CN115714617A - 一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统及方法，包括地面指控站端、平台无人机端及任务无人机端；地面指控站端与平台无人机端之间通过卫星通信链路传输；平台无人机端与任务无人机端之间通过组网通信链路传输；任务无人机端与地面指控站端之间通过卫星通信链路和组网通信链路传输。本发明有益效果：将Ka频段高通量卫星通信与TD‑LTE协议区域组网通信相结合，通过组合式平台硬件设计、异构网络通信、数据加解密、高效编码传输、通用协议组帧、多通道备份机制、差异化网络分发等技术，实现业务数据在链路系统中的快速传递分发，满足超视距情况下大范围、高带宽、机动灵活的无人机集群作业需求。

Description

一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统及方法

技术领域

本发明属于传输技术领域，尤其是涉及一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统及方法。

背景技术

在超视距通信方面，由于地球曲率影响直线视距信号传输，系统多采用卫星中继通信方式，实现超视距业务数据通信。传统高速卫星通信多采用Ku频段，但在资源占用、范围覆盖、信号干扰、终端尺寸及应用资费等方面存在诸多问题；新型高速卫星通信多选用Ka频段，基于多点波束、空分复用架构设计，在通道带宽、波束覆盖、抗干扰能力、终端尺寸、IP化设计及流量资费等方面占据优势，在保障传输效率的情况下，可有效降低卫通终端设备对无人机负载能力要求，为无人机搭载任务设备保留更多空间；

在区域覆盖作业方面，单机任务模式在范围覆盖、作业时效、任务周期、战场生存等方面存在不足，故系统多采用多机协同的集群作业模式，同时兼顾应用成本与系统复杂度，任务无人机选型又多以轻小型无人机为主，进而实现集群化区域组网覆盖作业；

当面对超视距集群作业任务时，基于飞机载荷、任务时效、机动拓展、系统操作及应用成本等因素考虑，单一的卫通链路或组网链路不能满足当前任务需求，需设计融合两种链路技术特点的新型链路通信系统。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统及方法，以至少解决背景技术中的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统，包括地面指控站端、平台无人机端及任务无人机端；

地面指控站端与平台无人机端之间通过卫星通信链路传输；

平台无人机端与任务无人机端之间通过组网通信链路传输；

任务无人机端与地面指控站端之间还通过卫星通信链路和组网通信链路传输。

一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统，包括地面指控站端、平台无人机端及任务无人机端；

地面指控站端包含卫星通信模块、公网接入模块和业务处理模块；

平台无人机端包含机载卫星通信模块、总线接口单元、主节点组网通信模块和载荷业务模块；

任务无人机端包含从节点组网通信模块与载荷业务模块。

一种超视距集群测控的无人机数据链通信方法，包括前向通信方法：

遥控数据在业务处理模块完成通道选择与协议加密，经单跳方式或双跳方式卫通链路转发上星；

平台无人机获得卫通前向遥控数据，经总线接口单元协议帧同步处理与路由转发，传输至本地载荷业务模块，或经组网链路传输至任务无人机载荷业务模块；

各平台载荷业务模块对遥控指令进行同步、解密、解析，完成对应终端指令的控制响应。

进一步的，在前向通信中：

地面指控站业务处理模块通过串口和网口/业务网，同时接收链路监控软件发来的相同遥控指令，根据接口模式、默认配置及超时判断逻辑，确认遥控指令生效通道；

地面指控站业务处理模块内嵌加解密单元，对输入遥控指令进行协议帧数据加密，转换为密态遥控数据帧；

地面指控站业务处理模块将遥控数据帧送入网络协议栈，转换为包含遥控数据的网络数据包；

地面指控站业务处理模块根据路由配置与默认网关信息，可选择双跳方式：网络遥控数据包走本地卫星通信模块发送上星，或选择单跳方式：走公网接入VPN服务通道，由信关站卫星通信单元发送上星。

进一步的，在前向通信中：

网络层遥控数据包经卫通链路路由寻址转发，由平台无人机卫星通信模块接收，转入平台无人机总线接口单元；

平台无人机总线接口单元根据网络层遥控数据包目标地址，确认执行路由信息：若目标地址为平台无人机，则将数据包转发给本地载荷业务模块；若目标地址为任务无人机，则将数据包推送至组网通信模块，经组网模块路由转发，最终传输至任务无人机载荷业务模块；

