律會麗，李平敏

(天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301)

0 引 言

隨著科技水平的發(fā)展，目前無人機測控系統(tǒng)已廣泛應用于軍事、海洋、電力、林業(yè)、石油等航空監(jiān)測領(lǐng)域[1-2]。在電力巡線、油氣管道巡檢領(lǐng)域，無人機巡查方式具有成本低、工作效率高、安全性好等特點，近年來受到了廣泛的關(guān)注和研究[3-4]。

油氣管道、電力線纜一般綿延數(shù)百甚至上千公里，單點視距傳輸?shù)臒o人機系統(tǒng)很難滿足上述應用場景。同時，高效率中大型無人機的大量引入，給地面運輸轉(zhuǎn)場帶來了困難，且轉(zhuǎn)場勢必造成巡檢效率的降低?？紤]到當前無人機航程水平穩(wěn)步提升，單架次巡線長度不斷增大，因此設(shè)計一種應用于長距離巡檢、遠程操控的無人機數(shù)據(jù)鏈十分必要。

目前，無人機超視距數(shù)據(jù)鏈主要采用通信中繼的方法，包括地面中繼、衛(wèi)星中繼、無人機空中中繼等。目前，國內(nèi)的研究主要集中在無人機空中中繼及衛(wèi)星中繼方面，如文獻[5]提出的數(shù)據(jù)鏈，利用一架中繼無人機轉(zhuǎn)發(fā)上下行數(shù)據(jù)，但該系統(tǒng)僅能將無人機巡查范圍提高一倍左右，巡檢范圍有限；文獻[6]提出的衛(wèi)星中繼方案，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)上下行信息，覆蓋范圍廣，通信可靠性高，但民用衛(wèi)星帶寬有限，且申請開通手續(xù)繁瑣。電力巡線、油氣管道巡線等應用巡檢距離特別長，下行業(yè)務(wù)速率高，上述兩種方法均不適用。

根據(jù)油氣管道、電力線路呈線性分布、線路固定、巡視距離長、需定期巡查等特點，本文設(shè)計的無人機接力測控系統(tǒng)采用地面固定中繼的方法提升測控范圍。該方法在巡查線路設(shè)置多個地面站，地面站通過光纖或無線公共網(wǎng)絡(luò)與地面指揮中心互聯(lián)，機載設(shè)備隨著飛行線路采用站間接力的方式，實現(xiàn)沿巡線線路、長距離的實時數(shù)據(jù)傳輸。

1 系統(tǒng)組成

接力測控數(shù)據(jù)鏈由1個機載測控終端、多個地面測控站終端和地面指揮中心組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

圖1中，機載測控終端安裝在無人機平臺上，主要實現(xiàn)下行數(shù)據(jù)(遙測、圖像等)的發(fā)送和上行遙控的接收，同時實現(xiàn)無人機控制權(quán)在地面站間的切換。

地面站接收指揮中心的控制指令，生成遙控數(shù)據(jù)，并利用相同頻點、不同擴頻偽碼發(fā)送出去。同時，地面站完成下行信息的接收和處理，并將處理過的信息轉(zhuǎn)發(fā)給指揮中心。

指揮控制中心為接力測控系統(tǒng)的管理和控制中心，通過網(wǎng)絡(luò)與各地面站互通，完成控制指令的發(fā)送及下行信息的處理和顯示。

2 接力測控實現(xiàn)方案

2.1 地面站多址方式

系統(tǒng)由多個地面站組成，因此需要考慮上行鏈路地面站間的多址方式。

文獻[7]分析了基于頻分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)、時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)、碼分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)的接力測控方案及其優(yōu)缺點。

FDMA每個用戶占用一個頻點，相鄰頻點間需加入保護頻帶，導致頻譜利用率較低：相同條件下單用戶頻帶利用率為Rb/B(Rb表示用戶信息比特率，B為帶寬)時，F(xiàn)DMA頻帶利用率為Rb/(B+BGP)(BGP為保護頻帶帶寬)，并且FDMA系統(tǒng)不能實現(xiàn)軟切換。

TDMA方式雖然可以實現(xiàn)軟切換，但時隙間需要插入保護間隔，導致傳輸效率較低：同等條件下，單用戶系統(tǒng)傳輸效率為η時，TDMA系統(tǒng)傳輸效率為η×a(a為保護間隔時間與總傳輸時隙的比值，0

