CN113965298A - 双通道无人机视距通信***及其通信方法 - Google Patents

双通道无人机视距通信***及其通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种双通道无人机视距通信***及其通信方法，在无人机和地面上设有对应的主链路模块和副链路模块，通过信息处理单元将GPS数据包同时通过主链路和副链路下行以实现对地面主天线伺服控制***的跟踪引导，提出了双链路同时下行GPS数据时，GPS数据包的筛选判别方法，克服传统方式仅用主链下行GPS数据，一旦丢失目标则不能再次自动捕获目标的缺陷，同时也解决高速链路通信波束宽度窄而在近场跟踪难度大的问题，提高从滑跑到飞行全过程的通信可靠性。

Description

双通道无人机视距通信***及其通信方法
技术领域
本发明属于无人机通信技术领域，具体涉及一种双通道无人机视距通信***及其通信方法。
背景技术
一般地，无人机***中用于实现通信功能的***包含测控通信***和数据传输***。其中，测控通信***用于传输无人机飞行控制***(飞控***)上行遥控和下行遥测数据。数据传输***用于实现任务载荷数据上下行传输。
为满足无人机测控通信和任务载荷传输要求，无人机一般配备主链路和副链路。传统设计方式中，无人机主链路和副链路通常相互独立，在这种情况下，无人机主链路只能通过主链路下行的无人机GPS信息引导伺服控制***进行跟踪，一旦主链路失去无人机下行信息，则无法获进行基于GPS的引导跟踪，只能手动设置目标GPS信息。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种双通道无人机视距通信***及其通信方法，其中该***包括机载端机和地面端机，所述机载端机包括机载信息处理模块、机载双通道模块和机载天线模块，所述机载信息处理模块用于通过所述机载双通道模块收发数据；所述机载双通道模块包括机载主链路射频通道和机载副链路射频通道，所述机载主链路射频通道和所述机载副链路射频通道用于给机载端机提供两条独立的数据收发路径；所述机载天线模块包括机载主天线和机载副天线，所述机载主天线与所述机载主链路射频通道连接，所述机载副天线与所述机载副链路射频通道连接；
所述地面端机包括地面信息处理模块、地面双通道模块和地面天线模块，所述地面信息处理模块用于通过所述地面双通道模块收发数据；所述地面双通道模块包括地面主链路射频通道和地面副链路射频通道，所述地面主链路射频通道和所述地面副链路射频通道用于给地面端机提供两条独立的数据收发路径；所述地面天线模块包括地面主天线和地面副天线，所述地面主天线与所述地面主链路射频通道连接，所述地面副天线与所述地面副链路射频通道连接；
所述机载端机和所述地面端机均包括电源管理模块，用于为机载端机和地面端机的各组件提供工作电路。
进一步的，所述机载信息处理模块和所述地面信息处理模块均包括处理器芯片，所述处理器芯片连接有调试接口电路、RTC电路、网口电路、内存电路、电子盘电路和串口电路。
进一步的，所述机载主天线与所述地面主天线之间通过主链路通信连接，所述机载副天线与所述地面副天线之间通过副链路通信连接。
进一步的，所述主链路采用X波段频率资源，所述副链路采用U波段频率资源。
进一步的，所述地面主天线为环焦型双反射面天线，所述地面副天线为全向杆状天线。
一种上述的双通道无人机视距通信***的通信方法，包括以下步骤：
机载端机发出GPS数据包；
地面端机接收GPS数据包；
对收到的GPS数据包进行校验；
利用通过校验的数据计算出地面主天线的相关调整参数；
根据计算出的调整参数，利用地面伺服跟踪控制***对地面主天线进行调整；
判断数据通信是否结束。
进一步的，在对收到的GPS数据包进行校验之前先判断地面端机是接收到的GPS数据包来源是一路还是两路——若数据包的来源仅仅是主链路，则直接进行校验；若数据包的来源同时包括主链路和副链路，则从这两路GPS数据包中选择一个进行校验。
进一步的，对收到的两路GPS数据包进行选择包括如下步骤：
若两路GPS数据包相同，任选其一进行后续步骤；
若两路GPS数据包不同，选择其中与无人机飞行距离理论值最接近的GPS数据包进行后续步骤。
进一步的，选择其中与无人机飞行距离理论值最接近的GPS数据包具体包括如下步骤：
获得主链路可用的GPS数据包；
获得副链路可用的GPS数据包；
