CN113949489B - 无人机双链路综合调度系统的调度方法 - Google Patents

无人机双链路综合调度系统的调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种无人机双链路综合调度系统的调度方法，将主链路设置为副链路参数配置信道、将副链路设置为主链路参数配置信道，由地面端和机载端进行双向通信质量评估，根据评估结果对主链路和副链路通信参数进行实时调整，增强系统对动态变化信道的自适应能力，提高通信可靠性；克服了传统无人机主链、副链独立设计、互不铰链的不足，采用主链路与副链路互相进行参数配置的方法提高视距通信系统的灵活性和抗干扰能力。

Description

无人机双链路综合调度系统的调度方法
技术领域
本发明属于无人机通信技术领域，具体涉及一种无人机双链路综合调度系统的调度方法。
背景技术
一般地，无人机系统中用于实现通信功能的系统包含测控通信系统和数据传输系统。其中，测控通信系统用于传输无人机飞行控制系统(飞控系统)上行遥控和下行遥测数据。数据传输系统用于实现任务载荷数据上下行传输。
为满足无人机测控通信和任务载荷传输要求，无人机一般配备主链路和副链路。传统设计方式中，无人机主链路和副链路通常相互独立，由于缺少反馈控制信道，无人机主链路和副链路的通信速率等通信参数通常不能按照信道条件进行自适应设置，不能实时进行参数调整和重新配置，对信道利用率不高，可靠通信能力偏弱。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种无人机双链路综合调度系统及其调度方法，其中该系统包括地面端机和机载端机，所述地面端机和所述机载端机均包括连接有电源管理模块的信息处理电路，所述信息电路通过基带编码调制模块和基带解码解调模块连接有主链路射频模块和副链路射频模块；
所述地面端机还包括地面主天线和地面副天线，所述地面主天线和所述地面副天线分别与所述地面端机上的主链路射频模块和副链路射频模块连接；
所述机载端机还包括机载主天线和机载副天线，所述机载主天线和所述机载副天线分别与所述机载端机上的主链路射频模块和副链路射频模块连接；
所述地面主天线和所述机载主天线之间即构成主链路，所述地面副天线与所述机载副天线之间即构成副链路。
进一步的，所述信息处理电路包括处理器芯片，所述处理器芯片连接有调试接口电路、实时时钟电路、网口电路、内存电路、电子盘电路和串口电路。
进一步的，所述调试接口电路包括视频转换芯片以及若干USB接口。
进一步的，所述网口电路包括四路千兆以太网，其中一路千兆以太网直接连接网络接口，另外三路千兆以太网通过PCIE总线扩展后再连接网络接口。
进一步的，所述串口电路包括两路采用LPC总线扩展的收发器芯片，分别对应主链路射频模块和副链路射频模块。
一种上述的无人机双链路综合调度系统的调度方法，包括以下步骤：
判断当前链路是否需要重新调整通信参数；
机载端机将新的通信参数通过另一条链路发送给地面端机；
当前链路选用最合适的通信参数进行通信。
进一步的，判断当前链路是否需要重新调整通信参数包括以下步骤：
统计一定周期内机载端机和地面端机之间的通信丢包率；
若统计到的通信丢包率小于预设值，则使用当前通信参数继续进行通信；
若统计到的通信丢包率大于预设值，则判断当前链路需要重新调整通信参数。
进一步的，当前链路选用最合适的通信参数进行通信包括以下步骤：
待当前数据包传输完成后，机载端机和地面端机按照新的通信参数设置当前链路，并重新建链；
建链成功后，统计一定周期内重新建链的丢包率；
若重新建链的丢包率小于重新建链前的丢包率，则选用新的通信参数进行通信；
若重新建链的丢包率大于重新建链前的丢包率，则机载端机将另一个新的通信参数通过另一条链路发送给地面端机然后循环上述步骤。
进一步的，当前链路选用最合适的通信参数进行通信还包括以下步骤：
当机载端机和地面端机重新建链的时间超过预设时间，则将通信参数直接重置为重新建链之前的通信参数，并以此参数进行通信。
进一步的，当前链路选用最合适的通信参数进行通信还包括以下步骤：
当机载端机和地面端机在预设时间内成功重新建链，还需要判断此周期内成功的重新建链的次数是否达到预设次数——若达到预设次数，则将通信参数直接重置为重新建链之前的通信参数，并以此参数进行通信。
本发明的有益效果在于：本发明提供的无人机双链路综合调度系统的调度方法，增强了系统对动态变化信道的自适应能力，提高通信可靠性；克服了传统无人机主链、副链独立设计、互不铰链的不足，采用主链路与副链路互相进行参数配置的方法提高视距通信系统的灵活性和抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明通信系统的示意图，
