張 捷，楊 晨，劉 學(xué)

一種超視距組網(wǎng)無人機載通信系統(tǒng)設(shè)計*

（1 天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司天津 300458 2 天津市智能遙感遙測數(shù)據(jù)處理技術(shù)企業(yè)重點實驗室 天津 300458）

針對超視距集群作業(yè)需求，提出將Ka頻段高通量衛(wèi)星技術(shù)與TD-LTE協(xié)議區(qū)域組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建一種“1+N”架構(gòu)的無人機載測控通信系統(tǒng)。通過方案介紹，闡述了衛(wèi)星、組網(wǎng)、載荷等模塊的設(shè)計思路、方案選型及實物設(shè)計結(jié)果，明確核心單元特點。詳細(xì)論述了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信、平滑低延時傳輸、信源加密等關(guān)鍵技術(shù)，并完成鏈路余量計算、帶寬時延測試及飛行試驗。試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)任意終端間雙向通信穩(wěn)定可靠，方案設(shè)計合理可行。相比于衛(wèi)星、組網(wǎng)單模通信方式，系統(tǒng)在長航距集群測控、任務(wù)協(xié)同、臨場機動及應(yīng)用資費等方面具有明顯優(yōu)勢，為后續(xù)構(gòu)建空天一體化多平臺支撐通信系統(tǒng)，提供工程實踐參考。

無人機；超視距組網(wǎng)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；任務(wù)協(xié)同；集群測控

引言

隨著無人機技術(shù)不斷升級，無人機在以應(yīng)急通信、測繪巡檢、情報偵察、反恐察打為代表的行業(yè)應(yīng)用越發(fā)廣泛。面對多種測控通信需求，文獻[1]提出基于藍(lán)牙與數(shù)傳模塊的無人機通信系統(tǒng)設(shè)計，可實現(xiàn)區(qū)域集群測控，但通信距離短、傳輸速率較低，不滿足長航距任務(wù)要求。文獻[2]提出5G與集群組網(wǎng)相結(jié)合的通信思路，信息傳輸便捷，但大部分海域與偏遠(yuǎn)山區(qū)無信號覆蓋，應(yīng)用場景受限。各科研院所研制的多型譜視距通信鏈路，在相控陣天線與大功率前端增益下，可實現(xiàn)上百公里的有效通信，而面對山區(qū)、丘陵、多建筑物等非通視環(huán)境，也需增加地面站、無人機、衛(wèi)星等中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點[3]。文獻[4]提出了帶狀接力測控設(shè)計，有效改良單節(jié)點中繼方案，作業(yè)距離更遠(yuǎn)，但航行線路固化，缺乏機動應(yīng)變能力。文獻[5]提出Ka頻段衛(wèi)星通信策略，在實現(xiàn)超視距高通量通信基礎(chǔ)上，有效提升了資源利用率與抗干擾性能，然而單機任務(wù)模式在區(qū)域覆蓋、并行作業(yè)、戰(zhàn)場生存及應(yīng)用成本等方面仍存在諸多不足。

針對無人機自主收發(fā)起降技術(shù)愈發(fā)成熟，受現(xiàn)代航空母艦應(yīng)用與無人機協(xié)同作戰(zhàn)啟發(fā)[6,7]，為應(yīng)對超視距條件下大范圍、高帶寬、機動靈活的集群作業(yè)需求，設(shè)計了一套融合Ka頻段衛(wèi)星通信與星型區(qū)域組網(wǎng)技術(shù)的無人機載通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)以大型遠(yuǎn)程任務(wù)無人機為支撐平臺，搭建高通量衛(wèi)星通信主鏈，同時掛載區(qū)域組網(wǎng)終端，與多架輕小型便攜自主收發(fā)無人機一起構(gòu)建“一主多從”的區(qū)域組網(wǎng)次級鏈路。本文介紹了無人機載通信系統(tǒng)的整體框架與工作流程，闡述了系統(tǒng)方案設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)，完成了相關(guān)性能指標(biāo)測試，并給出飛行測試結(jié)果。

