CN104507084B - 用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制*** - Google Patents

用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，包括机载端控制***和地面端控制***，所述机载端控制***包括：第一数字无线加密传输模块、实时接入匹配模块、共享接入伺服模块、共享接入匹配模块、音/视频编码模块；所述地面端控制***包括：第二数字无线加密传输模块、音/视频解码模块、图像***、飞行操控***、机载设备控制***。本发明改进了现有无人机空地通信***，对减少无人机空地通信频点数、机载端设备重量、机载端发射电力消耗、机载端天线安装空间都有十分显著的意义。更为有益的是，全***使用同频传输，极大方便特殊行业应用的飞行频率规划和调整。

Description

用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***
技术领域
本发明涉及一种无人机信号传输与控制技术，具体地说，尤其涉及一种无人机上多个机载设备的数据信号、控制信号、视频信号通过同一频点进行双向加密数字化空地无线传输的***。
背景技术
现有无人机空地无线传输的信号主要包括：图传信号、飞行控制信号、数据传输信号。其中飞行控制***普遍使用2.4G、图传***普遍使用5.8G、数传***普遍使用433MHz/868Mhz/915MHz等频段，普遍存在公用开放频点干扰严重、非法使用管制/专用频段、非法使用大功率设备、模拟信号传输质量差、数据传输未加密等情况。
2.4G作为开放wifi频段普遍应用于区域无线接入和城市热点覆盖(电信、移动、联通的城市热点)。目前2.4G无线AP大量普及，2.4G频段干扰问题日益突出。如图1所示，在城区某区域测试2.4G信号频谱图，在该测试点中共发现18个2.4G信号源，其中一个位于6频道的信号接收强度达到-45dBm，说明测试点附近极有可能存在一个非法大功率无线AP信号源，这个信号源相对其他同频信号来说是一个严重的干扰源。
433MHz属于ISM无许可频段430.050～434.790MHz，该频段属于业余无线电频带，多用于无绳电话、无线遥控器、无线对讲机、汽车无线遥控锁等装置，该频段中由于应用繁多且发射功率大小不一，设备间相互干扰程度不言而喻，与2.4G频段的干扰相比过之而无不及。
868MHz根据2008年国家工业和信息化部无线电管理局44号文《关于增加800MHz频段微功率(短距离)无线电应用工作频率的通知》规定，明确868-868.6MHz为微功耗(短距离)工作频率，发射功率限值：5mW。而目前市面销售的868MHz无人机数据传输设备发射功率普遍在100mW以上，甚至更有大功率设备销售，其非法发射功率超过国家明文规定20倍还甚，不但违法，还直接干扰其他合法设备使用。
915MHz属于***GSM900无线通信网络上行频段909—915MHz内，非法在该频点进行无人机数据传输其违法性及严重后果不再累述。
飞行控制信号对于无人机来说至关重要，如果无人机正好飞越某非法大功率信号源覆盖区域，极有可能受到同频干扰而导致空地通信故障，致使无人机无法正常接收地面站飞行指令，同样，如地面站周围存在某非法大功率信号源，也不能稳定可靠接收无人机飞行数据，例如至关重要的电池电量、飞行方位等关键数据，对于飞行安全将是极大隐患，两者后果均不堪设想。
同时由于2.4G、5.8G波长分别为12.5cm和5.1cm，波长较短绕射能力差，要实现复杂环境长距离空地传输，机载端与地面端均需要大功率发射，但大功率发射直接导致电力供应和散热问题。
对地面端而言上述问题易于解决，但对机载端而言则困难重重。机载端可增加电池以提供必要的发射机电力供应，但同时也增加无人机重量缩短本就屈指可数的飞行时间，如仍使用原机电力***，必将大幅缩减无人机飞行时间，得不偿失。
为克服大功率发射产生的热量，避免发射机过热导致工作效率下降，可增加散热器面积，但大面积散热器导致重量增加。也可增加外置风扇，且不论风扇耗电功率及散热效果，就风扇本身运行产生的严重电磁辐射对机载罗盘及其他机载设备的干扰就让该解决方案备受质疑。
另，增加发射功率也必须符合相关功率限制，2.4G最大发射功率根据2002年***无线电管理局353号文《关于调整2.4GHz频段发射功率限制及有关问题的通知》规定，最大发射功率500mW。
