CN109936404A - 一种无人机多目标测控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无人机多目标测控装置及方法，包括n个无人机飞控机、n个含有定时发送模块的机载北斗终端、北斗卫星、北斗卫星地面中心站、含有卡号端口映射模块的地面北斗终端机和n个地面操控台。本发明在机载北斗终端中增加定时器模块，定时发送周期内最后一帧遥测信息，保证了在SIM卡等级限制范围内遥测信息以最高效率和实时性进行传输。

Description

一种无人机多目标测控装置及方法

技术领域

本发明涉及一种无人机多目标测控装置及方法，特别是涉及一种基于北斗卫星的无人机多目标测控装置及方法，属于遥测遥控技术领域。

背景技术

部署在地球同步轨道上的五颗北斗一代卫星，通过加装有源收发装置，在实现导航功能的同时，也集成了卫星通信功能。它能够为亚太地区的所有用户提供每条不大于240Bytes的数据接入服务，通信频次最快1s/次。虽然数据通信频次和信息量受限，但北斗短信系统范围广、接通能力强，在国内数据实时性要求不高的无人靶机、支线客机以及部分民用无人机上已经有了广泛的应用。

每一台北斗短信终端都通过其安装的一张北斗SIM卡唯一标识。每一条北斗短消息中，包括发送卡号、目标卡号和数据内容。北斗短信终端的数据接收不受限制，但数据发送频次与SIM卡等级相关。民用卡的发送频次为60s/次，军用卡的发送频次最快1s/次。

SIM卡通信频次限制通过以下途径实现：t0时刻北斗终端1将信息发送给北斗终端2，北斗终端2成功收取。按照SIM卡等级，北斗终端1下一个有效发送时刻最早为t0+T。在t0～t0+T时间段内，北斗终端1发送的任何信息在卫星转发的过程中都会被系统剔除，从而实现了SIM卡发送频次限制。

北斗短信终端的常用方法为一对一的双向通信或多对一的单向通信。但是在无人机多目标测控系统中，需要进行一站对多机的双向通信。使用多套一对一北斗通信系统，会造成地面北斗终端数量过大，资源浪费。使用多对一的单向通信，地面北斗终端仅能接收机载北斗遥测信息，无法发送有效的遥控指令。同时，由于SIM卡等级限制，传统的北斗短信系统采用定时发送的方法，在无人机遥控指令实时性要求较高的情况下，此类发令方法无法满足实时性要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种使用北斗短信进行高效实时多目标双向通信的无人机多目标测控装置及方法，有效解决了传统北斗短信系统无法一对多双向实时通信的问题。

本发明的技术解决方案：一种无人机多目标测控装置，包括n个无人机飞控机、n个含有定时发送模块的机载北斗终端、北斗卫星、北斗卫星地面中心站、含有卡号端口映射模块的地面北斗终端机和n个地面操控台，所述的卡号端口映射模块包括机载SIM卡号与遥测遥控端口映射关系和地面操控台与遥测遥控端口映射关系，实现无人机与地面操控台的一一映射，所述的定时发送模块按照机载北斗终端的SIM卡等级允许的最快发送周期定时发送距离发送时刻最近的遥测信息；

所述的无人机飞控机将遥测信息按照周期发送至机载北斗终端，机载北斗终端通过定时发送模块将遥测信息发送到北斗卫星，北斗卫星将接收到的遥测信息发送到地面北斗终端机，地面北斗终端机根据卡号端口映射模块中的卡号端口映射关系，将遥测信息发送给相应的地面操控台；

所述的地面操控台将遥控信息发送给地面北斗终端机，地面北斗终端机根据卡号端口映射模块中的卡号端口映射关系，将遥控信息发送给北斗卫星，北斗卫星将收到的遥控信息发送到北斗卫星地面中心站，北斗卫星地面中心站判断发送或是剔除该遥控信息，若判定为发送，北斗卫星将遥控信息发送给相应的机载北斗终端，飞控机提取遥控信息将其插入到遥测信息中，通过定时发送模块在下一个发送周期发送给对应的地面操控台，地面操控台对遥测信息进行提取和比对，判断遥控信息是否发送成功，若没有发送成功则重新发送。

