基于CDMA技術的無人機接力測控系統

李超 朱鐵林 李明 李平敏 律會麗

摘 要：? 無人機在海域動態監視監測、電力巡檢、油氣管道巡線、森林防火巡查等應用場景，飛行范圍大、距離遠、遮擋嚴重，測控距離受限的問題突出，為此探討了常見中繼測控方案的優缺點。根據以上幾種場景下線路較為固定的特點，提出了基于CDMA軟切換的接力測控系統設計方案、技術實現路徑及測試結果，證明本方案可以較低的費效比解決無人機長距離、大范圍的測控問題。

關鍵詞：?無人機;接力測控;CDMA;無縫軟切換

中圖分類號：TN92? 文獻標識碼：A

2015年我國提出“中國制造2025”，以智能制造為核心的工業4.0戰略得以加快推進，融合了通用航空與智能制造的無人機，在各個領域得到了廣泛應用。在海域實時動態監測[1]、電力系統的日常巡檢和維護[2-3]、森林防火[4-5]、應急測繪等領域，無人機發揮著日益重要的作用。針對以上大規模、遠距離作業需求，亟須對無人機的測控范圍進行超視距擴展。當前擴展測控距離的手段主要有：機載蜂窩移動網絡中繼、機載衛星中繼、機間空空中繼、地面移動中繼和地面固定中繼等。針對這類場景具備范圍大、距離遠、線路固定等特征，設計了一種基于軟切換無縫接力測控系統，通過在地面建設多個線型分布的測控站，實現無人機控制權無縫變換。在超遠距離，尤其是無人機航程遠超單地面站測控范圍的情況下，可以延伸無人機作業區域，實現無人機巡檢效率最大化。

1 系統方案

基于CDMA無縫軟切換的無人機接力測控通信系統，由無人機機載數據鏈、地面測控站（含地面數據鏈、測控信息轉發設備、網絡接入終端）和監控指揮終端（含視頻監控設備和飛行監控設備）組成。無人機機載數據鏈和地面數據鏈實現無人機與地面測控站之間的點對點視距通信，測控信息轉發設備實現對地面數據鏈數據的IP化轉換，網絡接入終端實現地面測控站之間的網絡互通，主要采用光纖、4G/5G、衛通等方式。無人機上行主要是遙控數據，傳輸帶寬低，下行主要包括高帶寬視頻數據和低帶寬遙測數據。本系統中，無人機下行數據通過機載數據鏈回傳至地面數據鏈，地面數據鏈通過測控轉發設備將遙測信息回傳至指揮中心的飛行監控設備，將視頻數據回傳至指揮中心的視頻監控設備。飛行監控設備發出的無人機控制信息，通過具有控制權的地面測控站上傳至機載數據鏈和飛控設備。無人機數據鏈路的上行遙控數據速率較低，具備采用擴頻的條件，因此系統采用碼分多址（CDMA）技術對各機載及地面測控站進行標識。碼分多址不同于頻分多址（FDMA）和時分多址（TDMA），是由擴頻理論和技術引出的一種全新的方法。將頻帶資源和時間資源都分給地面終端，每個地面終端采用一個噪聲式的寬帶信號，并可以任意長時間占有整個給定的頻段。其頻帶資源和時間資源不會受到任何限制，其通信容量將比FDMA和TDMA的容量大得多。機載數據鏈采用廣播方式分發圖像和遙測數據，各個測控站可同時接收。地面設備同時向機載設備發送同頻遙控信號，機載設備通過不同偽碼序列的信號強度來確定當前的受控地面測控站。切換過程中，機載測控站采用具有滯后余量的相對信號強度準則，即在非受控地面測控站的信號強度比受控測控站信號強度高于滯后余量的情況下才進行切換。這樣可以防止由于信號波動以及能量相近而引起的無人機在兩個地面測控站之間來回切換，即“乒乓效應”。指揮中心對地面站同時回傳的多路圖像數據并行緩存，切換播放時，根據當前視頻數據中的幀號來選擇所要切換鏈路所對應的下一幀視頻數據，這將避免由于不同鏈路傳輸過程中延時不同導致的圖像中斷和抖動，保證了鏈路切換過程中視頻的流暢性。

以N個線型分布的地面站為例，接力測控系統機載數據鏈基帶信號處理流程如下：無人機同時對N個地面站上行控制信號進行解調同步操作，地面站信號的強度越大，相關值就會越大，因此通過比較相鄰地面站的相關值，并切換至相關值最大的地面站。基本步驟為：①建立連接：無人機開機后，按順序搜索N個地面測控站，直至與相關值最大的地面測控站建立連接;②跟蹤切換：主控地面站與無人機建立連接后，搜索當前地面站及相鄰兩個地面站，分別進行相關同步，計算并比較三個相關值的結果，直至新地面站的相關值與受控地面站差值大于滯后余量，則向前或向后一個地面站切換，否則不切換;以上過程不斷重復;③失聯重建：由于無線鏈路的不可測性，如因受控地面站遮擋或者故障等原因，可能造成當前鏈路中斷。如果出現無人機與受控地面站之間的鏈路中斷，則根據相鄰兩個地面站的相關值大小，切換至信號強度更大的一個地面站，然后進入跟蹤切換階段。

2 技術驗證

基于CDMA軟切換的接力測控系統通過在Modsim中驗證仿真，模擬了無人機從左側地面站向中間側地面站飛行時的軟切換過程，開始時接收到左側地面站的信號能量大，隨著飛機遠離左側地面站并接近中間地面站，飛機接收到左側地面站的能量減小，接收中間地面站的信號能量變大，捕獲右側地面站PN碼之后，捕獲信號一直為高，實現了從中間地面站到右側地面站的軟切換。經過實驗室桌面聯調及外場聯試，驗證結果如下：（1）系統具有遙控、遙測數據傳輸能力;（2）無人機跨區接力測控時，遙測、遙控信號不中斷;（3）測控信號丟包率：<10-4;（4）測控信號誤包率：<10-3。

3 結論

本文提出了一種利用CDMA無縫軟切換的超視距無人機巡檢通信方案，據此設計了一套接力測控系統并進行了實測驗證。結果顯示該方案具有通信質量高、延時較短、不受地形環境限制的優勢，可實現無人機海域動態監視監測、電力巡檢、油氣管道巡線、森林防火巡查等復雜氣候地形環境下的遠距離、長航時巡檢應用，提升無人機系統在觀測巡檢領域的運行管理水平。

參考文獻：

[1]王柯，麥曉明，許志海，等.無人機在湛江電網臺風應急巡檢中的應用[J].廣東電力，2015，28（9）：107-112，118.

[2]曹海，劉惠，王兵，等.海域無人機帶狀網絡接力測控系統研究[J].海洋技術學報，2017，36（05）：66-71.

[3]高澤軍，魏本杰，許睿.無人機圖像壓縮與實時傳輸系統設計[J].電子設計工程，2016，24（10）：186-189.

[4]李龍.關于無人機在森林防火監測方面的應用[J].種子科技，2019，37（14）：121-124.

[5]趙國剛.無人機在森林防火滅火中的應用探析[J].消防界（電子版），2019，5（11）：65-67.

作者簡介： 李超（1987—），男，山東平度人，碩士，工程師，研究方向：無人機測控通信、應急通信指揮、海島礁水上水下一體化測繪等。