CN110602638B - 一种无人机载低空应急通信自组网电台装置及组网方法 - Google Patents

一种无人机载低空应急通信自组网电台装置及组网方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于应急通信技术领域，提供一种无人机载低空应急通信自组网电台装置及组网方法，所述电台装置包括底板板、固定架，底板底部安装有电台主机以及多根1.4G定向天线，电台主机位于底板中心位置，且所有1.4G定向天线以底板中心为轴圆周均匀分布，所述电台主机底部安装有2.4G对地天线，底板朝下还安装有外罩，所述外罩外部朝下还安装有800M全向天线。本电台装置采用三个频段天线一体化设计，电台主机位于底板中心，电台主机底部安装2.4G对地天线，且电台主机周边均匀布置多根1.4G定向天线，外罩底部中心位置也安装800M全向天线，这种结构设计紧凑，且整个装置重量轻，整机不超过3.5Kg，特别适用于机载通信。

Description

一种无人机载低空应急通信自组网电台装置及组网方法
技术领域
本发明属于应急通信技术领域，尤其涉及一种无人机载低空应急通信自组网电台装置及组网方法。
背景技术
当通信基站受损或被摧毁无法正常工作，或在恶劣的环境下难以建设固定基站时，无人机载应急通信自组网电台作为一种空中接入点或者移动节点可发挥重要作用。具备三个优点：一是部署迅速。当发生紧急情况导致通信中断时，可部署无人机空中节点，体积小、抗风性好、反应灵敏，利用北斗导航系统能快速到达通信中断点；二是通信高效。无人机之间的空空及空地信道相对于传统信道来说，传输损耗较小，在计算无人机自身发射功率及互相干扰限制时，复杂度明显降低，使得信息传输更为高效便捷；三是造价经济。无人机主要携带机载天线等设备，特别是多旋翼机造价成本低廉，可在应急通信时大量部署。
但是目前的无人机应急通信电台装置的天线选择和设计不合理，使得整个装置通信可靠性不高，而且装置重量较重，不是特别适用于机载通信。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种无人机载低空应急通信自组网电台装置及组网方法，旨在解决现有无人机电台装置可靠度较低、重量较重的技术问题。
一方面，所述无人机载低空应急通信自组网电台装置包括底板，所述底板顶部有用于与无人机连接的固定架，所述底板底部安装有电台主机以及多根1.4G定向天线，所述电台主机位于底板中心位置，且所有1.4G定向天线以底板中心为轴圆周均匀分布，所述电台主机底部安装有2.4G对地天线，底板朝下还安装有外罩，所述电台主机、2.4G对地天线以及所有1.4G定向天线均位于所述外罩内，所述外罩外部朝下还安装有800M全向天线，所述外罩侧壁还安装有电源接口以及网口，所述1.4G定向天线、2.4G对地天线、800M全向天线以及所述电源接口和网口均连接至所述电台主机。
进一步的，所述800M天线为可折叠天线。
进一步的，所述1.4G定向天线共有8根。
进一步的，所述电台主机包括中央处理器以及与所述中央处理器连接的定位模块、惯导模块、1.4G调制解调模块、800M调制解调模块、对地通信模块以及网络通信模块，所述1.4G调制解调模块连接有1.4G射频模块，所述1.4G射频模块与所述1.4G定向天线连接，所述800M调制解调模块连接有800M射频模块，所述800M射频模块与所述800M全向天线连接，所述对地通信模块与所述2.4G对地天线连接，所述网络通信模块与所述网口连接。
进一步的，所述800M射频模块包括顺次成环连接的第一双工器、第一带通滤波器、低噪声放大器、第二带通滤波器、第一混频器、70M晶体滤波器、中频放大器、第二混频器、模数转换器、数字处理单元、收发器、第一低通滤波器、第一驱动放大器、第二驱动放大器、功率放大器、第二低通滤波器，所述第一混频器还连接有第一本振，所述第二混频器还连接有第二本振，所述第一双工器与所述800M全向天线连接。
另一方面，所述双通道自组网方法基于多台所述无人机载低空应急通信自组网电台装置组网实现，所述装置具有800M信令通道和1.4G数据通道，所述方法包括下述步骤：
