CN112506175A - 一种无人机窄带遥控数据传输控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无人机窄带遥控数据传输控制系统及方法，包括地面控制席位、差分地面设备、串口编码模块、交换机、网络编码模块、链路地面终端以及链路机载终端，地面控制席位通过串口与串口编码模块连接，并通过串口编码模块与链路地面终端连接；地面控制席位、网络编码模块和链路地面终端均通过网络与交换机连接；串口编码模块与网络编码模块均用于组合地面控制席位传输的数据帧，并发送至链路地面终端；链路地面终端选择接收串口编码模块或网络编码模块传输的数据，并发送至链路机载终端。本发明能够有效增加通信带宽的使用效率，更安全可靠的进行无人机平台和载荷的控制；减少了地面差分发送电台和机载接收电台，降低系统成本。

Description

一种无人机窄带遥控数据传输控制系统及方法
技术领域
本发明涉及数据传输领域，特别涉及一种无人机窄带遥控数据传输控制系统及方法。
背景技术
近年来大型无人机行业快速发展，为了满足在一定成本内进行更远距离更可靠的通信，无人机上行链路带宽始终被限制在一定带宽范围内。随着无人机搭载各种载荷设备的应用越来越广泛，对无人机遥控传输内容也越来越多，比如同时传输飞行控制数据、差分数据、载荷控制数据、任务规划数据、链路控制数据等等。以往平台遥控数据和载荷遥控数据遵循多帧分开的传输方式，多种传输帧头占用了部分带宽，降低了通信带宽的使用效率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，提供了一种无人机窄带遥控数据传输控制系统及方法。
本发明采用的技术方案如下：一种无人机窄带遥控数据传输控制系统，包括地面控制席位、差分地面设备、串口编码模块、第一交换机、第二交换机、网络编码模块、链路地面终端以及链路机载终端，
地面控制席位通过串口与串口编码模块连接，并通过串口编码模块与链路地面终端连接；
地面控制席位、网络编码模块和链路地面终端均通过网络与第一交换机和第二交换机连接，并与第一交换机、第二交换机通信；
所述差分地面设备与地面控制席位通过串口连接，为地面控制席位提供差分信息；
串口编码模块与网络编码模块均用于组合地面控制席位传输的数据帧，并将组合后的遥控帧发送至链路地面终端；
链路地面终端按照自动优先级或通过手动设置通道接收串口编码模块或网络编码模块传输的数据，并发送至链路机载终端。
进一步的，所述地面控制席位包括飞行控制席位、任务控制席位、链路控制席位，
所述飞行控制席位产生飞行控制子帧、任务规划子帧、语音子帧；
所述任务控制席位产生载荷控制子帧、语音子帧；
所述链路控制席位产生链路控制子帧，接收差分信息并产生差分数据子帧；
所述链路控制席位在数据传输前，进行帧频设置和帧长设置并发送至飞行控制席位、任务控制席位、网络编码模块及串口编码模块，各个席位采用设置的帧频发送子帧。
进一步的，所述差分地面设备通过差分天线接收GPS提供的差分信息，并通过串口将差分信息传输至链路控制席位，由链路控制席位产生差分数据子帧进行传输。
进一步的，所述串口编码模块，按照设置的帧频接收飞行控制子帧、任务规划子帧、载荷控制子帧、链路控制子帧、差分数据子帧、语音子帧，并按照串口编码模块组帧逻辑将各个子帧数据组合成一帧遥控帧，组合后的遥控帧按照统一帧频通过串口传输到链路地面终端；所述串口编码模块组帧逻辑为：根据链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号，对每个周期接收到的所有子帧进行有效性过滤，丢弃无效的子帧，提取有效子帧的内容区；若1s内没有收到有效的飞行控制子帧，串口编码模块停止组帧；若1s内恢复收到有效飞行控制子帧，则串口编码模块进行组帧；所述有效子帧为飞机类型编号和链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号一致的帧。
