CN101515163B - 一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法，该方法基于MCS-51系列单片机，包括数据链通信系统初始化、初始同步、同步锁定、自适应发射时隙分配、失步再同步五个步骤。本方法采用时分体制进行数据链通信，机载和地面控制站采用相同的通信设备在同一工作频率下、在不同的时间点上完成信息的发送和接收；采用了基于对等性原理的点对点通信方式，在同步建立过程中，机载和地面控制站的通信系统地位均等，无主次之分；采用了基于同步头的自同步方法，在可靠性、同步时间上均优于以GPS秒脉冲信号为辅助的外同步方法；采用了基于数据缓冲区内信息量大小来进行发射时隙的自适应分配策略，能够有效减少机载能源消耗。

Description

一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法

技术领域

本发明属于通信工程技术领域，具体涉及一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法。

背景技术

无人机肩负着地面监测、目标跟踪、军事打击等任务，因其自身具备体积小、灵活性强等优点，在军事、民用领域扮演着极为重要的角色。无人机数据链的性能直接决定了无人机执行任务的安全性和飞行效能，是无人机的大脑和眼睛。

无人机数据链按数据传输方向的不同可分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送，实现飞行姿态实时控制和指挥自动化；下行链路主要完成无人机至地面站的遥测数据和红外遥感或电视侦察图像的发送以及飞行姿态、GPS跟踪定位等信息的传输。

现有的无人机数据链通信系统一般采用频分复用连续通信体制，即无人机的上下行数据通信链路在传输频率上间隔开来，以保证飞机和地面站在全双工状态下收发信息互不影响。频分复用连续通信体制要求机载和地面控制站通信收发机的前端使用射频双工器。双工器的使用增加了机载负担，不利于系统设备的小型化、轻型化设计需求。而且，采用连续通信方式在数据链信息传输需求量较小、传输时间要求较短的情况下，长时间保持发射机连续开机工作，造成了发射功率的严重浪费，同时增大了机载链路设备的能源消耗，加速了设备的老化程度，提高了设备故障的发生概率，在一定程度上制约了无人机飞行航时和飞行距离，同时给飞行带来了安全隐患。此外，在传统数据链系统的同步方式的选取上，一般采用以GPS秒脉冲信号为辅助手段的外同步方式。由于无人机通信信道环境极为恶劣、复杂，信号动态范围很大，采用GPS秒脉冲信号为辅助的外同步方式往往会因为脉冲信号的漏捕获而失步，严重时甚至会导致数据链通信的完全中断，而且该种同步方式的一个明显缺陷是初始同步时间往往过长。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的无人机数据链通信技术的不足，提出了一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法。

时分体制有别于频分体制，目的在实现上、下行数据链信息传输在时域而非频域上的分离；点对点不同于一对多或多对多模式，主要是就单一地面站针对单一架次的无人机通信而言的，二者地位具有对等性；自同步方法又称为内同步方法，它有别于外同步方法，是一种基于同步头传输策略而不需要外界信息辅助的自主同步方法。本发明还采用了自适应发射时隙分配策略来进行短时突发通信，从而进一步促进无人机数据链系统向小型化、轻型化方向发展，进一步降低系统功耗、保障通信系统长时间稳定工作进而确保整个无人机系统的飞行安全。

本发明所述的一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法，是针对现有数据链系统基带通信板卡的核心，MCS-51系列单片机的自身特点，利用单片机自身中断延时的随机抖动来保证时分体制下无人机数据链点对点通信自同步过程顺利完成。

一种时分体制无人机数据链点对点通信的自同步方法，包括以下步骤：

1、机载和地面控制站数据链通信系统初始化；

机载和地面控制站数据链通信系统上电后，首先进行自检，如果通信系统的自身各个部件工作正常，那么在单片机程序控制下进行功能参数的预分配，完成数据链通信功能的初始化设置，如果自检后有故障，则进行故障检修；

