CN110636102A - 一种基于4g/5g无线网络的无人机通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于4G/5G无线网络的无人机通信系统及方法，涉及无人机通信技术领域，其中无人机通信系统包括无人机、无线基站、IDC机房和用户终端；无人机与无线基站之间通过4G/5G无线网络进行通信连接，无线基站与IDC机房之间通过光纤网络进行通信连接，IDC机房与用户终端之间通过有线/无线网络进行通信连接。本发明利用已有的基础基站设备实现无人机的长距离长航时多架次作业。节省了资源，且通过专网避免了其它信号对它们产生的干扰控制。

Description

一种基于4G/5G无线网络的无人机通信系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机通信技术领域，具体涉及一种基于4G/5G无线网络的无人机通信系统及方法。

背景技术

随着无人机应用的愈发广泛，应用场景也逐渐变多，在管线巡检、森林防火等公共监测环境中的使用越来越紧迫。然而这些使用环境都比较恶劣，传统架站难度大、维护成本高，为无人机的常态化运营提出了很大的挑战。传统的无人机测控都是以移动式地面通信终端为主要手段的。这种通信手段具有搭建灵活，随用随建的特点，但是因为对通视条件的限制，使用时要求至高点搭建且需要每个站点都配备操作人员，环境要求苛刻，对于人力配置上也增加了成本和控制难度。对于高海拔长距离的飞行需求，尤其是接入多架飞机进行统筹调度时，采用传统的测控方法，几乎不太可行。所以，寻找新的实现手段是提高无人机应用范围的主要突破口。结合现有的通信资源，整合成熟的通信技术手段是解决这些问题的关键。

目前国内常用的通信手段是使用架站式通信，即在有效的通信范围内需要一套通信设备，且设备要求通信在可视，需要架设在通信范围内的至高点上，对于环境的要求比较高，增加了实施难度。

也有使用常规4G卡进行通信的，这种通信只适合于200米以下的低空通信。对于长距离高海拔的通信环境，显然无法满足通信要求。

国外使用超视距的通信终端实现通信，这种通信方式也是基于有限的通信范围，无法进行上千里的高空作业需求。

控制上一般也是点对点的控制模式，很难做到多架次接入、通信、监控，增加了相关部门的管理。

发明内容

因此，为克服现有技术中存在的缺陷，本发明的发明目的是提供一种基于4G/5G无线网络的无人机通信系统及方法，其利用已有的基础基站设备实现无人机的长距离长航时多架次作业。节省了资源，且通过专网避免了其它信号对它们产生的干扰控制。

为此，本发明实施例的一种基于4G/5G无线网络的无人机通信系统，包括无人机、无线基站、IDC机房和用户终端；

无人机与无线基站之间通过4G/5G无线网络进行通信连接，无线基站与IDC机房之间通过光纤网络进行通信连接，IDC机房与用户终端之间通过有线/无线网络进行通信连接。

优选地，所述用户终端包括地面控制端，地面控制端向每个无人机的机载端发送控制信息，并与每个无人机的机载端进行认证及通信；

所述控制信息包括逻辑网络标识符、信道信息和网络配置信息，逻辑网络标识符用于确定无人机的机载端属于地面控制端控制的控制对象，网络配置信息包括适于在地面控制端和多个无人机的机载端之间建立一个移动自组无线网络的信息。

