CN105391489B - 无人机测控数据链非相干测距方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种无人机测控数据链非相干测距方法，旨在提供一种测量过程简单准确，需迭代均衡和译码，并能对该距离值进行校零标校的测距方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在机地双向测距处理过程中，地面测控站通过帧计数器将帧标签等测距信息填充在当前帧内，经上行链路传输至目标无人机；机载终端根据当前下行帧完成标志，将采集到的当前上行遥控信号的测距信息插入到当前下行数传数据帧中，通过下行链路将数传数据帧信号回传至地面测控站；地面测控站终端给出当前数传数据帧伪码同步标志，将数传数据帧信息上报点延迟至下一数传数据帧伪码同步标志处，获取地面距离测量值，得到机地双向测距值。

Description

无人机测控数据链非相干测距方法
技术领域
本发明涉及一种无人机测控系统中/高速数据链的非相干测距方法。
背景技术
无人机测控与数据链技术涉及到遥控遥测、跟踪测量、图像传输、数据通信、卫星通信、自动控制和计算机应用等技术学科，是针对无人机系统的特点，应用多种相关技术进行综合集成，逐渐形成的一种专门技术。在无人机测控系统中，测距是一项重要的组成部分。目前，在无人机测控系统中采用的测距方法主要包括侧音测距和伪码测距等。侧音测距方法一般采用多测距音信号，其中该方法测距精度由最高测距音保证，无模糊距离值由最低测距音保证，同时在最高测距音与最低测距音之间设置若干个次测距音来解决测量过程中的无模糊度问题。但由于该方法采用了一系列频率不同的测距音，因此地面测控站终端就必须配备大量高稳定度、高精度的窄带匹配滤波器，同时该方法解距离模糊过程也比较复杂，增加了地面接收机实现的复杂度。随着扩频技术的发展，伪码测距技术已经在无人机测控系统中得到了广泛的应用，伪码测距技术具有两个显著的特点：无模糊距离较长、测距精度较高。根据上、下行测距信号之间的关系，伪码测距技术一般分为相干测距和非相干测距两种。在相干测距系统中，无人机机载测控终端采用一台相干转发应答机，将上行测距信号直接转发回地面测控站，上、下行测距码频率、相位完全同步变化。相干测距算法的原理简单，但上、下行测距信号间这种严格的约束关系，会带来如下三个问题：①测控系统上行链路失锁会直接导致下行链路失锁；②当上行链路为窄带遥控信号，下行链路为宽带数传信号时，很难实现下行链路信号同步于上行链路信号；③由于上、下行链路信号参数的相关性，需要详细设计系统参数，因此将增加系统的设计难度。与相干测距系统相比，非相干测距系统的实现复杂度相对较高，但却能很好的解决相干测距技术所带来的上述问题。与伪码相干测距系统相比，伪码非相干测距系统的上行伪码以及伪码速率无需与下行伪码以及伪码速率相干，上行信息速率也不要与下行信息速率相干，但上行伪码速率须为上行信息速率的整数倍，上行码钟与信息钟同源，下行伪码速率与信息速率，码钟与信息钟也必须满足上述要求。伪码非相干测距系统是一个相位测量系统，系统输出值是地面测控终端返回的标志位与发送标志位的相位差，再由测量输出相位值转换为地面测控站与无人机之间的距离测量值。系统输出的距离测量值Rt主要包含三部分：①地面测控站终端信号处理距离值Rg；②无人机机载终端信号处理距离值Ru；③地面测控站与目标无人机双向距离值R。地面测控站与目标无人机之间的真实距离即为R/2，为获取R精确值，需要从系统输出的距离测量值Rt中扣除地面测控站终端以及无人机机载终端信号处理距离值(Rg+Ru)。
