CN113068171A - 一种基于sdr-mimo高精度的无人机4g无线应急通信平台 - Google Patents

一种基于sdr-mimo高精度的无人机4g无线应急通信平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SDR‑MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台，在Ubuntu操作系统SDR架构下，基于srsLTE开源软件系统和BladeRF无线电开发板建立4G无线应急通信平台，包括设置于无人机上的SDR‑MIMO无线4G通信模块和设置于陆地侧的GNSS基准站，SDR‑MIMO无线4G通信模块包括树莓派开发板及分别与树莓派开发板连接的软件无线电开发板BladeRF、GNSS移动站接收机和电源模块；BladeRF通过SPDT与功率放大器连接，功率放大器与连接发射天线；BladeRF通过无线电信号接收口连接接收天线；GNSS移动站接收机和GNSS基准站均包括数传模块和RTK板卡。本发明在不依靠共用通信网情况下可实时获取无人机MIMO无线信道应急保障平台通信覆盖范围，可对无线电的空‑地、地‑空、空‑空状态的无线信道传播进行测试。

Description

一种基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台。
背景技术
随着城市化进程加快，城区的地形及建筑环境变得越发的复杂，对相关无线电信号的有效覆盖带来了较大的挑战。MIMO(多输入多输出系统)是移动通信中常用的技术手段，可对信道衰落进行抑制，同时增加系统的吞吐量和发送距离，有效提高通信质量。但当遭遇突发自然灾害及极端恶略气候情况使地面共用通信网设施遭受重创基本处于瘫痪状态时，必须建立临时通信网络进行抢险救灾应急通信，解决话音、数据、视频信号传输问题，以满足应急前线指挥部署、工作调度相关需求。现阶段应对突发灾害的通信保障手段主要以应急通信车为主。但应急通信车容易受到交通阻塞、极端地形环境等因素限制，导致在大型自然灾害及极端恶劣天气条件下往往难以及时到达现场，且由于车桅高度限制，导致天线投射面积有限影响应急通信覆盖面积。
采用无人机将无线电发射基站位于空中时，具有机动灵活、环境适应性强等优势，并且可最大程度避免由于多径等因素带来的信号质量的下降。但无线电信号的空-地发射模型尚停留在理论分析阶段，对MIMO技术的无线信道分析方法也以地面为主，而MIMO空-地传输无线信通应急保障技术需要精确获取无人机经纬度、以及飞行高度和方向角相关数据信息，目前相关技术领域尚不成熟。另一方面，目前无线电信号的空-地传播测试主要测试手段分为无人机测试和热气球测试，热气球测试滞空时间长，但测试条件要求高，且在航路区域或市区及其他航空管制区受限较大，无人机测试相对灵活，但测试滞空时间短，飞行高度低，在航空管制区域高度受限，同时载重也受到一定限制。
综上，目前采用基于MIMO的无人机进行无线应急通信技术的缺陷如下：
(1)当前尚无基于软件无线电(Software Defined Radio，SDR)架构下，基于srsLTE软件系统和软件无线电开发板BladeRF下的空中4G应急通信平台。
(2)当前尚无有效的测试MIMO空-地传输信道的无线电发射平台，很难将常规的无线电发射端设置到无人机上。
(3)当前无线电发射设备体积和功耗比较大，且可定制性差，很难从科学研究的角度去进行无线信道的测试。
(4)空中平台无法实现无线电信号的空-空发射和接收。
(5)在共用通信网设施遭受重创处于瘫痪状态，当前MIMO空-地传输无线信通应急保障需精确了解无人机发射基站经纬度坐标、高度、倾斜角等信息才能进行相关应急通信保障覆盖范围的测算。
发明内容
针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台，旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台，所述4G无线应急通信平台是在Ubuntu操作系统SDR架构下，基于srsLTE开源软件系统和软件无线电开发板BladeRF建立，所述4G无线应急通信平台包括设置于无人机上的SDR-MIMO无线4G通信模块和设置于陆地侧的GNSS基准站，所述SDR-MIMO无线4G通信模块包括树莓派开发板、软件无线电开发板BladeRF、GNSS移动站接收机及电源模块，所述电源模块为各部分提供电源，所述树莓派开发板分别与软件无线电开发板BladeRF和GNSS移动站接收机连接；软件无线电开发板BladeRF通过无线电信号发射口分别连接第一单刀双掷型电子开关和第二单刀双掷型电子开关，第一单刀双掷型电子开关与功率放大器的射频输入口连接，第二单刀双掷型电子开关与功率放大器的射频输出口连接，且第二单刀双掷型电子开关连接发射天线；软件无线电开发板BladeRF通过无线电信号接收口连接接收天线；所述GNSS移动站接收机和GNSS基准站均包括数传模块和RTK板卡，且GNSS移动站接收机和GNSS基准站分别连接有GNSS天线；