优选地，所述地面控制端通过频谱感知实时获取空闲信道。

优选地，所述无人机包括机载端，机载端包括无线设备，无线设备使用的是基于LTE通信网络的数据收发终端，通过和无线基站建立通信，实现数据的正常收发。

优选地，所述无线设备包括初级数据处理模组、高级数据处理模组、SSD存储模组、安全加密芯片模组和压缩模组；

初级数据处理模组用于根据数据类型、数据大小和数据属性进行区分及存储分发，数据类型包括数传数据和图传数据；

压缩模组与初级数据处理模组连接，用于对大容量图传数据进行压缩处理；

高级数据处理模组与初级数据处理模组连接，用于对图传数据进行高级处理；

SSD存储模组和安全加密芯片模组分别与高级数据处理模组连接，SSD存储模组用于数据存储，安全加密芯片模组用于数据加密处理。

优选地，所述高级处理包括完成路由配置、传输优先级及QOS处理、加密处理、RTK校准及稳像处理和完成数据在机载端的边缘计算。

本发明实施例的一种基于4G/5G无线网络的无人机通信方法，应用于用户终端，包括以下步骤：

用户终端的地面控制端在空闲信道上重复发送广播信息，并等待回应；

地面控制端如果接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号时，则与无人机机载端无线设备建立通信连接，地面控制端和无人机机载端无线设备进入握手认证阶段。

优选地，还包括以下步骤：

地面控制端如果没有接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号，则重新进行连接。

本发明实施例的一种基于4G/5G无线网络的无人机通信方法，应用于无人机，包括以下步骤：

接收地面控制端的控制信息，控制信息包括逻辑网络标识符、信道信息和网络配置信息，逻辑网络标识符用于确定无人机的机载端属于地面控制端控制的控制对象，网络配置信息包括适于在地面控制端和多个无人机的机载端之间建立一个移动自组无线网络的信息；

将自身存储的逻辑网络标识符与接收的逻辑网络标识符进行比对，如果一致，则根据所接收所述网络配置信息与地面控制端建立移动自组无线网络，并更改自己的信道，如果不一致，则保持原有的网络配置并使用原有信道。

优选地，还包括以下步骤：

无人机机载端的无线设备不断地扫描空闲信道，并在收到地面控制端所发送的空闲信道时在地面控制端发送广播信息的信道上发送回应信号。

本发明实施例的技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的基于4G/5G无线网络的无人机通信系统和方法是利用已有基础网络，却又不同于移动通信机制的新型对空通信网络，避免了先期的网络站址建设工作，节省了无人机通信网络的网络建设成本也有效利用了现有的资源，且避免了恶意信号对高空作业进行干扰控制。将无人机技术与无人机专有4G通信网络技术结合到一起，完成了天地一体的信息交互需求。将现代移动通信技术和无人机巡航技术结合到一起，能够给用户以更新、更快、更高效的方式实现巡航需求，是无人机领域长距离长航时多数量高空通信的新突破。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中基于4G/5G无线网络的无人机通信系统的一个具体示例的组成框图；

图2为本发明实施例1中无人机机载端的无线设备的组成框图。

附图标记：1-无人机、2-无线基站、3-IDC机房、4-用户终端、11-初级数据处理模组、12-高级数据处理模组、13-SSD存储模组、14-安全加密芯片模组、15-压缩模组、16-串口转换模组、17-4G通信模组。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其他组合的存在或增加。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“通信”应做广义理解，例如，可以是无线通信，也可以是有线通信，或光纤通信；可以是数传数据通信，也可以图传数据通信，也可以通过通信终端内部结构通信，还可以是机载端各模块间的相互通信，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

图1是本实施例提供的基于4G/5G无线网络的无人机通信系统的组成框图。如图1所示，基于4G/5G无线网络的无人机通信系统包括多架无人机1、多个无线基站2、IDC机房3和多个用户终端4。无人机1与无线基站2之间通过4G/5G无线网络进行通信连接，无线基站2与IDC机房3之间通过光纤网络进行通信连接，IDC机房3与用户终端4之间通过有线/无线网络进行通信连接。IDC机房3还可与云端连接。使用4G/5G无线网络实现空地数据传输，是完全区别于现有消费级通信网络的特殊网络；网络运行期间可以同时控制多架无人机进行多维操作；无人机相关的数据通过无线网络进行传输，传输到基站后通过光纤网络在服务器端完成复杂的数据处理，最后分发到各个用户端。无线网络是支持500米以上高空飞行的无人机网络，是仅支持长航时长距离高空无人机的网络，且飞行高度越高通信效果更好，是区别于现有通信网络的专有网络，借用了目前固有通信网络的基础资源，但使用的天线技术是完全不一样的。