在无人机测控系统中,地面设备和机载设备是全双工通信,上行链路是抗干扰的窄带信号,下行链路为数传宽带信号。地面测控站与无人机双向距离是通过测量无线电信号由地面测控站终端发送至目标无人机，再由无人机机载终端采用非相干转发技术回传至地面测控站的双向传输时间，结合无线电信号在自由空间的传播速度进行计算以获取精确的距离测量值。现有的伪码非相干测距体制中，地面测控站终端与无人机机载终端信号处理引入的时延，在系统测距之前通过距离零值标校扣除掉，上述处理方式主要有以下不足：
要求地面测控站终端与无人机机载终端信号处理时延固定。系统通过校零的方式标校出地面与机载终端的信号处理时延，并在测距之前将其扣除掉，这钟处理方式要求信号处理时延固定。而随着宽带数据传输业务发展的需要，无人机测控系统对数据传输数据链的高速数据传输能力和抗信道衰落能力提出了越来越高的要求。在低仰角多径条件下，目前无人机测控系统下行链路采用了抗多径能力较强的单载波频域均衡(SC-FDE)技术，该技术在地面测控站终端需要对接收中/高速数传信号进行不定次数的迭代均衡与译码，根据抗多径中/高速信号处理算法设计，针对不同帧的数传接收信号，迭代均衡与译码的次数不定，当译码输出数据满足系统指标时即停止算法迭代。因此，信号处理时延呈现明显的动态特性，无法通过传统的校零方式对信号处理时延进行固定值标校。
发明内容
为解决现有非相干测距方法的上述不足，适应新的中/高速数据链传输体制，实现抗多径中/高速数据传输体制下无人机测控系统距离值的测量，本发明提供一种测量过程简单准确，且无需对地面测控站终端迭代均衡和译码时延进行详细测算，并对该距离值进行校零标校的非相干测距方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种无人机测控数据链非相干测距方法，其特征在于包括如下步骤：分别发送接收上、下行信号的地面测控站终端和无人机机载终端，在机地双向测距处理过程中，地面测控站对上行遥控信号进行组帧与扩频，通过帧计数器将帧标签等测距信息填充在当前帧内，将上行遥控信号经上行链路传输至目标无人机；无人机机载终端在完成下行数传信号的动态复接与组帧的同时，根据当前下行帧完成标志，采集并存储当前上行遥控信号的测距信息，并将采集到的测距信息插入到当前下行数传数据帧中，通过下行链路将数传数据帧信号回传至地面测控站；由地面测控站终端完成当前数传数据帧的伪码同步头同步，给出当前数传数据帧伪码同步标志，然后经过不定次数的迭代均衡和译码，完成下行数传数据帧的信息解调，将解调出的数传数据帧信息上报点延迟至下一数传数据帧伪码同步标志处，并将测距信息送往计算终端，同时采集当前上行遥控帧帧标志与下一数传数据帧伪码同步标志之间的距离测量值，计算终端获取到地面距离测量值，扣除预先标定的设备零值，采用双向测距算法得到准确的机地双向测距值。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
本发明通过采样当前上行遥控帧帧标志与下一数传数据帧伪码同步标志之间的距离测量值，并在最终双向测距算法的过程中扣除当前数传数据帧与下一数传数据帧之间的距离值，算法实现过程中省略了对地面测控站终端迭代均衡和译码处理动态时延的实时测算。
本发明操作简单，彻底摆脱了现有非相干测距方法对信号处理时延固定的限制，将信息上报点延迟至下一数传数据帧伪码同步标志处，无需对地面测控站终端信号处理时延校零标校，适用于当前中/高速数据链的无人机测控系统。
附图说明