CDMA方式所有用戶在同一頻點發(fā)送數(shù)據(jù)，每個用戶采用不同的擴頻碼對數(shù)據(jù)進行擴頻。CDMA不需要插入保護頻帶和保護時間，不需要地面站間的時間同步，且可實現(xiàn)跨站軟切換；CDMA的主要缺點是存在遠近效應，但本系統(tǒng)機載設(shè)備只需要與最近的一個地面站建立可靠連接，所以可利用遠近效應進行站間切換，而不會受CDMA遠近效應的不利影響，因此上行鏈路選擇CDMA方式。

2.2 雙工方式

時分雙工(Time Division Duplex,TDD)收發(fā)共用同一個頻點，上下行鏈路在不同的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。TDD收發(fā)單元可共用部分射頻單元且不需要收發(fā)隔離器，具有設(shè)備成本低的優(yōu)點，但由于TDD上下行鏈路在不同的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，上下行設(shè)備間需要嚴格的時間同步。頻分雙工(Frequency Division Duplex,FDD)上下行鏈路在不同的頻點發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)備復雜度相對TDD較高，但設(shè)備間不需要時間同步。

本系統(tǒng)包括多個地面站，站間的時間同步比較困難，TDD方式不適合本系統(tǒng)，因此采用FDD方式。

2.3 調(diào)制方式

各調(diào)制方式中，相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)解調(diào)門限最低，實現(xiàn)簡單，且為恒包絡(luò)調(diào)制，對發(fā)射功放的線性要求較低，因此本系統(tǒng)選擇PSK調(diào)制。8PSK及更高階調(diào)制不具備良好的誤比特性能，難以滿足無人機測控對通信質(zhì)量的高標準要求，這里不予采用。本系統(tǒng)上行信息速率低，因此采用二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)調(diào)制方式，保證上行遙控信息的可靠傳輸；下行傳輸信息速率高，因此采用正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)調(diào)制，可提高有限頻帶資源下的頻帶利用率。

2.4 編碼方式

選用信道編碼方式主要依據(jù)為編碼增益和延時。本系統(tǒng)上行遙控信息速率低，且對延時要求嚴格，因此選用編碼增益略低但延時小的卷積編碼方式。下行鏈路信息速率高，鏈路余量壓力較大，需要更高的編碼增益，因此選用編碼增益高但延時略大的LDPC編碼[9]。

2.5 實現(xiàn)方案

基于以上分析，本文的接力測控系統(tǒng)采用如下方式實現(xiàn)：

(1)上行鏈路

地面設(shè)備采用CDMA多址接入方式，各地面站利用相同頻點、不同擴頻偽碼傳輸上行數(shù)據(jù)[10]。無人機同時接收多個地面站上行信號，根據(jù)信號強度選擇受控于哪個地面站。

上行鏈路采用“先連通后斷開”的CDMA軟切換原則[11]，無人機控制權(quán)由原地面站切換到新地面站時，與新地面站建立連接之后，才斷開與原地面站間通信，因此可保證站間切換時上行鏈路不斷鏈。

(2)下行鏈路

為保證無人機在地面站之間進行測控接力過程中高速的遙測、圖像數(shù)據(jù)不間斷，下行數(shù)據(jù)采用全程廣播方式發(fā)送。能夠接收到下行數(shù)據(jù)的地面站將收到的信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給地面指控中心，指控中心將多個地面站信息進行整合處理，保證跨站切換時下行數(shù)據(jù)不丟幀。

3 站間切換算法設(shè)計

無人機從與一個地面站互聯(lián)切換為與其他地面站互聯(lián)的過程，稱為站間切換。本系統(tǒng)站間切換由機載設(shè)備根據(jù)多個地面站的信號大小進行自主切換。

3.1 站間切換原理

本系統(tǒng)K個地面站分別采用不同的擴頻偽碼進行直接序列擴頻，并以相同的發(fā)射功率進行上行發(fā)送。地面站k的數(shù)據(jù)

Xk=[xk(1),xk(2)，…，xk(N)] ，

(1)

使用長度為N的擴頻碼

Gk=[gk(1),gk(2),…,gk(N)]，

(2)

則擴頻后的信號可以表示為

Sk=[xk(1)Gk，xk(2)Gk,…，xk(N)Gk]。

(3)

