無人機巡檢中的中繼鏈路通信系統(tǒng)設計

無人機巡檢中的中繼鏈路通信系統(tǒng)設計

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，切斷和配電線路的分布范圍廣泛，地形復雜。傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方法不僅工作量大、耗時長、效率低，而且受人體因素的限制。一些線路的錯誤和錯誤點很難找到。在一些國家和地區(qū),載人直升機巡線方式已取代人工巡線成為主要的巡線手段,通過在直升機上搭載光學相機、紅外熱像儀、紫外成像儀等多種傳感器,實現(xiàn)對輸電線路缺陷和線行環(huán)境多維度巡檢。但是,由于載人直升機的巡檢方式成本太高,在我國難以普及,因此,費用相對較低的無人機用于高壓輸電線路的巡檢,是當今電力新技術的一個很有前景的發(fā)展方向。由于無人機巡檢工作要求無人機近地面超低空飛行,使得無人機與地面測控基站的通信鏈路極易被高大建筑物以及高山丘陵阻擋。為克服地形阻擋、多徑效應、頻率選擇性衰落和輸電線路強電磁干擾等因素對無人機通信鏈路的影響,有必要使用中繼鏈路系統(tǒng),以實現(xiàn)測控數(shù)據(jù)及機載圖像的超視距、遠距離可靠傳輸。本文設計的通信鏈路系統(tǒng)采用了編碼正交頻分復用(codedorthogonalfre-quencydivisionmultiplexing,COFDM)調制解調技術,在增加一定數(shù)量的中繼設備基礎上,實現(xiàn)測控數(shù)據(jù)及機載圖像的超視距、遠距離傳輸,為無人機電力線路安全巡檢提供有力的通信保障。1通信鏈系統(tǒng)的組成1.1無人機通信鏈路無人機電力線路巡檢數(shù)據(jù)鏈路通信系統(tǒng)(以下簡稱通信鏈路系統(tǒng))采用無線通信組網(wǎng)方式,包括地面站鏈路系統(tǒng)、中繼站鏈路系統(tǒng)和巡檢機載鏈路系統(tǒng)(無人機)。通信鏈路系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。通信鏈路中的圖像視頻數(shù)據(jù)和遙控指令數(shù)據(jù)全部采用COFDM調制技術,其穩(wěn)定性、傳輸延遲、抗干擾性等參數(shù)滿足線路巡視和防災減災的技術要求。當?shù)乩項l件通暢、無遮擋時,巡檢無人機與地面測控站之間實現(xiàn)直接通信;當?shù)乩項l件因素阻撓,直接通信無法實現(xiàn)時,通信鏈路自動切換到中繼鏈路通信模式,通過巡檢無人機-中繼機-地面測控站之間的通信鏈路,實現(xiàn)飛行控制信息及采集數(shù)據(jù)信息的傳輸。1.2通信鏈路控制與顯示軟件通信鏈路系統(tǒng)的功能是通過無人機地空鏈路設備共同協(xié)調配合完成,通信鏈路系統(tǒng)的功能模塊組成如圖2所示。由圖2可知,通信鏈路系統(tǒng)包括地面站設備、中繼站設備和機載設備,各設備功能介紹如下:a)地面測控站中通信鏈路設備包括2套遙控發(fā)射單元、2套遙測圖像接收單元、計算機控制與顯示軟件、鏈路控制模塊、全向天線、低損耗饋線。b)中繼測控站中通信鏈路設備包括1套遙控發(fā)射單元、1套遙控接收單元、1套遙測圖像接收單元、1套遙測圖像發(fā)射單元、鏈路控制模塊、全向天線、低損耗饋線等。c)機載通信鏈路設備包括2套遙控接收單元、1套遙測圖像發(fā)射單元、鏈路控制模塊、全向天線、低損耗饋線等。通信鏈路系統(tǒng)中鏈路控制模塊負責機載設備、地面控制站、中繼站之間的遙控和采集數(shù)據(jù)的傳輸控制;實時采集機載設備、地面控制站、中繼站上面的各種發(fā)射機、接收機的設備狀態(tài),控制它們的設備參數(shù),并提供操作接口。通過安裝在地面測控站上的通信鏈路計算機控制與顯示軟件,可以使操作人員隨時了解數(shù)據(jù)鏈路中各種設備的工作狀態(tài),操控系統(tǒng)配置參數(shù),提高數(shù)據(jù)鏈路的工作效率,保障其穩(wěn)定可靠地運行。通信鏈路控制與顯示軟件使用高級可視化編程語言編制,圖形化的用戶界面方便在個人計算機上使用。