所述的北斗卫星地面中心站通过SIM卡通信频次限制来判断是否剔除遥控信息，SIM卡通信频次限制为本领域公知技术。

所述的地面北斗终端使用网络通信，机载北斗终端支持串口、总线、光纤等多种通信方式，地面操控台与地面北斗终端采用UDP组播的通信模式。

一种无人机多目标测控方法，通过以下步骤实现：

第一步，地面北斗终端根据机载北斗终端SIM卡号和地面操控台的遥控遥测组播端口号进行一一映射，建立SIM卡与测控端口映射表和地面操控台与遥测遥控端口映射表；

地面北斗终端作为一对多双向通信系统的中转，一般将其SIM卡卡号定义为0。

第二步，飞控机i将遥测信息按照周期T_i发送至机载北斗终端i，机载北斗终端i按照SIM卡等级允许的最快发送周期T_i′定时发送，在一个发送周期T_i′内，机载北斗终端选取距离发送时刻最近的遥测信息帧，填充至机载北斗发送帧，目的卡号填充地面北斗终端的SIM卡号(一般设置为0)，发送卡号填充SIM卡i，通过北斗卫星发送至地面北斗终端，i＝1,2,…n，n为飞控机总数；

第三步，地面北斗终端将接收到北斗卫星转发的第二步的机载北斗发送帧，提取包含的发送卡号和遥测信息帧，地面北斗终端查询第一步建立的SIM卡与测控端口映射表和地面操控台与遥测遥控端口映射表，将提取的遥测信息帧发送至SIM卡i对应的遥测端口C_i；

第四步，操控台i的遥测端口C_i接收到第三步的遥测数据，操控台i对其进行校验后即得到无人机i的遥测信息；

第五步，操控台m产生一条有效的遥控指令帧，通过遥控端口k_m发出，m＝1,2,…M，M为操控台总数；

第六步,地面北斗终端监测并接收到遥控端口k_m的遥控指令帧，校验正确后，查询第一步建立的第一步建立的SIM卡与测控端口映射表和地面操控台与遥测遥控端口映射表，选择遥控端口k_m对应的SIM卡m作为目标卡号，填充至地面北斗发送帧，发送卡号填充地面北斗终端的SIM卡号(一般设置为0)，发送内容填充第五步的遥控指令帧，产生地面北斗发送帧，地面北斗终端将其发送至北斗卫星；

第七步，北斗卫星接收到第六步的地面北斗发送帧，根据地面北斗终端的SIM卡的等级，判断是否需要剔除该帧数据，若无需剔除，则将地面北斗发送帧转发至机载北斗终端m；

第八步，机载北斗终端m接收到北斗卫星转发的地面北斗发送帧，校验正确后，转发至飞控机m；

第九步，飞控机m提取地面北斗发送帧中的遥控指令信息，插入到遥测信息中，得到新遥测信息，按照第二步的过程，将机载北斗发送帧发送至地面北斗终端；

第十步，地面北斗终端按照第三步将第九步的新遥测信息发送至操控台m，操控台m接收到遥测数据后，提取新遥测信息中的遥控指令信息，与第五步发送的上一帧遥控指令信息进行比对，若比对正确，则确认遥控指令发送成功，完成遥控遥测发送流程，若比对错误，则认为遥控指令发送失败，转入第五步重新发送，重复第五至十步，直至确认遥控指令发送成功。

