CN101296019A - 用于无人驾驶直升机的中继转发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人驾驶直升机的中继转发系统。本发明利用无人直升机高度升高来提升信号在空间信道中传输的质量，远距离处仍可对弱信号中继转发，达到扩大通信距离的目的；本发明特点在于灵敏度高，动态范围大，转发频带宽，抗干扰性强。本发明包括机载部分与地面部分两大部分。机载部分搭载着中继转发子系统，由机载接收天线、机载中继转发模块、宽带滤波器与机载转发天线四个模块组成。地面部分包括地面接收子系统。地面接收子系统包括三个模块：地面接收天线、车载低噪放与地面接收模块。本发明系统简洁、高效、可靠、成本低，配合无人机的灵活机动性，可以被应用于电视、广播等领域。

Description

用于无人驾驶直升机的中继转发系统

技术领域

本发明涉及用于无人驾驶直升机的中继转发系统，属于无人驾驶直升机中继系统领域。

背景技术

超高频(Ultra High Frequency，简称UHF)与甚高频(Very High Frequency，简称VHF)频段是各国通用频段，此频段被广泛应用于电视、调频广播、雷达、导航及短距离通信领域。由于UHF/VHF频段频率较高，在空间传输时主要以直射传输为主，因此传输的距离受限。

1、UHF/VHF信号空间传播的特性

UHF/VHF波段信号因本身频率特性，在大气中传输时主要有两种传播方式：视距内自由空间直线传播方式和视距外散射绕射传播方式。

(1)视距内自由空间直线传播：主要考虑UHF/VHF波段信号在大气中传播的损耗，对流层是一种混合气体，其电导率几乎为零，因此在这种情况下传播损耗相对稳定，可认为此段传播属于自由空间传播，可用下面的经验公式(1)来计算；并且通过实际试飞试验，可证明公式(1)得出的空间损耗较为准确：

L＝32.4+20lg F+20lg D    (1)

其中，L为空间传输衰减量，单位为dB；F为无线电波的频率，单位为MHz；D为传播距离，单位为km。

(2)视距外散射绕射传播：空间传播损耗迅速增大，而且其变化与传播地表的形状以及电磁环境相关，不同的地形(如：刃型障碍绕射、钝刃型障碍绕射、多个刃型连续绕射)则有相应的不同损耗估计方式，而且变化范围较大，即使是在没有大的绕射山峰的平滑球面的绕射情况下，对于UHF/VHF波段的接收来说，接收端仍然需要高增益天线以及高灵敏度设备。

2、天线高度增加使传播距离延长

由于地球近似为椭球体，因此视线所能达到的距离是有限的，由图1所示，架设UHF/VHF波段通信系统的发送端天线高度与接收端天线高度分别为h₁与h₂，则地表距离称为视距距离d，综合考虑到部分大气层折射现象，视距距离d的经验公式为：

$d=4.12\×(\sqrt{h_1}+\sqrt{h_2})---\left(2\right)$

通过公式(2)可知：天线高度的增加将导致视距距离d的增加。假设发射端天线高度h₁不变，接收端天线高度h₂升高后，与其在地面接收时相比较，接收的视距距离d将增加；当接收端天线从地面升空到2000m时，即当接收端天线高度h₂＝2000m时，则视距距离d将增加约184km。接收端天线高度h₂的变化使得转发信道中的传播方式由原来的绕射传播改为直射传播，信道模型由原来不确定绕射模型(随地表形状变化而变化)改善为自由空间传播模型，信号电平将大为改善，提高了UHF/VHF波段信号传播的距离。利用UHF/VHF信号通信的距离通常较短，一般地，以普通民用5W电台为例，在开阔地带，当收、发天线高度均低于5米的情况下，UHF/VHF信号通信距离不超过18km。通过式(2)分析，接收端天线高度h₂的提高可以迅速提升UHF/VHF信号的通信距离，因此将天线假设在高山顶，或者延长天线支架的长度等方法均可以提高UHF/VHF信号的通信距离与性能；但是架设较高高度的天线支架(例如几百米)难度较大，而且并不是任何一个地点都有高山存在(例如在平原地区)。

3、中继转发技术

中继转发技术被广泛应用在通信系统之中，主要用以解决两大方面问题：

一、在通信系统中经常遇到地形或者建筑物的突起而引起信号传输方向上的遮挡，从而使得被遮挡的区域无法收到足够强的信号，常见的方法则是在被遮挡区域附近设立中继转发站将发射端信号转发至被遮挡区；

二、任何通信收发端都有限制的距离，如果要扩大通信距离，可以采用增加发射端功率，加大接收端动态范围的方法，但性价比低，比较经济简便的办法则是架设中继转发站，扩大通信距离。

中继转发技术通常由接收模块、放大模块与发射模块三大部分组成。中继转发的功能是接收发射站的发射信号，将发射信号放大后再次发射出去，起到扩大通信距离的效果。目前中继转发技术广泛应用于电视、广播与短波通信等方面。

