CN116155353A - 一种低成本通信测控一体化传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本通信测控一体化传输系统，涉及无人机通信测控技术领域。该系统由机载端和地面站组成，通过两个频段实现通信数据、测控数据和机载端监控数据的双向传输；地面站配置全向天线和定向天线，机载端距离地面站较近或过顶时，地面站通过全向天线与之通信；机载端距地面站较远时，地面站通过定向天线与之通信。本发明采用时分双工体制实现数据传输，频谱利用率高，通过冗余设计改善了系统的通信可靠度，并通过合理设计，降低了系统的设计和制造成本，特别适用于中低速通信测控数据的一体化传输。

Description

一种低成本通信测控一体化传输系统

技术领域

本发明涉及无人机通信测控技术领域，特别是一种低成本通信测控一体化传输系统。

背景技术

现有技术中，无人机通信测控系统采用频分双工体制，系统的上、下行数据分别调制到同一频带的不同频率上传输，由于频率保护间隔的存在，系统占用带宽较宽。

为保证较远的通信测控距离，地面站一般采用高增益定向天线配合单脉冲跟踪接收机实现。此外，为保证过顶时天线的跟踪性能，要求伺服跟踪系统能够支持较大的角速度和较高的跟踪精度。这样，系统的构成会很复杂，且成本高昂，这在中高速率传输场景下费效比尚可容忍，但当需要传输的业务速率较低时，系统的经济性难以接受。同时，受限于成本，一般采用单条无线链路实现数据传输，系统的通信可靠度易受干扰等外部因素影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种低成本通信测控一体化传输系统，用以解决现有技术中的不足之处。

本发明采用的技术方案为：

一种低成本通信测控一体化传输系统，包括机载端和地面站；其中，机载端包括机载天线一、机载天线二、链路传输单元一、链路传输单元二和接口单元；地面站分为舱内部分和舱外部分，舱内部分包括交换机、工控机、低时延数据转换单元、双频段链路传输单元、射频开关一、射频开关二和伺服控制机构；舱外部分包括全向天线一、全向天线二、双频段定向天线、GPS/BD双模定位定向装置和天线转台。

进一步地，对于机载端，机载天线一和机载天线二分别与链路传输单元一和链路传输单元二通过射频电缆连接，用于实现双频段射频信号的收发；

上行链路中，链路传输单元一和链路传输单元二对接收到的射频信号进行滤波、低噪声放大、下变频、模数转换、解调、译码，得到两路上行业务数据，通过串口输出给接口单元；接口单元通过两路串口接收两路上行业务数据，进行帧校验，根据校验结果优选出一路正确的上行数据，进行分接，得到上行通信数据、上行遥控数据和上行监控指令；上行通信数据通过串口输出给外部载荷设备；上行遥控数据通过CAN接口输出给外部飞控计算机；上行监控指令由接口单元内部的主监控处理器进行解析并通过串口下发给两个链路传输单元执行；

下行链路中，接口单元通过串口接收外部载荷设备输入的下行通信数据；通过CAN接口接收外部飞控计算机输入的下行遥测数据；由内部的主监控处理器通过串口收集设备状态并形成下行监控数据，之后对下行通信数据、下行遥测数据和下行监控数据进行复接、成帧，得到下行业务数据，通过串口分别输出给两个链路传输单元；链路传输单元一和链路传输单元二对接口单元输入的两路下行业务数据进行编码、调制、数模转换、滤波、上变频、功率放大后，得到两个频段的发射频信号，分别输出给两个机载天线。

进一步地，对于地面站，由交换机进行数据交换，实现与之相连的工控机、低时延数据转换单元与外部设备之间的测控数据与通信数据的交互，以及工控机对地面站其它设备的监控数据交互；

上行链路中，交换机将上行通信数据、上行遥控数据以及工控机软件界面产生的对机载端的上行监控指令转发给低时延数据转换单元，由低时延数据转换单元对其复接、成帧后，得到上行业务数据，分为两路通过串口输出给双频段链路传输单元，由双频段链路传输单元进行编码、调制、数模转换、滤波、上变频、功率放大，得到两个频段的发射频信号，输出给射频开关一和射频开关二；两个射频开关接受双频段链路传输单元的切换控制信号，切换控制信号指示为全向天线时，两个射频开关分别将两路发射频信号输出给全向天线一和全向天线二；切换控制信号指示为定向天线时，两个射频开关分别将两路发射频信号输出给双频段定向天线；

