CN105228178A - 一种基于无线通信的飞行器环境参数检测***及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线通信的飞行器环境参数检测***及检测方法，检测***包括多种传感器，多个无线节点，总结点，数据采集设备，网络管理节点；无线节点连接到传感器，接收总结点发送的配置指令，设置为1层次节点或2层次节点，接收与其连接的传感器发送的环境参数，并发送控制指令到与其连接的传感器；若设置为2层次节点，则将接收的环境参数发送到1层次节点，通过1层次节点发送到总结点；总结点接收网络管理节点发送的配置信息，生成配置指令，发送到无线节点，接收1层次节点发送的环境参数，并将环境参数发送到数据采集设备。实现了采用无线传输的方式，对飞行器复杂结构数据采集与传输。

Description

一种基于无线通信的飞行器环境参数检测***及检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线通信的飞行器环境参数检测***及检测方法，属于检测领域。

背景技术

随着空间科学技术的发展，世界各国对外部空间探索的步伐不断加快，并不断推出新的飞行器和航天器，各军事大国都在空间飞行器的低成本发射、高效率任务执行、监视与预警、快速响应、重复使用等方面展开了新的角逐，并不断拓展空间技术的应用范围。应用于新型空间飞行器的环境参数感知、处理与传输技术，能够在空间领域实现飞行器自身飞行状态参数信息、空间环境监测信息、空间战场信息及导航定位信息等的有效传输与数据处理，为“空间战”提供第一手信息支持和决策指导。

2005年，国家自然科学基金将WSN中的基础理论及其关键技术等列为研究计划，2006年，国家自然科学基金又把水下移动传感器网络的关键技术列为国家重点研究项目。中科院上海微***与信息技术研究所凭借其在微***和MEMS技术方面良好的基础，通过***集成的方式完成了一些终端节点和基站节点的开发。国内在该技术领域还主要以基础理论研究为主，主要研究其路由协议、软件架构、标准规范等方面，而在实际工程应用方面，所见到的成功应用案例不多，在航天领域开展无线传感器通信的应用研究更少。

在空间飞行器中开展基于无线通信的飞行器飞行器环境参数检测***及检测方法研究，将为飞行器重要飞行参数监测、健康管理、导航定位提供重要支撑，大大拓展空间飞行器信息获取、传输及处理能力，拓展飞行器的感知能力，并能在飞行器电气***模块化设计、***柔性化设计等方面发挥重要作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于空间飞行器，节点基本固定、网络拓扑确定、节点数量小等特点的网络布局设计方法；采用基于无线传输技术的通信手段，解决了空间飞行器复杂结构数据采集与传输问题，同时降低了***重量和功耗。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种基于无线通信的飞行器环境参数检测***，包括：多种传感器，多个无线节点，总结点，数据采集设备，网络管理节点；

所述多种传感器用于检测环境参数，每种传感器至少为一个，每个传感器连接到与其物理距离最近的无线节点；

所述无线节点连接到传感器，无线节点接收总结点发送的节点配置指令，设置为1层次节点，或者接收1层次节点发送的节点配置指令，设置为2层次节点，无线节点接收与其连接的传感器发送的环境参数，并发送控制指令到与其连接的传感器，若设置为1层次节点，则将接收的环境参数直接发送到总结点；若设置为2层次节点，则将接收的环境参数发送到1层次节点，通过1层次节点发送到总结点；

总结点接收网络管理节点发送的节点配置信息，生成节点配置指令，发送到无线节点，接收1层次节点发送的环境参数，并将环境参数发送到数据采集设备；

数据采集设备接收总结点发送的环境参数，并进行数据处理；

网络管理节点，生成节点配置信息并发送到总结点。

优选的，所述节点配置信息生成的方式为：总结点发送节点识别指令至每个无线节点，接收无线节点发送的反馈信息，将发送反馈信息的无线节点作为工作节点，生成工作节点信息；并将工作节点信息发送到网络管理节点，网络管理节点依据工作节点信息，生成节点配置信息。

优选的，设置1层次节点或2层次节点具体方法为：总结点发送节点识别指令至每个无线节点，第一个反馈的无线节点作为1层次节点，每个舱段设置1个1层次节点，其他工作节点为2层次节点。

