CN114697902A - 一种无人机蜂群组网测控通信链路及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机蜂群组网测控通信链路及通信方法，包括机载设备和本地设备，机载设备包括机载数据终端主机和全向天线，本地设备包括本地数据终端主机、定位模块以及全向与定向一体化天线。本发明采用时分多址、时分双工体制，单跳网络，通信设备采用单通道形式，测控通信链路与机间通信链路工作在同一频点，机间通信、遥测、遥控以及任务载荷信息复合传输，并且指控节点采用定向天线和全向天线相结合、分时分阶段工作的测控通信形式，简化机载通信设备设计，实现遥测、遥控、任务载荷信息的远程传输的同时保持机间通信功能。

Description

一种无人机蜂群组网测控通信链路及通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种组网测控通信链路及通信方法，特别是针对无人机蜂群的组网测控通信链路及通信方法。

背景技术

一般认为，无人机蜂群是指在操控人员(空中、地面或海上)的指挥或监督下，通过自主组网及编队协同遂行统一作战任务的一群小型无人机。蜂群系统具有无人机数量多、覆盖范围大、抗毁能力强、单架成本低、作战灵活性强、协同能力优等突出特点，具有很高的先进性。无人机蜂群自主组网、编队协同的基础是各无人机节点能通过机间通信链路互联互通，而操控人员对无人机蜂群实现有效指挥或监督的前提是要有稳健的测控通信链路。机间通信传输的数据包括无人机位置、状态、目标数据及协同信息等，而测控通信传输的数据包括操作人员(指控节点)的上行遥控信息、无人机下行遥测信息及任务载荷信息。对于单架无人机而言，机间通信、遥测及遥控对链路的带宽要求较低(一般1～10kbps)，而涉及图像或高清图片的任务载荷信息传输对链路带宽要求较高(一般500Kbps～2Mbps)，此外，机间通信、遥测及遥控需在任意时刻覆盖当前所有无人机，而任务载荷信息只在任务区才有传输需求。

对于多机测控及机间通信的实现途径目前主要有以下几种：(1)宽带业务与窄带业务采用相互独立的链路，同时工作。对于窄带业务，收发双方都采用全向天线组成全向链路，覆盖所有无人机，而对于宽带业务，在发送或接收一方采用定向天线形成定向链路，覆盖某个方向上的单架无人机(当有多个方向无人机有宽带业务需求时，利用多副指向不同的定向天线实现)。如实用新型专利《一种无人机测控装置》(专利号：CN 206249086 U)及发明专利《一种无人机载低空应急通信自组网电台装置及组网方法》(专利号：CN 110602638A)，其利用了全向天线覆盖角度范围大、远距离通信带宽窄的特点和高增益定向天线作用距离远、链路带宽高但波束覆盖范围窄、近距离通信适应性差的特点。需要指出的是，蜂群无人机载荷能力十分有限，机载通信设备发射功率小，而无人机动态性较大，为了实现任意方位可靠通信，只能采用轻量化的机载全向天线，且在蜂群系统中，无人机数量N通常较大(N可达50～100，甚至以上)，机间通信、遥测对链路带宽的要求为单机的N倍，遥控对链路的带宽要求也相应提高，此时，全向链路作用距离十分有限，无法满足实战需求。此外，通信设备需采用双通道形式，会增加设备复杂度和使用成本，且双通道设备的体积、重量及功耗都比单通道设备大，在小型无人机上适装性差。(2)测控通信链路与机间通信链路工作在不同频点，它们同时工作互不干扰。蜂群中有一架机作为中继节点，该节点上既有机间通信链路设备又有测控通信链路设备。工作时，中继节点通过测控通信链路接收操控人员所在的指控节点上传的遥控信息，再通过机间通信链路转发至无人机蜂群，同时，通过机间通信链路接收无人机蜂群下传的遥测信息、任务载荷信息，再通过测控通信链路转发至指控节点。操控人员可采用高增益自跟踪定向天线，实现对中继节点的远程通信，间接实现对蜂群的远程遥测、遥控与任务载荷信息传输。它的优点是指控节点对蜂群的作用距离远，缺点是测控信息都需通过中继节点利用机间通信链路二次转发，即需要多跳传输，增加了通信时延，且系统需要备份多个中继节点，当前中继节点失效后，要能较快选举出新的中继节点，否则测控通信链路陷入瘫痪，操控人员失去对无人机蜂群的指挥和监督。此外，中继节点上的通信设备也需具备双通道模式。(3)测控通信链路与机间通信链路工作在同一频点，机间通信、遥测、遥控以及任务载荷信息复合传输，组成一个单跳通信网络。机载采用单通道通信设备，相较于双通道通信设备，在小型无人机上适装性更强。指控节点可与各蜂群无人机直接通信，不需要通过任何中转，通信时延短。但为了实现对所有无人机的覆盖，指控节点采用全向天线。因此，通信距离有限，同样难以满足实际作战需求。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种针对无人机蜂群的组网测控通信链路及通信方法，采用时分多址、时分双工体制(TDD-TDMA)，单跳网络，通信设备采用单通道形式，测控通信链路与机间通信链路工作在同一频点，机间通信、遥测、遥控以及任务载荷信息复合传输，并且指控节点采用定向天线和全向天线相结合、分时分阶段工作的测控通信形式，简化机载通信设备设计，实现遥测、遥控、任务载荷信息的远程传输的同时保持机间通信功能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种无人机蜂群组网测控通信链路，包括机载设备和本地设备，所述机载设备包括机载数据终端主机和全向天线，所述本地设备包括本地数据终端主机、定位模块以及全向与定向一体化天线；所述全向与定向一体化天线包括全向天线、定向天线、天线基座、伺服跟踪机构、伺服控制模块、电子开关，所述全向天线安装在定向天线上部，所述定向天线安装在天线基座上，所述定位模块、伺服控制模块、伺服跟踪机构安装在定向天线背面，所述本地数据终端主机的射频前端通过电子开关连通全向天线或定向天线。

