CN104579416B - 一种用于遥测遥控通信系统的通信链路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于遥测遥控通信系统的通信链路，其通过采用上行链路广播、下行链路时分多址方式解决单地面站同时对多个飞行器“一站多机”测控问题；其下行链路采用多级增益可调的混合扩频BPSK调制、上行链路采用固定增益的编码扩频QPSK调制体制，以提高无线链路抗干扰和抗截获能力，同时兼顾上、下行链路非对称性；其上、下行链路均使用单脉冲调制符号包发射方式，相邻符号脉冲间插入固定间隔，从而降低接收机对扩频信号捕获、跟踪和同步的复杂度；其使用非相干解调，规避了复杂的载波同步问题，进一步简化接收机设计和工程实现。本发明规避了复杂的载波同步问题，实现了单个地面站设备与多个遥控终端设备间的无线通信。

Description

一种用于遥测遥控通信系统的通信链路

技术领域

本发明属于飞行器测控通信技术领域，尤其涉及一种用于遥测遥控通信系统的通信链路。

背景技术

基于地面站设备的飞行器测控通信系统的用途是建立从地面控制站至目标飞行器的用于上传控制指令信息的遥控数据链路和从目标飞行器至地面控制站的用于下传各种机载设备状态信息和任务载荷产生的有效数据的遥测数据链路。如图1所示，图1为现有技术中的飞行器测控通信示意图。而传统飞行器测控通信系统通常采用单地面站对单目标飞行器即“一站一机”测控方式，进而通过地面站组网构成测控系统。在无线通信体制上，在较低频段(例如甚高频UHF)调频脉冲编码调制(FM/PCM)方式应用较为普遍。

随着编队多飞行器测控和无人机地面站系统小型化和快速部署等问题被提出，传统飞行器测控通信系统的局限性显现：采用“一站一机”方式对多飞行器测控需要至少与飞行器相同数量的地面站设备以致地面站系统庞大、复杂；对于编队飞行器测控，多地面站波束重叠，如图2所示，图2为现有技术中的一站一机测控方式多目标飞行器测控示意图；采用调频脉冲编码调制体制必须通过严格的频率划分以解决链路间干扰问题，频谱利用率低；较低频段频谱资源紧张，信道带宽受限不能满足大数据量遥测数据实时下发；缺少有效的抗干扰、抗截获技术手段；载波波长较长导致天线尺寸较大，地面站及机载设备小型化困难。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种用于遥测遥控通信系统的通信链路，本发明实现了单个地面站设备与多个遥控终端设备间的无线通信。

本发明的用于遥测遥控通信系统的通信链路，其包括上行广播链路和下行时分多址链路，地面站通过上行广播链路向多接收机以广播方式发送遥控指令；多接收机通过下行链路以时分多址的方式向地面站发送遥测数据；

其中，上行广播链路的内容包括：

A采用编码扩频(软扩频)的方式

采用M/N bit编码扩频，将二进制符号串并转换形成M位一组编码进而映射为N码片扩频序列；

B上行链路使用QPSK载波方式

N码片扩频序列经串并转换形成的I、Q两路长度为N/2码片的扩频序列，为使得接收机能够使用基于相关峰判别进行非相干解扩解调，在选择编码扩频序列时，应保证I、Q两路长度为N/2码片的扩频序列具备共轭正交性；

C上行链路在编码扩频获得的信息序列数据流中周期地插入n个具有优于编码扩频的扩频序列相关性的m序列作为同步引导序列，n的取值大于等于接收机跟踪和捕获环节所需要的同步头个数，插入周期应小于接收机本地定时产生1个码片偏离所需的时间；

D上行链路采用单符号脉冲包发射方式，对于同步引导的m序列采用连续符号脉冲发射包发射方式；

其中，下行多址链路的内容包括：

A采用编码扩频与跳频扩频进行级联的混合扩频；

采用M/Nbit编码扩频，将二进制符号串并转换形成M位一组编码进而映射为N码片扩频序列；

跳频扩频利用编码扩频的扩频序列调制中频载波，通过对中频载波的伪随机频移键控实现跳频；

对于确定的M、N，频点数为K，级联跳频扩频的混合扩频具有KN/M的扩频增益；

B下行链路使用BPSK调制载波方式，

使得多接收机能够在滑动相关解扩的同时直接通过相关峰判别进行非相干解调；

C下行链路在混合扩频获得的信息序列数据流中周期地插入n个m序列作为同步引导序列，n的取值大于等于接收机跟踪和捕获环节所需要的同步头个数，插入周期应小于接收机本地定时产生1个码片偏离所需的时间；