圖1 無人機載通信系統(tǒng)框圖

1 系統(tǒng)總體框架與工作流程

本文設(shè)計的無人機載通信系統(tǒng)總體框架如圖1所示，整套鏈路拓?fù)洳捎谩?+N”模式設(shè)計，即“1”為高通量衛(wèi)星通信主鏈，“N”為區(qū)域集群組網(wǎng)二級鏈路。其中，衛(wèi)星通信由無人機載終端、衛(wèi)星、信關(guān)站、數(shù)據(jù)處理中心及地面指控中心組成，而區(qū)域組網(wǎng)鏈路則由系統(tǒng)分設(shè)機載主/從終端節(jié)點，以星型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。遠(yuǎn)程平臺無人機裝備機載總線接口單元，通過多種高低速總線協(xié)議，實現(xiàn)兩級鏈路業(yè)務(wù)的快速傳遞。

根據(jù)信息流向，無人機載通信系統(tǒng)包含前向鏈路與返向鏈路兩個過程。前向鏈路傳輸是指：地面指控中心向平臺無人機發(fā)送目標(biāo)區(qū)域信息、航跡規(guī)劃、作業(yè)科目及遙控指令，平臺無人機解析并轉(zhuǎn)發(fā)給任務(wù)無人機；返向鏈路傳輸是指：任務(wù)無人機通過裝備載荷完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)捕獲，依據(jù)鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)平臺無人機、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至地面指控中心，同時回傳兩級無人機的航跡姿態(tài)、遙測信息、系統(tǒng)狀態(tài)等飛行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)信息傳輸過程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)信息傳輸過程

2 系統(tǒng)方案實現(xiàn)

2.1 衛(wèi)星通信模塊設(shè)計

衛(wèi)星通信為整套通信系統(tǒng)的主干鏈路，在轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星選擇上，需要考慮衛(wèi)星波束覆蓋范圍、轉(zhuǎn)發(fā)效率、噪聲干擾、等效全向輻射功率EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）及接收品質(zhì)系數(shù)G/T（Gain-Temperature Radio）等參數(shù)，以實現(xiàn)機載衛(wèi)星通信終端的最優(yōu)設(shè)計。L、S頻段主要用于衛(wèi)星移動電話，相對速率較低；C頻段常用于衛(wèi)星固定通信業(yè)務(wù)，帶寬趨于飽和；Ku頻段在傳輸能力上提升明顯，但存在資源緊張、覆蓋盲區(qū)多、技術(shù)復(fù)雜、易干擾、資費高等問題；Ka頻段采用多點波束、空分復(fù)用的架構(gòu)設(shè)計，在通道帶寬、波束覆蓋、越區(qū)切換、抗干擾能力、終端尺寸、IP化設(shè)計、流量資費等方面占據(jù)明顯優(yōu)勢[8]，故本方案選擇Ka頻段的中星-16。

衛(wèi)星通信模塊框架結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由接口適配器、調(diào)制解調(diào)器、射頻單元及動中通天線伺服控制系統(tǒng)等部件組成。其中，接口適配器負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)處理、同步緩存、協(xié)議解析及多類型接口通信等工作；調(diào)制解調(diào)器則實現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)編譯碼與調(diào)制解調(diào)過程，基于前向低速遙控與返向高速業(yè)務(wù)考慮，其設(shè)計的主要性能指標(biāo)見表1；射頻單元實現(xiàn)收發(fā)信號放大與噪聲抑制，保障鏈路雙向傳輸性能；動中通天線伺服控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)衛(wèi)星實時跟蹤對準(zhǔn)與信號收發(fā)，由于Ka頻段波束較窄，伺服系統(tǒng)采用精度慣導(dǎo)與方位俯仰組合掃描跟蹤協(xié)同判決的控制方式，以實現(xiàn)動中通天線高精度跟蹤對星，設(shè)計模型如圖4所示。