自组网建立开始阶段，调用800M信令通道进入窄带全向通信模式；
调用竞争接入算法进行窄带数据交互；
各个装置节点通过定位模块获取时间信息，根据时间信息进行全网同步；
通过800M信令通道执行自组网路由协议，建立并维护路由表；
定时查看是否有装置节点路由变动，若存在变动则对路由表进行更新；
各个装置节点通过定位模块获取位置信息，并通过通过800M信令通道将各自的位置信息在全网中交互；
若装置节点的位置信息有变化，则在全网中立即更新各自位置信息；
全网自组织网络调整进入业务处理状态，若有装置节点的用户数据业务接入，查询该业务需要的路由路径；
根据查询到的路由路径在800M信令通道完成MAC数据接入；
1.4G定向天线进行波束扫面对准；
若是包含多个装置节点的数据链，则控制1.4G定向天线根据MAC数据接入协议进行切换，装置节点通过1.4G数据通道进行宽带数据交换；同时，位于发射端的位置节点调用800M信令通道启动发射忙音，位于接收端的位置节点接调用800M信令通道启动接收忙音；
直至数据交换完成，此时800M信令通道和1.4G数据通道停止工作。
本发明的有益效果是：本发明设计的无人机载低空应急通信自组网电台装置采用三个频段天线一体化设计，电台主机位于底板中心，电台主机底部安装2.4G对地天线，且电台主机周边均匀布置多根1.4G定向天线，另外外罩底部中心位置也安装800M全向天线，这种结构设计紧凑，且整个装置重量轻，整机不超过3.5Kg，特别适用于机载通信。另外在自组网方面，将信道分为信令信道和数据信道，其中数据信道采用定向模式，彻底解决了自组网协议中隐藏终端和暴露终端问题，有效提升了空中无线宽带自组网的拓扑适应性，增强网络的吞吐量；数据信道采用窄波束定向通信技术，显著增强空中无人平台宽带数据通信的隐蔽性和抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明施例提供的人机载低空应急通信自组网电台装置结构图；
图2是本发明施例提供的人机载低空应急通信自组网电台装置原理图；
图3是本发明实施例提供的800M射频模块的原理图；
图4是本发明实施例提供的1.4G射频模块的原理图；
图5是本发明实施例提供的双通道自组网方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明实施例提供的无人机载低空应急通信自组网电台装置的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。
如图1所示，本实施例提供的人机载低空应急通信自组网电台装置包括底板101，所述底板101顶部有用于与无人机连接的固定架102，所述底板101底部安装有电台主机3以及多根1.4G定向天线5，所述电台主机3位于底板中心位置，且所有1.4G定向天线5以底板中心为轴圆周均匀分布，所述电台主机3底部安装有2.4G对地天线4，所述底101板朝下还安装有外罩2，所述电台主机3、2.4G对地天线4以及所有1.4G定向天线5均位于所述外罩2内，所述外罩2外部朝下还安装有800M全向天线6，所述800M天线为可折叠天线。所述外罩2侧壁还安装有电源接口71以及网口72，所述1.4G定向天线5、2.4G对地天线4、800M全向天线6以及所述电源接口71和网口72均连接至所述电台主机3。
本结构电台装置包含三个频段，分别为1.4G数据通道、800M信令通道以及2.4G地面用户接入通道，其中，1.4G数据通道采用窄波束切换天线，由8个1.4G定向天线组成，通过电台主机微波开关阵列控制，可以产生8个定向波束，8个1.4G定向天线沿底板圆周隔45度角依次排列放置。800M信令通道采用全向天线，结构设计为可折叠天线，在撤收时可以折起便于运送。2.4G地面用户接入通道的通信模块采用增强型2.4G无线通信模块，天线采用定向天线，辐射方向指向地面用户。电台主机放置于底板的中心位置，实现整个电台一体化小型设计，这种结构设计紧凑，且整个装置重量轻，整机不超过3.5Kg，特别适用于机载通信。使用时通过底板上的固定架将本装置安装在无人机上，实现无人机载低空应急通信。
