CN101247160A - 一种利用无人机测控链路实时传送dgps数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用无人机测控链路实时传送DGPS数据的方法，应用于无人机DGPS导航。该方法包括以下四个步骤：DGPS数据帧编码、信息复用、信息分解、DGPS数据帧解码与处理。该方法在不增加无线数传电台的情况下，实现了DGPS数据在地面DGPS基准站与机载DGPS接收机之间的实时无线传送，省去了地面和机载的无线数传电台，降低了系统成本，减轻了机载电源的供应压力和机体重量，简化了机载设备的安装问题，也从根本上消除了现有技术方案中难以消除的机载DGPS数传电台和测控电台之间的相互干扰问题。

Description

一种利用无人机测控链路实时传送DGPS数据的方法

技术领域

本发明属于无人机导航通信技术领域，具体涉及一种利用无人机测控链路进行实时传送DGPS数据的方法。

背景技术

无人机的测控链路是由无人机地面站和无人机的两台测控收发电台构成的一个双向无线数据传送通道，其作用距离一般在电台周围150km范围内。无人机的测控链路主要负责地面遥控指令的上传和机上遥测信息的下传工作，由地面站向无人机发送的数据称为上行数据，由无人机向地面站发送的数据称为下行数据。为了保证时刻监控无人机的状态和对无人机进行实时控制，地面站与无人机之间的通讯是定时周期性的，一个周期一般为80ms。

所有上行数据或下行数据需按照通讯协议相应地编制成上行数据帧或下行数据帧。数据帧可看作长度和结构固定的字节数组，通常包含帧头、帧内容、校验和、帧尾，这些内容在该字节数组中所占的字节位置、字节长度和数据类型等称为该数据帧的帧格式。帧头和帧尾用于进行数据帧的同步，防止数据发生错位；帧内容是需要传送数据的具体内容；校验和用于校验对比，用以判断数据帧在无线传输过程中是否由于受到干扰而发生了错误。在某些无人机的测控通讯协议中，数据帧只包括帧头和帧数据，而不包括校验和与帧尾。

全球定位系统(Global Position System，简称GPS)是一种高精度的导航设备，具有精度高、不随时间飘移等特点，目前已广泛用于飞行器、车辆、轮船的导航。GPS接收机接收4颗以上GPS卫星的信号，经过解算可以获得当地的经度、纬度、地理高度、地速和时间等信息。常规GPS接收机由于受到大气电离层、GPS信号的多径传播等因素的影响，精度在10m左右。

为了获得更高的定位精度，可以采用差分全球定位系统(Differential Global PositionSystem，简称DGPS)导航。DGPS导航可消除常规GPS接收机所受的部分环境因素影响，使精度能够提高到1m以内，从而可用于飞机起降导引等要求高精度导航的场合，在无人机的精确导航、自动起降控制中也有着广泛的应用。

图1为在无人机系统中使用现有技术实现DGPS导航的技术方案示意图，DGPS导航系统包括无人机6上的机载DGPS数传电台1、机载DGPS接收机2，以及地面站12的地面DGPS数传电台7、地面DGPS基准站9。另外图中机载测控电台3、遥控数据帧解码4、机载计算机5、地面测控电台8、遥控指令编码10、地面站计算机11用于遥控指令的传送。

地面DGPS基准站9通常是一台特殊的GPS接收机，能从外部输入其所在点的经度、纬度、地理高度，并利用这些参数和自身接收的GPS信号产生DGPS数据；机载DGPS接收机2则能够利用上述DGPS数据对自身的定位结果进行修正，提高定位精度；地面DGPS数传电台7和机载DGPS数传电台1构成了地面DGPS基准站9和机载DGPS接收机2之间的数据传输通道，由于DGPS数据具有时效性，所以必须通过该数据传输通道实现对DGPS数据的无线实时传送。地面DGPS基准站9和地面DGPS数传电台7工作时必须固定安装于地面站12，机载DGPS数传电台1和机载DGPS接收机2安装于无人机6上，可在一定的空间范围内任意移动。

