CN109450515B - 一种大中型无人机通信中继*** - Google Patents
一种大中型无人机通信中继*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种大中型无人机通信中继***，包括安装在无人机上的机载4G宽带通信基站、视距机载数据终端、卫通机载数据终端、机载交换机、机载协议模块、高清视频编码器和高清光电载荷；以及卫通地面数据终端、地面指挥控制站和地面便携终端；卫通地面数据终端与地面指挥控制站双向信号连接；机载4G宽带通信基站与地面便携终端或其他飞行平台形成视频、语音通信连接，并且与机载交换机双向信号连接；机载交换机经由视距机载数据终端与卫通机载数据终端双向信号连接；高清光电载荷经由高清视频编码器与机载交换机单向信号连接。本发明可实现无人机在超视距范围内4G中继功能，并通过卫星实现广域网接入，实现地面单元或其他飞行平台的中继通信功能。
Description
技术领域
本发明属于无人机通信领域，涉及一种大中型无人机通信中继***。
背景技术
无人机***分为空中部分和地面部分，空中部分即无人机平台，地面部分包含一个或多个地面站，操作人员位于地面站内对无人机进行飞行操控和任务遂行。
无人机数据链路分为视距数据链和卫通数据链，视距数据链作用距离受无人机与地面站视距范围限制，一般最远作用距离为250km～300km。目前，采用卫通数据链是实现无人机***超视距测控和信息传输的主要技术手段。卫通数据链利用地球同步轨道的通信卫星进行中继传输，不受视距范围限制，只要在卫星波束范围内，一般可达数千公里，皆可实现地面站与无人机之间的数据传输，可以满足无人机在任务飞行时大范围机动、远距离数据传输的要求，与视距数据链相比，优势明显。
通信保障是重大任务中的关键保障，在执行任务中若发生通信受阻的情况，利用大中型无人机搭载4G宽带通信基站，构建空天一体信息网络，可以在短时间内完成通信互联，保证信息传输；除此之外，针对特定的任务环境如边境或复杂地形环境，传统通信方式难以覆盖的地区，利用无人机的通信中继能力可以有效增大视距通信距离和网络覆盖范围，延伸视野可达区域，保证任务过程中的通信。与卫星通信平台对比，无人机通信中继的工作原理类似于卫星，但飞行高度低，***构筑简单，具有低滞后的通信能力，因而部署更加灵活。
过去的无人机***一般不具备宽带通信中继功能，无法与前方地面单元或其他飞行平台通信，故无法实现通信范围和视野的扩展以及多方协同配合。随着无人机的大量使用，在通信、侦察、监控等方面承担了越来越多的工作任务，需要无人机融入整个通信网络体系，因此无人机需加装机载4G宽带通信基站，实现地面大范围通信或与其它飞行平台进行通信，满足联合任务需要。另外也可用在地震等自然灾害、森林防火、应急通信、公安反恐和边界巡视等应用中。
现有的自旋翼无人机***加装机载通信基站进行中继通信使用独立下行链路的数据通道传递移动通信数据至地面控制站，实现高空基站手机信号落地，并通过有线方式接入公网，完成移动通信。该方法需要在地面站内加装数据接口和架设地面天线，且受视距范围限制，当无人机远距离执行任务时，信号衰减大、信噪比低，地面接收效果较差；小型四轴无人机加装4G通信装置进行航拍，支持国内三大运营商，通过无线链路下传视频到地面基站。该方法作用距离短，依赖运营商基站位置，无人机航时航程小，不适合野外大范围任务需要；大型客机加装无线宽带通信***，能够将客舱核心***信息以无线的形式发送至地面数据中心，支持乘客在飞机上通过2G、3G手机终端接入互联网，能够将地面电子飞行包的更新内容无线上传至机上电子飞行包，也能够将机载维护***的飞机状态数据和维护数据发送至地面数据中心，便于地面维护人员实时监控飞机的飞行状态，保障飞机的运行安全。该方法为有人机定制，***相对复杂，且占用较大带宽。另外，此类无人机和有人机皆存在续航时间短的问题，无法满足长时间的任务需求。
发明内容
为解决现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种大中型无人机通信中继***，可实现无人机在超视距范围内与地面单元或其他飞行平台的语音、数据和侦察信息通信中继功能。