作为所述电台主机3的一种具体结构，如图2所示，所述电台主机包括中央处理器301以及与所述中央处理器连接的定位模块302、惯导模块303、1.4G调制解调模块304、800M调制解调模块305、对地通信模块306以及网络通信模块307，所述1.4G调制解调模块304连接有1.4G射频模块308，所述1.4G射频模块308与所述1.4G定向天线5连接，所述800M调制解调模块305连接有800M射频模块309，所述800M射频模块309与所述800M全向天线6连接，所述对地通信模块306与所述2.4G对地天线4连接，所述网络通信模307块与所述网口72连接。
本发明电台主机功能主要包含四个部分，其中，1.4G数据通道主要用于实现高速数据无线传输，800M信令通道主要用于无线自组网协议数据交换，2.4G地面用户接入通道主要用于在对地有线接入场景下的光纤数据接入，对地无线通信主要用于对地无线接入应用场景下地面无线终端的入网通信。本结构中，定位模块(即北斗模块)、惯导模块用于空中自组织网各个节点共享分发自身位置信息，支撑1.4G定向天线波束切换。1.4G调制解调模块采用COFDM数字调制解调技术完成COFDM数字调制解调，1.4G射频模块采用AD9361集成芯片，频率可配置，中心频率工作在1.4GHz，1.4G调制解调模块的基带数据通过FPGA中间层板卡标准接口协议传给基于1.4G射频模块，1.4G射频模块把信号搬移到射频后通过1.4G定向天线以电磁波的形式发射出去，接收端则逆向重复上述过程，接收数据通过光纤将数据从无人机传到地面，通过应用软件在终端显示出来。800M调制解调模块采用GMSK调制解调技术，GMSK数字调制解调也基于FPGA硬件实现，射频收发模块采用分立器件搭建，中心频率工作在800MHz。
如图3，所述800M射频模块309包括顺次成环连接的第一双工器11、第一带通滤波器12、低噪声放大器13、第二带通滤波器14、第一混频器15、70M晶体滤波器16、中频放大器17、第二混频器18、模数转换器19、数字处理单元20、收发器21、第一低通滤波器22、第一驱动放大器23、第二驱动放大器24、功率放大器25、第二低通滤波器26，所述第一混频器还连接有第一本振27，所述第二混频器18还连接有第二本振28，所述第一双工器11与所述800M全向天线连接。图示中，第一低通滤波器22、第一驱动放大器23共有两组，依次连接。
800M射频模块的数据通路带宽设计为150K，其接收通路由第一双工器、第一带通滤波器、低噪声放大器、第二带通滤波器、第一混频器、70M晶体滤波器、中频放大器、第二混频器、模数转换器、数字处理单元以及第一本振和第二本振组成，发射通路由收发器(SI4464模块)、第一低通滤波器、第一驱动放大器、第二驱动放大器、功率放大器、第二低通滤波器以及数字处理单元组成。接收通路特点在于第一带通滤波器使用两级窄带的声表滤波器，第二带通滤波器滤除带外干扰信号，避免接收机饱和，低噪声放大器选用3SK294，增益在15dB，噪声系数1.5dB；第一混频器选择双栅极有源混频，同时能对中频信号进行放大处理，混频输出信号进入窄带的70M晶体滤波器，中心频率70MHZ，带宽150K，滤除不需要的频率分量；之后进入中频放大器，选用2SC5488，整个中频系统放大58dB；第二混频器使用BA4116FV中放芯片内部自带混频，整个二中频增益50dB；数字解调采用FPGA数字处理单元。射频发射通路其特点在数字调制采用GMSK技术，调制方法为将SI4464模块配置在MSK工作模式，再由FPGA数字处理单元控制SI4464模块产生GMSK调制信号，输出功率为3dBm，经放大滤波后保证输入至第一驱动放大器功率达到10dBm，再经第二驱动放大器27放大至24dBm，最后给功率放大器将信号放大至放大至37.5dBm，经低通滤波器，抑制谐波，天线端口的输入功率大于37dBm。
