CN104683015B - 一种无人机地面站总线系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无人机地面站总线系统，涉及无人机地面站技术领域，能够解决无人机地面站总线系统可靠性差的问题。无人机地面站总线系统，包括控制终端、服务器、地面数据链路终端、第一以太网交换机以及第二以太网交换机，控制终端和服务器分别与第一以太网交换机和第二以太网交换机连接，且第一以太网交换机与第二以太网交换机之间相连接。本发明的无人机地面站总线系统中，交互信息能够根据合适消息传输路径进行传输，当其中一套物理子网设备故障停机时，能够实现系统自动重构，采用另外一套物理子网设备继续投递信息，进一步提高总线系统中信息传输的可靠性。

Description

一种无人机地面站总线系统
技术领域
本发明涉及无人机地面站技术领域，尤其涉及一种无人机地面站总线系统。
背景技术
目前，大部分无人机地面站总线系统中是采用两条物理上独立的IEEE802.3Ethernet A、B总线作为冗余信息交互载体。但是，该类方案的信息传输质量不高且系统的可靠性差，具体如下：1)无法在协议层保证指控类关键信令的传输时延，关键指令时延不可控；2)分立总线无法形成实时热备，可靠性指标低；3)带宽无法跨总线共享，造成传输资源浪费；4)总线故障重构需要软、硬件重新配置，耗时过大(数十分钟)，造成延误。
发明内容
本发明一个目的是提供一种无人机地面站总线系统，能够解决无人机地面站总线系统可靠性差的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种无人机地面站总线系统，包括：
控制终端，用于处理地面站与无人机之间相互传递的交互信息；
服务器，用于将所述控制终端发送的所述交互信息传输至所述无人机，并将所述无人机返回的所述交互信息传输至所述控制终端，其中所述服务器包括至少两台，两台所述服务器之间进行通信连接，且每台所述服务器均与一个HBA主机总线适配器连接，两个所述HBA主机总线适配器与同一个所述RAID盘阵连接，所述服务器通过所述HBA主机总线适配器将所述交互信息存储于所述RAID盘阵中；
地面数据链路终端，与所述服务器连接，用于将所述服务器发送的所述交互信息传输至所述无人机，并将所述无人机返回的所述交互信息传递至所述服务器；
第一以太网交换机，分别与所述控制终端和所述服务器连接，以形成第一子网，所述交互信息通过所述第一子网在所述控制终端与所述服务器之间传输；
第二以太网交换机，分别与所述控制终端和所述服务器连接，以形成第二子网，所述交互信息通过所述第二子网在所述控制终端与所述服务器之间传输；
另外，所述第一以太网交换机与所述第二以太网交换机之间相连接，所述交互信息在所述第一以太网交换机与所述第二以太网交换机之间传输。
进一步地，所述控制终端包括：
飞机监控席终端，用于向所述无人机发送遥控数据信息；
指挥规划席终端，用于与所述无人机之间进行航管信息的交互；
图像载荷席终端，用于接收所述无人机返回的SAR图像信息；
电子载荷席终端，用于接收所述无人机返回的电子探测信息；
链路监控席终端，用于与所述无人机之间进行链路状态信息的交互；
所述交互信息包括所述遥控数据信息、航管信息、SAR图像信息、电子探测信息以及链路状态信息。
进一步地，所述控制终端中的所述交互信息采用网络流量带宽QoS管理模式，其中，所述遥控数据信息、所述航管信息以及所述链路状态信息的队列优先级要高于所述SAR图像信息和所述电子探测信息。
进一步地，每个所述控制终端内采用双网卡绑定结构，将同系列、同型号的两个网卡绑定为同一个逻辑IP地址。
进一步地，所述的无人机地面站总线系统还包括：
channel-group逻辑通道，所述channel-group逻辑通道由所述第一以太网交换机的端口与所述第二以太网交换机的端口之间通过端口聚合而成。
进一步地，所述第一以太网交换机与所述第二以太网交换机之间合成为一个VLAN虚拟局域网，VLAN虚拟局域网设为C类IP地址范围。
进一步地，所述第一以太网交换机与所述第二以太网交换机之间在端口处通过堆叠线堆叠。
