CN109444865A - 一种tdd体制下无人机的时间测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机的时间测距方法和装置，包括：地面设备将测距指令封装在上行链路控制突发中并发送，经空间传播送达无人机；所述无人机捕获所述测距指令，将应答信号封装在下行链路数据突发中并发送，经空间传播送达所述地面设备，根据所述应答信号与所述测距指令的时延计算距离。本发明提出的无人机的时间测距方法解决了传统无人机测距方法范围小测量精度低等问题，成本低廉且能较好地适应各种特殊的环境，具有较高的工程应用价值。

Description

一种TDD体制下无人机的时间测距方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及了时间测距。

背景技术

在军事应用中，地面控制中心需要向无人机传递命令和战情资料，以控制飞机的飞行轨迹、飞行姿态，同时调整无人机的信息获取策略。无人机则通过下行链路向地面控制中心传输音视频数据或者图像，为决策者提供战情信息，同时，无人机还会向地面传输自身的状态信息和设备参数，以帮助地面人员了解飞机的飞行状况。在众多状态信息中，无人机距离地面控制中心的距离这一参数较为重要，该参数具有如下三个作用：

1.地面人员可根据无人机和自己的相对距离实时调整飞机的航向、速度等飞行姿态，确保飞机可控，以保证上下行链路均能可靠通信；

2.根据距离信息对无人机进行自动功率控制，以保证其接收到相对固定的功率电平，一方面节省机载电池的开销，另一方面减小AGC调整的频度；

3.根据距离信息实时掌握无人机的空间与时间覆盖范围，并确定无人机飞行的安全区域，及时预警，为侦查敌情提供决策参考。

然而，传统的超声波测距方法和红外测距只局限于5～10m距离范围，因此当无人机飞离地面控制中心后，该方法立即失效，而采用激光测距方法虽然精度高、速度快，但是其成本昂贵且安装要求较高，此外增加了无人机重量后导致其续航时间缩短，同时当测量距离超过 1Km后，对目标的准备定位非常困难。鉴于上述现状，需要一种低成本、远距离、高精度的测距技术。本文提出一种无人机的时间测距方法，解决了传统无人机测距方法范围小测量精度低等问题，成本低廉且能较好地适应各种特殊的环境，具有较高的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术不足，提供一种，能够解决问题。。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种无人机的时间测距方法，包括：

地面设备将测距指令封装在上行链路控制突发中并发送，经空间传播送达无人机；

所述无人机捕获所述测距指令，将应答信号封装在下行链路数据突发中并发送，经空间传播送达所述地面设备，根据所述应答信号与所述测距指令的时延计算距离。

测距计算公式如下：

其中，d为地面到无人机的距离，c为光速，f为计数设备时钟频率，cnt1为在所述地面设备捕获到所述无人机返回的应答信号帧头的本地时钟计数值，cnt0为所述地面设备发送所述测距指令的本地时钟计数值，T1为上行数据持续时间，Δt1为所述无人机的发射滤波器处理延时，Δt2为所述地面设备的滤波器处理延时。

进一步的，所述地面设备采用温补晶振。

进一步的，所述地面设备采用相关匹配滤波的方式完成下行链路应答信号的捕获。

本发明还公开了一种无人机的时间测距装置，包括：地面设备，无人机，测距设备；

所述地面设备，将测距指令封装在上行链路控制突发中并发送，经空间传播送达无人机；

所述无人机，捕获所述测距指令，将应答信号封装在下行链路数据突发中并发送，经空间传播送达所述地面设备；

所述测距设备，根据所述应答信号与所述测距指令的时延计算距离。

测距计算公式如下：

其中，d为地面到无人机的距离，c为光速，f为计数设备时钟频率，cnt1为在所述地面设备捕获到所述无人机返回的应答信号帧头的本地时钟计数值，cnt0为所述地面设备发送所述测距指令的本地时钟计数值，T1为上行数据持续时间，Δt1为所述无人机的发射滤波器处理延时，Δt2为所述地面设备的滤波器处理延时。

进一步的，所述地面设备采用温补晶振；

进一步的，所述地面设备采用相关匹配滤波的方式完成下行链路应答信号的捕获。

本发明的有益效果在于：传统的无人机测距方法有红外测距、激光测距、超声波测距等方法，这些测距方法虽然测距精度较高，但是均需要高精度的特殊硬件做支撑，不仅增加了无人机的重量，降低了续航时间，而且成本较高，且容易受天气影响。本发明提出的无人机的时间测距方法基于时间测距原理，只依赖于数据传输本身的硬件平台，不需要额外安装测距装置，不仅降低成本和减轻重量，而且不受环境影响，在雨雪等各种恶劣气候条件下均能正常测距，测距快速准确，具有较高测距精度，测距精度大致为10m。。

附图说明

图1为根据一个实施例的无人机测距流程图。

图2为根据一个实施例的测距原理示例图。

图3为根据一个实施例的分时收发原理图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图2所示，系统的基本工作流程如下：地面控制设备用于将控制飞机的控制命令调制到指定频率并发射，同时接收无人机发射的信号，并从中解调出飞机传回的视频数据和状态信息；无人机用于将压缩视频数据及飞机状态信息调制到指定频率并发射，同时接收地面控制设备发射的信号，并根据指令信息执行相应的动作。当地面设备检测到来自外部的测距指令后，将其按照一定格式封装在上行链路控制突发中并实时发送，经空间传播后到达无人机，无人机捕获到该控制命令后，将应答信号封装在下行链路数据突发中并发送，经空间传播后到达地面设备，设备捕获到该应答信号并自动计算距离，并将该信息反馈至外部设备。