另外，本发明1.4G数据通道具有带宽宽、速率高的特点，1.4G射频模块采用如图4所示技术方案，由中央处理模块32、FPGA数字处理模块29、AD9361模块30、第二双工器31组成。中央处理单元32作为控制单元负责配置AD9361模块30的工作模式以及协议数据的接收发送。接收时，无线信号经过天线、第二双工器31通过AD9361模块30进入FPGA 29；发射时，数据经FPGA 29通过AD9361模块30，最后天线发射无线信号。中央处理单元32协助FPGA完成对AD9361的控制，并对数据的接收和发送进行传输和处理，系统通路分为控制通路和数据通路。控制通路完成对AD9361的内部寄存器的读写和校验。由于AD9361芯片本身为两发两收的双通道设计，本发明只用到单发单收，在配置软件及设计基带到射频部分通信链路时需按照单通道设计，AD9361的数据端口支持CMOS和LVDS两种模式，本发明选择LVDS进行数据传送，LVDS模式下最大的DATA_CLK速率为245.76MHz，满足设计的IQ两路收发各10Mbps的速率。
采用多种调制模式并存，通过信道估计自动选择调制方式，宽带数据信道采用了COFDM调制和QPSK两种方式，其中，COFDM调制纠错、抗多径衰落、抗码间干扰和抗多普勒频移等能力强，QPSK具有频谱利用率高、抗干扰强的优点，在远距离宽带通信时则使用QPSK，近距离是可以使用COFDM，实现更宽的数据传输。
本发明实施例还提供了一种双通道自组网方法，该方法由多台无人机载低空应急通信自组网电台装置组网实现，本电台装置具有800M信令通道和1.4G数据通道，如图5所示，所述方法包括下述步骤：
步骤S401、自组网建立开始阶段，调用800M信令通道进入窄带全向通信模式。
步骤S402、调用竞争接入算法进行窄带数据交互，如CSMA/CA算法；
步骤S403、各个装置节点通过定位模块获取时间信息，根据时间信息进行全网同步；
步骤S404、通过800M信令通道执行自组网路由协议，建立并维护路由表；
步骤S405、定时查看是否有装置节点路由变动，若存在变动则对路由表进行更新；
步骤S406、各个装置节点通过定位模块获取位置信息，并通过通过800M信令通道将各自的位置信息在全网中交互；
步骤S407、若装置节点的位置信息有变化，则在全网中立即更新各自位置信息；
步骤S408、全网自组织网络调整进入业务处理状态，若有装置节点的用户数据业务接入，查询该业务需要的路由路径；
步骤S409、根据查询到的路由路径在800M信令通道完成MAC数据接入；
步骤S410、1.4G定向天线进行波束扫面对准；
步骤S411、若是包含多个装置节点的数据链，则控制1.4G定向天线根据MAC数据接入协议进行切换，装置节点通过1.4G数据通道进行宽带数据交换；同时，位于发射端的位置节点调用800M信令通道启动发射忙音，位于接收端的位置节点接调用800M信令通道启动接收忙音；
步骤S412、直至数据交换完成，此时800M信令通道和1.4G数据通道停止工作。
本发明采用基于双信道+定向波束扫描天线的自组网协议算法，有效解决了自组网通信中暴露终端和隐藏终端问题。本发明方法使用了两个信道，一个800M全向天线信道(信令通道)和一个1.4G定向天线信道(数据通道)，由于通信双方必须在知道彼此相对位置的前提下才能使用定向天线，称此情况下的MAC层传输模式为定向通信模式，否则所有MAC数据只能通过全向天线传输，称此情况下的MAC层传输模式为全向通信模式。
全向天线一共承载三个信道：公共信道(800MHz)、发送忙音信道(795MHz)和接收忙音信道(805MHz)。在全向通信模式下，只使用公共信道；在定向通信模式下，三个信道都被使用，但对同一个节点来说同一时刻最多用三个信道中的一个。定向天线只承载一个信道，即数据信道(1.4GHz)。
本发明采用改进的双信道自组织路由协议，将信道分为信令通道和数据通道，其中数据通道采用定向通信模式，彻底解决了自组网协议中隐藏终端和暴露终端问题，有效提升了空中无线宽带自组网的拓扑适应性，增强网络的吞吐量；另外，数据通道采用窄波束定向通信技术，显著增强空中无人平台宽带数据通信的隐蔽性和抗干扰能力。
