寧 銳，劉耀明，常 皓

（1.應(yīng)急管理部森林消防局，北京 100097；2.北京中興高達(dá)通信技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 引 言

無人機浮空平臺結(jié)合寬帶自組網(wǎng)的應(yīng)用，有效地解決了森林滅火救援隊與前線指揮部（以下簡稱前指）之間“聯(lián)不上、聽不清、看不見”的問題，實現(xiàn)了救援現(xiàn)場與前指之間音視頻和定位信息等的多媒體通信?；诟】掌脚_實現(xiàn)的前線與前指通信，依賴于浮空平臺機載自組網(wǎng)與浮空平臺測控車上車載自組網(wǎng)之間的通信[1]。在實際使用中，無人機浮空平臺從前指飛抵前線附近上空，實現(xiàn)對前線的覆蓋，同時通過機載自組網(wǎng)與車載自組網(wǎng)實現(xiàn)聯(lián)通，從而實現(xiàn)前線與前指的互通[2]。由于森林滅火救援作業(yè)具有臨時性、突發(fā)性等特點，救援場地不固定，前指與前線之間的距離不確定，在部分場景下，前指測控車與前線的距離甚至高達(dá)80～100 km，已超過機載自組網(wǎng)的覆蓋范圍，從而導(dǎo)致前線與前指的通信受阻。因此，需要一種備用的手段，實現(xiàn)前線與前指在超遠(yuǎn)距離場景下的信息回傳，保障應(yīng)急場景下的通信及視頻回傳。

1 浮空平臺分析

浮空通信中繼平臺以無人直升機為飛行載體，搭載寬帶自組網(wǎng)、光電吊艙、超短波中繼臺以及數(shù)據(jù)鏈傳輸設(shè)備，各設(shè)備的功能如下。

（1）寬帶自組網(wǎng)。機載自組網(wǎng)為自組網(wǎng)通信系統(tǒng)在空中的中繼，連接前線單板背負(fù)自組網(wǎng)及前指測控車上的車載自組網(wǎng)，工作時，通過無人機搭載機載自組網(wǎng)在前線距地面1 500～2 000 m的高空盤旋，前線各背負(fù)自組網(wǎng)之間可以通過無人機進(jìn)行空中中繼通信，也可以與前指進(jìn)行互聯(lián)互通，配合單兵偵查終端，可實現(xiàn)前線視頻、語音、定位等信息回傳到前指測控車[3]。

（2）光電吊艙。機載視頻采集攝像頭通過無人機搭載到前線高空，可以從高空對前線全局火勢進(jìn)行視頻采集，并通過機載數(shù)據(jù)鏈傳輸設(shè)備回傳到前指測控車。

（3）超短波中繼臺。超短波語音中繼通信，通過無人機搭載到前線高空，提供空對地的語音通信覆蓋，為前線各單兵偵查終端提供大范圍的空中語音通信中繼。

（4）數(shù)據(jù)鏈傳輸設(shè)備。實現(xiàn)無人機到測控車的無線通信，傳輸無人機控制數(shù)據(jù)及光電吊艙視頻到前指測控，并在顯控系統(tǒng)進(jìn)行顯示[4]。

浮空平臺各系統(tǒng)之間連接接口如表1所示。

表1 浮空平臺各系統(tǒng)之間接口表

由浮空平臺各系統(tǒng)之間的接口表可知，光電吊艙采集的視頻通過數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）格式傳輸給機載數(shù)據(jù)鏈終端，由機載數(shù)據(jù)鏈終端將視頻進(jìn)行編碼后回傳給測控車數(shù)據(jù)鏈終端，而光電吊艙的控制指令與機載數(shù)據(jù)鏈終端的接口為雙向RS-422接口。同時，機載數(shù)據(jù)鏈終端還有2個備用的RS-422接口及一個備用的SDI視頻接口。通常，機載數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的發(fā)射功率比自組網(wǎng)設(shè)備的發(fā)射功率大，其覆蓋范圍一般比機載自組網(wǎng)覆蓋范圍大，且機載數(shù)據(jù)鏈還承載了無人機的控制指令數(shù)據(jù)，機載數(shù)據(jù)鏈的最大覆蓋距離決定了無人機與測控車的最大距離即無人機的作業(yè)范圍。由此，前線單兵偵查終端采集的視頻通過背負(fù)自組網(wǎng)及機載自組網(wǎng)傳輸?shù)綗o人機后，除可以通過車載自組網(wǎng)傳回測控車外，還可以借助機載數(shù)據(jù)鏈將視頻回傳到測控車，實現(xiàn)對寬帶自組網(wǎng)鏈路的備份。當(dāng)無人機與測控車的距離超出機載自組網(wǎng)覆蓋距離時，采用機載數(shù)據(jù)鏈作為備用鏈路，能夠?qū)⑶熬€采集的視頻回傳到前指測控車[5]。