优选的，2层次节点和1层次节点之间的通讯协议为时分多址接入(TDMA)协议；1层次节点和总结点(SINK)之间的通讯协议也为时分多址接入(TDMA)协议。

优选的，总结点向1层次节点发送同步信息，1层次节点在t1时刻标记接收数据包时的时间，消息接收处理完成后再标记时间t2，总结点在发送同步消息时给报文添加的时标是t，则1层次节点调整自己的时间为：t_r＝t+nτ+(t₂-t₁)，其中n为传输的比特数，τ为传输一个比特所需要的时间。

优选的，总结点向1层次节点周期性发送同步信息，周期为10-20ms。

优选的，网络管理节点还发送网络调度配置信息至总结点，总结点将网络调度配置信息发送到1层次节点，并通过1层次节点发送至2层次节点，无线节点接收到网络调度配置信息后生成网络调度控制指令，发送到与其连接的传感器，控制传感器是否工作以及调整传感器工作时的采样频率。

同时提供一种基于所述无线通信的飞行器环境参数检测***的检测方法，包括如下步骤：

(1)总结点发送节点识别指令至每个无线节点，接收无线节点发送的反馈信息，发送反馈信息的节点作为工作节点，生成工作节点信息；并将工作节点信息发送到网络管理节点，网络管理节点依据工作节点信息，生成节点配置信息，并将节点配置信息发送到总结点；

(2)总结点根据节点配置信息，生成节点配置指令，将节点配置指令发送到1层次节点，1层次节点根据节点配置指令完成自身配置，并将配置指令发送至2层次节点；2层次节点根据节点配置指令完成自身配置；

(3)传感器检测环境参数，并发送至与其连接的无线节点，若该无线节点设置为1层次节点，则将接收的环境参数直接发送到总结点；若该无线节点设置为2层次节点，则将接收的环境参数发送到1层次节点，通过1层次节点发送到总结点。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明简化了测控通信***设计的设计流程，降低了设计难度，减少了***设备重量，大大减少了***电缆重量，使飞行器内数据传输进入无线时代。

(2)本发明采用基于无线通信的飞行器环境参数检测***及检测方法，使***柔性化设计维度增加，可扩展性、可裁剪性、可靠性大大增强。

(3)本发明建立在无线通信的飞行器环境参数检测***及检测方法，将使飞行器更加趋向模块化设计，带来飞行器设计的变革。

(4)本发明根据传感器在飞行器上的布局，根据各个传感器的布局位置，合理选择第二层节点，保证各个无线节点与第二层节点之间的通信没有障碍，克服例如舱段、框、梁等通信障碍物的影响。降低数据传输的误码率，保证了通信质量。

(5)根据不同的飞行任务，通过无线通信网络数据包的调度配置，实现了飞行器不同任务阶段遥测参数采集任务的远程无线配置管理，为飞行器在轨多遥测任务管理提供手段；调度配置管理技术在满足重要遥测参数采集的同时，减少了冗余遥测数据在无线信道中的功率损耗，减少飞行器供电能量消耗。

附图说明

图1为本发明飞行器环境参数检测***原理图；

图2为本发明基于TDMA的数据包示意图；

图3为本发明数据传输调度示意图；

图4为本发明时间同步方法示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于无线通信的飞行器环境参数检测***及检测方法，借助于无线通信技术，通过***网络布局设计、网络调度管理、时间同步设计、网络拓扑分层等实现空间飞行器内传感器环境参数的无线传输与处理。采用基于时分多址接入(TDMA)的介质访问控制协议，提出了一种适用于空间飞行器节点基本固定、网络拓扑确定、节点数量小等特点的网络布局设计方法；以***UTC时间为时钟基准，对网络节点进行分簇设计，确定了2层网络结构的时间同步方法，满足毫秒级精度要求，解决了数据高速传输条件下***的物理时间同步问题；采用基于无线传输技术的通信手段，解决了空间飞行器复杂结构数据采集与传输问题，同时降低了***重量和功耗。