本发明提供的无人机地面站总线系统采用双星形拓扑结构，第一以太网交换机分别与所述控制终端和所述服务器形成第一子网，第二以太网交换机分别与所述控制终端和所述服务器形成第二子网，交互信息能够通过第一子网、第二子网在控制终端与服务器之间进行传输，进一步，第一以太网交换机与第二以太网交换机之间还相连接，交互信息还能够在所述第一以太网交换机与所述第二以太网交换机之间传输；本发明的无人机地面站总线系统中，交互信息能够根据合适消息传输路径进行传输，当其中一套物理子网设备故障停机时，能够实现系统自动重构，采用另外一套物理子网设备继续投递信息，进一步提高总线系统中信息传输的可靠性。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例无人机地面站总线系统的拓扑图；
图2是根据本发明一个实施例无人机地面站总线系统中，飞行监控席终端与链路监控席之间通过两个以太网交换机进行信息交互示意图；
图3是根据本发明一个实施例无人机地面站总线系统中，飞行监控席终端与链路监控席之间第一以太网交换机进行信息交互示意图；
图4是根据本发明一个实施例无人机地面站总线系统中，飞行监控席终端与服务器之间通过第一以太网交换机进行信息交互示意图；
图5是根据本发明一个实施例无人机地面站总线系统中控制终端的双网卡绑定原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的无人机地面站总线系统进行详细描述。
图1是根据本发明一个实施例无人机地面站总线系统的拓扑图。如图1所示，本实施例的无人机地面站总线系统可以包括控制终端100、服务器200、地面数据链路终端600、第一以太网交换机301、第二以太网交换机302。
控制终端100用于处理地面站与无人机之间相互传递的交互信息，控制终端100可以具体是某一型号的计算机。其中，控制终端100可以包括多个，且每个控制终端100可以处理不同的交互信息；需要说明的是，交互信息的处理包括对交互信息的生成、发送以及接收等手段。本实施例中，优选控制终端包括飞机监控席终端101、指挥规划席终端102、图像载荷席终端103、电子载荷席终端104以及链路监控席终端105。另外，飞机监控席终端101又可进一步包括飞行监控席A终端和飞行监控席B终端，同样分别于第一以太网交换机301、第二以太网交换机302连接。
其中，飞机监控席终端101用于向所述无人机发送遥控数据信息；指挥规划席终端102用于与所述无人机之间进行航管信息的交互；图像载荷席终端103用于接收无人机返回的SAR图像信息；电子载荷席终端104用于接收无人机返回的电子探测信息；链路监控席终端105用于与无人机之间进行链路状态信息的交互。因此，相应地交互信息就可以包括遥控数据信息、航管信息、SAR图像信息、电子探测信息以及链路状态信息。
服务器200又可以叫NAS网络接入服务器，用于将控制终端100发送的交互信息传输至无人机，并将无人机返回的交互信息传输至控制终端100。服务器200可以包括至少一个，本实施例中，优选服务器200为两台或两台以上，以形成服务器200集群。
进一步，在服务器200与无人机之间还需要设置地面数据链路终端600。地面数据链路终端600与服务器200连接，用于将服务器200发送的交互信息传输至无人机，并将无人机返回的交互信息传递至服务器200。当然，其中还可以包括例如信号发射塔等装置。
第一以太网交换机301分别与控制终端100和服务器200连接，以形成第一子网，交互信息通过第一子网在控制终端与服务器200之间传输。第一子网又可定义为核心数据子网，可以定义其主要用于传输一些比较重要的信息，例如上下行数据信息、航管信息、遥控数据信息、链路状态信息、语音通话信息等等。
第二以太网交换机302分别与控制终端100和服务器200连接，以形成第二子网，交互信息通过第二子网在控制终端100与服务器200之间传输。第二子网又可定义为综合业务子网，可以定义其主要用于传输一些重要程度相对较低的信息，例如SAR图像信息、系统监控信息、电子探测信息等等。
进一步，第一以太网交换机301与第二以太网交换机302之间相连接，交互信息在第一以太网交换机301与第二以太网交换机302之间传输。第一以太网交换机301与第二以太网交换机302之间合成为一个VLAN虚拟局域网，VLAN虚拟局域网设为C类IP地址范围。
当第一以太网交换机301和第二以太网交换机302设备均正常工作时，控制终端100(又叫定义席位计算机终端)间数据采用如图2所示交换方案，能够自适应选择合适消息传输路径；当一套物理子网第二子网设备故障停机时，控制终端100间数据采用如图3所示的交换方案，实现故障时的系统自动重构，继续投递消息。对于第一子网设备故障停机时的信息交换方案与上述第二子网设备故障停机时相似，此处不再赘述。
