CN112087256A

CN112087256A - 应急通信组网装置、组网方法及自动寻的方法

Info

Publication number: CN112087256A
Application number: CN202010984979.6A
Authority: CN
Inventors: 韩飞; 李向东; 廖华芬
Original assignee: Nanjing Xinpindian Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Xinpindian Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2020-12-15

Abstract

本发明公开一种应急通信组网装置、组网方法及自动寻的方法，组网装置包括第一多旋翼无人机与无线数据链主机和集团网络中心构成通信组网系统的一级网络；第二多旋翼无人机与无线数据链主机和二级或三级网络中心构成通信组网系统的二级网络和/或三级网络；所述一级网络与二级网络或一级网络与三级网络之间，通过自动寻的跟踪天线实现信息互通；所述二级网络或三级网络受集团网络中心控制，直接与所述集团网络中心实施通信联络，所述二级网络与三级网络之间经集团网络中心授权后相互通信联络。本申请基于OFDM技术以及自动寻的技术，在集团通信特别是军事指挥系统中，迅速组网，可以迅速提高突发事件处置水平和战斗力，具有创新性和较大的应用价值。

Description

应急通信组网装置、组网方法及自动寻的方法

技术领域

本申请涉及微波射频技术领域，尤其是涉及一种应急通信组网装置。

背景技术

无线数据链信息支援力量作为信息化条件下作战体系和突发事件处置中的重要手段，在常规通信系统遭受攻击或不能正常使用时，搭建应急通信网络是十分必要的。本发明一种应急通信组网装置利用多旋翼系留无人机和天线自动寻的跟踪技术，凭借信息技术和软件无线电技术的优势，快速构建应急通信组网，为推进信息时代处置突发事件发挥重要作用。近年来，随着多种新形式的数据链通信系统的出现，各国对数据链的硬件平台提出了智能化、标准化、宽频带、通用性强和高信号处理速率等方面的要求。

本发明一种应急通信组网装置构建的无线数据链通信系统硬件平台，正是基于这一发展要求而推出的一种性能比较先进的原创技术无线数据链通信终端，在集团通信，特别是军事指挥系统中，可以迅速提高突发事件处置水平和战斗力，具有创新性和较大的应用价值。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明为一种性能先进的原创技术无线数据链通信终端，在集团通信，特别是军事指挥系统中，可以迅速提高突发事件处置水平和战斗力，具有创新性和较大的应用价值。

本发明为一种应急通信组网系统，所述系统包括：

第一多旋翼无人机，所述第一多旋翼无人机与无线数据链主机和集团网络中心构成通信组网系统的一级网络；

第二多旋翼无人机，所述第二多旋翼无人机与无线数据链主机和二级或三级网络中心构成通信组网系统的二级网络和/或三级网络；

所述一级网络与二级网络或一级网络与三级网络之间，通过自动寻的跟踪天线实现信息互通；

所述二级网络或三级网络受集团网络中心控制，直接与所述集团网络中心实施通信联络，所述二级网络与三级网络之间经集团网络中心授权后相互通信联络；

所述集团网络中心、二三级网络中心组成相同，包括中频收发信机、网络交互设备、信息发送接收设备、控制器。

进一步的，所述第一多旋翼无人机和第二多旋翼无人机为应急通信组网系统的举升装置，用以克服地球曲率和地物障碍对数据天线的影响；所述第一多旋翼无人机和第二多旋翼无人机通过系留线缆留空，并由电力电缆向无人机提供电源以保持长时间留空。

进一步的，所述系统的无线数据链有两条，分别为：

一级数据链，由第一多旋翼无人机的机载无线数据链通信机发出端和第二多旋翼无人机的机载数据链通信机接收端构成，采用正交频分复用OFDM技术实现通信机之间的通信；集团网络中心数传电台和数据链主机通信机的天线均采用全向天线，全空域波束覆盖，便于下级通信站寻的和数据通信；

二级数据链，由第二多旋翼无人机的机载数传电台发出端和第二多旋翼无人机的机载数传电台接收端构成，采用正交频分复用OFDM技术实现通信机之间的通信，用于传输GPS和北斗定位信号。

更进一步的，所述第二多旋翼无人机的机载天线采用全向天线，均配置有天线云台伺服传动系统，无线数据链主机通过所述天线云台伺服传动系统控制天线对准一级网络的无线数据链主机中心位置。

作为一种优选，在二级网络中，所述第二多旋翼无人机还连接一套全向天线，当集团网络中心授权对三级网络进行通信时切换全向天线，并且所述集团网络中心给定二级网络无线数据链主机的位置，以便三级网络中无线数据链主机快速寻的跟踪二级网络无线数据链主机进行数据通信。

