無人機衛星通信鏈路數據管理及應用研究

朱澤，唐世玉/95894部隊，北京市 昌平區 022

陳敏2/61646部隊，北京市 海淀區 100192

吳彥3/北京市信息技術研究所，北京市 海淀區 100038

衛星通信數據鏈是目前無人機進行超視距測控與信息傳輸的最佳解決手段，也是視距鏈路被遮擋或干擾時的最佳備用手段。本文通過分析衛星通信數據鏈數據構成，研究數據的應用方向，設計開發了衛星通信數據管理系統，對全面掌握數據鏈質量狀態，保障飛行安全，提高數據利用價值具有重要意義。

目前,衛星通信數據鏈是無人機進行超視距測控與信息傳輸的最佳解決手段，也是視距鏈路被遮擋或干擾時的最佳備用手段。在超視距飛行任務中，衛星通信數據鏈的好壞，直接影響無人機的飛行安全以及圖像數據傳輸效果。2014年6月20日，美國《華盛頓郵報》刊發了關于美軍無人機事故的文章。該文梳理的美國軍方報告顯示，自2001年9月至2013年底，美軍無人機共發生418起重大墜毀事故，這一數字和同一時期美軍有人駕駛飛機的事故相當，而從事故率上看，則遠遠超過有人駕駛飛機。并且，在超過四分之一的最嚴重的無人機墜毀事故中，都發生了通信鏈接崩潰或丟失的問題。因此，分析衛星通信數據鏈數據構成，研究數據的應用方向，對全面掌握數據鏈質量狀態，保障飛行安全，提高數據利用價值具有重要意義。

無人機衛星通信鏈路系統組成及信號傳輸流程

無人機衛星通信數據鏈系統和信號傳輸示意圖如圖1～2所示。數據鏈分上行鏈路和下行鏈路。上行鏈路為地（車）—星—機鏈路，下行鏈路為機—星—地鏈路。

圖1 無人機衛星通信數據鏈系統示意圖

上行鏈路傳輸遙控信息，即指揮控制車遙控指令通過電（光）纜送至衛星通信鏈路設備車內的擴頻調制器進行擴頻調制，擴頻調制信號通過電（光）纜送至天線車的微波室外單元（ODU）變頻為射頻載波，放大后發向衛星；衛星轉發器將收到的上行載波放大并轉發；機載天線收到該載波，送低噪聲放大器（LNA）放大，再由下變頻器（D/C）變為中頻，經解擴解調器恢復出遙控信息，分別送機載遙控盒和飛控計算機，從而完成了上行遙控信息的傳輸。

圖2 信號傳輸示意圖

下行鏈路傳輸遙測信息和偵察圖像信息，經加密調制后由機載衛星通信設備發送至衛星，地面站天線車接收到數據后，經過LNA放大，經過分路器一部分送往ODU，另一部分送至天線控制機柜的信標接收機；送至ODU的信號由下變頻器（D/C）變為中頻，再經過分路器分別送給各調制解調器進行解調和一部頻譜儀用于信號監視；最后解調處的信號數據傳送至指揮控制車用于顯示當前飛機狀態。

衛星通信數據構成

無人機衛星通信數據按數據運用方式通常包括基礎數據、設備數據、信號數據、事件數據以及故障數據五大部分。

圖3 無人機衛星通信數據鏈數據構成

基礎數據

基礎數據主要包括日期天氣以及衛星通信站所在地點無人機的型號機號及載荷設備種類和飛行任務名稱等。這類數據是進行數據篩選與統計分析必不可少的分類條件。

設備數據

設備數據主要是衛星通信站通信設備設定的各類數據，包括天線控制單元數據、室外功放單元數據、調制解調器數據以及頻譜儀數據等。無人機遙控指令和遙測信息通過這些設備的調制、放大、發射、回收、解調、顯示等步驟來完成地面站與無人機之間的信息傳輸。

信號數據

信號數據主要是通過頻譜儀、調制解調器等設備測量得到信號強弱的數據，通常包括調制解調器解調得到的信噪比、頻譜儀顯示的參考電平值等。信噪比有三種，分別是用于測量自還信號的自環信噪比、測量遙控信號的擴頻信噪比以及測量遙測信號的功放信噪比。參考電平值是指在一定射頻衰減下的參考電平。

事件數據

事件數據是指在通信過程中，記錄的突發事件數據或設備檢測數據，通常包括時間、現象、原因、應急措施等。例如，“2018年9月24日10：40：35，信號被干擾，10：41：55更換頻率后，信號恢復”。