D下行链路采用单符号脉冲发射方式，且在时分多址的各时隙结尾插入一个大于ΔT的时间保护间隔，ΔT为各址路径最大时延差；

上述时分多址的时隙结构由地面站决定，并通过上行链路广播将时隙分配指令上传至各飞行器终端，各接收机根据时隙分配指令和基于上行链路指令完成的本地定时，确定各自的数据下发时间。

有益效果：

本发明所提出的用于遥测遥控通信系统的通信链路规避了复杂的载波同步问题，实现了单个地面站设备与多个遥控终端设备间的无线通信。具体的：

通过采用上行链路广播、下行链路时分多址方式解决单地面站同时对多个飞行器“一站多机”测控问题。

下行链路采用多级增益可调的混合扩频BPSK调制、上行链路采用固定增益的编码扩频QPSK调制体制，以提高无线链路抗干扰和抗截获能力，同时兼顾上、下行链路非对称性。

上、下行链路均使用单脉冲调制符号包发射方式，相邻符号脉冲间插入固定间隔，从而降低接收机对扩频信号捕获、跟踪和同步的复杂度。

使用非相干解调，规避了复杂的载波同步问题，进一步简化接收机设计和工程实现。

附图说明

图1为现有技术中的飞行器测控通信示意图；

图2为现有技术中的一站一机测控方式多目标飞行器测控示意图；

图3本发明的下行链路混合扩频原理图；

图4本发明的上行链路一次同步数据帧示意图；

图5本发明的编码扩频正交映射示意图；

图6本发明的下行链路时隙结尾插入时间保护间隔示意图。

具体实施方式

本发明的用于遥测遥控通信系统的通信链路，其包括上行广播链路和下行时分多址链路，地面站通过上行广播链路向多接收机以广播方式发送遥控指令；多接收机通过下行链路以时分多址的方式向地面站发送遥测数据。

一、上行广播链路：

1)上行链路编码扩频

采用M/N bit编码扩频，将二进制符号串并转换形成M位一组编码进而映射为N码片扩频序列。例如上行链路采用4/32bit编码扩频，二进制符号串并转换形成4位一组编码进而映射为32码片扩频序列。但考虑到上行链路使用QPSK调制方式，对于扩频序列的选择需考虑32码片序列经串并转换形成的16码片I、Q扩频序列的正交性问题，以及采用非相干方式解扩解调的适用性。

附表2给出了一种由分别由S₀：11011001110000110101001000101110和S₈：10001100100101100000011101111011做4位步长循环移位得到的16个32位扩频序列。上述16个序列经串并转换得到16个16位序列S₀_I,S₁_I,…S₁₅_I和S₀_Q,S₁_Q,…S₁₅_Q，详见附表3，具备所谓共轭正交性，即除了两组16个序列S₀_I，S₀_Q，S₁_I，S₁_Q…S₇_I，S₇_Q以及16个序列S₈_I，S₈_Q，S₈_I，S₈_Q…S₁₅_I，S₁₅_Q分别具有(准)正交性以外，后一组序中I路序列与前一组I路序列完全相同，例如S₀_I与S₈_I，Q路序列与前一组Q路序列刚好取反，例如S₀_Q与S₈_Q等。(注：上述序列已经在IEEE 802.15.4扩频方案中使用)图5所示为上行链路编码扩频二进制符号至I、Q路扩频序列的映射原理。

表2具备共轭正交性的一组循环移位序列

循环移位数	循环移位序列	序列标记
			0	1101 1001 1100 0011 0101 0010 0010 1110	S0
4	1110 1101 1001 1100 0011 0101 0010 0010	S1
			8	0010 1110 1101 1001 1100 0011 0101 0010	S2
…	…	…
			28	1001 1100 0011 0101 0010 0010 1110 1101	S7
0	1000 1100 1001 0110 0000 0111 0111 1011	S8

4	1011 1000 1100 1001 0110 0000 0111 0111	S9
			8	0111 1011 1000 1100 1001 0110 0000 0111	S10
…	…	…
			28	1100 1001 0110 0000 0111 0111 1011 1000	S15