因此在2.4G、5.8G等频率上以大功率发射实现远距离传输除面临无人机电力供应、发射机散热等技术障碍，还需也面临违法违规的政策风险。
关于无人机图传普遍采用模拟信号问题。首先由于模拟信号不易解决信号空间多径传输与弥散问题及城市开放空间电磁噪声干扰问题，导致在城区或复杂地形山区飞行时接收端容易出现图像重影、网纹及雪花，其次由于无人机飞行方向及高度变化导致发射角度变化，地面需根据无人机航向也随时调整接收天线角度，否则很容易出现信号丢失而黑屏。同时模拟信号仅能传输标清信号，原始信源分辨率低，加之无线传输过程中信号自身衰减与环境影响，致使最终呈现图像模糊、清晰度低，加之重影、网纹或雪花，整体图像质量极差，完全不适应地面观测指挥。
最后，现有无人机通信***均未加密，采取简单手段即可截获或干扰，轻者致使地面控制站无法正常与无人机通信，重者丧失对无人机飞行控制权，后果极其严重。
综上所述，现有无人机空地无线传输***存在频点非法使用、频点干扰严重、通信传输未加密、模拟信号质量差等突出问题。同时现有无人机采用各通信***独立频点工作方式，每套通信***单独使用一个频点与地面站通信，导致全***需要多套无线收发***，存在频点占用多不易合理规划、多***独立发射功耗浪费大、设备重缩减飞行时间、安装空间大不易布局走线等致命缺陷(图2，图3)。
因此利用现有技术构建的无人机***仅能适应非专业短距离小范围飞行，例如：广告拍摄、娱乐飞行等，无法在远距离大范围复杂电磁环境及地理环境中使用，例如：公安、部队、武警、电力等专业应用领域。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供解决现有无人机多机载设备数据传输与控制的缺点及不足的用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，包括机载端控制***和地面端控制***，所述机载端控制***包括：第一数字无线加密传输模块、实时接入匹配模块、共享接入伺服模块、共享接入匹配模块、音/视频编码模块；所述实时接入匹配模块与所述第一数字无线加密传输模块连接；所述共享接入匹配模块与所述共享接入伺服模块连接；所述共享接入伺服模块与所述第一数字无线加密传输模块连接；所述音/视频编码模块与所述第一数字无线加密传输模块连接；
所述地面端控制***包括：第二数字无线加密传输模块、音/视频解码模块、图像***、飞行操控***、机载设备控制***；所述第二数字无线加密传输模块连接所述音/视频解码模块，所述音/视频解码模块连接图像***；所述第二数字无线加密传输模块与所述飞行操控***连接；所述第二数字无线加密传输模块与所述机载设备控制***连接；所述第一数字无线加密传输模块通过单频点双工数字化通信链路与所述第二数字无线加密传输模块连接。
更进一步的技术方案是第一数字无线加密传输模块通过单频点双向加密通信链路与所述第二数字无线加密传输模块连接。
更进一步的技术方案是实时接入匹配模块通过全双工数据传输链路与所述第一数字无线加密传输模块连接。
更进一步的技术方案是共享接入伺服模块通过全双工数据传输链路与所述第一数字无线加密传输模块连接；所述共享接入伺服模块通过全双工数据传输链路与所述共享接入匹配模块连接。
更进一步的技术方案是飞行操控***通过全双工数据传输链路与所述第二数字无线加密传输模块连接。
更进一步的技术方案是机载设备控制***通过全双工数据传输链路与所述第二数字无线加密传输模块连接。
更进一步的技术方案是实时接入匹配模块连接机载实时控制设备；所述实时接入匹配模块根据所述实时控制设备的信号及接口特征进行信号转换与接口匹配。
更进一步的技术方案是共享接入匹配模块连接机载常规设备；所述共享接入匹配模块根据机载常规设备的信号及接口特征进行信号转换与接口匹配。
更进一步的技术方案是音/视频解码模块是支持数字音/视频信号解码输出或模拟音/视频信号解码输出的音/视频解码模块。
更进一步的技术方案是机载端控制***包括多个共享接入匹配模块，所述共享接入伺服模块通过全双工数据传输链路与所述多个共享接入匹配模块一对多点星形方式连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明改进了现有无人机空地通信***，主要针对现有无人机通信***设备多且各***使用独立频点传输问题，通过单频点双向数字化通讯链路，将现有各独立通信***信号整合在同一频点上进行全数字信号传输，这对减少无人机空地通信频点数、机载端设备重量、机载端发射电力消耗、机载端天线安装空间都有十分显著的意义。更为有益的是，全***使用同频传输，极大方便特殊行业应用的飞行频率规划和调整。
