CN110650432A - 一种基于mf-tdma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MF‑TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，包括：搭建混合基站；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宽带频段、下行窄带频段和上行窄带频段；为每个无人机分配一个固定的路由时隙；定义通信的时间片；定义通信的时间片分配周期；将时间片分配给各个混合基站；混合基站获取无人机的路由时隙；无人机广播下行路由帧信息，活动基站广播上行路由帧信息；无人机发送遥测数据及视频流数据；活动基站接收遥测数据及视频流数据，并将遥测数据及视频流数据转发至主控台。本发明通过时分多址技术，利用不同时隙及时间片来区分不同无人机，避免了每个无人机信号之间的干扰，解决了无人机测控系统的多址接入问题。

Description

一种基于MF-TDMA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MF-TDMA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MF-TDMA(多频-时分多址)进行无人机物理层通信的方式以及相应的自定义链路层协议也没有出现过。
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MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，通过时分多址技术，利用不同的时隙及时间片来区分不同无人机，避免了每个无人机信号之间的干扰，解决了无人机测控系统的多址接入问题。
本发明所采用的技术方案为：一种基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，包括以下步骤：
S101，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，每个时隙固定传输LU个字节；
S102，利用混合基站构建蜂窝通信网络；
S103，为蜂窝通信网络分配一个宽带频段、下行窄带频段和上行窄带频段；
S104，利用定位与授时模块为所有混合基站和无人机进行同步；
S105，为每个无人机分配一个固定的路由时隙；
S106，定义通信的时间片Δt，Δt＝n*Ts，每个时间片固定传输LTR个字节，
Figure BDA0002254610020000021
所述时间片用于传输蜂窝通信网络中各无人机的遥测帧和遥控指令帧；
S107，定义通信的时间片分配周期Tf，一个时间片分配周期包括路由时隙阶段和时间片阶段，所述路由时隙阶段包括所有无人机的路由时隙，所述时间片阶段包括NT个时间片；
S108，根据混合基站蜂窝通信网络的选址信息，将时间片分配周期中的NT个时间片分别分配给各个混合基站；
S109，各个混合基站获取每个无人机的路由时隙，并将每个无人机的路由时隙存储在混合基站的无人机信息表中；
S110，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期内，为该无人机选择出用于管辖无人机的混合基站作为该无人机的活动基站，活动基站为自己管辖的无人机动态分配可用时间片；
S111，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的路由时隙阶段，该无人机广播下行路由帧信息，管辖该无人机的活动基站广播上行路由帧信息；
S112，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的时间片阶段，该无人机发送遥测数据及视频流数据；管辖该无人机的活动基站接收该无人机的遥测数据及视频流数据，并将该遥测数据及视频流数据转发至主控台；
S113，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的时间片阶段，主控台向待遥控无人机发送遥控指令；
S114，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的时间片阶段，为该无人机重新选择出用于管辖该无人机的混合基站作为该无人机的活动基站，活动基站为自己管辖的无人机重新动态分配可用时间片。
作为优选方式，在S108中，将时间片分配周期中的NT个时间片分别分配给各个混合基站过程中，若相距较远的两个混合基站无信号干扰，则该两个混合基站复用相同的时间片。
作为优选方式，在S110中，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期内，为该无人机选择出用于管辖无人机的混合基站作为该无人机的活动基站，活动基站为自己管辖的无人机动态分配可用时间片，具体包括以下步骤：
S1101，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期的路由时隙阶段，该无人机通过定位与授时模块获取自身的经度Lngv、纬度Latv和高度hv，并形成下行路由帧；
S1102，无人机对自己的下行路由帧进行编码和调制，并在该无人机的路由时隙到来时将已调信号上变频到下行窄带频段进行广播下行路由帧信号；