4、天线伺服子系统

无人驾驶直升机设计难点之一就是其遥控遥测系统。只有保证遥控遥测系统稳定工作，才能远距离遥控控制无人直升机进行作业。保证遥控遥测系统稳定工作则需要保障遥控遥测链路的通畅。在本无人驾驶直升机系统中，地面测控车内通过一个地面复合天线来收、发遥测信号与遥控指令。当天线近似指向无人直升机的方向时，即无人机在地面复合天线的波瓣之内，此时通过地面天线的收、发的信号增益才足够大，才足以满足遥控遥测链路的通畅。因此需要天线伺服子系统对无人机进行跟踪，控制天线指向方向始终指向无人直升机的近似方向。天线伺服跟踪子系统功能为：对无人直升机进行自动跟踪、数字自动引导跟踪、手动跟踪、数据融合与航程推算跟踪。

如图2所示，天线伺服子系统由地面接收天线5、驱动电路50、和天线伺服控制模块8组成，天线伺服控制模块8由天线引导控制机47、高速处理机48与高分辨率图像显示模块49组成。天线伺服控制模块8实时地控制地面接收天线5的方位角和俯仰角，使地面接收天线5始终对准测控对象，即遥控直升机，确保上行遥控指令、下行转发信息及遥测数据的链路通畅。地面测控车与无人机上均装载了GPS定位仪与惯导导航定位仪，分别能给出测控车与无人机的GPS定位结果和惯导导航定位结果。无人机上的GPS定位结果与惯导导航定位结果通过遥测链路下发到地面测控车中，输入到高速处理机48；地面测控车内的GPS定位结果与惯导导航定位结果同样输入到高速处理机48。高速处理机48读取无人机与地面测控车的位置信数据，计算出无人机与测控车之间的相对位置差，由此确定出地面接收天线5指向无人机的方位角与俯仰角，以实现地面天线对无人机的跟踪。方位角a与俯仰角b的计算公式分别为：

$a=\arctan \left(\frac{y_1-y_0}{x_1-x_0}\right)---\left(3\right)$

$b=\arctan \left(\frac{z_1-z_0}{\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}}\right)---\left(4\right)$

式中，x₀、y₀、z₀为测控车的位置坐标，x₁、y₁、z₁为无人机的位置坐标，a为方位角，b为俯仰角。高速处理机48将计算得出的天线方位、俯仰的控制参数传递给天线引导控制机47，天线引导控制机47将天线转动角度对应的电压值输入至驱动电路50，驱动电路50实现地面接收天线5角度转动，以实现地面接收天线5跟踪无人直升机。

5、解调接收模块

通信领域发展迅速，近年来，新的调制、解调方法层出不穷。不同的调制方式则需要应用不同的解调方式来恢复被调制的信号。UHF/VHF波段频带范围很宽，被广播、电视、民用短距离通信等方向广泛应用，UHF/VHF波段频段内应用的调制方式也众多纷繁，例如广播电台通用的AM，FM调制制式，例如民用通用的FM，SSB调制制式；再例如一些企业自行开发、应用的扩频，OFDM等调制方式。针对于不同的调制方式，解调接收模块需要选择不同的解调方式。在本系统的地面接收模块输出端将输出UHF/VHF波段的信号，对于用户的具体应用，则需用户来根据需要选择不同的解调接收模块，对接收信号进行解调处理。

发明内容

本发明的目的在于，公开了用于无人驾驶直升机的中继转发系统。

本发明涉及用于无人驾驶直升机的中继转发系统，本发明中的机载中继转发子系统以无人驾驶直升机为空中平台，接收远距离通信源发射的UHF/VHF频段内的信号，处理或者变频为高频信号后转发，在地面接收端的地面部分接收高频信号，将其下变频恢复为通信源信号。高频信号频率可根据需求改变，本说明书中选用S波段为例进行说明。本发明转发的频带宽，在此频段内的任何通信系统均可应用；本发明的机载中继子系统的接收灵敏度高，装载于无人机内升空后可以使通信距离大幅度增加；本发明采用了多信道结构，对于频带内的强台干扰有抗干扰能力，即使在电磁环境复杂的空间中仍具备强的转发能力。

本发明包括机载部分与地面部分两大部分。机载部分搭载着中继转发子系统，由机载接收天线、机载中继转发模块、宽带滤波器与机载转发天线四个模块组成。地面部分包括地面接收子系统。地面接收子系统包括三个模块：地面接收天线、车载低噪放与地面接收模块。本发明中继转发系统机载部分搭载在无人驾驶直升机平台上作业，即利用无人机灵活机动的特点，将机载中继转发模块与机载接收天线、机载转发天线高度升高，扩大UHF/VHF信号由发射端到机载接收天线之间的视距距离，从而扩大UHF/VHF信号通信距离与性能。本发明中继转发系统地面部分搭载在地面测控车中作业，地面接收子系统负责接收无人机机载中继转发模块发送的高频信号，本说明书中选用S频段为例进行说明。本发明内容具体特点如下：

1、本发明的设计方案

P＝G_T-L₁+G_AAR+G_R+G_AAT-L₂+G_GAR+G_GR+G_GLNA    (5)