2 視頻回傳備用鏈路設(shè)計

前線采集的視頻通過背負(fù)自組網(wǎng)傳給機載自組網(wǎng)，若要通過數(shù)據(jù)鏈將前線采集的視頻傳給測控車，則需要實現(xiàn)機載自組網(wǎng)與數(shù)據(jù)鏈之間的互聯(lián)。由浮空平臺分析可知，機載數(shù)據(jù)鏈可提供SDI視頻傳輸以及RS-422數(shù)據(jù)傳輸兩種方式，同時RS-422接口還承載了無人機飛控的控制指令以及光電吊艙的控制指令，且為高優(yōu)先級的服務(wù)，而留給備用RS-422接口的帶寬只有12.8 kb·s-1，此帶寬無法承載視頻業(yè)務(wù)，因此，視頻回傳備用鏈路只能選擇機載數(shù)據(jù)鏈的SDI接口。

對比寬帶自組網(wǎng)設(shè)備接口與機載數(shù)據(jù)鏈接口可知，寬帶自組網(wǎng)無法與機載數(shù)據(jù)鏈直接連接，因此需要設(shè)計一個轉(zhuǎn)換模塊，將前線傳到機載自組網(wǎng)的視頻轉(zhuǎn)換成SDI格式，接入到機載數(shù)據(jù)鏈，從而實現(xiàn)視頻的回傳[6]。同時，為了將前線背負(fù)自組網(wǎng)的定位信息回傳到前指測控車，機載自組網(wǎng)需要支持通過串口的方式輸出前線背負(fù)自組網(wǎng)的定位信息給機載數(shù)據(jù)鏈，從而將位置信息回傳到前指測控車。由于機載自組網(wǎng)設(shè)備的串口為RS-232接口，因此轉(zhuǎn)換模塊還需將RS-232電平轉(zhuǎn)換成RS-422電平，以接入機載數(shù)據(jù)鏈。

轉(zhuǎn)換模塊與機載自組網(wǎng)及機載數(shù)據(jù)鏈的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)換模塊與機載自組網(wǎng)及機載數(shù)據(jù)鏈連接關(guān)系

轉(zhuǎn)換模塊通過網(wǎng)線與自組網(wǎng)網(wǎng)口相連。機載自組網(wǎng)通過網(wǎng)口將前線采集的視頻傳給轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換模塊將視頻解碼成SDI格式后通過SDI接口將視頻傳給機載數(shù)據(jù)鏈，從而實現(xiàn)視頻的傳輸；另一方面，轉(zhuǎn)換模塊提供RS-232及RS-422接口，分別連接機載自組網(wǎng)及機載數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)前線單兵背負(fù)自組網(wǎng)定位信息回傳到前指測控車。同時，機載自組網(wǎng)提供12 V直流電源，為轉(zhuǎn)換模塊供電[7]。

3 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

由鏈路設(shè)計可知，轉(zhuǎn)換模塊需具備回傳視頻解碼功能以及串口轉(zhuǎn)換功能，其整體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)換模塊架構(gòu)圖

視頻解碼模塊負(fù)責(zé)視頻的解碼，將網(wǎng)絡(luò)視頻格式解碼成通用視頻流輸出給視頻轉(zhuǎn)換模塊，支持 1 080P、720P、D1等視頻分辨率解碼，支持4路同時解碼，支持4路同時顯示及某一路單獨顯示。

視頻轉(zhuǎn)換模塊將通用視頻流轉(zhuǎn)換成SDI格式輸出，匹配光電吊艙視頻接口，支持1 080P、720P、D1等分辨率的視頻轉(zhuǎn)換。

串口轉(zhuǎn)換模塊提供RS-232與RS-422接口轉(zhuǎn)換以及轉(zhuǎn)換模塊控制信息傳輸功能。

控制模塊提供對外網(wǎng)絡(luò)接口，具有解碼視頻分辨率、解碼顯示視頻路數(shù)控制功能。

電源模塊接收外部12 V直流電輸入，并為轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部的控制模塊、視頻解碼模塊、視頻轉(zhuǎn)換模塊以及串口轉(zhuǎn)換模塊供電。