进一步的，所述网络编码模块，具备双网数据的接收能力，分别通过第一交换机和第二交换机按照设置的统一帧频和优先级逻辑接收飞行控制子帧、任务规划子帧、载荷控制子帧、链路控制子帧、差分数据子帧、语音子帧，按照网络编码模块组帧逻辑将各子帧数据组合后的遥控帧按照统一帧频通过网口分别传输到第一交换机和第二交换机，并通过第一交换机和交换机传输到链路地面终端；所述网络编码模块组帧逻辑为：根据链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号，对每个周期接收到的所有子帧进行有效性过滤，丢弃无效的子帧，提取有效子帧的内容区；所述有效子帧为飞机类型编号和链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号一致的帧；所述优先级逻辑为：如果1s内没有收到优先级高的交换机的有效的飞行控制子帧，网络编码模块切换到优先级低的交换机进行数据接收和组帧；如果1s内恢复收到优先级高的交换机的有效的飞行控制子帧，则网络编码模块切换到优先级高的交换机进行数据接收和组帧；如果所有交换机都没有有效的飞行控制子帧，则网络编码模块根据优先级低的交换机接收到的有效的子帧进行组帧，其中第一交换机优先级高于第二交换机。
进一步的，所述链路地面终端通过串口连接串口编码板；链路地面终端拥有优先级判断能力，通过自动判断优先级进行数据接收或通过手动设置通道进行数据接收；其中，通道优先级串口高于第一交换机，第一交换机高于第二交换机。
进一步的，还包括带宽调节模块和帧长调节模块，均嵌入链路控制席位，带宽调节模块用于设置地面控制席位软件发送频率和串口编码模块及网络编码模块的编码频率，并动态配置地面控制席位产生的每种子帧发送频率和编码频率；帧长调节模块用于动态设置组合后的遥控帧帧长。
本发明还提供了一种无人机窄带遥控数据传输控制方法，包括：
步骤1、链路控制席位进行帧频设置和帧长设置，设置参数数据通过串口传输到串口编码板，通过交换机传输到网络编码板、任务控制席位和飞行控制席位；
步骤2、飞行控制席位进行飞行控制指令、任务规划数据、语音数据的获取并产生对应子帧数据，按照设置的帧频将各个子帧通过串口、第一交换机和第二交换机分别传输至串口编码模块、网络编码模块；任务控制席位进行载荷控制指令、语音数据的获取并产生对应子帧数据，按照设置的帧频将各个子帧通过串口、第一交换机和第二交换机分别传输至串口编码模块、网络编码模块；链路控制席位进行链路控制指令、差分信息的获取并产生对应子帧数据，按照设置的帧频将各个子帧通过串口、第一交换机和第二交换机分别传输至串口编码模块、网络编码模块；
步骤3、串口编码模块和网络编码模块分别按照设置的帧频和帧长，对飞行控制子帧、任务控制子帧、语音子帧、链路控制子帧、任务规划数据、差分数据子帧进行接收，提取各个子帧中的数据区内容，按照设置的帧长将各个数据区内容组合成一帧遥控帧，并按照设置的帧频发送至链路地面终端；
步骤4、链路地面终端进行遥控帧接收，并发送至链路机载终端；
步骤5、链路机载终端将数据分别发送至无人机中的飞行控制计算机和任务计算机，链路机载终端提取遥控帧中链路控制数据进行链路控制；飞行控制计算机提取遥控帧中飞行控制数据、差分信息进行飞行控制；任务计算机提取遥控帧中任务控制数据和语音数据进行载荷控制，将语音数据转发至机载语音电台。
进一步的，所述步骤4中，链路地面终端按照通道优先级或通过手动设置通道进行数据接收，并发送至链路机载终端，其中，通道优先级串口高于第一交换机，第一交换机高于第二交换机。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：采用发明的方案能够有效增加通信带宽的使用效率，在飞行控制席位出现故障的时候能够使用任务控制席位备份，增加控制席位冗余备份，增加遥控数据冗余备份，更加安全可靠的进行无人机平台和载荷的控制；使用数据链传输差分信息，减少了差分地面发送电台和差分机载接收电台，降低系统成本。
附图说明
图1为本发明提出的无人机窄带遥控数据传输控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1
如图1所示为本发明提出的一种无人机窄带遥控数据传输控制系统，包括地面控制席位、差分地面设备、串口编码模块、第一交换机、第二交换机、网络编码模块、链路地面终端以及链路机载终端，
地面控制席位通过串口与串口编码模块连接，并通过串口编码模块与链路地面终端连接；
地面控制席位、网络编码模块和链路地面终端均通过网络与第一交换机和第二交换机连接，并与第一交换机、第二交换机通信；