式(5)为本系统的增益设计分析，其中，P为地面接收模块输出电平，G_T为发射端电台的发射电平，L₁为接收距离(即发射源到无人直升机上机载接收天线的距离)中无线电波传输时的空间损耗，G_AAR、G_AAT分别为无人机机载中继转发分系统中机载接收天线与机载转发天线的增益，G_R为机载中继转发分系统中机载中继转发模块的增益，L₂为转发距离(即无人机到地面测控车的距离)中无线电波传输时的空间损耗，G_GAR为地面接收子系统中地面接收天线的增益，G_GR为地面接收子系统中地面接收模块增益，G_GLNA为地面接收子系统中低噪放增益。

L₁为接收距离中无线电波传输时的空间损耗，在此远距离传输上的空间损耗需要综合考虑UHF/VHF波段信号特性与地球曲率、地表情况。L₂为转发距离时无线电波传输时的空间损耗，信号在S波段，与UHF/VHF波段相比，此波段信号在空间传输的损耗迅速加大；为保证信号的有效转发，即要求中继转发有较大的输出功率，又要求地面接收端有高灵敏度的接收能力。将增益分配在对于S波段信号的传输过程，即使大幅度增加增益，转发延长的距离仍非常有限。因此本发明采取中继转发到地面接收端距离较近(约几公里)方案，在转发阶段对增益要求宽松，将高增益分配在机载中继转发模块处，因此本发明的中继转发系统灵敏度与动态范围主要由机载中继转发模块决定。

本发明的转发频带宽，可跨越UHF与VHF频段。此段频段内的无线电信号分配复杂，空间中经常有强信号台存在。由于机载中继转发模块存在增益控制功能，因此在UHF/VHF频段内若存在某强台信号时，中级转发模块的增益将受到此强台压制，导致中继模块的增益不足以完成远距离转发的目的。针对于此种情况，本发明采用了多信道可配置的方案设计，即除了整个宽带转发的信道外，另架设多路窄带信道，每路窄带信道的带宽一定(可根据需要进行选择，例如可采用每个信道10MHz至50MHz带宽)，而每路窄带信道的中心频率可由控制电压配置，使得每路窄带信道通过更改控制电压来覆盖整个宽带转发带宽。由于每路窄带信道的频率可配置，因此在地面接收端发现有强台干扰时，则使用窄带转发信道方案，将转发模块改变为多路窄带转发模式，并设置每个通道的中心频率，使其绕开强台频率点，这样即使空间存在强台干扰信号，但对于本发明的中继系统来说，实际上机载中继转发模块并没有受到强台压制，其增益仍然高，放大有用信号的增益足够完成远距离转发的目的。为了满足各种需求，可以采用不同的配置模式，设置任意多路窄带通道转发或者宽带通道转发，应用方式灵活。与机载中继转发模块相对应，地面接收模块同样采取多信道可配置的方案设计，以输出多路频率范围不同的信道信号。

为节省器件数量与设备重量、体积，机载中继转发模块采用共用变频模块与功率放大模块结构，地面接收模块采用了共用混频部分与中频放大部分结构。实际试验表明，在多路窄带转发模式下，对于每一窄带通路来说，共用变频模块与功率放大模块会增加不期望的窄带带外电平，但结合窄带滤波器的带外抑制，使得窄带带外杂波电平增加有限，因此使用宽带的功率放大模块对于窄带信号来说，引入的杂波是有限的；采用此结构的优点在于：不用针对于每个不同的窄带信道而选择不同的窄带变频模块与功率放大模块，共用结构大量地节约了器件的数量与设备的重量、体积，使得中继转发模快与地面接收模块结构更为紧凑，高效。

此外，在此机载中继转发模块上还设置特定的数据处理模块，可以采取指定的几种调制方式对信号进行解调，然后应用专用数传通道将解调得到的数据下传，在地面接收端配有专用数传通道接收下传的数据。

2.本发明的工作流程

本发明的工作流程如下：UHF/VHF源信号经过空间传输后被机载转发部分的机载接收天线接收，机载接收天线将接收信号输入到机载中继转发模块；当机载中继转发模块工作在机载接收解调下传模式中，则选择第一电调滤波器组中的任一路窄带信号进行解调处理，将解调后的数据通过专用数传通道下传到地面接收端；当机载中继转发模块工作在信息转发模式，则机载中继转发模块将变频后的信号输出，经过宽带滤波器后再输入到机载转发天线，由机载转发天线向空间发射S波段信号；地面部分工作在地面处理恢复模式时，S波段信号经过空间传输后被地面接收天线接收，将高频信号输入到车载低噪放；信号经车载低噪放放大后输入到地面接收模块，将S频段信号下变频到UHF/VHF信号；地面接收模块输出多路UHF/VHF波段宽带信号供后端解调接收处理；地面部分工作在接收数据模式时，通过数传通道接收解调的数据；飞行控制台将无人机的GPS信息输入到天线伺服控制模块，地面测控车的GPS与惯导信息也输入到天线伺服控制模块；天线伺服控制模块将天线控制数据输入到地面接收天线，对其进行控制。