图2为本发明机载信息处理模块和地面信息处理模块的逻辑连接图；
图3为本发明通信方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，下列实施例仅用于解释本发明的发明内容，不用于限定本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提出了一种无人机双链路综合调度系统，该系统包括包括地面端机和机载端机，所述地面端机和所述机载端机均包括连接有电源管理模块的信息处理电路，所述信息电路通过基带编码调制模块和基带解码解调模块连接有主链路射频模块和副链路射频模块；
所述地面端机还包括地面主天线和地面副天线，所述地面主天线和所述地面副天线分别与所述地面端机上的主链路射频模块和副链路射频模块连接；所述机载端机还包括机载主天线和机载副天线，所述机载主天线和所述机载副天线分别与所述机载端机上的主链路射频模块和副链路射频模块连接；所述地面主天线和所述机载主天线之间即构成主链路，所述地面副天线与所述机载副天线之间即构成副链路。
所述信息处理电路包括处理器芯片，所述处理器芯片连接有调试接口电路、实时时钟电路、网口电路、内存电路、电子盘电路和串口电路。
所述调试接口电路包括视频转换芯片以及若干USB接口。
所述网口电路包括四路千兆以太网，其中一路千兆以太网直接连接网络接口，另外三路千兆以太网通过PCIE总线扩展后再连接网络接口。
所述串口电路包括两路采用LPC总线扩展的收发器芯片，分别对应主链路射频模块和副链路射频模块。
副链路主要是满足近场范围内的通信需要，传输频段不用选择高频段；而主链路主要是为了保障远距离数据通信，传输频段一般选择高频段(L、C和X频段)，定向跟踪天线波束一般较窄，其波束宽度随天线增益提高而减小。例如对于X频段通信、天线增益为39dB的地面定向跟踪天线，其波束宽度通常仅有1.5°左右。因此主链路须采用伺服跟踪方式实现信号捕获和跟踪，其跟踪体制通常分为单通道单脉冲体制自跟踪和基于目标GPS信息的引导跟踪。单通道单脉冲体制自跟踪系统无需目标位置信息，但系统较为复杂，成本昂贵。而基于目标GPS信息的引导跟踪算法需要已知目标经纬度信息、本地经纬度、姿态信息和航向信息，基本思路是首先建立地理坐标中天线指向的数学模型，然后将地理坐标系转换为本地坐标系，从而解算出天线指向的方位和俯仰角。由于链路的波束宽度、伺服控制系统角速度、角加速度、跟踪处理延时等约束，链路通常不能稳定保障近场(500米)范围内的无人机测控通信和自动跟踪。一般情况下，无人机需要在升空之后在一定范围内盘旋，根据无人机目标信息对天线进行手动引导，从而开展后续跟踪通信。
因此在本申请中，主链路采用X波段频率资源，副链路采用U波段频率资源，两条通信链路物理层传输通道相互独立，但两条链路通过与综合信息处理单元连接，能够同时传输飞控信息。地面主天线采用环焦型双反射面天线，地面副天线采用全向杆状天线，机载的主天线和副天线均采用全向杆状天线；利用GPS跟踪引导算法，搭配地面主天线伺服控制系统，基于本地GPS、本地陀螺航姿信息以及无人机目标GPS信息，对无人机目标实现定向跟踪通信。
另外，如图2所示，机载信息处理模块和地面信息处理模块均采用如图2所示的硬件架构，以CPU处理器为核心，移植Win7E操作系统或桌面Linux操作系统，由调试接口电路、RTC电路、网口电路、内存电路、电子盘电路和串口电路组成。信息处理模块主要完成业务信息、状态信息处理、参数配置等，其功能如下：
1)将多种载荷信息复接成串行数据，通过主链路和副链路通道发送；
2)实现不同外围设备数据的流量控制；
3)实现机载外围设备不同物理接口形式的接口转换；
4)实现不同业务数据的综合信息处理，主要包括对数据包的解析和处理等；
5)实现设备内部板卡模块的参数配置和状态监测。
信息处理模块的信息处理分为业务信息处理、状态信息处理和参数配置/状态查询。主要信息处理流程如下。
业务信息处理：
LTE设备、AIS设备、SOS设备、Video设备、飞控系统分别通过各自以太网口、串口接入信息处理模块。处于发送状态时，信息处理模块将上述设备的多路业务数据以及测控链路状态信息复接为1路数据并进行流量控制(即对超出预定带宽的数据先缓存，超出缓存则丢弃)，之后发送给主链路调制解调板和射频通道，经编码、调制、上变频和功率放大后经机载天线下行数据。同时，飞控的备份数据通过RS422串口接入信息处理单元，信息处理单元将飞控备份数据和测控链路状态信息发送给副链路调制解调板和功放模块处理，并通过空口下行数据。
处于接收状态时，信息处理单元对经过解调、解码的数据进行解复接，转发给相应通信载荷和飞控系统；对接收到的测控链路配置/查询信息进行相应处理和响应。