任务无人机和平台无人机的载荷业务模块对网路层遥控数据包进行协议栈解析，还原密态遥控数据帧；

执行协议解密、解帧操作，获得原始遥控指令；

对遥控指令进行数据解析，确认最终响应设备终端与指令参数，完成指令控制。

一种超视距集群测控的无人机数据链通信方法，包括返向通信方法：

任务无人机和平台无人机载荷业务模块发起业务数据采集，执行数据编码、协议组帧及加密传输过程，经网络协议栈封装为网络数据包；

任务无人机返向复合数据经组网链路传输至平台无人机总线接口单元；

平台无人机返向复合数据经内部通信接口传输至本地总线接口单元；

任务无人机和平台无人机的复合数据帧排队执行路由寻址转发，由平台无人机卫星通信模块发送上星；

地面指控站通过单跳方式或双跳方式卫通链路传输，获得返向复合业务数据，执行协议数据解密解析，完成状态信息监测与业务数据处理。

进一步的，在返向通信中：

任务无人机和平台无人机的载荷业务模块通过视频输入接口，检测并捕获原始视频数据，执行图像处理与视频压缩编码，经缓存码匀传输，推送编码视频流进入复合数据组帧前的对应缓存通道；

任务无人机和平台无人机的载荷业务模块通过内外部数据接口，获取多类型飞机数据，包括航迹姿态、载荷信息、遥测数据及系统状态，推送进入复合数据组帧前的对应缓存通道；

任务无人机和平台无人机的载荷业务模块根据数据类型、传输速率、优先级、缓存情况及等待时间变量，对多组缓存业务数据进行排队组帧，并对复合数据帧执行数据加密处理；

任务无人机和平台无人机的载荷业务模块将密态复合数据帧送入网络协议栈，转换为包含复合数据的网络数据包；

任务无人机复合数据包通过组网链路传输至平台无人机总线接口单元，平台无人机复合数据包通过内部数据接口传输至本地总线接口单元；

平台无人机总线接口单元根据路由配置与默认网关信息，将复合数据帧排队传入本地卫星通信模块，转发上星；

网络层复合数据经卫通链路路由寻址转发，由地面指控站卫星通信模块或基于信关站VPN服务的公网接入模块接收，转入地面指控站业务处理模块；

地面指控站业务处理模块对网络层复合数据包进行协议栈解析，获得复合业务帧；经内嵌加解密单元处理，完成复合业务帧数据解密；推送明态复合业务帧分别进入业务网和核心网解析转发流程。

进一步的，地面指控站业务处理模块采用双网互相备份模式转发业务数据，根据接口协议约定，将原始和解析后的各类业务数据转发至后端链路监控与任务处理单元，完成状态监测与业务数据处理。

进一步的，针对原始复合与多路同步数据采用TCP协议完成数据传输；针对遥测数据采用UDP组播协议完成数据转发；针对视频图像数据则通过RTSP传输协议完成数据推流。

相对于现有技术，本发明所述的一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统及方法具有以下有益效果：

本发明将Ka频段高通量卫星通信与TD-LTE协议区域组网通信相结合，通过组合式平台硬件设计、异构网络通信、数据加解密、高效编码传输、通用协议组帧、多通道备份机制、差异化网络分发等技术，实现业务数据在链路系统中的快速传递分发，满足超视距情况下大范围、高带宽、机动灵活的无人机集群作业需求。以远程大型无人机为支撑平台，于目标区域释放多架轻小型便携无人机，发挥卫星通信链路与区域组网链路的网络融合优势，通过卫星通信延伸集群作业半径，通过任务分配与多机协同弥补单机作业缺陷，提升系统临场机动与战时协同的应用生存能力，为无人机系统超视距、高时效、同步覆盖作业提供可行方案。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的通信系统应用框架结构示意图；

