通用无人机测控系统关键技术研究

通用无人机测控系统关键技术研究

1无人机测控系统的互联互通无人机系统通常由无人机平台、任务负荷、信号传输和传感器系统（以下简称传感器系统）组成。其中,测控系统是必不可少的一个重要组成部分,由测控链路和控制站两部分组成,测控链路用于完成对无人机遥控、遥测、跟踪定位及载荷信息传输功能,控制站用于完成对无人机的飞行控制、载荷控制、链路控制、任务规划、航迹显示、载荷信息处理及显示等功能随着无人机系统应用越来越广泛,国内外无人机的型号越来越多,但由于不同无人机平台、搭载不同任务设备,对测控系统的需求也不同,同时不同无人机平台的设计思路存在差异,又缺乏统一规划,导致现有无人机型号测控系统都各自不同,甚至同一个单位拥有的不同型号无人机、同型号不同批次无人机其测控系统都不同。这种“烟囱”式的测控系统制约了无人机系统效能的发挥,不仅给使用者带来很大不便,限制了无人机系统的应用,同时也给无人机研制、生产、维护和使用等环节造成了不必要的重复建设和浪费,提高了生命周期成本国外无人机领域起步较早,也经历了无人机数据链种类繁多不能互联互通的过程。随着技术的发展和成熟,各国都认识到数据链标准化的重要性,北约制定了图像系统互操作数据链标准STANAGAR7085国内无人机领域在发展初期,由于型号较少、发展重点在无人机平台本身、用户不同等原因,对测控系统互联互通需求并不是十分迫切。随着我国无人机领域的大力发展,各平台厂家研制了多型无人机,也配套研制了多种测控系统,主要包括UHF、L、C等频段的设备要解决无人机测控系统通用性的问题,需要从测控链路和控制站两个方面开展通用化研究工作。本文从测控链路(视距测控链路,不含卫通超视距链路)的角度,结合我国无人机测控链路的实际情况,提出通用化无人机测控链路解决方案,并对其中的关键技术进行研究分析。2系统架构设计要实现无人机测控系统的通用(前提是相同频段的情况下不同频段时,根据相同的标准配置不同的天线、信道可以互联互通),涉及到机载终端和地面终端两部分,具体实现层面包括了机载终端对外交互接口及协议、地面终端对外交互接口及协议、机地链路遥控遥测协议、遥控遥测波形几大部分。通用化测控涵盖了两个层面:首先是整套测控系统的通用化,就是机载终端可适配不同无人机的接口及数据传输需求,空地遥控遥测协议、遥控遥测波形通用化,地面站可以适配所有机载终端,进而实现整个测控系统通用于不同型号无人机、不同任务设备配置的无人机;另一个层面是实现通用地面终端,根据不同无人机的飞控、任务设备配置对接口及数据传输需求的不同,研制不同的机载终端,但工作频段兼容,空地遥控遥测协议、遥控遥测波形通用化并且参数可配置,实现地面终端可以适配不同的机载终端,进而实现地面终端与不同型号无人机互联互通。基于上述考虑,本文提出的通用化无人机测控系统架构如图1所示。在该架构下,为了实现通用化,需要开展的工作如下:(1)制定机载终端对外接口标准,典型接口比如异步RS422、同步RS422、LVDS、1553B、1394B、FC等,具体应用时可根据无人机平台需求进行选择。(2)制定机载终端不同类型对外接口的通信协议标准。需要综合国内各型无人机的飞控、任务设备数据传输需求以及未来的发展需求,在一定约束(比如传输帧总长度、周期)范围内制定标准。(3)制定空地遥控遥测协议标准,结合业务数据的传输需求(遥控数据、遥测数据、载荷数据)、链路本身的管理需求(比如链路管理数据、地址数据、误码率测试、加密、校验等),制定具有灵活性、扩展性、适应范围广的通用标准。(4)制定空地链路波形标准,综合考虑各类无人机遥控遥测数据传输速率需求、抗干扰、抗多径等需求,制定该标准,涉及到调制体制、编码方式、扰码、抗干扰体制(比如扩频、扩跳频等)、抗多径体制(比如扩频、SC-FDE、OFDM等)等多方面内容。