进一步的，所述机载数据终端主机、本地数据终端主机均包括射频前端模块、信道模块和基带模块；所述射频前端用于接收天线信号，通过滤波及放大后送往信道模块，同时接收来自信道模块上变频后的射频信号，通过放大后送往天线；所述信道模块接收射频前端初步放大的信号，通过下变频、放大、滤波处理送往基带模块，同时，接收基带模块送来的调制信号，通过上变频、放大、滤波处理送往射频前端；所述基带模块接收信道模块送来的下变频信号，处理后送往机载飞控系统，同时，接收飞控系统、任务载荷的业务数据，处理后送往信道模块；所述本地数据终端主机的基带模块还用于提供网口和控制电子开关。

进一步的，所述射频前端的功放发射功率为0.5W～2W；所述机载数据终端主机采用单板集成化机载数据终端，安装在机体表面，采用外贴的薄型轻量化散热片。

进一步的，所述全向与定向一体化天线的全向天线为偶极子形式，定向天线为平板天线形式、抛物面形式、喇叭形式或者相控阵形式，且定向天线方位向3dB波束角宽度θ_E为15～25°，俯仰向3dB波束角宽度θ_H为10～15°。

进一步的，所述机载设备全向天线为偶极子垂直极化天线，天线增益0dB，天线方向图在方位向360°全覆盖、在俯仰向3dB波束角覆盖范围不小于±30°。

进一步的，通信链路工作频段采用L频段低频段1350～1450MHz，采用时分多址+时分双工体制。

本发明还提供了一种无人机蜂群组网测控通信通信方法，包括如下步骤：

S1、本地设备开机自检，选通全向天线，定位模块解算本地设备的位置信息，伺服控制模块控制伺服跟踪机构将定向天线默认指向本地设备方位零位、俯仰零位，并进行指北修正；

S2、机载设备开机自检，与本地设备无线组网；

S3、通信链路根据当前网内节点的业务传输需求是否包含宽带任务载荷信息，将时隙动态设置为稀疏模式或密集模式，网络内各节点按照约定的时隙传输业务数据；

S4、本地设备获取有效的无人机位置信息，伺服控制模块通过本地设备的位置信息及有效的无人机位置信息实时解算出所有上电无人机相对于本地设备定向天线的方位角和俯仰角，并调整伺服跟踪机构控制定向天线的主瓣对准方位角AZ和俯仰角EL；