所述第七步，若北斗卫星接收到第六步的地面北斗发送帧，根据地面北斗终端的SIM卡的等级，判断需要剔除该帧数据，则机载北斗终端m无法收到该帧遥控指令，相应的机机载北斗发送帧中也不会插入任何该帧遥控指令的信息，地面操控台m不会从遥测信息中提取出任何第五步的遥控指令信息，经一定时间后，地面操控台m判定遥控指令发送超时，重新发送该遥控指令。

所述判定遥控指令发送超时的时长为不低于2T_d，T_d为北斗短消息由地面发送至机上的理论延时。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明在机载北斗终端中增加定时器模块，定时发送周期内最后一帧遥测信息，保证了在SIM卡等级限制范围内遥测信息以最高效率和实时性进行传输；

(2)本发明地面北斗终端采用指令触发发送+回令比对的遥控发令模式，保证了遥控指令准确上传，同时在地面北斗终端不必使用难以申请的指挥卡，在采用普通用户卡的情况下，依然可以将针对不同目标的不同指令信息准确上传；

(3)本发明在地面北斗终端中增加SIM卡号与测控端口映射模块，保证了地面北斗终端能够将不同目标的遥控遥测信息准确的进行转发；

(4)本发明重新设计了遥测信息和遥控指令的转发策略，同时在地面北斗短信终端上加装一个卡号端口映射模块，在北斗短信通信频次受限的条件下，保证了遥控遥测信息的正确性和实时性，卡号端口映射模块将不同的机载北斗SIM卡号一一对应至相应的遥控遥测网络端口，从而在仅有一台地面北斗终端的情况下，不同的操控台可以通过配置网络端口，实现对多架无人机的遥测遥控。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明机载SIM卡号与遥测遥控端口关系示意图；

图3为本发明地面操控台与遥测遥控端口关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。

本发明如图1所示，包括n个无人机飞控机、n个含有定时发送模块的机载北斗终端、北斗卫星、北斗卫星地面中心站、含有卡号端口映射模块的地面北斗终端机和n个地面操控台。地面操控台1、2…、n分别监控无人机1、无人机2、…无人机n。定时发送模块按照机载北斗终端的SIM卡等级允许的最快发送周期定时发送距离发送时刻最近的遥测信息。地面操控台与地面北斗终端采用UDP组播的通信模式，遥控发送端口号分别为K₁、K₂、…、Kn，遥测接收端口号分别为C₁、C₂、…、Cn。

卡号端口映射模块包括如图2所示的机载SIM卡号与遥测遥控端口映射关系和如图3所示的地面操控台与遥测遥控端口映射关系，实现无人机与地面操控台的一一映射。

本发明还提供一种无人机多目标测控方法，通过以下步骤实现：

一、遥测信息传送

11、飞控机1按照周期T₁向机载北斗终端1发送无人机1的遥测信息。

12、机载北斗终端1按照T₁′周期定时下传机载遥测信息，T₁′为机载北斗终端1的SIM卡等级限制的发送周期。机载北斗终端1选取距离发送时刻最近的遥测信息作为发送内容，SIM卡0(地面北斗终端)作为目的卡号，SIM卡1作为发送卡号，组成机载北斗数据帧发送至北斗卫星。

13、由于机载北斗数据帧按照SIM卡1的限制周期定时发送，因此北斗地面中心站不会对机载北斗数据帧进行剔除，实时回传给北斗卫星，再由北斗卫星转发至地面北斗终端。

14、地面北斗终端通过解扩、解调还原出机载北斗数据帧后，提取发送卡号SIM卡1，按照图2比对映射关系，找到SIM卡1对应的遥测端口号C₁。地面北斗终端将无人机1的机载遥测信息发送至C₁端口。

15、负责对无人机1进行测控的操控台1通过遥测端口C₁接收到无人机1的机载遥测信息。其它操控台由于遥测端口不是C₁，无法接收无人机1的机载遥测信息。

在本示例中，通过机载北斗数据帧的定时传输方法和提前设定的地面北斗终端端口卡号映射关系，在仅有一台地面北斗终端的情况下，完成了机载北斗数据在SIM卡等级限制下的最高效率传输，也保证了多架无人机的机载遥测信息不会发生混淆。

