CN110635830B - 一种基于ts-aloha的无人机测控蜂窝通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TS‑ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，包括以下步骤：搭建混合基站，各个无人机和混合基站均设有定位与授时模块；利用混合基站构建蜂窝通信网络；为蜂窝通信网络分配一个窄带频段和宽带频段；无人机发送下行路由帧，从混合基站中选择出无人机的活动基站；活动基站向无人机发送通知信息，使无人机天线单元方向与基站天线单元方向匹配；无人机在窄带频段上采用TS‑ALOHA协议广播遥测帧信号；活动基站接收遥测帧信号，并将解析的遥测帧转发至主控台。本发明通过时隙‑ALOHA协议，使得多个无人机和混合基站在相同的频段中传输信息，相对减少了数据帧碰撞概率，解决了无人机测控系统的多址接入问题。

Description

一种基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法
技术领域
本发明属于无人机通信技术领域，具体涉及一种基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法。
背景技术
随着无人机技术的发展，无人机不再简单应用于影视拍摄、微型自拍等方面，在农业、物流、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检等领域均有应用，中远距离无人机测控问题也越发得到关注。
无人机测控系统包含无人机遥测、视频下行及无人机遥控。无人机测控是跟踪定位无人机、监视无人机工作状态、获取视频数据和遥控无人机的重要手段。通过无人机遥测和视频下行，获得无人机设备状态信息、无人机搭载的传感器数据和无人机拍摄的实时视频，并通过直播视频流、事后分析设备状态及传感器数据，为无人机巡检和无人机的正常运行提供不可或缺的作用。通过无人机遥控，可以控制无人机完成指定的动作和任务。
现有的无人机大都采用电台通信方式，无人机通过无线电台与控制台连接，其通信距离受限，一般不超过50公里，不能满足中远距离测控。少部分远距离飞行无人机采用卫星信道，需要无人机本身携带卫星终端，成本高昂；大部分卫星终端体积大、重量大，需占用无人机有限载荷量。少部分卫星终端虽体积较小但码速率低，不能满足图传需求。
此外，现有的无人机测控系统在通信体制上大都采用点到点通信，即一个测控站同时只与一架无人机通信；少部分无人机测控系统虽然采用频分多址技术，能够容纳多架无人机，但是其测控地面站数目只有一个，由于测控地面站数目少、无人机通信可用的频段带宽有限，所以可容纳的无人机数量很小；与本发明相同的无人机蜂窝通信方式尚未出现过。现阶段没有单位和个人对无人机采用混合基站蜂窝通信，与其相对应的基于TS-ALOHA(时隙ALOHA)协议进行无人机物理层通信的方式也没有出现过。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，其利用蜂窝通信网络进行通信，解决了电台通信模式下无人机测控范围过小的问题，解决了卫星通信模式下卫星终端成本高昂的问题。
本发明所采用的技术方案为：一种基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，包括以下步骤：
搭建混合基站，且每个混合基站均设置基站天线单元，每个无人机均设置无人机天线单元；各个无人机和混合基站均设有用于同步的定位与授时模块，所述定位与授时模块每隔一个时长TS产生一个秒脉冲作为无人机和混合基站的每个时隙开始的触发标志；
利用混合基站构建蜂窝通信网络；
为蜂窝通信网络分配一个窄带频段和宽带频段；
利用定位与授时模块为所有混合基站和无人机进行同步；
从混合基站中选择出用于对无人机进行管辖的混合基站作为该无人机的活动基站，然后该活动基站调整自身基站天线单元的方向；
所述活动基站向自身管辖的无人机发送通知信息，使各个无人机调整自身无人机天线单元的方向，并与管辖自己的活动基站的基站天线单元方向相匹配；