进行DGPS导航时，首先必须通过大地测量或对GPS定位数据进行长时间平均等方法精确测定地面DGPS基准站9安装点的经度、纬度、地理高度，并将这些参数输入地面DGPS基准站9；然后地面DGPS基准站9接收GPS卫星信号，利用已知的自身位置与从GPS信号中解算出的位置计算产生DGPS数据；DGPS数据由地面DGPS基准站9定时输出，并通过地面DGPS数传电台7向周围广播发送；在附近一定空间范围内运动的无人机6上的机载DGPS数传电台1接收到DGPS数据后再将其转发给机载DGPS接收机2，机载DGPS接收机2利用该数据对自身的GPS定位结果进行修正，从而获得更高的定位精度。在DGPS导航过程中，地面DGPS基准站9输出和机载DGPS接收机2使用的DGPS数据格式协议应该一致。DGPS数据格式协议中提供了DGPS数据头尾的识别、单帧数据完整性判断与校验和计算的方法，还有数据内容的使用或解释方法等内容，目前常用的DGPS数据的格式协议是RTCM-104和RTCA。

采用该技术方案时，遥控指令通过独立的测控链路传送：地面站计算机11产生的遥控指令经过遥控指令编码10处理后生成遥控数据帧，然后经地面测控电台8发送到机载测控电台3，再由机载计算机5经遥控数据帧解码4处理后得到遥控指令。

从图1中可以看出，除了已有的机载测控电台3之外，无人机6上必须再增加一套机载DGPS数传电台1和相应的天线用于接收DGPS数据，才能实现DGPS导航。这给无人机上原本就比较紧张的设备安装、电源供应增加了压力，也增加了机体重量。尤其是对中小型无人机而言，由于其机体较小，机载DGPS数传电台和测控电台的天线安装的位置不可能相隔太远，很容易出现两者相互干扰的问题。

发明内容

本发明的目的是利用无人机上已有的测控链路设备，实现利用无人机测控链路实时传送DGPS数据，省去现有无人机DGPS导航技术方案中的地面DGPS数传电台及机载DGPS数传电台。

为了达到上述发明目的，本发明的构思是：第一，地面站计算机将地面DGPS基准站产生的DGPS数据和地面站生成的遥控指令分别编制为帧格式相同、由固定位置上的帧标志进行识别的DGPS数据帧和遥控数据帧，两者统称为上行数据帧；第二，地面站计算机通过地面测控电台发送上行数据帧时，采用时分复用进行DGPS数据帧和遥控数据帧的轮换，并且DGPS数据帧优先发送；第三，机载计算机收到上行数据帧时，通过帧标志识别是DGPS数据帧还是遥控数据帧，再分别处理；第四，机载计算机从DGPS数据帧中解出DGPS数据后，直接转发给机载DGPS接收机。

本发明通过地面站计算机的DGPS数据帧编码、信息复用和无人机机载计算机的信息分解、DGPS数据帧解码与处理四个步骤实现了DGPS数据通过测控链路向机载DGPS接收机的实时传送：

步骤一：DGPS数据帧编码

地面站计算机从地面DGPS基准站实时获取一帧原始DGPS数据后，首先按照DGPS数据的格式协议进行校验和计算与数据有效性判断，然后将有效的DGPS数据按照测控链路通讯协议进行编码，加入识别标志后编制成DGPS数据帧。这个DGPS数据帧与由地面站的遥控指令生成的遥控数据帧格式相同，但识别标志和帧内容不同。

DGPS数据校验和的计算根据地面DGPS基准站所采用的DGPS数据格式协议的规定进行。在DGPS数据进行编码时，可以先进行压缩、加密等操作，然后再将结果放入DGPS数据帧中，也可以直接将原始DGPS数据拷贝至DGPS数据帧的帧内容中，具体的操作与测控链路通讯协议的具体规定有关。

