒng)的需求也不同,同時不同無人機平臺的設(shè)計思路存在差異,又缺乏統(tǒng)一規(guī)劃,導致現(xiàn)有無人機型號測控系統(tǒng)都各自不同,甚至同一個單位擁有的不同型號無人機、同型號不同批次無人機其測控系統(tǒng)都不同。這種“煙囪”式的測控系統(tǒng)制約了無人機系統(tǒng)效能的發(fā)揮,不僅給使用者帶來很大不便,限制了無人機系統(tǒng)的應(yīng)用,同時也給無人機研制、生產(chǎn)、維護和使用等環(huán)節(jié)造成了不必要的重復建設(shè)和浪費,提高了生命周期成本國外無人機領(lǐng)域起步較早,也經(jīng)歷了無人機數(shù)據(jù)鏈種類繁多不能互聯(lián)互通的過程。隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟,各國都認識到數(shù)據(jù)鏈標準化的重要性,北約制定了圖像系統(tǒng)互操作數(shù)據(jù)鏈標準STANAGAR7085國內(nèi)無人機領(lǐng)域在發(fā)展初期,由于型號較少、發(fā)展重點在無人機平臺本身、用戶不同等原因,對測控系統(tǒng)互聯(lián)互通需求并不是十分迫切。隨著我國無人機領(lǐng)域的大力發(fā)展,各平臺廠家研制了多型無人機,也配套研制了多種測控系統(tǒng),主要包括UHF、L、C等頻段的設(shè)備要解決無人機測控系統(tǒng)通用性的問題,需要從測控鏈路和控制站兩個方面開展通用化研究工作。本文從測控鏈路(視距測控鏈路,不含衛(wèi)通超視距鏈路)的角度,結(jié)合我國無人機測控鏈路的實際情況,提出通用化無人機測控鏈路解決方案,并對其中的關(guān)鍵技術(shù)進行研究分析。2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計要實現(xiàn)無人機測控系統(tǒng)的通用(前提是相同頻段的情況下不同頻段時,根據(jù)相同的標準配置不同的天線、信道可以互聯(lián)互通),涉及到機載終端和地面終端兩部分,具體實現(xiàn)層面包括了機載終端對外交互接口及協(xié)議、地面終端對外交互接口及協(xié)議、機地鏈路遙控遙測協(xié)議、遙控遙測波形幾大部分。通用化測控涵蓋了兩個層面:首先是整套測控系統(tǒng)的通用化,就是機載終端可適配不同無人機的接口及數(shù)據(jù)傳輸需求,空地遙控遙測協(xié)議、遙控遙測波形通用化,地面站可以適配所有機載終端,進而實現(xiàn)整個測控系統(tǒng)通用于不同型號無人機、不同任務(wù)設(shè)備配置的無人機;另一個層面是實現(xiàn)通用地面終端,根據(jù)不同無人機的飛控、任務(wù)設(shè)備配置對接口及數(shù)據(jù)傳輸需求的不同,研制不同的機載終端,但工作頻段兼容,空地遙控遙測協(xié)議、遙控遙測波形通用化并且參數(shù)可配置,實現(xiàn)地面終端可以適配不同的機載終端,進而實現(xiàn)地面終端與不同型號無人機互聯(lián)互通?；谏鲜隹紤],本文提出的通用化無人機測控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。在該架構(gòu)下,為了實現(xiàn)通用化,需要開展的工作如下:(1)制定機載終端對外接口標準,典型接口比如異步RS422、同步RS422、LVDS、1553B、1394B、FC等,具體應(yīng)用時可根據(jù)無人機平臺需求進行選擇。(2)制定機載終端不同類型對外接口的通信協(xié)議標準。需要綜合國內(nèi)各型無人機的飛控、任務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸需求以及未來的發(fā)展需求,在一定約束(比如傳輸幀總長度、周期)范圍內(nèi)制定標準。(3)制定空地遙控遙測協(xié)議標準,結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸需求(遙控數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù))、鏈路本身的管理需求(比如鏈路管理數(shù)據(jù)、地址數(shù)據(jù)、誤碼率測試、加密、校驗等),制定具有靈活性、擴展性、適應(yīng)范圍廣的通用標準。