式(1)～(3)中：xk∈{-1,+1}表示地面站k發(fā)送的比特信息；gk∈{-1,+1}表示地面站k的擴頻碼信息[12-13]；k=1,2,…,K，K表示地面站總數(shù)。

假設(shè)系統(tǒng)的信道噪聲為加性高斯白噪聲，機載接收端捕獲跟蹤條件是理想的，則在不考慮信道衰落和多徑效應的情況下，接收端的基帶信號可表示為

(4)

式中：Ak表示收到地面站k信息的幅度，τk表示地面站k信息的傳輸延時n(t)表示高斯白噪聲。

機載接收端對地面站m的信息完成偽碼同步后，偽碼相關(guān)結(jié)果可表示為

(5)

由于接收端對地面站m的信息完成了偽碼同步，因此式(5)中t=1～N時xm(t)保持不變，數(shù)值為+1或-1，即第一項等于±AmN。

根據(jù)GOLD序列的相關(guān)特性[14]，式(5)第二項很小，可忽略；第三項為高斯白噪聲，相關(guān)值也可忽略。因此，偽碼相關(guān)結(jié)果可近似表示為

corm≈AmN，

(6)

即可用每個地面站信號的偽碼相關(guān)結(jié)果表示該地面站上行信號大小。

由于所有地面站以相同的功率發(fā)送上行信息，因此機載設(shè)備收到的地面站信號大小只與傳輸距離有關(guān)，即地面站與無人機間的距離越近，路徑損耗越小；無人機收到的該地面站信息功率越大，偽碼相關(guān)值越大。因此，機載設(shè)備可計算和比較各地面站信息偽碼相關(guān)值，并選擇相關(guān)值最大的地面站為當前受控站。該算法可保證無人機一直與距離最近的地面站進行通信。

3.2 站間切換原則

無人機測控接力采用滯后余量的相對信號強度準則，即僅允許在新測控站一段時間內(nèi)的平均信號強度比原站強一定相對余量的情況下進行站間切換，如圖2中的A點。

圖2 站間接力原則

圖2中，當無人機由地面站1向地面站2飛行時，無人機原來與地面站1通信，當無人機飛到圖中A點時，收到的地面站2平均信號強度(P2)與地面站1信號強度(P1)的差值大于設(shè)定的余量(即滿足P2>(1+α)P1時，其中余量α為一個相對值)，無人機控制權(quán)由站1切換到站2。該技術(shù)可以防止由于信號波動引起的無人機在兩個地面站間“乒乓切換”。

3.3 站間切換算法實現(xiàn)

由于電力線纜、油氣管道等應用場景，地面站接力測控順序固定，因此機載設(shè)備可以只比較當前地面站和前后各一個地面站的信號大小，即可判斷無人機跨站切換方向，直至找到最近的地面站。機載端站間切換具體實現(xiàn)方法如圖3所示。

圖3 機載設(shè)備站間切換算法

圖3中，CATCH_L/M/R分別指前一站、當前站、后一站偽碼同步狀態(tài)，AVG_L/M/R分別指三個地面站相關(guān)結(jié)果平均值。

無人機同時對相鄰三個地面站信號進行解調(diào)同步操作，并將接收信號與三個地面站對應的擴頻偽碼進行相關(guān)計算，對偽碼相關(guān)值進行累加和平均，并將偽碼同步狀態(tài)和三個平均值發(fā)送給接力測控狀態(tài)機模塊。狀態(tài)機模塊判斷是否進行地面站切換，并更新三個地面站擴頻偽碼，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

圖4 跨站切換狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖4中，ND是一個脈沖信號，AVG 信號每更新一次，ND拉高一個時鐘周期。各狀態(tài)意義如下：

IDLE——等待狀態(tài)，上電初始狀態(tài)；

JUDGE_CATCH——判斷同步狀態(tài)；

LOST——斷鏈狀態(tài)；

COMP_M——比較當前站與相鄰站信號大小，判斷是否切換地面站；

HOLD_M——保持當前地面站；

COMP_LR——比較相鄰兩個地面站信號大小，判斷是否切換地面站；

CHANGE2L——無人機控制站切換到前一個地面站；

CHANGE2R——無人機控制站切換到后一個側(cè)地面站；

UPDATA_PN——更新三個地面站擴頻碼。

3.4 接力測控工作流程

接力測控接力流程可分為開機建立流程、正常接力流程、斷鏈重建流程三種情況。

3.4.1 開機建立流程

機載設(shè)備開機，接收上行信息，默認當前地面站為1，機載設(shè)備接收比較地面站K、1、2的信號，如果三個站均同步失敗，則切換當前站為地面站2，重復上述過程。如果與地面站同步成功，根據(jù)切換原則，切換到相應地面站，進入正常接力巡檢流程。