在本发明通信体制下，本文采用的测距方法在下面进行简要阐述。如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离d可用下列表示。

d＝c*t/2

式中：

ab——测站点A、B两点间距离；

c——光在大气中传播的速度；

t——光往返A、B一次所需的时间。

由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t。

如图2所示，本发明的地面设备和无人机机载设备之间的距离测量，主要通过测量数据传输延时来间接计算。

假设地面设备在t0时刻开始向无人机发送上行突发数据，同时以地面设备的时钟作为参考基准，记录下该时刻本地时间计数值cnt0，上行突发数据持续时间为T1。无人机在t1时刻接收到该数据，经过上行突发长度T1和发射滤波器处理延时延迟Δt1后，在t2时刻开始发送下行突发数据。经过空中传播后，地面站在t3时刻接收到该数据，最后经过接收滤波器处理延时Δt2后，在t4时刻捕获到突发数据的帧头，同时以机载设备的时钟作为参考基准，记录该时刻本地时间计数值cnt1。根据上述信息，一般情况下，机载设备和地面设备之间的距离可由如下公式表示，其中c为光速，取值为3*10⁸m/s。

若设定机载设备和地面设备的时钟频率相同，设为fHz，将不同时刻记录的计数值代入上述表达式，可得

可知，c、f、T1为固定值，不影响测距精度，而cnt1-cnt0差值与时钟频率稳定度相关，系统硬件采用的是温补晶振，频率稳定度可达1ppm，整个测距过程耗时大致为1～5ms，故可认为cnt1-cnt0差值与频率不相干。发射滤波器处理时延Δt1，在符号速率一定的条件下，该值可以进行初始标定，当系统正常工作时该值保持恒定。因而最终测量的距离精度只取决于地面设备接收滤波器处理时延Δt2的精度。

实际应用环境中，已知符号序列具有良好的自相关性和互相关特性，故系统采用相关匹配滤波的方式完成下行链路的捕获。帧头成功捕获后，最佳采样点的位置也就随之确定。由于系统捕获算法定位出的帧头位置与实际帧头位置之间偏差为±1/4个符号周期，因此估计出的无人机与地面控制中心的相对距离与真实距离之间也有一定的偏差。系统典型的符号速率为3Msps，故地面设备接收滤波器处理时延Δt2的最大偏差为

根据上述公式可知，实际测距精度可达

根据图3所示，系统机载设备与地面设备间采用同一个物理端口，收发分时进行。其特点是：通过时间片对发射和接收信道进行分离，单方向资源在时间上不连续。

需要说明的是，本领域技术人员应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、 ROM、RAM等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种无人机的时间测距方法，包括：

地面设备将测距指令封装在上行链路控制突发中并发送，经空间传播送达无人机；

所述无人机捕获所述测距指令，将应答信号封装在下行链路数据突发中并发送，经空间传播送达所述地面设备，根据所述应答信号与所述测距指令的时延计算距离。

2.根据权利要求1所述的时间测距方法，其中，根据所述应答信号与所述测距指令的时延计算距离包括：

测距计算公式如下：

其中，d为地面到无人机的距离，c为光速，f为计数设备时钟频率，cnt1为在所述地面设备捕获到所述无人机返回的应答信号帧头的本地时钟计数值，cnt0为所述地面设备发送所述测距指令的本地时钟计数值，T1为上行数据持续时间，Δt1为所述无人机的发射滤波器处理延时，Δt2为所述地面设备的滤波器处理延时。

3.根据权利要求1所述的时间测距方法，进一步包括：

所述地面设备采用温补晶振。

4.根据权利要求1所述的时间测距方法，进一步包括：

所述地面设备采用相关匹配滤波的方式完成下行链路应答信号的捕获。

5.一种无人机的时间测距装置，包括：地面设备，无人机，测距设备；

所述地面设备，将测距指令封装在上行链路控制突发中并发送，经空间传播送达无人机；

所述无人机，捕获所述测距指令，将应答信号封装在下行链路数据突发中并发送，经空间传播送达所述地面设备；

所述测距设备，根据所述应答信号与所述测距指令的时延计算距离。

6.根据权利要求5所述的时间测距装置，其中，所述测距设备，根据所述应答信号与所述测距指令的时延计算距离包括：

测距计算公式如下：

其中，d为地面到无人机的距离，c为光速，f为计数设备时钟频率，cnt1为在所述地面设备捕获到所述无人机返回的应答信号帧头的本地时钟计数值，cnt0为所述地面设备发送所述测距指令的本地时钟计数值，T1为上行数据持续时间，Δt1为所述无人机的发射滤波器处理延时，Δt2为所述地面设备的滤波器处理延时。

7.根据权利要求5所述的时间测距装置，进一步包括：

所述地面设备采用温补晶振。

8.根据权利要求5所述的时间测距装置，进一步包括：

所述地面设备采用相关匹配滤波的方式完成下行链路应答信号的捕获。