机载中继转发模块内部由机载低噪放、中频放大模块、变频模块、和功率放大模块组成；机载低噪放将接收信号放大后输入到中频放大模块；中频放大模块由第一放大器、第一滤波器、第一衰减器、第二衰减器、第一电调滤波器组、第一多路分配器、第一合路器、窄带解调模块与第二放大器组成。其中，第一多路分配器由信道选择控制信号来选择输出某1路或几路信号，第一电调滤波器组中包括多个电调滤波器，在多路窄带转发模式下，中心频率控制信号将分别控制每一个电调滤波器的中心频率，电调滤波器为UHF/VHF波段的窄带带通可调滤波器，每一个电调滤波器输出一路窄带信号，在宽带转发模式下，第一多路分配器输出信号至第一滤波器，第一滤波器为UHF/VHF波段宽带滤波器，第一合路器将多路信号合成为单路信号输出，第一放大器与第二放大器为中频段放大器，放大UHF/VHF信号，第一衰减器与第二衰减器由增益控制电平来控制衰减量，中频放大模块将UHF/VHF信号输入到变频模块中，窄带解调模块中配置了多种解调模块，可根据需求进行增减，例如FM、AM、nFM、BPSK、QPSK、FSK等解调模块，变频模块将输入的UHF/VHF信号上变频，变频至S波段，变频模块包括第二滤波器与第一混频器，上变频后的S波段信号将输入到功率放大模块；功率放大模块将射频信号功率放大，它是机载中继转发模块的末级输出，由第一隔离器、第三滤波器、第三放大器、第四放大器、第二隔离器、第五放大器、第三隔离器、与检波器组成。

机载中继转发模块处理宽带信号，因此所采用的器件均为宽带器件，带宽取400MHz。变频模块中选用集成变频模块，抗干扰能力强，镜像抑制效果好。功率放大模块中采用了三级功率放大管级联的结构，提高射频信号的增益。第一滤波器滤除掉UHF/VHF波段带外信号，降低输入第一混频器的中频信号幅度；第二滤波器来滤除变频后的本振信号，可提高变频模块的隔离度；宽带滤波器为S波段带通滤波器，滤除带外杂波信号，降低功率放大模块的信号幅度，增加带外滤波的力度，确保电磁兼容条件满足，不影响无人机其他电子系统。第一电调滤波器组为实现多路窄带转发模式的关键器件，本发明可采用多路电调滤波器形成多路窄带信道，根据不同需求可以设置任意多路的窄带滤波器。每一个电调滤波器由中心频率控制信号控制其中心频率，每一路电调滤波器均为UHF/VHF波段的带通滤波器，其带宽可根据需要选择，例如可选10MHz至50MHz之间。在应用中，电调滤波器带宽固定，随着中心频率控制信号变化，其中心频率随之上下变化。检波器对输出信号幅度进行监测，当输出电平达到饱和电平时，监测指示灯亮表示输出已达到饱和状态。

地面部分的工作模式有地面处理恢复模式与接收数据模式，当机载中继子系统设置为信息转发模式时，地面部分工作于地面处理恢复模式，此时接收到的信号为高频信号，非UHF/VHF波段信号，因此需要将高频信号下变频转变到UHF/VHF波段信号，地面部分中的地面接收子系统将把接收到的高频信号重新恢复到UHF/VHF波段信号；当机载中继转发子系统设置为机载接收解调下传模式时，地面部分工作于接收数据模式，此时接收到的数传通道数据就是已经解调好的数据信息。

地面接收模块包括第二多路分配器、第二电调滤波器组、第二合路器、第一带通滤波器、第二混频器、第二带通滤波器、第一中频放大器、数控衰减器、第二中频放大器、第三带通滤波器、二路功分器、第三中频放大器、四路功分器和第四中频放大器；输入信号经过第二多路分配器输出多路信号，输出几路信号由信道选择控制信号决定，根据此时机载中继转发模块的信道工作模式(宽带转发模式、多路窄带转发模式或者频道选择转发模式)来设定其信道选择控制信号；第二电调滤波器组为多路窄带转发模式下的关键器件，其中每路电调滤波器为S波段带通可调滤波器，其通带带宽可根据需要预先选择，例如10MHz至50MHz，在工作时其中心频率可调，由中心频率控制信号控制其中心频率在转发宽带范围内可调，可根据需求采用多个电调滤波器形成多路的窄带通路；第一带通滤波器为射频段滤波器，滤除带外杂波，将待变频的S波段信号输入到第二混频器中；第二混频器将S波段信号下变频至UHF/VHF波段，将UHF/VHF信号输入到第二带通滤波器中；第二带通滤波器为中频段滤波器，滤除带外杂波后，再经过第一中频放大器，信号输入到数控衰减器；数控衰减器在带内加入设置的衰减量，经过数控衰减器后，将信号输入到第二中频放大器、第三带通滤波器，之后被输入到二路功分器；二路功分器将信号分为两路等幅信号，分别再经过两个第三中频放大器后输入到两个四路功分器；两个四路功分器进一步将信号分为两个四路等幅信号输出，再经过两个第四中频放大器后输出地面接收模块。

地面部分中的地面接收天线，是一个收、发天线，其馈源采用锥筒状背射双线螺旋结构。超宽带特性有助于无人机已有的通信系统与本发明的中继转发系统频带间隔大，电磁兼容情况好。该天线经过滤波器后输出两路信号，一路为转发系统的S波段接收信号，一路为无人机其他系统应用信号。在机载部分，由于无人机姿态随时改变，因此机载接收天线、机载转发天线均采用全向天线。