2、初始同步；

机载和地面控制站双方在初始化完成后，按固定的信号发射周期间隔T′相互发射同步头信号以供对方进行信号捕获进而建立数据链。

3、同步锁定；

当机载或地面控制站捕获到对方发来的同步头信号后，延时半个发射周期T′/2继续发送同步头信号以及同步确认信号等待对方进行确认。当双方确认完毕后，数据链进入同步锁定状态，之后每次按照接收到对方同步头信号后延时半个发射周期T′/2的规律进行指令和数据的交互；若未同步锁定，则回到初始同步状态继续发送同步头信号直至同步锁定完成，建立数据链；

4、自适应发射时隙分配；

在同步锁定状态下，机载和地面控制站按照固定的发射周期T′，遵循自适应发射时隙分配的策略进行信息的交互；

5、失步再同步；

当机载或地面控制站短时捕获不到对方发来的同步头信号而造成数据链中断时，双方根据各自的定时，保持固定的发送周期T′。一旦有一方接收到对方信号，捕获到同步头信息，则同步重新建立；若信号丢失持续时间超过了机载和地面控制站预置的最长失步时间，则确认双方已失步，需要重新同步，返回上述的步骤二进行再同步。

本发明的优点在于：

(1)采用了时分体制而非频分体制进行数据链通信，从而避免了频分体制下收发双工器的使用，降低了机载设备重量和设备复杂度；时分体制下，机载和地面控制站可以采用相同的设备在同一工作频率下进行通信，这就更有利于系统向小型化、轻型化、通用化方向发展。

(2)采用了点对点通信方式。在同步建立过程中，无需区分主次，打破了传统意义上以地面站为主、以无人机为辅的主次地位，二者的地位具有对等性；在本发明中，数据链同步过程可以由任何一方或双方发起、确认、建立和保持。

(3)采用了基于同步头的自同步方式进行数据交互，无需外界信号辅助，降低了设备复杂度并缩短了链路同步的建立时间，同时提高了数据链的同步锁定性能。

(4)采用了基于数据缓冲区内信息量大小来进行发射时隙的自适应分配策略，在信息传输完毕后及时关闭发射机，避免长时间保持发射机工作而造成的严重功率浪费和能源消耗。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是MCS-51系列单片机处理中断示意图；

图3是本发明所述方法在一般情况下数据链自同步过程示意图；

图4是本发明所述方法在极端情况下数据链自同步过程示意图；

图5是本发明的数据链信息传输的帧格式示意图；

图6是本发明的自同步过程状态转移图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明所述的一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法，依托于数据链基带信号处理板卡的核心单元，MCS-51系列单片机。机载和地面控制站通信系统利用MCS-51系列单片机处理定时中断时所引入的延时随机抖动这一特性，实现上、下行数据链系统的数据传输在时间上分离，即实现时分体制。通过每个时隙发射固定的同步头来建立数据链通信，进而保证收发双方数据交互的可靠性，流程如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、机载和地面控制站数据链通信系统初始化。

机载和地面控制站数据链通信系统上电后，进行自检，如果通信系统的自身各个部件工作正常，那么在单片机程序控制下进行功能参数的预分配，完成数据链通信功能的初始化设置，如果自检后有故障，则进行故障检修。

本发明所述的MCS-51系列单片机在该步骤中，主要负责装载同步头信息、将发射周期定时器和串口通信的控制字置位。单片机处理中断示意图，如图2所示，单片机通过模式控制模块来启动、暂停、重置定时器的计数周期从而完成时间的调整，例如对信号发射周期起始时间点的调整；根据数据缓冲区内信息量的大小来控制信息的发送，利用串口通信中断控制特定的I/O通信端口(串口)与外围设备进行数据的交互；此外，单片机还需通过特定的I/O通信端口来监测和控制外围设备的运行，比如监测串口通信状态等等。