无线通信的飞行器环境参数检测***，包括：多种传感器，多个无线节点，总结点SINK节点，即汇聚节点N₀，数据采集设备，网络管理节点；多种传感器用于不同类型的检测环境参数，每种传感器至少为一个，每个传感器连接到与其物理距离最近的无线节点；无线节点连接到传感器，接收总结点发送的配置指令，设置为1层次节点或2层次节点，接收与其连接的传感器发送的环境参数，并发送控制指令到与其连接的传感器，若设置为1层次节点，则将接收的环境参数直接发送到总结点；若设置为2层次节点，则将接收的环境参数发送到1层次节点，通过1层次节点发送到总结点；总结点接收网络管理节点发送的配置信息，生成配置指令，发送到无线节点，接收1层次节点发送的环境参数，并将环境参数发送到数据采集设备；数据采集设备接收总结点发送的环境参数，并进行数据处理；网络管理节点，发送配置信息到总结点。

(一)网络布局设计

新型航天飞行器在飞行试验阶段大多对振动、冲击、温度、噪声、热流、压力等多种参数的测量需求量大、分布复杂，设备布局布线复杂，内部设备铰链关系繁冗，***的裁剪变化余度小，后期测试困难，为解决该问题，本发明给出了一种基于无线通信的飞行器环境参数检测***及检测方法，此技术的首要问题是给出无线通信的网络布局设计方法。

由于飞行器参数感知依托于各类传感器的物理布局位置，其参数感知过程及特性依赖于参数类型，需要对参数类型进行划分。这里按照两个层次对飞行器参数分布进行划分。首先，对传感器在飞行器各舱段内的位置进行划分，给出网络布局的0层次节点(总结点)，1层次节点，2层次节点，同时，按照节点位置，选择飞行器物理中心舱段位置为0层次节点数量1个，1层次节点数量为l₁个，2层次节点l₂个；同时，为网络设定管理节点，实现网络参数的配置管理，并可监测网络运行状态。在无线网络与数据采集设备间提供硬件的物理通信连接电缆，进行高速路数据传输。总结点发送节点识别指令至每个无线节点，接收无线节点发送的反馈信息，发送反馈信息的节点作为工作节点；将工作节点信息发送到网络管理节点，网络管理节点依据工作节点信息，生成配置信息，并将配置信息发送到总结点，总结点发送节点识别指令至每个无线节点，第一个反馈的无线节点作为1层次节点，每个舱段设置1个1层次节点，其他工作节点为2层次节点。

其次，根据飞行器的环境参数采集类型和数量为不同的参数分配统一的ID编号，以N_i(i＝0，1，2……k)标识不同类型的传感器节点，其中定义其中的节点N₀为汇聚节点，即总结点SINK节点，汇聚节点负责完成对飞行器无线数据通信网络遥测参数的搜集和提供高精度时间同步时钟。参见图1，其中无线节点N₁、无线节点N₆与网络管理节点为1层节点，按照网络拓扑，无线节点N₁、无线节点N₆与不同的2层节点通信；N₂-N₅节点为2层节点。某低频振动传感器的数据传输过程为：首先经过传感器敏感出振动参数转化为数字信号，通过有线的方式发送至无线节点N₃，无线节点N₃将射频信号发送至无线节点N₁，无线节点N₀对无线节点N₁发送的数据进行接收处理，经过有线连接电缆将数据送数据采集设备完成数据传输。压力传感器的数据传输过程为：首先经过压力传感器敏感出压力参数转化为数字信号，通过有限的方式发送至无线节点N₁，无线节点N₀对无线节点N₁发送的数据进行接收处理。无线节点N₀分时询问无线节点N₁和N₆，接收数据，并通过有线的方式传输到数据采集设备。

第三，按照基于时分多址接入(TDMA)的协议思想，将不同的参数感知节点数据分配在不同的发送时隙上，按照周期性的数据传输，实现整个网络传感器感知参数的周期性发送；同时，作为无线通信网络的汇聚节点也将网络管理信号按顺序安排在给定的时隙中传输，各节点完成接收。图2为传感器参数感知的TDMA传输机制。每个无线节点生成一个数据包，6个无线节点对应6个数据包依次排列，周期循环发送。

其中，TDMA是计算机网络中的一种时分多址接入协议。时分多址是一种把每个频率信道划分成多个时隙的复用技术。通过给每个信道中的每个用户分配唯一的时隙，它允许多个用户无干扰地访问一个无线电频率(RF)信道。一个用户分配一个数字时隙，这些时隙被组织在一个TDMA帧内，然后发送到单个无线电频率载波上。简单地讲，它是把时间分割成周期性的帧(Frame)，每一个帧再分割成若干个时隙，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各终端的信号而不混扰；同时，基站发向多个终端的信号都按顺序安排在给定的时隙中传输，各终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