优选地，所述树莓派开发板通过板载的hdmi接口连接有触摸屏，所示触摸屏的电源通过与树莓派开发板的USB接口连接提供。
优选地，所述树莓派开发板上设有WLAN接口。
优选地，所述软件无线电开发板BladeRF设有至少两个无线电信号发射口和至少两个无线电信号接收口，且每个无线电信号发射口单独连接有功率放大器，每个无线电信号接收口单独连接有接收天线。
优选地，所述GNSS移动站接收机采用GNSS SoC芯片。
优选地，所述树莓派开发板分别通过USB接口与软件无线电开发板BladeRF的USB接口、GNSS移动站接收机的RS232接口连接及电源模块的USB接口连接。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的无人机4G无线应急通信平台是在Ubuntu操作系统SDR架构下，基于srsLTE开源系统和软件无线电开发板BladeRF建立，设计了无人机机载MIMO无线电信号发射源，在不依靠共用通信网情况下，无人机机载MIMO发射设备经纬度坐标、高度、倾斜角信息实时获取以计算出无人机MIMO无线信道应急保障平台通信覆盖范围。本发明可对无线电的空-地、地-空、空-空状态的无线信道传播进行测试。同时基于GNSS-RTK技术能够实时获取无人机飞行经纬度和高程信息，结合发射频率、功率、天线增益进行覆盖范围计算，从而为无线信道应急测算出相应通信覆盖区域面积。
(2)本发明从已有的无人机平台出发，充分考虑到当前无人机的载重和续航，结合未来通讯的发展趋势，提出了一种基于srsLTE技术和BladeRF轻量化的机载多功能无线电信号收/发应急通信保障平台，可实现MIMO信道的收发，为无线电信号空-地及空-空传播特性的提供有效保障。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台的组成示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明以软件无线电开发板BladeRF、Raspberry Pi(树莓派)、GNSS-RTK(全球卫星导航系统动态差分)技术为基础，基于Ubuntu17.04版本操作系统SDR构架下srsLTE开源系统搭建了一个小型化、轻量、长续航以及可定制的应急无线电收发4G平台。软件无线电(Software Defined Radio)是在标准、通用和模块化的硬件平台基础上，利用软件编程实现了不同通信功能和应用。传统无线电模块利用硬件电路设计实现，特定电路只能实现对应的功能，且开发周期长、成本高，而软件实现缩短了开发周期、降低成本，且易于部署、调试和维护。本发明采用SDR技术架构下srsLTE(Software Radio System LTE)开源软件系统，支持单天线、发射分集等天线模式，可支持1.4、3、5、10、15和20MHz带宽下LTERelease10版本下4G应急无线通信。基于树莓派开发板搭建srsLTE具有体积轻便、快速搭建、维护调试灵活、功耗低等诸多优势。基于软件无线电开发板BladeRF，能够支持USB3.0总线供电下搭建超高速软件无线电平台，具有300MHz-3.8GHz射频范围，具有覆盖频段广、功耗低、体积小、低噪声，运行稳定等诸多优点，能够实现可控无线电信号在空中的发射和接收监测，在自然灾害及极端恶略气候条件下为空地无线通信场景提供了应急保障平台。
如图1所示，载重无人机上设置SDR-MIMO无线4G通信模块，陆地侧设置GNSS基准站，载重无人机选配大疆T16、T20、T30系列，或极飞P20、P30、P80系列。SDR-MIMO无线4G通信模块包括树莓派开发板、软件无线电开发板BladeRF、GNSS移动站接收机及电源模块，电源模块通过USB接口为各部分提供电源，树莓派开发板也分别通过USB接口与BladeRF和GNSS移动站接收机连接。
树莓派是本平台的核心，主要负责命令的下达和相关器件的控制，本发明通过两种方式对树莓派开发板进行控制，一是通过树莓派板载的hdmi接口连接有触摸屏，通过触摸屏进行控制可以保证测试现场的操作方便，同时也可以指示当前的系统工作状态。二是树莓派开发板上设有WLAN接口，用户也可通过WLAN接口实现远程控制，灵活的对树莓派开发板收/发的相关参数进行修改。树莓派开发板供电由电源的USB电源输出提供，触摸屏电源由树莓派开发板载USB接口提供，当用户采用远程控制模式时，可从树莓派开发板上移除触摸屏以节省功耗和降低整个系统的重量。
软件无线电开发板BladeRF主要负责发射或接收无线电信号，具体收发指令由树莓派开发板USB1口进行下发，在发射时无线电信号由TX1及TX2口发出，分别通过单刀双掷型电子开关SPDT-A和SPDT-B进入功率放大器1和功率放大器2的RF In口，经过放大的信号再分别由功率放大器1和功率放大器2的RF Out口进入SPDT-C和SPDT-D与发射天线1和发射天线2相连接进行发射，同时USRP的TX1以及TX2口也与SPDT-C和SPDT-D相连接。BladeRF要通过RX1和RX2连接接收天线3和接收天线4进行无线电信号的接收，接收天线采集的信号直接由RX口进入BladeRF，经过处理后在送入树莓派进行分析和存储(参照图1)。