下行链路中，当两个射频开关的切换控制信号指示为全向天线时，分别将全向天线一和全向天线二接收的两个频段的收射频信号转发给双频段链路传输单元；当切换控制信号指示为定向天线时，将双频段定向天线接收的两个频段的收射频信号转发给双频段链路传输单元；双频段链路传输单元对接收的两个频段的收射频信号进行滤波、低噪声放大、下变频、模数转换、解调、译码，得到两路下行业务数据，通过串口输出给低时延数据转换单元；低时延数据转换单元将两路下行业务数据转换为网络数据，通过交换机转发给工控机处理；工控机上的软件对两路下行业务数据进行帧校验，根据校验结果优选出一路正确的下行数据，进行分接，得到下行通信数据、下行遥测数据和机载端的下行监控数据；其中，下行通信数据和下行遥测数据通过交换机转发至外部设备，下行监控数据由工控机解析后显示在自身的软件界面上；工控机软件从下行遥测数据中解析出机载端位置信息，通过交换机转发至伺服控制机构；伺服控制机构结合GPS/BD双模定位定向装置送来的本地方位信息，计算出双频段定向天线的指向信息，驱动天线转台指向相应的方位和俯仰角度。

进一步地，机载端距离地面站较近或过顶时，地面站切换为全向天线与机载端通信；机载端距地面站较远时，地面站切换为定向天线与机载端通信。

进一步地，机载端和地面站间的两条无线链路传输的业务数据完全相同，但其射频信号的工作频段不同。

进一步地，机载端和地面站的链路传输单元均采用时分双工的传输体制。

进一步地，机载端和地面站的链路传输单元中，调制解调、模数/数模转换、变频的物理层传输功能通过SX127X系列低成本商用无线传输芯片实现，编译码的基带数据处理功能通过MAX10系列低成本FPGA实现。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用时分双工体制实现业务数据的双向传输，与常见的频分双工测控数据传输体制相比，不需要频率保护间隔，占用的频谱资源较少，频率利用率高。

2、本发明利用两个不同工作频段的链路传输单元传输相同的业务数据，通过接收端的帧校验和数据优选功能，优选出一路正确数据进行后续处理。与常见的单链路传输的测控体制相比，通过冗余设计的方式，改善了设备的通信可靠度，提高了设备的抗干扰能力。

3、本发明中地面站采用了全向天线和定向天线相结合的方式。机载端距离地面站较近或过顶时，相对地面站的角速度较大，但由于距离近，对天线增益的要求较小，此时地面站选择全向天线与之通信。而当机载端距离较远时，相对地面站的角速度较小，但需要地面站的天线增益较高，此时地面站切换为定向天线。采用这种机制，降低了对地面站定向天线伺服机构的跟踪角速度和跟踪精度的要求，采用程序跟踪即可满足需求，可以有效降低地面站的成本。

4、本发明中，链路传输单元的核心功能采用商用无线传输芯片SX127X系列和商用FPGA MAX10系列实现，与专用或定制的测控或通信设备相比，可以有效降低无线传输部分的研制和制造成本。

5、本发明中，地面站对下行数据的处理以及系统监控由工控机上的软件实现，其硬件平台为通用的工控机平台，软件编写难度较低，与专用的数据处理设备相比，可有效降低硬件和软件的设计开发成本。

附图说明

图1为本发明实施例中一种低成本通信测控一体化传输系统的机载端的电原理方框图。

图2为本发明实施例中一种低成本通信测控一体化传输系统的地面站的电原理方框图。

图中：11为机载天线一，12为机载天线二，13为链路传输单元一，14为链路传输单元二，15为接口单元；21为交换机，22为工控机，23为低时延数据转换单元，24为双频段链路传输单元，25为射频开关一，26为射频开关二，27为伺服控制机构；31为全向天线一，32为全向天线二，33为双频段定向天线，34为GPS/BD双模定位定向装置，35为天线转台。