S5、本地设备根据当前态势选取定向天线或全向天线；

S6、判断通信任务是否结束，如果未结束则回到S3，如果结束，则结束工作流程。

进一步的，所述步骤S4中定向天线的主瓣对准方位角AZ计算方法如下

如果|AZ_max–AZ_min|≤θ_E，则AZ＝(AZ_max+AZ_min)/2；

如果|AZ_max–AZ_min|>θ_E，则AZ＝1/N*Σ(AZ₁，AZ₂，……AZ_N)；

定向天线的主瓣对准俯仰角EL计算方法如下

如果|EL_max–EL_min|≤θ_H，则EL＝(EL_max+EL_min)/2；

如果|EL_max–EL_min|>θ_H，则EL＝1/N*Σ(EL₁，EL₂，……EL_N)；

其中，AZ₁，AZ₂，……AZ_N为所有上电无人机相对于本地设备定向天线的方位角，EL₁，EL₂，……EL_N为所有上电无人机相对于本地设备定向天线的俯仰角，[AZ_min，AZ_max]为所有上电无人机相对于本地设备定向天线方位角的范围，[EL_min，EL_max]为所有上电无人机相对于本地设备定向天线俯仰角的范围，N表示当前获取到的蜂群无人机数量；θ_E为定向天线方位向3dB波束角宽度；θ_H为定向天线俯仰向3dB波束角宽度。

进一步的，所述步骤S5中选取天线方法如下：

提取当前无人机蜂群各节点与地面站的最远距离d_max与全向链路的可靠覆盖半径范围R1，

若d_max≤R1，选取全向天线；

若R1<d_max≤1.5R1，|AZ_max–AZ_min|≤θ_E，且|EL_max–EL_min|≤θ_H，选取定向天线；

若R1<d_max≤1.5R1，且AZ_max–AZ_min|>θ_E或|EL_max–EL_min|>θ_H，选取全向天线；

若d_max>1.5R1，选取定向天线。

进一步的，所述步骤S1中还包括伺服控制模块从控制节点获取本次任务规划信息；所述步骤S4中还包括根据任务规划信息判断无人机位置信息的有效性。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种无人机蜂群组网测控通信链路及通信方法，优点如下：

1)本发明结合了单跳网络通信时延短、系统较为简单的特点，相较于依赖中继节点进行组网测控的模式，节省了频谱资源，提高了测控通信的实时性，简化了机载设备设计。

2)本发明结合了高增益定向自跟踪天线汇集空间电磁信号的特点，相较于全向天线的组网测控的模式，通信距离提高了约一个数量级，更符合实际作战场景使用需求。

3)本发明在本地设备采用定向和全向天线相结合的形式，充分利用全向天线实现起飞和降落阶段的宽波束全向覆盖测控通信，利用定向天线实现巡航和任务阶段的高增益定向远程测控通信。两种天线分时分阶段工作，实现对蜂群无人机的可靠遥测、遥控、任务载荷信息传输及机间通信。

4)按需采用稀疏和密集两种时隙模式，动态分配链路带宽，最大化链路电平余量，实现可靠通信。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例提供的一种无人机蜂群组网测控通信链路整体工作框图；

图2为本发明具体实施例提供的一种无人机蜂群组网测控通信链路设备框图；

图3为本发明具体实施例提供的一种无人机蜂群组网测控本地定向全向一体化天线结构示意图，其中(a)为天线正视图，(b)为天线侧视图；

图4为本发明具体实施例提供的一种无人机蜂群组网测控通信链路时隙模式示意图；

图5为本发明具体实施例提供的一种无人机蜂群组网测控通信链路通信方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施方式详细地描述本发明的技术方案。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