(4)制定空地鏈路波形標準,綜合考慮各類無人機遙控遙測數(shù)據(jù)傳輸速率需求、抗干擾、抗多徑等需求,制定該標準,涉及到調(diào)制體制、編碼方式、擾碼、抗干擾體制(比如擴頻、擴跳頻等)、抗多徑體制(比如擴頻、SC-FDE、OFDM等)等多方面內(nèi)容。其中,編碼、調(diào)制、擾碼等可能有多種方式,具體設(shè)備研制時,考慮到實現(xiàn)的復雜度,機載終端可以根據(jù)應(yīng)用需求選擇一種典型組合方式實現(xiàn),地面站則可以通過軟件重加載或參數(shù)配置等措施,適應(yīng)多種典型波形,實現(xiàn)通用化。(5)制定地面終端對外通信接口標準,該部分目前在國內(nèi)主要采用RS422、以太網(wǎng)(RJ45或光纖接口),為提高可靠性、實時性,將來有可能發(fā)展實時總線等其他高速總線。(6)制定地面終端不同類型對外(主要是與指控站之間)接口的通信協(xié)議標準,該標準與機載終端類似,也是要綜合國內(nèi)目前各型無人機的飛控、任務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸需求以及未來的發(fā)展需求,在一定約束(比如傳輸幀總長度)范圍內(nèi)制定該標準。在上述架構(gòu)下,由于不同無人機平臺的實際研制情況不同、機載測控終端的形態(tài)不同(比如多個設(shè)備綜合化設(shè)計或獨立終端形式)、機載任務(wù)設(shè)備接口種類多、機載任務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸需求各不相同,機載測控終端對外交互接口及通信協(xié)議很難統(tǒng)一,因此要實現(xiàn)整個行業(yè)內(nèi)全套測控系統(tǒng)的通用化難得較大,比較具有可實現(xiàn)性的是實現(xiàn)通用地面測控終端,可以與多型無人機的機載測控終端互聯(lián)互通。對于擁有多型無人機的同一用戶單位,具有實現(xiàn)機載測控終端對外接口及通信協(xié)議統(tǒng)一的條件,進而實現(xiàn)全套測控系統(tǒng)通用化的可能性。3通用無人機血壓控制的關(guān)鍵3.1系統(tǒng)分層功能模型為實現(xiàn)不同廠家研制的測控鏈路機載終端和地面終端能夠互聯(lián)互通,可通過建立整個鏈路通用抽象模型進行分析。模型本質(zhì)上是一個點對點的通信系統(tǒng),采用功能分層的概念建立,與ISO參考模型中開放式系統(tǒng)互聯(lián)設(shè)置的功能層類似。鏈路通用抽象模型如圖2所示。采用包括應(yīng)用層、格式層、鏈路層及物理層四個層級的鏈路通用抽象模型,各層都涉及傳輸特性、管理活動和協(xié)議以及數(shù)據(jù)流的組織等功能特性。為了實現(xiàn)互聯(lián)互通,機載測控終端和地面測控終端中的等效層必須匹配,如格式層對同種類型數(shù)據(jù)格式封裝匹配、鏈路層對格式層適配后的數(shù)據(jù)復接和解復接(組幀和解幀)匹配以及物理層波形傳輸配置匹配等。應(yīng)用層提供用戶界面,支持視頻圖像/任務(wù)載荷數(shù)據(jù)傳輸、文件傳輸,實現(xiàn)指令、控制信息發(fā)布等功能。格式層將從應(yīng)用層接收到的數(shù)據(jù),按照預(yù)先定義的標準格式進行封裝、分段和適配。格式層除對用戶數(shù)據(jù)進行處理外,還需提供與數(shù)據(jù)鏈路管理模塊間的接口,將鏈路控制等鏈路管理傳輸過來的數(shù)據(jù)進行分段和適配。鏈路層用于建立、維持、優(yōu)化和拆除機載測控終端和地面測控終端之間的無線鏈路,同時需要將格式層適配后的數(shù)據(jù)進行復接和解復接,以及對不同類型數(shù)據(jù)差錯控制操作。物理層完成鏈路傳輸波形配置和進行實際的物理傳輸,如頻率調(diào)整、調(diào)制/解調(diào)參數(shù)、接收和發(fā)送MAC子層的信息、定時同步信息(半雙工、TDMA多址時),以及平臺和數(shù)據(jù)傳輸線路之間的連接協(xié)議和接口等。