海域無人機帶狀網絡接力測控系統研究

曹 海 ，劉 惠 ，王 兵 ，朱鐵林

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.天津航天中衛數字系統科技有限公司，天津 300301）

海域無人機帶狀網絡接力測控系統研究

曹 海1，劉 惠1，王 兵2，朱鐵林2

（1.國家海洋技術中心，天津 300112；2.天津航天中衛數字系統科技有限公司，天津 300301）

為解決目前海域無人機單點作業模式難以滿足海域大范圍監測和無人機系統規模化運行需求的問題，提出了無人機接力測控方案。結合現有的通信測控技術，提出了4種切實可行的接力測控方案：雙通道接力測控、基于FDMA的接力測控、基于CDMA的接力測控、基于TDMA的接力測控。通過對比各方案之間的優缺點，結合目前現有條件，在保證方案安全性和可實施性的情況下，最終提出了一套多種技術結合的過渡型接力測控實施方案。

無人機；帶狀網絡；接力測控

按照網絡分布區域的拓撲結構，將分布在狹長區域內的多個結點稱為帶狀網絡[1]。海域無人機帶狀網絡接力測控是指海域無人機在帶狀分布的海岸各固定測控站結點之間完成無縫軟切換測控接力，實現測控距離的網絡延伸，從而在無人機航程能力超出測控范圍的情況下實現無人機巡檢效率的最大化。

近些年隨著沿海地區國家發展戰略規劃的全面實施，用海需求持續增長，用海規模不斷擴大。無人機系統這一新型的海域實時動態監測手段，因其在監測端的諸多優勢，在多方監測任務中發揮著重要作用。但由于目前我國海域無人機遙感監視監測技術還處于起步階段，海域無人機遙感監視監測系統尚未形成規模化、產業化、業務化運行能力。在海域應用中，也存在諸多問題與隱患，主要體現在目前海域無人機監視監測的單點作業模式難以滿足海域大范圍監測和無人機系統規模化運行的需求，故搭建海域無人機帶狀網絡接力測控系統就顯得尤為重要。

1 帶狀網絡通信測控系統構架

海域無人機帶狀網絡測控通信系統主要由機載數據終端、測控站數據終端和網絡接入數據終端三部分構成。其中機載數據終端是指通信數據鏈的機載設備，安裝在無人機上，由收發信機、微波前端和收發天線組成，分為機載視距數據終端和機載衛通數據終端；測控站數據終端是指數據鏈的測控站設備，設置在地面、車輛或艦船等平臺上，由收發信機、微波前端和收發天線組成，分為視距測控站數據終端和衛通測控站數據終端；網絡接入數據終端是指測控數據的網絡接入設備，設置在地面、車輛或艦船等平臺上，用于將測控數據接入公網或者專網，直達地面指揮中心。由接口適配器、協議轉換器和網絡接入器組成，分為光纖接入數據終端、公網接入數據終端和微波轉發接入數據終端等[2-4]。

按照上述結構定位，得到帶狀網絡測控通信系統構架如圖1所示。

2 接力測控方案

對于帶狀網絡測控系統而言，重要的一點是需要在帶狀分布的各固定測控站結點之間完成無縫軟切換測控接力，實現測控距離的網絡延伸。同時，需要考慮多架無人機同時進入一個固定測控站結點測控范圍即一站多機的情況下，實現統一、可靠、協調的多機測控。因此分析設計了多種接力測控方案。

圖1 帶狀網絡區域巡檢巡檢測控通信系統功能組成

2.1 雙通道接力測控

雙通道是指無論是地面測控站、中繼無人機還是任務無人機，均進行冗余備份設計，具有雙鏈路通信功能。各固定測控站主鏈路采用同樣的頻率，備鏈路采用同樣的頻率，充分節省頻帶資源。將備用鏈路與主鏈路進行集成設計，無論是收發信機、微波前端還是收發天線，均備有雙通道，同時進行模塊復用和小型化設計，在空間、重量允許的條件下滿足冗余設計要求。備鏈路作為主鏈路的輔助鏈路，優先使用主鏈路，實現遙控、遙測和遙感等信息的傳輸功能。當主鏈路出現中斷和故障時，或者是需要空中接力使用雙鏈路時，人工或自動啟用應急鏈路，實現對飛機的遙控遙測，完成無人機控制權的空中交接，提高特殊、緊急情況下的應對能力[5]。