将主链路的可用GPS数据包和副链路的可用GPS数据包分别与无人机飞行距离理论值进行比对，与无人机飞行距离理论值最接近的GPS数据包即为最接近的GPS数据包。
进一步的，获得主链路和副链路可用的GPS数据包均包括以下步骤：
根据当前链路收到的GPS数据包和上一个有效GPS数据包中的时间信息、当前无人机实际飞行速度以及最大飞行速度，计算收到两个GPS数据包的时间间隔内无人机飞行距离理论值；同时，根据当前和上一个有效GPS数据包中无人机的位置信息计算无人机的实际移动距离——若实际移动距离超过理论值，则将该数据包视为不可用数据包；若实际移动距离未超过理论值，则将该数据包视为可用数据包。
本发明的有益效果在于：本发明提供的双通道无人机视距通信***及其通信方法，通过信息处理单元将GPS数据包同时通过主链路和副链路下行以实现对地面主天线伺服控制***的跟踪引导，提出了双链路同时下行GPS数据时，GPS数据包的筛选判别方法，克服传统方式仅用主链下行GPS数据，一旦丢失目标则不能再次自动捕获目标的缺陷，同时也解决高速链路通信波束宽度窄而在近场跟踪难度大的问题，提高从滑跑到飞行全过程的通信可靠性。
附图说明
图1为本发明通信***的示意图，
图2为本发明机载信息处理模块和地面信息处理模块的逻辑连接图；
图3为本发明通信方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，下列实施例仅用于解释本发明的发明内容，不用于限定本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出了一种双通道无人机视距通信***，该***包括机载端机和地面端机，机载端机包括机载信息处理模块、机载双通道模块和机载天线模块，机载信息处理模块用于通过机载双通道模块收发数据；机载双通道模块包括机载主链路射频通道和机载副链路射频通道，机载主链路射频通道和机载副链路射频通道用于给机载端机提供两条独立的数据收发路径；机载天线模块包括机载主天线和机载副天线，机载主天线与机载主链路射频通道连接，机载副天线与机载副链路射频通道连接；
地面端机包括地面信息处理模块、地面双通道模块和地面天线模块，地面信息处理模块用于通过地面双通道模块收发数据；地面双通道模块包括地面主链路射频通道和地面副链路射频通道，地面主链路射频通道和地面副链路射频通道用于给地面端机提供两条独立的数据收发路径；地面天线模块包括地面主天线和地面副天线，地面主天线与地面主链路射频通道连接，地面副天线与地面副链路射频通道连接；机载端机和地面端机均包括电源管理模块，用于为机载端机和地面端机的各组件提供工作电路。
其中，副链路主要是满足近场范围内的通信需要，传输频段不用选择高频段；而主链路主要是为了保障远距离数据通信，传输频段一般选择高频段(L、C和X频段)，定向跟踪天线波束一般较窄，其波束宽度随天线增益提高而减小。例如对于X频段通信、天线增益为39dB的地面定向跟踪天线，其波束宽度通常仅有1.5°左右。因此主链路须采用伺服跟踪方式实现信号捕获和跟踪，其跟踪体制通常分为单通道单脉冲体制自跟踪和基于目标GPS信息的引导跟踪。单通道单脉冲体制自跟踪***无需目标位置信息，但***较为复杂，成本昂贵。而基于目标GPS信息的引导跟踪算法需要已知目标经纬度信息、本地经纬度、姿态信息和航向信息，基本思路是首先建立地理坐标中天线指向的数学模型，然后将地理坐标系转换为本地坐标系，从而解算出天线指向的方位和俯仰角。由于链路的波束宽度、伺服控制***角速度、角加速度、跟踪处理延时等约束，链路通常不能稳定保障近场(500米)范围内的无人机测控通信和自动跟踪。一般情况下，无人机需要在升空之后在一定范围内盘旋，根据无人机目标信息对天线进行手动引导，从而开展后续跟踪通信。
因此在本申请中，主链路采用X波段频率资源，副链路采用U波段频率资源，两条通信链路物理层传输通道相互独立，但两条链路通过与综合信息处理单元连接，能够同时传输飞控信息。地面主天线采用环焦型双反射面天线，地面副天线采用全向杆状天线，机载的主天线和副天线均采用全向杆状天线；利用GPS跟踪引导算法，搭配地面主天线伺服控制***，基于本地GPS、本地陀螺航姿信息以及无人机目标GPS信息，对无人机目标实现定向跟踪通信。
另外，如图2所示，机载信息处理模块和地面信息处理模块均采用如图2所示的硬件架构，以CPU处理器为核心，移植Win7E操作***或桌面Linux操作***，由调试接口电路、RTC电路、网口电路、内存电路、电子盘电路和串口电路组成。信息处理模块主要完成业务信息、状态信息处理、参数配置等，其功能如下：