圖3 衛(wèi)星通信模塊框架結(jié)構(gòu)

表1 調(diào)制解調(diào)器性能指標(biāo)

圖4 動中通伺服系統(tǒng)設(shè)計模型

2.2 組網(wǎng)與載荷模塊設(shè)計

組網(wǎng)鏈路實現(xiàn)多任務(wù)協(xié)同的集群測控功能，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c通信協(xié)議選型上，重點考慮信道容量、傳輸時延、動態(tài)擴展、抗干擾能力及系統(tǒng)維護管理等因素[9]。綜合考慮，本方案選擇基于TD-LTE移動通信協(xié)議的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，該協(xié)議采用正交頻分復(fù)用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）與多進多出MIMO（Multi Input Multi Output）技術(shù)，扁平化系統(tǒng)設(shè)計，在傳輸時延、數(shù)據(jù)吞吐量、抗干擾能力等方面均有良好表現(xiàn)。同時，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)任務(wù)同步分配與多點業(yè)務(wù)匯集，減少多跳路由時延，滿足動態(tài)接入、協(xié)同測控和維護管理的應(yīng)用需求。

在硬件設(shè)計方面，為減少設(shè)備尺寸重量，降低系統(tǒng)功耗，適配輕小型無人機裝備應(yīng)用，方案采用組網(wǎng)通信與任務(wù)載荷集成一體化設(shè)計，包含核心處理器、無線通信模塊、視頻采集單元及系統(tǒng)接口單元等四個部件，可實現(xiàn)視頻采集編碼、載荷控制監(jiān)測、任務(wù)調(diào)度管理、數(shù)據(jù)緩存融合及無線建鏈通信等功能，框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。結(jié)合業(yè)務(wù)應(yīng)用需求與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計，系統(tǒng)選用海思Hi35xx系列處理器與大唐電信LC1860系列無線通信芯片，作為系統(tǒng)主控與通道傳輸?shù)暮诵娜蝿?wù)載體，具體方案選型與性能參數(shù)見表2。

圖5 組網(wǎng)與載荷模塊框架結(jié)構(gòu)

表2 方案選型與性能參數(shù)

在鏈路維護方面，考慮星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯嬖谥鞴?jié)點異常會致使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況，為提升系統(tǒng)魯棒性，方案增加主節(jié)點熱備份設(shè)計，即在平臺無人機部署多個相同配置的中心節(jié)點設(shè)備，同時開機上電，由后臺監(jiān)控系統(tǒng)決策對外通道使能切換，工作終端與備份終端通過高速網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)信息實時同步，鏡像共生，共同維護從節(jié)點網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；當(dāng)工作主節(jié)點狀態(tài)異常，通過監(jiān)測預(yù)警與超時判斷機制，實現(xiàn)從節(jié)點網(wǎng)絡(luò)到備份主節(jié)點設(shè)備快速遷移，有效保障從節(jié)點任務(wù)機飛行安全。

在視頻處理方面，為適配多種載荷吊艙，系統(tǒng)采用可替換式AD子板設(shè)計，通過不同采集芯片，實現(xiàn)常規(guī)接口類型與不同分辨率的視頻圖像接入，后經(jīng)BT656/BT1120/MIPI Rx等接口傳輸，進入媒體處理平臺。采用視頻緩存池動態(tài)分配模式，通過申請大塊物理內(nèi)存切割單元包，實現(xiàn)視頻緩存塊在各處理模塊間快速傳遞，有效提升內(nèi)存使用效率，降低通道延時，視頻處理流程如圖6所示。

組網(wǎng)終端實物如圖7所示，設(shè)備整體重量小于290 g，功耗小于6 W，外接1 W功放與兩個全向彈頭天線，鎖定主從支路前返向鏈路帶寬分別為2 Mb/s、8 Mb/s，組網(wǎng)通信鏈路節(jié)點測控正常，可滿足距離20 km以內(nèi)有效通視傳輸。