表3循环移位序列I、Q分解

2)QPSK调制载波方式

上行链路使用QPSK载波方式，N码片扩频序列经串并转换形成的I、Q两路长度为N/2码片的扩频序列，为使得接收机能够使用基于相关峰判别进行非相干解扩解调，在选择编码扩频序列时，应保证I、Q两路长度为N/2码片的扩频序列具备共轭正交性。相比于BPSK调制方式，在相同限定带宽条件下QPSK调制能够提升一倍的符号传输速率，更适宜上行链路较大数据量传输。由于使用的编码扩频序列具有共轭正交性，接收机可以使用基于相关峰判别的非相干解扩解调方式，规避了复杂的载波同步问题，降低了地面站设备接收机的复杂度。

3)使用m序列的同步引导

上行链路使用m序列的同步引导与下行链路相同。上行链路在编码扩频获得的信息序列数据流中周期地插入n个具有优于编码扩频的扩频序列相关性的m序列作为同步引导序列，n的取值大于等于接收机跟踪和捕获环节所需要的同步头个数，插入周期应小于接收机本地定时产生1个码片偏离所需的时间。

4)单符号脉冲包发射方式

上行链路采用单符号脉冲包发射方式，即在每个编码扩频序列后，插入固定的空闲间隔。空闲间隔的插入，保证了在跳频的频率转换过程中不传输有效信息，同时避免失同步情况下当相邻循环移位序列首尾连接时错误解扩/解调引起误码率急剧恶化。

对于同步引导序列，采用连续符号脉冲发射方式，同步序列间没有空闲间隔有利于接收机采用滑动相关法捕获和同步，m序列的良好相关性和不具备循环移位性也意味着插入空闲间隔不在具有必要性。

图4所示为上行链路一次同步数据帧格式示意。

5)广播

地面站通过上行链路向多飞行器以广播方式发送遥控指令，针对不同飞行器的遥控指令通过对数据帧格式的设计和数据内容加以区分，各飞行器通过读取广播数据帧特定数据内容校准本地时钟实现同步组网，基于地址下载相关遥控信息，以及接受下行时分多址链路信道调度等。

二、下行时分多址链路：

1)下行链路混合扩频方式

下行链路采用跳频扩频与编码扩频(软扩频)级联的混合扩频方式。采用M/Nbit编码扩频，将二进制符号串并转换形成M位一组编码进而映射为N码片扩频序列；跳频扩频利用编码扩频的扩频序列调制中频载波，通过对中频载波的伪随机频移键控实现跳频。

编码扩频属于直接序列扩频的改进形式，不同于普通直接序列扩频将每个二进制信息符号映射成一个符号长度为N的扩频序列的方式，而是首先将M个二进制信息符号组成一个编码(多进制符号)，进而将编码映射成一个符号长度为N的扩频序列。在同等码片(chip)速率条件下，编码扩频具有M倍于普通直接序列扩频的信息传输速率。

对于确定的M、N，编码扩频具有N/M的固定扩频增益，顾及飞行器遥控应用中飞行器与地面站距离具有大的动态范围(几十米至数百公里)，进一步通过频点数量可配置的跳频扩频获得额外的、按需可变的增益。跳频扩频的频点数为K，则跳频增益为K，编码扩频级联跳频扩频的混合扩频具有KN/M的扩频增益。图3所示为下行链路混合扩频原理框图。

例如下行链路采用4/32bit编码扩频，首先将串行二进制数据通过串并转换形成4位一组的16进制编码符号，进而按照0000，0001，…1111映射的16个相互(准)正交的32bit码片序列S₀，S₁，…S₁₅将则4位一组编码的信息符号映射成相应序列，即实现了编码扩频。

序列S₀，S₁，…S₁₅选取具备循环移位正交性的序列，如M序列等，可简化解扩/解调过程。例如，当S₀取序列0111 1100 1110 1001 0000 1010 1110 1100，通过循环移位获得的32个序列如表1所示，其中任意两序列间具有较为理想的正交性，可选择其中的16个序列作为4/32bit编码扩频序列。(注：上述序列已经在诸如Link16数据链等扩频方案中取得应用)

表1循环移位序列(32位)

完成信息序列编码扩频后，利用编码扩频序列调制中频载波，通过对中频载波的伪随机频移键控实现跳频，原理如图5所示。当发射机射频带宽限定于W，则K频点跳频方式各频点信道带宽为W/K(不计保护间隔)，随频点数增多则信道带宽减小，信息传输速率降低，反之则提高。因此，通过使用级联的跳频扩频，可以实现在传输速率与抗干扰能力(扩频增益)之间的灵活折中。12BPSK调制载波方式