状态信息处理：
状态信息具有定时下发和查询下发两种模式。定时下发时，信息处理单元按照预设周期(暂定1s)将收集到的机载端机内部其他各板卡的状态信息，通过空口发送给地面。查询下发时，当机载端机接收到查询指令时才将内部各模块的状态信息通过空口发送出去。
参数配置：
机载端机的参数配置可以通过单独预留的配置口进行参数注入，也可以通过空口接收参数配置信息。信息处理单元按照接收到的参数配置信息对本机相应参数(主链路频点、速率，副链路频点等)进行配置。
结合图3，以主链路为例，上述技术方案的调度方法具体包括以下步骤：
(1)机载端机和地面端机依据通信丢包率L1判断主链路是否需要重新调整通信参数(以传输速率R1为例)，若L1大于预设值则转到步骤(2)，若L1小于预设值继续正常通信；
(2)判断主链路是否有正在传输中的飞行控制数据包D1，若有则等待当前一包数据完成传输，否则转到步骤(3)；
(3)机载端机确定主链路新的传输速率R2(其中R2＜R1，差值可以根据实际应用场景具体设置)，并以数据包形式通过副链路将传输速率设为R2的参数设置要求传输到地面端机，转到步骤(4)；
(4)地面端机通过副链路发送反馈应答，确认需要设置的传输速率为R2，转到步骤(5)；
(5)地面端机和机载端机同时将传输速率调整为R2，完成后转到步骤(6)；
(6)机载和地面端机通过主链路尝试重新建链，若在时间限定范围内建链成功则转到步骤(7)，否则转到步骤(9)；
(7)当前通信参数下的主链路丢包率为L2，若L2≤L1，则按照传输速率为R2进行通信；若L2＞L1，转到步骤(8)；
(8)设当前主链路通信参数调整次数为T1，预设调整次数上限为T2，若T1＜T2，则将传输速率设为R3，其中R3＜R2(其中R3与R2的差值等于R2与R1的差值)，并转到步骤(2)；否则转到步骤(10)；
(9)将主链路传输速率调整为上一次正常通信的速率R1，并尝试重新建链，成功后转到步骤(10)；
(10)无人机视距通信系统的主链路按照当前参数设置开展上行和下行数据正常通信，不进行调整。
对应的，副链路的调度方法步骤与上述步骤类似，即利用主链路传输副链路的通信参数，经对比后选择最合适的通信参数(丢包率最小)进行通信。
综上，仅为本发明之较佳实施例，不以此限定本发明的保护范围，凡依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆为本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (3)

1.一种无人机双链路综合调度系统的调度方法，调度系统包括地面端机和机载端机，所述地面端机和所述机载端机均包括连接有电源管理模块的信息处理电路，所述信息电路通过基带编码调制模块和基带解码解调模块连接有主链路射频模块和副链路射频模块；所述地面端机还包括地面主天线和地面副天线，所述地面主天线和所述地面副天线分别与所述地面端机上的主链路射频模块和副链路射频模块连接；所述机载端机还包括机载主天线和机载副天线，所述机载主天线和所述机载副天线分别与所述机载端机上的主链路射频模块和副链路射频模块连接；所述地面主天线和所述机载主天线之间即构成主链路，所述地面副天线与所述机载副天线之间即构成副链路，其特征在于，包括以下步骤：
统计一定周期内机载端机和地面端机之间的通信丢包率；
若统计到的通信丢包率小于预设值，则使用当前通信参数继续进行通信；
若统计到的通信丢包率大于预设值，则判断当前链路需要重新调整通信参数；
机载端机将新的通信参数通过另一条链路发送给地面端机；
待当前数据包传输完成后，机载端机和地面端机按照新的通信参数设置当前链路，并重新建链；
建链成功后，统计一定周期内重新建链的丢包率；
若重新建链的丢包率小于重新建链前的丢包率，则选用新的通信参数进行通信；
若重新建链的丢包率大于重新建链前的丢包率，则机载端机将另一个新的通信参数通过另一条链路发送给地面端机然后循环上述步骤。
2.根据权利要求1所述的无人机双链路综合调度系统的调度方法，其特征在于，当前链路选用最合适的通信参数进行通信还包括以下步骤：
当机载端机和地面端机重新建链的时间超过预设时间，则将通信参数直接重置为重新建链之前的通信参数，并以此参数进行通信。
3.根据权利要求2所述的无人机双链路综合调度系统的调度方法，其特征在于，当前链路选用最合适的通信参数进行通信还包括以下步骤：
当机载端机和地面端机在预设时间内成功重新建链，还需要判断此周期内成功的重新建链的次数是否达到预设次数——若达到预设次数，则将通信参数直接重置为重新建链之前的通信参数，并以此参数进行通信。
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