1)将多种载荷信息复接成串行数据，通过主链路和副链路通道发送；
2)实现不同***设备数据的流量控制；
3)实现机载***设备不同物理接口形式的接口转换；
4)实现不同业务数据的综合信息处理，主要包括对数据包的解析和处理等；
5)实现设备内部板卡模块的参数配置和状态监测。
信息处理模块的信息处理分为业务信息处理、状态信息处理和参数配置/状态查询。主要信息处理流程如下。
业务信息处理：
LTE设备、AIS设备、SOS设备、Video设备、飞控***分别通过各自以太网口、串口接入信息处理模块。处于发送状态时，信息处理模块将上述设备的多路业务数据以及测控链路状态信息复接为1路数据并进行流量控制(即对超出预定带宽的数据先缓存，超出缓存则丢弃)，之后发送给主链路调制解调板和射频通道，经编码、调制、上变频和功率放大后经机载天线下行数据。同时，飞控的备份数据通过RS422串口接入信息处理单元，信息处理单元将飞控备份数据和测控链路状态信息发送给副链路调制解调板和功放模块处理，并通过空口下行数据。
处于接收状态时，信息处理单元对经过解调、解码的数据进行解复接，转发给相应通信载荷和飞控***；对接收到的测控链路配置/查询信息进行相应处理和响应。
状态信息处理：
状态信息具有定时下发和查询下发两种模式。定时下发时，信息处理单元按照预设周期(暂定1s)将收集到的机载端机内部其他各板卡的状态信息，通过空口发送给地面。查询下发时，当机载端机接收到查询指令时才将内部各模块的状态信息通过空口发送出去。
参数配置：
机载端机的参数配置可以通过单独预留的配置口进行参数注入，也可以通过空口接收参数配置信息。信息处理单元按照接收到的参数配置信息对本机相应参数(主链路频点、速率，副链路频点等)进行配置。
结合图3，上述技术方案的通信方法具体包括以下步骤：
(1)地面端机判断收到一路(仅主链路收到GPS数据包)还是两路(主链路和副链路均收到GPS数据包)下行的无人机GPS数据包，若只收到一路链路下行的GPS信息，则转到步骤(2)；若同时收到主链路和副链路下行的GPS数据包，则转到步骤(3)；
(2)对主链路或副链路下行的无人机GPS数据包进行提取和数据校验(CRC校验或奇偶校验)，利用校验后的无人机GPS位置信息计算地面主天线的调整参数(俯仰角度为Z1、方位角度为A1)，根据计算结果通过地面伺服跟踪控制***引导地面主天线进行跟踪指向，转到步骤(8)；
(3)对主链路下行的无人机GPS信息进行提取，结果记为G1(X1,Y1,Z1)；同时，对副链路下行的无人机GPS信息进行提取，结果记为G2(X2,Y2,Z2)，转到步骤(4)；
(4)对主链路和副链路下行的无人机GPS信息G1和G2分别进行校验，若校验通过，则转到步骤(5)，若校验不通过则直接丢弃数据包；
(5)若主链路和副链路下行的无人机GPS信息G1和G2相同，则任选一个并依据该信息，利用GPS跟踪引导算法计算地面主天线的调整参数(俯仰角度为Z2，方位角度为A2)，根据计算结果通过地面伺服跟踪控制***引导地面主天线进行跟踪指向；
若不同，转到步骤(6)；
(6)主链路上一个有效的GPS数据包为G3，根据收到的G1和G3数据包时间间隔δ1，根据无人机实际飞行速度计算δ1内理论飞行距离D1；根据G1和G3数据包内的GPS位置信息计算无人机位移距离D2，只有当D2≤D1时，G1才作为可用的GPS数据，否则不采信G1；
同样地，副链路上一个有效GPS数据包为G4，根据收到的G2和G4数据包时间间隔δ2，根据无人机实际飞行速度计算δ2内理论飞行距离D3；根据G2和G4数据包内的GPS位置信息计算无人机位移距离D4，只有当D4≤D3时，G2才作为可用的GPS数据，否则不采信G2；
得到可用的G1和G3数据包后，转到步骤(7)
(7)选择与无人机飞行距离理论值最接近的GPS数据作为主链天线俯仰和方位角度计算的依据——即比较(D1-D2)和(D3-D4)，当(D1-D2)＜(D3-D4)时，依据G1数据包计算地面主天线的调整参数，然后根据计算结果通过地面伺服跟踪控制***引导地面主天线进行跟踪指向；当(D1-D2)＞(D3-D4)时，依据G2数据包计算地面主天线的调整参数，然后根据计算结果通过地面伺服跟踪控制***引导地面主天线进行跟踪指向；完成后转到步骤(8)
