CN108075823B - 一种轻便型无人侦查机测控数传系统及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轻便型无人侦查机测控数传系统,包括机载设备和地面终端,所述机载设备包括至少1个无人机;每个无人机包括机载综载单机、机载飞控单机、机载测控单机和机载天馈单机;机载测控单机通过机载天馈单机的机载天线接收地面终端发来的遥控射频信号,解扩解调后通过机载数据总线与机载综载单机、机载飞控单机和机载天馈单机完成遥控指令交互,同时机载测控单机通过机载数据总线完成遥测数据和载荷数据采集,数据拼接并扩频调制后通过机载天馈单机的机载天线发射到地面终端,机载测控单机根据地面终端的辅助输入进行校时。本发明在信机基础上只需添加微波网络、功放、天线即可实现复杂的测控与数传系统。
Description
技术领域
本发明涉及测控技术领域,具体涉及一种轻便型无人侦查机测控数传系统及工作方法。
背景技术
弹簧刀巡飞弹采用管式发射,可以放在背包里随身携带,能够无线传输光电传感器探测的实时彩色视频或红外视频,并显示在地面控制装置上。其主要参数如下所示:
作战半径: 2km
巡飞时间:10min
巡飞速度:100~150km/h
巡飞高度:200~4500m
弹长:36cm
质量:1.5kg
由于其整机质量仅有1.5公斤,因而要求测控与图像收发信机尽可能达到30g;同时还要实现2公里的作战半径、2Mbps的数据传输能力以及音速级的大多普勒动态范围,同时由于将来会进行量产,需要系统的各个主要参数能够在较大范围内灵活配置,并易于满足升级改造以及生产维护需求。
发明内容
本发明立足超小型、超轻量、高自由度、高性能、敏捷开发的思路,采用一片通道芯片、一片基带处理芯片、STRS软件无线电架构实现通用化超小型收发信机。在信机基础上只需添加微波网络、功放、天线即可实现复杂的测控与数传系统。
本发明采用的技术方案如下:
一种轻便型无人侦查机测控数传系统,包括机载设备和地面终端,所述机载设备包括至少1个无人机;每个无人机包括机载综载单机、机载飞控单机、机载测控单机和机载天馈单机;机载测控单机通过机载天馈单机的机载天线接收地面终端发来的遥控射频信号,解扩解调后通过机载数据总线与机载综载单机、机载飞控单机和机载天馈单机完成遥控指令交互,同时机载测控单机通过机载数据总线完成遥测数据和载荷数据采集,数据拼接并扩频调制后通过机载天馈单机的机载天线发射到地面终端,机载测控单机根据地面终端的辅助输入进行校时。
进一步地,所述机载测控单机包括机载通用处理模块、机载信号处理模块和机载射频模块;机载通用处理模块控制机载信号处理模块,对机载射频模块进行配置;机载信号处理模块对数据进行处理,并将处理后的数据送机载射频模块。
进一步地,所述地面终端包括地面时统单机、地面飞控单机、地面天馈单机、地面测控单机和地面载荷单机;地面测控单机通过地面天馈单机的地面天线接收机载设备发来的遥测射频信号,解扩解调后通过地面终端数据总线与地面时统单机、地面飞控单机、地面天馈单机和地面载荷单机完成遥测数据与载荷数据交互,同时地面测控单机通过地面终端数据总线完成遥控指令交互,扩频调制后送地面天馈单机的地面天线发射到机载设备。
进一步地,所述地面测控单机包括地面通用处理模块、地面信号处理模块和地面射频模块;地面通用处理模块控制地面信号处理模块,对地面射频模块进行配置;地面信号处理模块对数据进行处理,并将处理后的数据送地面射频模块。
进一步地,地面测控单机时钟根据地面时统单机的辅助输入进行校时。
进一步地,机载测控单机时钟根据地面时统单机的辅助输入进行校时。
进一步地,所述机载测控单机包括电源管理模块、射频模块、数字基带;电源管理模块为机载测控单机提供电源;数字基带包括总线接口、FPGA和PROM,数字基带通过总线接口与机载数据总线连接,通过FPGA与射频模块连接,机载测控单机通过射频模块接收和发送射频信号;时钟管理模块为FPGA提供控制时钟,为射频模块提供射频本振。