本发明提出的无人机蜂群的组网测控通信链路采用时分多址、时分双工体制(TDD-TDMA)，蜂群系统内网络为单跳模式，通信设备采用单通道形式，测控通信链路与机间通信链路工作在同一频点，机间通信、遥测、遥控以及任务载荷信息复合传输。各蜂群无人机上安装组网测控通信机载设备，指控节点上安装组网测控通信本地设备。机载设备包括机载数据终端主机和机载全向天线。本地设备包括本地数据终端主机、定位模块以及全向与定向一体化天线。指控节点处采用全向、定向天线相结合、分时分阶段工作的测控通信形式。在起降段，无人机蜂群距离指控节点较近，但方位向和俯仰向的分布角度范围较大，利用全向天线波束宽的优点实现近程全向测控通信。在巡航和任务段，无人机蜂群距离指控节点较远，但方位向和俯仰向的分布角度范围变小，此时系统通过高增益跟踪定向天线实现对蜂群无人机的远程定向测控通信。指控节点与无人机蜂群都作为该单跳通信网络内的节点，实现测控通信的同时，蜂群无人机之间也能进行机间通信。通信链路整体工作框图如图1所示。

(1)硬件设备

本发明提供的无人机蜂群组网测控通信链路，如图2所示，包括机载设备和本地设备，机载设备包括机载数据终端主机和机载全向天线，本地设备包括本地数据终端主机、定位模块以及全向与定向一体化天线。

对于蜂群测控通信机载设备，其机载数据终端主机包括射频前端、信道和基带三个功能模块。其中，射频前端接收天线送来的其他节点的微弱电磁信号，通过滤波及低噪放(LNA)器件放大后送往信道模块，同时射频前端接收来自信道模块上变频后的射频信号，通过功放(PA)放大后送往天线。射频前端的功放发射功率优选0.5W～2W。信道模块接收射频前端初步放大的其他节点电磁信号，通过下变频、放大、滤波等过程后送往基带，同时，接收基带送来的调制信号，通过上变频、放大、滤波等过程后送往射频前端。基带模块接收信道模块送来的下变频信号，通过时隙同步、解调、去交织、解扰、译码、解帧等过程后送往机载飞控系统，同时，接收飞控系统、任务载荷等的业务数据，通过编帧、编码、加扰、交织、时隙同步、调制等后送往信道。与飞控系统数据收发优选RS422异步串口，而接收任务载荷信息优选RS422同步串口。

针对于蜂群无人机的应用场景，优选单板集成化机载数据终端。该形式的机载数据终端，其体积、重量和功耗相较于传统机载数据终端大为缩小。为了进一步减小设备体积、重量和功耗，可以取消自带风冷散热，将机载数据终端安装在机体表面，外加紧贴的薄型轻量化散热片，利用无人机蜂群飞行时空气的相对流动自动实现设备散热。机载数据终端需要接收无人机卫星导航定位数据，获取无人机的位置信息，与蜂群内部及指控节点分享。该数据可由飞控系统转发给机载数据终端。

机载设备的天线采用全向天线形式，优选偶极子垂直极化天线，天线增益在0dB左右，天线方向图在方位向360°全覆盖，在俯仰向3dB波束角覆盖范围不小于±30°。针对应用场景的不同，可按需选择棒状或薄型片状天线外形(对于飞翼布局、旋翼布局等无垂尾的无人机，采用棒状天线，对于含垂尾的无人机，采用薄型片状天线与尾翼共形设计)。与传统大型无人机/有人机/巡航导弹等机载/弹载测控天线不同，不宜采用单极子天线形式。这是因为蜂群无人机为了减小自身重量，机体结构通常采用复合材料，且机身面积很小，机身上无法提供L频段单极子天线正常工作所需的足够大的金属反射面。

对于蜂群组网测控通信本地设备，其数据终端一般也包括射频前端、信道和基带三个功能模块，其中，射频前端与信道的功能与机载设备的一致，基带的基本功能也与机载设备一致，所不同的是，基带的对外通信接口模块通常含有网口，另外基带具备对电子开关的控制能力。本地设备对体积、重量和功耗的要求没有像机载设备那般苛刻，且本地设备放在地面时没有载体运动，因此设备可以设计成自行散热形式，如通过增大散热齿厚度或采用供电风扇散热。