本发明的无人机地面站总线系统中，网络采用双星形拓扑结构连接而成，两个太网交换机的子网之间构成双层交换式以太网，交互信息能够根据合适(预习设定)消息传输路径进行传输，当其中一套物理子网设备故障停机时，能够实现系统自动重构，采用另外一套物理子网设备继续投递信息，进一步提高总线系统中信息传输的可靠性。
本发明的无人机地面站总线系统还包括依次与服务器200连接的HBA主机总线适配器400和RAID盘阵500，服务器200通过HBA主机总线适配器400将交互信息存储于RAID盘阵500中。
如图4所示，以飞行监控席终端101存储起落架放下指令为例，飞行员在飞控软件页面中发送起落架放下的交互信息，交互信息通过第一以太网交换机301或第二以太网交换机302传输至高性能的服务器200的集群，服务器200集群自行根据余度配置选择其中一台服务器200对上述交互信息进行打包及上行服务，以传输至无人机；同时通过PCI-E接口向其对应的HBA转接卡转发该消息，最终通过SAS接口将该条交互信息存储于RAID盘阵中。
本发明的无人机地面站总线系统中，还对交互信息采用了网络流量带宽QoS管理模式，其中，可以定义遥控数据信息、航管信息以及链路状态信息的队列优先级高于SAR图像信息和电子探测信息。进一步，交互信息(还包括一些前面未提及到的交互信息)的优先级如表1中所示：
表1
本发明中采用QoS服务质量控制技术来对网络资源进行合理的规划和分配，为在技术上保证在网络过载或拥塞时，能够确保指控类重要信令不受延迟或丢弃，同时保证双层交换式以太网的传输效率，从而使有限的网络资源得到高效利用。
根据表1所描述的QoS监控业务类型和相关要求对以太网交换机进行配置来实现整个网络的QoS控制。以太网交换机对不同业务类型的数据进行监控和管理，保证优先级最高的a类业务的可靠传输的同时，也能满足整个网络的最大带宽需要。采用这一技术方案可以使总线具有指令传输控制能力，确保关键性信息指令在确定的时延内(5ms)传输到位。
本发明的无人机地面站总线系统中，如图5所示，每个控制终端100内通过驱动软件将同系列、同型号的NIC网卡绑定为同一个逻辑IP地址，从而在实现席位计算机终端的性能与可靠性提升，具体表现为：
1)提升出口带宽：选用两块1000BASE-T标准RJ-45交换式以太网NIC，经绑定后，在双NIC工况同步的情况下，理论出口带宽可提升至2000Mbit/s；
2)负载均衡：双网卡绑定形成冗余阵列可对输入输出流量进行水平分担，访问比特流被均衡分担到两块NIC设备，降低硬件损耗，延长系统寿命；
3)改善容错性：其中一块NIC故障发生故障时，另一块NIC立刻接管全部负载，实现不中断服务。
本发明的无人机地面站总线系统中，经双网卡绑定上行至第一以太网交换机301的端口SWTA-P1与上行至第二以太网交换机302的端口SWTB-P2可经由端口聚合技术配置成单一的逻辑连接channel-group逻辑通道来处理，这种方案允许两个交换机之间通过SWTA-P1、SWTB-P2的多端口并行连接同时传输数据以提供更高的带宽、更大的吞吐量和更强的自恢复性。
本发明的无人机地面站总线系统中，在网络层上，第一以太网交换机301与第二以太网交换机302之间合成为一个VLAN虚拟局域网，VLAN虚拟局域网设为C类IP地址范围。
进一步，本发明的无人机地面站总线系统中，第一以太网交换机301与第二以太网交换机302之间在端口处通过堆叠线堆叠。通过交换机堆叠端口将第一以太网交换机301与第二以太网交换机302端口处通过堆叠线堆叠在一起，依据LACP协议将两个交换机的交换优先级设为双主模式，即通过设定双逻辑主设备来支持负载均衡，其余交换配置信息均设置于堆叠后的双逻辑主设备上(网络层)，从而能够将堆叠交换机中的两个单元视为一个交换机来进行使用和管理。
本发明的无人机地面站总线系统，当第一子网(核心数据网)出现故障时，将由第二子网(综合业务网)替代传输相关交互信息。网络构型与站内软件共同形成网络备份、切换机制。为实现这一设计要求，交换机、线缆、服务器、网卡等网络节点均须支持双网热备及负载均衡。本发明中采用上述双网卡绑定、端口汇聚、交换机堆叠技术共同构建双层交换式以太网热备冗余及负载均衡能力。
本发明可实现至少以下优点：1)总线具有指令传输控制能力，确保关键性信令在确定的时延内(5ms)传输到位；2)两条总线实现双网在线式负载均衡，将传输带宽提高至原有的2倍；3)支持全自主故障重构，单条总线失效自恢复时间不超过1s；4)故障重构仅造成吞吐量性能降级，不影响系统功能；5)分立式双总线构型在硬件上无需任何改动，仅需核心网络组件支持IEEE802.3ad、LACP、端口汇聚、交换机堆叠和双NIC绑定。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种无人机地面站总线系统，其特征在于，包括：