其中,编码、调制、扰码等可能有多种方式,具体设备研制时,考虑到实现的复杂度,机载终端可以根据应用需求选择一种典型组合方式实现,地面站则可以通过软件重加载或参数配置等措施,适应多种典型波形,实现通用化。(5)制定地面终端对外通信接口标准,该部分目前在国内主要采用RS422、以太网(RJ45或光纤接口),为提高可靠性、实时性,将来有可能发展实时总线等其他高速总线。(6)制定地面终端不同类型对外(主要是与指控站之间)接口的通信协议标准,该标准与机载终端类似,也是要综合国内目前各型无人机的飞控、任务设备数据传输需求以及未来的发展需求,在一定约束(比如传输帧总长度)范围内制定该标准。在上述架构下,由于不同无人机平台的实际研制情况不同、机载测控终端的形态不同(比如多个设备综合化设计或独立终端形式)、机载任务设备接口种类多、机载任务设备数据传输需求各不相同,机载测控终端对外交互接口及通信协议很难统一,因此要实现整个行业内全套测控系统的通用化难得较大,比较具有可实现性的是实现通用地面测控终端,可以与多型无人机的机载测控终端互联互通。对于拥有多型无人机的同一用户单位,具有实现机载测控终端对外接口及通信协议统一的条件,进而实现全套测控系统通用化的可能性。3通用无人机血压控制的关键3.1系统分层功能模型为实现不同厂家研制的测控链路机载终端和地面终端能够互联互通,可通过建立整个链路通用抽象模型进行分析。模型本质上是一个点对点的通信系统,采用功能分层的概念建立,与ISO参考模型中开放式系统互联设置的功能层类似。链路通用抽象模型如图2所示。采用包括应用层、格式层、链路层及物理层四个层级的链路通用抽象模型,各层都涉及传输特性、管理活动和协议以及数据流的组织等功能特性。为了实现互联互通,机载测控终端和地面测控终端中的等效层必须匹配,如格式层对同种类型数据格式封装匹配、链路层对格式层适配后的数据复接和解复接(组帧和解帧)匹配以及物理层波形传输配置匹配等。应用层提供用户界面,支持视频图像/任务载荷数据传输、文件传输,实现指令、控制信息发布等功能。格式层将从应用层接收到的数据,按照预先定义的标准格式进行封装、分段和适配。格式层除对用户数据进行处理外,还需提供与数据链路管理模块间的接口,将链路控制等链路管理传输过来的数据进行分段和适配。链路层用于建立、维持、优化和拆除机载测控终端和地面测控终端之间的无线链路,同时需要将格式层适配后的数据进行复接和解复接,以及对不同类型数据差错控制操作。物理层完成链路传输波形配置和进行实际的物理传输,如频率调整、调制/解调参数、接收和发送MAC子层的信息、定时同步信息(半双工、TDMA多址时),以及平台和数据传输线路之间的连接协议和接口等。该分层功能模型是一个抽象模型,与物理模型间有一定的对应关系。参考TANAG7085标准,建立如图33.2多信息帧传输模式目前,无人机测控系统的传输协议包括固定帧结构和动态复接帧结构两种。由于遥控遥测协议标准需要兼容多型无人机系统的差异性需求,遥控遥测信息的内容、格式、参数的数量等不同,考虑到可以通过协议设计使得动态帧结构能够兼容固定帧结构,因此建议采用动态复接帧结构形式。将遥测遥控信息帧的格式设计为报头+用户数据的形式,如图4所示。其中,报头信息包含帧头信息、地址信息、动态复接表信息、加解密数据、校验信息、链路管理数据以及备用数据等。备用数据区可以根据不同链路的需求灵活扩展。用户数据区可分为多个复接区域,每个区域长度根据不同无人机业务数据传输需求可以不同,数据区的类型及长度通过复接表动态复接。目前,无人机测控链路与指控站之间的数据交互有两种方式:一种是测控链路进行透明转发,上行遥控指令都是在指控站完成数据组帧,链路只需要增加相应的报头即可,下行传输帧则是将整帧数据发送给指控站,由指控站按照规定格式进行数据解析;另一种是上行遥控指令数据都发送给测控链路,由测控链路根据传输帧的结构进行数据组帧,下行传输帧则是由测控链路将数据解析后将业务数据分发给指控站。