所述差分地面设备与地面控制席位通过串口连接，为地面控制席位提供差分信息；
串口编码模块与网络编码模块均用于组合地面控制席位传输的数据帧，并将组合后的遥控帧发送至链路地面终端；
链路地面终端按照自动优先级或通过手动设置通道接收串口编码模块或网络编码模块传输的数据，并发送至链路机载终端。
具体的，所述地面控制席位包括飞行控制席位、任务控制席位、链路控制席位，
所述飞行控制席位产生飞行控制子帧、任务规划子帧、语音子帧；
所述任务控制席位产生载荷控制子帧、语音子帧；
所述链路控制席位产生链路控制子帧，接收差分信息并产生差分数据子帧；
所述链路控制席位在数据传输前，进行帧频设置和帧长设置并发送至飞行控制席位、任务控制席位、网络编码模块及串口编码模块，各个席位采用设置的帧频发送子帧。
其中，差分地面设备通过差分天线接收GPS提供的差分信息，并通过串口将差分信息传输至链路控制席位，由链路控制席位产生差分数据子帧进行传输；差分数据通过链路传输，地面无需加载差分信号发射电台，机载无需加载差分信号接收电台；在链路覆盖范围内都可以提供差分信号。
所述串口编码模块，按照设置的帧频接收飞行控制子帧、任务规划子帧、载荷控制子帧、链路控制子帧、差分数据子帧、语音子帧，并按照串口编码模块组帧逻辑将各个子帧数据组合成一帧遥控帧，组合后的遥控帧按照统一帧频通过串口传输到链路地面终端；所述串口编码模块组帧逻辑为：根据链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号，对每个周期接收到的所有子帧进行有效性过滤，丢弃无效的子帧，提取有效子帧的内容区；若1s内没有收到有效的飞行控制子帧，串口编码模块停止组帧；若1s内恢复收到有效飞行控制子帧，则串口编码模块进行组帧；所述有效子帧为飞机类型编号和链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号一致的帧。
所述网络编码模块，具备双网数据的接收能力，分别通过第一交换机和第二交换机按照设置的帧频和优先级逻辑接收飞行控制子帧、任务规划子帧、载荷控制子帧、链路控制子帧、差分数据子帧、语音子帧，按照网络编码模块组帧逻辑将各子帧数据组合后的遥控帧按照统一帧频通过网口分别传输到第一交换和第二交换机，并通过第一交换机和第二交换机传输到链路地面终端；所述网络编码模块组帧逻辑为：根据链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号，对每个周期接收到的所有子帧进行有效性过滤，丢弃无效的子帧，提取有效子帧的内容区；所述有效子帧为飞机类型编号和链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号一致的帧；所述优先级逻辑为：如果1s内没有收到优先级高的交换机的有效的飞行控制子帧，网络编码模块切换到优先级低的交换机进行数据接收和组帧；如果1s内恢复收到优先级高的交换机的有效的飞行控制子帧，则网络编码模块切换到优先级高的交换机进行数据接收和组帧；如果所有交换机都没有有效的飞行控制子帧，则网络编码模块根据优先级低的交换机接收到的有效的子帧进行组帧，其中第一交换机优先级高于第二交换机。
所述链路地面终端通过串口连接串口编码板；链路地面终端拥有优先级判断能力，通过自动判断优先级进行数据接收或通过手动设置通道进行数据接收；其中，通道优先级串口高于第一交换机，第一交换机高于第二交换机。
实施例2
在实施例1的基础上，所述控制系统还包括带宽调节模块和帧长调节模块，均嵌入链路控制席位；带宽调节模块用于设置地面控制席位软件发送频率和串口编码模块及网络编码模块的编码频率，并动态配置地面控制席位产生的每种子帧发送频率和编码频率；帧长调节模块用于动态设置组合后的遥控帧帧长。
本发明还提供了一种无人机窄带遥控数据传输控制方法，包括：
步骤1、链路控制席位进行帧频设置和帧长设置，设置参数数据通过串口传输到串口编码板，通过交换机传输到网络编码板、任务控制席位和飞行控制席位；