该无人机通信系统中，用户终端4的地面控制端及无人机1机载端的无线设备都被设置以通过LTE移动通信网络进行通信。另外，无线设备可以使用4G通信模块建立无线数据连接，地面无线基站通过时分信道获得无线数据，并与地面数据中心建立通信，将数据通过光纤网络传输过去，和地面控制站还有用户客户端建立联系。地面控制端与机载无线设备通过传递网络配置信息及网络标识，从而地面控制端和无人机机载端载设备之间建立通信连接。本发明中，无人机机载端载无线设备、无人机机载端节点和终端具有相同的含义。

网络配置信息可以包括物理网络标识符，例如，物理网络标识符以用于识别该LTE网络。网络配置信息还可以包括逻辑网络标识符，例如，逻辑网络标识符可以包括点对点群组标识符，其用于识别无线设备要加入的一个逻辑点对点群组。例如逻辑网络标识符可以根据部队的建制来制定。无线连接可以传递任一无人机机载端节点进入网络的时间戳。

图1中，无人机通信系统包括地面无线基站2、IDC机房3（数据中心）、用户终端（节点）4和多个无人机机载端节点，地面端和无人机机载端节点所担任的功能和任务不同，导致每个节点在系统中扮演不同角色。

在一个实施例中，数据中心保管所有网络配置信息，包括群组配置信息。数据中心可以与用户持有的数据终端通过光纤网络连接。用户与数据中心交流的信息可以包括飞机遥控数据、载荷控制数据。用户终端包括地面控制端，地面控制端向每个无人机的机载端发送控制信息，并与每个无人机的机载端进行认证及通信；控制信息包括逻辑网络标识符、信道信息和网络配置信息，逻辑网络标识符用于确定无人机的机载端属于地面控制端控制的控制对象，以便对无人机机载端进行管理，网络配置信息包括适于在地面控制端和多个无人机的机载端之间建立一个移动自组无线网络的信息。地面控制端通过频谱感知实时获取空闲信道。地面控制端的通信只限于地面控制端控制的无人机机载端载无线设备。

地面控制端通过任务计算机与每个无人机机载端节点的单独发现，直接建立地空通信网络。空地无线通信的关键设备是任务计算机，任务计算机完成了有线信号到无线信号的转换，实现了地面控制端向每个无人机机载端发送控制信息，并与每个无人机机载端进行认证及通信。通过建立与每个无人机的连接，可以沿着连接将最新的网络拓扑信息传递回给管控中心，然后将最新的网络拓扑信息传递回给管理者的手持机或者电脑。而且，管理者的手持机或者电脑和地面控制端可以类似地推送最新的网络拓扑信息给每个无人机机载端。或者，每个无人机机载端可以从地面控制端获取出最新的网络拓扑信息。根据一个实施例，网络拓扑信息可以是自动更新并根据网络配置分送到物理网络或群组的每个无人机机载端节点中去。

在一个实施例中，网络拓扑信息可以包括一个时间戳，其对应每个无人机机载端节点加入该网络的时间。因此可以建立一个加入网络的时间次序。拓扑和时间信息可以传递给整个网络或者限制在每个群组中。

在一个实施例中，网络配置信息可以包括LTE网络标识符。例如，可以是一个IP地址，其用于建立端对端的网络连接，通过移动通信网络的连接和管控数据中心的连接，可以允许一个逻辑组中的一个节点与其它节点进行通信，也允许与第二群组中的任何节点进行通信。在一个实施例中，管控中心可以从第一逻辑群组、第二逻辑群组和第三逻辑群组中接收所有通信信息。本领域普通技术人员可以认识到，可以有各种逻辑群组适合本实施例的任何特定应用。网络资源的局限性促成了多套数据链路的协同使用，按需设计链路使用资源。通信协议采用多类型多协议的方式，并没有对不同的数据进行了统一的协议开发，根据不同的需求不同的数据特征，对数据进行了不同的协议分类定义并完成了TCP、RTCP、UDP多种协议的开发。无人机通信过程中可以实时接收到网络通信质量并可以通过质量要求适时控制流量多少。

