CN105827384A - 一种无人机宽带无线综合数传方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种无人机宽带无线综合数传方法与系统，所述方法为采用多路并发时隙通道传输数据，视频数据通过长时隙通道传输，其他数据通过短时隙通道传输。基于上述方法用于发送无人机或用户地面站数据的无人机宽带无线综合数传系统包括：多通道数据复用模块、基带处理模块以及射频处理模块。基于上述方法用于接收无人机或用户地面站发送数据的无人机宽带无线综合数传系统包括：射频处理模块、基带处理模块以及多通道数据解复用模块。本发明可实现无人机的远距离、多通道、全双工、低功耗、小型化、高效的无线综合数传，最大限度地减小数传模块尺寸，提升数传距离和效率，提升抗干扰能力，增加续航时间和整机安全稳定性能。

Description

一种无人机宽带无线综合数传方法与系统

技术领域

本发明涉及无线通信数据传输技术领域中一种将多路图像、语音、数据多路复用技术实现宽带无线数据传输的技术方法与系统，特别是涉及一种远距离多通道复用无人机宽带无线综合数传方法与系统。

背景技术

从2011年开始，机器人领域中的无人机技术和应用发展迅猛。以大疆为代表的无人机先行者，将无人机由消费市场拓展到专业市场。深圳、北京、上海、武汉、西安等地的无人机产业及各行业应用发展迅猛。随着科技的发展及互联网的商务模式创新，无人机已成为当下最有前景、发展最快的行业之一。

专业级无人机技术和应用市场日趋成熟。在公安、边防、交通、电力、矿业、农业、传媒、专业配送等诸多领域发展迅猛，预计未来5年内，专业级无人机的市场将突破1000亿，其中的无人机配套远距离宽带综合数传设备市场将突破300亿。未来5年，专业级无人机硬件复合产品年增长率将超过50％，并且相关软件和服务行业的年增长则可能翻番。

目前国内主要的无人机厂家基本采用WIFI或者3G/LTE流量卡作为数传手段，传输带宽、传输距离非常有限。近年发展的以COFDM(codedorthogonalfrequencydivisionmultiplexing，编码正交频分复用)技术为基础的宽带数传模块又存在通道单一的问题，无法满足无人机对多路窄带数传和多路宽带数传集成传输的迫切需求。如大多数专业应用场景下，无人机和地面控制站之间除了需要传输高清视频数据，还需要传输GPS数据、飞控数据、云台控制数据、摄像机控制数据等，因此，当前无人机上均集成了多部数传电台以传输上述多路数据。

如上所述，现有的无人机数传方法与系统虽可满足传输带宽和传输距离的要求，但是仍存在有若干不足，而未能达到最佳的使用效果，其不足可归纳如下：

1、现有的数传技术通道单一，并且多为单工数传电台，为实现图像、语音、数据的双向综合传输，需要采用多个无线传输设备进行集成，导致机体机构臃肿、系统复杂、体积庞大、负荷重，影响无人机的负载能力和续航能力；

2、现有无人机集成的多种无线数传模块之间的电磁兼容性问题突出，不同无线数传模块间干扰严重，给无人机的有效安全作业带来隐患；

3、现有的无人机数传技术采用单天线点对点传输，一般小于5公里，传输距离仍有待进一步提高；

4、现有的无人机数传技术采用单天线点对点传输，随着传输距离增加，信道条件变差，有效传输带宽急剧下降，影响无人机的整机作业性能；

5、现有无人机采用的多模块集成无线数传技术，耗电量大，制约无人机的有效续航时间，且不符合节能效应；

6、传统的数传模块在复杂电磁环境中传输性能急剧下降，这也是无人机安全飞行作业的最大隐患之一。

由此可见，上述现有的无人机数传方法与系统在方法与系统的设计与使用上，显然仍存在有缺陷与不便，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种可实现远距离、多通道、全双工、低功耗、小型化、高效能、抗干扰的新的无人机数传方法与系统,实属当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无人机宽带无线综合数传方法与系统，使其可实现无人机的远距离、多通道、全双工、低功耗、小型化、高效的无线综合数传，从而最大限度地减小无线数传模块尺寸，提升无人机数传模块的传输距离和传输效率，提升无人机无线数传的抗干扰能力，增加无人机系统的续航时间和整机安全稳定性能，从而克服现有的无人机数传方法和系统的不足。