本发明通过在大中型无人机上加装机载4G宽带通信基站设备可以实现无人机地面指挥控制站、地面单元和其他飞行平台之间的侦察信息共享，实现语音、视频信息的互联互通，从而快速地将无人机、地面单元和其他飞行平台搜集的情报数据分发至其他侦察***并对其实施引导，弥补有人固定翼飞机和直升机在航时、功能配置等方面的不足，为地面单元等提供空中支援，为无人机***融入情报侦察体系、快速实现各任务节点的沟通和协同提供了有力的保障。利用大中型无人机装载4G宽带通信基站设备，支持地面大覆盖范围内的通信，作为地面基站的补充和备份。
为了实现上述目的，本发明的大中型无人机通信中继***包括安装在无人机上的机载4G宽带通信基站、视距机载数据终端、卫通机载数据终端、机载交换机、机载协议模块、高清视频编码器和高清光电载荷；以及卫通地面数据终端、地面指挥控制站和地面便携终端；所述卫通机载数据终端与卫通地面数据终端经由通信卫星构成卫通数据链；所述卫通地面数据终端与地面指挥控制站双向信号连接；所述机载4G宽带通信基站采用集成化设计，通过独立组网，构建区域型的无线覆盖网络，与所述地面便携终端或其他飞行平台形成视频、语音通信连接，并且与机载交换机双向信号连接；所述机载交换机经由视距机载数据终端与所述卫通机载数据终端双向信号连接；所述高清光电载荷其经由高清视频编码器与所述机载交换机单向信号连接，其用于大范围采集侦察视频，并将所采集的数据经由所述机载交换机传递给所述机载4G宽带通信基站和地面指挥控制站。
优选所述机载4G宽带通信基站采用***移动通信TD-LTE技术体制，包括通道单元、射频单元、配置交换单元、业务单元、音视频单元和基站天线，具有多种型号的用户终端接口，支持用户的注册、鉴权、漫游、越区切换及地址路由选择，并具有音视频业务注册与处理模块。
优选所述视距机载数据终端用于完成上行遥控指令、情报的接收和视频遥测信息的发送，其具备卫星通信链路接口，可通过同步串口接收卫通链路遥控信息，所述视距机载数据终端内有图像处理板卡，能够将高清光电图像数据进行数字压缩，并将图像复合遥测信源帧输出到外部卫通机载数据终端。
优选所述高清光电载荷包括光电装置、红外装置、激光测照器装置，用于对无人机附近的各类固定和移动目标进行高清晰度成像和搜索。
优选所述高清视频编码器具有针对TCP/IP网络的视频、音频和数据进行高质量压缩编码的编码单元。
优选所述卫通地面数据终端配套地面指挥控制站布置在后方指挥控制中心，用于完成任务阶段超视距遥控、遥测和信息传输。
优选所述地面指挥控制站包括链路接入单元、地面协议模块、地面交换机和计算机，其中：所述链路接入单元作为地面指挥控制站与卫通地面数据终端的数据接口，以及与地面协议模块的数据接口；所述地面协议模块接收链路接入单元发送的语音、视频串口信号，然后转成网络信号发送给地面交换机。
优选所述地面便携终端包括地面背负台、平板便携终端、手持台、数码摄像机和笔记本。
优选所述的机载4G宽带通信基站+高清视频编码器与机载交换机之间数据传输速率小于等于8192kbps，卫通数据链前向数据传输速率小于等于512kbps、返向数据传输速率小于等于8192kbps，机载4G宽带通信基站与地面背负台之间高清光电视频数据传输速率小于等于8192kbps，机载4G宽带通信基站与地面背负台+手持台+平板便携终端之间数据传输速率小于等于8192kbps。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、地面站与无人机之间的语音、视频、遥控遥测数据传输不受视距范围限制，无人机在超视距范围内通过卫通数据链飞行时，地面站能通过无人机搭载的机载4G宽带通信基站作为中继与前方地面单元(人员、车队等)或其他飞行平台进行语音、视频通信和侦察信息共享，从而快速地将无人机、地面单元、其他飞行平台搜集的情报数据分发至其他侦察***并对其实施引导，为实现各任务节点的沟通、协同提供了有力的保障，使各方能够协同配合。
2、语音和视频数据通过无人机测控数据链传输，不需单独增加语音和视频通信链路，地面站不需架设地面基站天线，可降低地面站集成难度。地面背负台、平板便携终端、手持台、数码摄像机和笔记本等均为便携设备，人员在任务区易于携带，使用方便，可快速接入无人机的构建的4G网络。
3、本发明使用高清视频编码器对高清光电图像进行视频编码压缩，机载4G宽带通信基站对地面便携终端传输的语音和视频数据进行编码压缩，同时在地面站可以设置高清视频编码器和机载4G宽带通信基站的视频帧率和码率，在确保通话语音清晰连续、视频流畅不卡顿的同时节省无人机卫通数据链带宽，且不影响测控数据帧中其他数据的正常传输。