2)下行链路使用BPSK调制载波方式。由于使用的编码扩频序列具有正交性，使用BPSK调制方式允许接收机在利用直接通过滑动相关解扩的同时直接通过相关峰判别进行非相干解调，很大程度上降低了飞行器机载设备接收机的复杂度。

3)使用m序列的同步引导方式

为进一步降低接收机对下行链路扩频信号捕获和跟踪的复杂度，在混合扩频信息序列数据流中周期地插入n个具有优于编码扩频序列相关性的m序列作为同步引导序列，n的取值于接收机跟踪和捕获环节所使用的具体方式和性能有关(效果较佳的，n的取值大于等于接收机跟踪和捕获环节所需要的同步头个数，插入周期应小于接收机本地定时产生1个码片偏离所需的时间)，同步引导序列插入周期则与接收机本地时钟稳定度关系密切，插入周期应小于本地定时产生1个码片偏离所需的时间。由于同步引导序列不承载有效信息，n越小并且同步引导序列插入周期越大，则同步开销越小。

4)单符号脉冲包发射方式

下行链路使用的单符号脉冲发射方式与上行链路基本相同，差别在于为解决不同飞行器与地面站距离差异所产生的传播时延不一致问题，需要在时分多址各时隙结尾插入一个大于ΔT的时间保护间隔，ΔT为各址路径最大时延差，如图6所示。

5)时分多址

各飞行器通过下行链路以时分多址的方式向地面站下发遥测数据。时分多址时隙结构由地面站决定，并通过上行链路广播将时隙分配指令上传至各飞行器终端。各分飞行器终端根据时隙分配指令和基于上行链路指令完成的本地定时，确定各自的数据下发时间。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于遥测遥控通信系统的通信链路，其特征在于，包括上行广播链路和下行时分多址链路，地面站通过上行广播链路向多接收机以广播方式发送遥控指令；多接收机通过下行链路以时分多址的方式向地面站发送遥测数据；

其中，上行广播链路的内容包括：

步骤A、采用编码扩频的方式：

采用M/N bit编码扩频，将二进制符号串并转换形成M位一组编码进而映射为N码片扩频序列；

步骤B、上行链路使用QPSK载波方式：

N码片扩频序列经串并转换形成的I、Q两路长度为N/2码片的扩频序列，为使得接收机能够使用基于相关峰判别进行非相干解扩解调，在选择编码扩频序列时，应保证I、Q两路长度为N/2码片的扩频序列具备共轭正交性；

步骤C、上行链路在编码扩频获得的信息序列数据流中周期地插入n个具有优于

编码扩频的扩频序列相关性的m序列作为同步引导序列，n的取值大于等于接收机跟踪和捕获环节所需要的同步头个数，插入周期应小于接收机本地定时产生1个码片偏离所需的时间；

步骤D、上行链路采用单符号脉冲包发射方式，对于同步引导的m序列采用连续

符号脉冲发射包发射方式；

其中，下行多址链路的内容包括：

stepA、采用编码扩频与跳频扩频进行级联的混合扩频：

采用M/Nbit编码扩频，将二进制符号串并转换形成M位一组编码进而映射为N码片扩频序列；

跳频扩频利用编码扩频的扩频序列调制中频载波，通过对中频载波的伪随机频移键控实现跳频；

对于确定的M、N，频点数为K，级联跳频扩频的混合扩频具有KN/M的扩频增益；

stepB、下行链路使用BPSK调制载波方式：

使得多接收机能够在滑动相关解扩的同时直接通过相关峰判别进行非相干解调；

stepC、下行链路在混合扩频获得的信息序列数据流中周期地插入n个m序列作为同步引导序列，n的取值大于等于接收机跟踪和捕获环节所需要的同步头个数，插入周期应小于接收机本地定时产生1个码片偏离所需的时间；

stepD、下行链路采用单符号脉冲发射方式，且在时分多址的各时隙结尾插入一个大于ΔT的时间保护间隔，ΔT为各址路径最大时延差；

上述时分多址的时隙结构由地面站决定，并通过上行链路广播将时隙分配指令上传至各飞行器终端，各接收机根据时隙分配指令和基于上行链路指令完成的本地定时，确定各自的数据下发时间。