图1是本发明无人机测控数据链非相干测距方法的原理图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的无人机测控数据链非相干测距实施例中，地面测控站终端发送上行遥控信号，无人机机载终端接收上行遥控信号并发送下行数传信号，地面测控站终端接收下行数传信号，这是一个双向测距过程。在地面测控站终端、无人机机载终端分别发送接收上/下行信号的机地双向测距处理过程中，首先，地面测控站完成上行遥控信号的组帧与扩频，帧计数器将帧标签等测距信息填充在当前帧内，通过上行链路将该信号传输至目标无人机；无人机机载终端在完成下行数传信号的动态复接与组帧的同时，根据当前下行帧完成标志采集并存储当前上行遥控信号的测距信息，包括当前遥控帧计数，位计数，伪码周期计数以及伪码相位等，并将采集到的测距信息插入到当前下行数传数据帧中，通过下行链路将该数传信号回传至地面测控站；地面测控站终端完成当前数传数据帧的伪码同步头同步，给出当前数传数据帧伪码同步标志，然后经过不定次数的迭代均衡和译码，完成下行数传数据帧的信息解调，将解调出的数传数据帧信息上报点延迟至下一数传数据帧伪码同步标志处，并将测距信息送往计算终端，同时采集当前上行遥控帧帧标志与下一数传数据帧伪码同步标志之间的距离测量值，计算终端获取到地面距离测量值，并扣除预先标定的设备零值，系统得到准确的机地双向测距值。
地面测控站终端在T1时刻通过帧计数器将帧标签等测距信息填充在当前帧内，完成上行遥控信号的组帧与扩频。目标无人机机载终端在T2时刻之前完成上行遥控信号的解调，且T2时刻与当前上行遥控解调帧帧标志对齐。在T3时刻，机载终端给出组帧完成标志，同时在该标志上升沿采集当前上行遥控信号的测距信息，并将采集到的测距信息插入到当前下行数传数据帧中，完成下行数传信号的动态复接与组帧。采集到的测距信息包括当前遥控帧计数，位计数，伪码周期计数以及伪码相位等。地面测控站终端通过上行链路将该遥控信号传输至目标无人机的传输时延可表示为τup；上行解调遥控帧帧标志与下行数传数据帧组帧完成标志之间的时延差用τs表示，机载终端通过下行链路将下行数传信号回传至地面测控站传输时延可表示为τdown。地面测控站终端在T4时刻给出当前数传数据帧伪码同步头标志，经过不定次数的迭代均衡和译码，在T5时刻完成当前下行数传数据帧的解调，该数据帧动态处理为时延为τiter1，将解出的数传数据帧中的测距信息送往计算终端。机载终端在T6时刻，完成下一数传数据帧的组帧标志，地面测控站终端在T7时刻完成下一数传数据帧的伪码同步头同步，且该时刻也是上一数传数据帧信息上报点，在T8时刻，完成下一数传数据帧的解调，且该数据帧动态处理时延为τiter2。T9时刻，地面测控站终端完成下一上行遥控帧组帧完成标志，T10时刻，机载终端完成下一上行遥控帧解调帧标志。在无人机遥测系统的上行遥控帧帧周期Tup与下行数传数据帧帧周期Tdown中，Tup＞Tdown，其中，τΔ表示下行数传数据帧定时同步误差。
地面测控站终端输出距离测量值，同时根据下行数传数据帧解调出的测距信息，扣除预先标校的设备零值，可得到机地双向测距值。设备零值可通过成熟方法进行标校，此处不再详述。若采用传统的非相干测距方法，地面测控站终端将输出距离测量值τtotal1，而在新的中/高速数据链非相干测距方法中，地面测控站终端将输出距离测量值τtotal2。机地双向测距值可分别表示为Rold和Rnew。
Rold＝c×(τtotal1-τs-τiter1) (1)
Rnew＝c×(τtotal2-τs-Tdown-τΔ) (2)
其中，Rold为传统非相干测距方法的机地双向测距值，Rnew为本文所述非相干测距方法的机地双向测距值，c为无线电传输速度(光速)。通过对比式(1)与式(2)可以发现，本文中/高速数据链非相干测距方法不再需要对下行数传数据帧不定次数的迭代均衡和译码时延τiter1进行测算，减少了对地面测控站终端硬件资源的消耗，降低了系统实现复杂度。

Claims (9)