故障數據

故障數據是指衛星通信站設備或機載衛星通信設備發生故障時，在排故過程中產生的相關數據，包括基礎數據、故障現象、排故描述、解決方案等。

數據應用

天線快速對星

無人機地面站部署時，衛星通信天線一旦收藏，就需要重新對星。常規的對星方式天線方位/俯仰扇掃耗時長、對星差錯率高，適合無人機地面站部署在全新地點時使用，流程如圖4。

圖4 衛星通信天線對星流程

當無人機地面站部署在以前的地點或附近時，可以通過檢索歷史數據中的地點、方位值、俯仰值、信標接收機電壓值等參數，縮小天線的扇掃范圍，減少扇掃次數，或可直接設置天線的方位/俯仰值，在附近微調，提高扇掃效率和對星成功率，完成快速對星，極大的節約布站時間。

設備質量監控

通過在事件數據中記錄設備數據和信號數據，進行統計分析，可以檢測衛星通信設備在某個時間段的信號質量狀態變化情況，進而可以分析其裝備質量狀態情況，為設備質量監控，提供數據支撐。如圖5，在無人機進行長航時飛行任務時，在事件數據中，每小時采集一次擴頻信噪比和功放信噪比，分析發現，擴頻信噪比始終保持在18.0附近（正常值為16～20），功放信噪比始終保持在4.0～6.0范圍內（正常值為3.5～8）。本次任務中，衛星通信質量狀態良好。

圖5 長航時飛行衛星通信擴頻/功放信噪比采集圖

圖6 衛星通信數據管理系統主頁面

圖7 頻率計算頁面

圖8 衛星通信數據記錄頁面

圖9 衛星通信數據查詢頁面

故障診斷排除

衛星通信是眾多電子設備的集合，任何一個電子元件的不穩定都會引發一連串的故障。故障排除作業涉及人員多、崗位多、誘發故障原因多、排故設備專業度高、故障現象復雜。因此，通過記錄收集衛星通信故障數據，對照歷史數據中故障現象，排故過程和解決方案，可極大的縮短故障排除時間，提高排故效率，從而提高無人機衛星通信數據鏈戰場搶修能力。

衛星通信數據管理系統

當前，無人機每次聯試和飛行的原始數據中記錄了衛星通信數據鏈的部分設備數據，缺少基礎數據、信號數據、事件數據和故障數據，且原始數據提取困難，作業人員只能通過人工記錄的方式進行數據留存。

針對當前無人機衛星通信數據的管理現狀，設計開發無人機衛星通信數據管理系統。通過該系統實現對多型無人機衛星通信數據的綜合管理，提高數據分析的質量、效率和深度，充分挖掘利用數據應用價值。

圖10 衛星通信故障數據管理頁面

系統架構設計

采用sqlite輕量級數據庫，基于.NET Framework，選用C#編成語言，利用ADO.NET接口實現數據庫的訪問管理。

系統主要功能實現

衛星通信數據管理系統可實現系統登錄、頻率計算、數據記錄與查詢、故障管理以及衛星通信知識等功能，主頁面如圖6所示。

(1)頻率計算

不論是上行鏈路還是下行鏈路，信號都要經過衛星轉發器進行頻率偏移，操作手必須手動設置匹配地面站與機載衛星通信設備的發送頻率和接收頻率，才能完成鏈路的聯通。該模塊提供的3種計算方式方法清晰、操作簡便、上手快速、適合新人帶教，如圖7所示。

(2)數據記錄與檢索

依據衛星通信數據構成和衛星通信系統設備組成，分組記錄每次任務的衛星通信數據，統一保存。如圖8所示。

根據日常工作中的檢索習慣，按照時間段、地點、機型、任務、衛星以及事件關鍵詞等基礎數據要素設置查詢條件，實現對歷史數據的檢索及顯示，如圖9所示。

(3)故障管理

按照故障數據的相關要素，詳細記錄每次故障的故障現象、排故過程以及最終的解決方案，并通過對數據的檢索來查看歷史數據的詳細情況，提高排故效率，如圖10所示。

結束語

本文通過介紹無人機衛星通信數據鏈系統組成和傳輸原理，分析其數據構成，研究數據應用方向，并設計開發了衛星通信數據管理系統，有效解決了無人機衛星通信數據無法留存的問題，為全面了解衛星通信設備質量狀態，保障無人機超視距飛行提供關鍵數據支撐。 ■