CN107396426A - 用于无人机的机载终端及相应的数据传输系统和传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人机的机载终端及相应的数据传输系统和传输方法，所述机载终端包括：网络选择单元，专网数据处理单元，公网数据处理单元，以及天线；所述网络选择单元接收无人机上的测控设备所输出的测控数据，并选择将数据发送至所述专网数据处理单元或公网数据处理单元；所述专网数据处理单元按照专用数据传输网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据经过天线发送至所述专用数据传输网络；所述公网数据处理单元按照公共移动通信网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据经过天线发送至所述公共移动通信网络。通过本发明的技术方案能够实现稳定、可靠、高效的无人机数据传输。

Description

用于无人机的机载终端及相应的数据传输系统和传输方法

技术领域

本发明涉及无人机应用技术领域，具体涉及一种用于无人机的机载终端及相应的数据传输系统和传输方法。

背景技术

随着无人机在民用领域的广泛应用，对应用于无人机的数据传输系统的需求也不断增强，加之对传输图像、视频等数据量不断提高，飞行航程逐步变长，对新一代数据传输系统的传输速率、误码率、稳定性等都有了更高的要求。数据传输系统作为地面与空中平台之间联系的唯一通道，在无人机应用中起着至关重要的作用，数据传输系统所传递信息的实时性、准确性、可靠性直接影响着搭载载荷的任务完成情况乃至无人机和人员的安全状况。然而当前数据传输系统的发展水平却远远赶不上需求的提高，难以达到任何时候、任何地点、任何平台顺畅互通的目的。现有无人机数据传输系统大多采用数传电台和无线图传相结合，其传输速率相对较低，传输频带窄，在传输距离和可靠性方面并不理想，抗遮挡与抗干扰能力相对较弱。概括起来主要有以下几点问题：

1.现有数据传输系统均采用点对点微波通信模式，当存在障碍物遮挡的非视距传输环境中，通信系统无法正常工作；

2.现有数据传输系统受天线增益、射频发射功率限制，传输距离短；

3.现有数据传输系统多采用单一的专用数据传输网络，当其受到干扰时将直接影响到链路性能，可靠性差；

4.现有数据传输系统工作频带较窄，传输速率较低。

因此，研制高效、稳定的数据传输系统对于无人机应用领域有着重大的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种用于无人机的机载终端及相应的数据传输系统和传输方法，以满足目前的需求。

第一方面，本发明实施例提供了一种用于无人机的机载终端，包括：网络选择单元，专网数据处理单元，公网数据处理单元，以及天线；

所述网络选择单元接收无人机上的测控设备所输出的测控数据，并选择将数据发送至所述专网数据处理单元或公网数据处理单元；

所述专网数据处理单元按照专用数据传输网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据经过天线发送至所述专用数据传输网络；

所述公网数据处理单元按照公共移动通信网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据经过天线发送至所述公共移动通信网络。

第二方面，本发明实施例还提供了一种用于无人机的数据传输系统，包括：如第一方面所述的机载终端、地面终端、移动通信基站、以及服务器；

所述机载终端通过公共移动通信网络与移动通信基站连接，通过专用数据传输网络与地面终端连接；

所述地面终端和移动通信基站均与所述服务器相连。

第三方面，本发明实施例还提供了一种用于无人机的数据传输方法，包括：

接收无人机上的测控设备所输出的测控数据；

确定传输数据所使用的目标网络；所述目标网络包括专用数据传输网络和公共移动通信网络；

按照所述目标网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据发送至所述目标网络。

本发明所研发的数据传输系统将专用数据传输网络与公共移动通信网络集成于一体，实现了无人机平台与地面指控终端的实时通信。本发明采用了宽带高速率收发芯片、智能网络切换等关键技术，数据传输速率高、可实时传送1080P高清视频及图像信息，载波工作频率范围宽，可根据具体需要任意定制载波频率，并在无人机平台上采用了4G公共网络接入模式，用户可自行主动进行网络切换或采用系统自行智能切换，可调整设备参数，提升抗干扰能力，降低系统的误码率，提高平台的稳定性与可靠性，以适应未来复杂的行业应用电磁环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施例一所述的用于无人机的机载终端的结构框图；

图2是本发明具体实施例二所述的用于无人机的机载终端的结构框图；

图3是本发明具体实施例三所述的用于无人机的数据传输系统的结构框图；

图4是本发明具体实施例四所述的用于无人机的数据传输方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

图1是本实施例所述的用于无人机的机载终端的结构框图，如图1所示，所述机载终端100包括：网络选择单元101，专网数据处理单元102，公网数据处理单元103，以及天线104；