为有效利用单片机处理中断时引入的延时抖动，设单次周期定时中断的延时抖动为ΔT_i，i＝1，2，3...，一般ΔT_i较小，不能直接利用。为放大定时器的随机延时抖动值，本发明采用了N倍周期延时抖动累加的方式，即将定时器中断周期控制字设为T/N，其中T是信号发射周期的预设值。利用一个最大计数值为N的发射计数器在每次定时中断到来时，自身计数值加1直至溢出，即当计数等于N时提示计数器溢出，之后再清零。

则该计数器溢出的周期，即实际的信号发射周期T′大小为：

T′＝N(T/N+ΔT)＝T+N×ΔT

其中ΔT是N倍周期延时抖动累加和的平均值，即 $\stackrel{\‾}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔT}}_i}{N},$ ΔT_i为单次定时中断的延时抖动值，i＝1，2...N。

在N为有限值的情况下，ΔT依然是一个动态变化的量，N×ΔT相对T仍较小，可以认为T′和T近似相等。机载和地面控制站通信系统均是利用发射周期计数器存在延时抖动的计数溢出周期T′作为实际的发射周期来控制信息的发送。

步骤二、初始同步。

初始同步是在系统初始化全部完成之后进行的。系统由初始化状态进入初始同步状态后，等待发射计数器溢出标志。每次溢出后，机载和地面控制站的通信系统开始按存在随机抖动的时钟周期T′发射同步头。

同步头一般采用性能优越的巴克码，如EB90H，即二进制数1110101110010000B。发射同步头所需的时间也称同步头的发射时隙，很短，一般在几十us之间。该值正好落于发射周期时钟抖动累加值N×ΔT的变化范围之内。机载和地面控制站系统根据各自的发射周期，自主进行信号发射，在起始发射时间以及发射次序上无任何要求，双方仅依靠发射周期定时器存在的固有延时抖动便可确保各自信号即使是在同时发送的情况下，也能在时间上完全错位分离。也就是说，即使出现机载和地面控制站同时发射同步头信号，在很短的时间间隔内，一般为几个发射周期，受发射周期延时抖动的影响，总会出现一方先于另一方发射同步头的情况。

图3所示为一般情况下的同步过程。当一方捕获到对方的同步头信号后，重置本地发射周期定时器来调整本地同步头信号的发送时间——如图3中所示的虚线框同步头信号的发送时间点调整到下一个实线框同步头发送时间点。在捕获到对方同步头信号后，延时半个发射周期T′/2发送同步头信号以及同步确认信号，至此上、下行链路的数据传输在时域上间隔开来，完成初始同步过程。图4所示为极端情况下，双方在同一时间点按照同一发射周期预设值T进行同步头信号的发射。由于数据链采用时分体制，在发送过程中不能同时接收对方发来的信号。但依靠各自实际发射周期T′的延时随机抖动，在很短的一段时间(一般在几个发射周期之内)后，即会出现一方先于另一方发送同步头信号的情况。滞后的一方在检测到超前的一方发来的同步头信号后，马上重置本地发射周期定时器来调整本地同步头信号的发送时间——如图4中所示的虚线框同步头信号的发送时间点调整到下一个实线框同步头发送时间点，在延时半个发射周期T′/2后发送同步头信号以及同步确认信号，这样便在时域上自主分离上、下行数据链的发射时间，从而完成初始同步过程。

步骤三、同步锁定。

在初始同步状态下，由于机载和地面控制站发射周期中的延时随机抖动，一旦出现滞后发射的一方先接收到对方同步头信号以后，便将自身发射计数器的计数值重新置位，保证延时半个周期T′/2后再进行信息发射，此时发射的信息为同步头加同步确认信号。自此，机载和地面控制站通信系统的发射周期交错开来，上、下行数据链以时分体制方式进行信息传输。机载和地面控制站通信系统相互间隔半个周期T′/2发射和接收信号，在一方收到另一方发来的同步确认信号以后，再按固定的发射周期T′向对方发送同步确认信号，同时将单片机内的同步锁定标志由0置为1，将同步锁定计数器清零。至此，系统的同步锁定过程完成。在同步锁定后，意味着数据链已经建立完成，接下来就可以进行遥控和遥测等重要信息的交互。若未同步锁定，则需要回到步骤二的初始同步状态继续发送同步头信号，直至同步锁定完成，建立数据链。

