楊晨

摘? 要： 目前無人機測控數(shù)據(jù)鏈多為無線視距傳輸，在山區(qū)等有障礙物遮擋的環(huán)境中往往工作受限。針對此種情況，首先介紹一種直通模式數(shù)據(jù)鏈的設計方案，并基于此種構(gòu)架設計出一種中繼模式的測控數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。此系統(tǒng)搭載于無人機上，可實現(xiàn)中繼無人機與任務機終端，以及中繼無人機與地面站終端的雙向?qū)崟r通信，進而完成地面與任務終端之間測控通信鏈路的建立。系統(tǒng)采用中繼前向鏈路與返向鏈路頻率倒置的頻分雙工體制，簡化了射頻前端與天線的設計。此中繼鏈路方案克服了微波視距傳輸?shù)木窒蓿行卣沽藴y控通信距離，應用靈活、兼容性好、可靠性高，為復雜環(huán)境中的無人機應用提供了一種通信鏈路解決方案。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)鏈設計; 中繼通信; 無人機; 系統(tǒng)設計; 雙向通信; 通信建立

中圖分類號： TN83?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）14?0109?05

Design of relay telemetry and control data link for UAV

YANG Chen1，2

（1. Tianjin Aerospace Zhongwei Data System Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300301， China; 2. Space Star Technology Co.， Ltd.， Beijing 100080， China）

Abstract： At present， most of UAV telemetry and control date links are the wireless line?of?sight transmission， its operation is often limited in mountainous areas and other environments with obstacles. In view of this situation， a design scheme of data link in direct connection mode is introduced， and then a telemetry and control data link system in relay mode is designed according to the design scheme. This system mounted on the UAV can realize two?way real?time communication between relay UAV and mission UAV terminal， and between relay UAV and ground station terminal， and then the establishment of telemetry and control communication data link between ground and mission UAV terminal is completed. The frequency division duplex system with frequency inversion of relay forward link and backward link is adopted in the system， which simplifies the design of radio frequency front end and antenna. This relay link scheme can overcome the limitation of microwave line?of?sight transmission， can effectively expand the distance of telemetry and control communication， and has flexible application， excellent compatibility and reliability. It provides a communication link solution for the UAV applications in the complex environment.

Keywords： data link design; relay communication; UAV; system design; two?way communication; communication establishment

0? 引? 言

近年來隨著我國科技水平的不斷提升，無人機已經(jīng)在探測、運輸、減災、反恐、防火、救援等多個領域得到廣泛應用。尤其對于電力線路、石油管道的巡檢，相比于人工巡線，無人機在工作效率、運營成本、準確性及安全性上都有極大的優(yōu)勢。測控數(shù)據(jù)鏈[1]作為無人機系統(tǒng)里的核心部件，其承擔了無人機與地面測控終端的雙向通信，保證了地面控制指令的上傳以及無人機遙測與載荷數(shù)據(jù)的下傳。目前的無人機系統(tǒng)測控數(shù)據(jù)鏈多為視距傳輸，在山區(qū)、丘陵等存在障礙物遮擋的非視距環(huán)境中視距直通數(shù)據(jù)鏈無法正常工作，而電網(wǎng)線路、石油管道等行業(yè)的工作環(huán)境往往較為復雜。因此，在地面交通不便和任務區(qū)域多變的條件下，克服區(qū)域內(nèi)障礙物對通視條件的影響，設計開發(fā)中繼數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，擴展空地傳輸距離，對無人機在復雜環(huán)境中的應用有著十分重要的意義。

1? 直通模式數(shù)據(jù)鏈

直通模式數(shù)據(jù)鏈是中繼模式數(shù)據(jù)鏈的基礎，中繼模式數(shù)據(jù)鏈可通過對直通模式數(shù)據(jù)鏈的改造和優(yōu)化而成。因此研制性能指標優(yōu)良且體積小重量輕的直通型數(shù)據(jù)鏈是開發(fā)中繼數(shù)據(jù)鏈的必要前提。

1.1? 系統(tǒng)組成

直通模式數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)[2]組成如圖1所示。系統(tǒng)采用FDD工作模式，前向鏈路工作于頻率f0，返向鏈路工作于頻率f1，由雙工器完成對收發(fā)通道的分離及天線共用，實現(xiàn)了地面對無人機及其掛載載荷的上行控制以及機載遙測與載荷信息的實時回傳。

機載測控數(shù)據(jù)鏈工作原理如下：機載收發(fā)信機對采集到的視頻圖像、載荷信息以及飛控遙測信息等數(shù)據(jù)進行組幀、編碼、擴頻、調(diào)制后得到中頻信號，經(jīng)上變頻處理后將中頻信號搬移至射頻載波，對其進行必要的濾波處理后送入射頻前端，功率放大后經(jīng)天線進行發(fā)射;同時，對于地面發(fā)射的上行控制指令信號經(jīng)天線接收后，由射頻前端低噪聲放大器放大及濾波處理，并進行下變頻至中頻，而后通過解擴、解調(diào)、譯碼等處理實現(xiàn)對上行指令的解析。地面端采用了與機載端相同的設計，其工作原理與機載設備基本相同，不再贅述。

1.2? 鏈路設計

工作頻率選擇L頻段，且避開GPS及移動通信的工作頻率，以減少對機載GPS設備的干擾，也避免移動通信基站對無人機數(shù)據(jù)鏈的干擾。

1.2.1? 發(fā)射通道設計

基帶部分選擇使用ADI公司的高集成度正交調(diào)制器芯片AD5375，完成對DAC產(chǎn)生的兩路IQ信號的正交調(diào)制。射頻前端使用兩級放大器級聯(lián)，預放采用ADI公司的單片放大器ADL5542，末級放大器采用TriQuint公司的高線性度功放芯片AH323，其在L頻段的射頻輸出功率可達到2 W。發(fā)射通道鏈路仿真設計如圖2所示。