本发明还针对现有无人机通信中使用未加密信号传输情况，改进为加密传输，提高无人机空地通信安全性和保密性。
本发明还针对现有无人机通信***中图像传输***普遍采用模拟信号带来的图像分辨率低、模糊、干扰重等问题，改进为数字化传输，使空地图像传输具备高清数字图像传输能力，同时解决由于环境噪声导致的干扰问题，大大提高图像质量，使地面人员可清晰监看控制区域各细节画面，以便统一快速准确的指挥调度。
本发明特别适应部队、公安等使用专用频率，且对传输距离、传输保密性、通信抗电磁干扰有严格要求的行业应用，也适应电力、遥测等在复杂电磁环境及复杂地理环境下的飞行应用。
附图说明
图1为本发明现有技术中城区的区域2.4G频率占用图。
图2为本发明现有技术中常用的多频点多收发***的无人机机载端***结构框图。
图3为本发明现有技术中常用的多频点多收发***的无人机地面端***结构框图。
图4为本发明一个实施例中机载端控制***原理框图。
图5为本发明一个实施例中地面端控制***原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明中图2至图3为现有技术附图。本发明一个实施例如图4至5所示，用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，包括机载端控制***和地面端控制***，机载端和地面端通过其分别装配的数字无线加密传输模块基于COFDM技术建立单频点双工数字化通信链路，实现同频图像信号、各机载设备控制信号、各机载设备状态数据、飞行控制信号和飞行数据的数字化传输，同时机载端和地面端通过其分别装配的数字无线加密传输模块建立双向加密通信链路，实现通信数据加密传输。
具体的实施方案是，所述机载端控制***包括：第一数字无线加密传输模块、实时接入匹配模块、共享接入伺服模块、共享接入匹配模块、音/视频编码模块；所述实时接入匹配模块与所述第一数字无线加密传输模块连接；机载端的实时接入匹配模块与第一数字无线加密传输模块之间建立全双工数据传输链路，实时接入匹配模块与机载实时控制设备连接，根据其连接设备的信号及接口特征进行信号转换与接口匹配。
所述共享接入匹配模块与所述共享接入伺服模块连接；所述共享接入伺服模块与所述第一数字无线加密传输模块连接；机载端的共享接入伺服模块与第一数字无线加密传输模块之间建立全双工数据传输链路，同时机载端的共享接入伺服模块与机载端共享接入匹配模块之间建立全双工数据传输链路，机载端共享接入伺服模块与机载端多个共享接入匹配模块采用一对多点星形方式连接，各机载端共享接入匹配模块与其对应机载设备连接，根据其连接的机载设备信号及接口特征进行信号转换与接口匹配，实现机载各设备统一接入。
所述音/视频编码模块与所述第一数字无线加密传输模块连接；音/视频编码模块与第一数字无线加密传输模块之间建立数据传输链路，音/视频编码模块完成对来自机载摄像设备的音/视频信号数据编码，支持数字或模拟音/视频信号输入，实现机载摄像设备音/视频信号通过第一数字无线加密传输模块与第二数字无线加密传输模块在同一频点进行加密数字化传输。机载摄像设备视频信号与机载音/视频编码模块连接，由音/视频编码模块完成数字/模拟音/视频信号编码形成标准IP数据包，机载音/视频编码模块与机载数字无线加密传输模块连接，由机载数字无线加密传输模块对IP数据加密传输。
机载端控制***实时控制设备信号，如：飞行控制器信号通过实时接入匹配模块以全双工模式完成自有信号及接口转换，由机载数字无线加密传输模块与地面数字无线加密传输模块进行数字化双向加密无线传输。
机载端常规设备信号，如：数传信号、云台控制信号、摄像设备控制信号等通过共享接入匹配模块完成自有信号及接口转换，多个共享接入匹配模块与共享接入伺服模块以星形结构连接，各共享接入匹配模块与共享接入伺服模块间建立全双工信号通信链路，共享接入伺服模块将各共享接入匹配模块数据整合至统一通信链路与机载数字无线加密传输模块以全双工模式连接，由机载数字无线加密传输模块与地面数字无线加密传输模块进行数字化双向加密无线传输。
所述地面端控制***包括：第二数字无线加密传输模块、音/视频解码模块、图像***、飞行操控***、机载设备控制***；所述第二数字无线加密传输模块连接所述音/视频解码模块，所述音/视频解码模块连接图像***；音/视频解码模块与第二数字无线加密传输模块之间建立IP数据传输链路。音/视频解码模块完成对来自第二数字无线加密传输模块的IP数据进行解码，支持数字或模拟音/视频信号输出，音/视频解码模块输出信号由图像***进行显示播放。