步骤二：信息复用

地面测控电台周期性地向机载测控电台发送上行数据帧，其中的遥控数据帧和DGPS数据帧都由地面站计算机生成，等到发送时刻再发往地面测控电台。地面测控电台在单个发送周期内只能发送一个上行数据帧，所以遥控数据帧和DGPS数据帧发送时采用了时分复用的方式。遥控数据帧在每个地面测控电台的发送周期内都由地面站计算机生成，而地面DGPS基准站产生的DGPS数据则相对地面测控电台的发送周期是异步的，还需要实时发送，所以在两者进行时分复用时，DGPS数据帧具有优先发送权：如果当前有DGPS数据帧和遥控数据帧同时等待发送，优先发送DGPS数据帧；否则发送遥控数据帧。

步骤三：信息分解

机载测控电台接收到的地面站的单个上行数据帧，既可能是遥控数据帧也可能是DGPS数据帧，所以必须将两者进行分解。当无人机接收到一帧完整的上行数据帧后，首先对其进行校验和计算，然后判断其是否有效，接着通过有效的上行数据帧的帧标志确定其类型，再根据其类型进行不同处理：DGPS数据帧转到DGPS数据帧解码作进一步处理；而遥控数据帧则转到遥控数据帧解码作进一步处理。

步骤四：DGPS数据帧解码与处理

机载DGPS接收机和地面DGPS基准站使用的是同一DGPS数据格式标准，所以DGPS数据帧先经过解码得到原始DGPS数据，然后将该数据直接转发给机载DGPS接收机。机载DGPS接收机使用该数据对自己的定位计算进行修正，提高定位结果的精度。

机载DGPS计算机的DGPS数据帧解码操作是地面站计算机完成的DGPS数据帧编码的反操作。根据测控链路通讯协议的具体规定，可能包括帧内容的解密、解压缩操作，也可能是直接将帧内容中的原始DGPS数据读出。

本发明的优点在于：

1)相对于现有无人机DGPS导航技术方案，本发明省去了地面DGPS数传电台、机载DGPS数传电台及相应的天线，降低了系统成本；

2)由于省去了机载DGPS数传电台，所以减轻了机载电源的供应压力和机体重量，简化了机载设备安装问题，并从根本上消除了机载DGPS数传电台和测控电台之间的相互干扰问题；

3)本发明充分利用已有资源，无需增添新的设备，只需对地面站计算机和无人机机载计算机软件进行一定修改，方案简单，易于实现。

附图说明

图1为在无人机系统中使用现有技术实现DGPS导航的技术方案示意图；

图2为本发明利用无人机测控链路实时传送DGPS数据的技术方案示意图；

图3为DGPS数据帧格式的示意图；

图4为本发明应用于某型无人机中的测控上行数据帧的结构示意图；

图5为本发明应用于某型无人机中的DGPS数据帧的详细结构图；

图6为本发明中DGPS数据帧编码的流程图；

图7为本发明中信息复用的流程图；

图8为本发明中信息分解的流程图；

图9为本发明中DGPS数据帧解码与处理的流程图。

图中：            1.机载DGPS数传电台         2.机载DGPS接收机

3.机载测控电台    4.遥控数据帧解码           5.机载计算机

6.无人机          7.地面DGPS数传电台         8.地面测控电台

9.地面DGPS基准站  10.遥控指令编码            11.地面站计算机

12.地面站         13.DGPS数据帧解码与处理    14.信息分解

15.信息复用       16.DGPS数据帧编码

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图2所示，为本发明利用无人机测控链路实时传送DGPS数据的技术方案示意图。本发明中DGPS数据的传送过程涉及了机载DGPS接收机2、机载测控电台3、机载计算机5、地面测控电台8、地面DGPS基准站9和地面站计算机11。首先，地面站计算机11从地面DGPS基准站9接收到一帧完整的原始DGPS数据进行处理；然后，处理完毕的数据由地面测控电台8向无人机6发送；接着，无人机6上的机载测控电台3接收到地面测控电台8发来的无线电波信号经过处理得到上行数据帧，并将其发往机载计算机5进行一系列的信息处理；最后，机载计算机5将处理后得到的DGPS数据直接转发给机载DGPS接收机2；至此，完成了DPGS数据从地面DGPS基准站9至机载DGPS接收机2之间的整个传送过程。同时，机载DGPS接收机2将经过DGPS修正后的导航数据发送给机载计算机5，进行无人机6的导航定位。