控制终端(100)，用于处理地面站与无人机之间相互传递的交互信息，所述控制终端(100)包括：飞机监控席终端(101)，用于向所述无人机发送遥控数据信息；指挥规划席终端(102)，用于与所述无人机之间进行航管信息的交互；图像载荷席终端(103)，用于接收所述无人机返回的SAR图像信息；电子载荷席终端(104)，用于接收所述无人机返回的电子探测信息；链路监控席终端(105)，用于与所述无人机之间进行链路状态信息的交互；所述交互信息包括所述遥控数据信息、航管信息、SAR图像信息、电子探测信息以及链路状态信息；
服务器(200)，用于将所述控制终端(100)发送的所述交互信息传输至所述无人机，并将所述无人机返回的所述交互信息传输至所述控制终端(100)，其中所述服务器(200)包括至少两台，两台所述服务器(200)之间进行通信连接，且每台所述服务器(200)均与一个HBA主机总线适配器(400)连接，两个所述HBA主机总线适配器(400)与同一个RAID盘阵(500)连接，所述服务器(200)通过所述HBA主机总线适配器(400)将所述交互信息存储于所述RAID盘阵(500)中；
地面数据链路终端(600)，与所述服务器(200)连接，用于将所述服务器(200)发送的所述交互信息传输至所述无人机，并将所述无人机返回的所述交互信息传递至所述服务器(200)；
第一以太网交换机(301)，分别与所述控制终端(100)和所述服务器(200)连接，以形成第一子网，所述交互信息通过所述第一子网在所述控制终端(100)与所述服务器(200)之间传输；
第二以太网交换机(302)，分别与所述控制终端(100)和所述服务器(200)连接，以形成第二子网，所述交互信息通过所述第二子网在所述控制终端(100)与所述服务器(200)之间传输；
另外，所述第一以太网交换机(301)与所述第二以太网交换机(302)之间相连接，所述交互信息在所述第一以太网交换机(301)与所述第二以太网交换机(302)之间传输。
2.根据权利要求1所述的无人机地面站总线系统，其特征在于，所述交互信息采用网络流量带宽QoS管理模式，其中，所述遥控数据信息、所述航管信息以及所述链路状态信息的队列优先级高于所述SAR图像信息和所述电子探测信息。
3.根据权利要求1所述的无人机地面站总线系统，其特征在于，每个所述控制终端(100)内采用双网卡绑定结构，将同系列、同型号的两个网卡绑定为同一个逻辑IP地址。
4.根据权利要求1所述的无人机地面站总线系统，其特征在于，还包括：
channel-group逻辑通道，所述channel-group逻辑通道由所述第一以太网交换机(301)的端口与所述第二以太网交换机(302)的端口之间通过端口聚合而成。
5.根据权利要求1所述的无人机地面站总线系统，其特征在于，所述第一以太网交换机(301)与第二以太网交换机(302)之间合成为一个VLAN虚拟局域网，VLAN虚拟局域网设为C类IP地址范围。
6.根据权利要求1所述的无人机地面站总线系统，其特征在于，所述第一以太网交换机(301)与第二以太网交换机(302)之间在端口处通过堆叠线堆叠。
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Assignee: Shenyang Aircraft Design Institute Yangzhou Collaborative Innovation Research Institute Co.,Ltd.

Assignor: AVIC SHENYANG AIRCRAFT DESIGN & Research Institute

Contract record no.: X2023990000057

Denomination of invention: A UAV ground station bus system

Granted publication date: 20190322

License type: Common License

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