中继转发系统工作在无人机上，而无人机上本身已存在多个电子系统，包括测控系统，飞控导航系统等；尤其是测控系统与中继转发系统均属通信系统，特别需要保证两系统之间满足电磁兼容条件，互不影响，因此共采用了以下措施：

A、中继转发子系统的机载转发天线采用右旋圆极化方向，与无人机其他系统极化方向不同；

B、在机载中继转发模块与机载转发天线之间增加了宽带滤波器，加大了带外抑制力度，使得机载中继转发模块输出大功率信号不会影响其他频段信号；

C、机载中继转发模块通过增益控制电平来改变第一衰减器、第二衰减器的衰减值，增益控制范围为0至45dB。

附图说明

图1为视距距离图示；

图2为天线控制系统原理框图。

图3为本发明中系统基本组成框图；

图4为本发明中机载中继转发模块框图；

图5为本发明中地面接收子系统框图；

图中：                 1.机载接收天线           2.机载中继转发模块

3.宽带滤波器           4.机载转发天线           5.地面接收天线

6.车载低噪放           7.地面接收模块           8.天线伺服控制模块

9.飞行控制台           10.解调接收模块          11.UHF/VHF源信号

12.接收信号            13.上变频信号            14.S波段信号

15.高频接收信号        16.高频放大信号          17.天线控制数据

18.UHF/VHF信号         19.机载低噪放            20.中频放大模块

21.变频模块            22.功率放大模块          23.第一滤波器

24.第一放大器          25.第二衰减器            26.第二滤波器

27.第一混频器          28.第一隔离器            29.第三滤波器

30.第三放大器          31.第四放大器            32.第二隔离器

33.第五放大器          34.第三隔离器            35.检波器

36.第一带通滤波器      37.第二混频器            38.第二带通滤波器

39.第一中频放大器      40.数控衰减器            41.第二中频放大器

42.第三带通滤波器      43.二路功分器            44.第三中频放大器

45.四路功分器          46.第四中频放大器        47.天线引导控制机

48.高速处理机          49.高分辨率图像显示模块  50.驱动电路

51.第一衰减器          52.第二放大器            53.第一多路分配器

54.第一电调滤波器组    55.第一合路器            56.第二多路分配器

57.第二电调滤波器组    58.第二合路器            59.窄带解调模块

60.专用数传通道

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

系统基本组成框图如图3所示。本发明中的机载中继转发子系统以无人驾驶直升机为空中平台，接收远距离通信源发射的UHF/VHF频段内的信号，变频为高频信号后转发，在地面部分接收高频信号，将其下变频恢复为通信源信号。高频信号频率可根据需求改变，本说明书中选用S波段为例进行说明。本发明包括机载与地面两大部分，机载部分包括中继转发子系统，地面部分包括地面接收子系统。

机载中继转发子系统有两大工作模式，分别为信息转发模式与机载接收解调下传模式。信息转发模式具体分为宽带转发模式、多路窄带转发模式与频道选择转发模式。宽带转发模式将UHF/VHF波段的信号以宽带转发，频带范围宽，例如可取400MHz；多路窄带转发模式将UHF/VHF波段中的信号划分为多个单独的窄带信号，多路的路数取决于电调滤波器的个数，窄带带宽可根据需要设定，例如10MHz至50MHz，每路窄带中心频率受控可调，在多路窄带转发模式下，可将每一路窄带频率范围设置到通信需要的频率点上，同时转发多路窄带信号；频道选择转发模式根据需要配置多路通道，可以转发任意路窄带通道或者宽带通道，应用灵活。机载接收解调下传模式中，在机载中继转发模块2内部的中频放大模块20中，以第一电调滤波器组54中的第一路电调滤波器为例，在其末级加入窄带解调模块59，根据需求调解电调滤波器的中心频率与带宽，设置窄带解调模块59选用的解调方式，将解调得到的数据通过专用数传通道60下传发送。

如图3所示，UHF/VHF源信号11经过空间传输后被机载转发部分的机载接收天线1接收，机载接收天线1将接收信号12输入到机载中继转发模块2；机载中继转发模块2将上变频信号13输出，经过宽带滤波器3后再输入到机载转发天线4，由机载转发天线4向空间发射S波段信号14；S波段信号14经过空间传输后被地面接收天线5接收，将高频接收信号15输入到车载低噪放6；高频接收信号15经车载低噪放6放大后输入到地面接收模块7，地面接收模块7将高频放大信号16下变频到UHF/VHF信号18；地面接收模块7输出多路UHF/VHF信号18，供后端解调接收模块10处理；飞行控制台9将无人机的GPS信息输入到天线伺服控制模块8，地面测控车的GPS与惯导信息也输入到天线伺服控制模块8；天线伺服控制模块8将天线控制数据17输入到地面接收天线5，对其进行控制。