S1103，各个混合基站接收下行窄带频段内的下行路由帧信号，对该下行路由帧信号进行解调、译码和下行路由帧格式解析得到下行路由帧；
S1104，各个混合基站将下行路由帧中无人机的位置信息存储在混合基站的无人机位置表中；
S1105，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期的时间片阶段，各个混合基站根据无人机位置表中的各无人机位置信息计算自身与各个无人机的距离信息，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各个无人机选择出距离最近的混合基站作为该无人机的活动基站，然后主控台将各个活动基站的信息写入主控台的活动基站信息表中；
S1106，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；
S1107，活动基站对自己管辖的无人机进行接入控制；
S1108，活动基站将自己的可用时间片均匀分配给允许接入的无人机。
作为优选方式，在S111中，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的路由时隙阶段，该无人机广播下行路由帧信息，管辖该无人机的活动基站广播上行路由帧信息，具体包括以下步骤：
S1111，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的路由时隙阶段，无人机通过定位与授时模块获取自身的经度Lngv、纬度Latv和高度hv，并形成下行路由帧；各个活动基站针对自己管辖的每个无人机，将该无人机的可用时间片编码为无人机的时间片分配位图，并结合自己的经度LngB、纬度LatB和高度hB信息封装每个无人机的上行路由帧；
S1112，无人机对自己的下行路由帧进行编码和调制，并在该无人机的路由时隙到来时将已调信号上变频到下行窄带频段进行广播下行路由帧信号；各个活动基站从无人机信息表中查询自己管辖的无人机路由时隙，并在自己管辖的无人机路由时隙到来时对上行路由帧进行编码、调制后上变频到上行窄带频段广播上行路由帧信号；
S1113，各个混合基站接收下行窄带频段内的下行路由帧信号，对该下行路由帧信号进行解调、译码和下行路由帧格式解析得到下行路由帧；各个无人机接收上行窄带频段内的上行路由帧信号，对该上行路由帧信号进行解调、译码和上行路由帧格式解析，得到上行路由帧；
S1114，各个混合基站将下行路由帧中无人机的位置信息存储在混合基站的无人机位置表中；各个无人机根据上行路由帧中管辖自己的活动基站的经度LngB、纬度LatB、高度hB，结合自身的位置信息调整无人机天线单元的方向；各个无人机根据上行路由帧中无人机的时间片分配位图获取该无人机的可用时间片。
作为优选方式，在S112中，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的时间片阶段，该无人机发送遥测数据及视频流数据；管辖该无人机的活动基站接收该无人机的遥测数据及视频流数据，并将该遥测数据及视频流数据转发至主控台，具体包括以下步骤：
S1121，无人机向遥测设备获取遥测数据形成遥测帧、向摄像设备获取视频数据形成视频流数据，在无人机的可用时间片内，各个无人机利用无人机天线单元在宽带频段发送视频流数据，各个无人机对自己的遥测帧进行编码、调制后上变频到下行窄带频段广播遥测帧信号；
S1122，活动基站采用基站天线单元在宽带频段接收视频流数据，并将视频流数据转发给主控台；各个活动基站在各个遥测时间片内接收下行窄带频段内的遥测帧信号，对该遥测帧信号进行解调、译码和遥测帧格式解析，得到遥测帧，然后该活动基站将该遥测帧转发至主控台。
作为优选方式，在S113中，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的时间片阶段，主控台向待遥控无人机发送遥控指令，具体包括以下步骤：
S1131，所述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；
S1132，在待遥控无人机的可用时间片中，活动基站对待遥控无人机的遥控指令帧进行编码、调制后上变频到上行窄带频段广播遥控指令帧信号；
S1133，待遥控无人机在自己的可用时间片内接收上行窄带频段内的遥控指令帧信号，对该遥控指令帧信号进行解调、译码和遥控指令帧格式解析，得到遥控指令帧；
S1134，待遥控无人机执行遥控指令帧中的遥控指令。
作为优选方式，在S1134中，待遥控无人机执行遥控指令后，该无人机在自己的遥测时间片广播遥控指令回执，如果活动基站接收到该遥控指令回执，则活动基站向主控台转发该遥控指令回执；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，则活动基站向主控台返回待遥控无人机回执超时。
作为优选方式，同一无人机的S112～S114过程并发进行。
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，各个无人机利用MIMO天线在宽带频段发送视频流数据。
本发明的有益效果为：
1、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。