图2为本发明实施例所述的通信系统终端功能模块组成示意图；

图3为本发明实施例所述的地面指控站终端通信系统原理图（包括图3.1-图3.4）；

图4为本发明实施例所述的平台无人机终端通信系统原理图（包括图4.1-图4.5）；

图5为本发明实施例所述的任务无人机终端通信系统原理图；

图6-1为本发明实施例所述的前向数据传输过程框图；

图6-2为本发明实施例所述的前向数据传输逻辑框图；

图7为本发明实施例所述的地面遥控通道选择处理逻辑；

图8为本发明实施例所述的协议帧数据加解密处理过程；

图9为本发明实施例所述的单链路网络与双链路异构网络原理图；

图10-1为本发明实施例所述的返向数据传输过程框图；

图10-2为本发明实施例所述的返向数据传输逻辑框图；

图11为本发明实施例所述的视频采集编码传输逻辑框图；

图12为本发明实施例所述的前返向业务传输通用帧协议示意图；

图13为本发明实施例所述的复合业务数据解析转发处理逻辑示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本实施例涉及一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统，包括地面指控站、平台无人机和任务无人机三类终端通信系统。其中，地面指控站可为移动方舱车或固定地面站，地面指控站包含地面卫星通信模块、公网接入模块、业务处理模块，对接用户端链路监控与任务处理单元；平台无人机可选用具备长航时、高载荷、高海拔作业能力的大型固定翼无人机或无人直升机，平台无人机包含机载卫星通信模块、总线接口单元、组网通信模块（主节点）及载荷业务模块；任务无人机为轻小型便携自主收发旋翼无人机，装配或挂载于平台无人机上，当平台无人机飞临目标区域上空，通过地面前向遥控指令控制任务无人机开展自主收发起降，于目标区域内执行集群测控与协同作业，任务无人机包含组网通信模块（从节点）与载荷业务模块。

地面指控站与平台无人机采用卫星通信链路实现双向数据通信，当前无人机超视距通信多采用Ku频段通信卫星，普遍存在可用带宽有限、干扰源众多、机载终端设备尺寸大、技术复杂、应用资费高等问题，故系统卫星通信链路选用基于多点波束与空分复用架构设计的Ka频段高通量通信卫星-中星16，以发挥卫星通信主链在通道带宽、波束覆盖、越区切换、抗干扰能力、终端尺寸、IP化设计及流量资费等方面优势。

平台无人机与地面指控站通过机载/地面卫星通信模块、高通量卫星（中星-16）、信关站、数据处理中心建立起卫星通信链路，实现平台无人机与地面指控站间的“双跳”数据通信；同时，也可以根据业务传输需求，在数据处理中心与地面指控站间建立VPN传输服务，减少数据二次上星传输的延时开销，实现平台无人机与地面指控站间的“单跳”数据通信。

平台无人机与任务无人机采用区域组网链路，实现多任务协同的集群测控功能，在网络拓扑与通信协议选型上，重点考虑信道容量、传输时延、动态扩展、抗干扰能力及系统维护管理等因素。综合考虑，系统组网通信选择基于TD-LTE移动通信协议的星型网络拓扑架构，该协议采用正交频分复用(OFDM)与多进多出(MIMO)技术，扁平化系统设计，在传输时延、数据吞吐量、抗干扰能力等方面均有良好表现。同时，星型拓扑结构简单，可实现任务同步分配与多点业务汇集，减少多跳路由时延，满足动态接入、协同测控、管理维护的应用需求。

考虑星型网络拓扑在发生主节点工作异常时，存在整个组网链路通信失效风险，系统增加主节点通信模块热备份设计，即在平台无人机部署多个（≥2）组网通信模块，各模块采用相同主节点参数配置，1：1同时上电工作，由后台监控系统决策对外模块使能切换；在工作主节点模块正常对外通信时，备份模块通过内部接口共享实时数据，镜像共生，保持热备份待机状态；当系统监测到通信主节点链路工作异常，将主动迁移组网链路至热备份主节点，同时将备份主节点由待机状态转换为对外工作状态，原工作主节点切为静默，继续保持组网链路的有效数据通信。

通信系统终端功能模块组成如图2所示。

卫星通信模块应用于平台无人机与地面指控站终端通信系统，主要包含数据接口单元、调制解调器、功放单元及天线系统四个部分，其中，数据接口单元具备多类型接口通信、数据同步缓存、协议帧转换及数据转发等功能；调制解调器可实现数据编码调制与信号解调译码；功放单元可满足收发信号放大、噪声抑制、信号滤波等功能；天线系统分为机载天线系统与地面天线系统，机载天线系统由动中通天线与伺服控制系统组成，具备卫星实时跟踪对准与信号收发的能力，地面线系统由静中通天线与天线控制单元组成，具备天线收展、指向对星及信号收发的能力。

根据前向4Mb/s与返向8Mb/s速率测算，平台无人机选用等效口径0.6m动中通天线与20W功放单元，地面指控站则搭配1.2m静中通天线与10W功放单元，可保障双向业务数据有效传输。

公网接入模块应用于地面指控站终端通信系统，对外连接数据处理中心，对内连接业务处理模块，业务处理模块通过公共网络访问数据处理中心的VPN服务，建立起地面指控站与数据处理中心、信关站的双向网络通道，为前向遥控数据、返向复合业务传输建立起“单跳”卫星通信过程。