为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种无人机宽带无线综合数传方法，其采用多路并发时隙通道传输数据，视频数据通过长时隙通道传输，其他数据通过短时隙通道传输。

作为本发明的一种改进，所述的短时隙通道中，对无人机GPS数据或飞控数据优先传送。

作为本发明的一种改进，所述的多路并发时隙通道包括交替分布的无人机数传通道和用户地面站时隙通道：所述的无人机数传通道包括短时隙通道和长时隙通道，用于传输无人机端的数据；所述的用户地面站时隙通道包括短时隙通道和长时隙通道，用于传输用户地面站发出的数据；无人机数传通道和用户地面站时隙通道之间设置有保护时隙，用于进行传输时隙上下行方向切换。

作为本发明的一种改进，所述的其他数据包括控制指令数据和语音数据，所述的控制指令数据采用采用1/3冗余卷积和前向纠错编码，所述的视频数据采用Turbo编码。

作为本发明的一种改进，将所述的多个长时隙通道捆绑传输一路视频数据。

作为本发明的一种改进，利用两根以上植入无人机旋翼臂或机翼的一体化天线进行数据传输。

作为本发明的一种改进，在数据发送时包括以下步骤：数据复用步骤，包括判断数据类型，根据类型分别编码，并将编码后的数据分别送入对应的时隙通道并组帧流复用；对组帧流复用的数据进行基带处理；以及对经基带处理后的数据进行射频发送。

作为本发明的一种改进，在数据接收时包括以下步骤：对接收到的数据进行射频处理；对经射频处理的数据进行基带处理；以及对基带处理后的数据根据编码和数据类型进行解帧复用。

此外，本发明提供基于上述方法，用于发送无人机或用户地面站数据的无人机宽带无线综合数传系统，包括：多通道数据复用模块，用于判断数据类型，根据类型分别编码，并将编码后的数据分别送入对应的时隙通道并组帧流复用；基带处理模块，用于对组帧流复用的数据进行基带处理；以及射频处理模块，用于对经基带处理后的数据进行射频发送。

最后，本发明还提供了基于上述方法，用于接收无人机或用户地面站发送数据的无人机宽带无线综合数传系统，包括：射频处理模块，用于对接收到的数据进行射频处理；基带处理模块，用于对经射频处理的数据进行基带处理；以及多通道数据解复用模块，用于对基带处理后的数据根据编码和数据类型进行解帧复用。

本发明专门针对无人机系统中对于多路视频图像、语音、数据集成以及远距离双向传输需求设计，基于TDD-MIMO-COFDM无线综合技术，并采用无人机天线机身融合技术，采用这样的设计后，本发明至少包括以下优点：

1、本发明提出的综合数传技术方案能够数倍提升无人机无线数传系统的传输容量和传输距离；

2、本发明提出的综合数传技术方案能够大幅度减少无人机数传系统集成的复杂性，降低无人机负载尺寸和重量，较少电池能量消耗，并显著提升了无人机的续航时间；

3、本发明提出的综合数传技术方案能够很好地解决多种数传设备集成导致的电磁兼容性不好的问题，大大提升无人机数传系统的可靠性及无人机飞行控制的安全性能。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明时隙设计的具体实施例示意图。

图2是本发明用于发送无人机或用户地面站数据的无人机宽带无线综合数传系统的组成示意图。

图3是本发明用于接收无人机或用户地面站发送数据的无人机宽带无线综合数传系统的组成示意图。

图4是本发明采用多天线机身融合设计的无人机结构示意图。

具体实施方式

本发明的无人机宽带无线综合数传方法，主要采用了多路并发时隙通道传输技术，利用长时隙通道传输视频数据，其他数据通过则短时隙通道传输。

本发明的整个TDD时隙包括交替分布的无人机数传通道和用户地面站时隙通道，并支持多个短时隙和长时隙的灵活设置。

以最为基本的六通道设计为例来说，请配合参阅图1所示。时隙#0和时隙#1用于无人机数传，时隙#2和时隙#3用于用户地面站数传。无人机数传多路时隙和用户地面站并发多路时隙之间是保护时隙GP，在保护时隙期间进行传输时隙方向切换。