其中，所述网络选择单元101接收无人机上的测控设备所输出的测控数据，并选择将数据发送至所述专网数据处理单元102或公网数据处理单元103二者之一。然后，所述专网数据处理单元102按照专用数据传输网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据经过天线发送至所述专用数据传输网络；类似地，所述公网数据处理单元103按照公共移动通信网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据经过天线发送至所述公共移动通信网络。优选地，所述公共移动通信网络为3G或4G移动通信网络，当然并不限于此，任何现在或以后出现的更优质的移动通信网络都可作为本发明的公共移动通信网络。

所述网络选择单元可以根据所述专用数据传输网络和公共移动通信网络的网络状态来自动选择将数据发送至专网数据处理单元和公网数据处理单元中的哪一个。网络状态反映了网络的通信质量，例如信号强度、信噪比、干扰幅度、响应时间、传输速率等。随着网络状态的变化，当前所使用的网络可能无法满足预期的数据传输要求，此时就需要在上述两种不同网络之间进行切换。实际工作中常用的切换触发事件一般包括：当前使用网络的信号强度明显下降；当前使用网络拥塞严重；新网络有更好的无线链路质量；用户提出额外的业务需求而现有网络无法提供。实际应用中需要综合考虑各方面情况，制定出合理的切换策略，保证网间无缝切换。

除上述方式外，所述网络选择单元还可以根据外部发送过来的指令来选择将数据发送至专网数据处理单元和公网数据处理单元中的哪一个。例如，用户或其他设备可以发送指令来控制如何进行上述选择。

当前应用于无人机的数据传输系统多采用单链路模式，随着无人机监视监测业务在各行各业的应用推广，其作业环境也日益复杂，受多径干扰障碍遮挡等容易中断，严重威胁着无人机系统安全；其次，无人机一般飞行高度较低，视距范围极为有限。本实施例所述的无人机机载终端突破了现有的依赖于专用数据传输网络的单链路模式，采用了公共移动通信网络与专用数据传输网络的双通信网络模式，而且，随着网络通信质量的变化，可以实时切换所使用的网络。通过上述方案，可有效的提高通信的可靠性，以适应未来复杂的行业应用电磁环境，并解决了传统的专用数据传输网络所存在的视距传输限制，从而满足复杂地形和电磁环境、机动灵活长距离作业等无人机测控通信要求。

实施例二

图2是本实施例所述的用于无人机的机载终端的结构框图，如图2所示，所述机载终端200包括：网络选择单元201，专网数据处理单元202，公网数据处理单元203，以及天线204。

所述网络选择单元201接收无人机上的测控设备所输出的测控数据，并选择将数据发送至所述专网数据处理单元202或公网数据处理单元203二者之一。然后，所述专网数据处理单元202按照专用数据传输网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据经过天线发送至所述专用数据传输网络；类似地，所述公网数据处理单元203按照公共移动通信网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据经过天线发送至所述公共移动通信网络。优选地，所述公共移动通信网络为3G或4G移动通信网络，当然并不限于此，任何现在或以后出现的更优质的移动通信网络都可作为本发明的公共移动通信网络。

所述网络选择单元201，可以对专用网络与公共移动网络的网络状态进行监测，对其反馈的信噪比、信号强度、干扰幅度等数据进行汇总，判断当前所用网络质量是否有明显下降，若备用网络优于当前网络将进行网络切换；通过合理设置判断阈值及响应时间，可以避免切换频率过快所导致的抖动现象。另外，也可在外部指令控制下切换至指定网络并保持现有网络状态。

专网数据处理单元202包括基带处理模块2021、中频处理模块2022、以及射频前端模块2023；

所述基带处理模块2021用于对从所述网络选择单元接收的测控数据进行编码并输出。具体地，所述基带处理模块可以完成对无人机载荷的视频、图像信号的压缩与解压，以及GPS位置信息、飞行遥测、飞行控制指令等信息的编码与解码。图像编码选用H.264编码方式，为保证较高的视频质量，运用了多种帧内编码、多种块运动补偿模式、多参考帧等技术。对于飞行控制链路，采用时延小的(4，3，7)卷积编码方式，可使链路余量增加约4dB，为提高测控传输的抗干扰保密通信能力，采用加扰技术对编码后符号进行随机化处理。

所述中频处理模块2022用于对从所述基带处理模块所输出的数据进行信号调制、扩频、以及成形滤波，并输出。具体地，所述中频处理单元完成信号的调制、扩频及解调、解扩及成形滤波。为充分保证数据传输的可靠性，并最大程度简化调制解调模块复杂度，降低资源、功率等需求，方案中信号调制方式均选择BPSK，从而使接收机具备较高灵敏度，简化设计。为提高该链路的抗干扰和保密性能，信号在编码后首先进行直接序列扩频调制。为了抑制带外辐射、减小符号间干扰，进行脉冲成形滤波处理。本方案采用根升余弦滚降滤波器完成基带信号波形，滚降系数优选0.75。