各个无人机判断是否存在管辖自己的活动基站，若存在，则该无人机利用无人机天线单元在宽带频段发送视频流数据，该无人机对自己的遥测帧进行编码和调制，并采用TS-ALOHA协议在窄带频段上广播遥测帧信号；
各个混合基站接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为遥测帧，则混合基站根据该遥测帧所属的无人机信息，判断自己是否为管辖该无人机的活动基站；若否，则该活动基站丢弃该遥测帧；若是，则该活动基站将该遥测帧转发至主控台；该活动基站利用基站天线单元在宽带频段接收该活动基站管辖的无人机的视频流数据，并将该视频流数据转发至主控台；
主控台向待遥控无人机的活动基站发送该无人机要执行的遥控指令帧；
该活动基站对遥控指令帧进行编码和调制，并采用TS-ALOHA协议在窄带频段上广播遥控指令帧信号；
各个无人机接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为遥控指令帧，则各个无人机根据该遥控指令帧的信息，判断自己是否为该遥控指令帧的待遥控无人机；若否，则该无人机丢弃该遥控指令帧；若是，则该无人机读取该遥控指令帧中的遥控指令；
待遥控无人机执行遥控指令。
作为优选方式，从混合基站中选择出用于对无人机进行管辖的混合基站作为该无人机的活动基站，然后该活动基站调整自身基站天线单元的方向包括以下步骤：
无人机对下行路由帧进行编码调制，在时间片Δt内的第nD个秒脉冲到达时，将已调信号上变频到窄带频段并广播下行路由帧信号；Δt＝nTS，nD为0～n-1之间的一个随机数；所述下行路由帧包括无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和时间戳t；
各个混合基站接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为下行路由帧，则混合基站根据该下行路由帧得到无人机的位置信息，然后将无人机的位置信息存储在混合基站的无人机位置表中；
各个混合基站根据无人机的位置信息计算自身与该无人机的距离信息，并将距离信息发送至主控台，主控台根据每个混合基站发送的距离信息为无人机选择出距离该无人机最近的混合基站作为该无人机的活动基站，然后主控台将各活动基站的信息写入主控台的活动基站信息表中；
各活动基站从无人机位置表中查询自身管辖的无人机位置信息，并结合自身的位置信息调整自身基站天线单元的方向。
作为优选方式，计算无人机与混合基站之间的距离信息具体为：以地心为原点建立三维直角坐标系，再将无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和混合基站的经度LngB、纬度LatB和高度hB分别转换为三维直角坐标系下的坐标，得到无人机的坐标点A(Xv,Yv,Zv)和混合基站的坐标点B(XB,YB,ZB)，然后计算出坐标点A(Xv,Yv,Zv)和坐标点B(XB,YB,ZB)之间的距离，即为无人机与混合基站之间的距离
Figure GDA0002780731410000041
作为优选方式，所述活动基站向自身管辖的无人机发送通知信息，使各个无人机调整自身无人机天线单元的方向，并与管辖自己的活动基站的基站天线单元方向相匹配包括以下步骤：
活动基站对上行路由帧进行编码调制，在时间片Δt内的第nU个秒脉冲到达时，将已调信号上变频到窄带频段并广播上行路由帧信号；Δt＝nTS，nU为0～n-1之间的一个随机数；所述上行路由帧包括活动基站的经度LngB、纬度LatB、高度hB和目的无人机编号；
各个无人机接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为上行路由帧，则无人机根据该上行路由帧中目的无人机编号，判断该上行路由帧是否属于自己；若是，则无人机根据该上行路由帧得到管辖该无人机的活动基站的位置信息，无人机根据该活动基站的位置信息，并结合自身的位置信息调整无人机天线单元的方向，使无人机天线单元的方向与管辖自己的活动基站的基站天线单元方向相匹配。