进一步的，所述系统的各级网络中心的中频收发信机采用FPGA 技术构成无线通信数据链平台，通过以软件定义无线电的方式实现OFDM通信系统功能。

本发明还提供上述应急通信组网系统的自动寻的方法，所述自动寻的方法包括以下步骤：

步骤一，所述第一多旋翼无人机、第二多旋翼无人机的无线数据链主机开机；

步骤二，所述第二多旋翼无人机无线数据链主机连接天线云台伺服传动系统控制定向天线水平转动，获取集团网络中心无线数据链主机的误码率数据；

步骤三，当寻找到集团数据链中心站通信机的误码率数据最小值且小于设定的阈值，读取天线在该状态下的对应角度数据；

步骤四，天线云台伺服传动系统控制无人机天线云台转动到该角度，再控制天线上下左右摆动，使天线始终对准误码率最小的方位，实现数据通信无线链路对准连接。

本发明还提供上述应急通信组网系统的通信组网方法，所述组网过程包括一级网络的被动式和二级网络、三级网络的主动式，所述一级网络与二级网络和/或三级网络之间组网时为被动式，集团网络中心天线平台处于静止状态，由下级通信寻的跟踪；

二级网络、三级网络向所述一级网络发起通信请求时，采用主动式，即采取上述自动寻的方法自动寻的、主动对准对端天线。

作为一种优选，根据集团网络中心的配置，所述二级网络和三级网络之间可平行组网，在平行组网时，由集团网络中心分配其中某个二级网络为上级网络，三级网络采用主动式向该二级网络发起通信请求。

与现有技术相比，本发明一种应急通信组网装置有以下有益效果：

1) 运用系留多旋翼无人机作为通信平台，快速构建通信组网系统；

2) 平台天线采用自动寻的跟踪技术，快速实现无线通信空中握手搭桥；

3) 采用无线数据链传输方式，传输距离大于半径100KM；

4) 运用软件无线电先进技术，OFDM子载波抗多径衰落；

5) 采用时分多址（TDMA）+自组网技术，确保旅指挥所同时和各营连级保持双向无线通信；

6) 智能化无线信号侦测干涉技术，自动天线寻的对准；

7) 标准以太网接口，容易接入LD、视频终端以及网络等系统；

8) 便携式设计，使用展开仅需15分钟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明应急通信组网装置组系统结构示意图；

图2为下级数据链中心寻的跟踪平台组成框图；

图3为集团数据链中心无人机平台组成框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图对本发明的实施方式做进一步地详细叙述。

实施例1

本发明为一种应急通信组网系统，组成框图如图1所示，该系统包括：

进一步的，所述系统的无线数据链有两条，分别为：

集团网络中心与二三级网络中心的组成基本相同，其通信权限略有区别。一般二三级网络通信受集团控制，直接与集团实施通信联络，二三级之间授权亦可相互通信联络。

网络中心主要由多旋翼无人机、系留绞盘、系留线缆、网络中心设备、无线数据链主机和自动寻的跟踪天线组成。

无线数据链主机是无线信号的收发设备，其作用是通过无线载波射频连接外部通信用户，并以中频形式传输至网络中心；

多旋翼无人机是应急通信系统的举升装置，用以克服地球曲率和地物障碍对数据天线的影响。系留线缆用于固定无人机留空，并由电力电缆向无人机提供电源以保持长时间留空，光纤线缆为无线数据链主机和网络中心提供数据联络通道。（集团、下级）网络中心用于对无线数据链主机信息进行分发和存储。无线数据链主机是应急通信组网的关键设备，其运用OFDM（正交频分复用）技术，在基于TDMA点对多点自组网技术手段，实现多跳中继，具有传输速率自适应功能，能在复杂环境下抗较强窄带和部分频带干扰，有效进行数据通信。

实施例2

二级网络、三级网络向所述一级网络发起通信请求时，采用主动式，即采取如权利要求7中所述的自动寻的方法自动寻的、主动对准对端天线。

一种应急通信组网装置主要运用技术有：

1、集团与下级的纵向通信及二、三级通信中心的横向通信均采用OFDM（正交频分复用）技术。这是一种目前已知的频谱利用率最高的一种通信系统，它将数字调制、数字信号处理、多载波传输等技术有机结合在一起，使得它的频谱利用率、功率利用率、系统复杂性方面综合起来在通信系统有很强的竞争力。其基本思想是将信道分成若干个正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。各子信道间保持正交，频谱相互重叠，与单载波调制相比，提高了频谱利用率，具有强大的抗多径衰落能力，同时易于保密通信。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A转换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能,各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。由于软件无线电提供了最大的灵活性和最简单的开发方式，因此比较适用于无线数据链的研究与开发。又因为OFDM是当前4G技术的核心之一，并且在未来的5G技术中仍有很大的研究空间。因此本提案的各级网络中心之中频收发信机利用FPGA开发构成一个无线通信数据链平台，通过以软件定义无线电的形式实现OFDM通信系统功能。