图2是本实施例提供的无人机机载端的无线设备的组成框图，无人机包括机载端，机载端包括无线设备，无线设备使用的是基于LTE通信网络的数据收发终端，通过和无线基站建立通信，实现数据的正常收发。如图2所示，根据本发明一个实施例，无线设备被配置成用于无人机机载端通过无线适配器而形成点对点群组。无线设备可以包括初级数据处理模组11、高级数据处理模组12、SSD存储模组13、安全加密芯片模组14、压缩模组15、串口转换模组16、4G通信模组17。初级数据处理模组用于根据数据类型、数据大小和数据属性进行区分及存储分发，数据类型包括数传数据和图传数据；压缩模组与初级数据处理模组连接，用于对大容量图传数据进行压缩处理；高级数据处理模组与初级数据处理模组连接，用于对图传数据进行高级处理；SSD存储模组和安全加密芯片模组分别与高级数据处理模组连接，SSD存储模组用于数据存储，安全加密芯片模组用于数据加密处理。数据处理模组处理的区分主要是通过数据类型、数据大小和数据属性三个维度进行区分的。数据类型主要分为数传数据和图传数据两类，图传数据数据量大小远远大于数传数据，数据属性主要决定了是否需要压进行缩处理。通常情况下数据的初始区分及存储分发主要在低级处理器中完成，大容量图传数据发送前需要先进行压缩处理，同一份图传数据会被送到高级处理器进行高级处理。在高级处理器完成路由配置、传输优先级及QOS处理、加密处理、RTK校准及稳像处理，完成数据在机载端的边缘计算，借助于移动边缘计算技术，实现了计算能力的分布式部署，大幅调高了数据处理效率，提高了网络的传输及负载能力，提高整个系统的响应速度及数据质量。如图2所示，无线设备包括与高级数据处理模组12连接的雷达控制信息端、飞控接入端，与压缩模组15连接的相机控制串口端、可见光HDMI口输入端、红外HDMI口输入端、吊仓控制串口端、可见光SDI口输入端、红外SDI口输入端，与串口转换模组16连接的L波段RS422串口端、UATRS422串口端，与4G通信模组17连接的4G射频输出端。

根据本发明第一实施例，无人机机载端的任务计算机将接收来自飞控的控制信息，同时会将指控中心传来的指控数据传输给飞控。同时任务计算机完成对载荷设备的参数控制和载荷数据的处理及传输。任务计算机还可以接入RTK参考站的数据，对GPS数据进行精准再定位处理，提高飞行控制的精确度，保证多架飞机在空作业的安全性。

根据本发明一实施例，本发明提供无人机机载端由能源装置向各个部件提供能源，其可以通过开关进行断开与接通控制，能源装置至少包括发电机。

本实施例提供的基于4G/5G无线网络的无人机通信网络是利用已有基础网络，却又不同于移动通信机制的新型对空通信网络，避免了先期的网络站址建设工作，节省了无人机通信网络的网络建设成本也有效利用了现有的资源，且避免了恶意信号对高空作业进行干扰控制。将无人机技术与无人机专有4G通信网络技术结合到一起，完成了天地一体的信息交互需求。将现代移动通信技术和无人机巡航技术结合到一起，能够给用户以更新、更快、更高效的方式实现巡航需求，是无人机领域长距离长航时多数量高空通信的新突破。