該分層功能模型是一個抽象模型,與物理模型間有一定的對應(yīng)關(guān)系。參考TANAG7085標準,建立如圖33.2多信息幀傳輸模式目前,無人機測控系統(tǒng)的傳輸協(xié)議包括固定幀結(jié)構(gòu)和動態(tài)復接幀結(jié)構(gòu)兩種。由于遙控遙測協(xié)議標準需要兼容多型無人機系統(tǒng)的差異性需求,遙控遙測信息的內(nèi)容、格式、參數(shù)的數(shù)量等不同,考慮到可以通過協(xié)議設(shè)計使得動態(tài)幀結(jié)構(gòu)能夠兼容固定幀結(jié)構(gòu),因此建議采用動態(tài)復接幀結(jié)構(gòu)形式。將遙測遙控信息幀的格式設(shè)計為報頭+用戶數(shù)據(jù)的形式,如圖4所示。其中,報頭信息包含幀頭信息、地址信息、動態(tài)復接表信息、加解密數(shù)據(jù)、校驗信息、鏈路管理數(shù)據(jù)以及備用數(shù)據(jù)等。備用數(shù)據(jù)區(qū)可以根據(jù)不同鏈路的需求靈活擴展。用戶數(shù)據(jù)區(qū)可分為多個復接區(qū)域,每個區(qū)域長度根據(jù)不同無人機業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求可以不同,數(shù)據(jù)區(qū)的類型及長度通過復接表動態(tài)復接。目前,無人機測控鏈路與指控站之間的數(shù)據(jù)交互有兩種方式:一種是測控鏈路進行透明轉(zhuǎn)發(fā),上行遙控指令都是在指控站完成數(shù)據(jù)組幀,鏈路只需要增加相應(yīng)的報頭即可,下行傳輸幀則是將整幀數(shù)據(jù)發(fā)送給指控站,由指控站按照規(guī)定格式進行數(shù)據(jù)解析;另一種是上行遙控指令數(shù)據(jù)都發(fā)送給測控鏈路,由測控鏈路根據(jù)傳輸幀的結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)組幀,下行傳輸幀則是由測控鏈路將數(shù)據(jù)解析后將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分發(fā)給指控站。通過上述信息幀設(shè)計,可以實現(xiàn)目前常見的多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸方式:既適應(yīng)業(yè)務(wù)數(shù)由測控鏈路統(tǒng)一組幀傳輸?shù)哪Ｊ?也適應(yīng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在應(yīng)用端組幀鏈路增加報頭透明傳輸?shù)男问?既適應(yīng)多種類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分類分區(qū)同時組幀傳輸?shù)男问?也適應(yīng)每幀只傳輸一種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),按照數(shù)據(jù)優(yōu)先級依次傳輸?shù)男问?。具體的傳輸模式、幀計數(shù)、用戶鑒權(quán)等信息可以根據(jù)不同鏈路需要在備用信息中設(shè)計。用戶數(shù)據(jù)區(qū)總長度可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)定,具體數(shù)據(jù)如何校驗也可以根據(jù)不同需求進行設(shè)計。鏈路管理數(shù)據(jù)也可以根據(jù)無人機型號的需求作為一種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)區(qū)。3.3頻點上的互通在上述通用抽象模式的基礎(chǔ)上,還需要進一步建立物理的鏈路波形標準,才具有機載測控終端和地面測控終端互聯(lián)互通的物理基礎(chǔ)。該波形標準涉及到以下方面:(1)工作頻段。