軟件提供節(jié)點(地面站、中繼站或機載設備)運行狀態(tài)自動監(jiān)控、手動調整節(jié)點配置參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)分析和存儲、故障實時自動告警等各項功能。軟件采用模塊化研發(fā)方法,可根據(jù)用戶需求進行軟件功能升級,增減不同功能模塊。軟件在使用時操作簡便,可通過鼠標操作完成,各功能選項附有詳細的文字提示和圖形標注,用戶能快速掌握使用。通信鏈路控制與顯示軟件功能模塊構成框圖和操作主界面如圖3、圖4所示。2通信鏈系統(tǒng)的工作原則2.1地面鏈路控制模塊當無人機進行電力線路巡檢時,若地理條件通暢,能夠實現(xiàn)地面測控站與巡檢無人機直接通信時,飛行控制指令和數(shù)據(jù)采集操控指令經(jīng)鏈路控制模塊復合編碼后,由遙控發(fā)射電臺發(fā)送。巡檢無人機遙測采集的數(shù)據(jù)信息及圖像直接傳送給地面鏈路設備中的遙測軟件和圖像顯示設備,供地面人員實時了解無人機巡檢的狀態(tài)及現(xiàn)場探測結果;當直接通信通道受到地理條件影響時,如對山地、丘陵地區(qū)線路進行巡檢,有山體、樹障等遮擋,通過鏈路操控器的控制,可切換到中繼站設備。當鏈路控制模塊接收到切換指令,將飛行控制指令和數(shù)據(jù)采集操控指令的復合編碼送給對應的中繼站接口。地面站發(fā)送的鏈路切換狀態(tài)經(jīng)過中繼成功與機載設備通信后,狀態(tài)字節(jié)通過機載遙測數(shù)據(jù)下發(fā),地面鏈路控制模塊接收到,確認鏈路切換成功,并將中繼下傳的遙測數(shù)據(jù)送遙測軟件顯示,控制視頻開關將中繼圖像送圖像顯示設備。如果超時沒有狀態(tài)字節(jié)下傳,則提示中繼站鏈路連通失敗,切換直接通信模式或繼續(xù)等待。地面站的工作原理如圖5所示。2.2鏈路控制模塊當?shù)孛鏈y控站與巡檢無人機直接通信時,中繼站設備中只有遙控中繼設備、鏈路控制模塊供電,其余設備不供電,等待鏈路切換控制數(shù)據(jù)作為中繼鏈路啟動的信號。當鏈路控制模塊接收到中繼鏈路切換的指令,并且鏈路狀態(tài)符合要求,就啟動所有設備,并讀取中繼設備的工作狀態(tài)和設備參數(shù),并將參數(shù)與遙控數(shù)據(jù)進行復合編碼,上傳給巡檢無人機。中繼機鏈路設備中鏈路控制模塊的功能是實現(xiàn)地面站鏈路設備和機載鏈路設備的控制指令,采集數(shù)據(jù)并進行雙向轉發(fā)。中繼設備向地面站轉發(fā)巡檢無人機和中繼機鏈路設備工作狀態(tài)參數(shù),向巡檢無人機轉發(fā)地面鏈路控制指令,同時接收地面的中繼機鏈路控制指令。中繼站的工作原理如圖6所示。2.3單道數(shù)據(jù)鏈路控制模塊機載設備的鏈路控制模塊與機上飛行控制設備、數(shù)據(jù)采集設備進行數(shù)據(jù)交換。在中繼模式下,遙控指令通過直通鏈路和中繼鏈路同時送到飛機,機上數(shù)據(jù)鏈路控制模塊根據(jù)地面控制指令和機上設備狀態(tài)進行智能切換,保證送給飛行控制的遙控指令實時可靠。機載鏈路設備從地面接收飛行控制數(shù)據(jù)并傳送給飛行控制設備,同時將機載鏈路設備工作狀態(tài)參數(shù)和任務設備采集的數(shù)據(jù)信息向地面站發(fā)送。機載設備的工作原理如圖7所示。3通信鏈系統(tǒng)的關鍵技術3.1同頻干擾的消除技術措施COFDM是目前世界最先進和最具發(fā)展?jié)摿Φ恼{制技術。COFDM是正交頻分復用(orthogonalfrequency-divisionmultiplexing,OFDM)技術與信道編碼的結合,OFDM解決了多徑環(huán)境中的信道選擇性衰落,但對信道平坦性衰落(即各載波的幅度服從瑞利分布的衰落)尚未較好地克服,用信道編碼來解決這一問題的OFDM稱為COFDM?；贑OFDM使信息在頻域和時域擴展的思想,通過編碼使傳輸時各單元碼信號受到的衰落可獨立統(tǒng)計,從而消除平坦性衰落及多普勒頻移的影響。為了抵消多徑衰落、同頻干擾以及各種噪聲,可采用下列措施:a)利用在每個信號周期前插入一個保護間隔Δt來對付多徑衰落。