二、遥控信息传送

21、地面操控台2产生了一条遥控指令，需要通过北斗短信链路发送给无人机2。

22、地面操控台按照图3所示的映射关系，把遥控指令通过遥控端口K₂发送到网络上。

23、地面北斗终端通过遥控端口K₂接收到该条遥控指令，通过比对图2所示的映射关系，找到K₂端口对应的SIM卡2。地面北斗终端将SIM卡2作为目的卡号，遥控指令作为发送内容，SIM卡0(地面北斗终端)作为发送卡号，组成地面北斗数据帧，通过射频链路发送至北斗卫星。

24、北斗卫星将步骤23的地面北斗数据帧发送至北斗卫星地面中心站。北斗卫星地面中心站提取发送卡号SIM卡0(地面北斗终端)，根据其SIM卡等级和上一次有效发送时间，确认该帧数据是否能够发送，不能发送进行步骤25，若能发送进行步骤26。

25、若步骤24的地面北斗数据帧不能发送，则进行剔除。无人机2无法收到该帧遥控指令，相应的机载北斗遥测帧中也不会插入任何该帧遥控指令的信息。相应的，地面操控台2不会从遥测信息中提取出任何步骤1所述遥控指令的信息。经2T_d后，地面操控台2会向地面操控人员提示“遥控指令发送超时，请重新发送”，地面操作人员重新发送同一遥控指令。

26、若能发送步骤24的地面北斗数据帧，则由北斗卫星将其转发至机载北斗终端2。

27、机载北斗终端2接收到步骤26的地面北斗数据帧，从中提取出步骤21遥控指令，校验无误后通过串口将其转发至飞控机2。

28，飞控机2执行步骤21的地面遥控指令，执行完成后，将地面遥控指令的若干字节信息插入至以后的遥测信息帧中。

29、机载北斗终端2接收到步骤28的遥测信息帧，通过一中的步骤将其发送至地面操控台2，地面操控台2提取遥测信息帧中的遥控指令信息，与刚刚发送的遥控指令信息进行比对，比对正确，提示遥控指令发送成功。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种无人机多目标测控装置，其特征在于：包括n个无人机飞控机、n个含有定时发送模块的机载北斗终端、北斗卫星、北斗卫星地面中心站、含有卡号端口映射模块的地面北斗终端机和n个地面操控台，所述的卡号端口映射模块包括机载SIM卡号与遥测遥控端口映射关系和地面操控台与遥测遥控端口映射关系，实现无人机与地面操控台的一一映射，所述的定时发送模块按照机载北斗终端的SIM卡等级允许的最快发送周期定时发送距离发送时刻最近的遥测信息；

所述的无人机飞控机将遥测信息按照周期发送至机载北斗终端，机载北斗终端通过定时发送模块将遥测信息发送到北斗卫星，北斗卫星将接收到的遥测信息发送到地面北斗终端机，地面北斗终端机根据卡号端口映射模块中的卡号端口映射关系，将遥测信息发送给相应的地面操控台；

所述的地面操控台将遥控信息发送给地面北斗终端机，地面北斗终端机根据卡号端口映射模块中的卡号端口映射关系，将遥控信息发送给北斗卫星，北斗卫星将收到的遥控信息发送到北斗卫星地面中心站，北斗卫星地面中心站判断发送或是剔除该遥控信息，若判定为发送，北斗卫星将遥控信息发送给相应的机载北斗终端，飞控机提取遥控信息将其插入到遥测信息中，通过定时发送模块在下一个发送周期发送给对应的地面操控台，地面操控台对遥测信息进行提取和比对，判断遥控信息是否发送成功，若没有发送成功则重新发送。