步骤四、自适应发射时隙分配。

在同步锁定之后，数据链就可以正常工作了。由于上下行数据量的不对称性，以及实时发送数据量的变化等因素的影响，造成机载和地面控制站的数据缓冲区内的信息量大小实时动态变化。发送的数据按照一定的格式组合成帧，如图5所示，每一帧一般由同步头、帧头、信息比特、帧尾以及尾保护比特五部分构成。中间的帧头、信息比特、帧尾三部分作为数据帧，其中信息比特可以是上行链路的遥控指令，也可以是下行链路的遥测数据。单片机通过监测数据缓冲区内的信息来实时控制每个发射周期内数据帧的长度，缓冲区内数据量越大则组成的数据帧越长，但数据帧发射持续时间须小于发射周期T′/2，缓冲区内数据量越小则组成的数据帧越短。当数据缓存区内无数据时，只需发送同步头信号以维持数据链通信。当数据发送完毕后，MCS-51系列单片机发出指令关闭发射机以节省能源消耗。接收方在收到数据帧后，按照给定的组帧方式进行反向解数据帧来获取有用的信息。当缓存区内需要发送的信息量为零时，及时关闭发射机以降低系统功耗、提高电池续航时间。该策略同样适用于初始同步阶段，即仅在发射同步头时打开发射机其余时间内关闭发射机以节省能源。

步骤五、失步再同步。

当链路信号受到强干扰或者由于遮挡，导致一方或双方不能捕获对方发来的同步头信号，此时数据链暂时断开、机载和地面控制站通信系统失步，但双方仍然按照之前的发射周期T′进行信息的传输。失步后，失步一方的单片机中同步锁定标志由1置0，同步锁定计数器开始按照发射周期进行循环加1计数。短时间内，当失步的一方捕获对方发来的同步头信号后，同步锁定标志重新由0置为1，同步锁定计数器清零，表明同步重新建立。如果当同步锁定计数器溢出(之后清零)但仍没有捕获到对方同步头信号时，表明通信链路已经断开，需要重新建立。同步锁定计数器的溢出周期即为机载和地面控制站预置的最长失步时间，一旦信号丢失持续时间超过了该最长失步时间，则机载和地面控制站通信系统回到步骤二的初始同步状态重新进行同步建立。

机载和地面控制站通信系统自同步过程的状态转移图如图6所示，根据箭头方向，当双方完成步骤一所述的上电初始化过程后，便进入了步骤二所述的初始同步状态，双方开始互发同步头信号；一旦有一方或双方监测到对方发来的同步头信号后，便进入了步骤三所述的同步锁定状态，此时双方互发同步头及同步确认信号进行握手，同时监测对方发来的同步头及握手信号；在双方握手完毕后，此时数据链已经建立完毕，便进入了步骤四所述的自适应发射时隙分配状态，双方根据各自的数据帧长度进行动态的发射时隙分配，维持数据链通信；一旦出现一方或双方捕获不到对方的同步头信号时，便进入了步骤五所述的失步再同步状态，双方监测对方发来的同步头信号，保持自身的发射周期，继续维持之前的同步锁定状态直至确认双方已失步；确认失步后，通信系统便从失步再同步状态跳转回初始同步状态。此外，任何一个状态在出现掉电情况后，均会自动转移到系统上电初始化状态，等待自检和初始化完成。

Claims (6)

