CN109039437B - 一种无人机区域组网*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机区域组网***，涉及无线电通信技术领域。该***，利用无人机为转发中心，地面测控站远距离指挥集群式的无人机和地面单兵设备进行组网，可覆盖大范围的空域，能够实现超远距离的空地互通，对一定区域内的目标侦察、战术打击提供无线通信链路支持。

Description

一种无人机区域组网***
技术领域
本发明涉及无线电通信技术领域，尤其涉及一种无人机区域组网***。
背景技术
目前，现役的无人机通信技术仍以无人机单机与单机间通信、无人机单机与地面信息指挥中心的数据链通信技术为主，两种通信方式均为视距传播，而无人机的飞行高度通常较低，视距传播的通信受到地球曲率影响，当无人机工作在远距离海拔较低的条件下时，无法实现正常通信功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机区域组网***，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种无人机区域组网***，包括：地面测控站、转发机、侦查机和手持台，多个所述侦查机和多个所述手持台分别与所述转发机通信连接，多个所述转发机分别与所述地面测控站通信连接；所述侦查机与所述转发机采用相同的硬件平台，使得所述侦查机与所述转发机可互换。
优选地，所述地面测控站布置在地面指挥车的转台上，所述转台可准确的对准所述转发机的方位。
优选地，所述侦查机和所述手持台至所述转发机、所述转发机至所述地面测控站的采集数据链路包括10kbps信息速率和2Mbps信息速率两种，其中，10kbps信息速率的采集数据链路支持48个用户同时传输采集数据，2Mbps信息速率的采集数据链路支持3个用户同时传输采集数据；
所述地面测控站至所述转发机、所述转发机至所述侦查机和所述手持台的指挥控制链路均以10kbps的信息速率工作。
优选地，所述地面测控站相控阵天线采用4×4的天线阵，将天线阵的4个天线片合成一个子阵，形成4个子阵，每个子阵后均连接一路低噪声放大器，信号放大后经由接收通道变频传送给ADC采样，采样后由FPGA进行数字调相处理，得到最大信号后进行信息处理并和地面网络及指挥***通讯，同时将指挥***上传的指令通过发射通道及功率放大后经由发射天线阵发送至所述转发机。
优选地，所述转发机和所述侦查机的电路均采用两个DSP，其中一个DSP与所述地面测控站通信，另一个DSP与其他的所述侦查机和所述手持台通信，构成两套独立的通信***。
优选地，所述转发机工作后，通过命令将所述侦查机划分为等级，所述侦查机依靠优先级可随时依次替换所述转发机。
优选地，具体按照如下方法进行实施：
S1，所述转发机工作，发出广播信号；
S2，所述侦查机接入并同步；
S3，高优先级所述侦查机被指定为下一个备份转发机；作为备份转发机的所述侦查机占用下行时隙发送副广播；
S4，其他的所述侦查机解析所述转发机的广播和所述备份转发机的广播，获悉所述转发机和所述备份转发机的信息；
S5，所述转发机收到命令停止工作或由于外因突然停止工作时，所述备份转发机接收切换命令或连续N帧未收到所述转发机的广播，则发生替换所述转发机的动作；
S6，重复S3-S5。
优选地，S5中，N优选8。
优选地，S5还包括，如果其他的所述侦查机连续4*N*P帧既收不到所述转发机的广播，也收不到所述备份转发机的广播，则自动变为所述转发机，其中P为所述侦查机的优先级，P值越小代表优先级越高。
本发明的有益效果是：本发明实施例提供的无人机区域组网***，利用无人机为转发中心，地面测控站远距离指挥集群式的无人机和地面单兵设备进行组网，可覆盖大范围的空域，能够实现超远距离的空地互通，对一定区域内的目标侦察、战术打击提供无线通信链路支持。
附图说明
图1是本发明提供的无人机区域组网***结构示意图；
图2是地面测控站的硬件结构示意图；
图3是转发机和侦查机的硬件结构示意图；
图4是本发明提供的无人机区域组网***的数据帧结构示意图；
图5是Slot 0/Slot 1时隙结构示意图。
图中，各符号的含义如下：
1地面测控站、2转发机、3侦查机、4手持台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种无人机区域组网***，包括：地面测控站1、转发机2、侦查机3和手持台4，多个所述侦查机3和多个所述手持台4分别与所述转发机2通信连接，多个所述转发机2分别与所述地面测控站1通信连接；所述侦查机3与所述转发机2采用相同的硬件平台，使得所述侦查机3与所述转发机2可互换。
上述结构的组网***中，转发机可以简称为主节点，侦查机和手持台可以简称为从节点，手持台可应用在车载***或舰载***中。本发明中，地面测控站、转发机、侦查机和手持台通过组建网络形成空地局域网，在该局域网中，地面测控站通过主节点与从节点实现信息互通，并可通过主节点现实对网络内其它从节点的控制。