作为优选方式，无人机或混合基站在窄带频段内广播遥测帧信号和遥控指令帧信号过程中，无人机或混合基站对广播的信号进行碰撞检测，并根据碰撞检测结果判断是否重传；其具体包括以下步骤：无人机或混合基站接收窄带频段内的信号进行解调解码，然后检测解调解码的帧中是否含有特征码，若是，则判定该帧未受到碰撞；若否，则无人机或混合基站立即停止广播信号，并按照二进制指数回退算法进行回退；所述二进制指数回退算法进行回退包括：初始化碰撞次数h＝0，定义参数k、参数k的最大值kmax、基本回退时间T和最大碰撞次数hmax；每次无人机或混合基站检测到信号受到碰撞后碰撞次数h自增1；确定离散的整数集合[0,1,…,(2k)]，k＝min(h,kmax)；从离散的整数集合[0,1,…,(2k)]中选取一个随机数r，等待r*T时长，当碰撞次数h超过最大碰撞次数hmax时，不再重传。
作为优选方式，所述下行路由帧、上行路由帧、遥测帧和遥控指令帧均设有校验和FCS字段，所述校验和FCS字段用于判断接收的帧是否准确无误。
作为优选方式，所述基站天线单元和无人机天线单元均包括全向天线和MIMO天线。
作为优选方式，所述主控台先在活动基站信息表中查询待遥控无人机的活动基站，然后主控台向待遥控无人机的活动基站发送该无人机要执行的遥控指令帧。
作为优选方式，待遥控无人机执行遥控指令后，该无人机在窄带频段采用TS-ALOHA协议广播遥控指令回执，如果活动基站在规定时间内未成功接收到该遥控指令回执，则活动基站重新发送遥控指令帧信号。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过混合基站蜂窝通信网络，解决了电台通信模式下无人机测控范围过小的问题，解决了卫星通信模式下卫星终端成本高昂的问题，由于无需携带卫星终端，相对增加了无人机可用载荷量。
2、本发明通过TS-ALOHA(时隙ALOHA)协议，利用划分时隙、指数回退、碰撞重传的手段使得多个无人机和混合基站在相同的频段中传输信息，相对减少了数据帧碰撞概率，解决了无人机测控系统的多址接入问题。
3、本发明设置通信系统每个时隙固定传输128个字节，既保证了所有类型的帧均可在一个时隙内传输完毕，降低了数据帧碰撞概率，也使得系统在传输路由帧等短帧时浪费的时隙资源相对较少。
4、本发明为上行路由和下行路由划分了时间片，时间片的长度为时隙长度的整数倍，各无人机和混合基站在每个时间片内随机选取一个时隙发送一次路由帧，既保证了通信系统更新路由的频率，也避免了某些路由帧始终碰撞的情况发生。
5、本发明自定义了无人机测控链路层协议，通过下行路由帧为基站建立无人机拓扑，并为各无人机选择活动基站；通过上行路由帧为无人机建立活动基站拓扑；通过遥测帧为无人机传输遥测数据；通过遥控指令帧向无人机发送遥控指令；通过遥控指令回执来判断无人机是否执行了指令，保证遥控了指令传输的可靠性，并且遥控指令回执相对较短，对整个通信系统带来的负担小。
6、本发明通过MIMO(多入多出)技术，利用定向天线来传输无人机的视频下行数据，并且为视频下行链路分配了单独的频段，信道质量好、容量大，满足了无人机视频传输的高带宽需求。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法中混合基站蜂窝通信拓扑图；
图2是本发明提供的一种基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法中时间片划分示意图；
图3是本发明提供的一种基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法中无人机或混合基站二进制指数回退的流程图；
图4是本发明提供的一种基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法中TS-ALOHA协议的流程图。
具体实施方式
本实施例提供了一种基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，包括以下步骤：