2、本发明通过TDMA(时分多址)技术，自定义了时间片分配周期，利用不同的时隙及时间片来区分不同无人机，避免了每个无人机信号之间的干扰，使得系统可以容纳多个无人机，解决了无人机测控系统的多址接入问题。
3、本发明通过频分双工技术，将无人机上行数传和下行数传频段分开，避免了无人机上行数传链路和下行数传链路之间的干扰，解决了无人机测控系统的双工通信问题。
4、本发明通过时间片复用技术，利用了无线信号传播随着距离损耗的特性，使相距较远的混合基站复用相同的时间片资源，在时间片资源稀缺的情况下相对提高了通信系统的总容量。
5、本发明采用了动态时间片分配技术。每个活动基站根据自己管辖的无人机数目，动态地为自己管辖的无人机分配时间片资源，在活动基站管辖的无人机数目较少时，可以使得无人机的可传输数据量最大化。
6、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。
7、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MF-TDMA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MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法中时间片分配周期示意图；
图3是本发明提供的一种基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法中时间片复用样式示意图；
图4是本发明提供的一种基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法的工作流程图。
具体实施方式
本实施例提供了一种基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，如图4所示，包括以下步骤：
S101，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，全向天线用于传输路由、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。
S102，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。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。
S103，为蜂窝通信网络分配一个宽带频段、下行窄带频段和上行窄带频段，下行路由和遥测共同使用下行窄带频段，上行路由和遥控共同使用上行窄带频段，视频下行使用宽带频段。定义无人机的下行路由帧、上行路由帧、遥测帧和遥控指令帧，所述下行路由帧的长度为LD＝7个字节，上行路由帧的长度为
Figure BDA0002254610020000091
个字节，所述遥测帧和遥控指令帧的长度均为LTR个字节。其中，下行路由帧的格式及其说明分别如表101和表102所示，上行路由帧的格式及其说明分别如表103和表104所示，遥测帧的格式及其说明分别如表105和表106所示，遥控指令帧的格式及其说明分别如表107和表108所示。本发明通过频分双工技术，将无人机上行数传和下行数传频段分开，避免了无人机上行数传链路和下行数传链路之间的干扰，解决了无人机测控系统的双工通信问题。
表101下行路由帧格式
Figure BDA0002254610020000092
表102下行路由帧格式说明
Figure BDA0002254610020000093
Figure BDA0002254610020000101
表103上行路由帧格式
Figure BDA0002254610020000102
表104上行路由帧格式说明
Figure BDA0002254610020000103
表105遥测帧格式
帧长度(UINT16，2字节) 遥测内容(L<sub>TR</sub>-4字节) 校验和FCS(UINT16，2字节)
表106遥测帧格式说明
Figure BDA0002254610020000104
表107遥控指令帧格式
表108遥控指令帧格式说明
Figure BDA0002254610020000112
S104，利用定位与授时模块为所有混合基站和无人机进行同步。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，设置无人机通信系统的时隙长度为Ts，通信系统每时隙固定传输LU个字节，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。
S105，为每个无人机分配一个固定的路由时隙。假设一共有N个无人机V0、V1、V2、…、VN-1，则无人机V0、V1、V2、…、VN-1的路由时隙分别为TS0、TS1、TS2、...、TSN-1。
S106，定义通信的时间片Δt，Δt＝n*Ts，即每n个时隙划分为一个时间片，每个时间片固定传输LTR个字节，
Figure BDA0002254610020000113
所述时间片用于传输蜂窝通信网络中各无人机的遥测帧和遥控指令帧。
S107，定义通信的时间片分配周期Tf，一个时间片分配周期包括路由时隙阶段和时间片阶段，所述路由时隙阶段包括所有无人机的路由时隙，所述时间片阶段包括NT个时间片。在一个时间片分配周期内，按照时间顺序依次为所有无人机的路由时隙、NT个时间片,时间片分配周期Tf＝N*Ts+NT*Δt，时间片分配周期的示意图如图2所示。