实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

一种低成本通信测控一体化传输系统，包括机载端和地面站两部分。其中，机载端包括机载天线一、机载天线二、链路传输单元一、链路传输单元二和接口单元。地面站又可分为舱内部分和舱外部分；其中，舱内部分包括交换机、工控机、低时延数据转换单元、双频段链路传输单元、射频开关一、射频开关二和伺服控制机构；舱外部分包括全向天线一、全向天线二、双频段定向天线、GPS/BD双模定位定向装置和天线转台。

对于机载端，机载天线一和机载天线二分别与链路传输单元一和链路传输单元二通过射频电缆连接，用于实现双频段射频信号的收发。

对于上行链路，链路传输单元一和链路传输单元二对接收到的射频信号进行滤波、低噪声放大、下变频、模数转换、解调、译码，得到两路上行业务数据，通过串口输出给接口单元；对于下行链路，链路传输单元一和链路传输单元二对接口单元输入的两路下行业务数据进行编码、调制、数模转换、滤波、上变频、功率放大后，得到两个频段的发射频信号，分别输出给两个机载天线。

对于上行链路，接口单元通过两路串口接收两路上行业务数据，进行帧校验，根据校验结果优选出一路正确的上行数据，进行分接，得到上行通信数据、上行遥控数据和上行监控指令。上行通信数据通过串口输出给外部载荷设备；上行遥控数据通过CAN接口输出给外部飞控计算机；上行监控指令由接口单元内部的主监控处理器进行解析并通过串口下发给两个链路传输单元执行。对于下行链路，接口单元通过串口接收外部载荷设备输入的下行通信数据；通过CAN接口接收外部飞控计算机输入的下行遥测数据；由内部的主监控处理器通过串口收集设备状态并形成下行监控数据，之后对下行通信数据、下行遥测数据和下行监控数据进行复接、成帧后，得到下行业务数据，通过串口分别输出给两个链路传输单元。

对于地面站，由交换机进行数据交换，实现与之相连的工控机、低时延数据转换单元与外部设备之间的测控数据与通信数据的交互，以及工控机对地面站其它设备的监控数据交互。

对于上行链路，交换机将上行通信数据、上行遥控数据以及工控机软件界面产生的对机载端的上行监控指令转发给低时延数据转换单元，由低时延数据转换单元对其复接、成帧后，得到上行业务数据，分为两路通过串口输出给双频段链路传输单元，由其进行编码、调制、数模转换、滤波、上变频、功率放大后，得到两个频段的发射频信号，输出给射频开关一和射频开关二。两个射频开关接受双频段链路传输单元的切换控制信号控制；切换控制信号指示为全向天线时，两个射频开关分别将两路发射频信号输出给全向天线一和全向天线二；切换控制信号指示为定向天线时，两个射频开关分别将两路发射频信号输出给双频段定向天线。

对于下行链路，当两个射频开关的切换控制信号指示为全向天线时，分别将全向天线一和全向天线二接收的两个频段的收射频信号转发给双频段链路传输单元；当切换控制信号指示为定向天线时，将双频段定向天线接收的两个频段的收射频信号转发给双频段链路传输单元。双频段链路传输单元对接收的两个频段的收射频信号进行滤波、低噪声放大、下变频、模数转换、解调、译码，得到两路下行业务数据，通过串口输出给低时延数据转换单元。低时延数据转换单元将其转换为网络数据，通过交换机转发给工控机处理。工控机上的软件对两路下行业务数据进行帧校验，根据校验结果优选出一路正确的下行数据，进行分接，得到下行通信数据、下行遥测数据和机载端的下行监控数据。其中，下行通信数据和下行遥测数据通过交换机转发至外部设备，下行监控数据由工控机解析后显示于自身的软件界面上。同时，工控机软件从下行遥测数据中解析出机载端位置信息，通过交换机转发至伺服控制机构。伺服控制机构结合GPS/BD双模定位定向装置送来的本地方位信息，计算出双频段定向天线的指向信息，驱动天线转台指向相应的方位和俯仰角度。