4、大中型无人机具有载重量大、留空时间长的特点，适合中高空飞行。由于机载4G宽带通信基站天线的高度随无人机升高而升高，覆盖角度随无人机旋转方向不断调整，能有效地实现大面积信号覆盖，大大节省了任务成本。
5、采用大中型无人机实现4G空中中继功能，具备局部组网的能力，并且通过卫通实现广域网接入，借助无人机的长航时特点，在国内外尚属首次，前景应用广阔。
附图说明
图1为无人机通信中继***组成示意图。
图2为机载4G宽带通信基站组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种大中型无人机通信中继***，包括安装在无人机平台上的机载4G宽带通信基站，视距机载数据终端，卫通机载数据终端，机载交换机，机载协议模块，高清视频编码器和高清光电载荷；以及卫通地面数据终端、地面指挥控制站和地面便携终端；卫通机载数据终端与卫通地面数据终端通过通信卫星构成卫通数据链。
机载4G宽带通信基站采用***移动通信TD-LTE技术体制，其包括通道单元、射频单元、配置交换单元、业务单元、音视频单元等模块和基站天线，如图2所示，户外机动架设。设备可独立组网，构建区域型的无线覆盖网络。支持各型用户终端接入，实现无线信道控制。支持用户的注册、鉴权、漫游、越区切换及地址路由选择，具有音视频业务功能注册与处理能力。机载4G宽带通信基站可同时提供接入网(PMP)和自组网(NTN)两种工作模式，各自使用不同频段频点提供4G接入网覆盖和4G自组网覆盖。4G宽带通信基站天线主要用于空空、空地通信，完成射频信号的发射和接收功能。机载4G宽带通信基站的工作过程如下：机载4G宽带通信基站接收地面便携终端的语音或视频信号，射频信号在射频单元完成信号滤波、放大和下变频，最后输出中频信号给通道单元进行解调、解码等处理，送至音视频单元后根据视频配置参数以及网络设置进行语音或视频编码，通过网口发送至机载交换机；机载4G宽带通信基站接收高清光电载荷的视频数据，通道单元对其进行编码、调制处理，送至射频单元完成上变频和放大处理，最后由基站天线发射出去。
地面指挥控制站配置席位包括飞控席位、载荷控制席位和链路监控席位，其中，链路监控席位负责对卫通数据链的状态进行监控。当无人机在超视距范围内飞行时，卫通数据链传输遥控遥测和侦察数据，视距机载数据终端对外输出卫通数据链传输的遥控数据，链路接入单元对外输出卫通数据链传输的遥测数据。飞控席位、载荷控制席位以串口和UDP组播的形式在局域网发送和接收遥控遥测数据，并通过飞控软件和载荷软件进行相应处理。
视距机载数据终端主要用于完成上行遥控指令、情报的接收和视频遥测信息的发送，具备卫星通信链路接口功能，可通过同步串口接收卫通链路遥控信息。视距机载数据终端的接口单元具有对卫通链路遥控信息和视距主链路遥控信息共串口二选一输出的功能。内有图像处理板卡，可将高清光电图像数据进行数字压缩，并将图像复合遥测信源帧输出到外部卫通机载数据终端。
高清光电载荷包括光电装置、红外装置、激光测照器装置，对无人机附近的各类固定和移动目标进行高清晰度成像和搜索，无人机通过盘旋、侧视等方式来执行巡逻、侦察、监视等任务。
高清视频编码器专门针对TCP/IP网络的视频、音频和数据进行高质量压缩编码和网络传输。
高清光电载荷和机载4G宽带通信基站分别通过高清视频编码器和内置音视频板卡等模块将视频、语音、遥测等信号发送至机载交换机，机载协议模块接收机载交换机的网络数据转成给视距机载数据终端的串口数据，视距机载数据终端将视频、语音和遥测复合数据输出到卫通机载数据终端，然后通过卫通数据链发送至卫通地面数据终端，卫通地面数据终端再通过网线发送给地面指挥控制站。
卫通地面数据终端配套地面指挥控制站布置在后方指挥控制中心，主要用于完成任务阶段超视距遥控、遥测和信息传输。
地面指挥控制站包括链路接入单元、地面协议模块、地面交换机和计算机，其中：
链路接入单元作为地面指挥控制站与卫通地面数据终端的数据接口，以及与地面协议模块的数据接口。
地面协议模块接收链路接入单元发送的语音、视频串口信号，然后转成网络信号发送给地面交换机；计算机接收地面交换机网络的语音、视频信号并通过音视频播放软件解码成模拟语音和视频进行实时播放；无人机地面操作员对高清视频编码器的控制指令发送到地面交换机网络里，地面协议模块接收地面交换机网络中的控制指令并通过串口传输至链路接入单元，通过链路接入单元传输至卫通地面数据终端，卫通地面数据终端再通过卫通数据链发送给无人机平台。