综上，本发明采用无人机作为载具平台，设计了一种无人机载应急通信自组网电台装置，融合使用拓扑高动态变化条件下路由算法、双信道宽带无线自主网构建技术、基于自组网的窄波束定向通信技术等，构建了用于应急保障和机动作战条件下的多节点非固定IP宽带自组网，满足在视距和非视距环境下数据通信的需求。运用无人平台自组网通信系统可对其他通信方式起到辅助作用，可与地面测控站、无线传感器网络、高空卫星、其他航空器等组成一体化空天地信息网络，通过多无人平台的移动将不同层面的信息进行有效中继，起到区域通信中继、有效补盲等作用。本发明对于构建战术条件下低空通信网，有效补充现有应急(战术)通信网，满足应急或战时宽带通信网的迅即开设具有重要的理论与应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无人机载低空应急通信自组网电台装置，其特征在于，所述电台装置包括底板，所述底板顶部有用于与无人机连接的固定架，所述底板底部安装有电台主机以及多根1.4G定向天线，所述电台主机位于底板中心位置，且所有1.4G定向天线以底板中心为轴圆周均匀分布，所述电台主机底部安装有2.4G对地天线，底板朝下还安装有外罩，所述电台主机、2.4G对地天线以及所有1.4G定向天线均位于所述外罩内，所述外罩外部朝下还安装有800M全向天线，所述外罩侧壁还安装有电源接口以及网口，所述1.4G定向天线、2.4G对地天线、800M全向天线以及所述电源接口和网口均连接至所述电台主机；所述800M天线为可折叠天线；
所述电台主机包括中央处理器以及与所述中央处理器连接的定位模块、惯导模块、1.4G调制解调模块、800M调制解调模块、对地通信模块以及网络通信模块，所述1.4G调制解调模块连接有1.4G射频模块，所述1.4G射频模块与所述1.4G定向天线连接，所述800M调制解调模块连接有800M射频模块，所述800M射频模块与所述800M全向天线连接，所述对地通信模块与所述2.4G对地天线连接，所述网络通信模块与所述网口连接；
所述800M射频模块包括顺次成环连接的第一双工器、第一带通滤波器、低噪声放大器、第二带通滤波器、第一混频器、70M晶体滤波器、中频放大器、第二混频器、模数转换器、数字处理单元、收发器、第一低通滤波器、第一驱动放大器、第二驱动放大器、功率放大器、第二低通滤波器，所述第一混频器还连接有第一本振，所述第二混频器还连接有第二本振，所述第一双工器与所述800M全向天线连接。
2.如权利要求1所述无人机载低空应急通信自组网电台装置，其特征在于，所述1.4G定向天线共有8根。
3.一种双通道自组网方法，其特征在于，所述方法基于多台如权利要求1或2所述无人机载低空应急通信自组网电台装置组网实现，所述电台装置具有800M信令通道和1.4G数据通道，所述方法包括下述步骤：
自组网建立开始阶段，调用800M信令通道进入窄带全向通信模式；
调用竞争接入算法进行窄带数据交互；
各个装置节点通过定位模块获取时间信息，根据时间信息进行全网同步；
通过800M信令通道执行自组网路由协议，建立并维护路由表；
定时查看是否有装置节点路由变动，若存在变动则对路由表进行更新；
各个装置节点通过定位模块获取位置信息，并通过800M信令通道将各自的位置信息在全网中交互；
若装置节点的位置信息有变化，则在全网中立即更新各自位置信息；
全网自组织网络调整进入业务处理状态，若有装置节点的用户数据业务接入，查询该业务需要的路由路径；
根据查询到的路由路径在800M信令通道完成MAC数据接入；
1.4G定向天线进行波束扫面对准；
若是包含多个装置节点的数据链，则控制1.4G定向天线根据MAC数据接入协议进行切换，装置节点通过1.4G数据通道进行宽带数据交换；同时，位于发射端的位置节点调用800M信令通道启动发射忙音，位于接收端的位置节点接调用800M信令通道启动接收忙音；
直至数据交换完成，此时800M信令通道和1.4G数据通道停止工作。
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