CN110176954A - 一种基于tdd时频多址的多目标飞行器组网测控方法 - Google Patents

Abstract

一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，首先建立基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控系统，其次设计多目标飞行器组网测控系统的工作机制：规划上行与下行双向链路的时频资源，地面站用全向天线在地→空上行链路发送遥控帧信息给多个飞行器；机载站接收到遥控帧信息并获得遥控帧T_U的起始与结束时间信息，从而以地面站为基准实现简单测控网络时间同步；每个飞行器从各自接收的遥控帧信息中提取时间信息，据此用全向天线在空→地下行链路发送自身遥测帧信息给地面站。本发明能够有效简化组网节点时间同步需求，实现组网飞行器测控的副链路高效时频资源调度。

Description

一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法

技术领域

本发明涉及数字无线通信传输技术领域，特别涉及一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法。

背景技术

在飞行器任务系统中，多目标同时测控需求越来越多，特别是用于100km以上作用距离的短程、中程飞行器，以及高空平台飞行器侦察系统的低速副链路测控通信系统，实现广域覆盖能力。这些副链路测控系统要求在便携地面站设备与小型化机载设备，实现多目标组网测控能力。

文献“一站多机式无人机测控系统[J].电光与控制,2013,20(3):6-9.”基于时分双工通信方式(TDD)和时分多址通信体制(TDMA)，设计了简易型一站多机式无人机测控系统，该系统灵活度不够，不能有效调整测控网络参数。

文献“无人机一站多机数据链技术[J].电讯技术,2015,55(8):879-884.”设计了一种基于数字多波束天线的一站多机数据链系统，偏向于系统设计，没有给出有效解决方案。

文献“无人机测控通信自组网技术综述[J].遥测遥控,2018,39(4):66-75.”提到研制了TDD-TDMA体制实现了多架无人机机间中继通信，数据传输速2Mb/s～10Mb/s。

但是上述文献针对多目标飞行器组网测控一般设计了TDD-TDMA系统，没有针对实际网络节点间的低复杂度高效网络同步、功率控制进行研究，其时频率资源不够灵活。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，简化组网节点时间同步需求，实现组网飞行器测控的副链路高效时频资源调度。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，包括如下步骤：

步骤(一)、建立基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控系统，所述多目标飞行器组网测控系统作为飞行器测控的副链路，包含一个便携地面站与多个小型机载站，每个机载站搭载在一个飞行器上；

步骤(二)、设计多目标飞行器组网测控系统的工作机制如下：

(2.1)多目标飞行器组网测控系统规划上行与下行双向链路的时频资源，地面站用全向天线在地→空上行链路发送遥控帧信息给多个飞行器；

(2.2)飞行器上的机载站接收到遥控帧信息并获得遥控帧T_U的起始与结束时间信息，从而以地面站为基准实现简单测控网络时间同步；

(2.3)每个飞行器从各自接收的遥控帧信息中提取时间信息，据此用全向天线在空→地下行链路发送自身遥测帧信息给地面站。

步骤(2.1)中，多目标飞行器组网测控系统规划上行与下行双向链路时频资源的方法为：

设系统帧包含上行遥控帧的时长为T_U、带宽为B_U，下行遥测帧的时长为T_D、带宽为B_D，系统帧保护时隙为T_G，则系统帧时长T_U+T_D+T_G，系统带宽需求为max{B_U,B_D}，其中，上行遥控帧由1个地面站占有、下行遥测帧由多个飞行器共同占有。

下行遥测帧的带宽B_D由多个飞行器分为M个不同大小的带宽B_m，1≤m≤M，其中第m个带宽B_m在时间上进一步分为N_u个时隙D_m,u，1≤u≤N_u；系统共有个时隙资源，每个飞行器在系统帧时长T_U+T_D内只能占有1个时隙，所述N为该系统的飞行器容量。

步骤(2.1)中，地面站用全向天线在地→空上行链路发送遥控帧信息给多个飞行器，其中遥控帧结构为：

{自动增益控制段，遥控同步段，遥控数据段}。

步骤(2.2)中，第n个机载站通过遥控同步段获得遥控帧T_U的起始时间信息T_n与结束时间信息T_U+T_n，1≤n≤N；其中T_n为地面站遥控帧传输到第n个机载站所用的时间，第n个机载站距离地面站距离d_n，T_n＝d_n/C，C为光速，据此，所有N个机载站以地面站为基准实现简单测控网络时间同步。