时隙#0和时隙#2为短时隙，考虑到GPS数据和其余各路低速率控制数据占用带宽较小，为使传输带宽利用率最大化，本发明分别利用时隙#0和时隙#2实时传输来自无人机和用户地面站的实时GPS数据、控制指令、语音等。其中，无人机控制指令的传输可采用1/3冗余卷积和前向纠错编码，以保证传输的可靠性。

进一步的，为了避免数据传送时发生瞬时拥塞威胁无人机的安全性和整机性能稳定，本发明对将进入短时隙通道的不同数据设置为不同的优先级，一旦发生瞬时拥塞，高优先级的数据将被优先传送。具体来说：在无人机端，无人机中的GPS数据是最重要的数传信息之一，在短时隙复用中具备最高优先级，消息头地址编码为000；在地面站端，飞控数据是最重要的数传信息之一，在短时隙复用中具备最高优先级，消息头地址编码为000；其他控制数据，如云台控制数据、相机控制数据、无人机喊话系统控制数据等，可以分别映射到控制数据1通道至控制信道n，并按一定的优选级次序由001到111进行消息头地址映射。

时隙#1和时隙#3为长时隙，分别用于实时传输来自无人机和用户地面站的视频图像。考虑到视频图像的所需传输带宽较大(如高清4K，1080P视频图像传输)，每路视频图像数据映射到一路长时隙通道，可以保证高质量视频图像传输的实时流程性。在远距离传输时，还可以进行多个长时隙通道捆绑传输一路宽带视频图像信号。此外，在视频数据传输时，本发明优选采用Turbo编码，以保证传输的高效性。长时隙可以进行时隙裂变和聚合，以适应多路实时视频图像数据的传输和不同宽带需求。

本发明采用多路并发传时隙通道设计，单频可同时支持6路高清视频(依赖于信道条件)，并采用低时延物理层时隙设计方案，保证传输时延不超过20ms，单频转发时延约10ms。

在数据发送时，本发明首先采用上述方案对数据类型进行判断，根据类型分别编码后，将数据分别送入对应的时隙通道进行组帧流复用，随后再对组帧流复用的数据进行基带处理并通过射频发送。

在数据接收时，即为上述数据发送的逆向过程，包括进行接收信号的滤波、下变频、模数转换、解码、解调、解密、解复用等，仍以上述实例来说，具体设计方案如下：

(1)在无人机端，在短时隙解复用后000地址编号消息为飞控数据；

(2)在地面站端，在短时隙解复用后000地址编号消息为GPS数据；

(3)其他其中的控制数据，如云台控制数据、相机控制数据、无人机喊话系统控制数据等，根据其映射到控制数据1通道至控制信道n，以及对应的消息地址编号进行各路控制消息分路解复用；

(4)各路视频图像根据对应的长时隙编号进行分路。

基于上述方法，本发明的无人机宽带无线综合数传系统对应包括无线数传发送部分以及无线数传接收部分。请配合参阅图2所示，无线数传发送部分用于发送无人机或用户地面站的数据，主要分为数字复用模块、基带处理模块和射频处理模块。请配合参阅图3所示，无线数传接收部分用于接收无人机或用户地面站发送的数据，包括射频处理模块、基带处理模块和数字解复用模块。

更进一步地，请参阅图4所示，本发明还可采用多天线机身融合设计，在无人机旋翼臂或机翼植入一体化天线，这种分布式多天线机身融合设计可在机身内表面植入多根天线，支持2×2MIMO、4×4MIMO等技术方案，从而充分利用专业级无人机臂展和翼展较大(直径1米以上)优势，利用空域资源进行多天线系统部署。在相同的传输带宽条件下，本发明能比单天线点对点数传系统的传输容量提升2至4倍以上。同时，在保证相同的传输带宽前提下，本发明较单天线数传系统能够降低一半以上的发射功率。