S1，搭建M个混合基站B0、B1、B2、…、BM-1，且每个混合基站均设置基站天线单元，每个无人机均设置无人机天线单元，实现混合基站与无人机之间的通信，混合基站与主控台之间可以通过任意的链路通信，如利用中继卫星、3G/4G/5G网络或者光纤，进而解决无人机与主控台之间的通信。所述基站天线单元和无人机天线单元均包括全向天线和MIMO天线，全向天线用于传输遥测、遥控数据，MIMO天线用于传输视频流数据。各个无人机和混合基站均设有用于同步的定位与授时模块(GPS/北斗/GALILEO/GLONASS)，所述定位与授时模块每隔一个时长TS产生一个秒脉冲作为无人机和混合基站的每个时隙开始的触发标志。本发明利用MIMO(多入多出)技术，利用定向天线来传输无人机的视频下行数据，并且为视频下行链路分配了单独的频段，信道质量好、容量大，满足了无人机视频传输的高带宽需求。
S2，利用混合基站构建蜂窝通信网络；如图1所示，蜂窝通信网络中的单个混合基站可覆盖半径10-100公里的区域，通过合理布局使多个混合基站覆盖更大的区域，为了防止某些区域未覆盖，混合基站之间覆盖区域有交叉。一旦蜂窝通信网络构建完成，每个混合基站的经度、纬度和高度就可以写入混合基站的存储器中。蜂窝通信网络中所有混合基站和无人机利用定位与授时模块进行同步，蜂窝通信网络中的各无人机和混合基站完成时钟同步，设置通信系统的时隙长度为TS，通信系统每时隙固定传输128字节，并且定位与授时模块每隔TS时长产生一个秒脉冲，作为无人机和混合基站每时隙开始的触发标志。由于无人机和混合基站已完成时钟同步，所以各无人机和混合基站产生秒脉冲的时刻也相同。每个时隙固定传输128个字节，既保证了所有类型的帧均可在一个时隙内传输完毕，降低了数据帧碰撞概率，也使得系统在传输路由帧等短帧时浪费的时隙资源相对较少。
S3，为蜂窝通信网络分配一个窄带频段和宽带频段；无人机路由、遥测和遥控共同使用窄带频段，视频下行使用宽带频段。
S4，从混合基站中选择出用于对无人机进行管辖的混合基站作为该无人机的活动基站，然后该活动基站调整自身基站天线单元的方向，具体包括以下步骤：
S41，为下行路由设置时间片Δt，无人机对下行路由帧进行编码调制，在时间片Δt内的第nD个秒脉冲到达时，将已调信号上变频到窄带频段并广播下行路由帧信号；Δt＝nTS，nD为0～n-1之间的一个随机数；如图2所示，具体地，将每n个时隙划分为一个时间片Δt，n的大小可以根据实际情况设置，nD对应n个时隙中的随机一个时隙；无人机向定位与授时模块获取自身的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和时间戳并形成下行路由帧RD。其中，下行路由帧RD的格式及其说明分别如表101和102所示。
表101下行路由帧的格式
Figure GDA0002780731410000081
表102下行路由帧的格式说明
Figure GDA0002780731410000091
S42，各个混合基站接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为下行路由帧，则混合基站根据该下行路由帧中的校验和FCS字段判断该下行路由帧是否准确无误，若不准确，则丢弃该下行路由帧；若准确，则混合基站将下行路由帧解析得到的无人机位置信息存储进混合基站的无人机位置表中。其中，无人机的位置信息包括无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv，无人机位置表的格式及其说明分别如表103和104所示。
表103无人机位置表的格式
Figure GDA0002780731410000092
表104无人机位置表的说明
Figure GDA0002780731410000093
Figure GDA0002780731410000101