圖6 視頻處理流程

Fig. 6 The chart flow of video processing

圖7 組網(wǎng)終端設(shè)計實物圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信

為降低傳輸時延，系統(tǒng)采用將衛(wèi)星鏈路與區(qū)域組網(wǎng)融合為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的通信模式，通過網(wǎng)關(guān)路由配置，實現(xiàn)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包快速傳遞。以返向遙測為例，從節(jié)點發(fā)起返向通信，首先由主節(jié)點配置默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，建立主從通道；同時，主節(jié)點請求衛(wèi)通網(wǎng)關(guān)，獲取衛(wèi)通路由信息與地址轉(zhuǎn)換服務(wù)，建立機-地內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通道；隨后，返向遙測在主從節(jié)點間完成編碼調(diào)制與解調(diào)譯碼過程，數(shù)據(jù)推送至衛(wèi)通編碼調(diào)制單元，經(jīng)濾波、上變頻、功率放大等信號處理過程，由動中通天線發(fā)送上星；經(jīng)衛(wèi)星變頻轉(zhuǎn)發(fā)，在信關(guān)站完成接收、解調(diào)、譯碼的基帶數(shù)據(jù)還原，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的路由配置信息，完成公網(wǎng)業(yè)務(wù)傳輸或二次上星轉(zhuǎn)發(fā)；最終，由地面指控中心獲取協(xié)議棧IP包并解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，獲取從節(jié)點遙測數(shù)據(jù)。

異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖8所示。應(yīng)用層采用實時發(fā)布訂閱協(xié)議RTPS（Real Time Publish Subscribe Protocol），用以提升系統(tǒng)容錯、擴展、動態(tài)管理與模塊設(shè)計等方面性能；傳輸層采用TCP加速與標(biāo)準(zhǔn)UDP協(xié)議，增強系統(tǒng)并發(fā)連接能力，減少傳輸延時，提高帶寬利用率；網(wǎng)絡(luò)層采用壓縮包頭的IP協(xié)議，以提升傳輸效率，滿足網(wǎng)絡(luò)動態(tài)尋址與路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。

圖8 異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在信源數(shù)據(jù)組幀上，為降低協(xié)議開銷，方案采用等長通用協(xié)議幀，以鏈路識別碼、飛機/地面類型編碼、設(shè)備編號區(qū)分響應(yīng)終端，根據(jù)類型傳輸優(yōu)先級，確認(rèn)組幀、排隊、緩存及調(diào)度傳輸規(guī)則。數(shù)據(jù)幀協(xié)議如圖9所示，總長256 Byte，幀頭14 Byte（含密鑰區(qū)），有效數(shù)據(jù)負(fù)載區(qū)242 Byte，組幀效率約為94.5%，滿足鏈路幀協(xié)議設(shè)計要求。

圖9 數(shù)據(jù)幀協(xié)議

3.2 平滑低延時傳輸

系統(tǒng)采用多點任務(wù)機同步作業(yè)模式，在實現(xiàn)區(qū)域?qū)崟r覆蓋的同時，滿足多任務(wù)協(xié)同分配。在有限帶寬下，采用編碼單元可變的H.265壓縮算法，相比于H.264宏塊大小固定，可更好適應(yīng)移動場景變化，以場景信息驅(qū)使動態(tài)編碼，在高效還原圖像質(zhì)量情況下，有效降低編碼速率。然而實際作業(yè)場景變化不定，在編碼高復(fù)雜、高動態(tài)圖像場景時，易出現(xiàn)編碼I幀“瞬時速率過沖”問題，致使緩存溢出或延時累加，圖像顯示花屏或卡頓。為解決該問題，系統(tǒng)使用P幀幀內(nèi)刷新I Slice方法，將大碼率I幀二次編碼為低碼率P幀，在保證圖像質(zhì)量情況下，有效縮減I/P幀大小差異，提升傳輸流暢性。同時，系統(tǒng)采用環(huán)狀隊列存儲與碼勻傳輸機制，以接口緩存能力與視頻編碼間隙匹配環(huán)狀存儲大小，以高優(yōu)先級實時調(diào)度實現(xiàn)碼勻傳輸，有效解決瞬時速率洪峰，避免緩存溢出，保證了低碼率、高畫質(zhì)、高流暢度的視頻傳輸過程，軟件處理過程如圖10所示。