蜂群测控通信本地设备的另一个关键是全向与定向一体化天线，包括全向天线、定向天线、“二选一”电子开关、伺服跟踪机构、伺服控制模块、天线支架及底座等，如图3所示。

在结构上，全向天线设计安装在定向天线上部。射频前端通过电子开关按照需求与全向天线或定向天线连通。全向天线优选偶极子形式，相较于蜂群无人机机载天线，指控节点处可以适情增加阵元数获得一定增益。定向天线可选形式有平板天线形式、抛物面形式、喇叭形式和相控阵形式，本实施例优选平板天线形式，其体积和重量相较于抛物面形式和喇叭形式有优势，而价格相较于相控阵形式有优势。定向天线方位向3dB波束角宽度θ_E优选15～25°，俯仰向3dB波束角宽度θ_H优选10～15°。在L波段，该性能指标的定向天线阵面宽度W一般为0.3～0.5m，高度H一般为0.4～0.6m，便于携带，天线增益在19～23dB之间。

定向天线后方是伺服跟踪机构，它受伺服控制模块控制，将承载的定向天线实时指向合适的方位角、俯仰角。

定向天线下方是天线基座，包含天线支架和底座，用于承载天线及伺服跟踪机构等。根据使用场景的不同，天线基座可固定安装在平台或采用稳固的三脚架支撑。

卫星定位模块与伺服控制模块一般设计安装在定向天线背面，只将卫星接收天线伸出。伺服控制模块也可与数据终端主机集成设计。如图3所示，定位模块位于定向天线背面伺服跟踪机构上方，伺服控制模块位于定向天线背面伺服跟踪机构侧面。

(2)工作频段

无人机蜂群组网测控通信链路的工作频段，采用L频段低频段1350～1450MHz。采用该频段既能避免大量UHF(特高频300～3000MHz)频段军用、民用设备的电磁干扰，又能避免更高频段(如S波段、C波段)带来的电磁波空间衰减增加以及功放效率下降对设备体积、重量及功耗带来的压力，同时避开了北斗导航系统、GPS、GLONASS等的卫星信号频点，有利于降低链路与机载卫星导航分系统的电磁兼容设计难度，降低设备复杂度。

(3)多址接入形式

无人机蜂群组网测控通信链路采用时分多址接入形式。时分多址工作在单通道模式，能避免频分多址设备复杂度增加的难题，同时，时分多址的工作原理是各蜂群无人机及指控节点按照分配的时隙，在自身时隙内发射电磁信号，其余时隙只接收不发射，实现了时分双工。时分多址+时分双工(TDD+TDMA)避免了群内互相干扰，规避了远近效应。蜂群系统工作时，遥控、遥测及机间通信数据周期性传输，而任务载荷数据按需突发传输。如图4所示，当无任务载荷数据传输需求时，系统收回该带宽需求，按照模式1时隙(稀疏时隙)传输信号，以获取更大的链路余量，提高通信稳定性，当有任务载荷数据传输需求时，系统按照模式2时隙(密集时隙)传输信号。

(4)通信方式

本发明无人机蜂群组网测控通信链路具体通信工作流程如下，如图5所示。

S1、本地设备开机自检，“二选一”电子开关默认选通全向天线与射频前端连通。定位模块接收导航卫星数据，解算出本地设备的位置信息。伺服控制模块控制伺服跟踪机构将定向天线默认指向本机方位零位、俯仰零位，并通过指北修正，将本机方位零位与正北方向对齐或获取本机方位零位与正北方向的夹角。伺服控制模块从控制节点获取本次任务规划信息(任务规划会给出蜂群无人机大致的活动区域、禁飞区等信息)。