3.4.2 正常接力巡檢流程

無人機在正常飛行過程中，由與地面站1通信切換為與地面站2通信，主要分為以下幾個階段：

(1)正常巡檢過程

無人機接收地面站1上行數(shù)據(jù)，同時監(jiān)測相鄰兩個站信息，并與站1信息強度進行比較。

(2)站間切換過程

檢測到地面站2信號強度超出門限值，無人機更新本地擴頻偽碼，并接收地面站2的數(shù)據(jù)作為遙控信息，完成測控接力。此過程中機載設(shè)備在成功收到站2遙控信息包后才停止對地面站1遙測信息進行解擴譯碼，保證站間軟切換。

(3)正常巡檢過程

無人機與地面站1的數(shù)據(jù)交互停止，在地面站2的測控下進入正常巡檢過程。

3.4.3 斷鏈重建流程

如果無人機巡檢過程中，與當前地面站鏈路中斷，則比較相鄰兩地面站同步狀態(tài)和信號大小并向信號較大的地面站切換，然后進入正常巡檢過程；如果與三個站均斷鏈，則無人機進入斷鏈重建過程，從當前地面站開始，順序搜索所有地面站(與開機建立過程類似)，直至與某個地面站重新建立連接，進入正常巡檢流程。

4 系統(tǒng)測試

我們設(shè)計了K=8(共8個地面站)的接力測控數(shù)據(jù)鏈，并進行了多次跑車試驗及飛行試驗。

4.1 跑車試驗

選擇空曠地帶，沿馬路線性地布置8個地面站，站間相隔500 m左右，機載設(shè)備搭載在測試車上，測試車沿馬路行駛經(jīng)過8個地面站后折返。

圖5為截取一段遙測數(shù)據(jù)繪制的三個地面站信號大小(偽碼相關(guān)值)，由圖可知，機載設(shè)備可根據(jù)三個地面站的信號強度進行站間切換，保證無人機一直與信號強度最大的地面站通信。

圖5 跑車試驗三路信號相關(guān)值

4.2 飛行試驗

圖6和圖7為某次飛行試驗測試圖。本次掛飛試驗在飛行場地布置三套地面站測控設(shè)備和三套專網(wǎng)接入設(shè)備，站間相距2 km左右，無人機起飛后相繼飛經(jīng)三個地面站并返航。

圖6 飛行試驗示意圖

圖7 飛行試驗現(xiàn)場圖

飛行過程中，無人機控制權(quán)隨著飛行路線完成了自動切換，且切換過程上行遙控、下行遙測誤碼率滿足要求，視頻無中斷、卡頓現(xiàn)象。

圖8和圖9分別為飛行試驗遙控遙測誤碼情況統(tǒng)計信息，由圖可知，遙控遙測信號誤碼率均在10-5以下，實現(xiàn)了跨站軟切換，滿足系統(tǒng)無縫接力指標。

圖8 遙控誤碼情況統(tǒng)計圖

圖9 遙測誤碼情況統(tǒng)計圖

5 結(jié) 論

本文設(shè)計的基于CDMA的無人機接力測控系統(tǒng)實現(xiàn)了無人機在多個測控站間的控制權(quán)交接，且保證接力過程中上下行數(shù)據(jù)不丟幀，解決了點對點測控的距離限制問題，為長距離、帶狀網(wǎng)絡(luò)巡檢場景提供了一種解決方案，在距離綿長，尤其是在無人機航程能力遠超單點作業(yè)無人機測控范圍的情況下，大大延伸了無人機作業(yè)范圍，實現(xiàn)了無人機巡檢效率最大化。

目前，此數(shù)據(jù)鏈進行了多次外場跑車拉距試驗及掛飛試驗，結(jié)果顯示，該數(shù)據(jù)鏈站間接力功能運行良好，上下行數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。