优选地，机载端距离地面站较近（小于5km）或过顶时，地面站切换为全向天线与机载端通信；机载端距地面站较远（大于5km）时，地面站切换为定向天线与机载端通信。

优选地，机载端和地面站间的两条无线链路传输的业务数据完全相同，但其射频信号的工作频段不同。

优选地，机载端和地面站的链路传输单元均采用时分双工的传输体制。

优选地，机载端和地面站的链路传输单元中，调制解调、模数/数模转换、变频等物理层传输功能通过低成本商用无线传输芯片SX127X系列实现，编译码等基带数据处理功能通过MAX10系列低成本FPGA实现。

以下为一个更具体的例子：

一种低成本通信测控一体化传输系统，包括机载端和地面站。如图1所示，机载端包括机载天线一11、机载天线二12、链路传输单元一13、链路传输单元二14和接口单元15。其中，机载天线一11和机载天线二12用于机载端双频段射频信号的收发。链路传输单元一13和链路传输单元二14用于实现双频段射频信号到业务数据间的滤波、变频、放大、调制解调、编译码等处理、变换功能。接口单元15对两个链路传输单元给出的上行业务数据进行帧校验、优选、分接，得到上行通信数据、上行遥控数据和上行监控指令，分别输出给外部设备和机载端的其它功能单元；同时，接口单元15接收外部设备给出的下行通信数据、下行遥测数据和机载端的其它功能单元给出的下行监控数据，对其复接后分为两路，分别输出至两个链路传输单元。

如图2所示，地面站由舱内部分和舱外部分组成。其中，舱内部分包括交换机21、工控机22、低时延数据转换单元23、双频段链路传输单元24、射频开关一25、射频开关二26和伺服控制机构27；舱外部分包括全向天线一31、全向天线二32、双频段定向天线33、GPS/BD双模定位定向装置34和天线转台35。交换机21实现与之相连的工控机22、低时延数据转换单元23与外部设备之间的测控数据与通信数据的交互，以及工控机22对地面站其它设备的监控数据交互。工控机22上的软件实现对机载端和地面站其它设备的监控功能，并对低时延数据转换单元23给出的两路下行业务数据进行进行帧校验、优选、分接，得到下行通信数据、下行遥测数据和下行监控数据，分别输出给外部设备和工控机软件的用户界面。低时延数据转换单元23对交换机21转发来的外部设备输入的上行通信数据、上行遥控数据以及工控机软件界面产生的对机载端的上行监控指令进行复接、成帧后，得到上行业务数据，分两路通过串口输出给双频段链路传输单元24；同时将双频段链路传输单元24给出的两路下行业务数据转换为网络数据后，通过交换机21转发给工控机22处理。双频段链路传输单元24用于实现业务数据到双频段射频信号的编译码、调制解调、变频、放大、滤波等处理、变换功能。射频开关一25和射频开关二26根据监控指令进行切换，实现双频段链路传输单元24到全向天线一31、全向天线二32或双频段定向天线33间的射频信号连通。全向天线一31、全向天线二32、双频段定向天线33实现双频段射频信号的收发功能。伺服控制机构27根据交换机21转发的工控机软件解算出的机载端位置信息，以及GPS/BD双模定位定向装置34给出的本地方位信息，计算出双频段定向天线33的指向信息，并驱动天线转台35指向相应的方位和俯仰角度。

总之，本发明采用时分双工体制实现数据传输，频谱利用率高，通过冗余设计改善了系统的通信可靠度，并通过合理设计，降低了系统的设计和制造成本，特别适用于中低速通信测控数据的一体化传输。

Claims (7)

1.一种低成本通信测控一体化传输系统，其特征在于，包括机载端和地面站；其中，机载端包括机载天线一、机载天线二、链路传输单元一、链路传输单元二和接口单元；地面站分为舱内部分和舱外部分，舱内部分包括交换机、工控机、低时延数据转换单元、双频段链路传输单元、射频开关一、射频开关二和伺服控制机构；舱外部分包括全向天线一、全向天线二、双频段定向天线、GPS/BD双模定位定向装置和天线转台。

2.根据权利要求1所述的一种低成本通信测控一体化传输系统，其特征在于，对于机载端，机载天线一和机载天线二分别与链路传输单元一和链路传输单元二通过射频电缆连接，用于实现双频段射频信号的收发；