业务处理模块应用于地面指控站终端通信系统，对外连接地面卫星通信模块与公网接入模块，对内同链路监控与任务处理单元保持数据通信。内嵌数据加解密单元，可实现初始向量128bit，密钥长度256bit，基于复杂密码反馈（CFB）或输出反馈（OFB）流处理工作模式的AES加解密算法；通过串口和网口同时接收链路监控软件中指令编码模块前行遥控指令，根据参数配置、指令控制及超时判断逻辑，选择具体通道指令使能；支持业务网与核心网互相备份且不同IP段的双网络通道，处理返向业务数据类型相同，仅业务网具备前向网络遥控软指令转发功能；同时，业务处理模块还具备多任务系统管理、数据接口通信、复合业务解析、遥控指令转发、数据缓存及多协议网络通信服务等能力。

总线接口单元应用于平台无人机终端通信系统，对接机载卫星通信模块，实现卫通链路数据传输；对接组网通信模块（主节点），实现区域组网通信传输与链路维护管理；对接载荷业务模块，实现本地指令控制与本地业务数据传输；同时，总线接口单元根据默认参数配置与实时指令控制，采用虚拟网络技术，切换通道网关信息与路由地址配置，实现链路数据包路由寻址转发，实现本地业务数据、组网链路数据及卫通链路数据的网络融合，为通信系统建立跨链路系统传输的异构通信网络，提供业务服务平台与通信接口支撑。

组网通信模块应用于平台无人机（主节点）与任务无人机（从节点）终端通信系统，主要包含无线通信单元、功放单元及全向天线，其中，无线通信模块可建立基于TD-LTE协议的移动通信网络；功放单元实现收发信号放大、噪声抑制、信号滤波等功能；全向天线实现信号接收与发射，为保障信号传输稳定可靠，系统采用主、从双全向天线设计。同时，在组网链路通信过程中，链路系统可根据业务数据传输需求，调整前返向链路带宽为共享速率模式或指定速率模式，以满足差异化传输需求。

载荷业务模块应用于平台无人机与任务无人机终端通信系统，主要对接飞控单元、任务吊舱、业务载荷、链路测控及系统管理等终端设备模块，具备数据接口通信、视频采集编码、协议拆组帧、数据加解密、逻辑数据处理及系统控制回报等功能，可满足通信终端系统对多任务协作管理、链路系统管理、终端状态监测、实时指令控制、有效业务回传、调度策略与优先级配置切换及信源加解密等业务模式的应用需求。

各终端通信系统原理框图如图3、图4、图5所示。

一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统，包含地面指控站、平台无人机及任务无人机三类终端通信系统。在硬件设计上，充分考虑多应用场景下的适配需求，采用板卡自由组合设计，支持功能灵活选择与即插即用，整个终端通信系统采用标准VNX硬件架构设计，符合VITA74总线协议，包含接口模块、电源模块、总线接口单元、卫星通信模块、组网通信模块、业务载荷模块、母板及以太网交换模块等多种硬件板卡，部分板卡采用一致性硬件原理图设计，当分别应用于机载或地面终端系统时，可通过软件配置方式，实现差异化功能应用，从而有效降低生产管理成本，提升设备间快速换装与管理维护性能。

基于硬件设计成本与管理维护考虑，系统中多板卡设计采用同型号芯片选型与相同硬件架构，其中，板卡核心电路包含FPGA处理器、ARM处理器、中频收发单元、无线通信单元、电源管理 、时钟管理及数据接口单元等。FPGA处理器选用XC7A200T系列，使用QSPI串行配置方式，具备SPI时钟驱动快速启动能力，可实现系统控制管理、逻辑数据处理及对外接口通信等功能；ARM处理器选用海思Hi35xx系列处理器，具备ARM双核架构设计，搭载多级缓存与Neon加速，可实现视频采集编码、数据加解密、协议帧数据处理、网络协议通信及路由配置管理等功能；中频收发电路主要应用于卫通链路两端，选用射频芯片AD9361，集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，提供可配置数字接口，具备多通道数字信号收发处理功能，同时为增大板级输出功率，在中频收发电路后端增加一级增益放大器，在理想情况下，可实现1dB压缩点≥16.3dBm@900MHz，输出三阶交调≥34dBm@900MHz；组网通信电路主要应用于组网通信链路两端，选用以大唐电信1860处理器为核心的LC66xx系列组网通信模组，可实现TD-LTE协议星型网络通信，内嵌AT指令集，具备HSIC、USB、UART等多种通信接口，可软件配置主、从节点，实现“一主多从”的区域组网通信；电源管理电路主要负责板卡输入电源的隔离滤波，处理后推送DC/DC模块，将28V输入电源转化为板卡内部工作所需的低纹波12V直流电源，支撑系统供电，具备EMC滤波与抗浪涌功能；时钟管理电路主要负责板卡内系统时钟管理，通过独立晶振或时钟管理芯片，为各模块单元正常工作提供所需的时钟信号；数据接口单元电路采用多硬件外设接口设计，在满足不同场景自由配置使用的前提下，有效降低系统设计成本。