步骤(2.3)中，第n个机载站从接收的遥控帧信息中提取时间信息，在T_U+T_n时刻开始用全向天线发送遥测帧信息给地面站，所采用的遥测帧结构为：

{自动增益控制(AGC)段，遥测同步段，遥测数据段n}。

第n个机载站发送遥测帧信息给地面站之前，需对遥测帧信息进行纠偏。

第n个机载站对遥测帧信息进行纠偏的方法如下：

(s1)第n个机载站根据遥控同步段获得地面站与机载站n之间的载波频率偏差△F_n，根据遥控数据段获得地面站与机载站n之间的信道信噪比SNR_n；

(s2)第n个机载站发送遥测帧信息给地面站前，利用-△F_n纠正遥测帧信息载波；

(s3)采用信号调制体制设计解调门限SNR_th，利用SNR_th与SNR_n调整机载发射功率。

步骤(s3)中，调整机载发射功率的方法如下：

当SNR_n-SNR_th变大，说明地空链路质量变好或距离d_n变近，则降低机载发射功率(SNR_n-SNR_th)dB，以降低机载功耗，并提升地面站接收多个机载站不同下行链路信号的稳定度。

步骤(s1)中，第n个机载站根据遥控同步段获得地面站与机载站n之间的载波频率偏差△F_n方法如下：

第n个机载站接收的遥控同步段数据r(kL+l)表示为

其中，L为过采样倍数，kL+l表示第k个调制符号内第l个过采样数据，θ_k表示第k个调制符号的相位，A(kL+l)表示r(kL+l)的辅助信息，

飞行器测控的副链路低速数据传输采用BPSK调制，将r(kL+l)处理为计算第n个机载站的频偏估计

其中，i为FFT的位置，1≤i≤I，I为傅里叶变换长度，1/T_s为采样频率，FFT[X,I]表示对向量X进行长度为I的傅里叶变换，argmax{}表示求最大值的位置。

飞行器测控的副链路工作在U频段或L频段。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明中，每个飞行器的机载站根据地面站发送的遥控帧获得以地面站为基准的网络同步，可实现多飞行器自动组网测控，简化组网节点时间同步需求。

(2)本发明机载站根据从遥控帧提取的频率偏差与信噪比修正机载载波与功率，实现了空地载波频率修正与机载功率控制，本发明频率偏差算法比传统方法信干比有较大提升。

(3)本发明提出了基于TDD时频多址的时频资源规划，上行遥控帧由1个地面站占有、下行遥测帧由多个飞行器共同占有，有效利用时隙与频率资源，提升多目标飞行器组网测控系统的系统容量，实现组网飞行器测控的副链路高效时频资源调度。

附图说明

图1为本发明时频规划图；

图2为本发明频率估计FFT输出度量；

图3为本发明频率估计最大值与底噪的信干比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明提出一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，主要包括如下步骤：

步骤(一)、建立基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控系统，包含一个便携地面站与多个小型机载站，该飞行器组网测控系统作为飞行器测控的副链路实现低速测控数据的地→空、空→地双向实时收发。

该副链路一般工作在U频段或L频段，地空数据传输速率一般为1kbps至100kbps级别。通过配置地面站与机载站信道组合中的功率放大器输出功率，地面站与飞行器最大作用距离可达300km，飞行器飞行高度可达30km。

地面站主要包含地面数据终端、信道组合与圆极化全向天线。机载站主要包含机载数据终端、信道组合与线极化全向天线。

步骤(二)、设计多目标飞行器组网测控系统的工作机制如下：

(2.1)测控系统规划上行与下行双向链路的时频资源，地面站用全向天线在地→空上行链路发送遥控帧信息给多个飞行器；

(2.2)机载站接收到遥控帧信息并获得遥控帧T_U的起始与结束时间信息，从而以地面站为基准实现简单测控网络时间同步；多个飞行器机载站距离地面站距离不同，接收到遥控帧时间信息先后不同；

(2.3)多个飞行器根据各自接收遥控帧时间信息用全向天线在空→地下行链路发送各自遥测帧信息给地面站。

步骤(2.1)中TDD时频多址的多目标飞行器组网测控系统规划上行与下行双向链路的时频资源方法为：系统帧时长T_U+T_D+T_G，系统带宽需求为max{B_U,B_D}。

系统帧包含上行遥控帧的时长为T_U、带宽为B_U，下行遥测帧的时长为T_D、带宽为B_D，以及系统帧保护时隙T_G，其中，上行遥控帧由1个地面站占有、下行遥测帧由多个飞行器共同占有。