帶狀網絡區域巡檢無人機無縫軟切換雙通道測控接力過程如圖2所示。圖中無人機在保證載荷數據傳輸不間斷的情況下由固定測控站1控制轉變為固定測控站2控制，主要分為以下幾個階段：

（1）正常巡檢過程：無人機與固定測控站1通過主鏈路進行遙控、遙測、遙感雙向數據傳輸，同時也利用備鏈路進行遙控、遙測雙向數據傳輸，提高無人機測控的可靠性和安全性，由于主鏈路具有高的優先級，所以此過程中以主鏈路數據作為系統業務數據；

（2）無人機空中接力準備：固定測控站1停止主鏈路的上行遙控數據發送過程，繼續通過主鏈路接收遙感數據。由于主鏈路上行鏈路中斷，備鏈路開始起主導作用，故利用固定測控站1的備鏈路完成無人機的遙控、遙測任務；

（3）測控接力過程：固定測控站2開啟主鏈路與無人機進行遙控、遙測、遙感雙向數據傳輸，同時固定測控站1利用備鏈路與無人機進行遙控、遙測雙向數據傳輸，由于主鏈路具有高的優先級，因此無人機以固定測控站2的主鏈路數據作為系統業務數據，測控站之間實現了無人機測控權的移交，實現了測控接力。此過程中無人機利用下行鏈路全向天線同時向地面測控站1和地面測控站2傳輸遙感數據，匯聚至指揮中心以后由指揮中心根據包號重新選擇整理；

（4）正常巡檢過程：固定測控站1斷開備鏈路，停止與無人機的數據交互過程，同時固定測控站2開啟備鏈路，無人機與固定測控站2一方面通過主鏈路進行遙控、遙測、遙感雙向數據傳輸，一方面利用備鏈路進行遙控、遙測雙向數據傳輸，由于主鏈路具有高的優先級，所以以主鏈路數據作為系統業務數據，無人機在固定測控站2的測控下進入正常巡檢過程。

圖2 無人機無縫軟切換測控接力過程

技術特征：雙通道技術比較成熟，雙鏈路備份，可靠性高，具有較強的應急通信能力；所有固定站主鏈路應用同一頻點，備鏈路應用同一頻點，節省頻帶資源；只適合單點通信，如果多架無人機分別受控于不同固定測控站，則需要為每架無人機添加ID標識；如果多架無人機受控于一個固定站，即一站多機，則需要配合其他技術，否則無法避免同頻干擾。

2.2 基于FDMA的接力測控

基于頻分多址（Frequency Division Multiple Access,FDMA）技術是指為每一個測控站分配特定信道，各地面測控站利用不同頻點與無人機進行遙控、遙測雙向數據傳輸，機載測控設備要求具備所有頻段信號的接收解調能力。

帶狀網絡區域無人機FDMA測控接力過程如圖3所示。

圖3 無人機FDMA測控接力過程

圖中無人機在保證載荷數據傳輸不間斷的情況下由固定測控站1控制轉變為固定測控站2控制，主要分為以下幾個階段：

（1）正常巡檢過程：無人機與固定測控站1通過f2頻點上行傳輸遙控數據，通過f1頻點下行傳輸遙測傳輸；

（2）無人機空中接力準備：機載測控設備檢測所有規劃頻點能量，對于超出門限值的頻點，與測控站進行握手協商，確定是否可以進行頻點切換和測控接力；

（3）測控接力過程：固定測控站2與固定測控站1通過地面網絡實時通信，獲取遙控數據，利用f3頻點向無人機發送與固定測控站1相同的遙控信息。機載設備確定切換頻點，繼續利用f1頻點下傳遙測數據，同時接收f3頻點的數據作為遙控信息，完成測控接力。此過程中機載下行遙測數據的發射可以不用更換頻點，同時無人機利用下行鏈路全向天線同時向地面測控站1和地面測控站2傳輸圖像遙感數據，匯聚至指揮中心以后由指揮中心根據包號重新選擇整理；