通信系统前向业务数据传输过程和传输逻辑框图如图6-1、6-2所示。

地面遥控指令通道选择处理逻辑如图7所示。

遥控指令作为无人机系统应用的重要数据，在整个飞行过程中需要保持持续传输状态，以确保无人机可以在任意时刻接受地面控制。当前向遥控指令中断超时，出于飞行安全考虑，无人机多设置有自动返航和自动起降程序，致使飞行任务失败。为保证链路监控软件前向遥控指令可以有效进入链路传输系统，链路监控与任务处理单元内嵌指令编码机，采用串口和网口同时传输相同遥控指令的方式，以实现双通道数据互相备份。地面指控站业务处理模块接收两个接口的遥控指令，根据默认系统配置、指令控制及超时判断逻辑，可实现接口使能的动态切换。具体处理逻辑为：

业务处理模块同时监听串口与网口遥控数据，串口采用波特率230400的RS422接口协议，网口采用UDP组播传输协议。

当遥控通道模式为“手动串口”，无论串口或网口数据是否接收到有效遥控指令或发生接收超时状况，选择逻辑始终保持串口遥控接口使能；

当遥控通道模式为“手动网口”，无论串口或网口数据是否接收到有效遥控指令或发生接收超时状况，选择逻辑始终保持网口遥控接口使能；

当遥控通道模式为“自动选择”，系统默认配置串口优先级高，以200ms间隔为超时判断时长（遥控间隔40ms，5帧超时），执行“双接口收数默认串口使能”、“单接口收数自动超时跳转”、“双接口超时默认串口使能”的处理逻辑，同时为防止因数据传输抖动或软硬件故障出现接口来回跳转情况，致使前向遥控指令出现错序或乱帧问题，选择逻辑增加接口切换后的2秒钟静默机制，保障指令传输跳过抖动时期。

协议帧数据加解密处理过程如图8所示。

无线信号易被捕获破译，特别是卫星通信与公网传输，飞行数据面临外泄风险。在信号编码调制前增加信源加密，以密态形式进行业务数据传输，可有效提升链路通信系统安全性。在地面指控站业务处理模块与无人机载荷业务模块内，均嵌有数据加解密单元，执行协议帧数据区加解密处理，具体操作过程如下所示：

STEP1：在系统内嵌加解密模块首次使用前，需通过密钥注入器，向业务处理系统内注密钥信息库，且保证链路系统两端注入同组密钥信息库；密钥信息库由初始向量IV库和密钥Key库组成，其中单组初始向量IV长度128bit，单组密钥Key长度256bit，每套初始向量库或密钥库存储1到65535组数据，密钥信息库大小由设备实际存储空间决定；

STEP2：在协议帧进行数据加密时，系统会通过内置随机数产生单元，获得两组随机数据，将其分别作为该协议帧加密所需初始向量与密钥数据所在密钥信息库中的匹配地址；系统加载地址对应数据，根据系统配置加密工作模式，对协议帧进行始向量与密钥数据随机组合的数据区加密处理；

STEP3：为保证接收端可执行有效协议帧同步与数据区解密操作，协议帧加密过程中保留了同步字与密钥区部分，并将加密使用的初始向量与密钥数据地址填充在帧内密钥区，随密态协议帧一同传输到对端加解密处理模块中；

STEP4：经过无线链路传输与数据接口通信，对端加解密处理模块接收到链路传输的密钥协议帧，根据协议同步挑帧后的密钥区地址信息，加载对应初始向量与密钥数据；根据系统配置解密工作模式（与加密端相同），对密态协议帧数据区进行数据解密并清空密钥区信息，获得明态协议帧转入解析传输环节。

单链路网络与双链路异构网络架构原理图如图9所示。

任务无人机与平台无人机通过组网链路实现数据通信，平台无人机与地面指控站通过卫通链路实现数据通信，上述两段过程均为单网络传输模式，通过本链路路由配置，实现双向数据快速通信。

任务无人机与地面指控站采用组网链路与卫通链路组合传输模式，实现双向数据通信。基于传输时效、动态调整、移动变化等因素考量，系统采用网络配置与路由融合方式将两段链路建立成异构通信网络，以实现网络数据在两级链路间快速传递转发，缩减中间环节处理开销。