实施例2

本实施例提供一种基于4G/5G无线网络的无人机通信方法，应用于用户终端，包括以下步骤：用户终端的地面控制端在空闲信道上重复发送广播信息，并等待回应；地面控制端如果接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号时，则与无人机机载端无线设备建立通信连接，地面控制端和无人机机载端无线设备进入握手认证阶段。地面控制端如果没有接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号，则重新进行连接。

根据本发明一实施例，地面端部分的工作过程包括：

S1-01：接入多架无人机的信息，建立通信连接；

S1-02：为多架无人机优化数据传输路由，保证多架无人机同时段作业的安全性，同时保证大数据同时传输的效率；

S1-03：接收遥测及载荷数据，并完成对数据的分类、分析、编目及分发工作；

S1-04：通过用户需求实现远程控制，上传指控中心的控制指令给无人机及载荷，保证对无人机及载荷参数的实时控制和敏感数据的及时获取。

对飞机及载荷的远程控制可以在百里之内，也可以在千里之外，数据信息的传输及相应时间在毫秒级别。

实施例3

本实施例提供一种基于4G/5G无线网络的无人机通信方法，应用于无人机，包括以下步骤：接收地面控制端的控制信息，控制信息包括逻辑网络标识符、信道信息和网络配置信息，逻辑网络标识符用于确定无人机的机载端属于地面控制端控制的控制对象，网络配置信息包括适于在地面控制端和多个无人机的机载端之间建立一个移动自组无线网络的信息；将自身存储的逻辑网络标识符与接收的逻辑网络标识符进行比对，如果一致，则根据所接收所述网络配置信息与地面控制端建立移动自组无线网络，并更改自己的信道，如果不一致，则保持原有的网络配置并使用原有信道。

优选地，还包括以下步骤：

无人机机载端的无线设备不断地扫描空闲信道，并在收到地面控制端所发送的空闲信道时在地面控制端发送广播信息的信道上发送回应信号。

根据本发明一个实施例，无人机机载端任务计算机的工作过程包括：

S2-01：接收飞控发送的遥测数据，加密后备份存储并通过4G/5G无线网络通信模组传送到地面端；

S2-02：接收地面端传送过来的遥控指令，分析指令类型及指令对象，飞控指令分发给飞控响应，载荷控制指令分发给相应载荷，并完成载荷指令响应状态的跟踪；

S2-03：对载荷获取的数据进行初步的边缘计算及机载备份存储工作，通过优化路由和信号质量调整传输方式，完成对载荷数据的加密工作，最后通过4G/5G无线网络将载荷数据实时回传至地面；

S2-04：接收地面上传的载荷调参指令，区分指令类型及响应对象，并把相关数据传送给对应载荷响应；

S2-05：接收地面RTK参考站数据，通过RTK解算算法完成GPS信息的精确化校准，通过校准数据实现机间测距，并将精确水印添加至视频数据中，保证飞行作业的安全性和数据解析的及时性；

S2-06：接收数据中心对特征数据的解析结果，聚焦跟踪对象，通过跟踪算法控制调整载荷角度，保证载荷对动目标的实时跟踪能力。

无人机机载端数据在整个无人机通信链路中的传输过程包含以下处理步骤：

第S01步：无线传输阶段：地空通信主要依赖于针对高空通信的4G/5G无线通信专网；能够保证在2000米以内的飞行高度下实现稳定传输；

第S02步：本地光纤传输阶段：无线信号通过基站设备转换成有线信号，通过光缆传送至就近的IDC机房，再通过网络传输至数据中心，完成数据的初级处理；

第S03步：公网传输阶段：数据通过公网完成云端上载和AI分析过程，针对不同地区的用户及个性化需求，再通过公网分发给指挥中心及终端用户。

本发明提供的方法可以由各种语言编成计算机应用的程序，并存储于如存储器、网盘、云盘等中，处理器可以调用该程序以完成一系列的功能。本发明中的处理器可包括数字信号处理器(DSP)、微处理器、可编程序逻辑装置(PLD)、门阵列或多个处理组件以及电源管理子系统。处理器还可包括内部高速缓存存储器，所述内部高速缓存存储器被配置成存储从存储器或者控制卡中取得的用于执行的计算机可读指令。所述存储器包括非暂态计算机介质，所述介质例如包括SRAM、快闪、SDRAM和/或硬盘驱动器(HDD)等。存储器被配置成存储计算机可读指令以便由处理器来执行。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于4G/5G无线网络的无人机通信系统，其特征在于，包括无人机、无线基站、IDC机房和用户终端；