如图4所示，机载中继转发模块2内部由机载低噪放19、中频放大模块20、变频模块21、和功率放大模块22组成；机载低噪放19将接收信号放大后输入到中频放大模块20；中频放大模块20由第一放大器24、第一滤波器23、第一衰减器51、第二衰减器25、第一电调滤波器组54、第一多路分配器53、第一合路器55、窄带解调模块59与第二放大器52组成。其中，第一电调滤波器组54中并联了多路电调滤波器，第一多路分配器53由信道选择控制信号来选择输出某1路或几路信号，在多路窄带转发模式下，中心频率控制信号将分别控制第一电调滤波器组54中的每路电调滤波器的中心频率，电调滤波器为UHF/VHF波段的窄带带通可调滤波器，每一个电调滤波器输出一路窄带信号；在频道选择转发模式下，根据需要选择第一多路分配器53中导通任一路或者任几路，然后再经过第一电调滤波器组54，被设置为导通的通路对应的电调滤波器处于工作状态，对任一路或者任几路窄带信号进行滤波；在宽带转发模式下，第一多路分配器53输出信号至第一滤波器23，第一滤波器23为UHF/VHF波段滤波器，第一合路器55将多路信号合成为单路信号输出至第一放大器24，第一放大器24与第二放大器52为中频段放大器，放大UHF/VHF波段信号，第二衰减器25、第一衰减器51由增益控制电平来控制衰减量，中频放大模块20将UHF/VHF波段信号输入到变频模块21中，窄带解调模块59中配置了多种解调模块，可根据需求进行增减，例如FM、AM、nFM、BPSK、QPSK、FSK等解调模块，解调后的数据通过专用数传通道60下发，变频模块21将输入的UHF/VHF信号上变频，变频至S波段，变频模块21包括第二滤波器26与第一混频器27，上变频后的S波段信号将输入到功率放大模块22；功率放大模块22将射频信号功率放大，它是机载中继转发模块的末级输出，由第一隔离器28、第三滤波器29、第三放大器30、第四放大器31、第二隔离器32、第五放大器33、第三隔离器34与检波器35组成。

机载中继转发模块2处理宽带信号，因此所采用的器件均为宽带器件，例如可取400MHz。机载低噪放19为全系统的第一级输入，要尽量降低设备内部的噪声，其噪声大小直接影响着中继转发系统的灵敏度；此模块选用了低噪声单片，优化电路设计，噪声系数为1.7dB。变频模块21中选用集成变频模块器件，抗干扰能力强，镜像抑制效果好。功率放大模块22中采用了三级功率放大管级联的结构来提高射频信号的增益，每级单独为一个功率放大模块，输入、输出及中间分别加有第一隔离器28、第二隔离器32和第三隔离器34。第一滤波器23为UHF/VHF波段滤波器，滤除带外信号，降低输入第一混频器27的中频信号幅度；第二滤波器26采用腔体滤波器结构，滤除变频后的本振信号，可提高变频模块21的隔离度；第三滤波器29与宽带滤波器3为S波段带通滤波器，采用腔体滤波器结构，滤除带外杂波信号，第三滤波器29降低功率放大模块22的信号幅度，宽带滤波器3增加了带外滤波的力度，确保电磁兼容条件满足，不影响无人机其他电子系统。第一电调滤波器组54为实现多路窄带转发模式的关键器件，本发明可采用多路电调滤波器形成多路窄带信道，根据不同需求可以设置任意多路的窄带滤波器。每一个电调滤波器由中心频率控制信号控制其中心频率，每一路电调滤波器均为UHF/VHF波段的带通滤波器，其带宽可根据需要选择，例如可选10MHz至50MHz之间。在应用中，每路电调滤波器带宽固定，随着中心频率控制信号变化，其中心频率随之上下变化。第一放大器24、第二放大器52采用级联方式，级间使用第二衰减器25来隔离。第一衰减器51、第二衰减器25由增益控制电平控制，可以通过调节机载中继转发模块的增益控制电平。此增益控制电平可以根据不同的空间电磁环境与发射源的输出功率来调整合适的增益控制电平：当空间电磁环境差或者发射源输出功率较小时，应将增益控制在满增益的80％以上；当空间电磁环境好或者发射源输出功率较大时，应将增益控制在满增益的70％或者以下。

地面部分的工作模式有地面处理恢复模式与接收数据模式，当机载中继子系统设置为信息转发模式时，地面部分工作于地面处理恢复模式，地面部分中的地面接收模块7将把接收到的高频信号恢复到UHF/VHF波段信号的宽带或窄带信号；当机载中继转发子系统设置为机载接收解调下传模式时，地面部分工作于接收数据模式，将接收数传通道数据。