只要多徑時延的大小在保護間隔內(nèi),不影響系統(tǒng)性能。接收到的頻域信號必然會受到干擾,所以需要精確測得多徑傳遞函數(shù),并于接收端進行均衡。在實用中,通過發(fā)射已知測試信號的方法來預測信道特性,得到各載波上的均衡因子,用均衡因子進行均衡,消除多徑干擾。b)采用頻譜開槽的辦法來消除同頻干擾,通過頻譜成形,將信號點在有效載波頻帶上進行排列,預留出頻譜保護帶,即在頻譜中開槽,開槽的位置分別對應于普通電視的亮度載波、色度載波和伴音載波,同時頻帶邊緣還需留有一定的邊緣保護,防止頻譜泄露,對鄰頻帶造成干擾。c)采用RS+TCM級聯(lián)碼并輔以交織來抑制各種噪聲干擾,降低誤碼率。利用里所編碼(reed-solomoncodes,RS)對數(shù)據(jù)加以前向糾錯保護,利用時域交織/解交織器將網(wǎng)格編碼調制(trellistodedmodulation,TCM)解碼后的突發(fā)誤碼分散到不同的RS碼字中,使其不超過RS碼的糾錯能力。TCM編碼將編碼與調制結合起來,一般采用2/3卷積碼對多進制正交幅度調制(multiplequad-ratureamplitudemodulation,MQAM)的星座點進行編碼。頻域交織的作用是使相鄰網(wǎng)格編碼的信號點在時間上分散開,以便使突發(fā)干擾點的噪聲相對均勻地分散在不同網(wǎng)格編碼點,而非集中在連續(xù)的幾個信號點上而導致超出TCM的解碼能力,頻域交織能將受同頻干擾嚴重的載波分量分散開,因而提高了TCM對同頻干擾的抵抗能力。3.2fpga采集技術現(xiàn)場可編程門陣列(fieldprogrammablegatearray,FPGA)是可編程器件,與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列,如可程式陣列邏輯(programmablearraylogic,PAL)、通用陣列邏輯(genericarraylogic,GAL)及復雜可編程邏輯器件(complexprogram-ablelogicdevice,CPLD)相比,FPGA具有不同的結構。FPGA利用小型查找表(16×1隨機存取存儲器)來實現(xiàn)組合邏輯,每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端,觸發(fā)器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O,由此構成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊,這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的,存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式,并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能,FPGA允許無限次的編程。本文設計的通信系統(tǒng)中存在高速、低速、實時、非實時等多種數(shù)據(jù)類型,同時具有各種功能模塊,例如數(shù)據(jù)采集模塊、異步先入先出(firstinputfirstoutput,FIFO)模塊、快速傅里葉變換(fastfouriertransformation,FFT)處理模塊、存儲器直接訪問(directmemoryaccess,DMA)控制模塊、總線接口模塊等,這些數(shù)據(jù)的采集和處理需要大量的專用接口和處理芯片。如果完全使用專用芯片會使系統(tǒng)變得極為龐大和臃腫,穩(wěn)定性和可靠性變差,研制和生產(chǎn)成本也相應較高,但使用基于FPGA通用可編程芯片,將數(shù)據(jù)采集和處理中各種功能繁多復雜的模塊、算法通過EDA軟件和硬件描述語言集成到1至2片高速、大容量FPGA中,就極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和擴展性,縮短了系統(tǒng)時延,簡化生產(chǎn)和調試的復雜度,大大降低系統(tǒng)成本。