（4）正常巡檢過程：固定測控站1停止與無人機的數據交互過程，無人機在固定測控站2的測控下進入正常巡檢過程。

技術特征：頻分復用技術比較成熟，適用于多無人機同時工作，如果多架無人機分別受控于不同固定測控站，可通過不同頻點進行區分；可考慮移動蜂窩網形式，可為帶狀（假設40個）固定測控站分配 5 個頻點（如下規劃 f1，f2，f3，f4，f5，f1，f2，f3，f4，f5…f1，f2，f3，f4，f5），一方面能夠避免臨站干擾，另一方面能夠節省頻帶資源，但是要對無人機和固定測控站分別添加標識；如果多架無人機受控于一個固定站，即一站多機，則需要配合TDMA、CDMA或對多架無人機再次進行FDMA，如若采用FDMA需要測控站具備多頻段接收解調能力；測控接力屬于硬切換，即先斷后連，所有同步過程需重新建立，接力中斷時間可達秒級。每個固定站采用不同的頻率范圍，占用較大頻帶帶寬，浪費頻率資源。

2.3 基于CDMA的接力測控

碼分多址（Code Division Multiple Access,CDMA）系統中，窄帶信號乘上了一個稱為擴頻信號的大帶寬信號。擴頻信號是一個偽隨機碼序列，其碼片速率比消息中的數據速率高若干數量級[6]。在基于CDMA的接力測控中，各地面測控站利用相同頻點、不同擴頻偽碼與無人機進行遙控、遙測雙向數據傳輸。機載設備同時接收所有同頻信號，通過不同偽碼序列確定受控于哪個地面測控站。

帶狀網絡區域無人機CDMA測控接力過程如圖4所示。

圖4 無人機CDMA測控接力過程

無人機在保證載荷數據傳輸不間斷的情況下由固定測控站1控制轉變為固定測控站2控制，主要分為以下幾個階段。

（1）正常巡檢過程：無人機與固定測控站1采用偽碼序列PN1傳輸上行遙控數據，利用偽碼序列PN0傳輸下行遙測數據，同時其他地面測控站利用各自的偽碼序列進行統一的遙控數據發射，并接收偽碼序列PN0傳輸的下行遙測數據；

（2）無人機空中接力準備：機載測控設備對所有可能偽碼序列進行檢測，對于超出門限值的偽碼序列，與測控站進行握手協商，確定是否可以進行偽碼切換和測控接力；

（3）測控接力過程：檢測到偽碼序列PN2的信號強度超出門限值并確定可以接力時，機載設備利用PN2信號恢復的數據作為遙控信息，同時繼續利用PN0序列下發遙測信息，完成測控接力。此過程中無人機利用下行鏈路全向天線同時向地面測控站1和地面測控站2傳輸圖像遙感數據，匯聚至指揮中心以后由指揮中心根據包號重新選擇整理；

（4）正常巡檢過程：固定測控站1停止與無人機的數據交互過程，無人機在固定測控站2的測控下進入正常巡檢過程。

技術特征：碼分復用技術在3G移動通信中應用比較成熟，每個固定站采用相同的頻率，只是擴頻碼不同，節省頻率資源；采用先連后斷的接力方式，不需要重新建立同步過程，實現了無縫軟切換；機載設備需要處理多路PN序列檢測，數據處理量較大，對資源、功耗等有較高要求；適用于多無人機同時工作，如果多架無人機分別受控于不同固定測控站，可通過不同PN序列進行區分；如果多架無人機受控于一個固定站，即一站多機，則需要對測控站進行復用，需要測控站具備多碼字、多時隙或多頻段接收解調能力；測控接力屬于軟切換，即先連后斷，無需再次重新建立所有同步過程。