如图5及图3所示，地面接收子系统分为地面接收天线5、车载低噪放6和地面接收模块7。地面接收模块7内部包括第二多路分配器56、第二电调滤波器组57、第二合路器58、第一带通滤波器36、第二混频器37、第二带通滤波器38、第一中频放大器39、数控衰减器40、第二中频放大器41、第三带通滤波器42、二路功分器43、第三中频放大器44、四路功分器45和第四中频放大器46；输入信号经过第二多路分配器56输出多路信号，输出几路信号由信道选择控制信号决定，根据此时机载中继转发模块2的信道工作模式(宽带转发模式、多路窄带转发模式或者频道选择转发模式)来设定其信道选择控制信号；第二电调滤波器组57为每个窄带信道的关键器件，其中包括多路电调滤波器，每路电调滤波器均为S波段带通滤波器，其通带带宽可根据需要预先选择，例如10MHz至50MHz，在工作时其中心频率可调，由中心频率控制信号控制其中心频率在转发宽带范围内可调，本发明采用多个电调滤波器创建了多路的窄带通路；第一带通滤波器36为射频段滤波器，滤除带外杂波，将待变频的S波段信号输入到第二混频器37中；第二混频器37将S波段信号下变频至UHF/VHF波段，将UHF/VHF信号输入到第二带通滤波器38中；第二带通滤波器38为中频段滤波器，滤除带外杂波后，再经过第一中频放大器39输入到数控衰减器40；数控衰减器40在带内加入设置的衰减量，经过数控衰减器40后，将信号输入到第二中频放大器41、第三带通滤波器42，之后被输入到二路功分器43；二路功分器43将信号分为两路等幅信号，分别再经过两个第三中频放大器44后输入到两个四路功分器45；两个四路功分器45进一步将信号分为四路等幅信号输出，再经过两个第四中频放大器46后从地面接收模块7输出，并输出至解调接收模块10。

地面接收天线5将S波段信号接收后，经滤波器组输出两路信号，一路信号供遥控遥测支路使用，另一路信号供中继转发地面接收子系统使用。后一路信号输入到车载低噪放6，车载低噪放6由输入、输出隔离器加低噪放大管组成，它位于地面接收模块7外部，与地面接收模块7通过高频电缆连接，要求高频电缆的插损小于4dB。车载低噪放6噪声系数为1.3dB，将S波段信号输入到地面接收模块7中。第二带通滤波器38滤除带外杂波，第一中频放大器39将UHF/VHF信号进行放大，由于转发段距离不远，且地面接收天线增益、中继转发输出饱和功率较大，因此在地面接收模块7内加入数控衰减器40模块，根据输入信号的强度，来选择下变频模块21的增益。最后经过二路功分器43、四路功分器45将输出信号扩成多路输出，以供后端多通道同时接收、解调，本发明中选择8路输出。由于UHF/VHF波段带宽很宽，因此所选用的第一中频放大器39、第二中频放大器41、第三中频放大器44、第四中频放大器46、数控衰减器40、二路功分器43、四路功分器45均为宽带器件，以满足带内平坦度指标要求。

本发明所述的中继转发系统具有中继转发的能力，并且转发频带宽，灵敏度高，有抗强台干扰能力，对于远距离弱信号也可以进行转发、接收，该系统达到了设计的初衷，即通过无人直升机高度的升高来提高UHF/VHF信号通信距离的目的。结合无人直升机机动灵活的特点，本发明可应用于电视、广播等领域。

Claims (8)

1、用于无人驾驶直升机的中继转发系统，该系统由机载部分和地面部分组成，其中地面部分包括地面天线伺服子系统与解调接收模块，其特征在于：机载部分包括机载中继转发子系统，地面部分还包括地面接收子系统；

机载部分搭载着中继转发子系统，由机载接收天线(1)、机载中继转发模块(2)、宽带滤波器(3)与机载转发天线(4)四个模块组成；

地面部分中的地面接收子系统包括三个模块：地面接收天线(5)、车载低噪放(6)与地面接收模块(7)；

UHF/VHF波段信号(11)经过空间传输后被机载中继转发子系统的机载接收天线(1)接收，机载接收天线(1)将接收信号(12)输入到机载中继转发模块(2)；机载中继转发模块(2)将变频后的信号(13)经过宽带滤波器(3)后输入到机载转发天线(4)，由机载转发天线(4)向空间发射S波段信号(14)；S波段信号经过空间传输后被地面接收天线(5)接收，将高频信号(15)输入到车载低噪放(6)；信号经车载低噪放(6)放大后输入到地面接收模块(7)，地面接收模块(7)将高频信号(16)下变频到UHF/VHF波段信号(18)；地面接收模块(7)输出多路UHF/VHF波段宽带信号(18)，供后端解调接收模块(10)处理。

2、根据权力要求1所述的用于无人驾驶直升机的中继转发系统，其特征在于：

该系统中的机载中继转发子系统以无人驾驶直升机为空中平台，接收远距离通信源发射的UHF/VHF频段内的信号，变频为高频信号后转发，在地面接收端的地面部分接收高频信号，将其下变频恢复为通信源信号；

该系统的机载中继转发子系统的工作模式有信息转发模式与机载接收解调下传模式，该系统的地面部分的工作模式有地面处理恢复模式与接收数据模式，其中信息转发模式又包括宽带转发模式、多路窄带转发模式与频道选择转发模式。