任务无人机与地面指控站异构网络通信过程如下，以返向传输为例，首先，对平台无人机组网通信模块（主节点）进行默认网关配置，通过节点扫描与终端入网，建立任务无人机与平台无人机的区域组网链路传输通道；通过平台无人机卫星通信模块申请卫通网关，获得信关站卫通路由信息与地址转换服务，建立平台无人机与地面指控站的卫星通信网络；其次，任务无人机发起返向传输，业务数据执行网络协议栈封装，根据组网路由规划与接口通信配置，经组网链路传输，网络数据包传入平台无人机总线接口单元；再次，平台无人机总线接口单元根据卫通网关与路由地址信息，推送数据包至机载卫星通信模块，转发上星；最后，地面指控站通过“单跳”或“双跳”卫通传输链路，获得返向网络数据包，在业务处理模块执行协议栈解析处理后，获得原始业务数据，完成返向数据传输。前向数据传输为返向数据传输的逆过程，区别仅为平台无人机总线接口单元的卫通路由寻址，变更为组网路由寻址，其余处理过程不变。

在单链路网络与双链路异构网络通信过程中，应用层采用实时发布订阅协议(Real Time Publish Subscribe Protocol，RTPS)，用以提升系统容错、扩展、动态管理与模块设计等方面性能；传输层采用TCP加速与标准UDP协议，增强系统并发连接能力，减少传输延时，提高带宽利用率；网络层采用压缩包头的IP协议，以提升传输效率，满足网络动态寻址与路由转发功能。

通信系统返向业务数据传输过程和传输逻辑框图如图10-1、10-2所示。

载荷业务模块视频采集编码传输处理逻辑框图如图11所示。

链路通信系统主要应用于无人机超视距集群测控，以实现目标区域实时覆盖与多机协同作业。视频编码是无人机系统应用中的主要处理业务之一，在有限链路带宽情况下，高效的视频编码传输技术，可有效提升任务执行效率与协同作业质量。故系统方案中载荷业务模块采用编码单元可变的H.265压缩算法，相比于H.264宏块大小固定，可更好适用于移动场景变化，以场景信息驱使动态编码，在高效还原图像质量情况下，有效降低编码速率；而实际作业场景变化不确定，单一的视频压缩编码方式在遇到高复杂、高动态图像场景时，易出现编码I帧“瞬时速率过冲”问题，致使缓存溢出或延时累加，图像显示花屏或卡顿。为解决该问题，系统使用P帧帧内刷新I Slice方法，将大码率I帧二次编码为低码率P帧，在保证图像质量情况下，有效缩减编码I帧与编码P帧的大小差异，提升传输流畅性。同时，系统采用环状队列存储与码匀传输机制，以接口缓存能力与视频编码间隙匹配环状存储大小，以高优先级实时调度实现码匀传输，有效解决瞬时速率洪峰，避免接口缓存溢出，保证了低码率、高画质、高流畅度的视频传输过程。

前返向业务数据传输通用帧协议如图12所示。

在返向业务传输方面，通信系统需要传输包含飞行数据、任务反馈、载荷回报、链路遥测及系统状态等低速业务，同时还要传输视频码流、作业数据、载荷同步等高速业务，且低速业务数据因类型差异，单包数据长短不同。

为保障传输时效与数据流畅性，预防帧间时隙大范围抖动，系统首先将低速业务统一组成遥测数据帧，单帧共32个字节，包含同步字、飞机编号、设备编码、遥测识别码、有效数据区、帧计数及和校验，数据区填充实际低速业务数据，长度由数据类型决定，不足区域补零填充，单个遥测帧仅传输一种数据；其次，系统根据遥测数据传输优先级，推送遥测帧排队进入接口缓存FIFO，高速业务数据同步进入对应缓存FIFO，等待复合数据组帧；再次，根据数据类型、传输速率、优先级、缓存情况及等待时间，组建包含低速遥测与高速业务的复合数据帧，单帧共1024个字节，包含同步字、密钥区、飞机编号、设备编号、遥测帧信息（帧个数）、载荷类型、载荷数据长度、帧计数、和校验及数据区，其中数据区包含遥测数据包、单一种类载荷数据及区域补零；最后，包含高低速数据的复合业务帧执行数据区加密与密态区信息更新，进入网络协议栈路由转发环节，完成返向传输过程。