S2、机载设备开机自检，与本地设备无线组网。

S3、通信链路根据当前网内节点的业务传输需求是否有包含宽带任务载荷信息，将时隙动态设置为稀疏模式或密集模式，网络内各节点按照约定的时隙传输业务数据。

S4、本地设备获取有效的无人机位置信息，过滤无效的无人机位置信息；伺服控制模块通过本地设备的位置信息及有效的无人机位置信息实时解算出所有上电无人机相对于本地设备定向天线的方位角(AZ₁，AZ₂，……AZ_N)和俯仰角(EL₁，EL₂，……EL_N)，提取出方位角范围[AZ_min，AZ_max]和俯仰角范围[EL_min，EL_max]，并调整伺服结构控制定向天线的主瓣对准方位角AZ和俯仰角EL。

方位角AZ的计算方法如下:

如果|AZ_max–AZ_min|≤θ_E，则AZ＝(AZ_max+AZ_min)/2；

如果|AZ_max–AZ_min|>θ_E，则AZ＝1/N*Σ(AZ₁，AZ₂，……AZ_N)，N表示当前获取到的蜂群无人机数量。

上式的含义是如果无人机蜂群相对于定向天线的方位角散布范围不大于定向天线方位向3dB波束角宽度θ_E，则在方位向将定向天线指向无人机蜂群方位角的中间位置，如果相对于定向天线的方位角散布范围超出θ_E，则通过对无人机蜂群方位角加权平均的方法决定定向天线的方位角指向。加权平均方法带来的好处是，在天线主瓣无法覆盖所有无人机时，可将天线主瓣覆盖尽可能多的无人机。

同理，俯仰角EL采用同样原理获得，其具体计算方法如下:

如果|EL_max–EL_min|≤θ_H，则EL＝(EL_max+EL_min)/2；

如果|EL_max–EL_min|>θ_H，则EL＝1/N*Σ(EL₁，EL₂，……EL_N)。

此后，定向天线的伺服控制模块通过遥测参数，获取无人机蜂群位置，解算方位角AZ和俯仰角EL，控制天线主波瓣实时跟踪该位置。

如果伺服模块在约定的周期内未收到任何蜂群无人机定位信息或本地定位信息，则保持定向天线的指向不变。

不同于有线信道，无线传输信道不可避免会存在更高的误码。为了排除误码影响，可采用较复杂的CRC-32校验过滤含误码的遥测数据帧；或者采用较简单的校验和形式过滤大部分遥测数据帧，并结合步骤S1获取的任务规划信息判断无人机位置信息的有效性，进一步过滤无效位置信息。

S5、指控节点根据当前态势选取天线。

在无人机蜂群起飞和降落阶段，电子开关宜选通全向天线。因为起、降段无人机蜂群离地面站较近，信号功率足够，而全向天线的主瓣很宽，能够实现对任意方位向及大部分俯仰向蜂群无人机的覆盖。此时，若采用定向天线，会经常出现定向天线主瓣覆盖不全无人机蜂群的现象，很可能造成通信数据丢失。

在巡航及任务阶段，电子开关宜选通定向天线跟踪无人机蜂群，因为保持相同的空间分布形态时，无人机蜂群离地面站越远，方位角范围越小和俯仰角范围越小。定向天线的增益较高，相较于全向天线，其作用距离远得多，可达100km以上，能够满足蜂群实战化应用。

具体地，对于天线的选通，采取的一般原则如下：

设全向链路的可靠覆盖半径范围为R1。

根据获得的位置信息，判断当前无人机蜂群各节点与地面站的最远距离d_max与R1的关系及无人机覆盖范围与定向天线3dB波束角的关系：

(1)若d_max≤R1，选取全向天线；

(2)若①R1<d_max≤1.5R1，②|AZ_max–AZ_min|≤θ_E，且|EL_max–EL_min|≤θ_H，选取定向天线；

(3)若①R1<d_max≤1.5R1，②|AZ_max–AZ_min|>θ_E或|EL_max–EL_min|>θ_H，选取全向天线；

(4)若d_max>1.5R1，选取定向天线。

S6、判断通信任务是否结束(只要本地组网测控设备未掉电，则认为通信任务未结束)，如果未结束则回到S3，如果结束，则结束工作流程。

下面是针对一个无人机蜂群组网测控通信链路设计实施例的链路电平计算。

式(1)是定向天线增益的经验计算公式。

G＝10*log₁₀(32000/θ_E/θ_H) (1)

