南京模擬技術(shù)研究所 辛海洋 彭 飛

一種基于A R M+F P G A的無(wú)人機(jī)地面測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

南京模擬技術(shù)研究所 辛海洋 彭 飛

本文基于ARM+FPGA的嵌入式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單測(cè)控站對(duì)多目標(biāo)無(wú)人機(jī)的可靠控制。其中，ARM微處理器主要負(fù)責(zé)各無(wú)人機(jī)GPS/北斗數(shù)據(jù)的解算，通過(guò)解算得到的方位角、俯仰角、天線陣列單元編號(hào)信息，完成對(duì)無(wú)人機(jī)的跟蹤；FPGA作為協(xié)同處理器，一方面提供RS232/RS422/SPI數(shù)據(jù)接口和時(shí)序控制，另一方面完成無(wú)人機(jī)遙測(cè)、遙控?cái)?shù)據(jù)的高速處理。整個(gè)系統(tǒng)采用TDMA（時(shí)分多址）的方式，通過(guò)對(duì)每個(gè)通信時(shí)隙的精確控制，實(shí)現(xiàn)單站遠(yuǎn)距離多目標(biāo)無(wú)人機(jī)的可靠測(cè)控。本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)一站最多9架無(wú)人機(jī)的同時(shí)測(cè)控。

ARM；FPGA；無(wú)人機(jī)；TDMA

0 引言

測(cè)控系統(tǒng)作為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成對(duì)無(wú)人機(jī)的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載任務(wù)載荷的遠(yuǎn)距離操縱以及偵察信息的實(shí)時(shí)傳輸、監(jiān)視、記錄及分發(fā)。在多無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)快速發(fā)展的今天，測(cè)控系統(tǒng)的工作方式也由一站一機(jī)，發(fā)展到一站多機(jī)。

1 設(shè)計(jì)原理

本文主要對(duì)一站多機(jī)的無(wú)人機(jī)測(cè)控地面測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。該系統(tǒng)采用電掃描技術(shù)，對(duì)無(wú)人機(jī)具有TDMA(時(shí)分多址)+頻分+空分的精確控制功能（如圖1所示）。通過(guò)劃分時(shí)隙，在每個(gè)通信時(shí)隙內(nèi)，完成多組數(shù)據(jù)的交互。再通過(guò)ARM控制解算，完成對(duì)個(gè)無(wú)人機(jī)的精確跟蹤，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多目標(biāo)無(wú)人機(jī)的可靠測(cè)控。

地面測(cè)控系統(tǒng)采用ARM+FPGA的嵌入式架構(gòu)。其中，ARM微處理器采用STM32 Cortex-M3芯片，F(xiàn)PGA采用Xilinx Spartan6系列芯片?？梢愿鶕?jù)不同型號(hào)的無(wú)人機(jī)，來(lái)配置各路串口數(shù)據(jù)的波特率，也可以在線對(duì)遙控、遙測(cè)通道進(jìn)行配置切換。

此外，此地面控制部分具有GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)引跟蹤及自動(dòng)搜索功能，能夠通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)信息快速找到目標(biāo)無(wú)人機(jī)。具有故障診斷識(shí)別功能和自動(dòng)重捕功能。本次設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)一站最多9架無(wú)人機(jī)的同時(shí)測(cè)控。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ARM功能介紹

控制解算模塊是地面測(cè)控系統(tǒng)的核心。由ARM微處理器（STM32 Cortex-M3芯片）及其外圍電路組成。實(shí)現(xiàn)功能需要的片內(nèi)資源包括時(shí)鐘模塊、SPI接口模塊、GPIO模塊、外部中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等。其主要實(shí)現(xiàn)的功能包括正北標(biāo)定，與FPGA數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、多無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)跟蹤控制，與顯示按鍵模塊的輸入輸出響應(yīng)等。

圖1 時(shí)分通信機(jī)制

2.2 FPGA功能介紹

FPGA選取Xilinx Spartan6芯片（低功耗、低成本，同時(shí)具有多大150000個(gè)邏輯單元等，可以很好的滿足設(shè)計(jì)所需資源量及系統(tǒng)的工作性能），通過(guò)SPI總線接口與ARM互聯(lián)，配備有源晶振，同時(shí)選取12個(gè)引腳與12個(gè)串口互聯(lián)，控制端口中，預(yù)留1各接口，以便升級(jí)，功能框圖如圖2所示。