S108，根据混合基站蜂窝网络的选址信息，将时间片分配周期Tf中的NT个时间片分别分配给各个混合基站。由于无线信号的衰减，相距较远的两个混合基站信号干扰程度很小或者几乎没有干扰，所以相距较远的混合基站可以复用相同的时间片，称每个混合基站分配的时间片为混合基站的时间片复用样式。此外，为了尽量使得每个混合基站在任意时刻均有机会传输数据，为每个混合基站分配的时间片应均匀分布。图3为混合基站的时间片复用样式示意图，其中，为每个无人机分配的时隙用深色方块表示，并且由于无线信号的衰减，基站BK与基站B0复用相同的时间片，基站BK+1与基站B1复用相同的时间片，基站BK+2与基站B2复用相同的时间片。
本发明通过时间片复用技术，利用了无线信号传播随着距离损耗的特性，使相距较远的混合基站复用相同的时间片资源，在时间片资源稀缺的情况下相对提高了通信系统的总容量。
S109，主控台建立活动基站信息表，并将各无人机的活动基站编号写为空。主控台向各个混合基站发送每个无人机的路由时隙，混合基站接收到每个无人机的路由时隙后，将路由时隙中的路由时隙编号存储进混合基站的无人机信息表中，各无人机将自身存储器中的活动基站编号清空，活动基站信息表及其说明如表109和110所示，无人机信息表及其说明如表111和112所示。
表109活动基站信息表
无人机编号 活动基站编号
UINT16型,2字节 UINT16型，2字节
表110活动基站信息表说明
Figure BDA0002254610020000121
Figure BDA0002254610020000131
表111无人机信息表
无人机编号 下行路由时隙编号 上行路由时隙编号
UINT16类型，2字节 UINT16类型，2字节 UINT16类型，2字节
表112无人机信息表说明
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
下行路由时隙编号 该无人机的下行路由时隙编号，UINT16类型，2字节
上行路由时隙编号 该无人机的上行路由时隙编号，UINT16类型，2字节
S110，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期内，为该无人机选择出用于管辖无人机的混合基站作为该无人机的活动基站，活动基站为自己管辖的无人机动态分配可用时间片，具体包括以下步骤：
S1101，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期的路由时隙阶段，该无人机通过定位与授时模块获取自身的经度Lngv、纬度Latv和高度hv，并形成下行路由帧；
S1102，无人机对自己的下行路由帧进行编码和调制，并在该无人机的路由时隙到来时将已调信号上变频到下行窄带频段进行广播下行路由帧信号；
S1103，各个混合基站接收下行窄带频段内的下行路由帧信号，对该下行路由帧信号进行解调、译码和下行路由帧格式解析得到下行路由帧；
S1104，各个混合基站将下行路由帧中无人机的位置信息存储在混合基站的无人机位置表中；
S1105，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期的时间片阶段，各个混合基站根据无人机位置表中的各无人机位置信息计算自身与各个无人机的距离信息，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各个无人机选择出距离最近的混合基站作为该无人机的活动基站，然后主控台将各个活动基站的信息写入主控台的活动基站信息表中；无人机位置表及其说明分别如表113和114所示；其中，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 BDA0002254610020000141
表113无人机位置表
表114无人机位置表说明
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
经度 无人机在地球球面坐标系的横坐标，INT16类型，2字节
纬度 无人机在地球球面坐标系的纵坐标，INT16类型，2字节
高度 无人机的海拔高度，UINT16类型，2字节
时间戳 混合基站解析出该上行路由帧的时间，DATETIME，4字节
S1106，各个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，以良好地接收视频流数据。
S1107，各个活动基站对自己管辖的无人机进行接入控制，接入控制保证了当同一活动基站管辖过多无人机时，活动基站只对服务能力范围内数目的无人机进行服务。
S1108，活动基站将自己的可用时间片均匀分配给允许接入的无人机，即对于每个活动基站的可用时间片，均以相等的概率被分配到每个允许接入的无人机，称分配给每个的无人机的时间片为无人机的可用时间片。
S111，在无人机接入蜂窝通信网的第二个时间片分配周期的路由时隙阶段，该无人机广播下行路由帧信息，管辖该无人机的活动基站广播上行路由帧信息，具体包括以下步骤：