2.4 基于TDMA的接力測控

時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技術把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙（無論幀或時隙都是互不重疊的），與用戶具有一一對應關系，依據時隙區分來自不同地址的用戶信號，從而完成的多址連接。考慮到相鄰時隙的信號之間會有不確定性，在不同時隙之間留有保護間隔，用此緩沖區來減少干擾[7]。

無人機測控接力采用具有滯后余量的相對信號強度準則，即僅允許在新測控基站的信號強度比原測控基站信號強度強一定余量（即大于滯后余量）的情況下進行接力，如圖所示的A點。該技術可以防止由于信號波動引起的移動臺在兩個測控基站之間來回重復切換，即“乒乓效應”。

圖5 無人機測控接力的原則

無人機測控接力過程由無人機、各測控基站及測控中心共同完成。無人機負責測量各測控基站的信號強度，測控基站負責接收無人機反饋的信號強度測量結果，控制中心負責完成切換。N個測控基站依次在其SAT時隙向各無人機發送信號強度測量信號，各無人機接收到各基站發送來的強度測量信號后對與當前基站的信號強度比較。當檢測到某基站的信號強度大于當前基站信號強度一定余量時，無人機在其ACK時隙發送切換基站申請信號，基站將其接收到的切換基站申請信號傳遞給測控中心，測控中心在遙控數據時隙發送無人機切換基站的命令，完成切換。這種切換方式是在與新基站建立聯系信道后，才斷開與原基站的聯系信道,因此在切換過程中沒有中斷的問題,對通信質量沒有影響。

技術特征：TDMA通信系統的基站只用一部發射機，可以避免FDMA通信系統多部不同頻率發射機同時工作而產生的互調干擾；系統不存在頻率分配問題，頻帶利用率高，對時隙的管理和分配比對頻率的管理和分配簡單而經濟；無人機只在指定的時隙中接收指定測控站信息，有利于通信網絡的控制和管理，可保證無人機的越區切換功能可靠的現實；可同時提供多種業務，使系統的通信容量和通信速率成倍增長；系統具有精確的定時和同步功能，可保證各無人機發送的信號不會在測控站發生重疊和混淆，但精確地定時和同步需要額外的開銷，是技術難點；TDMA較之FDMA具有通信質量高，保密好，系統容量大等優點，但它必須有精確定時和同步以保證移動終端和基站間正常通信，技術上比較復雜。

3 方案選擇

3.1 帶狀網絡優化

帶狀網絡中，網絡節點靜態分布，拓撲控制中的聯通與覆蓋等相關問題假定已解決，即無人機的航跡已預知，因此已明確無人機的地面測控站接力測控順序，因此對于幾種接力測控方式均可以進行相應優化：

（1）對于FDMA而言，可以只對相鄰地面測控站劃分不同頻點，例如各測控站依次分配為f1，f2，f3，f4，f5，f1，f2，f3，f4，f5…f1，f2，f3，f4，f5，一方面能夠避免臨站干擾，另一方面能夠節省頻帶資源；

（2）對于CDMA而言，能夠預先得知可能切換的兩個相鄰測控站的偽碼序列，因此機載設備可以只比較三條偽碼序列的能量，如此接力下去依次滑動偽碼序列表，減小機載設備的運算復雜度；

（3）對于TDMA而言，由于無人機沿線帶狀飛行，其航跡已經確定，因此每次可只分配3個時隙，即當前測控站時隙、之前測控站時隙、之后測控站時隙，每次只比較這3個時隙中信號能量即可確定接力條件，依次滑動，減小機載設備數據處理量。

3.2 方案比較

通過上述方案設計及論證，得到各方案的性能對比如表1所示。

表1 各接力測控方案比較

3.3 方案選擇

針對上述分析，建議帶狀網絡接力測控建設實施步驟如下：

（1）首先利用通用測控設備建設點對點的雙通道接力測控系統；

（2）由于已有測控設備中遙控、遙測信號已采用擴頻技術，因此可進一步發展CDMA接力測控技術，一方面改動較小，另一方面可解決特定情況下不能提供雙頻段通道的問題。關于機載設備的運算復雜度，可以采用依次滑動偽碼序列表的方法，每次只比較相鄰3個偽碼的能量；