主要實(shí)現(xiàn)多路串口數(shù)據(jù)的收發(fā)及與ARM間的數(shù)據(jù)交互。FPGA內(nèi)部定時(shí)器負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，當(dāng)一個(gè)時(shí)隙到來(lái)，通知ARM進(jìn)行高速天線開關(guān)的切換，ARM發(fā)出開關(guān)切換指令，同時(shí)把消息反饋給FPGA。FPGA延時(shí)幾十納秒后，收遙測(cè)指令并解析，再通過(guò)SPI總線輸出給ARM，通過(guò)串口輸出給指控設(shè)備；同步狀態(tài)下收遙控指令，解析后經(jīng)射頻組件和天線發(fā)送。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

2．3．1 正北標(biāo)定

在無(wú)人機(jī)起飛前，利用瞄準(zhǔn)鏡/GPS組合方式進(jìn)行正北標(biāo)定。首先根據(jù)選擇好的場(chǎng)地，確定測(cè)控地面站的站址點(diǎn)，用GPS/北斗定位，并記錄其經(jīng)緯度，作好標(biāo)記。站址點(diǎn)確定后，不能任意移動(dòng)，否則需重新進(jìn)行標(biāo)定過(guò)程。選取參照點(diǎn)，參照點(diǎn)與站址點(diǎn)應(yīng)大于800m，設(shè)立長(zhǎng)桿標(biāo)志，移動(dòng)長(zhǎng)桿，確保其與瞄準(zhǔn)鏡的中垂線重合，用GPS/北斗定位，記錄其經(jīng)緯度。ARM微處理器根據(jù)兩點(diǎn)的GPS坐標(biāo)值，算出參照點(diǎn)到站址點(diǎn)的方位角，作為GPS/北斗跟蹤時(shí)無(wú)人機(jī)處在哪個(gè)天線單元覆蓋范圍內(nèi)的重要依據(jù)。

圖2 FPGA功能框圖

2．3．2 多無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)跟蹤控制

無(wú)人機(jī)起飛后初捕模式下。近場(chǎng)階段，根據(jù)無(wú)人機(jī)的高度、距離切換到一低仰角的全向天線進(jìn)行通信；遠(yuǎn)場(chǎng)階段，自動(dòng)在定向天線單元間依次切換進(jìn)行搜索，確定每架無(wú)人機(jī)處于哪個(gè)定向天線單元覆蓋范圍之內(nèi)，記錄下對(duì)應(yīng)天線單元編號(hào)，之后轉(zhuǎn)入自動(dòng)跟蹤模式。如有無(wú)人機(jī)未能確定所在方位，將此無(wú)人機(jī)所對(duì)應(yīng)天線編號(hào)統(tǒng)一設(shè)為某一定向天線單元，留待自動(dòng)跟蹤模式下，再進(jìn)行搜索。

3 結(jié)論

3.1 仿真結(jié)果

ARM通過(guò)SPI接口配置1號(hào)無(wú)人機(jī)，波特率為19200（代號(hào)：01），ModelSim仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 仿真結(jié)果圖

圖4 仿真結(jié)果圖

目前，通過(guò)串口調(diào)試工具，設(shè)立9臺(tái)飛控計(jì)算機(jī)與機(jī)載設(shè)備，同時(shí)與測(cè)控站互通，通信情況良好，誤碼率約10-6，且無(wú)丟包現(xiàn)象。

通過(guò)實(shí)際搭載飛行，實(shí)測(cè)情況下3架無(wú)人機(jī)同時(shí)在線時(shí)，通信情況良好。（由于條件所限，實(shí)際最大測(cè)試無(wú)人機(jī)數(shù)為3架。）

3.2 結(jié)論

通過(guò)理論模擬試驗(yàn)與實(shí)際飛行測(cè)試，證實(shí)本文提出的一站多機(jī)的數(shù)據(jù)處理方法是可行的。并且在數(shù)據(jù)通信可靠性方面，也滿足通用測(cè)控站的要求。

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