工作頻點一致是互聯(lián)互通的前提,要規(guī)定出具體頻段,明確頻率步進,以保證不同廠家設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)頻點上的互通。(2)信息速率、發(fā)送周期、幀長,規(guī)定明確的傳輸速率檔,同時規(guī)定不同速率下的發(fā)送周期、幀長,保證不同廠家設(shè)備相互匹配,具備信號捕獲的基本條件。比如4.096Mbit/s速率,幀長為2560Byte,發(fā)送周期為5ms。(3)調(diào)制編碼及擾碼。調(diào)制方式包括常用的BPSK、QPSK、8PSK、16APSK、FM等;編碼方式包括常用的LDPC編碼、Turbo編碼、卷積編碼、RS編碼等,并明確規(guī)定出編碼效率、編碼結(jié)構(gòu)等內(nèi)容;規(guī)定出具體擾碼多項式及初相。(4)擴頻碼。規(guī)定具體的擴頻碼型、碼速率、擴頻碼長、擴頻碼多項式、擴頻碼初相等參數(shù)。(5)抗多徑的信道均衡,包括SC-FDE、OFDM等,規(guī)定具體的均衡結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息,使得機載和地面終端的均衡能夠匹配。3.4信息幀格式設(shè)計地面測控終端與指控站之間有遙控遙測數(shù)據(jù)交換,機載測控終端與飛控系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)也要進行數(shù)據(jù)交換,針對不同型號無人機,每個信息交換接口信息幀格式、通信協(xié)議等都可能不同。建議采用XML對通信協(xié)議和通信信息幀格式進行描述。用戶可以通過修改XML通信協(xié)議和通信信息幀格式描述信息來適應(yīng)通信協(xié)議和信息幀格式的變化,滿足系統(tǒng)的通用性要求?？赏ㄟ^配套的應(yīng)用軟件,根據(jù)XML中描述的通信協(xié)議信息設(shè)定測控終端通信參數(shù)。任務(wù)過程中根據(jù)XML描述的幀格式信息對接收到的信息幀進行動態(tài)報文解析處理;發(fā)送數(shù)據(jù)時,根據(jù)XML描述的幀格式信息動態(tài)組包生成發(fā)送信息。按照本文所設(shè)計的遙控遙測協(xié)議,通過復接表動態(tài)配置用戶數(shù)據(jù)區(qū),無論采用指控站組幀還是鏈路組幀的方式,都可以適應(yīng),并且配合XML技術(shù)對通信協(xié)議和通信信息幀格式進行描述,可以實現(xiàn)測控鏈路與指控站之間通信協(xié)議的靈活配置,滿足兩種不同數(shù)據(jù)傳輸方式的需求。3.5種應(yīng)用功能上述的鏈路波形標準、地面測控終端對外通信協(xié)議標準的實現(xiàn),都依賴于軟件無線電技術(shù)?？梢圆捎妙愃剖謾C系統(tǒng)的實現(xiàn)方式,構(gòu)建具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺,各種應(yīng)用功能,包括調(diào)制編碼、數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議等都用軟件形式來完成,實現(xiàn)可用軟件控制和再定義的硬件平臺,通過加載不同的軟件模塊或配置軟件模塊的不同參數(shù)就可以實現(xiàn)不同的功能,而軟件可以像手機更新APP一樣升級換代,實現(xiàn)兼容不同類型的無人機測控波形及地面測控終端對外通信協(xié)議。采用這種設(shè)計方式,不僅可以適應(yīng)未來的新型無人機發(fā)展需求,還可以兼容已有各種型號的無人機。如果要實現(xiàn)整個測控系統(tǒng)的通用性,機載終端的波形以及機載終端對飛控系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)的通信協(xié)議也要采用相同的軟件無線電技術(shù)進行設(shè)計。4基于系統(tǒng)架構(gòu)的無人機實時測控系統(tǒng)架構(gòu)本文所設(shè)計的通用無人機測控系統(tǒng)架構(gòu)具有很強的靈活性,可以通過軟件升級增加新的功能和提升性能,并且也具有較強的開放性,可以支持不同測控終端研制廠