步骤2、飞行控制席位进行飞行控制指令、任务规划数据、语音数据的获取并产生对应子帧数据，按照设置的帧频将各个子帧通过串口、第一交换机和第二交换机分别传输至串口编码模块、网络编码模块；任务控制席位进行载荷控制指令、语音数据的获取并产生对应子帧数据，按照设置的帧频将各个子帧通过串口、第一交换机和第二交换机分别传输至串口编码模块、网络编码模块；链路控制席位进行链路控制指令、差分信息的获取并产生对应子帧数据，按照设置的帧频将各个子帧通过串口、第一交换机和第二交换机分别传输至串口编码模块、网络编码模块；
步骤3、串口编码模块和网络编码模块分别按照设置的帧频和帧长，对飞行控制子帧、任务控制子帧、语音子帧、链路控制子帧、任务规划数据、差分数据子帧进行接收，提取各个子帧中的数据区内容，按照设置的帧长将各个数据区内容组合成一帧遥控帧，并按照设置的帧频发送至链路地面终端；
步骤4、链路地面终端进行遥控帧接收，并发送至链路机载终端；
步骤5、链路机载终端将数据分别发送至无人机中的飞行控制计算机和任务计算机，链路机载终端提取遥控帧中链路控制数据进行链路控制；飞行控制计算机提取遥控帧中飞行控制数据、差分信息进行飞行控制；任务计算机提取遥控帧中任务控制数据和语音数据进行载荷控制，将语音数据转发至机载语音电台。
其中，所述步骤4中，链路地面终端按照通道优先级或通过手动设置通道进行数据接收，并发送至链路机载终端，其中，通道优先级串口高于第一交换机，第一交换机高于第二交换机。
采用本发明提出的方案具有以下优点：
1.将各种控制数据有效区域提取合并成遥控帧，减少了各个子帧帧头部分传输带宽的开销，极大提高了窄带遥控链路的带宽使用率。
2.合并遥控帧，统一了地面和机载数据的校验传输协议，对于地面换装不同载荷控制协议，都可以达到透明传输的效果。任务计算机只需要按照一种校验方式就可以适应不同的载荷换装和监控。
3.提供串口和网络不同物理形式的传输备份，加强和提高了系统的可靠性。
4.可根据换装的数据链路或载荷设备的带宽使用需求，在不改变平台硬件状态和软件状态的基础上，动态进行带宽和协议的适配，以满足使用需求。
5.使用链路进行差分数据传输，提高差分数据作用距离，减少地面差分电台和机载电台，降低系统建设成本。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (9)

1.一种无人机窄带遥控数据传输控制系统，其特征在于，包括地面控制席位、差分地面设备、串口编码模块、第一交换机、第二交换机、网络编码模块、链路地面终端以及链路机载终端，
地面控制席位通过串口与串口编码模块连接，并通过串口编码模块与链路地面终端连接；
地面控制席位、网络编码模块和链路地面终端均通过网络与第一交换机和第二交换机连接，并与第一交换机、第二交换机通信；
所述差分地面设备与地面控制席位通过串口连接，为地面控制席位提供差分信息；
串口编码模块与网络编码模块均用于组合地面控制席位传输的数据帧，并将组合后的遥控帧发送至链路地面终端；
链路地面终端按照自动优先级或通过手动设置通道接收串口编码模块或网络编码模块传输的数据，并发送至链路机载终端。
2.根据权利要求1所述的无人机窄带遥控数据传输控制系统，其特征在于，所述地面控制席位包括飞行控制席位、任务控制席位、链路控制席位，
所述飞行控制席位产生飞行控制子帧、任务规划子帧、语音子帧；
所述任务控制席位产生载荷控制子帧、语音子帧；
所述链路控制席位产生链路控制子帧，接收差分信息并产生差分数据子帧；
所述链路控制席位在数据传输前，进行帧频设置和帧长设置并发送至飞行控制席位、任务控制席位、网络编码模块及串口编码模块，各个席位采用设置的帧频发送子帧。
3.根据权利要求2所述的无人机窄带遥控数据传输控制系统，其特征在于，所述差分地面设备通过差分天线接收GPS提供的差分信息，并通过串口将差分信息传输至链路控制席位，由链路控制席位产生差分数据子帧进行传输。
4.根据权利要求2所述的无人机窄带遥控数据传输控制系统，其特征在于，所述串口编码模块，按照设置的帧频接收飞行控制子帧、任务规划子帧、载荷控制子帧、链路控制子帧、差分数据子帧、语音子帧，并按照串口编码模块组帧逻辑将各个子帧数据组合成一帧遥控帧，组合后的遥控帧按照帧频通过串口传输到链路地面终端；所述串口编码模块组帧逻辑为：根据链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号，对每个周期接收到的所有子帧进行有效性过滤，丢弃无效的子帧，提取有效子帧的内容区；若1s内没有收到有效的飞行控制子帧，串口编码模块停止组帧；若1s内恢复收到有效的飞行控制子帧，则串口编码模块进行组帧；所述有效子帧为飞机类型编号和链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号一致的帧。