3.3傳統(tǒng)功放技術在現(xiàn)代無線電通信技術中,大功率、高頻率、高效率、高線性功率放大器具有重要的地位。在無線電通信中,為了提高頻譜利用率,解決日益緊張的頻譜資源問題,在較窄的頻譜寬度內(nèi)傳輸大容量數(shù)據(jù)信息,通常采用如正交幅度調制(quadratureamplitudemodulation,QAM)、正交相移鍵控(quadraturephaseshiftkeying,QPSK)、COFDM等非恒包絡的調制方式。這種調制方式需要的射頻功率放大器必須具備較高的線性度,在工作頻帶內(nèi)及邊緣要求3階互調分量電平非常小,才能滿足解調的要求。目前無線電技術所采用半導體器件———場效應晶體管,是很難達到這么高的線性要求。傳統(tǒng)功放最初主要利用功率回退技術來實現(xiàn)無線通信所需要的線性,之后隨著前饋功放的線性技術普及化,在利用硬件電路提高功放線性的基礎上,減少和消除誤差,從而提高功放線性。但是,傳統(tǒng)的功放技術存在一定的問題,其中最普遍的問題為功放效率過低,必須附加的散熱器過重和體積過大,功放的性能受到環(huán)境因素影響而下降等。由于在數(shù)字信號處理(digitalsignalprocessing,DSP)技術不斷發(fā)展,數(shù)字預失真(digitalproductdelivery,DPD)技術通過專用算法,將信號預先進行數(shù)字化失真處理,使其在功率放大后盡可能地保持較高的線性度,從而實現(xiàn)大功率放大器的高效率和高線性。3.4差錯控制技術兩個設備之間真正交換數(shù)字數(shù)據(jù)時,需要用到某種形式的數(shù)據(jù)鏈路控制。由于存在可能的傳輸差錯,數(shù)據(jù)接收方有時需要調整數(shù)據(jù)到達速率,否則可能因來不及處理收到的數(shù)據(jù)而使接收緩存溢出,因此,僅靠同步和接口技術很不夠。參考各種數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議共有的流量控制、差錯檢測與糾正以及鏈路(線路)規(guī)程等基礎技術,制定適合無線通信特定場合使用的數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議,應包含以下功能:a)為實現(xiàn)基于兩個直接相連的點對點數(shù)據(jù)鏈路的高效率數(shù)據(jù)通信的目的,數(shù)據(jù)鏈路控制功能應包括幀同步、流量控制、差錯控制、尋址、控制信息與數(shù)據(jù)合用鏈路、鏈路管理等。b)線路規(guī)程決定在不同的線路配置時,由誰發(fā)起傳輸會話和由誰發(fā)送數(shù)據(jù)。對等的點到點線路配置采用詢問和確認線路規(guī)程,主從式多點線路配置根據(jù)是從站發(fā)送請求還是主站發(fā)送需求,分別由主站使用輪詢或選擇的線路規(guī)程。c)流量控制決定了發(fā)送方一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,它使得接收方能調整來自發(fā)送方的數(shù)據(jù)流,以防止接收方緩存溢出。根據(jù)幀傳輸模型,如采用停止等待流量控制,應避免因發(fā)送的數(shù)據(jù)幀或對它的確認幀的丟失而陷入無限等待;采用滑動窗口流量控制可以應用于一次發(fā)送多幀的場合,其中,線路利用率是流量控制考慮的主要因素。d)差錯檢測依賴于差錯檢測編碼的計算實現(xiàn),該編碼是傳輸?shù)谋忍亟M的一個函數(shù)。線性分組碼中,發(fā)送方將差錯檢測碼附加在傳輸?shù)谋忍亟M后面;接收方根據(jù)接收到的比特組計算差錯檢測碼,然后將其與收到的差錯檢測碼相比較,以檢查是否有錯。奇偶校驗碼、循環(huán)冗余碼是差錯檢測碼的典型例子。e)差錯控制指的是用于檢測與糾正傳輸過程中所出現(xiàn)差錯的機制,可能出現(xiàn)幀的丟失或損壞兩種差錯類型,最常用的差錯控制技術都是基于下述全部或部分機制:差錯檢測、肯定確認、超時后重傳、否認與重傳。綜合這些機制,已形成停止等待自動重傳請求(a