S1111，在无人机接入蜂窝通信网的第二个时间片分配周期的路由时隙阶段，无人机通过定位与授时模块获取自身的经度Lngv、纬度Latv和高度hv，并形成下行路由帧；各个活动基站针对自己管辖的每个无人机，将该无人机的可用时间片编码为无人机的时间片分配位图，并结合自己的经度LngB、纬度LatB和高度hB信息封装每个无人机的上行路由帧；由于每个无人机的上行路由帧和下行路由帧共享同一路由时隙，而选择活动基站以及分配时间片需要时延，所以在当前时间片分配周期，上行路由帧中的时间片分配位图是在上一时间片分配周期计算得出的，该现象称为上行路由滞后性；由于上行路由滞后性，无人机在初始接入蜂窝通信网络的时间片分配周期内，由于还未对其分配活动基站，所以并无活动基站发送该无人机的上行路由帧。
S1112，无人机对自己的下行路由帧进行编码和调制，并在该无人机的路由时隙到来时将已调信号上变频到下行窄带频段进行广播下行路由帧信号；各个活动基站从无人机信息表中查询自己管辖的无人机路由时隙，并在自己管辖的无人机路由时隙到来时对上行路由帧进行编码、调制后上变频到上行窄带频段广播上行路由帧信号。
S1113，各个混合基站接收下行窄带频段内的下行路由帧信号，对该下行路由帧信号进行解调、译码和下行路由帧格式解析得到下行路由帧；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，等待下一路由时隙的到来；若准确，则进入S1104，无人机位置表及其说明分别如表111和112所示；各个无人机接收上行窄带频段内的上行路由帧信号，对该上行路由帧信号进行解调、译码和上行路由帧格式解析，得到上行路由帧；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，等待下一路由时隙的到来；若准确，则进入S1104。
S1114，各个混合基站将下行路由帧中无人机的位置信息存储在混合基站的无人机位置表中；各个无人机根据上行路由帧中管辖自己的活动基站的经度LngB、纬度LatB、高度hB，结合自身的位置信息调整无人机天线单元的方向，以保证活动基站对视频流数据的良好接收；各个无人机根据上行路由帧中无人机的时间片分配位图获取该无人机的可用时间片。
进入下一路由时隙，重复S1111～S1114，直至路由时隙阶段结束。
S112，在无人机接入蜂窝通信网的第二个时间片分配周期的时间片阶段，该无人机发送遥测数据及视频流数据；管辖该无人机的活动基站接收该无人机的遥测数据及视频流数据，并将该遥测数据及视频流数据转发至主控台，具体包括以下步骤：
S1121，无人机首先判断其存储器中的活动基站编号是否为空，若是，则该无人机在当前时间片分配周期不发送视频下行数据和遥测数据，跳出S111；若是，则各个无人机向遥测设备获取遥测数据形成遥测帧、向摄像设备获取视频数据形成视频流数据，在无人机的可用时间片内，各个无人机利用无人机天线单元在宽带频段发送视频流数据，各个无人机对自己的遥测帧进行编码、调制后上变频到下行窄带频段广播遥测帧信号；
S1122，各个活动基站在各个遥测时间片内接收下行窄带频段内的遥测帧信号，对该遥测帧信号进行解调、译码和遥测帧格式解析得到遥测帧，活动基站通过遥测帧中的校验和FCS字段判断该遥测帧是否准确无误，若准确，则将该遥测帧转发给主控台；若不准确，则丢弃该遥测帧。该活动基站利用MIMO天线在宽带频段接收自身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。
主控台向无人机发送遥控指令，需进行以下步骤：
S113，在无人机接入蜂窝通信网的第二个时间片分配周期的时间片阶段，主控台向待遥控无人机发送遥控指令，具体包括以下步骤：
S1131，所述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，如果活动基站信息表中待遥控无人机的活动基站编号为空，则当前时间片分配周期暂时无法向无人机发送遥控指令，跳出S112；否则，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；
S1132，在待遥控无人机的可用时间片中，活动基站对待遥控无人机的遥控指令帧进行编码、调制后上变频到上行窄带频段广播遥控指令帧信号；
S1133，待遥控无人机在自己的可用时间片内接收上行窄带频段内的遥控指令帧信号，对该遥控指令帧信号进行解调、译码和遥控指令帧格式解析，得到遥控指令帧；待遥控无人机通过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，则进入S1124。
S1134，待遥控无人机执行遥控指令帧中的遥控指令，待遥控无人机执行遥控指令后，该无人机在自己的可用时间片广播遥控指令回执，如果活动基站接收到该遥控指令回执，则活动基站向主控台转发该遥控指令回执；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，则活动基站向主控台返回待遥控无人机回执超时。
S114，在无人机接入蜂窝通信网的第二个时间片分配周期的时间片阶段，为该无人机重新选择出用于管辖该无人机的混合基站作为该无人机的活动基站，活动基站为自己管辖的无人机重新动态分配可用时间片，其具体包括以下步骤：
S1141，各个混合基站根据无人机位置表中的各无人机位置信息计算自身与各个无人机的距离信息，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各个无人机选择出距离最近的混合基站作为该无人机的活动基站，然后主控台将各个活动基站的信息重新写入主控台的活动基站信息表中。