5.根据权利要求3所述的无人机窄带遥控数据传输控制系统，其特征在于，所述网络编码模块，具备双网数据的接收能力，分别通过第一交换机和第二交换机按照设置的帧频和优先级逻辑接收飞行控制子帧、任务规划子帧、载荷控制子帧、链路控制子帧、差分数据子帧、语音子帧，按照网络编码模块组帧逻辑将各子帧数据组合成一帧遥控帧，组合后的遥控帧按照设置的帧频通过网口分别传输到第一交换机和第二交换机，并通过第一交换机和第二交换机传输到链路地面终端；所述网络编码模块组帧逻辑为：根据链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号，对每个周期接收到的所有子帧进行有效性过滤，丢弃无效的子帧，提取有效子帧的内容区；所述有效子帧为飞机类型编号和链路控制子帧中设置的链路对应的飞机类型编号一致的帧；所述优先级逻辑为：如果1s内没有收到优先级高的交换机的有效的飞行控制子帧，网络编码模块切换到优先级低的交换机进行数据接收和组帧；如果1s内恢复收到优先级高的交换机的有效的飞行控制子帧，则网络编码模块切换到优先级高的交换机进行数据接收和组帧；如果所有交换机都没有有效的飞行控制子帧，则网络编码模块根据优先级低的交换机接收到的有效的子帧进行组帧，其中第一交换机优先级高于第二交换机。
6.根据权利要求4所述的无人机窄带遥控数据传输控制系统，其特征在于，所述链路地面终端通过串口连接串口编码板；链路地面终端拥有优先级判断能力，通过自动判断优先级进行数据接收或通过手动设置通道进行数据接收；其中，通道优先级串口高于第一交换机，第一交换机高于第二交换机。
7.根据权利要求6所述的无人机窄带遥控数据传输控制系统，其特征在于，还包括带宽调节模块和帧长调节模块，均嵌入链路控制席位；带宽调节模块用于设置地面控制席位软件发送频率和串口编码模块及网络编码模块的编码频率，并动态配置地面控制席位产生的每种子帧发送频率和编码频率；帧长调节模块用于动态设置组合后的遥控帧帧长。
8.一种无人机窄带遥控数据传输控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、链路控制席位进行帧频设置和帧长设置，设置参数数据通过串口传输到串口编码板，通过交换机传输到网络编码板、任务控制席位和飞行控制席位；
步骤2、飞行控制席位进行飞行控制指令、任务规划数据、语音数据的获取并产生对应子帧数据，按照设置的帧频将各个子帧通过串口、第一交换机和第二交换机分别传输至串口编码模块、网络编码模块；任务控制席位进行载荷控制指令、语音数据的获取并产生对应子帧数据，按照设置的帧频将各个子帧通过串口、第一交换机和第二交换机分别传输至串口编码模块、网络编码模块；链路控制席位进行链路控制指令、差分信息的获取并产生对应子帧数据，按照设置的帧频将各个子帧通过串口、第一交换机和第二交换机分别传输至串口编码模块、网络编码模块；
步骤3、串口编码模块和网络编码模块分别按照设置的帧频和帧长，对飞行控制子帧、任务控制子帧、语音子帧、链路控制子帧、任务规划数据、差分数据子帧进行接收，提取各个子帧中的数据区内容，按照设置的帧长将各个数据区内容组合组成一帧遥控帧，并按照设置的帧频发送至链路地面终端；
步骤4、链路地面终端进行遥控帧接收，并发送至链路机载终端；
步骤5、链路机载终端将数据分别发送至无人机中的飞行控制计算机和任务计算机，链路机载终端提取遥控帧中链路控制数据进行链路控制；飞行控制计算机提取遥控帧中飞行控制数据、差分信息进行飞行控制；任务计算机提取遥控帧中任务控制数据和语音数据进行载荷控制，将语音数据转发至机载语音电台。
9.根据权利要求8所述的无人机窄带遥控数据传输控制方法，其特征在于，所述步骤4中，链路地面终端按照通道优先级或通过手动设置通道进行数据接收，并发送至链路机载终端，其中，通道优先级串口高于第一交换机，第一交换机高于第二交换机。
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