无人机与无线基站之间通过4G/5G无线网络进行通信连接，无线基站与IDC机房之间通过光纤网络进行通信连接，IDC机房与用户终端之间通过有线/无线网络进行通信连接。

2.根据权利要求1所述的无人机通信系统，其特征在于，所述用户终端包括地面控制端，地面控制端向每个无人机的机载端发送控制信息，并与每个无人机的机载端进行认证及通信；

所述控制信息包括逻辑网络标识符、信道信息和网络配置信息，逻辑网络标识符用于确定无人机的机载端属于地面控制端控制的控制对象，网络配置信息包括适于在地面控制端和多个无人机的机载端之间建立一个移动自组无线网络的信息。

3.根据权利要求1或2所述的无人机通信系统，其特征在于，所述地面控制端通过频谱感知实时获取空闲信道。

4.根据权利要求1-3任一项所述的无人机通信系统，其特征在于，所述无人机包括机载端，机载端包括无线设备，无线设备使用的是基于LTE通信网络的数据收发终端，通过和无线基站建立通信，实现数据的正常收发。

5.根据权利要求4所述的无人机通信系统，其特征在于，所述无线设备包括初级数据处理模组、高级数据处理模组、SSD存储模组、安全加密芯片模组和压缩模组；

初级数据处理模组用于根据数据类型、数据大小和数据属性进行区分及存储分发，数据类型包括数传数据和图传数据；

压缩模组与初级数据处理模组连接，用于对大容量图传数据进行压缩处理；

高级数据处理模组与初级数据处理模组连接，用于对图传数据进行高级处理；

SSD存储模组和安全加密芯片模组分别与高级数据处理模组连接，SSD存储模组用于数据存储，安全加密芯片模组用于数据加密处理。

6.根据权利要求5所述的无人机通信系统，其特征在于，所述高级处理包括完成路由配置、传输优先级及QOS处理、加密处理、RTK校准及稳像处理和完成数据在机载端的边缘计算。

7.一种基于4G/5G无线网络的无人机通信方法，应用于用户终端，其特征在于，包括以下步骤：

用户终端的地面控制端在空闲信道上重复发送广播信息，并等待回应；

地面控制端如果接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号时，则与无人机机载端无线设备建立通信连接，地面控制端和无人机机载端无线设备进入握手认证阶段。

8.根据权利要求7所述的无人机通信方法，其特征在于，还包括以下步骤：

地面控制端如果没有接收到无人机机载端无线设备所发送的回应信号，则重新进行连接。

9.一种基于4G/5G无线网络的无人机通信方法，应用于无人机，其特征在于，包括以下步骤：

接收地面控制端的控制信息，控制信息包括逻辑网络标识符、信道信息和网络配置信息，逻辑网络标识符用于确定无人机的机载端属于地面控制端控制的控制对象，网络配置信息包括适于在地面控制端和多个无人机的机载端之间建立一个移动自组无线网络的信息；

将自身存储的逻辑网络标识符与接收的逻辑网络标识符进行比对，如果一致，则根据所接收所述网络配置信息与地面控制端建立移动自组无线网络，并更改自己的信道，如果不一致，则保持原有的网络配置并使用原有信道。

10.根据权利要求9所述的无人机通信方法，其特征在于，还包括以下步骤：

无人机机载端的无线设备不断地扫描空闲信道，并在收到地面控制端所发送的空闲信道时在地面控制端发送广播信息的信道上发送回应信号。

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