上述结构的工作原理为：
无人机区域组网***以地面测控站和主节点为组网核心，主节点在组网时以广播形式发送组网信息，每个从节点及地面测控站接收到广播信息后进行组网申请，申请完成后，主节点验证通过即可组建局域网络，网络组建过程最多用户量入网时间小于2S。网络组建完成后，主节点进行时隙分配、定时同步等功能分配。
地面测控站主要功能为完成控制指令信息的上传及接收主节点下传的采集信息。由图1可知，地面测控站可以布置在地面指挥车的转台上，通过转台可以准确的对准主节点的方位。
无人机区域组网***组网完成后，地面测控站可以实时接收每个从节点采集的数据信息，可根据数据信息的情况，对区域组网内的主节点或从节点进行指挥控制，命令每个从节点按照制定的路线完成后续的数据采集工作。
无人机区域组网***实现了更广域的空地互通，使侦察飞机视距传输的距离得到了延伸；无人机区域组网***实现了地面互通，使地面通信控制覆盖面得到扩展，较原有的地面通信相比，地面站与站之间容易受地势遮挡、地球曲率影响。
本发明实施例中，所述地面测控站1可以布置在地面指挥车的转台上，所述转台可准确的对准所述转发机2的方位。
采用上述结构，可以使得地面测控站和转发机之间实现通信。
本发明实施例中，所述侦查机3和所述手持台4至所述转发机2、所述转发机2至所述地面测控站1的采集数据链路包括10kbps信息速率和2Mbps信息速率两种，其中，10kbps信息速率的采集数据链路支持48个用户同时传输采集数据，2Mbps信息速率的采集数据链路支持3个用户同时传输采集数据；
所述地面测控站1至所述转发机2、所述转发机2至所述侦查机3和所述手持台4的指挥控制链路均以10kbps的信息速率工作，均支持48个用户同时接受指挥命令。
该数传链路信息可参见表1所示。
表1数传链路对比
表1阐述为本发明中每个链路的不同数传速率对应的支持用户数量不同，如传输数据量指令数据或语音数据时，可选用速率较低的10kbps，传输数据量较大的图像数据时可选用高速率2Mbps；同时上表详细描述了不同节点之间及节点和地面站之间的传输距离情况。
如图2所示，本实施例中，所述地面测控站相控阵天线采用4×4的天线阵，将天线阵的4个天线片合成一个子阵，形成4个子阵，每个子阵后均连接一路低噪声放大器，信号放大后经由接收通道变频传送给ADC采样，采样后由FPGA进行数字调相处理，得到最大信号后进行信息处理并和地面网络及指挥***通讯，同时将指挥***上传的指令通过发射通道及功率放大后经由发射天线阵发送至所述转发机。
地面测控站天线选用阵列天线方式其天线合成增益较高，波束方向可根据扫描到的接收信号进行调整，波束主瓣方向对准信号来向，使用阵列信号处理技术将干扰信号零陷。
如图3所示，本发明实施例中，所述转发机2和所述侦查机3的电路均采用两个DSP，其中一个DSP与所述地面测控站1通信，另一个DSP与其他的所述侦查机3和所述手持台4通信，构成两套独立的通信***。
无人机(包括转发机和侦查机)的硬件电路在FPGA+双DSP的平台上进行设计。其中，主节点无人机最多需要处理48个用户的上行信号，每个用户的信号都需要进行相关检测和信道估计处理，任务量大。一个DSP无法满足对地面测控站通信和对从节点通信同时工作的性能要求，所以，本实施例中，采用两个DSP分别与地面测控站和从节点进行独立通信。
即，本发明中，主节点对地面测控站通信和对从节点通信是两套独立的通信***，两套***独立运行两个DSP，可保证两套通信***完全独立，方便开发、维护、管理等。
从节点区域组网内部的无人机硬件电路与主节点的保持一致，以保证从节点的无人机随时变更为主节点的备份能力。
手持台无需进行备份主节点的功能，因此在实际使用时可将与地面测控站通信的链路关闭。
在本发明的一个优选实施例中，所述转发机工作后，通过命令将所述侦查机划分为等级，所述侦查机依靠优先级可随时依次替换所述转发机。
具体可以按照如下方法进行实施：
S1，所述转发机工作，发出广播信号；
S2，所述侦查机接入并同步；
S3，高优先级所述侦查机被指定为下一个备份转发机；作为备份转发机的所述侦查机占用下行时隙发送副广播；
S4，其他的所述侦查机解析所述转发机的广播和所述备份转发机的广播，获悉所述转发机和所述备份转发机的信息；
S5，所述转发机收到命令停止工作或由于外因突然停止工作时，所述备份转发机接收切换命令或连续N帧未收到所述转发机的广播，则发生替换所述转发机的动作；
S6，重复S3-S5。
其中，S5中，N优选8。
S5还可以包括，如果其他的所述侦查机连续4*N*P帧既收不到所述转发机的广播，也收不到所述备份转发机的广播，则自动变为所述转发机，其中P为所述侦查机的优先级，P值越小代表优先级越高。
