無人機接力測控數據鏈設計*

律會麗，李平敏

(天津航天中為數據系統科技有限公司，天津 300301)

0 引 言

隨著科技水平的發展，目前無人機測控系統已廣泛應用于軍事、海洋、電力、林業、石油等航空監測領域[1-2]。在電力巡線、油氣管道巡檢領域，無人機巡查方式具有成本低、工作效率高、安全性好等特點，近年來受到了廣泛的關注和研究[3-4]。

油氣管道、電力線纜一般綿延數百甚至上千公里，單點視距傳輸的無人機系統很難滿足上述應用場景。同時，高效率中大型無人機的大量引入，給地面運輸轉場帶來了困難，且轉場勢必造成巡檢效率的降低。考慮到當前無人機航程水平穩步提升，單架次巡線長度不斷增大，因此設計一種應用于長距離巡檢、遠程操控的無人機數據鏈十分必要。

目前，無人機超視距數據鏈主要采用通信中繼的方法，包括地面中繼、衛星中繼、無人機空中中繼等。目前，國內的研究主要集中在無人機空中中繼及衛星中繼方面，如文獻[5]提出的數據鏈，利用一架中繼無人機轉發上下行數據，但該系統僅能將無人機巡查范圍提高一倍左右，巡檢范圍有限；文獻[6]提出的衛星中繼方案，通過衛星轉發上下行信息，覆蓋范圍廣，通信可靠性高，但民用衛星帶寬有限，且申請開通手續繁瑣。電力巡線、油氣管道巡線等應用巡檢距離特別長，下行業務速率高，上述兩種方法均不適用。

根據油氣管道、電力線路呈線性分布、線路固定、巡視距離長、需定期巡查等特點，本文設計的無人機接力測控系統采用地面固定中繼的方法提升測控范圍。該方法在巡查線路設置多個地面站，地面站通過光纖或無線公共網絡與地面指揮中心互聯，機載設備隨著飛行線路采用站間接力的方式，實現沿巡線線路、長距離的實時數據傳輸。

1 系統組成

接力測控數據鏈由1個機載測控終端、多個地面測控站終端和地面指揮中心組成，系統組成如圖1所示。

圖1 系統總體構成

圖1中，機載測控終端安裝在無人機平臺上，主要實現下行數據(遙測、圖像等)的發送和上行遙控的接收，同時實現無人機控制權在地面站間的切換。

地面站接收指揮中心的控制指令，生成遙控數據，并利用相同頻點、不同擴頻偽碼發送出去。同時，地面站完成下行信息的接收和處理，并將處理過的信息轉發給指揮中心。

指揮控制中心為接力測控系統的管理和控制中心，通過網絡與各地面站互通，完成控制指令的發送及下行信息的處理和顯示。

2 接力測控實現方案

2.1 地面站多址方式

系統由多個地面站組成，因此需要考慮上行鏈路地面站間的多址方式。

文獻[7]分析了基于頻分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)、時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)、碼分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)的接力測控方案及其優缺點。

FDMA每個用戶占用一個頻點，相鄰頻點間需加入保護頻帶，導致頻譜利用率較低：相同條件下單用戶頻帶利用率為Rb/B(Rb表示用戶信息比特率，B為帶寬)時，FDMA頻帶利用率為Rb/(B+BGP)(BGP為保護頻帶帶寬)，并且FDMA系統不能實現軟切換。

TDMA方式雖然可以實現軟切換，但時隙間需要插入保護間隔，導致傳輸效率較低：同等條件下，單用戶系統傳輸效率為η時，TDMA系統傳輸效率為η×a(a為保護間隔時間與總傳輸時隙的比值，0

CDMA方式所有用戶在同一頻點發送數據，每個用戶采用不同的擴頻碼對數據進行擴頻。CDMA不需要插入保護頻帶和保護時間，不需要地面站間的時間同步，且可實現跨站軟切換；CDMA的主要缺點是存在遠近效應，但本系統機載設備只需要與最近的一個地面站建立可靠連接，所以可利用遠近效應進行站間切換，而不會受CDMA遠近效應的不利影響，因此上行鏈路選擇CDMA方式。

2.2 雙工方式

時分雙工(Time Division Duplex,TDD)收發共用同一個頻點，上下行鏈路在不同的時隙發送數據。TDD收發單元可共用部分射頻單元且不需要收發隔離器，具有設備成本低的優點，但由于TDD上下行鏈路在不同的時隙發送數據，上下行設備間需要嚴格的時間同步。頻分雙工(Frequency Division Duplex,FDD)上下行鏈路在不同的頻點發送數據，設備復雜度相對TDD較高，但設備間不需要時間同步。