S43，各个混合基站根据无人机的位置信息计算自身与该无人机的距离信息，并将距离信息发送至主控台，主控台根据每个混合基站发送的距离信息为无人机选择出距离该无人机最近的混合基站作为该无人机的活动基站，主控台通知混合基站成为对应无人机的活动基站，然后主控台将各活动基站的信息写入主控台的活动基站信息表中，活动基站信息表的格式及其说明分别如表105和106所示。计算无人机与混合基站之间的距离信息具体为：以地心为原点建立三维直角坐标系，再将无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和混合基站的经度LngB、纬度LatB和高度hB分别转换为三维直角坐标系下的坐标，得到无人机的坐标点A(Xv,Yv,Zv)和混合基站的坐标点B(XB,YB,ZB)，然后计算出坐标点A(Xv,Yv,Zv)和坐标点B(XB,YB,ZB)之间的距离，即为无人机与混合基站之间的距离
Figure GDA0002780731410000102
表105活动基站信息表的格式
无人机编号 活动基站编号
UINT16型,2字节 UINT16型，2字节
表106活动基站信息表的说明
名称 说明
无人机编号 赋予无人机唯一的编号，UINT16类型，2字节
活动基站编号 为该无人机传输遥测信号的混合基站编号，UINT16，2字节
S44，各活动基站从无人机位置表中查询自身管辖的无人机位置信息，并结合自身的位置信息调整自身MIMO天线波束的方向，以良好地接收视频流数据。
S5，所述活动基站向自身管辖的无人机发送通知信息，使各个无人机调整自身无人机天线单元的方向，并与管辖自己的活动基站的基站天线单元方向相匹配，具体包括以下步骤：
S51，为上行路由设置时间片Δt，活动基站对上行路由帧进行编码调制，在时间片Δt内的第nU个秒脉冲到达时，将已调信号上变频到窄带频段并广播上行路由帧信号；Δt＝nTS，nU为0～n-1之间的一个随机数；所述上行路由帧包括活动基站的经度LngB、纬度LatB、高度hB和目的无人机编号，上行路由帧RU的格式及其说明分别如表107和108所示；
表107上行路由帧的格式
Figure GDA0002780731410000111
表108上行路由帧的格式说明
Figure GDA0002780731410000112
S52，各个无人机接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为上行路由帧，则无人机根据该上行路由帧中的校验和FCS字段判断该上行路由帧是否准确无误，若不准确，则丢弃该上行路由帧；若准确，则解析该上行路由帧，无人机根据该上行路由帧中目的无人机编号，判断该上行路由帧是否属于自己，具体判断方式为：各无人机的编号与上行路由帧中目的无人机编号进行比较，若上行路由帧中目的无人机编号与自己的编号不相同，则无人机丢弃该上行路由帧；若上行路由帧中目的无人机编号与自己的编号相同，则无人机根据该上行路由帧得到管辖该无人机的活动基站的位置信息，活动基站的位置信息包括活动基站的经度LngB、纬度LatB、高度hB，并将活动基站编号写入无人机的存储器中，无人机根据该活动基站的位置信息，并结合自身的位置信息调整MIMO天线波束的方向，使无人机MIMO天线的方向与其管辖的活动基站的MIMO天线的方向相匹配，以保证活动基站能够对视频流数据进行良好的接收。
S6，各个无人机判断是否存在管辖自己的活动基站，若存在，则该无人机利用MIMO天线在宽带频段发送视频流数据，该无人机对自己的遥测帧进行编码和调制，在下一个秒脉冲到达时，将已调信号上变频到窄带频段并广播遥测帧信号；其具体包括以下步骤：
S61，无人机向遥测设备获取遥测数据并形成遥测帧F、向摄像机获取视频数据并形成视频流数据。其中遥测帧F最长为128字节，保证无人机在一个时隙内能够发送完遥测帧F，若某些遥测内容过长，可用多个遥测帧传输。遥测帧的帧格式及其说明分别如表109和表110所示。
表109遥测帧的格式
Figure GDA0002780731410000121
表110遥测帧的格式说明
Figure GDA0002780731410000122
Figure GDA0002780731410000131
S62，无人机采用MIMO天线在宽带频段发送视频流数据。