上行链路中，链路传输单元一和链路传输单元二对接收到的射频信号进行滤波、低噪声放大、下变频、模数转换、解调、译码，得到两路上行业务数据，通过串口输出给接口单元；接口单元通过两路串口接收两路上行业务数据，进行帧校验，根据校验结果优选出一路正确的上行数据，进行分接，得到上行通信数据、上行遥控数据和上行监控指令；上行通信数据通过串口输出给外部载荷设备；上行遥控数据通过CAN接口输出给外部飞控计算机；上行监控指令由接口单元内部的主监控处理器进行解析并通过串口下发给两个链路传输单元执行；

下行链路中，接口单元通过串口接收外部载荷设备输入的下行通信数据；通过CAN接口接收外部飞控计算机输入的下行遥测数据；由内部的主监控处理器通过串口收集设备状态并形成下行监控数据，之后对下行通信数据、下行遥测数据和下行监控数据进行复接、成帧，得到下行业务数据，通过串口分别输出给两个链路传输单元；链路传输单元一和链路传输单元二对接口单元输入的两路下行业务数据进行编码、调制、数模转换、滤波、上变频、功率放大后，得到两个频段的发射频信号，分别输出给两个机载天线。

3.根据权利要求2所述的一种低成本通信测控一体化传输系统，其特征在于，对于地面站，由交换机进行数据交换，实现与之相连的工控机、低时延数据转换单元与外部设备之间的测控数据与通信数据的交互，以及工控机对地面站其它设备的监控数据交互；

上行链路中，交换机将上行通信数据、上行遥控数据以及工控机软件界面产生的对机载端的上行监控指令转发给低时延数据转换单元，由低时延数据转换单元对其复接、成帧后，得到上行业务数据，分为两路通过串口输出给双频段链路传输单元，由双频段链路传输单元进行编码、调制、数模转换、滤波、上变频、功率放大，得到两个频段的发射频信号，输出给射频开关一和射频开关二；两个射频开关接受双频段链路传输单元的切换控制信号，切换控制信号指示为全向天线时，两个射频开关分别将两路发射频信号输出给全向天线一和全向天线二；切换控制信号指示为定向天线时，两个射频开关分别将两路发射频信号输出给双频段定向天线；

下行链路中，当两个射频开关的切换控制信号指示为全向天线时，分别将全向天线一和全向天线二接收的两个频段的收射频信号转发给双频段链路传输单元；当切换控制信号指示为定向天线时，将双频段定向天线接收的两个频段的收射频信号转发给双频段链路传输单元；双频段链路传输单元对接收的两个频段的收射频信号进行滤波、低噪声放大、下变频、模数转换、解调、译码，得到两路下行业务数据，通过串口输出给低时延数据转换单元；低时延数据转换单元将两路下行业务数据转换为网络数据，通过交换机转发给工控机处理；工控机上的软件对两路下行业务数据进行帧校验，根据校验结果优选出一路正确的下行数据，进行分接，得到下行通信数据、下行遥测数据和机载端的下行监控数据；其中，下行通信数据和下行遥测数据通过交换机转发至外部设备，下行监控数据由工控机解析后显示在自身的软件界面上；工控机软件从下行遥测数据中解析出机载端位置信息，通过交换机转发至伺服控制机构；伺服控制机构结合GPS/BD双模定位定向装置送来的本地方位信息，计算出双频段定向天线的指向信息，驱动天线转台指向相应的方位和俯仰角度。

4.根据权利要求3所述的一种低成本通信测控一体化传输系统，其特征在于，机载端距离地面站较近或过顶时，地面站切换为全向天线与机载端通信；机载端距地面站较远时，地面站切换为定向天线与机载端通信。

5.根据权利要求3所述的一种低成本通信测控一体化传输系统，其特征在于，机载端和地面站间的两条无线链路传输的业务数据完全相同，但其射频信号的工作频段不同。

6.根据权利要求3所述的一种低成本通信测控一体化传输系统，其特征在于，机载端和地面站的链路传输单元均采用时分双工的传输体制。

7.根据权利要求3所述的一种低成本通信测控一体化传输系统，其特征在于，机载端和地面站的链路传输单元中，调制解调、模数/数模转换、变频的物理层传输功能通过SX127X系列低成本商用无线传输芯片实现，编译码的基带数据处理功能通过MAX10系列低成本FPGA实现。

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