在前向业务传输方面，通信系统同样需要处理多类型遥控数据帧，为便于业务无数据传输与逻辑处理，遥控数据帧采用统一组帧传输协议，单帧共256个字节，包含同步字、密钥区、链路识别码、飞机编号、设备编号、遥控识别码、遥控数据长度、帧计数、和校验及有效数据区，其中数据区根据各种遥控数据长度进行差异化填充，用零填补数据区剩余空间，保证单帧协议长度相同。前向遥控数据帧在完成逻辑通道选择与数据加密处理后，进入网络协议栈路由转发环节，完成前向传输过程。

地面指控站业务处理模块复合业务数据解析转发处理逻辑如下：

经链路系统传输，包含返向复合业务的网络数据包传输至地面指控站业务处理模块，仅模块内网络协议栈解析与数据解密处理，还原出返向复合业务数据帧，进入协议帧解析转发环节。

在业务数据解析转发过程中，系统采用业务网与核心网双网互相备份的数据转发方式，各网络中协议解析与转发处理逻辑相同，仅存在网络接入地址段差异，具体解析传输处理过程如下：

STEP1：明态复合业务数据帧经内部接口通信，传输至业务网与核心网复合数据解析转发单元，执行协议同步挑帧；

STEP2：为了保留监测原始业务数据，解帧转发逻辑搭建TCP网络协议服务器，向链路监控与任务处理单元传输未解析处理的原始复合数据；具体过程为：创建复合数据TCP协议服务器，监听外部访问连接请求；当TCP客户端发起访问连接请求后，与其建立TCP网络通信连接，并采用链表机制动态管理连接终端Socket；复合数据同步挑帧结束，转入原始复合数据转发环节，检测管理连接终端Socket的链表信息，若存在有效连接，则执行转发过程；若连接已失效或无有效连接，则更新链表信息，跳过转发环节。

STEP3：对复合协议帧进行帧计数检测，标记帧计数连续或间断情况；执行帧头信息区数据的和校验计算，确认链路传输数据准确性，校验失败的复合帧直接丢弃，否则继续协议帧数据解析过程；

STEP4：根据复合业务帧中“遥测帧信息”标识，获得当前复合帧中遥测帧传输个数，在复合帧协议遥测数据起始地址处，提取并逐包转发遥测数据，遥测数据传输采用UDP组播协议，以方便后端多链路监控设备同时接收处理；若标识信息为0x00，则表示当前复合帧中未携带返向遥测数据；

STEP5：根据复合业务帧中“载荷类型”与“载荷数据长度”信息，确认当前复合帧中传输具体类型的载荷数据情况；若为同步数据，则根据传输协议约定，采用与原始复合数据传输方式相同的TCP服务协议，执行访问监听、链表管理及数据传输逻辑；

STEP6：若“载荷类型”标记为视频数据，则解帧转发逻辑检测RTSP创建标识是否有效；有效则动态创建视频RTSP服务，并通过信号监听机制监测服务运行状态；无效则说明RTSP服务已经创建，直接进入视频转发环节；解帧转发逻辑与视频RTSP服务通过FIFO机制，实现视频数据传递，而在视频数据写入接口FIFO前，先由缓存监测逻辑检查FIFO缓存情况；若缓存数据未达预警深度，则视频数据直接写入；若缓存数据达到预警深度且持续多次判断有效，系统确认RTSP服务异常，执行服务终止操作；此时，信号监听机制捕获RTSP服务退出状态，并更新RTSP创建标识，系统进入下一次服务创建传输过程。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统，其特征在于：包括地面指控站端、平台无人机端及任务无人机端；