下行遥测帧的带宽B_D由多个飞行器分为M个不同大小的带宽B_m，1≤m≤M。其中第m个带宽B_m在时间上进一步分为N_u个时隙D_m,u，1≤u≤N_u。系统共有个时隙资源，每个飞行器在系统帧时长T_U+T_D内只能占有1个时隙。因此该系统的飞行器容量为N。

步骤(2.1)中TDD时频多址的多目标飞行器组网测控系统的地面站用全向天线在地→空上行链路发送遥控帧信息给多个飞行器，所采用的遥控帧结构为：

{自动增益控制(AGC)段，遥控同步段，遥控数据段}

第n个机载站通过遥控同步段获得遥控帧T_U的起始与结束时间信息：T_n、T_U+T_n，1≤n≤N。其中T_n为地面站遥控帧传输到第n个机载站所用的时间。第n个飞行器机载站距离地面站距离d_n，T_n＝d_n/C，C为光速。所有N个机载站得到以地面站为基准实现简单测控网络时间同步。

步骤(2.3)中，TDD时频多址的多目标飞行器组网测控系统的第n个记载站根据遥控帧时间信息，在T_U+T_n时刻开始用全向天线发送遥测帧信息给地面站，所采用的遥测帧结构为：

{自动增益控制(AGC)段，遥测同步段，遥测数据段n}

第n个记载站根据遥控同步段获得地面站与机载站n之间的载波频率偏差△F_n，根据遥控数据段获得地面站与机载站n之间的信道信噪比SNR_n，第n个飞行器记载站发送遥测帧信息给地面站时将遥测帧纠正载波：-△F_n，根据采用信号调制体制的设计解调门限SNR_th与SNR_n调整机载发射功率，当SNR_n-SNR_th变大，地空链路质量变好或距离d_n变近，可降低机载发射功率(SNR_n-SNR_th)dB降低机载功耗，并提升地面站接收多个机载站不同下行链路信号的稳定度。

第n个飞行器记载站根据遥控同步段获得地面站与机载站n之间的载波频率偏差△F_n方法如下：

第n个机载站接收的遥控同步段数据r(kL+l)表示为

其中，L为过采样倍数，kL+l表示第k个调制符号内第l个过采样数据，θ_k表示第k个调制符号的相位。

一般的，空地测控副链路低速数据传输采用BPSK调制，将r(kL+l)处理为计算飞行器n的频偏估计

其中，i为FFT的位置，1≤i≤I，I为傅里叶变换长度，1/T_s为采样频率，FFT[X,I]表示对向量X进行长度为I的傅里叶变换，argmax{}表示求最大值的位置。

本发明设计每个飞行器的机载站根据地面站发送的遥控帧获得以地面站为基准的网络同步，并根据从遥控帧提取的频率偏差与信噪比修正机载载波与功率，实现了简单系统网络时间同步、空地载波频率修正与机载功率控制，通过基于TDD时频多址的时频资源规划，有效提升了多目标飞行器组网测控能力。

实施例1

图1为系统时频资源规划，系统帧时长T_U+T_D+T_G＝200ms，系统带宽需求为max{B_U,B_D}。系统帧包含上行遥控帧的时长为T_U、带宽为B_U，下行遥测帧的时长为T_D、带宽为B_D，以及系统帧保护时隙T_G，其中，上行遥控帧由1个地面站占有、下行遥测帧由多个飞行器共同占有。

下行遥测帧的带宽B_D＝150kHz由多个飞行器分为5个不同大小的带宽B_m＝10kHz。其中第1个带宽B_m＝10kHz在时间上进一步分为5个时隙D_m,u。系统共有25个时隙资源，每个飞行器在系统帧时长200ms内只能占有1个时隙。因此该系统的飞行器容量为25。

图2所示为第n个机载站根据遥控同步段估计地面站与机载站n之间的载波频率偏差△F_n的度量，副链路低速数据传输采用BPSK调制，按照如下算法计算第n个机载站的频偏估计

其中，i为FFT的位置，1≤i≤1024，1/T_s为采样频率。

图3所示为频率估计度量的最大值与底噪的信干比SIR，在SNR>5dB时，本发明频偏估计算法比传统方法优越，在SNR＝15dB时，传统方法SIR为32.4dB，本发明频偏估计算法为35.6dB，提升3.2dB。说明本发明频偏估计算法比传统方法更准确。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(一)、建立基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控系统，所述多目标飞行器组网测控系统作为飞行器测控的副链路，包含一个便携地面站与多个小型机载站，每个机载站搭载在一个飞行器上；