一种轻便型无人侦查机测控数传系统的工作方法,包括低速扩频工作模式和高速工作模式;
低速扩频工作模式采用非相干扩频工作方式:地面终端按照约定的收发时隙周期收发扩频信号,机载设备首先工作在常收模式,扩频捕获并帧同步后转为正常工作模式,按照约定的收发时隙收发扩频信号;
高速扩频工作模式采用载波侦听的TDMA工作方式:地面终端按照约定的收发时隙周期发送握手信号,机载设备此时为常收模式,机载设备根据地面终端发来的握手信号确定收发时隙起始时间后,机载设备按时隙发送确认信号,地面终端接收到机载设备的确认信号后完成握手,地面终端工作模式转为正常工作模式发送遥测数据,机载设备检测到地面终端模式转为正常工作模式后也转为正常工作模式。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于,配置灵活,并易于满足升级改造以及生产维护需求。
附图说明
图1是单机在无人机系统中的位置;
图2是机载测控单机架构;
图3是地面测控单机架构;
图4是机载测控单机框图;
图5是机载测控单机电源管理模块功能框图;
图6是机载测控单机射频模块功能框图;
图7是机载测控单机数字基带模块框图;
图8 是STRS扩展模型;
图9是机载测控单机测控波形功能框图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
本发明轻便型无人侦察机测控数传系统主要分为机载设备和地面终端两大部分,各单机在整个无人机系统中的位置如图1所示。
机载测控单机通过机载天馈的机载天线接收地面终端发来的遥控射频信号,解扩解调后通过机载数据总线与机载其他机载单机完成遥控指令交互,同时机载测控单机通过机载数据总线完成遥测数据和载荷数据采集,数据拼接并扩频调制后送机载天线发射到地面终端,机载测控单机时钟可根据地面时统单机的辅助输入进行校时。
地面测控单机通过地面天馈单机的地面天线接收机载设备发来的遥测射频信号,解扩解调后通过数据总线与地面终端其他单机完成遥测数据与载荷数据交互,同时地面测控单机通过地面数据总线完成遥控指令交互,扩频调制后送地面天线发射到机载设备,此外,地面测控单机时钟可根据地面时统单机的辅助输入进行校时。
本发明轻便型无人侦查机测控数传系统为适应不同工作速率和可靠性需求,设置了低速扩频工作模式和高速工作模式。其中低速扩频工作模式抗干扰能力强,多用户能力突出,作用距离远,可靠性高。高速工作模式响应速度快、数据带宽大。
低速信号工作模式采用非相干扩频工作方式:地面终端按照约定的收发时隙周期收发扩频信号,机载终端首先工作在常收模式,扩频捕获并帧同步后转为正常工作模式,按照约定的收发时隙收发扩频信号。
高速信号工作模式采用载波侦听的TDMA(时分多址)工作方式:地面终端按照约定的收发时隙周期发送握手信号,机载设备此时为常收模式,机载设备根据地面发来的握手信号确定收发时隙起始时间后,机载设备按时隙发送确认信号,地面终端接收到机载设备的确认信号后完成握手,地面终端工作模式转为正常工作模式发送遥控测量数据,机载设备检测到地面终端模式转为正常工作模式后也转为正常工作模式。
本发明轻便型无人侦查机测控数传系统主要参数如下:
机载测控单机软件通过采用较低复杂度的STRS软件无线电架构实现了系统的可重构需求,系统软件架构主要由机载通用处理模块(GPP)、机载信号处理模块(SPM)、机载射频模块(RFM)三大部分组成,如图2所示。其中机载通用处理模块主要负责系统的流程控制、应用的加载和部署、波形的加载和部署、射频模块配置、系统资源调度、用户界面以及本项目一站多机无人机测控系统特有的应用,如高速遥测应用、低速遥测应用、自检接口、间接指令解析、遥控指令转发、自主健康管理等。机载信号处理模块通过加载各种不同的波形文件来实现不同的信号处理功能,无人机测控波形主要完成遥控信号的解扩解调,通过数据总线与机载其他单机完成遥控指令交互,通过数据总线完成遥测数据和载荷数据采集,数据拼接并扩频调制后送射频模块,根据地面时统系统的辅助输入进行校时等功能。机载射频模块软件主要负责对射频模块的频率配置、增益配置、直流配置、滤波配置、时钟配置以及运行状态的监测。