圖10 視頻編碼傳輸軟件處理過程

以4 Mb/s視頻編碼為例，在恒定比特率CBR (Constant Bit Rate)模式下，通過相同的視頻場景輸入，對比碼勻傳輸前后的接口速率差異。為直觀顯示，測試采用UDP組播轉(zhuǎn)發(fā)編碼視頻流方式，利用Wireshark軟件抓包，繪制數(shù)據(jù)IO圖表。經(jīng)測試，碼勻機制有效實現(xiàn)速率均化，保證數(shù)據(jù)流平滑傳輸過程，結(jié)果如圖11所示。

圖11 碼勻傳輸前（左）/后（右）IO圖表對比結(jié)果

3.3 信源加密

無線信號易被捕獲破譯，特別是衛(wèi)星通信與公網(wǎng)傳輸，飛行數(shù)據(jù)面臨外泄風(fēng)險。在信號編碼調(diào)制前增加信源加密，以密態(tài)開展業(yè)務(wù)傳輸，有效提升系統(tǒng)安全性。故系統(tǒng)方案采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)AES (Advanced Encryption Standard)算法的信源加密方式，基于復(fù)雜密碼反饋CFB (Cipher FeedBack)或輸出反饋OFB (Output FeedBack)流處理工作模式，初始向量為128 bit，密鑰為256 bit，s位因需調(diào)整。在進行單幀數(shù)據(jù)加密時，以本地真隨機數(shù)據(jù)配對密鑰庫地址，通過加載密鑰庫中Ⅳ與Key的隨機組合，完成協(xié)議幀數(shù)據(jù)區(qū)加密；同時，更新協(xié)議幀密鑰區(qū)地址信息，保證解密端密鑰匹配與信息安全。以CFB模式加密為例，實現(xiàn)過程如圖12所示。

使用遙控/遙測自收發(fā)軟件，模擬256 kb/s上行遙控指令，于鏈路前后兩端模擬數(shù)據(jù)收發(fā)，通過幀同步、CRC校驗、數(shù)據(jù)匹配及計數(shù)累加計算，確認(rèn)單幀數(shù)據(jù)的鏈路傳輸時延。經(jīng)測試，在鏈路明密態(tài)模式下分別傳輸10萬幀業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，密態(tài)較明態(tài)平均傳輸時延累加小于0.5 ms，與鏈路整體傳輸時延相比，可忽略不計，對比結(jié)果如圖13所示。

圖12 AES算法CFB模式數(shù)據(jù)加密過程

圖13 明密態(tài)傳輸平均延時對比結(jié)果

4 鏈路測算與飛行試驗

4.1 鏈路余量計算

通信系統(tǒng)由衛(wèi)通鏈路與組網(wǎng)鏈路組成。其中，區(qū)域組網(wǎng)為視距通信，終端采用1W功放與雙天線搭配模式，支持自動功率控制、多時隙分配、信道容量共享等功能，在鎖定主-從單支鏈前返向額定速率256 kb/s與2 Mb/s情況下，具備實測20 km有效傳輸距離。而衛(wèi)通鏈路涉及天線功放增益、傳輸衰減、噪聲干擾、EIRP及G/T等參數(shù)，相比于視距鏈路，傳輸過程與參考取值更為復(fù)雜，故系統(tǒng)重點討論衛(wèi)星通信鏈路性能。