本实施例中，θ_E取20°，θ_H取10°，计算可得定向天线增益为22dB。

式(2)是电磁波空间衰减Loss的计算公式，R为电磁波空间传输距离，单位为km，f为电磁波工作频率，单位为MHz。

Loss＝20lg[f]+20lg[R]+32.45 (2)

式(3)是接收机处的电磁信号功率Pr的计算公式。Pt为发射信号功率，单位为dBm；Gt为发射天线增益，单位为dB；Lt为发射通道总损耗，单位为dB；Gr为接收天线增益，单位为dB；Lr为接收通道总损耗，单位为dB；

Pr＝Pt+Gt-Lt-Loss+Gr-Lr (3)

链路余量M＝Pr-S，S表示一定信号带宽下的链路灵敏度，单位为dBm。按照工程经验，对于空地通信和空空通信，M不小于10dBm时链路能可靠建立。

在本实施例中，机载终端及地面终端发射功率Pt皆取为2W(33dBm)；链路工作频点f取为1400MHz；机载全向天线增益取0dB；地面全向天线增益取3dB，地面定向天线增益如前文所述取22dB；组网测控链路总带宽设计为2Mbps(蜂群无人机节点数100，遥测码速率1kpbs/架，遥控码速率10kpbs，机间通信码速率1kbps/架，任务载荷信息1Mbps/架，且任意时刻最多有一架无人机需要传输任务载荷信息，考虑时隙保护等开销，总带宽2Mbps)或1Mbps(蜂群无人机节点数100，遥测码速率1kpbs/架,遥控码速率10kpbs，机间通信码速率1kbps/架，考虑时隙保护等开销，总带宽1Mbps)，接收机灵敏度S按照当前技术水平取为-99dBm@2Mbps、-102dBm@1Mbps；发射通道损失Lt设置为1.5dB；接收通道能量损耗Lr设置为1.5dB。以上参数条件下机地通信(地面分别采用定向天线和全向天线)和机机通信的链路电平计算结果如下表所示，一般认为链路电平余量不小于10dB时，链路能可靠运行。可以看出，机机可靠通信距离可达15km，机地可靠通信距离可达20km(地面采用全向天线)和190km(地面采用定向天线)。

表1组网测控链路电平计算结果

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种无人机蜂群组网测控通信链路，其特征在于，包括机载设备和本地设备，所述机载设备包括机载数据终端主机和全向天线，所述本地设备包括本地数据终端主机、定位模块以及全向与定向一体化天线；

所述全向与定向一体化天线包括全向天线、定向天线、天线基座、伺服跟踪机构、伺服控制模块、电子开关，所述全向天线安装在定向天线上部，所述定向天线安装在天线基座上，所述定位模块、伺服控制模块、伺服跟踪机构安装在定向天线背面，所述本地数据终端主机的射频前端通过电子开关连通全向天线或定向天线。

2.如权利要求1所述的无人机蜂群组网测控通信链路，其特征在于，所述机载数据终端主机、本地数据终端主机均包括射频前端模块、信道模块和基带模块；

所述射频前端用于接收天线信号，通过滤波及放大后送往信道模块，同时接收来自信道模块上变频后的射频信号，通过放大后送往天线；所述信道模块接收射频前端初步放大的信号，通过下变频、放大、滤波处理送往基带模块，同时，接收基带模块送来的调制信号，通过上变频、放大、滤波处理送往射频前端；所述基带模块接收信道模块送来的下变频信号，处理后送往机载飞控系统，同时，接收飞控系统、任务载荷的业务数据，处理后送往信道模块；

所述本地数据终端主机的基带模块还用于提供网口和控制电子开关。

3.如权利要求2所述的无人机蜂群组网测控通信链路，其特征在于，所述射频前端的功放发射功率为0.5W～2W；所述机载数据终端主机采用单板集成化机载数据终端，安装在机体表面，采用外贴的薄型轻量化散热片。