可见，通过上述方法，可以使得备份转发机始终与主节点保持定时同步，可实现快速切换，百毫秒时间完成切换操作。
本发明实施例中，无人机区域组网数据帧结构可如图4所示。
其中，数据帧帧长8ms，码片速率为10Mcps，每帧80000码片。帧由50个时隙组成，每个时隙长度为1600码片。时隙由4个子时隙组成，每个子时隙为400码片。每个子时隙由Pilot、Data、GP三部分组成，每部分长度为80码片、292码片、28码片。
Pilot用于信号捕获、信道估计；Data用于传输有效数据；GP是保护间隔，用于定时偏移保护。
其中，Slot 0/Slot 1与其他时隙略有不同，其结构可如图5所示。
DL Slot 0承载广播消息，包含***定时特性等。Pilot 0用于信号捕获，Pilot1用于定时同步。DL Slot 1用于承载寻呼消息、接入允许消息和控制调整各个上行信号的定时。UL Slot 0,1用于随机接入。
每个Slot可以传输一个10Kbps链路，最大可支持48个10Kbps链路同时传输。连续15个Slot可以传输一个2Mbps链路，最大可支持3个2Mbps链路和3个10Kbps链路同时传输。对于没有2Mbps传输要求时，可使用6个Slot传输10Kbps链路，进而提高10Kbps链路增益(地面测控站向主节点发送的上行信道即使用该方式)。
本发明中，上述无人机区域组网数据帧结构，是根据现有的CPU处理能力、软件的实现方式以及在实际应用中战场环境相结合编制而成的，是实现本发明技术方案的关键内容。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明实施例提供的无人机区域组网***，利用无人机为转发中心，地面测控站远距离指挥集群式的无人机和地面单兵设备进行组网，可覆盖大范围的空域，能够实现超远距离的空地互通，对一定区域内的目标侦察、战术打击提供无线通信链路支持。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无人机区域组网***，其特征在于，包括：地面测控站、转发机、侦查机和手持台，多个所述侦查机和多个所述手持台分别与所述转发机通信连接，多个所述转发机分别与所述地面测控站通信连接；所述侦查机与所述转发机采用相同的硬件平台，使得所述侦查机与所述转发机可互换；
所述转发机工作后，通过命令将所述侦查机划分为等级，所述侦查机依靠优先级可随时依次替换所述转发机；
具体按照如下方法进行实施：
S1，所述转发机工作，发出广播信号；
S2，所述侦查机接入并同步；
S3，高优先级所述侦查机被指定为下一个备份转发机；作为备份转发机的所述侦查机占用下行时隙发送副广播；
S4，其他的所述侦查机解析所述转发机的广播和所述备份转发机的广播，获悉所述转发机和所述备份转发机的信息；
S5，所述转发机收到命令停止工作或由于外因突然停止工作时，所述备份转发机接收切换命令或连续N帧未收到所述转发机的广播，则发生替换所述转发机的动作；
S6，重复S3-S5。
2.根据权利要求1所述的无人机区域组网***，其特征在于，所述地面测控站布置在地面指挥车的转台上，所述转台可准确的对准所述转发机的方位。
3.根据权利要求1所述的无人机区域组网***，其特征在于，所述侦查机和所述手持台至所述转发机、所述转发机至所述地面测控站的采集数据链路包括10kbps信息速率和2Mbps信息速率两种，其中，10kbps信息速率的采集数据链路支持48个用户同时传输采集数据，2Mbps信息速率的采集数据链路支持3个用户同时传输采集数据；
所述地面测控站至所述转发机、所述转发机至所述侦查机和所述手持台的指挥控制链路均以10kbps的信息速率工作。
4.根据权利要求1所述的无人机区域组网***，其特征在于，所述地面测控站相控阵天线采用4×4的天线阵，将天线阵的4个天线片合成一个子阵，形成4个子阵，每个子阵后均连接一路低噪声放大器，信号放大后经由接收通道变频传送给ADC采样，采样后由FPGA进行数字调相处理，得到最大信号后进行信息处理并和地面网络及指挥***通讯，同时将指挥***上传的指令通过发射通道及功率放大后经由发射天线阵发送至所述转发机。
5.根据权利要求1所述的无人机区域组网***，其特征在于，所述转发机和所述侦查机的电路均采用两个DSP，其中一个DSP与所述地面测控站通信，另一个DSP与其他的所述侦查机和所述手持台通信，构成两套独立的通信***。
6.根据权利要求1所述的无人机区域组网***，其特征在于，S5中，使N为8。
7.根据权利要求1所述的无人机区域组网***，其特征在于，S5还包括，如果其他的所述侦查机连续4*N*P帧既收不到所述转发机的广播，也收不到所述备份转发机的广播，则自动变为所述转发机，其中P为所述侦查机的优先级，P值越小代表优先级越高。
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