(二)网络调度设计

由于航天飞行器上需要遥测采集的数据种类和数量的增多，遥测数据表现出如下特点：1)遥测数据容量不断增大；2)环境参数的信号频率不同，采样率各不相同；3)飞行器任务阶段多样及区段遥测要求各异；4)变帧、变码率需求增加，为飞行器上无线通信数据传输及组织带来困难。

本发明采用对飞行器无线通信网络数据包实施网络调度设计，通过对遥测无线网络管理节点配置，实施远程调度。在图1的无线数据传输方案中每个节点下连接了不同的数量及类型传感器敏感设备，在网络调度过程中，数据以数据包的形式组织。这里以P_N1、P_N2…P_Nn表示不同无线节点产生的数据。例如在无线节点N₁中表示了采样频率为0-15Hz的缓慢参数，N₂表示了采样频率为3-100Hz的缓慢参数，N₇表示某***产生的高频速变参数等，不同参数的数据采样频率各异，网络管理节点发送网络调度配置信息至SINK结点，无线节点接收到网络调度配置信息后生成控制指令，发送到与其连接的传感器，控制传感器是否工作以及调整传感器工作时的采样频率

网络调度按照层次分配了不同的优先级别，图3给出了按照2层网络的调度优先级分配示意图。在不同的调度等级内，无线节点及传感器敏感节点被赋予不同的调度优先级，通过优先级的切换实现不同环境参数的数据传输。

在网络调度过程中，对于不同的遥测任务如飞行器的天基及地基遥测模式、飞行器在轨段遥测及发射阶段遥测定义不同的网络调度表，网络调度表与测控通信***间通过映射关系形式网络调度表存储在飞行器的网络管理节点中，通过远程遥控实施调度切换。

(三)时间同步方案

这里采用的时间同步方案及过程如下：在网络中选取总节点来广播包含其本地时间在内的同步报文，其他的所有节点接收到该消息包后估算报文传输延迟时间，然后设置自己的时间为报文传输延迟加上消息包中的时间。因消息包中的时间是固定的，则主要由估算的报文传输延迟的精度来决定时间同步的精度。这里选取了0层汇聚节点SINK作为主节点，1层节点接收主节点的时间同步信息，2层节点接收1层节点的时间同步信息。本发明给出的飞行器用环境参数感知的无线节点数量相对较少，通过2层节点的时间同步，其精度可满足要求。

该时间同步方法实现的基本过程如图4，其同步过程具体如下：为避免消息在发送时产生的发送延迟和其他接入延迟，发送者在检测到通信信道畅通后再给消息包添加上时标t₀，节点在发送消息包时还需发送前导码与起始符号。假设传输的比特数是n，假设τ为传输一个比特所需要的时间，则传送前导码与起始符号所用的时间是nτ，消息到达接收方时，接收者在t₁时刻标记接收数据包时的时间，等消息接收处理完成后再标记时间t₂，则整个传输延迟t_d可以表示为nτ+(t₂-t₁)，如果时间主节点在广播同步消息时给报文添加的时标是t，则接收节点调整自己的时间为：t_r＝t+nτ+(t₂-t₁)，以此方式便完成了与主节点间的时间同步。总结点(SINK)向1层次节点周期性发送同步信息，周期为：10ms。

1层次节点采用同样的方式同步与其通讯的2层次节点，其同步过程为：1层次节点作为同步消息发送节点在检测到通信信道畅通后再给消息包添加上时标t。假设传输的比特数是n，τ为传输一个比特所需要的时间，则传送前导码与起始符号所用的时间是nτ，消息到达2层次节点时，接收节点在t₁时刻标记接收数据包时的时间，等消息接收处理完成后再标记时间t₂，则整个传输延迟t_d可以表示为nτ+(t₂-t₁)，则2层次节点作为接收节点调整自己的时间为：t_r＝t+nτ+(t₂-t₁)。至此，完成全***的时间同步。

基于无线通信的飞行器环境参数检测方法，包括如下步骤：

(1)总结点发送节点识别指令至每个无线节点，接收无线节点发送的反馈信息，发送反馈信息的节点作为工作节点；将工作节点信息发送到网络管理节点，网络管理节点依据工作节点信息，生成配置信息，并将配置信息发送到总结点；