4.如权利要求1所述的无人机蜂群组网测控通信链路，其特征在于，所述全向与定向一体化天线的全向天线为偶极子形式，定向天线为平板天线形式、抛物面形式、喇叭形式或者相控阵形式，且定向天线方位向3dB波束角宽度θ_E为15～25°，俯仰向3dB波束角宽度θ_H为10～15°。

5.如权利要求1所述的无人机蜂群组网测控通信链路，其特征在于，所述机载设备全向天线为偶极子垂直极化天线，天线增益0dB，天线方向图在方位向360°全覆盖、在俯仰向3dB波束角覆盖范围不小于±30°。

6.如权利要求1所述的无人机蜂群组网测控通信链路，其特征在于，通信链路工作频段采用L频段低频段1350～1450MHz，采用时分多址+时分双工体制。

7.一种无人机蜂群组网测控通信方法，其特征在于，采用权利要求1～6中任一项所述的无人机蜂群组网测控通信链路，包括如下步骤：

S1、本地设备开机自检，选通全向天线，定位模块解算本地设备的位置信息，伺服控制模块控制伺服跟踪机构将定向天线默认指向本地设备方位零位、俯仰零位，并进行指北修正；

S2、机载设备开机自检，与本地设备无线组网；

S3、通信链路根据当前网内节点的业务传输需求是否包含宽带任务载荷信息，将时隙动态设置为稀疏模式或密集模式，网络内各节点按照约定的时隙传输业务数据；

S4、本地设备获取有效的无人机位置信息，伺服控制模块通过本地设备的位置信息及有效的无人机位置信息实时解算出所有上电无人机相对于本地设备定向天线的方位角和俯仰角，并调整伺服跟踪机构控制定向天线的主瓣对准方位角AZ和俯仰角EL；

S5、本地设备根据当前态势选取定向天线或全向天线；

S6、判断通信任务是否结束，如果未结束则回到S3，如果结束，则结束工作流程。

8.如权利要求7所述的无人机蜂群组网测控通信方法，其特征在于，所述步骤S4中定向天线的主瓣对准方位角AZ计算方法如下

如果|AZ_max–AZ_min|≤θ_E，则AZ＝(AZ_max+AZ_min)/2；

如果|AZ_max–AZ_min|>θ_E，则AZ＝1/N*Σ(AZ₁，AZ₂，……AZ_N)；

定向天线的主瓣对准俯仰角EL计算方法如下

如果|EL_max–EL_min|≤θ_H，则EL＝(EL_max+EL_min)/2；

如果|EL_max–EL_min|>θ_H，则EL＝1/N*Σ(EL₁，EL₂，……EL_N)；

其中，AZ₁，AZ₂，……AZ_N为所有上电无人机相对于本地设备定向天线的方位角，EL₁，EL₂，……EL_N为所有上电无人机相对于本地设备定向天线的俯仰角，[AZ_min，AZ_max]为所有上电无人机相对于本地设备定向天线方位角的范围，[EL_min，EL_max]为所有上电无人机相对于本地设备定向天线俯仰角的范围，N表示当前获取到的蜂群无人机数量；θ_E为定向天线方位向3dB波束角宽度；θ_H为定向天线俯仰向3dB波束角宽度。

9.如权利要求8所述的无人机蜂群组网测控通信方法，其特征在于，所述步骤S5中选取天线方法如下：

提取当前无人机蜂群各节点与地面站的最远距离d_max与全向链路的可靠覆盖半径范围R1，

若d_max≤R1，选取全向天线；

若R1<d_max≤1.5R1，|AZ_max–AZ_min|≤θ_E，且|EL_max–EL_min|≤θ_H，选取定向天线；

若R1<d_max≤1.5R1，且AZ_max–AZ_min|>θ_E或|EL_max–EL_min|>θ_H，选取全向天线；

若d_max>1.5R1，选取定向天线。

10.如权利要求7所述的无人机蜂群组网测控通信方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括伺服控制模块从控制节点获取本次任务规划信息；所述步骤S4中还包括根据任务规划信息判断无人机位置信息的有效性。

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