1.一种无人机测控数据链非相干测距方法，其特征在于包括如下步骤：分别发送接收上、下行信号的地面测控站终端和无人机机载终端，在机地双向测距处理过程中，地面测控站终端对上行遥控信号进行组帧与扩频，通过帧计数器将帧标签测距信息填充在当前帧内，将上行遥控信号经上行链路传输至目标无人机；无人机机载终端在完成下行数传信号的动态复接与组帧的同时，根据当前下行帧完成标志，采集并存储当前上行遥控信号的测距信息，并将采集到的测距信息插入到当前下行数传数据帧中，通过下行链路将数传数据帧信号回传至地面测控站终端；由地面测控站终端完成当前数传数据帧的伪码同步头同步，给出当前数传数据帧伪码同步标志，然后经过不定次数的迭代均衡和译码，完成下行数传数据帧的信息解调，将解调出的数传数据帧信息上报点延迟至下一数传数据帧伪码同步标志处，并将测距信息送往计算终端，同时采集当前上行遥控帧帧标志与下一数传数据帧伪码同步标志之间的距离测量值，计算终端获取到地面距离测量值，采用双向测距算法得到准确的机地双向测距值Rnew＝c×(τtotal2-τs-τdown-τΔ)，其中，c为无线电传输速度，τtotal2为地面测控站终端输出的距离测量值，τs为上行解调遥控帧帧标志与下行数传数据帧组帧完成标志之间的时延差，τdown为机载终端通过下行链路将下行数传信号回传至地面测控站终端的传输时延，τΔ表示下行数传数据帧定时同步误差。
2.如权利要求1所述的无人机测控数据链非相干测距方法，其特征在于：测距信息包括当前遥控帧计数、位计数、伪码周期计数、伪码相位，下行数传数据帧周期和伪码同步头定时同步误差。
3.如权利要求1所述的无人机测控数据链非相干测距方法，其特征在于：地面测控站终端在T1时刻通过帧计数器将帧标签测距信息填充在当前帧内，完成上行遥控信号的组帧与扩频。
4.如权利要求1所述的无人机测控数据链非相干测距方法，其特征在于：地面测控站终端通过上行链路将遥控信号传输至目标无人机的传输时延可表示为τup；上行解调遥控帧帧标志与下行数传数据帧组帧完成标志之间的时延差用τs表示，无人机机载终端通过下行链路将下行数传信号回传至地面测控站终端的传输时延可表示为τdown。
5.如权利要求1所述的无人机测控数据链非相干测距方法，其特征在于：在无人机测控系统的上行遥控帧帧周期Tup与下行数传数据帧帧周期Tdown中，Tup＞Tdown。
6.如权利要求1所述的无人机测控数据链非相干测距方法，其特征在于：机载终端在T2时刻给出当前上行遥控解调帧帧标志，T2时刻之前完成上行遥控信号的解调。
7.如权利要求1所述的无人机测控数据链非相干测距方法，其特征在于：机载终端在T3时刻给出下行数传数据帧组帧完成标志，同时在该标志上升沿采集当前上行遥控信号的测距信息，并将采集到的测距信息插入到当前下行数传数据帧中，完成下行数传信号的动态复接与组帧。
8.如权利要求1所述的无人机测控数据链非相干测距方法，其特征在于：地面测控站终端在T4时刻给出当前数传数据帧伪码同步头同步标志，经过不定次数的迭代均衡和译码，在T5时刻完成当前数传数据帧的解调，该数据帧动态处理时延为τiter1，同时解出的数传数据帧中包含的测距信息待送往计算终端。
9.如权利要求1所述的无人机测控数据链非相干测距方法，其特征在于：机载终端在T6时刻，完成下一数传数据帧的组帧，地面测控站终端在T7时刻，完成下一数传数据帧的伪码同步头同步标志，且该时刻也为上一数传数据帧测距信息的上报点，在T8时刻完成下一数传数据帧解调，且该数传数据帧动态处理时延为τiter2；T9时刻，地面测控站终端完成下一上行遥控帧组帧，T10时刻，机载终端完成下一上行遥控帧解调。
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