1.一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法，基于MCS-51系列单片机，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤一、机载和地面控制站数据链通信系统初始化；

机载和地面控制站数据链通信系统上电后，首先进行自检以确保自身各个部件工作正常；然后，在单片机程序控制下进行功能参数的预分配，完成数据链通信功能的初始化设置；

步骤二、初始同步；

机载和地面控制站双方在初始化完成后，按固定的信号发射周期T′相互发射同步头信号以供对方进行信号捕获进而建立数据链；

步骤三、同步锁定；

当机载或地面控制站捕获到对方发来的同步头信号后，延时半个发射周期T′/2继续发送同步头信号以及同步确认信号等待对方进行确认；当双方确认完毕后，数据链进入同步锁定状态，之后每次按照接收到对方同步头信号后延时半个发射周期T′/2的规律进行指令和数据的交互；若未同步锁定，则回到步骤二的初始同步状态继续发送同步头信号直至同步锁定完成，建立数据链；

步骤四、自适应发射时隙分配；

在同步锁定状态下，机载和地面控制站按照固定的发射周期T′，遵循自适应发射时隙分配的策略进行信息的交互；

步骤五、失步再同步；

当机载和地面控制站短时内捕获不到对方发来的同步头信号而造成数据链中断时，双方根据各自的定时，保持固定的发送周期T′；一旦有一方接收到对方信号，捕获到同步头信息，则同步重新建立；若信号丢失持续时间超过了机载或地面控制站预置的最长失步时间，则确认双方已失步，需要重新同步，返回上述的步骤二。

2.根据权利要求1所述的一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法，其特征在于：步骤一所述的功能参数预分配中对于信号发射周期T′的设定，采用N倍周期延时抖动累加的方式获得：

单片机内的定时器在工作时存在着随机的延时抖动，设每次的延时抖动值为ΔT_i，i＝1，2...N；单片机内的发射周期定时器的中断周期控制字设为T/N，其中T是信号发射周期的预设值，令发射周期计数器的最大计数值为N，当定时器中断到来时，自身计数值加1直至溢出，即当计数等于N时计数器溢出，之后再清零；

计数器溢出的周期，即实际的信号发射周期T′大小为：

其中 

是N倍周期延时抖动累加和的平均值，即 

，ΔT_i为单次定时中断的延时抖动值，i＝1，2...N；

N为有限数值， 是一个动态变化的量， 远小于T，T′和T近似相等；机载和地面控制站通信系统均是利用发射计数器存在延时抖动的计数溢出周期T′作为实际的发射周期来控制信息的发送。

3.根据权利要求1所述的一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法，其特征在于：所述的同步头信号采用巴克码。

4.根据权利要求1所述的一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法，其特征在于：步骤二所述的初始同步阶段，机载和地面控制站通信系统根据各自的发射周期，自主进行信号发射，在起始发射时间以及发射次序上无任何要求；双方依靠发射周期定时器存在固有延时抖动使得各自信号即使是在同时发送的情况下，在时间上也能够完全错位分离。

5.根据权利要求1所述的一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法，其特征在于：步骤四中所述的信息数据按照规定的格式组合成帧，每一帧包括同步头、帧头、信息比特、帧尾以及尾保护比特；中间的帧头、信息比特、帧尾三部分作为数据帧，其中信息比特是上行链路的遥控指令或者是下行链路的遥测数据。

6.根据权利要求1所述的一种时分体制下无人机数据链点对点通信的自同步方法，其特征在于：步骤四中所述的自适应发射时隙分配的策略，是指单片机通过监测数据缓冲区内的信息量来实时控制单次发射周期下数据帧的长度，缓冲区内数据量越大则组成的数据帧越长，缓冲区内数据量越小则组成的数据帧越短；若数据缓存区内无数据时，则只需发送同步头信号以维持数据链通信；当发送数据完毕后，单片机立即发出指令关闭发射机以节省能源消耗。 

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