控制指令内容包括高清视频编码器和机载4G宽带通信基站的视频配置参数以及网络设置等参数。
地面便携终端包括地面背负台、平板便携终端、手持台、数码摄像机和笔记本，其中：
地面背负台是接入宽带无线网络的一款便携式终端设备，内部集成音视频编码板卡，实现移动状态下的多种业务应用，支持语音、视频、数据、短消息等业务，提供接入4G宽带通信基站的能力，适合野外快速展开使用，可无人值守工作。通过接收数码摄像机发送的图像，转发给机载4G宽带通信基站和笔记本，也可接收机载4G宽带通信基站发送的高清光电图像转发给笔记本，笔记本通过音视频播放软件解码成视频进行实时播放。
手持台是一款便携式智能终端设备，设备集成了TD-LTE通信模块，支持多媒体数据业务，适于各种野外环境使用，内置前后两个视频采集摄像头，支持视频监控、会议应用。
平板便携终端是一款多业务智能终端设备，设备集成了无线通信模块，可实现TD-LTE的接入，支持的业务种类包括语音、集群、视频、数据、短消息等。
数码摄像机使用商用数码摄像机。
机载4G宽带通信基站与机载交换机通过一路网口连接，传输数字语音和压缩后的视频数据。
高清光电载荷与高清视频编码器通过一路SDI连接，传输高清视频数据。
高清视频编码器与机载交换机通过一路网口连接，传输控制指令和压缩后的视频数据。
机载交换机与机载协议模块通过一路网口连接，传输控制指令、数字语音和视频数据。
机载协议模块与视距机载数据终端通过RS422同步串口连接，传输控制指令、数字语音和视频数据。
卫通机载数据终端与视距机载数据终端通过RS422同步串口连接，传输控制指令、数字语音、遥控遥测数据和视频数据。
卫通地面数据终端与地面指挥控制站通过网口连接，传输控制指令、数字语音、遥控遥测数据和视频数据。
地面协议模块与链路接入单元通过RS422同步串口连接，传输控制指令、数字语音和视频数据。
地面协议模块与地面交换机通过一路网口连接，传输控制指令、数字语音和视频数据。
地面交换机与计算机通过网口连接，传输控制指令、数字语音、遥控遥测数据和视频数据。
数码摄像机与地面背负台通过HDMI连接，传输图像数据。
地面背负台与笔记本通过网口连接，传输视频数据。
机载4G宽带通信基站+高清视频编码器与机载交换机之间数据传输速率小于等于8192kbps，卫通数据链前向数据传输速率小于等于512kbps、返向数据传输速率小于等于8192kbps，机载4G宽带通信基站与地面背负台之间高清光电视频数据传输速率小于等于8192kbps，机载4G宽带通信基站与地面背负台+手持台+平板便携终端之间数据传输速率小于等于8192kbps。
***的工作过程如下：
机载4G宽带通信基站接收地面背负台、平板便携终端、手持台或其他飞行平台发送的视频、语音等信号，经过内置音视频板卡等模块转换成数字信号并通过网口发送至机载交换机，同时高清光电载荷将视频数据通过SDI发送给高清视频编码器，高清视频编码器将编码压缩后的视频数据通过网口发送给机载交换机，机载协议模块将机载交换机通过网口发来的网络数据再通过RS422同步串口发送给视距机载数据终端，视距机载数据终端将该数字信号通过RS422同步串口发送至卫通机载数据终端，卫通机载数据终端通过卫通数据链将包含数字语音、视频和下行遥测信号发送至卫通地面数据终端，卫通地面数据终端将所有数据通过网口传送至地面指挥控制站，地面指挥控制站的地面协议模块通过RS422同步串口接收链路接入单元发送的语音和视频串口信号，然后转成网络信号通过网口发送给地面交换机。无人机地面操作员通过计算机网口接收地面交换机网络的语音、视频等信号并通过音视频播放软件解码成模拟语音和视频进行实时播放，通过飞控和载荷控制软件处理遥测等数据。
反之，无人机地面操作员对高清视频编码器的控制指令通过网口发送到地面交换机网络里，地面协议模块通过网口接收地面交换机网络中的控制指令并通过RS422同步串口传输至链路接入单元，地面指挥控制站通过网口传输至卫通地面数据终端，卫通地面数据终端通过卫通数据链传输至卫通机载数据终端，卫通机载数据终端将解调出的控制指令和遥控信息通过RS422同步串口发送至视距机载数据终端,视距机载数据终端将控制指令通过RS422同步串口发送给机载协议模块，机载协议模块将控制指令通过网口发送给机载交换机，机载交换机通过网口发送给高清视频编码器和机载4G宽带通信基站进行视频配置参数以及网络设置等。