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計，機-地間衛(wèi)星鏈路前返向額定帶寬分別為2 Mb/s與8 Mb/s，機載終端采用等效口徑0.45 m動中通天線與20 W功放組合模式，文獻[10,11]提出的鏈路余量計算指標(biāo)與雨衰估值方法，計算飛機與信關(guān)站間前向和返向鏈路余量分別為11.72 dB與5.69 dB，其中前向鏈路余量約為返向鏈路余量的2倍，可有效保證無人機飛行安全，滿足設(shè)計要求。衛(wèi)星鏈路余量計算過程如圖14所示。

4.2 信道容量測試

根據(jù)任務(wù)設(shè)定與業(yè)務(wù)需求，劃分各區(qū)間鏈路雙向傳輸帶寬，依照實際應(yīng)用模式，搭建“一主四從”信道容量測試系統(tǒng)。使用Iperf網(wǎng)絡(luò)測試軟件，在各區(qū)間鏈路搭建服務(wù)器-客戶端通信模型，通過標(biāo)準(zhǔn)UDP單播協(xié)議，以1 024 Byte單包長與信道設(shè)定帶寬最大速率，開展雙向數(shù)據(jù)包收發(fā)測試，持續(xù)時間60 min。經(jīng)測試，各區(qū)間鏈路信息傳輸速率符合信道帶寬設(shè)定，測試時間內(nèi)無丟幀誤碼情況，系統(tǒng)設(shè)計滿足實際應(yīng)用需求，信道容量測試結(jié)果見表3。

圖14 衛(wèi)星鏈路余量計算過程

表3 信道容量測試結(jié)果

4.3 傳輸時延測試

沿用上述測試系統(tǒng)，使用ping指令測試各終端間空口傳輸時延（往返）。其中，衛(wèi)星鏈路采用端到端雙跳傳輸模式，區(qū)域組網(wǎng)各分支鏈路前返向帶寬配置相同，測試結(jié)果如表4所示。經(jīng)測試，各級鏈路時延符合理論估算范圍，兩級鏈路時延和與系統(tǒng)首末端時延測試結(jié)果相近，確認(rèn)系統(tǒng)時延測試準(zhǔn)確有效。

表4 鏈路時延測試結(jié)果

圖15 飛行試驗框架結(jié)構(gòu)

4.4 飛行驗證

針對實際應(yīng)用模式，開展方案系統(tǒng)掛飛試驗，框架結(jié)構(gòu)組成如圖15所示。使用一架大型固定翼無人機作為平臺作業(yè)機，搭載Ka頻段高通量衛(wèi)通終端，通過內(nèi)置總線接口單元，與機腹內(nèi)組網(wǎng)終端設(shè)備（中心節(jié)點）開展實時信息交互；選用四架多旋翼垂起無人機作為從節(jié)點任務(wù)機，搭載高清光電吊艙，開展區(qū)域任務(wù)作業(yè)；地面指控中心由移動方艙車與外接1.2 m拋面天線構(gòu)成，通過艙內(nèi)鏈路監(jiān)控軟件，實現(xiàn)全鏈路系統(tǒng)測控與實時業(yè)務(wù)處理。在開展飛行試驗時，首先由地面指控車控制平臺無人機飛行至作業(yè)區(qū)域，切斷視距鏈路，改用高通量衛(wèi)通鏈路；旋翼無人機已先于作業(yè)區(qū)域布站上電等待，當(dāng)收到組網(wǎng)終端遙控信號后，多架從節(jié)點任務(wù)機開始同步升空作業(yè)；光電吊艙捕獲區(qū)域場景信息，以協(xié)議幀方式，經(jīng)組網(wǎng)與衛(wèi)星兩級鏈路傳輸，發(fā)送至地面指控中心，完成實時解碼顯示。