如图2所示，本发明通过地面站12上地面站计算机11的DGPS数据帧编码16、信息复用15和无人机6上机载计算机5的信息分解14、DGPS数据帧解码与处理13这四个步骤来实现DGPS数据在无人机测控链路中的实时传送。在地面站计算机11中，遥控指令经过遥控指令编码10得到的遥控数据帧，DGPS数据经过DGPS数据帧编码16得到的DGPS数据帧，两者通过信息复用15进行轮换后由地面测控电台8向无人机6发送。在机载计算机5中，经信息分解14后对得到的DGPS数据帧进行DGPS数据帧解码与处理13，得到DGPS数据；对得到的遥控数据帧进行遥控数据帧解码4，得到遥控指令。

下面对上述DGPS数据帧编码16、信息复用15、信息分解14、DGPS数据帧解码与处理13这四个步骤的实施进行详细的介绍：

1)DGPS数据帧编码16

在现有无人机DGPS导航技术方案中，DGPS数据是通过专用的DGPS数传电台直接发送和接收的，用户不需要了解DGPS数据的格式协议。本发明为了利用测控链路实时传送DGPS数据，需要根据DGPS数据的格式协议和测控链路的通讯协议，将原始的DGPS数据编制为DGPS数据帧。

图3是DGPS数据帧格式的示意图，每一帧DGPS数据都包含DGPS帧头、DGPS修正数据、DGPS校验和以及DGPS帧尾。整个DGPS数据的长度会因为地面DGPS基准站能接收到其信号的GPS卫星的个数不同而变化，但是DGPS数据的最大长度不超过测控上行数据帧中帧内容所允许的最大长度。

图4是本发明应用于某型无人机的测控上行数据帧的结构示意图，每个数据帧都包含帧头、帧标志、帧内容、校验和以及帧尾，在数据帧中固定位置上设立了帧标志，并根据帧标志分为遥控数据帧和DGPS数据帧两种类型。帧头和帧尾用于进行数据帧的同步，帧头为两个字节的十六进制数“AA”、“55”，帧尾为两个字节的十六进制数“BB”、“FF”；帧标志是用于识别该帧为遥控数据帧还是DGPS数据帧，遥控数据帧的帧标志为单字节的十六进制数“01”，而DGPS数据帧的帧标志为单字节的十六进制数“02”；帧内容根据帧标志的不同而填入不同的数据，DGPS数据帧中填入的是原始DGPS数据和相关信息，而遥控数据帧中填入的是遥控指令；校验和为帧内容中所有字节按测控链路的通讯协议中规定的校验和计算方法得出的结果。

图5是将原始DGPS数据按某型无人机测控链路通讯协议编码生成的DGPS数据帧的详细结构图。可以看到除了帧头、帧尾、校验和外，在帧内容中依次包含了DGPS数据长度、DGPS帧头、DGPS修正数据、DGPS校验和、DGPS帧尾、空闲填充这六个子项。DGPS数据长度为其后的原始DGPS数据的字节数，占用一个字节的位置，设立这一字节是为了机载计算机5的处理方便；DGPS帧头、DGPS修正数据、DGPS校验和、DGPS帧尾是将有效的原始DGPS数据直接拷贝过来而得到；由于原始DGPS数据的长度是变化的，在帧内容中占据的位置区域会有所变化，其后可能会剩余若干字节的空闲位置，为了简化校验和，将这些空闲位置填入单字节的十六进制数“00”，称为空闲填充。