高清光电载荷将视频数据通过SDI发送给高清视频编码器，高清视频编码器将编码压缩后的视频数据通过网口发送给机载交换机，机载4G宽带通信基站通过网口接收机载交换机网络中的视频数据，通过基站天线发送给地面背负台、平板便携终端或其他飞行平台。地面背负台接收机载4G宽带通信基站发送的高清光电图像，通过网口转发给笔记本，笔记本通过音视频播放软件解码成视频进行实时播放；平板便携终端接收机载4G宽带通信基站发送的高清光电图像后通过音视频播放软件解码成视频进行实时播放；其他飞行平台接收机载4G宽带通信基站发送的高清光电图像，通过各自的数据链传回地面指挥中心或者使用平台上的音视频播放软件解码成视频进行实时播放。
Claims (9)
1.一种大中型无人机通信中继***，其特征在于：包括安装在无人机上的机载4G宽带通信基站、视距机载数据终端、卫通机载数据终端、机载交换机、机载协议模块、高清视频编码器和高清光电载荷；以及卫通地面数据终端、地面指挥控制站和地面便携终端；所述卫通机载数据终端与卫通地面数据终端经由通信卫星构成卫通数据链；所述卫通地面数据终端与地面指挥控制站双向信号连接；
所述机载4G宽带通信基站采用集成化设计，通过独立组网，构建区域型的无线覆盖网络，与所述地面便携终端或其他飞行平台形成视频、语音通信连接，并且与机载交换机双向信号连接；所述机载交换机经由视距机载数据终端与所述卫通机载数据终端双向信号连接；
所述高清光电载荷经由高清视频编码器与所述机载交换机单向信号连接，用于采集侦察视频，并将所采集的侦察视频经由所述机载交换机传递给所述机载4G宽带通信基站和地面指挥控制站。
2.根据权利要求1所述的大中型无人机通信中继***，其特征在于：所述机载4G宽带通信基站采用***移动通信TD-LTE技术体制，包括通道单元、射频单元、配置交换单元、业务单元、音视频单元和基站天线，具有多种型号的用户终端接口，支持用户的注册、鉴权、漫游、越区切换及地址路由选择，并具有音视频业务注册与处理模块。
3.根据权利要求1所述的大中型无人机通信中继***，其特征在于：所述视距机载数据终端用于完成上行遥控指令、情报的接收和视频遥测信息的发送，其具备卫星通信链路接口，可通过同步串口接收卫通链路遥控信息，所述视距机载数据终端内有图像处理板卡，能够将高清光电图像数据进行数字压缩，并将图像复合遥测信源帧输出到外部卫通机载数据终端。
4.根据权利要求1所述的大中型无人机通信中继***，其特征在于：所述高清光电载荷包括光电装置、红外装置、激光测照器装置，用于对无人机附近的各类固定和移动目标进行成像和搜索。
5.根据权利要求1所述的大中型无人机通信中继***，其特征在于：所述高清视频编码器具有针对TCP/IP网络的视频、音频和数据进行压缩编码的编码单元。
6.根据权利要求1所述的大中型无人机通信中继***，其特征在于：所述卫通地面数据终端配套地面指挥控制站布置在后方指挥控制中心，用于完成任务阶段超视距遥控、遥测和信息传输。
7.根据权利要求1所述的大中型无人机通信中继***，其特征在于：所述地面指挥控制站包括链路接入单元、地面协议模块、地面交换机和计算机，其中：
所述链路接入单元作为地面指挥控制站与卫通地面数据终端的数据接口，以及与地面协议模块的数据接口；
所述地面协议模块接收链路接入单元发送的语音、视频串口信号，然后转成网络信号发送给地面交换机。
8.根据权利要求1所述的大中型无人机通信中继***，其特征在于：所述地面便携终端包括地面背负台、平板便携终端、手持台、数码摄像机和笔记本。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的大中型无人机通信中继***，其特征在于：所述的机载4G宽带通信基站+高清视频编码器与机载交换机之间数据传输速率小于等于8192kbps，卫通数据链前向数据传输速率小于等于512kbps、返向数据传输速率小于等于8192kbps，机载4G宽带通信基站与地面背负台之间高清光电视频数据传输速率小于等于8192kbps，机载4G宽带通信基站与地面背负台+手持台+平板便携终端之间数据传输速率小于等于8192kbps。
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