2.根据权利要求1所述的一种无人机多目标测控装置，其特征在于：所述的北斗卫星地面中心站通过SIM卡通信频次限制来判断是否剔除遥控信息。

3.根据权利要求1所述的一种无人机多目标测控装置，其特征在于：所述的地面北斗终端使用网络通信，机载北斗终端支持串口、总线或光纤多种通信方式，地面操控台与地面北斗终端采用UDP组播的通信模式。

4.一种无人机多目标测控方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

第一步，地面北斗终端根据机载北斗终端SIM卡号和地面操控台的遥控遥测组播端口号进行一一映射，建立SIM卡与测控端口映射表和地面操控台与遥测遥控端口映射表；

第二步，飞控机i将遥测信息按照周期T_i发送至机载北斗终端i，机载北斗终端i按照SIM卡等级允许的最快发送周期T_i′定时发送，在一个发送周期T_i′内，机载北斗终端选取距离发送时刻最近的遥测信息帧，填充至机载北斗发送帧，目的卡号填充地面北斗终端的SIM卡号，发送卡号填充SIM卡i，通过北斗卫星发送至地面北斗终端，i＝1,2,…n，n为飞控机总数；

第三步，地面北斗终端将接收到北斗卫星转发的第二步的机载北斗发送帧，提取包含的发送卡号和遥测信息帧，地面北斗终端查询第一步建立的SIM卡与测控端口映射表和地面操控台与遥测遥控端口映射表，将提取的遥测信息帧发送至SIM卡i对应的遥测端口C_i；

第四步，操控台i的遥测端口C_i接收到第三步的遥测数据，操控台i对其进行校验后即得到无人机i的遥测信息；

第五步，操控台m产生一条有效的遥控指令帧，通过遥控端口k_m发出，m＝1,2,…M，M为操控台总数；

第六步,地面北斗终端监测并接收到遥控端口k_m的遥控指令帧，校验正确后，查询第一步建立的第一步建立的SIM卡与测控端口映射表和地面操控台与遥测遥控端口映射表，选择遥控端口k_m对应的SIM卡m作为目标卡号，填充至地面北斗发送帧，发送卡号填充地面北斗终端的SIM卡号，发送内容填充第五步的遥控指令帧，产生地面北斗发送帧，地面北斗终端将其发送至北斗卫星；

第七步，北斗卫星接收到第六步的地面北斗发送帧，根据地面北斗终端的SIM卡的等级，判断是否需要剔除该帧数据，若无需剔除，则将地面北斗发送帧转发至机载北斗终端m；

第八步，机载北斗终端m接收到北斗卫星转发的地面北斗发送帧，校验正确后，转发至飞控机m；

第九步，飞控机m提取地面北斗发送帧中的遥控指令信息，插入到遥测信息中，得到新遥测信息，按照第二步的过程，将机载北斗发送帧发送至地面北斗终端；

第十步，地面北斗终端按照第三步将第九步的新遥测信息发送至操控台m，操控台m接收到遥测数据后，提取新遥测信息中的遥控指令信息，与第五步发送的上一帧遥控指令信息进行比对，若比对正确，则确认遥控指令发送成功，完成遥控遥测发送流程，若比对错误，则认为遥控指令发送失败，转入第五步重新发送，重复第五至十步，直至确认遥控指令发送成功。

5.根据权利要求4所述的一种无人机多目标测控方法，其特征在于：所述第七步中若北斗卫星接收到第六步的地面北斗发送帧，根据地面北斗终端的SIM卡的等级，判断需要剔除该帧数据，则北斗卫星不发送该帧遥控指令到机载北斗终端m，经一定时间后，地面操控台m还无法从遥测信息中提取出任何第五步的遥控指令信息，地面操控台m判定遥控指令发送超时，重新发送该遥控指令。

6.根据权利要求5所述的一种无人机多目标测控方法，其特征在于：所述判定遥控指令发送超时的时长为不低于2T_d，T_d为北斗短消息由地面发送至机上的理论延时。