2、基于TDMA点对多点自组网技术。此运用可以实现多跳中继，具备传输速率自适应功能，在复杂环境下具备抗较强窄带和部分频带干扰的能力，自组网通信系统是基于移动自组网技术的一种具体应用，该系统提供了一种机动网络之间或者机动网络与固定网络间的远距离、宽带化的数据传输解决方案，可有效提升网络间的业务协调互通能力，保障宽带业务贯通。该系统采用TDMA自适应体制实现无中心网状网络，每一个无线帧中的每一个时隙构成一个物理信道。物理层采用 OFDM技术，系统支持多级带宽，不同传输带宽下 OFDM符号时间长度不变，只是符号内的采样点数发生变化。具备动态资源配置和智能路由等网络功能，基于多机动分散节点、固定子站实现无线信号的集团、二级、三级全覆盖，实现集团、下连级点之间的互连互通。其系统特点如下：

（1）融合多类先进技术，满足多类组网应用。采用动态 TDMA 多址组网，可实现无中心的扁平网络结构组网，动态配置传输资源及传输格式，构建多跳中继的无中心自组织宽带无线 IP 通信网。

（2）支持远距离通信。满足远通信距离并且可搬移中继之间的相对移动速度较快。采用先进的无线宽带通信基带数字信号和射频信号处理技术，包括高阶调制技术、先进的信道估计和信号检测技术，以及先进的宽带射频收发通道设计技术，实现高频谱效率。

（3）支持各类灵活路由技术。支持各类主动式、被动式路由动态建立和更新路由，在多跳网络环境中，保证快速建立各节点之间的通路，同时通过监控网络拓扑的变化更新和维护路由，确保通过多跳转发机制进行数据交换。

（4）支持抗干扰。采用信道自适应技术实现系统抗干扰，通过将宽带传输的数据分散在多个独立窄带信道上传输。分别测量每个子带的信道质量，当某一或部分子带受到干扰时，系统自动扣除该子带。支持在不同窄带或宽带干扰下，利用扣除子带技术，使节点间自动规避带内干扰。

（5）节点同步。具备北斗卫星导航系统（BDS）或者全球定位系统（GPS）信号时，设备支持 BDS 和 GPS授时同步；无法接收以上信号时，该系统通过跟踪中继链路信号自动实现时钟精同步。

实施例3

下级数据链中心寻的跟踪平台组成框图如图2所示，集团数据链中心无人机平台组成框图如图3所示。

自动寻的跟踪和应急通信系统的无线链路共有2条，1条由无人机机载数传电台和联络对象无人机机载数传电台构成（频率为450MHz-470MHz），用于传输GPS和北斗定位信号；另一条由机载无线数据链通信机和联络对象之间机载数据链通信机构成（频率为1400MHz-1500MHz）。集团数据中心数传电台和数据链主机通信机的天线均采用全向天线，全空域波束覆盖，便于下级通信站寻的和数据通信，其通信距离大于200Km。二、三级数据链路的通信机机载天线采用全向天线，以便较为方便地对对准集团数据链中心位置，其通信距离一般不小于200Km。二级数据链通信站还备份一套全向天线，当集团数据链中心授权对三级数据链进行通信时，切换全向天线，给定二级数据链中心位置，以便三级数据链中心快速寻的跟踪二级数据链中心进行数据通信。

本系统任务为设计一套定向天线自动跟踪系统，分为主动式和被动式两种，主动式即自动寻的、主动对准对端天线；被动式为静止天线，由通信对端主动寻找跟踪。集团通信机为被动式，一般情况下该中心天线平台处于静止状态，由下级通信寻的跟踪，特殊情况下可改装定向天线，变为主动式跟踪系统，两系统的设备完全通用。主动式寻的跟踪装备于二、三级数据链中心，该系统以通信机信号为导引，自动控制定向天线云台转动，实现自动跟踪集团数据链无人机，使得无人机通信机平台的定向天线始终对准集团无人机，确保通信机通信链路畅通。

微波通信装备为了提高通信距离和传输保密性能，常用较窄波束的天线，这些天线具有较强的方向性，只有在波束以一定的精度对准通信对端，双方才能实现通信链路的闭合。因此，通信双方往往需要经过较长时间的搜索调整才能将两天线对准，实现正常通讯。显然，单凭操作人员的感官手动操作会使得天线指向调整时间长。难以实现精确对准。为了保证通信链路建立的快速性与可靠性，研究自动化程度高、对准速度快、精度高的微波天线自动对准系统具有非常重要的意义。本发明总体要求下级数据链中心向集团网络中心主动链接，因此集团数据链中心无人机平台一般采用较高增益的全向天线，便于下级数据链中心在不同的方位上主动寻的，与集团网络中心站构建无线通信应急网络。