图6是图2中DGPS数据帧编码16的流程图：

首先，接收地面DGPS基准站9发送来的DGPS数据：地面站计算机11从地面DGPS基准站9接收到一帧完整的原始DGPS数据；

然后，进行DGPS数据校验和计算：按照选定的DGPS数据的格式协议进行校验和计算；

最后，判断DGPS数据是否有效：将校验和计算的结果与数据中包含的校验和进行对比，判断数据是否有效；

如果判断结果为“是”，即DGPS数据有效，则按测控链路通讯协议进行DGPS数据编码，编制成DGPS数据帧，等待发送；

如果判断结果为“否”，即DGPS数据无效，则将无效的DGPS数据直接丢弃，并退出当前处理流程。

在某型无人机上应用本发明时，按照图5所示DGPS数据帧的结构和测控链路通讯协议，进行编码的具体步骤是：首先将帧头和帧尾分别填入“AA 55”和“BB FF”，将帧标志填入“02”；然后计算原始DGPS数据的长度值，并将该值填入DGPS数据长度子项；接着将原始DGPS数据的内容直接拷贝过来，放在DGPS数据长度子项之后，依次地对应了图5中DGPS帧头、DGPS修正数据、DGPS校验和、DGPS帧尾这四个子项；接着再将DGPS数据之后与校验和之前中间剩余的空闲位置都填入单字节的十六进制数“00”；最后对帧内容进行单字节异或计算，把结果填入上行数据帧校验和所在的位置。需要指出的是，在其他机型中应用本发明时，帧头“AA 55”、帧尾“BB FF”、帧标志“02”应根据测控通讯协议改写为相应的规定值。

只将有效的DGPS数据进行编码，可缩短机载计算机5的处理时间，同时也可提高测控链路的使用效率。

2)信息复用15

由于只有一条上传数据的通道，遥控数据帧和DGPS数据帧不可能同时通过地面测控电台8向无人机6发送，所以在发送时采用了时分复用的方式。DGPS数据具有时限性，需要进行实时上传，否则会影响DGPS导航的精度，所以DGPS数据帧在发送时有更高的优先权。

图7是图2中信息复用15的流程图：

首先，地面站计算机11判断地面测控电台8的发送周期是否已到：如果判断结果为“否”，即未到则退出当前处理流程；如果判断结果为“是”，即发送周期已到时，则再进行是否有DGPS数据帧等待发送的判断；

然后，判断当前是否有DGPS数据帧等待发送：如果判断结果为“是”，即有DGPS数据帧等待发送，则发送DGPS数据帧到地面测控电台8；如果判断结果为“否”，即没有DGPS数据帧等待发送，则发送遥控数据帧到地面测控电台8。

上述地面测控电台8收到DGPS数据帧或遥控数据帧后，以无线电波的形式将其传送出去。

通常，地面DGPS基准站9产生DGPS数据的频率为1Hz，而遥控数据帧产生的频率为12.5Hz，所以DGPS数据的传输对遥控指令的上传影响很小。

3)信息分解14

机载测控电台3将接收到的地面测控电台8发来的无线电波信号经过处理得到上行数据帧，并将其发往机载计算机5进行信息分解14的处理。

图8是图2中信息分解14的流程图：

首先，机载计算机5从地面测控电台3接收一帧上行数据帧；

然后，进行该上行数据帧的校验和计算；

接着，根据计算结果判断该数据帧是否有效；如果判断结果为“否”，即数据帧无效，则直接丢弃，退出当前处理流程；如果判断结果为“是”，即数据帧有效，则再进行数据帧类型的判断；

最后，进行数据帧类型的判断：根据识别标志判断其类型，如果为DGPS数据帧，则下一步的处理步骤为DGPS数据帧解码与处理13；如果为遥控数据帧，则下一步的处理步骤为遥控数据帧解码4。

4)DGPS数据帧解码与处理13

图9为图2中机载计算机5进行的DPGS数据解码与处理13的流程图：

首先，DPGS数据解码与处理13将收到的DGPS数据帧按测控链路通讯协议进行解码，得到原始的DGPS数据；

然后，将解码得到的DGPS数据直接转发给机载DGPS接收机2使用。

在某型无人机上应用本发明时，按照图5所示DGPS数据帧的结构和测控链路通讯协议，进行解码的具体方法是：首先按数据帧的结构，从DGPS数据帧中读取DGPS数据长度子项，得到原始DGPS数据的长度值；然后根据该长度值，从其后按DGPS数据长度值直接读取出原始DGPS数据的内容，将其它的部分都舍弃；最后将读取到原始DGPS数据发送到DGPS接收机2。