所述射频前端模块2023用于将从所述中频处理模块输出的数据以特定频率输出至所述天线。具体地，可以采用频分双工机制，射频前端选用ADI公司最新面世的收发集成芯片AD9364，其在极小的体积内集成了频率综合器以及ADC与DAC，使得射频部分与基带混合部分融为一体，有利于最终产品的小型化。收发频率范围覆盖70MHz～6GHz，涵盖大部分特许执照和免执照频段，简单的操作便可更改通信频率，以适应各种场合的需要。

另外，所述公网数据处理单元203包括：压缩模块2031、收发模块2032、参数配置模块2033、监测模块2034；其中，所述压缩模块2031用于对从所述网络选择单元接收的测控数据进行压缩；所述收发模块2032用于发射或接收数据；所述参数配置模块2033用于设置移动通信的参数；所述监测模块2034用于监控系统状态。

所述天线204可以由多工器与微带印刷形式的阵子天线组成，多工器使专用网络与公共网络可共用同一天线，简化了系统构架，天线选择超宽带全向天线，尺寸小重量轻，易于机载安装集成。当然还可以采用现有技术中的其他方式实现，而并不限于此。

实施例三

图3是本实施例所述的用于无人机的数据传输系统的结构框图，如图3所示，本实施例所述的数据传输系统300，包括：

实施例一和二任一所述的机载终端301、以及地面终端302、移动通信基站303、和服务器304；所述机载终端301通过公共移动通信网络与移动通信基站303连接，通过专用数据传输网络与地面终端302连接；所述地面终端302和移动通信基站303均与所述服务器304相连。所述地面终端或移动通信基站与所述服务器之间的连接方式为公共移动通信网络、专用无线网络或有线网络。优选地，所述公共移动通信网络为3G或4G移动通信网络，当然并不限于此，任何现在或以后出现的更优质的移动通信网络都可作为本发明的公共移动通信网络。

结合实施例一和二的描述可知，机载终端会根据所监测的两种不同网络的通信状态、或者基于外部发送的指令，从两种网络中选择一种较优的网络，用于在无人机与地面之间传输数据。

对于所使用的两种数据传输网络，专用数据传输网络不受运营商限制，可靠性高，但是需保证视距传输，工作距离相对较短；而公共移动通信网络由于可使用基站转发，因此作用距离可大幅扩展，但由于运营商网络情况及基站分布状况无法预知，因此可靠性相对不高。两种传输网络各有优缺点，本发明将二者融合在一起，互为补充，而且通过人工或智能的方式在两种不同传输网络之间进行切换，极大地优化了无人机数据传输系统的整体性能和可靠性。

实施例四

图4是本实施例所述的用于无人机的数据传输方法的流程图，如图4所示，本实施例所述的数据传输方法，包括：

S401、接收无人机上的测控设备所输出的测控数据；

S402、确定传输数据所使用的目标网络；所述目标网络包括专用数据传输网络和公共移动通信网络；

所述步骤S402确定传输数据所使用的目标网络，具体包括至少两种方式：

第一种方式，根据所述专用数据传输网络和公共移动通信网络的网络状态来自动确定所述目标网络；所述网络状态包括以下至少一项：信号强度、信噪比、干扰幅度、响应时间、传输速率，当然并不限于此。在这种方式下，通过监测两种通信网络的状态，可以智能地确定哪一网络的通信质量较好，从而自动地切换到较好的通信网络，在无需人工干预的情况下，使无人机仍能保持较高的数据传输效率。

第二种方式，根据外部指令来确定所述目标网络。这种方式给予用户或第三方充分的控制权，便于在某些特殊情况下控制无人机的数据传输。

S403、按照所述目标网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据发送至所述目标网络。当确定传输数据所使用的目标网络为公共移动通信网络时，通过公共移动通信网络将数据传输至移动通信基站；当确定传输数据所使用的目标网络为专用数据传输网络时，通过专用数据传输网络将数据传输至地面终端。然后，所述移动通信基站或地面终端将接收的数据传输至服务器。

通过上述各实施例的方案，本发明能够取得如下的技术效果：

1.通过公共移动通信网络作为传输载体，将数据传送至距无人机最近的通信基站，再由基站将数据传送至服务器，地面终端可通过客户端对服务器进行访问，实现与机载设备的双向交互，从而具备了非视距传输条件下正常工作的能力。