主动跟踪的下级通讯站定向天线接收跟踪，数据传输天线亦为定向高增益天线。集体中心采用全向天线数据通信和跟踪信号通信。当需要对某些下级进行高速专向数据通信时刻切换至定向天线，关闭全向天线，以提高传输速率。

伺服驱动系统包括角度随动和天线驱动两部分，作用是使天线角度与控制信号发出的角度一致，天线驱动部分是天线转动的动力来源。

自动寻的跟踪系统工作流程为：

集团数据链中心无人机机载通信机开机→下级无人机数据链中心通信机开机→下级无人机数据链中心伺服驱动系统控制定向天线水平转动→伺服系统读取集团网络中心站通信机的误码率数据→当寻找到集团数据链中心站通信机的误码率数据最小值且小于设定的阈值，读取对应天线角度→伺服系统指挥天线转动到该角度→伺服系统控制天线上下左右摆动，使得天线始终对准误码率最小的方位→-实现数据通信无线链路对准连接。

系留无人机平台技术。

系留无人机平台技术有几个方面需要突破：

1) 必须具备长时间滞空的能力。多旋翼无人机的动力来自于无刷电机，这使其具备了由外部提供能源的较好条件，采用系留供电的方式由地面给多旋翼无人机提供电力，可以保证其获得持续动力，从而实现不间断、长时间持久飞行。

2) 稳定悬停的能力，这是多旋翼无人机自身具备的独特优势。由于需综合考虑载荷、系留供电系统的重量以及系留电缆的张力对多旋翼无人机的影响，目前多旋翼无人机多选择有效飞行高度在0～100m。

3) 可搭载一定通信载荷的能力。在搭载通信载荷和系留供电系统等载荷后，多旋翼无人机应仍能维持在其最恶劣允许飞行条件下的安全飞行。

4) 电磁兼容性能力。多旋翼无人机的动力系统、航电系统、系留供电系统以及通信载荷都会产生电磁辐射，电磁兼容性是其作为 “天线升高”必须解决的重要问题。

5) 安全降落能力。要求多旋翼无人机在遭遇系留供电系统突然断电等故障时可以依靠备用电池自主降落。

要实现系留多旋翼无人机通信系统的应用，需要突破适用于微型电缆的大功率电源高效输送技术、超轻型光电复合系留缆技术、机载超轻型高效功率电源技术、系留供电条件下的飞行安全保障技术、轻型化大功率通信载荷技术、天线共形技术等一系列关键技术。

上述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种应急通信组网系统，其特征在于，所述系统包括：

2.根据权利要求1所述的一种应急通信组网系统，其特征在于，所述第一多旋翼无人机和第二多旋翼无人机为应急通信组网系统的举升装置，用以克服地球曲率和地物障碍对数据天线的影响；所述第一多旋翼无人机和第二多旋翼无人机通过系留线缆留空，并由电力电缆向无人机提供电源以保持长时间留空。

3.根据权利要求1所述的一种应急通信组网系统，其特征在于，所述系统的无线数据链有两条，分别为：

4.根据权利要求3所述的一种应急通信组网系统，其特征在于，所述第二多旋翼无人机的机载天线采用全向天线，均配置有天线云台伺服传动系统，无线数据链主机通过所述天线云台伺服传动系统控制天线对准一级网络的无线数据链主机中心位置。

5.根据权利要求3所述的一种应急通信组网系统，其特征在于，在二级网络中，所述第二多旋翼无人机还连接一套全向天线，当集团网络中心授权对三级网络进行通信时切换全向天线，并且所述集团网络中心给定二级网络无线数据链主机的位置，以便三级网络中无线数据链主机快速寻的跟踪二级网络无线数据链主机进行数据通信。

6.根据权利要求1至5任一项所述的一种应急通信组网系统，其特征在于，所述系统的各级网络中心的中频收发信机采用FPGA 技术构成无线通信数据链平台，通过以软件定义无线电的方式实现OFDM通信系统功能。

7.根据权利要求6所述的一种应急通信组网系统的自动寻的方法，其特征在于，所述自动寻的方法包括以下步骤：

8.根据权利要求6所述的一种应急通信组网系统的通信组网方法，其特征在于，所述组网过程包括一级网络的被动式和二级网络、三级网络的主动式，所述一级网络与二级网络和/或三级网络之间组网时为被动式，集团网络中心天线平台处于静止状态，由下级通信寻的跟踪；

9.根据权利要求8所述的通信组网方法，其特征在于，根据集团网络中心的配置，所述二级网络和三级网络之间可平行组网，在平行组网时，由集团网络中心分配其中某个二级网络为上级网络，三级网络采用主动式向该二级网络发起通信请求。