本发明充分体现了软件无线电架构的优势,地面测控单机系统软件架构与机载测控单机系统软件架构如出一辙,主要由地面通用处理模块(GPP)、地面信号处理模块(SPM)、地面射频模块(RFM)三大部分组成,如图3所示。其中地面通用处理模块主要负责系统的流程控制、应用的加载和部署、波形的加载和部署、射频模块配置、系统资源调度、用户界面以及本项目一站多机无人机测控系统特有的应用,如高速遥测应用、遥控指令应用、自检接口、测距解算、载荷数据转发、自主健康管理等。地面信号处理模块通过加载各种不同的波形文件来实现不同的信号处理功能,无人机测控波形主要完成遥测信号的解扩解调,通过数据总线与地面其他单机完成载荷数据交互,通过数据总线完成遥控指令和测距信息采集,数据拼接并扩频调制后送射频模块,根据地面时统系统的辅助输入进行校时等功能。地面射频模块软件主要负责对射频模块的频率配置、增益配置、直流配置、滤波配置、时钟配置以及运行状态的监测。
本发明机载测控单机从硬件功能区分主要由总线接口、基带模块、射频模块、电源管理模块、时钟等几部分组成,其硬件组成框图如图4所示。将以上几个功能模块整理成电源管理模块、射频模块和数字基带三个模块。电源管理模块为机载测控单机提供电源;数字基带包括总线接口、FPGA和PROM,数字基带通过总线接口与机载数据总线连接,通过FPGA与射频模块连接,机载测控单机通过射频模块接收和发送射频信号;时钟管理模块为FPGA提供控制时钟,为射频模块提供射频本振。
下面分别对电源管理模块、射频模块和数字基带三个模块进行介绍:
1、电源管理模块
电源管理模块的功能为将一次电源滤波处理后转换为各路二次电源供机载测控单机的其它模块使用,电源管理模块功能框图如图5所示。
2、射频模块
射频模块包括接收机模块、发射机模块、频率源模块、配置模块、辅助接口模块、数据接口模块、电源管理模块,射频模块功能框图如图6所示。
3、数字基带
数字基带是整个机载测控单机的核心部分,完成上行信号的解扩、解调处理和下行信号的扩频调制,以及测量信息的采集、自校信号的处理。测控应答机数字基带电路主要由处理FPGA、PROM、直接指令接口、高速ADC接口、高速DAC接口、频率源时钟接口、通道配置接口、总线接口、辅助时钟、电源管理等模块组成,其功能框图如图7所示。
本发明机载测控单机软件设计如下:
1、单机STRS软件无线电架构
单机软件通过采用较低复杂度的STRS软件无线电架构实现了系统的可重构需求。STRS架构需要提供一致和可扩展的开发环境,在其上构建应用。基于这个目标的广度,规范要求:
1)核心接口,其允许应用软件开发的灵活性。
2)硬件接口说明,其允许技术注入。
软件架构模型显示了STRS兼容无线电所期望的软件层之间的关系。模型说明了软件执行中使用的不同软件单元,并定义了应用之间的软件接口层、操作环境以及操作环境和硬件平台之间的接口。
图8表示了软件架构的执行模型。软件模型实现了以下目标:
1)从底层的操作环境抽象了应用来推进应用的可移植性。
2)在抽象层内,通过使用商业软件标准接口(如POSIX)最大限度地减少自定义例程。
3)将STRS软件组件描绘成层来指定它们之间的相互关系和分离,从而使开发人员来根据他们的需求不同的实现层,并且其仍符合架构。
4)引进操作环境和平台硬件之间的较低水平的抽象层(HAL)。
5)表明操作环境的软件和不同硬件处理单元(如处理器、专用硬件)之间的关系。
2、单机的波形设计
高速信号处理软件(测控波形)是整个单机软件无线电架构中的核心部分。从信号流图(如图9所示)可以分为上行数据相关的自测信号源模块、接收数据缓存模块,低速应用相关的扩频捕获模块、测量跟踪模块、遥控跟踪模块,高速应用相关的高速捕获模块、高速跟踪模块,数据拼接相关的帧交换模块、帧复接模块,低速应用相关的测量采集模块、遥测采集模块、扩频调制模块,高速应用相关的载荷采集模块、信道编码模块、高速调制模块,发送数据缓存模块等。