3、根据权利要求2所述的用于无人驾驶直升机的中继转发系统，其特征在于：

所述的宽带转发模式，机载中继转发子系统对整个宽带信号进行转发，带宽根据需求进行选择；

所述的多路窄带转发模式，机载中继转发子系统使用多路通道，每路通道带宽固定，每路通道中心频率在宽带范围内根据需求进行调整，每路通道独立互不干扰；

所述的频道选择转发模式，通过配置机载中继转发子系统，选择任意几路窄带通道或者宽带通道进行转发；

所述的机载接收解调下传模式，机载中继转发模块(2)接收信号后采用特定的解调方式进行解调，将解调得到的数据通过专用数传通道(60)下传；

所述的地面处理恢复模式，当机载中继转发子系统设置为信息转发模式时，地面部分将把接收到的高频信号恢复到UHF/VHF波段信号的宽带或窄带信号；

所述的接收数据模式，当机载中继转发子系统设置为机载接收解调下传模式时，地面接收部分将通过专用数传通道(60)接收解调的数据。

4、根据权利要求1所述的用于无人驾驶直升机的中继转发系统，其特征在于：所述的机载中继转发模块(2)内部由机载低噪放(19)、中频放大模块(20)、变频模块(21)、和功率放大模块(22)组成；

机载低噪放(19)将接收信号放大后输入到中频放大模块(20)；

中频放大模块(20)包括第一放大器(24)、第一滤波器(23)、第一衰减器(51)、第二衰减器(25)、第一电调滤波器组(54)、第一多路分配器(53)、第一合路器(55)、第二放大器(52)与窄带解调模块(59)，其中，第一多路分配器(53)由信道选择控制信号来选择输出某1路或几路信号，在多路窄带转发模式下，中心频率控制信号将分别控制第一电调滤波器组(54)中的每一个电调滤波器的中心频率，电调滤波器为UHF/VHF波段的窄带带通可调滤波器，每一个电调滤波器输出一路窄带信号，在宽带转发模式下，第一多路分配器(53)输出信号至第一滤波器(23)，第一滤波器(23)为UHF/VHF波段滤波器，第一合路器(55)将多路信号合成为单路信号输出至第一放大器(24)，第一放大器(24)与第二放大器(52)为中频段放大器，放大UHF/VHF波段信号，第二衰减器(25)、第一衰减器(51)由增益控制电平来控制衰减量，中频放大模块(20)将UHF/VHF波段信号输入到变频模块(21)中；

变频模块(21)将输入信号上变频，变频至S波段，变频模块(21)包括第二滤波器(26)与第一混频器(27)，上变频后的S波段信号输入到功率放大模块(22)；

功率放大模块(22)将射频信号功率放大，它是机载中继转发模块(2)的末级输出，由第一隔离器(28)、第三滤波器(29)、第三放大器(30)、第四放大器(31)、第二隔离器(32)、第五放大器(33)、第三隔离器(34)、与检波器(35)组成。

5、根据权利要求1所述的用于无人驾驶直升机的中继转发系统，其特征在于：所述的地面接收模块(7)包括第二多路分配器(56)、第二电调滤波器组(57)、第二合路器(58)、第一带通滤波器(36)、第二混频器(37)、第二带通滤波器(38)、第一中频放大器(39)、数控衰减器(40)、第二中频放大器(41)、第三带通滤波器(42)、二路功分器(43)、第三中频放大器(44)、四路功分器(45)和第四中频放大器(46)；

信号输入到第二多路分配器(56)，由信道选择控制信号控制其输出1路或者多路信号；

在多路窄带转发模式或者频道选择转发模式下，第二多路分配器将多路信号输入到第二电调滤波器组(57)、中心频率控制信号将分别设置每路电调滤波器的中心频率；

在宽带转发模式下，第二多路分配器仅输出一路整宽带信号输入到第一带通滤波器中(36)，第一带通滤波器(36)为射频段滤波器，滤除带外杂波；

第二合路器将各路信号合并为单路信号，并将待变频的S波段信号输入到第二混频器(37)中；

第二混频器(37)将S波段信号下变频至UHF/VHF波段，将UHF/VHF波段信号输入到第二带通滤波器(38)中；

第二带通滤波器(38)为中频段滤波器，滤除带外杂波后，再经过第一中频放大器(39)，信号输入到数控衰减器(40)；

数控衰减器(40)在带内加入设置的衰减量，经过数控衰减器(40)后，将信号输入到第二中频放大器(41)与第三带通滤波器(42)，之后被输入到二路功分器(43)；

二路功分器(43)将信号分为两路等幅信号，分别再经过两个第三中频放大器(44)后输入到两个四路功分器(45)；

两个四路功分器(45)进一步将信号分为四路等幅信号输出，再经过两个第四中频放大器(46)后，从地面接收模块(7)输出。

6、根据权利要求1所述的用于无人驾驶直升机的中继转发系统，其特征在于：所述的机载接收天线(1)和机载转发天线(4)均为宽频带天线，并且均为全向天线。

7、根据权利要求1所述的用于无人驾驶直升机的中继转发系统，其特征在于：所述的地面接收天线(5)为宽波段宽频带接收天线，在中继转发系统中接收转发后的高频段信号。

8、根据权利要求1所述的用于无人驾驶直升机的中继转发系统，其特征在于：所述的机载中继转发子系统采用如下电磁兼容保障手段：

A、中继转发子系统的机载转发天线(4)为圆极化方向天线，圆极化方向与测控系统圆极化方向相反；

B、在机载中继转发模块(2)与机载转发天线(4)之间增加了宽带滤波器(3)；

C、机载中继转发模块(2)通过增益控制电平来改变第一衰减器(51)与第二衰减器(25)的衰减值。

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