所述第二数字无线加密传输模块与所述飞行操控***连接；飞行操控***与第二数字无线加密传输模块进行全双工数据通信，飞行控制***实施无人机飞行控制操作与飞行状态显示。
所述第二数字无线加密传输模块与所述机载设备控制***连接；优选的，机载设备控制***与地面端数字无线加密传输模块之间建立全双工数据连接，飞行机载设备控制***实施无人机各机载设备控制操作与各机载设备状态显示。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (9)

1.一种用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，包括机载端控制***和地面端控制***，其特征在于：
所述机载端控制***包括：第一数字无线加密传输模块、实时接入匹配模块、共享接入伺服模块、共享接入匹配模块、音/视频编码模块；所述实时接入匹配模块与所述第一数字无线加密传输模块连接；所述共享接入匹配模块与所述共享接入伺服模块连接；所述共享接入伺服模块与所述第一数字无线加密传输模块连接；所述音/视频编码模块与所述第一数字无线加密传输模块连接；
所述地面端控制***包括：第二数字无线加密传输模块、音/视频解码模块、图像***、飞行操控***、机载设备控制***；所述第二数字无线加密传输模块连接所述音/视频解码模块，所述音/视频解码模块连接图像***；
所述第二数字无线加密传输模块与所述飞行操控***连接；所述第二数字无线加密传输模块与所述机载设备控制***连接；所述第一数字无线加密传输模块通过单频点双工数字化通信链路与所述第二数字无线加密传输模块连接；所述的第一数字无线加密传输模块通过单频点双向加密通信链路与所述第二数字无线加密传输模块连接。
2.根据权利要求1所述的用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，其特征在于所述的实时接入匹配模块通过全双工数据传输链路与所述第一数字无线加密传输模块连接。
3.根据权利要求1所述的用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，其特征在于所述的共享接入伺服模块通过全双工数据传输链路与所述第一数字无线加密传输模块连接；所述共享接入伺服模块通过全双工数据传输链路与所述共享接入匹配模块连接。
4.根据权利要求1所述的用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，其特征在于所述的飞行操控***通过全双工数据传输链路与所述第二数字无线加密传输模块连接。
5.根据权利要求1所述的用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，其特征在于所述的机载设备控制***通过全双工数据传输链路与所述第二数字无线加密传输模块连接。
6.根据权利要求1或2所述的用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，其特征在于所述的实时接入匹配模块连接机载实时控制设备；所述实时接入匹配模块根据所述实时控制设备的信号及接口特征进行信号转换与接口匹配。
7.根据权利要求1或3所述的用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，其特征在于所述的共享接入匹配模块连接机载常规设备；所述共享接入匹配模块根据机载常规设备的信号及接口特征进行信号转换与接口匹配。
8.根据权利要求1所述的用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，其特征在于所述的音/视频解码模块是支持数字音/视频信号解码输出或模拟音/视频信号解码输出的音/视频解码模块。
9.根据权利要求1或3所述的用于无人机多机载设备同频加密数字化通信传输控制***，其特征在于所述机载端控制***包括多个共享接入匹配模块，所述共享接入伺服模块通过全双工数据传输链路与所述多个共享接入匹配模块一对多点星形方式连接。
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