功率放大器负责对BladeRF输出的信号进行放大，本发明采用双功放的模式，每个功率放大器单独供电，可独立工作。结合功率放大器将TX1口或TX2口输入的信号放大后由RF Out口输出至发射天线端，同时通过电源提供的220V电源输出口进行供电。单刀双掷型电子开关(SPDT)主要负责信号发射路线的切换，在SPDT的控制下，系统可实现单频点信号的发射，即只使用TX1或TX2其中一个发射通道进行发射；也可同时使用两个通道进行发射，此时系统处于MIMO发射状态，如果TX1和TX2同时通过功率放大器则处于高功率MIMO，否则处于低功率MIMO状态。
GNSS-RTK由GNSS北斗定位模块可支持单移动站(组装配置在无人机上)和GNSS移动-接收站(基准站)两种模式组成，GNSS移动站接收机和GNSS基准站均包括数传模块和RTK板卡，且GNSS移动站接收机和GNSS基准站分别通过ANT接口连接有GNSS天线，树莓派开发板通过USB2接口与GNSS移动站接收机的RS232接口连接。其中双天线GNSS移动站接收机使用高性能GNSS SoC芯片，集成两个ARM处理器及专用双浮点处理器，能够完成基带和RTK解算功能，聚焦在建筑物群、树荫、过桥遮挡等复杂环境下使用，负责实时传输无人机经纬度信息以及相关高程数据信息，从而为无线信道应急测算出相应通信覆盖区域面积。其中GNSS-RTK单移动站模式能够达到1.5m水平精度及50Hz位置数据刷新频率，而采用GNSS-RTK单基线场景能够达到8mm水平精度及50Hz位置数据刷新频率，满足特殊高精度定位场景下无线通信应用保障。
电源模块是整个系统的电源供给部分，本发明采用电源模块能量约为200Wh，支持200W功率输出，实测整个系统可持续工作30分钟(高功率发射模式)/60分钟(低功率发射模式)/120分钟(接收模式)，如果需要进一步延长工作时间，可以提高电源模块的能量，但要考虑整个系统重量的增加。
本发明从轻量长续航的角度出发，利用最小体积和最小重量对整个系统进行了优化，经实测，系统总重量低于8Kg，如果仅需要进行接收测量，则可进一步优化至5kg左右。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台，其特征在于，所述4G无线应急通信平台是在Ubuntu操作系统SDR架构下，基于srsLTE开源软件系统和软件无线电开发板BladeRF建立，所述4G无线应急通信平台包括设置于无人机上的SDR-MIMO无线4G通信模块和设置于陆地侧的GNSS基准站，所述SDR-MIMO无线4G通信模块包括树莓派开发板、软件无线电开发板BladeRF、GNSS移动站接收机及电源模块，所述电源模块为各部分提供电源，所述树莓派开发板分别与软件无线电开发板BladeRF和GNSS移动站接收机连接；软件无线电开发板BladeRF通过无线电信号发射口分别连接第一单刀双掷型电子开关和第二单刀双掷型电子开关，第一单刀双掷型电子开关与功率放大器的射频输入口连接，第二单刀双掷型电子开关与功率放大器的射频输出口连接，且第二单刀双掷型电子开关连接发射天线；软件无线电开发板BladeRF通过无线电信号接收口连接接收天线；所述GNSS移动站接收机和GNSS基准站均包括数传模块和RTK板卡，且GNSS移动站接收机和GNSS基准站分别连接有GNSS天线。
2.如权利要求1所述的基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台，其特征在于，所述树莓派开发板通过板载的hdmi接口连接有触摸屏，所示触摸屏的电源通过与树莓派开发板的USB接口连接提供。
3.如权利要求1或2所述的基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台，其特征在于，所述树莓派开发板上设有WLAN接口。
4.如权利要求1所述的基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台，其特征在于，所述软件无线电开发板BladeRF设有至少两个无线电信号发射口和至少两个无线电信号接收口，且每个无线电信号发射口单独连接有功率放大器，每个无线电信号接收口单独连接有接收天线。
5.如权利要求1所述的基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台，其特征在于，所述GNSS移动站接收机采用GNSS SoC芯片。
6.如权利要求1或5所述的基于SDR-MIMO高精度的无人机4G无线应急通信平台，其特征在于，所述树莓派开发板分别通过USB接口与软件无线电开发板BladeRF的USB接口、GNSS移动站接收机的RS232接口连接及电源模块的USB接口连接。
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