2.采用了公网传输通道，由于可使用基站转发，因此作用距离可大幅扩展，而不受天线增益、发射功率等因素的影响。

3.采用了双通信网络，网间可自主手动切换或智能自动切换，有效提高传输系统的性能和可靠性。

4.本发明采用了宽带高速率收发芯片，数据传输速率高、可实时传送1080P高清视频及图像信息，载波工作频率范围宽，可根据具体需要任意定制载波频率。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现，或者通过专用硬件逻辑如ASIC、FPGA、SoC等实现，本发明对此不作限制。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (16)

1.一种用于无人机的机载终端，其特征在于，包括：网络选择单元，专网数据处理单元，公网数据处理单元，以及天线；

所述网络选择单元接收无人机上的测控设备所输出的测控数据，并选择将数据发送至所述专网数据处理单元或公网数据处理单元；

所述专网数据处理单元按照专用数据传输网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据经过天线发送至所述专用数据传输网络；

所述公网数据处理单元按照公共移动通信网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据经过天线发送至所述公共移动通信网络。

2.根据权利要求1所述的机载终端，其特征在于，所述网络选择单元选择将数据发送至所述专网数据处理单元或公网数据处理单元，包括：

所述网络选择单元根据所述专用数据传输网络和公共移动通信网络的网络状态来自动选择将数据发送至专网数据处理单元和公网数据处理单元中的哪一个；

或者，

所述网络选择单元根据外部指令来选择将数据发送至专网数据处理单元和公网数据处理单元中的哪一个。

3.根据权利要求2所述的机载终端，其特征在于，所述网络状态包括以下至少一项：

信号强度、信噪比、干扰幅度、响应时间、传输速率。

4.根据权利要求1所述的机载终端，其特征在于，所述专网数据处理单元包括：

基带处理模块，用于对从所述网络选择单元接收的测控数据进行编码并输出；

中频处理模块，用于对从所述基带处理模块所输出的数据进行信号调制、扩频、以及成形滤波，并输出；

射频前端模块，用于将从所述中频处理模块输出的数据以特定频率输出至所述天线。

5.根据权利要求4所述的机载终端，其特征在于：

所述信号调制方式为BPSK；和/或

所述成形滤波采用根升余弦滚降滤波器完成。

6.根据权利要求1所述的机载终端，其特征在于，所述公网数据处理单元包括：

压缩模块，用于对从所述网络选择单元接收的测控数据进行压缩；

收发模块，用于发射或接收数据；

参数配置模块，用于设置移动通信的参数；

监测模块，用于监控系统状态。

7.根据权利要求1所述的机载终端，其特征在于，所述公共移动通信网络为3G或4G移动通信网络。

8.根据权利要求4所述的机载终端，其特征在于，所述射频前端模块为高速宽频收发芯片。

9.一种用于无人机的数据传输系统，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的机载终端、地面终端、移动通信基站、以及服务器；

所述机载终端通过公共移动通信网络与移动通信基站连接，通过专用数据传输网络与地面终端连接；

所述地面终端和移动通信基站均与所述服务器相连。

10.根据权利要求9所述的数据传输系统，其特征在于，所述公共移动通信网络为3G或4G移动通信网络。

11.根据权利要求9所述的数据传输系统，其特征在于，所述地面终端或移动通信基站与所述服务器之间的连接方式为公共移动通信网络、专用无线网络或有线网络。

12.一种用于无人机的数据传输方法，其特征在于，包括：

接收无人机上的测控设备所输出的测控数据；

确定传输数据所使用的目标网络；所述目标网络包括专用数据传输网络和公共移动通信网络；

按照所述目标网络的通信要求来处理所接收的数据，并将处理后的数据发送至所述目标网络。

13.根据权利要求12所述的数据传输方法，其特征在于，所述确定传输数据所使用的目标网络，包括：

根据所述专用数据传输网络和公共移动通信网络的网络状态来自动确定所述目标网络；

或者，

根据外部指令来确定所述目标网络。

14.根据权利要求13所述的数据传输方法，其特征在于，所述网络状态包括以下至少一项：

信号强度、信噪比、干扰幅度、响应时间、传输速率。

15.根据权利要求12所述的数据传输方法，其特征在于，

当确定传输数据所使用的目标网络为公共移动通信网络时，通过公共移动通信网络将数据传输至移动通信基站；

当确定传输数据所使用的目标网络为专用数据传输网络时，通过专用数据传输网络将数据传输至地面终端；

然后，所述移动通信基站或地面终端将接收的数据传输至服务器。

16.根据权利要求12所述的数据传输方法，其特征在于，所述公共移动通信网络为3G或4G移动通信网络。