综上，本发明的物理层传输技术采用TDD-MIMO-COFDM(时分双工-多入多出-编码正交频分复用)技术。其中，基于并发多路长时隙传送多路高清宽带视频图像的技术方案，能够大幅度减少无人机数传系统集成复杂性，减轻无人机负载尺寸和重量，较少电池能量消耗，提升无人机系统的安全性能和增加无人机的续航时间。基于优先级的短时隙多路控制数据复用技术方案，能够大幅度减少无人机数传系统集成复杂性，减轻无人机负载重量，较少电池能量消耗，提升无人机系统的安全性能和增加无人机的续航时间。基于无人机旋翼臂或机翼进行分布式多天线机身融合设计方案，能够数倍提升无人机无线数传传输容量，并且能在射频功率一定的条件下，增大无线传输距离2至4倍。本发明经过原型样机开发证明科学可行，无人机通过应用本发明方案原型样机，挂载负荷体积减小26％以上，挂载重量减少23％，续航时间增加了20％，同等发射功率和传输速率条件下无线数传距离增加了2.5倍。经实践证明，本发明具备重要的经济价值和工程应用价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无人机宽带无线综合数传方法，其特征在于：

采用多路并发时隙通道传输数据，视频数据通过长时隙通道传输，其他数据通过短时隙通道传输。

2.根据权利要求1所述的一种无人机宽带无线综合数传方法，其特征在于所述的短时隙通道中，对无人机GPS数据或飞控数据优先传送。

3.根据权利要求1所述的一种无人机宽带无线综合数传方法，其特征在于所述的多路并发时隙通道包括交替分布的无人机数传通道和用户地面站时隙通道：

所述的无人机数传通道包括短时隙通道和长时隙通道，用于传输无人机端的数据；

所述的用户地面站时隙通道包括短时隙通道和长时隙通道，用于传输用户地面站发出的数据；

无人机数传通道和用户地面站时隙通道之间设置有保护时隙，用于进传输时隙上下行方向切换。

4.根据权利要求1所述的一种无人机宽带无线综合数传方法，其特征在于所述的其他数据包括控制指令数据和语音数据，所述的控制指令数据采用采用1/3冗余卷积和前向纠错编码，所述的视频数据采用Turbo编码。

5.根据权利要求1所述的一种无人机宽带无线综合数传方法，其特征在于将所述的多个长时隙通道捆绑传输一路视频数据。

6.根据权利要求1所述的一种无人机宽带无线综合数传方法，其特征在于利用两根以上植入无人机旋翼臂或机翼的一体化天线进行数据传输。

7.根据权利要求1-6所述的一种无人机宽带无线综合数传方法，其特征在于在数据发送时包括以下步骤：

数据复用步骤，包括判断数据类型，根据类型分别编码，并将编码后的数据分别送入对应的时隙通道并组帧流复用；

对组帧流复用的数据进行基带处理；以及

对经基带处理后的数据进行射频发送。

8.根据权利要求1-6所述的一种无人机宽带无线综合数传方法，其特征在于在数据接收时包括以下步骤：

对接收到的数据进行射频处理；

对经射频处理的数据进行基带处理；以及

对基带处理后的数据根据编码和数据类型进行解帧复用。

9.一种基于权利要求7所述方法的无人机宽带无线综合数传系统，用于发送无人机或用户地面站的数据，其特征在于包括：

多通道数据复用模块，用于判断数据类型，根据类型分别编码，并将编码后的数据分别送入对应的时隙通道并组帧流复用；

基带处理模块，用于对组帧流复用的数据进行基带处理；以及

射频处理模块，用于对经基带处理后的数据进行射频发送。

10.一种基于权利要求8所述方法的无人机宽带无线综合数传系统，用于接收无人机或用户地面站发送的数据，其特征在于包括：

射频处理模块，用于对接收到的数据进行射频处理；

基带处理模块，用于对经射频处理的数据进行基带处理；以及

多通道数据解复用模块，用于对基带处理后的数据根据编码和数据类型进行解帧复用。