(8)判断无人机主链路是否仍有数据通信，若有则返回步骤(1)，否则主链天线伺服控制流程结束。
综上，仅为本发明之较佳实施例，不以此限定本发明的保护范围，凡依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (10)

1.一种双通道无人机视距通信***，包括机载端机和地面端机，其特征在于：所述机载端机包括机载信息处理模块、机载双通道模块和机载天线模块，所述机载信息处理模块用于通过所述机载双通道模块收发数据；所述机载双通道模块包括机载主链路射频通道和机载副链路射频通道，所述机载主链路射频通道和所述机载副链路射频通道用于给机载端机提供两条独立的数据收发路径；所述机载天线模块包括机载主天线和机载副天线，所述机载主天线与所述机载主链路射频通道连接，所述机载副天线与所述机载副链路射频通道连接；
所述地面端机包括地面信息处理模块、地面双通道模块和地面天线模块，所述地面信息处理模块用于通过所述地面双通道模块收发数据；所述地面双通道模块包括地面主链路射频通道和地面副链路射频通道，所述地面主链路射频通道和所述地面副链路射频通道用于给地面端机提供两条独立的数据收发路径；所述地面天线模块包括地面主天线和地面副天线，所述地面主天线与所述地面主链路射频通道连接，所述地面副天线与所述地面副链路射频通道连接；
所述机载端机和所述地面端机均包括电源管理模块，用于为机载端机和地面端机的各组件提供工作电路。
2.根据权利要求1所述的双通道无人机市局通信***，其特征在于：所述机载信息处理模块和所述地面信息处理模块均包括处理器芯片，所述处理器芯片连接有调试接口电路、RTC电路、网口电路、内存电路、电子盘电路和串口电路。
3.根据权利要求2所述的双通道无人机视距通信***，其特征在于：所述机载主天线与所述地面主天线之间通过主链路通信连接，所述机载副天线与所述地面副天线之间通过副链路通信连接。
4.根据权利要求3所述的双通道无人机视距通信***，其特征在于：所述主链路采用X波段频率资源，所述副链路采用U波段频率资源。
5.根据权利要求4所述的双通道无人机视距通信***，其特征在于：所述地面主天线为环焦型双反射面天线，所述地面副天线为全向杆状天线。
6.一种如权利要求5所述的双通道无人机视距通信***的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
机载端机发出GPS数据包；
地面端机接收GPS数据包；
对收到的GPS数据包进行校验；
利用通过校验的数据计算出地面主天线的相关调整参数；
根据计算出的调整参数，利用地面伺服跟踪控制***对地面主天线进行调整；
判断数据通信是否结束。
7.根据权利要求6所述的双通道无人机视距通信***的通信方法，其特征在于：在对收到的GPS数据包进行校验之前先判断地面端机是接收到的GPS数据包来源是一路还是两路——若数据包的来源仅仅是主链路，则直接进行校验；若数据包的来源同时包括主链路和副链路，则从这两路GPS数据包中选择一个进行校验。
8.根据权利要求7所述的双通道无人机视距通信***的通信方法，其特征在于，对收到的两路GPS数据包进行选择包括如下步骤：
若两路GPS数据包相同，任选其一进行后续步骤；
若两路GPS数据包不同，选择其中与无人机飞行距离理论值最接近的GPS数据包进行后续步骤。
9.根据权利要求8所述的双通道无人机视距通信***的通信方法，其特征在于，选择其中与无人机飞行距离理论值最接近的GPS数据包具体包括如下步骤：
获得主链路可用的GPS数据包；
获得副链路可用的GPS数据包；
将主链路的可用GPS数据包和副链路的可用GPS数据包分别与无人机飞行距离理论值进行比对，与无人机飞行距离理论值最接近的GPS数据包即为最接近的GPS数据包。
10.根据权利要求9所述的双通道无人机视距通信***的通信方法，其特征在于，获得主链路和副链路可用的GPS数据包均包括以下步骤：
根据当前链路收到的GPS数据包和上一个有效GPS数据包中的时间信息、当前无人机实际飞行速度以及最大飞行速度，计算收到两个GPS数据包的时间间隔内无人机飞行距离理论值；同时，根据当前和上一个有效GPS数据包中无人机的位置信息计算无人机的实际移动距离——若实际移动距离超过理论值，则将该数据包视为不可用数据包；若实际移动距离未超过理论值，则将该数据包视为可用数据包。
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