通过上述信息帧设计,可以实现目前常见的多种业务数据传输方式:既适应业务数由测控链路统一组帧传输的模式,也适应业务数据在应用端组帧链路增加报头透明传输的形式;既适应多种类型业务数据分类分区同时组帧传输的形式,也适应每帧只传输一种业务数据,按照数据优先级依次传输的形式。具体的传输模式、帧计数、用户鉴权等信息可以根据不同链路需要在备用信息中设计。用户数据区总长度可以根据业务需求设定,具体数据如何校验也可以根据不同需求进行设计。链路管理数据也可以根据无人机型号的需求作为一种业务数据放到数据区。3.3频点上的互通在上述通用抽象模式的基础上,还需要进一步建立物理的链路波形标准,才具有机载测控终端和地面测控终端互联互通的物理基础。该波形标准涉及到以下方面:(1)工作频段。工作频点一致是互联互通的前提,要规定出具体频段,明确频率步进,以保证不同厂家设备能够实现频点上的互通。(2)信息速率、发送周期、帧长,规定明确的传输速率档,同时规定不同速率下的发送周期、帧长,保证不同厂家设备相互匹配,具备信号捕获的基本条件。比如4.096Mbit/s速率,帧长为2560Byte,发送周期为5ms。(3)调制编码及扰码。调制方式包括常用的BPSK、QPSK、8PSK、16APSK、FM等;编码方式包括常用的LDPC编码、Turbo编码、卷积编码、RS编码等,并明确规定出编码效率、编码结构等内容;规定出具体扰码多项式及初相。(4)扩频码。规定具体的扩频码型、码速率、扩频码长、扩频码多项式、扩频码初相等参数。(5)抗多径的信道均衡,包括SC-FDE、OFDM等,规定具体的均衡结构等相关信息,使得机载和地面终端的均衡能够匹配。3.4信息帧格式设计地面测控终端与指控站之间有遥控遥测数据交换,机载测控终端与飞控系统、任务系统也要进行数据交换,针对不同型号无人机,每个信息交换接口信息帧格式、通信协议等都可能不同。建议采用XML对通信协议和通信信息帧格式进行描述。用户可以通过修改XML通信协议和通信信息帧格式描述信息来适应通信协议和信息帧格式的变化,满足系统的通用性要求。可通过配套的应用软件,根据XML中描述的通信协议信息设定测控终端通信参数。任务过程中根据XML描述的帧格式信息对接收到的信息帧进行动态报文解析处理;发送数据时,根据XML描述的帧格式信息动态组包生成发送信息。按照本文所设计的遥控遥测协议,通过复接表动态配置用户数据区,无论采用指控站组帧还是链路组帧的方式,都可以适应,并且配合XML技术对通信协议和通信信息帧格式进行描述,可以实现测控链路与指控站之间通信协议的灵活配置,满足两种不同数据传输方式的需求。3.5种应用功能上述的链路波形标准、地面测控终端对外通信协议标准的实现,都依赖于软件无线电技术。可以采用类似手机系统的实现方式,构建具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,各种应用功能,包括调制编码、数据格式、通信协议等都用软件形式来完成,实现可用软件控制和再定义的硬件平台,通过加载不同的软件模块或配置软件模块的不同参数就可以实现不同的功能,而软件可以像手机更新APP一样升级换代,实现兼容不同类型的无人机测控波形及地面测控终端对外通信协议。采用这种设计方式,不仅可以适应未来的新型无人机发展需求,还可以兼容已有各种型号的无人机。如果要实现整个测控系统的通用性,机载终端的波形以及机载终端对飞控系统、任务系统的通信协议也要采用相同的软件无线电技术进行设计。4基于系统架构的无人机实时测控系统架构本文所设计的通用无人机测控系统架构具有很强的灵活性,可以通过软件升级增加新的功能和提升性能,并且也具有较强的开放性,可以支持不同测控终端研制厂