需要说明的是,上文只是对本发明进行示意性说明和阐述,本领域的技术人员应当明白,对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种轻便型无人侦查机测控数传系统,其特征在于,包括机载设备和地面终端,所述机载设备包括至少1个无人机;每个无人机包括机载综载单机、机载飞控单机、机载测控单机和机载天馈单机;机载测控单机通过机载天馈单机的机载天线接收地面终端发来的遥控射频信号,解扩解调后通过机载数据总线与机载综载单机、机载飞控单机和机载天馈单机完成遥控指令交互,同时机载测控单机通过机载数据总线完成遥测数据和载荷数据采集,数据拼接并扩频调制后通过机载天馈单机的机载天线发射到地面终端,机载测控单机根据地面终端的辅助输入进行校时;
所述机载测控单机包括机载通用处理模块、机载信号处理模块和机载射频模块;机载通用处理模块控制机载信号处理模块,对机载射频模块进行配置;机载信号处理模块对数据进行处理,并将处理后的数据送机载射频模块;
所述地面终端包括地面时统单机、地面飞控单机、地面天馈单机、地面测控单机和地面载荷单机;地面测控单机通过地面天馈单机的地面天线接收机载设备发来的遥测射频信号,解扩解调后通过地面终端数据总线与地面时统单机、地面飞控单机、地面天馈单机和地面载荷单机完成遥测数据与载荷数据交互,同时地面测控单机通过地面终端数据总线完成遥控指令交互,扩频调制后送地面天馈单机的地面天线发射到机载设备;
所述地面测控单机包括地面通用处理模块、地面信号处理模块和地面射频模块;地面通用处理模块控制地面信号处理模块,对地面射频模块进行配置;地面信号处理模块对数据进行处理,并将处理后的数据送地面射频模块;
所述机载测控单机包括电源管理模块、射频模块、数字基带;电源管理模块为机载测控单机提供电源;数字基带包括总线接口、FPGA和PROM,数字基带通过总线接口与机载数据总线连接,通过FPGA与射频模块连接,机载测控单机通过射频模块接收和发送射频信号;时钟管理模块为FPGA提供控制时钟,为射频模块提供射频本振;
所述轻便型无人侦查机测控数传系统立足超小型、超轻量、高自由度、高性能、敏捷开发的思路,采用一片通道芯片、一片基带处理芯片、STRS软件无线电架构实现通用化超小型收发信机;在信机基础上只需添加微波网络、功放、天线即可实现复杂的测控与数传系统;
机载测控单机软件通过采用STRS软件无线电架构实现了系统的可重构需求;
其中地面通用处理模块负责系统的流程控制、应用的加载和部署、波形的加载和部署、射频模块配置、系统资源调度、用户界面以及一站多机无人机测控系统中的高速遥测应用、遥控指令应用、自检接口、测距解算、载荷数据转发、自主健康管理。
2.如权利要求1所述的一种轻便型无人侦查机测控数传系统,其特征在于,地面测控单机时钟根据地面时统单机的辅助输入进行校时。
3.如权利要求2所述的一种轻便型无人侦查机测控数传系统,其特征在于,机载测控单机时钟根据地面时统单机的辅助输入进行校时。
4.一种轻便型无人侦查机测控数传系统的工作方法,应用在如权利要求1所述的一种轻便型无人侦查机测控数传系统中,其特征在于,包括低速扩频工作模式和高速扩频工作模式;
低速扩频工作模式采用非相干扩频工作方式:地面终端按照约定的收发时隙周期收发扩频信号,机载设备首先工作在常收模式,扩频捕获并帧同步后转为正常工作模式,按照约定的收发时隙收发扩频信号;
高速扩频工作模式采用载波侦听的TDMA工作方式:地面终端按照约定的收发时隙周期发送握手信号,机载设备此时为常收模式,机载设备根据地面终端发来的握手信号确定收发时隙起始时间后,机载设备按时隙发送确认信号,地面终端接收到机载设备的确认信号后完成握手,地面终端工作模式转为正常工作模式发送遥控射频信号,机载设备检测到地面终端模式转为正常工作模式后也转为正常工作模式。
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