S63，无人机对遥测帧进行编码、调制后，在下一个秒脉冲到达时将已调信号上变频到窄带频段并广播遥测帧信号；在广播的同时，无人机的接收机接收窄带频段内的遥测帧信号，并对该遥测帧信号进行碰撞检测，并根据碰撞检测结果判断是否重传。如图4所示，其具体包括以下步骤：无人机接收窄带频段内的信号进行解调解码，然后检测解调解码的帧中是否含有特征码，具体地，无人机的接收机判断前八个字节是否为0xAA55AA55AA55AA55，若是，则判定该帧未受到碰撞；若否，则无人机立即停止广播信号，并按照二进制指数回退算法进行回退。如图3所示，所述二进制指数回退算法进行回退包括：无人机初始化碰撞次数h＝0，定义参数k、参数k的最大值kmax、基本回退时间T和最大碰撞次数hmax；每次无人机检测到信号受到碰撞后碰撞次数h自增1；确定离散的整数集合[0,1,…,(2k)]，k＝min(h,kmax)；从离散的整数集合[0,1,…,(2k)]中选取一个随机数r，等待r*T时长，当碰撞次数h超过最大碰撞次数hmax时，不再重传。
S7，各个混合基站接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为遥测帧，则混合基站解析该遥测帧，并根据该遥测帧中的校验和FCS字段判断该遥测帧是否准确无误，若不准确，则丢弃该遥测帧；若准确，则混合基站根据该遥测帧所属的无人机信息，判断自己是否为管辖该无人机的活动基站，若否，则该活动基站丢弃该遥测帧；若是，则该活动基站将该遥测帧转发至主控台。该活动基站利用MIMO天线在宽带频段接收该无人机的视频流数据，并将该视频流数据转发至主控台。
本发明通过混合基站蜂窝通信，解决了电台通信模式下无人机测控范围过小的问题，解决了卫星通信模式下卫星终端成本高昂的问题，由于无需携带卫星终端，相对增加了无人机可用载荷量。
主控台向无人机发送遥控指令，需进行以下步骤。
S8，主控台在活动基站信息表中查询待遥控无人机的活动基站，主控台向待遥控无人机的活动基站发送该无人机要执行的遥控指令帧。其中，遥控指令帧的格式及其说明分别如表111和112所示。
表111遥控指令帧的格式
Figure GDA0002780731410000141
表112遥控指令帧的格式说明
Figure GDA0002780731410000142
S9，该活动基站对遥控指令帧进行编码和调制，并采用TS-ALOHA协议在窄带频段上广播遥控指令帧信号，具体包括：活动基站对遥控指令帧进行编码、调制后，在下一个秒脉冲到达时将已调信号上变频到窄带频段并遥控指令帧信号；在广播的同时，活动基站的接收机接收窄带频段内的遥控指令帧信号，并对该遥控指令帧信号进行碰撞检测，并根据碰撞检测结果判断是否重传，具体碰撞检测方式与无人机对遥测帧信号的碰撞检测原理相同。其中，遥控指令帧最长128字节，保证无人机在一个时隙内能够发送完遥控指令帧，若某些遥控指令过长，可用多个遥控指令帧传输。
S10，各个无人机接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为遥控指令帧，则混合基站解析该遥控指令帧，并根据该遥控指令帧中的校验和FCS字段判断该遥控指令帧是否准确无误，若不准确，则丢弃该遥控指令帧；若准确，则各个无人机根据该遥控指令帧的信息，判断自己是否为该遥控指令帧的待遥控无人机；若否，则该无人机丢弃该遥控指令帧；若是，则该无人机读取该遥控指令帧中的遥控指令。其中，判断自己是否为该遥控指令帧的待遥控无人机的具体方式为：无人机取出遥控指令帧中的无人机编号，对比该无人机编号与自身的编号是否一致，从而判断自己是否为该遥控指令帧的待遥控无人机。
S11，待遥控无人机执行遥控指令，然后该无人机在窄带频段采用TS-ALOHA协议广播遥控指令回执，如果活动基站在规定时间内未成功接收到该遥控指令回执，则活动基站重新发送遥控指令帧信号。其中，遥控指令回执的格式及其说明分别如表113和114所示。
表113遥控指令回执的格式
Figure GDA0002780731410000151
表114遥控指令回执的说明
Figure GDA0002780731410000161