經(jīng)測試，地面指控中心與平臺作業(yè)機、區(qū)域任務(wù)機雙向通信正常，系統(tǒng)任意終端節(jié)點測控有效，四路從節(jié)點同步回傳1 080 P@60 Hz的編碼視頻圖像流暢無卡頓，確認(rèn)方案設(shè)計合理可行。試驗過程記錄如圖16所示。

圖16 地面數(shù)據(jù)接收與任務(wù)機回傳航拍截圖

5 結(jié)束語

鏈路融合技術(shù)是當(dāng)前無人機系統(tǒng)升級的重要方向，本文設(shè)計了一款集高通量衛(wèi)星通信與區(qū)域星型組網(wǎng)于一體的無人機載通信系統(tǒng)。兩級鏈路搭建異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，通過衛(wèi)星通信，延伸集群作業(yè)半徑；通過任務(wù)分配與多機協(xié)同，彌補單機作業(yè)缺陷，提升系統(tǒng)臨場機動與戰(zhàn)時協(xié)同的應(yīng)用生存能力，為無人機超視距、高時效、同步覆蓋作業(yè)提供了一種可行方案。本文通過方案介紹與關(guān)鍵技術(shù)說明，闡述了系統(tǒng)特點與技術(shù)優(yōu)勢，經(jīng)過鏈路測算與多次飛行試驗，確認(rèn)系統(tǒng)方案設(shè)計滿足超視距集群測控通信需求，具備實際工程化應(yīng)用前景。

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A design of UAV-borne communication system of non-line-of-sight networking

ZHANG Jie1,2, YANG Chen1, LIU Xue1

（1. Tianjin Zhong Wei Aerospace Data System Technology Co., Ltd, Tianjin 300458, China;2. Tianjin Key Laboratory of Intelligent Information Processing in Remote Sensing, Tianjin 300458, China）

Aiming at the requirements of non-line-of-sight (NLOS) controlling multiple UAVs working in clusters, it was proposed to combine the Ka-band high-throughput satellite technology with the TD-LTE protocol zone networking technology to build a “1+N” architecture of UAV-borne telemetry, tracking and command (TT＆C) system. Through the introduction of the scheme, the design ideas, scheme selections and physical design results of modules such as satellites, networking, and payloads were explained, and the characteristics of the core units were clarified. The key technologies such as heterogeneous network communication, smooth low-latency transmission, source encryption were expanded. The link budget, bandwidth delay test, and flight test were completed. The results showed that either direction TT＆C between any terminals in the system was robustness and the design was reasonable and feasible. Compared with satellite and networking single-mode communication modes, the system had obvious advantages in long-range cluster measurement and controlling, task coordination, on-site maneuvering and cost. It provided practice reference for the subsequent construction of aerospace integrated multi-platform support communication system.

Unmanned aerial vehicle; NLOS networking; Heterogeneous network; Task collaborative; Cluster TT&C

V243.1

A

CN11-1780(2022)05-0001-10

10.12347/j.ycyk.20211230001

張捷, 楊晨, 劉學(xué).一種超視距組網(wǎng)無人機載通信系統(tǒng)設(shè)計[J]. 遙測遙控, 2022, 43(5): 1–10.

DOI：10.12347/j.ycyk.20211230001

: ZHANG Jie, YANG Chen, LIU Xue. A design of UAV-borne communication system of non-line-of-sight networking[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(5): 1–10.

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（No. 2017YFC1404900）；天津市科技計劃項目（No. 19YDSSGX00320）

2021-12-30

2022-01-28

張 捷 1987年生，碩士，工程師，主要研究方向為無人機測控通信系統(tǒng)設(shè)計、衛(wèi)星通信技術(shù)、視頻圖像處理。

楊 晨 1982年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為無人機集群組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計與通信體制設(shè)計。

劉 學(xué) 1986年生，碩士，工程師，主要研究方向為無人機測控通信系統(tǒng)設(shè)計。

(本文編輯：傅 杰)