由于采用FDD的雙工方式，射頻輸出端使用了雙工器來分離收發(fā)通道，為了達到小型化的要求，雙工器并未采用腔體形式，而是使用了體積較小的介質(zhì)形式，而介質(zhì)雙工器在插損指標上會略有不足，按1.5 dB的損耗設計，由鏈路仿真結(jié)果可見，最終輸出射頻功率可達31 dBm，OIP3可達46 dBm。

1.2.2? 接收通道設計

接收通道前端選用了Mini公司的低噪放芯片CMA?545，其在L頻段擁有30 dB以上的增益，且噪聲系數(shù)僅為1 dB，另外其最大輸入不損壞功率達到了25 dBm，保證了接收大功率信號時前端不燒毀，而不必在低噪放前加入限幅器予以保護，從而優(yōu)化了接收通道信噪比。

基帶部分使用了凌力爾特公司的一體化接收芯片LTM9005，其集成了混頻器、中頻放大器、聲表濾波器以及14位125 MHz采樣率ADC ，可實現(xiàn)L頻段射頻信號的下變頻與模數(shù)轉(zhuǎn)換，大幅縮減了收發(fā)信機的尺寸，實現(xiàn)機載設備的高度集成化。接收通道鏈路仿真結(jié)果如圖3所示。

與發(fā)射通道相似，由于雙工器的插損，會使接收通道的級聯(lián)噪聲系數(shù)有所增加。由仿真結(jié)果可見，整個接收鏈路的噪聲系數(shù)大約為3 dB。

1.2.3? 鏈路預算

考慮到無人機測控數(shù)據(jù)鏈的應用特點，上行鏈路選擇卷積信道編碼與BPSK調(diào)制方式，以獲得較低的處理時延及鏈路可靠性，而下行鏈路選用LDPC信道編碼與QPSK調(diào)制方式，以獲得更大的編碼增益與更高的帶寬利用率。雙向傳輸使用頻分雙工體制，上行載波f0選擇1.4 GHz工作頻率，下行載波f1選擇1.6 GHz工作頻率，射頻前端使用1 W發(fā)射功率，收發(fā)端均選用0 dB單極子全向天線，數(shù)據(jù)傳輸速率設定為下行4 Mb/s與上行51.2 kHz，鏈路預算結(jié)果如表1所示。由計算結(jié)果可見在視距傳輸情況下，本設計可實現(xiàn)10 km的傳輸距離，且下行高速數(shù)據(jù)與上行低速數(shù)據(jù)尚有8.8 dB與25 dB的鏈路余量。由于上行遙控數(shù)據(jù)速率遠低于下行復合數(shù)據(jù)，因此上行傳輸余量也遠高于下行，可保證無人機的可靠性與安全性。本設計可滿足大部分應用需求，如有遠距離作業(yè)需要，可選擇高增益天線與大功率前端進行升級即可。

2? 中繼模式數(shù)據(jù)鏈

當傳輸路徑中存在障礙物遮擋，破壞了無線鏈路的視距通視條件，直通數(shù)據(jù)鏈將無法正常工作。當前無人機的應用中，比如電網(wǎng)[3]、石油管道等的巡檢任務，其工作環(huán)境往往就存在山區(qū)、丘陵等障礙物的影響，因此，要實現(xiàn)遠程無人機的超視距測控和信息傳輸，需開發(fā)中繼模式數(shù)據(jù)鏈。

2.1? 中繼模式選擇

2.1.1? 衛(wèi)星中繼

衛(wèi)星中繼系統(tǒng)[4]如圖4所示，使用地球同步軌道衛(wèi)星進行中繼傳輸，只需在衛(wèi)星天線的波束覆蓋范圍內(nèi)，通信可不受地理條件與距離限制。其缺點是需要增加一套機載衛(wèi)通設備，對無人機載荷能力有更高的要求，且衛(wèi)星信道容量有限，對信息傳輸速率會有所限制。通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，其信號傳輸距離長，造成通信延時增加，再者衛(wèi)星信道的租用也提升了后期運營成本。

2.1.2? 塔架中繼

塔架中繼系統(tǒng)如圖5所示，需在障礙物間建立中繼信號塔進行雙向通信，類似于移動通信中的無線基站。由于中繼塔架與地面指控站以及無人機之間仍依靠視距傳輸，因此要選擇合適位置，且塔架需達到足夠的高度，當更換作業(yè)區(qū)域時，需提前架設中繼塔架設備，后期也需要對其進行維護，實現(xiàn)成本較高。

2.1.3? 無人機中繼

無人機中繼系統(tǒng)如圖 6所示。中繼設備選擇機動性較強的無人機搭載，中繼無人機與地面和任務機之間需保持視距直通，在作業(yè)時中繼無人機可以選擇在上空懸?；虮P旋。相比于衛(wèi)星中繼與塔架中繼，采用無人機中繼的方案更加靈活方便，不易受地域的限制，設備相對簡化，在前期投入與后期運營的成本上都有較大優(yōu)勢。但是，無人機中繼的模式需要同時對兩架無人機進行控制，并回傳兩架無人機的遙測遙感信息，因此需要研制穩(wěn)定可靠的中繼數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)，完成地面、中繼、任務三者間的實時雙向通信。