本发明通过TS-ALOHA(时隙ALOHA)协议，利用划分时隙、指数回退、碰撞重传的手段使得多个无人机和混合基站在相同的频段中传输信息，相对减少了数据帧碰撞概率，解决了无人机测控系统的多址接入问题。本发明自定义了无人机测控链路层协议，通过下行路由帧为基站建立无人机拓扑，并为各无人机选择活动基站；通过上行路由帧为无人机建立活动基站拓扑；通过遥测帧为无人机传输遥测数据；通过遥控指令帧向无人机发送遥控指令；通过遥控指令回执来判断无人机是否执行了指令，保证遥控了指令传输的可靠性，并且遥控指令回执相对较短，对整个通信系统带来的负担小。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (9)

1.一种基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
搭建混合基站，且每个混合基站均设置基站天线单元，每个无人机均设置无人机天线单元；各个无人机和混合基站均设有用于同步的定位与授时模块，所述定位与授时模块每隔一个时长TS产生一个秒脉冲作为无人机和混合基站的每个时隙开始的触发标志；
利用混合基站构建蜂窝通信网络；
为蜂窝通信网络分配一个窄带频段和宽带频段；
利用定位与授时模块为所有混合基站和无人机进行同步；
从混合基站中选择出用于对无人机进行管辖的混合基站作为该无人机的活动基站，然后该活动基站调整自身基站天线单元的方向；
所述活动基站向自身管辖的无人机发送通知信息，使各个无人机调整自身无人机天线单元的方向，并与管辖自己的活动基站的基站天线单元方向相匹配；
各个无人机判断是否存在管辖自己的活动基站，若存在，则该无人机利用无人机天线单元在宽带频段发送视频流数据，该无人机对自己的遥测帧进行编码和调制，并采用TS-ALOHA协议在窄带频段上广播遥测帧信号；
各个混合基站接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为遥测帧，则混合基站根据该遥测帧所属的无人机信息，判断自己是否为管辖该无人机的活动基站；若否，则该活动基站丢弃该遥测帧；若是，则该活动基站将该遥测帧转发至主控台；该活动基站利用基站天线单元在宽带频段接收该活动基站管辖的无人机的视频流数据，并将该视频流数据转发至主控台；
主控台向待遥控无人机的活动基站发送该无人机要执行的遥控指令帧；
该活动基站对遥控指令帧进行编码和调制，并采用TS-ALOHA协议在窄带频段上广播遥控指令帧信号；
各个无人机接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为遥控指令帧，则各个无人机根据该遥控指令帧的信息，判断自己是否为该遥控指令帧的待遥控无人机；若否，则该无人机丢弃该遥控指令帧；若是，则该无人机读取该遥控指令帧中的遥控指令；
待遥控无人机执行遥控指令。
2.根据权利要求1所述的基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，从混合基站中选择出用于对无人机进行管辖的混合基站作为该无人机的活动基站，然后该活动基站调整自身基站天线单元的方向包括以下步骤：
无人机对下行路由帧进行编码调制，在时间片Δt内的第nD个秒脉冲到达时，将已调信号上变频到窄带频段并广播下行路由帧信号；Δt＝nTS，nD为0～n-1之间的一个随机数；所述下行路由帧包括无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和时间戳t；
各个混合基站接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为下行路由帧，则混合基站根据该下行路由帧得到无人机的位置信息，然后将无人机的位置信息存储在混合基站的无人机位置表中；
各个混合基站根据无人机的位置信息计算自身与该无人机的距离信息，并将距离信息发送至主控台，主控台根据每个混合基站发送的距离信息为无人机选择出距离该无人机最近的混合基站作为该无人机的活动基站，然后主控台将各活动基站的信息写入主控台的活动基站信息表中；
各活动基站从无人机位置表中查询自身管辖的无人机位置信息，并结合自身的位置信息调整自身基站天线单元的方向。