本系統包括多個地面站，站間的時間同步比較困難，TDD方式不適合本系統，因此采用FDD方式。

2.3 調制方式

各調制方式中，相移鍵控(Phase Shift Keying,PSK)解調門限最低，實現簡單，且為恒包絡調制，對發射功放的線性要求較低，因此本系統選擇PSK調制。8PSK及更高階調制不具備良好的誤比特性能，難以滿足無人機測控對通信質量的高標準要求，這里不予采用。本系統上行信息速率低，因此采用二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)調制方式，保證上行遙控信息的可靠傳輸；下行傳輸信息速率高，因此采用正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)調制，可提高有限頻帶資源下的頻帶利用率。

2.4 編碼方式

選用信道編碼方式主要依據為編碼增益和延時。本系統上行遙控信息速率低，且對延時要求嚴格，因此選用編碼增益略低但延時小的卷積編碼方式。下行鏈路信息速率高，鏈路余量壓力較大，需要更高的編碼增益，因此選用編碼增益高但延時略大的LDPC編碼[9]。

2.5 實現方案

基于以上分析，本文的接力測控系統采用如下方式實現：

(1)上行鏈路

地面設備采用CDMA多址接入方式，各地面站利用相同頻點、不同擴頻偽碼傳輸上行數據[10]。無人機同時接收多個地面站上行信號，根據信號強度選擇受控于哪個地面站。

上行鏈路采用“先連通后斷開”的CDMA軟切換原則[11]，無人機控制權由原地面站切換到新地面站時，與新地面站建立連接之后，才斷開與原地面站間通信，因此可保證站間切換時上行鏈路不斷鏈。

(2)下行鏈路

為保證無人機在地面站之間進行測控接力過程中高速的遙測、圖像數據不間斷，下行數據采用全程廣播方式發送。能夠接收到下行數據的地面站將收到的信息通過網絡發送給地面指控中心，指控中心將多個地面站信息進行整合處理，保證跨站切換時下行數據不丟幀。

3 站間切換算法設計

無人機從與一個地面站互聯切換為與其他地面站互聯的過程，稱為站間切換。本系統站間切換由機載設備根據多個地面站的信號大小進行自主切換。

3.1 站間切換原理

本系統K個地面站分別采用不同的擴頻偽碼進行直接序列擴頻，并以相同的發射功率進行上行發送。地面站k的數據

Xk=[xk(1),xk(2)，…，xk(N)] ，

(1)

使用長度為N的擴頻碼

Gk=[gk(1),gk(2),…,gk(N)]，

(2)

則擴頻后的信號可以表示為

Sk=[xk(1)Gk，xk(2)Gk,…，xk(N)Gk]。

(3)

式(1)～(3)中：xk∈{-1,+1}表示地面站k發送的比特信息；gk∈{-1,+1}表示地面站k的擴頻碼信息[12-13]；k=1,2,…,K，K表示地面站總數。

假設系統的信道噪聲為加性高斯白噪聲，機載接收端捕獲跟蹤條件是理想的，則在不考慮信道衰落和多徑效應的情況下，接收端的基帶信號可表示為

(4)

式中：Ak表示收到地面站k信息的幅度，τk表示地面站k信息的傳輸延時n(t)表示高斯白噪聲。

機載接收端對地面站m的信息完成偽碼同步后，偽碼相關結果可表示為

(5)

由于接收端對地面站m的信息完成了偽碼同步，因此式(5)中t=1～N時xm(t)保持不變，數值為+1或-1，即第一項等于±AmN。

根據GOLD序列的相關特性[14]，式(5)第二項很小，可忽略；第三項為高斯白噪聲，相關值也可忽略。因此，偽碼相關結果可近似表示為

corm≈AmN，

(6)

即可用每個地面站信號的偽碼相關結果表示該地面站上行信號大小。

由于所有地面站以相同的功率發送上行信息，因此機載設備收到的地面站信號大小只與傳輸距離有關，即地面站與無人機間的距離越近，路徑損耗越小；無人機收到的該地面站信息功率越大，偽碼相關值越大。因此，機載設備可計算和比較各地面站信息偽碼相關值，并選擇相關值最大的地面站為當前受控站。該算法可保證無人機一直與距離最近的地面站進行通信。

3.2 站間切換原則

無人機測控接力采用滯后余量的相對信號強度準則，即僅允許在新測控站一段時間內的平均信號強度比原站強一定相對余量的情況下進行站間切換，如圖2中的A點。

圖2 站間接力原則

圖2中，當無人機由地面站1向地面站2飛行時，無人機原來與地面站1通信，當無人機飛到圖中A點時，收到的地面站2平均信號強度(P2)與地面站1信號強度(P1)的差值大于設定的余量(即滿足P2>(1+α)P1時，其中余量α為一個相對值)，無人機控制權由站1切換到站2。該技術可以防止由于信號波動引起的無人機在兩個地面站間“乒乓切換”。

3.3 站間切換算法實現

由于電力線纜、油氣管道等應用場景，地面站接力測控順序固定，因此機載設備可以只比較當前地面站和前后各一個地面站的信號大小，即可判斷無人機跨站切換方向，直至找到最近的地面站。機載端站間切換具體實現方法如圖3所示。