（3）由于現有一站多機方案多采用TDMA方式，因此最終發展TDMA接力測控方式，如此可將一站多機與接力測控相結合。TDMA接力測控過程中，同樣可采用時隙滑動動態分配方法，每次只比較3個時隙的信號能量來確定是否接力。但是由精準的無人機、測控站定時同步具有相當大的難度，因此作為CDMA接力測控方案的下一個實現目標；

（4）考慮借鑒移動通信制式，采用TDMA以及CDMA相結合的接力測控方式，追求實用性、頻帶效率、復雜度、可實現性折中的最佳方案（CDMA接力測控，TDMA一站多機；TDMA接力測控，CDMA一站多機等）；

（5）FDMA不建議使用，一是頻帶利用率低，而且接力測控過程為硬切換，不具備良好的安全性，同時無論是無人機還是測控站，做到多頻點兼容同時發射、接收，對功率放大器、濾波器及天線都有一定挑戰。

4 結束語

在海域無人機監視監測系統統一測控網絡建設需求分析中，研制無人機跨區域接力測控是其重要的一部分。本文通過對整個無人機監測網絡系統的分析，搭建系統構架，依照需求，提出四種切實可行的接力測控設計方案。后通過結合現有技術條件、方案實施難度及系統特性，提出最終的建設方案。完備的接力測控網絡能將單個無人機的測控距離擴展，通過在大面積跨區海域的無縫軟切換，保證無人機監測范圍可達網絡覆蓋的任意區域，特別是能夠解決將來多種類別的長航時無人機引入海洋監測的測控問題，使長航時跨省區跨海域大范圍監測成為可能。再結合現有的海域動態管理專網，將無人機以網絡節點的形式動態接入到現有的海域動態專網中，實現監測信息的實時上傳、更新、分發，進一步實現信息實時共享、現場統一指揮的效果。

[1]魏傳虎，任杰，張晶晶,等.電力巡線無人機數據傳輸系統研究[J].電子技術應用，2015,41(7)：77-80.

[2]劉天保.一種無人機測控數據鏈設計與應用[D]：天津：天津大學，2012.

[3]劉賓容.接收前段信號設計中的一些考慮[J].電訊技術，2004(3).

[4]周焱.無人機地面站發展綜述[J].航天電子技術，2010(01):1-6.

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[6]王慶揚，張青，韋崗.CDMA移動通信系統中的多用戶檢測技術[J].移動通信2000(02):41-45.

[7]秦勇，張軍，張濤.TDMA時隙分配對業務時延性能的影響分析[J].電子學報，2009(10):2277-2283.

Research on the Banded Network Relay Monitoring and Control System of Ocean UAV

CAO Hai1,LIU Hui1,WANG Bing2,ZHU Tie-lin2
1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;
2.Tianjin Zhong Wei Aerospace Data System Technology Co.Ltd,Tianjin 300301,China

To solve the problem that current UAV single-point operating mode is difficult to meet both the largescale monitoring of the sea and the need of UAV system for scale operation,this paper proposes the relay monitoring and control scheme.Combined with existing communication monitoring and control technology,4 feasible schemes are put forward in this paper,including the relay monitoring and control schemes respectively based on dual channel,on FDMA,on CDMA and on TDMA.Through comparing the advantages and disadvantages of each scheme,as well as analyzing current conditions,this paper puts forward a set of transition schemes combined with various technologies to ensure the security and feasibility of the project.

UAV;banded network;relay monitoring and control

V279；TP273

A

1003-2029（2017）05-0066-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.011

2017-05-31

海洋公益性行業科研專項經費資助項目（201405028）

曹海（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為無人機測控通信。E-mail：caohai_notc@126.com