S1142，各个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，以良好地接收视频流数据。
S1143，活动基站对自己管辖的无人机进行接入控制，接入控制保证了当同一活动基站管辖过多无人机时，活动基站只对服务能力范围内数目的无人机进行服务。
S1144，活动基站将自己的可用时间片均匀分配给允许接入的无人机，即对于每个活动基站的可用时间片，均以相等的概率被分配到每个允许接入的无人机。
进入下一个时间分配周期后，则重复S111～S114。
作为优选方式，同一无人机的S112～S114过程并发进行，不占用额外时隙。
本发明通过TDMA(时分多址)技术，自定义了时间片分配周期，利用不同的时隙及时间片来区分不同无人机，避免了每个无人机信号之间的干扰，使得系统可以容纳多个无人机，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 (10)

1.一种基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，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，每个时隙固定传输LU个字节；
S102，利用混合基站构建蜂窝通信网络；
S103，为蜂窝通信网络分配一个宽带频段、下行窄带频段和上行窄带频段；
S104，利用定位与授时模块为所有混合基站和无人机进行同步；
S105，为每个无人机分配一个固定的路由时隙；
S106，定义通信的时间片Δt，Δt＝n*Ts，每个时间片固定传输LTR个字节，
Figure FDA0002254610010000011
所述时间片用于传输蜂窝通信网络中各无人机的遥测帧和遥控指令帧；
S107，定义通信的时间片分配周期Tf，一个时间片分配周期包括路由时隙阶段和时间片阶段，所述路由时隙阶段包括所有无人机的路由时隙，所述时间片阶段包括NT个时间片；
S108，根据混合基站蜂窝通信网络的选址信息，将时间片分配周期中的NT个时间片分别分配给各个混合基站；
S109，各个混合基站获取每个无人机的路由时隙，并将每个无人机的路由时隙存储在混合基站的无人机信息表中；
S110，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期内，为该无人机选择出用于管辖无人机的混合基站作为该无人机的活动基站，活动基站为自己管辖的无人机动态分配可用时间片；
S111，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的路由时隙阶段，该无人机广播下行路由帧信息，管辖该无人机的活动基站广播上行路由帧信息；
S112，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的时间片阶段，该无人机发送遥测数据及视频流数据；管辖该无人机的活动基站接收该无人机的遥测数据及视频流数据，并将该遥测数据及视频流数据转发至主控台；
S113，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的时间片阶段，主控台向待遥控无人机发送遥控指令；
S114，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的时间片阶段，为该无人机重新选择出用于管辖该无人机的混合基站作为该无人机的活动基站，活动基站为自己管辖的无人机重新动态分配可用时间片。
2.根据权利要求1所述的基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，在S108中，将时间片分配周期中的NT个时间片分别分配给各个混合基站过程中，若相距较远的两个混合基站无信号干扰，则该两个混合基站复用相同的时间片。
3.根据权利要求1所述的基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，在S110中，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期内，为该无人机选择出用于管辖无人机的混合基站作为该无人机的活动基站，活动基站为自己管辖的无人机动态分配可用时间片，具体包括以下步骤：
S1101，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期的路由时隙阶段，该无人机通过定位与授时模块获取自身的经度Lngv、纬度Latv和高度hv，并形成下行路由帧；
S1102，无人机对自己的下行路由帧进行编码和调制，并在该无人机的路由时隙到来时将已调信号上变频到下行窄带频段进行广播下行路由帧信号；
S1103，各个混合基站接收下行窄带频段内的下行路由帧信号，对该下行路由帧信号进行解调、译码和下行路由帧格式解析得到下行路由帧；
S1104，各个混合基站将下行路由帧中无人机的位置信息存储在混合基站的无人机位置表中；
S1105，在无人机接入蜂窝通信网的初始时间片分配周期的时间片阶段，各个混合基站根据无人机位置表中的各无人机位置信息计算自身与各个无人机的距离信息，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各个无人机选择出距离最近的混合基站作为该无人机的活动基站，然后主控台将各个活动基站的信息写入主控台的活动基站信息表中；