3.根据权利要求2所述的基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，计算无人机与混合基站之间的距离信息具体为：以地心为原点建立三维直角坐标系，再将无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和混合基站的经度LngB、纬度LatB和高度hB分别转换为三维直角坐标系下的坐标，得到无人机的坐标点A(Xv,Yv,Zv)和混合基站的坐标点B(XB,YB,ZB)，然后计算出坐标点A(Xv,Yv,Zv)和坐标点B(XB,YB,ZB)之间的距离，即为无人机与混合基站之间的距离
Figure FDA0002780731400000031
4.根据权利要求2所述的基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，所述活动基站向自身管辖的无人机发送通知信息，使各个无人机调整自身无人机天线单元的方向，并与管辖自己的活动基站的基站天线单元方向相匹配包括以下步骤：
活动基站对上行路由帧进行编码调制，在时间片Δt内的第nU个秒脉冲到达时，将已调信号上变频到窄带频段并广播上行路由帧信号；Δt＝nTS，nU为0～n-1之间的一个随机数；所述上行路由帧包括活动基站的经度LngB、纬度LatB、高度hB和目的无人机编号；
各个无人机接收窄带频段内的信号，并对该信号进行解调解码，然后判断解调解码的信息中是否有合法格式的帧出现，如果有合法格式的帧出现，则判断该帧的类型；如果该帧为上行路由帧，则无人机根据该上行路由帧中目的无人机编号，判断该上行路由帧是否属于自己；若否，则无人机丢弃该上行路由帧；若是，则无人机根据该上行路由帧得到管辖该无人机的活动基站的位置信息，无人机根据该活动基站的位置信息，并结合自身的位置信息调整无人机天线单元的方向，使无人机天线单元的方向与管辖自己的活动基站的基站天线单元方向相匹配。
5.根据权利要求1所述的基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，无人机或混合基站在窄带频段内广播遥测帧信号和遥控指令帧信号过程中，无人机或混合基站对广播的信号进行碰撞检测，并根据碰撞检测结果判断是否重传；其具体包括以下步骤：无人机或混合基站接收窄带频段内的信号进行解调解码，然后检测解调解码的帧中是否含有特征码，若是，则判定该帧未受到碰撞；若否，则无人机或混合基站立即停止广播信号，并按照二进制指数回退算法进行回退；所述二进制指数回退算法进行回退包括：初始化碰撞次数h＝0，定义参数k、参数k的最大值kmax、基本回退时间T和最大碰撞次数hmax；每次无人机或混合基站检测到信号受到碰撞后碰撞次数h自增1；确定离散的整数集合[0,1,…,(2k)]，k＝min(h,kmax)；从离散的整数集合[0,1,…,(2k)]中选取一个随机数r，等待r*T时长，当碰撞次数h超过最大碰撞次数hmax时，不再重传。
6.根据权利要求4所述的基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，所述下行路由帧、上行路由帧、遥测帧和遥控指令帧均设有校验和FCS字段，所述校验和FCS字段用于判断接收的帧是否准确无误。
7.根据权利要求1所述的基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，所述基站天线单元和无人机天线单元均包括全向天线和MIMO天线。
8.根据权利要求2所述的基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，所述主控台先在活动基站信息表中查询待遥控无人机的活动基站，然后主控台向待遥控无人机的活动基站发送该无人机要执行的遥控指令帧。
9.根据权利要求1所述的基于TS-ALOHA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，待遥控无人机执行遥控指令后，该无人机在窄带频段采用TS-ALOHA协议广播遥控指令回执，如果活动基站在规定时间内未成功接收到该遥控指令回执，则活动基站重新发送遥控指令帧信号。
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