按照以上四个步骤依次进行处理，通过测控链路完成了DPGS数据从地面DGPS基准站9至机载DGPS接收机2之间整个传送过程。

Claims (6)

1、一种利用无人机测控链路实时传送DGPS数据的方法，其特征在于：该方法是通过无人机测控链路实时传送DGPS数据，包括DGPS数据帧编码、信息复用、信息分解、DGPS数据帧解码与处理四个步骤：

步骤一：DGPS数据帧编码

首先，地面站计算机从地面DGPS基准站接收到一帧完整的原始DGPS数据；

然后，按照DGPS数据的格式协议进行校验和计算；

最后，将校验和计算的结果与数据中包含的校验和进行对比，判断DGPS数据是否有效；

如果判断结果为“是”，即DGPS数据有效，则按测控链路通讯协议进行DGPS数据编码，编制成DGPS数据帧，等待发送；

如果判断结果为“否”，即DGPS数据无效，则将无效的DGPS数据直接丢弃，并退出当前处理流程；

步骤二：信息复用

首先，判断地面测控电台的发送周期是否已到，如果判断结果为“否”，则退出当前处理流程；如果判断结果为“是”，即发送周期已到时，则地面站计算机再进行是否有DGPS数据帧等待发送的判断；

然后，判断当前是否有DGPS数据帧等待发送，如果判断结果为“是”，即有DGPS数据帧等待发送，则发送DGPS数据帧到地面测控电台；如果判断结果为“否”，即没有DGPS数据帧等待发送，则发送遥控数据帧到地面测控电台；

步骤三：信息分解

首先，机载计算机从地面测控电台接收一帧上行数据帧；

然后，进行该上行数据帧的校验和计算；

接着，根据计算结果判断该数据帧是否有效；如果判断结果为“否”，即数据帧无效，则直接丢弃，退出当前处理流程；如果判断结果为“是”，即数据帧有效，则再进行数据帧类型的判断；

最后，进行数据帧类型的判断：根据识别标志判断其类型，如果为DGPS数据帧，则下一步的处理步骤为DGPS数据帧解码与处理；如果为遥控数据帧，则下一步的处理步骤为遥控数据帧解码；

步骤四：DGPS数据帧解码与处理

首先，DPGS数据解码与处理将收到的DGPS数据帧按测控链路通讯协议进行解码，得到原始的DGPS数据；

然后，将解码得到的DGPS数据直接转发给机载DGPS接收机。

2、根据权利要求1中所述的一种利用无人机测控链路实时传送DGPS数据的方法，其特征在于：

DGPS数据帧编码时，所述的DGPS数据帧的格式与遥控数据帧的格式相同；不同的是在DGPS数据帧中的固定位置上设立了帧标志，即DGPS数据帧和遥控数据帧的帧标志不相同。

3、根据权利要求1或2中所述的一种利用无人机测控链路实时传送DGPS数据的方法，其特征在于：

信息分解时，机载计算机通过数据帧中的帧标志识别DGPS数据帧和遥控数据帧，并按数据帧的类型分别处理。

4、根据权利要求1中所述的一种利用无人机测控链路实时传送DGPS数据的方法，其特征在于：

信息复用时，DGPS数据帧与遥控数据帧采用时分复用方式。

5、根据权利要求1或4中所述的一种利用无人机测控链路实时传送DGPS数据的方法，其特征在于：

信息复用时，DGPS数据帧与遥控数据帧两者同时等待地面测控电台发送时，DGPS数据帧优先发送。

6、根据权利要求1中所述的一种利用无人机测控链路实时传送DGPS数据的方法，其特征在于：

DGPS数据帧解码与处理时，机载计算机从DGPS数据帧中解码得到原始DGPS数据后，将该DGPS数据直接转发给机载DGPS接收机使用。

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