(2)总结点根据配置信息，将配置指令发送到1层次节点，1层次节点根据配置指令完成自身配置，并将配置指令发送至2层次节点；2层次节点根据配置指令完成自身配置；

(3)传感器检测环境参数，并发送至与其连接的无线节点，若该无线节点设置为1层次节点，则将接收的环境参数直接发送到总结点；若该无线节点设置为2层次节点，则将接收的环境参数发送到1层次节点，通过1层次节点发送到总结点。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于无线通信的飞行器环境参数检测***，其特征在于，包括：多种传感器，多个无线节点，总结点，数据采集设备，网络管理节点；

所述多种传感器用于检测环境参数，每种传感器至少为一个，每个传感器连接到与其物理距离最近的无线节点；

所述无线节点连接到传感器，无线节点接收总结点发送的节点配置指令，设置为1层次节点，或者接收1层次节点发送的节点配置指令，设置为2层次节点，无线节点接收与其连接的传感器发送的环境参数，并发送控制指令到与其连接的传感器，若设置为1层次节点，则将接收的环境参数直接发送到总结点；若设置为2层次节点，则将接收的环境参数发送到1层次节点，通过1层次节点发送到总结点；

总结点接收网络管理节点发送的节点配置信息，生成节点配置指令，发送到无线节点，接收1层次节点发送的环境参数，并将环境参数发送到数据采集设备；

数据采集设备接收总结点发送的环境参数，并进行数据处理；

网络管理节点，生成节点配置信息并发送到总结点。

2.如权利要求1所述的检测***，其特征在于，所述节点配置信息生成的方式为：总结点发送节点识别指令至每个无线节点，接收无线节点发送的反馈信息，将发送反馈信息的无线节点作为工作节点，生成工作节点信息；并将工作节点信息发送到网络管理节点，网络管理节点依据工作节点信息，生成节点配置信息。

3.如权利要求2所述的检测***，其特征在于，设置1层次节点或2层次节点具体方法为：总结点发送节点识别指令至每个无线节点，第一个反馈的无线节点作为1层次节点，每个舱段设置1个1层次节点，其他工作节点为2层次节点。

4.如权利要求1所述的检测***，其特征在于，2层次节点和1层次节点之间的通讯协议为时分多址接入(TDMA)协议；1层次节点和总结点(SINK)之间的通讯协议也为时分多址接入(TDMA)协议。

5.如权利要求1所述的检测***，其特征在于，总结点向1层次节点发送同步信息，1层次节点在t1时刻标记接收数据包时的时间，消息接收处理完成后再标记时间t2，总结点在发送同步消息时给报文添加的时标是t，则1层次节点调整自己的时间为：t_r＝t+nτ+(t₂-t₁)，其中n为传输的比特数，τ为传输一个比特所需要的时间。

6.如权利要求5所述的检测***，其特征在于，总结点向1层次节点周期性发送同步信息，周期为10-20ms。

7.如权利要求5所述的检测***，其特征在于，网络管理节点还发送网络调度配置信息至总结点，总结点将网络调度配置信息发送到1层次节点，并通过1层次节点发送至2层次节点，无线节点接收到网络调度配置信息后生成控制指令，发送到与其连接的传感器，控制传感器是否工作以及调整传感器工作时的采样频率。

8.一种基于权利要求2所述无线通信的飞行器环境参数检测***的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)总结点发送节点识别指令至每个无线节点，接收无线节点发送的反馈信息，发送反馈信息的节点作为工作节点，生成工作节点信息；并将工作节点信息发送到网络管理节点，网络管理节点依据工作节点信息，生成节点配置信息，并将节点配置信息发送到总结点；

(2)总结点根据节点配置信息，生成节点配置指令，将节点配置指令发送到1层次节点，1层次节点根据节点配置指令完成自身配置，并将配置指令发送至2层次节点；2层次节点根据节点配置指令完成自身配置；

(3)传感器检测环境参数，并发送至与其连接的无线节点，若该无线节点设置为1层次节点，则将接收的环境参数直接发送到总结点；若该无线节点设置为2层次节点，则将接收的环境参数发送到1层次节点，通过1层次节点发送到总结点。