轉(zhuǎn)換模塊主處理芯片采用國產(chǎn)高性能視頻處理芯片Hi3565C，其內(nèi)置雙核處理器和高性能H.265/H.264視頻處理引擎，具備多路高清、超高清視頻處理能力，為轉(zhuǎn)換模塊提供高性能處理 保障。

針對光電吊艙視頻SDI格式，轉(zhuǎn)換模塊從視頻信號轉(zhuǎn)換到視頻信號輸出，全線路采用75 Ω阻抗標(biāo)準(zhǔn)，確保信號輸出規(guī)范，提高信號抗干擾能力，使SDI視頻信號輸出達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)方面，轉(zhuǎn)換模塊采用全鋁合金殼體設(shè)計，重量輕、結(jié)構(gòu)強度高、抗電磁干擾性好，對外網(wǎng)口、電源、串口等接口連接機器時采用航插連接器，連接穩(wěn)定不松脫，完全適用于浮空平臺在復(fù)雜電磁環(huán)境及高強度振動環(huán)境下使用。

4 視頻回傳備用鏈路驗證

視頻回傳備用鏈路驗證組網(wǎng)如圖3所示。前線單兵偵查終端采集的視頻通過前線背負(fù)自組網(wǎng)傳到浮空平臺機載自組網(wǎng)，機載自組網(wǎng)通過轉(zhuǎn)換模塊將視頻轉(zhuǎn)換成SDI格式，傳給機載數(shù)據(jù)鏈，機載數(shù)據(jù)鏈將視頻編碼后傳給車載數(shù)據(jù)鏈，車載數(shù)據(jù)鏈連接車內(nèi)顯控系統(tǒng)，最終實現(xiàn)單兵偵查終端采集的視頻回傳到前指測控車。

圖3 視頻回傳備用鏈路網(wǎng)絡(luò)圖

轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行地面模擬測試完成后，進(jìn)行浮空平臺裝機測試。項目先后在四川成都、江西景德鎮(zhèn)、內(nèi)蒙古阿榮旗、黑龍江塔河及內(nèi)蒙古根河等多地進(jìn)行為期近1年的各種季節(jié)氣候、各種環(huán)境下的測試，通過備用鏈路可以實現(xiàn)當(dāng)前線與前指距離達(dá) 100 km時，前線視頻仍可清晰、流暢地傳回前方測控車，并且前線定位信息可在前指顯控系統(tǒng)實時顯示，滿足浮空中繼平臺超遠(yuǎn)距離通信需求。

在系統(tǒng)裝機聯(lián)調(diào)測試過程中，測試人員發(fā)現(xiàn)前方通過備用鏈路回傳的視頻在顯控系統(tǒng)上顯示時存在間歇性閃屏問題。針對此問題，通過分段排查全鏈路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、視頻連接阻抗匹配、視頻格式及分辨率/幀率匹配等多方面因素，最終確認(rèn)為轉(zhuǎn)換模塊輸出的SDI視頻幀率與機載數(shù)據(jù)鏈視頻輸入幀率不匹配導(dǎo)致。轉(zhuǎn)換模塊視頻輸出幀率默認(rèn)為1 080P 60幀，機載數(shù)據(jù)鏈視頻輸入幀率為1 080P 25幀，導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈在對視頻處理時出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象?，F(xiàn)場將轉(zhuǎn)換模塊視頻輸出分辨率配置為 1 080P 25幀，顯控系統(tǒng)顯示的視頻閃屏現(xiàn)象消失，視頻顯示清晰流暢，在后續(xù)各場景下多次測試，均未出現(xiàn)閃屏現(xiàn)象，問題徹底解決。

5 結(jié) 語

基于對無人機浮空平臺現(xiàn)有裝備的分析，通過設(shè)計轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)不同視頻格式及RS-232/RS-422接口的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)前線采集的視頻及定位信息通過機載數(shù)據(jù)鏈作為備份鏈路回傳給前指測控車，實現(xiàn)前線距前指100 km超遠(yuǎn)距離場景下視頻及定位信息的回傳。經(jīng)過地面模擬測試及實地測試驗證，所設(shè)計的轉(zhuǎn)換模塊滿足備用鏈路視頻回傳的要求。因此，結(jié)合寬帶自組網(wǎng)、轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)鏈的備用鏈路視頻回傳方法，滿足森林滅火救援場景下浮空平臺100 km超遠(yuǎn)距離視頻及定位回傳的需求。