S1106，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；
S1107，活动基站对自己管辖的无人机进行接入控制；
S1108，活动基站将自己的可用时间片均匀分配给允许接入的无人机。
4.根据权利要求3所述的基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，在S111中，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的路由时隙阶段，该无人机广播下行路由帧信息，管辖该无人机的活动基站广播上行路由帧信息，具体包括以下步骤：
S1111，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的路由时隙阶段，无人机通过定位与授时模块获取自身的经度Lngv、纬度Latv和高度hv，并形成下行路由帧；各个活动基站针对自己管辖的每个无人机，将该无人机的可用时间片编码为无人机的时间片分配位图，并结合自己的经度LngB、纬度LatB和高度hB信息封装每个无人机的上行路由帧；
S1112，无人机对自己的下行路由帧进行编码和调制，并在该无人机的路由时隙到来时将已调信号上变频到下行窄带频段进行广播下行路由帧信号；各个活动基站从无人机信息表中查询自己管辖的无人机路由时隙，并在自己管辖的无人机路由时隙到来时对上行路由帧进行编码、调制后上变频到上行窄带频段广播上行路由帧信号；
S1113，各个混合基站接收下行窄带频段内的下行路由帧信号，对该下行路由帧信号进行解调、译码和下行路由帧格式解析得到下行路由帧；各个无人机接收上行窄带频段内的上行路由帧信号，对该上行路由帧信号进行解调、译码和上行路由帧格式解析，得到上行路由帧；
S1114，各个混合基站将下行路由帧中无人机的位置信息存储在混合基站的无人机位置表中；各个无人机根据上行路由帧中管辖自己的活动基站的经度LngB、纬度LatB、高度hB，结合自身的位置信息调整无人机天线单元的方向；各个无人机根据上行路由帧中无人机的时间片分配位图获取该无人机的可用时间片。
5.根据权利要求4所述的基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，在S112中，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的时间片阶段，该无人机发送遥测数据及视频流数据；管辖该无人机的活动基站接收该无人机的遥测数据及视频流数据，并将该遥测数据及视频流数据转发至主控台，具体包括以下步骤：
S1121，无人机向遥测设备获取遥测数据形成遥测帧、向摄像设备获取视频数据形成视频流数据，在无人机的可用时间片内，各个无人机利用无人机天线单元在宽带频段发送视频流数据，各个无人机对自己的遥测帧进行编码、调制后上变频到下行窄带频段广播遥测帧信号；
S1122，活动基站采用基站天线单元在宽带频段接收视频流数据，并将视频流数据转发给主控台；各个活动基站在各个遥测时间片内接收下行窄带频段内的遥测帧信号，对该遥测帧信号进行解调、译码和遥测帧格式解析，得到遥测帧，然后该活动基站将该遥测帧转发至主控台。
6.根据权利要求5所述的基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，在S113中，在无人机接入蜂窝通信网的其他时间片分配周期的时间片阶段，主控台向待遥控无人机发送遥控指令，具体包括以下步骤：
S1131，所述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；
S1132，在待遥控无人机的可用时间片中，活动基站对待遥控无人机的遥控指令帧进行编码、调制后上变频到上行窄带频段广播遥控指令帧信号；
S1133，待遥控无人机在自己的可用时间片内接收上行窄带频段内的遥控指令帧信号，对该遥控指令帧信号进行解调、译码和遥控指令帧格式解析，得到遥控指令帧；
S1134，待遥控无人机执行遥控指令帧中的遥控指令。
7.根据权利要求6所述的基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，在S1134中，待遥控无人机执行遥控指令后，该无人机在自己的遥测时间片广播遥控指令回执，如果活动基站接收到该遥控指令回执，则活动基站向主控台转发该遥控指令回执；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，则活动基站向主控台返回待遥控无人机回执超时。
8.根据权利要求7所述的基于MF-TDMA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。
9.根据权利要求1所述的基于MF-TDMA的无人机测控蜂窝通信方法，其特征在于，同一无人机的S112～S114过程并发进行。
10.根据权利要求1所述的基于MF-TDMA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，各个无人机利用MIMO天线在宽带频段发送视频流数据。
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