圖3 機載設備站間切換算法

圖3中，CATCH_L/M/R分別指前一站、當前站、后一站偽碼同步狀態，AVG_L/M/R分別指三個地面站相關結果平均值。

無人機同時對相鄰三個地面站信號進行解調同步操作，并將接收信號與三個地面站對應的擴頻偽碼進行相關計算，對偽碼相關值進行累加和平均，并將偽碼同步狀態和三個平均值發送給接力測控狀態機模塊。狀態機模塊判斷是否進行地面站切換，并更新三個地面站擴頻偽碼，其狀態轉移圖如圖4所示。

圖4 跨站切換狀態機狀態轉移圖

圖4中，ND是一個脈沖信號，AVG 信號每更新一次，ND拉高一個時鐘周期。各狀態意義如下：

IDLE——等待狀態，上電初始狀態；

JUDGE_CATCH——判斷同步狀態；

LOST——斷鏈狀態；

COMP_M——比較當前站與相鄰站信號大小，判斷是否切換地面站；

HOLD_M——保持當前地面站；

COMP_LR——比較相鄰兩個地面站信號大小，判斷是否切換地面站；

CHANGE2L——無人機控制站切換到前一個地面站；

CHANGE2R——無人機控制站切換到后一個側地面站；

UPDATA_PN——更新三個地面站擴頻碼。

3.4 接力測控工作流程

接力測控接力流程可分為開機建立流程、正常接力流程、斷鏈重建流程三種情況。

3.4.1 開機建立流程

機載設備開機，接收上行信息，默認當前地面站為1，機載設備接收比較地面站K、1、2的信號，如果三個站均同步失敗，則切換當前站為地面站2，重復上述過程。如果與地面站同步成功，根據切換原則，切換到相應地面站，進入正常接力巡檢流程。

3.4.2 正常接力巡檢流程

無人機在正常飛行過程中，由與地面站1通信切換為與地面站2通信，主要分為以下幾個階段：

(1)正常巡檢過程

無人機接收地面站1上行數據，同時監測相鄰兩個站信息，并與站1信息強度進行比較。

(2)站間切換過程

檢測到地面站2信號強度超出門限值，無人機更新本地擴頻偽碼，并接收地面站2的數據作為遙控信息，完成測控接力。此過程中機載設備在成功收到站2遙控信息包后才停止對地面站1遙測信息進行解擴譯碼，保證站間軟切換。

(3)正常巡檢過程

無人機與地面站1的數據交互停止，在地面站2的測控下進入正常巡檢過程。

3.4.3 斷鏈重建流程

如果無人機巡檢過程中，與當前地面站鏈路中斷，則比較相鄰兩地面站同步狀態和信號大小并向信號較大的地面站切換，然后進入正常巡檢過程；如果與三個站均斷鏈，則無人機進入斷鏈重建過程，從當前地面站開始，順序搜索所有地面站(與開機建立過程類似)，直至與某個地面站重新建立連接，進入正常巡檢流程。

4 系統測試

我們設計了K=8(共8個地面站)的接力測控數據鏈，并進行了多次跑車試驗及飛行試驗。

4.1 跑車試驗

選擇空曠地帶，沿馬路線性地布置8個地面站，站間相隔500 m左右，機載設備搭載在測試車上，測試車沿馬路行駛經過8個地面站后折返。

圖5為截取一段遙測數據繪制的三個地面站信號大小(偽碼相關值)，由圖可知，機載設備可根據三個地面站的信號強度進行站間切換，保證無人機一直與信號強度最大的地面站通信。

圖5 跑車試驗三路信號相關值

4.2 飛行試驗

圖6和圖7為某次飛行試驗測試圖。本次掛飛試驗在飛行場地布置三套地面站測控設備和三套專網接入設備，站間相距2 km左右，無人機起飛后相繼飛經三個地面站并返航。

圖6 飛行試驗示意圖

圖7 飛行試驗現場圖

飛行過程中，無人機控制權隨著飛行路線完成了自動切換，且切換過程上行遙控、下行遙測誤碼率滿足要求，視頻無中斷、卡頓現象。

圖8和圖9分別為飛行試驗遙控遙測誤碼情況統計信息，由圖可知，遙控遙測信號誤碼率均在10-5以下，實現了跨站軟切換，滿足系統無縫接力指標。

圖8 遙控誤碼情況統計圖

圖9 遙測誤碼情況統計圖

5 結 論

本文設計的基于CDMA的無人機接力測控系統實現了無人機在多個測控站間的控制權交接，且保證接力過程中上下行數據不丟幀，解決了點對點測控的距離限制問題，為長距離、帶狀網絡巡檢場景提供了一種解決方案，在距離綿長，尤其是在無人機航程能力遠超單點作業無人機測控范圍的情況下，大大延伸了無人機作業范圍，實現了無人機巡檢效率最大化。

目前，此數據鏈進行了多次外場跑車拉距試驗及掛飛試驗，結果顯示，該數據鏈站間接力功能運行良好，上下行數據傳輸穩定可靠。