地面指控站端与平台无人机端之间通过卫星通信链路传输；

平台无人机端与任务无人机端之间通过组网通信链路传输；

任务无人机端与地面指控站端之间通过卫星通信链路和组网通信链路传输；

地面指控站端包含卫星通信模块、公网接入模块和业务处理模块；

平台无人机端包含机载卫星通信模块、总线接口单元、主节点组网通信模块和载荷业务模块；

任务无人机端包含从节点组网通信模块与载荷业务模块。

2.根据权利要求1所述的一种超视距集群测控的无人机数据链通信系统的通信方法，其特征在于，包括前向通信方法：

遥控数据在业务处理模块完成通道选择与协议加密，经单跳方式或双跳方式卫通链路转发上星；

平台无人机获得卫通前向遥控数据，经总线接口单元协议帧同步处理与路由转发，传输至本地载荷业务模块，或经组网链路传输至任务无人机载荷业务模块；

各平台载荷业务模块对遥控指令进行同步、解密、解析，完成对应终端指令的控制响应。

3.根据权利要求2所述的一种超视距集群测控的无人机数据链通信方法，其特征在于，在前向通信中：

地面指控站业务处理模块通过串口和网口/业务网，同时接收链路监控软件发来的相同遥控指令，根据接口模式、默认配置及超时判断逻辑，确认遥控指令生效通道；

地面指控站业务处理模块内嵌加解密单元，对输入遥控指令进行协议帧数据加密，转换为密态遥控数据帧；

地面指控站业务处理模块将遥控数据帧送入网络协议栈，转换为包含遥控数据的网络数据包；

地面指控站业务处理模块根据路由配置与默认网关信息，选择双跳方式：网络遥控数据包通过本地卫星通信模块或选择单跳方式发送上星：通过公网接入VPN服务通道，由信关站卫星通信单元发送上星。

4.根据权利要求2或3任一所述的一种超视距集群测控的无人机数据链通信方法，其特征在于，在前向通信中：

网络层遥控数据包经卫通链路路由寻址转发，由平台无人机卫星通信模块接收，转入平台无人机总线接口单元；

平台无人机总线接口单元根据网络层遥控数据包目标地址，确认执行路由信息：若目标地址为平台无人机，则将数据包转发给本地载荷业务模块；若目标地址为任务无人机，则将数据包推送至组网通信模块，经组网模块路由转发，最终传输至任务无人机载荷业务模块；

任务无人机和平台无人机的载荷业务模块对网路层遥控数据包进行协议栈解析，还原密态遥控数据帧；

执行协议解密、解帧操作，获得原始遥控指令；

对遥控指令进行数据解析，确认最终响应设备终端与指令参数，完成指令控制。

5.根据权利要求3所述的一种超视距集群测控的无人机数据链通信方法，其特征在于，包括返向通信方法：

任务无人机和平台无人机载荷业务模块发起业务数据采集，执行数据编码、协议组帧及加密传输过程，经网络协议栈封装为网络数据包；

任务无人机返向复合数据经组网链路传输至平台无人机总线接口单元；

平台无人机返向复合数据经内部通信接口传输至本地总线接口单元；

任务无人机和平台无人机的复合数据帧排队执行路由寻址转发，由平台无人机卫星通信模块发送上星；

地面指控站通过单跳方式或双跳方式卫通链路传输，获得返向复合业务数据，执行协议数据解密解析，完成状态信息监测与业务数据处理。

6.根据权利要求5所述的一种超视距集群测控的无人机数据链通信方法，其特征在于，在返向通信中：

任务无人机和平台无人机的载荷业务模块通过视频输入接口，检测并捕获原始视频数据，执行图像处理与视频压缩编码，经缓存码匀传输，推送编码视频流进入复合数据组帧前的对应缓存通道；

任务无人机和平台无人机的载荷业务模块通过内外部数据接口，获取多类型飞机数据，如航迹姿态、载荷信息、遥测数据及系统状态，推送进入复合数据组帧前的对应缓存通道；

任务无人机和平台无人机的载荷业务模块根据数据类型、传输速率、优先级、缓存情况及等待时间变量，对多组缓存业务数据进行排队组帧，并对复合数据帧执行数据加密处理；

任务无人机和平台无人机的载荷业务模块将密态复合数据帧送入网络协议栈，转换为包含复合数据的网络数据包；

任务无人机复合数据包通过组网链路传输至平台无人机总线接口单元，平台无人机复合数据包通过内部数据接口传输至本地总线接口单元；

平台无人机总线接口单元根据路由配置与默认网关信息，将复合数据帧排队传入本地卫星通信模块，转发上星；

网络层复合数据经卫通链路路由寻址转发，由地面指控站卫星通信模块或基于信关站VPN服务的公网接入模块接收，转入地面指控站业务处理模块；

地面指控站业务处理模块对网络层复合数据包进行协议栈解析，获得复合业务帧；经内嵌加解密单元处理，完成复合业务帧数据解密；推送明态复合业务帧分别进入业务网和核心网解析转发流程。

7.根据权利要求5或6任一所述的一种超视距集群测控的无人机数据链通信方法，其特征在于：地面指控站业务处理模块采用双网互相备份模式转发业务数据，根据接口协议约定，将原始和解析后的各类业务数据转发至后端链路监控与任务处理单元，完成状态监测与业务数据处理。

8.根据权利要求7所述的一种超视距集群测控的无人机数据链通信方法，其特征在于：

针对原始复合与多路同步数据采用TCP协议完成数据传输；

针对遥测数据采用UDP组播协议完成数据转发；

针对视频图像数据则通过RTSP传输协议完成数据推流。

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