步骤(二)、设计多目标飞行器组网测控系统的工作机制如下：

(2.1)多目标飞行器组网测控系统规划上行与下行双向链路的时频资源，地面站用全向天线在地→空上行链路发送遥控帧信息给多个飞行器；

(2.2)飞行器上的机载站接收到遥控帧信息并获得遥控帧T_U的起始与结束时间信息，从而以地面站为基准实现简单测控网络时间同步；

(2.3)每个飞行器从各自接收的遥控帧信息中提取时间信息，据此用全向天线在空→地下行链路发送自身遥测帧信息给地面站。

2.根据权利要求1所述的一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，其特征在于：步骤(2.1)中，多目标飞行器组网测控系统规划上行与下行双向链路时频资源的方法为：

设系统帧包含上行遥控帧的时长为T_U、带宽为B_U，下行遥测帧的时长为T_D、带宽为B_D，系统帧保护时隙为T_G，则系统帧时长T_U+T_D+T_G，系统带宽需求为max{B_U,B_D}，其中，上行遥控帧由1个地面站占有、下行遥测帧由多个飞行器共同占有；

下行遥测帧的带宽B_D由多个飞行器分为M个不同大小的带宽B_m，1≤m≤M，其中第m个带宽B_m在时间上进一步分为N_u个时隙D_m,u，1≤u≤N_u；系统共有个时隙资源，每个飞行器在系统帧时长T_U+T_D内只能占有1个时隙，所述N为该系统的飞行器容量。

3.根据权利要求1所述的一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，其特征在于：步骤(2.1)中，地面站用全向天线在地→空上行链路发送遥控帧信息给多个飞行器，其中遥控帧结构为：

{自动增益控制段，遥控同步段，遥控数据段}。

4.根据权利要求3所述的一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，其特征在于：步骤(2.2)中，第n个机载站通过遥控同步段获得遥控帧T_U的起始时间信息T_n与结束时间信息T_U+T_n，1≤n≤N；其中T_n为地面站遥控帧传输到第n个机载站所用的时间，第n个机载站距离地面站距离d_n，T_n＝d_n/C，C为光速，据此，所有N个机载站以地面站为基准实现简单测控网络时间同步。

5.根据权利要求4所述的一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，其特征在于：步骤(2.3)中，第n个机载站从接收的遥控帧信息中提取时间信息，在T_U+T_n时刻开始用全向天线发送遥测帧信息给地面站，所采用的遥测帧结构为：

{自动增益控制(AGC)段，遥测同步段，遥测数据段n}。

6.根据权利要求5所述的一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，其特征在于：第n个机载站发送遥测帧信息给地面站之前，需对遥测帧信息进行纠偏。

7.根据权利要求6所述的一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，其特征在于：第n个机载站对遥测帧信息进行纠偏的方法如下：

(s1)第n个机载站根据遥控同步段获得地面站与机载站n之间的载波频率偏差△F_n，根据遥控数据段获得地面站与机载站n之间的信道信噪比SNR_n；

(s2)第n个机载站发送遥测帧信息给地面站前，利用-△F_n纠正遥测帧信息载波；

(s3)采用信号调制体制设计解调门限SNR_th，利用SNR_th与SNR_n调整机载发射功率。

8.根据权利要求7所述的一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，其特征在于：步骤(s3)中，调整机载发射功率的方法如下：

当SNR_n-SNR_th变大，说明地空链路质量变好或距离d_n变近，则降低机载发射功率(SNR_n-SNR_th)dB，以降低机载功耗，并提升地面站接收多个机载站不同下行链路信号的稳定度。

9.根据权利要求7所述的一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，其特征在于：步骤(s1)中，第n个机载站根据遥控同步段获得地面站与机载站n之间的载波频率偏差△F_n方法如下：

第n个机载站接收的遥控同步段数据r(kL+l)表示为

其中，L为过采样倍数，kL+l表示第k个调制符号内第l个过采样数据，θ_k表示第k个调制符号的相位，A(kL+l)表示r(kL+l)的辅助信息，

飞行器测控的副链路低速数据传输采用BPSK调制，将r(kL+l)处理为计算第n个机载站的频偏估计

其中，i为FFT的位置，1≤i≤I，I为傅里叶变换长度，1/T_s为采样频率，FFT[X,I]表示对向量X进行长度为I的傅里叶变换，argmax{}表示求最大值的位置。

10.根据权利要求1所述的一种基于TDD时频多址的多目标飞行器组网测控方法，其特征在于：飞行器测控的副链路工作在U频段或L频段。