一種智能通信控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

施京 何煦 施佳 趙久利

摘要：針對(duì)地面設(shè)備與空中快速移動(dòng)機(jī)載設(shè)備之間的通信需求，提出了一種智能通信控制系統(tǒng)的構(gòu)建方案，通過采用一種智能控制及防繞線算法，對(duì)伺服云臺(tái)及通信設(shè)備進(jìn)行控制，達(dá)到快速、準(zhǔn)確地調(diào)整通信設(shè)備天線方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)快速自動(dòng)化跟蹤，從而確保二者之間良好通信的目的。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法還可以推廣應(yīng)用到其他安防、高速路監(jiān)控等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：智能通信控制；伺服云臺(tái)；防繞線；自動(dòng)跟蹤；地面設(shè)備；機(jī)載設(shè)備

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）22-62-5

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和各種工程應(yīng)用需求的擴(kuò)展，使用機(jī)載設(shè)備對(duì)地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)的需求不斷增加，機(jī)載設(shè)備與地面設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸日漸頻繁，傳統(tǒng)的通信方式已難以保證二者之間遠(yuǎn)距離通信。通常情況下機(jī)載設(shè)備使用全向天線與地面設(shè)備進(jìn)行通信，而地面上有使用定向和全向天線2種模式。地面上使用定向天線雖然可以與機(jī)載設(shè)備進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的通信，但是由于機(jī)載設(shè)備飛行速度快、活動(dòng)范圍大，難以保證機(jī)載設(shè)備在地面通信設(shè)備的定向通信天線波束范圍內(nèi)，導(dǎo)致雙方無(wú)法進(jìn)行有效通信。如果地面通信設(shè)備使用全向天線時(shí)，由于全向天線增益低，當(dāng)機(jī)載設(shè)備距離地面設(shè)備較遠(yuǎn)時(shí)，又難以保證雙方之間遠(yuǎn)距離的通信。如何構(gòu)建一套地面設(shè)備與機(jī)載設(shè)備之間良好通信的智能通信控制系統(tǒng)就成為了急需解決的問題。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)地面與機(jī)載設(shè)備之間較遠(yuǎn)距離的通信，主要解決的是二者之間通信天線角度實(shí)時(shí)匹配問題。機(jī)載設(shè)備存在移動(dòng)速度快、方位變化大、需要接收各種信號(hào)的特點(diǎn)，一般選用的通信天線為全向天線。為了增加通信的距離，基本上從地面通信設(shè)備著手，地面通信設(shè)備選用定向天線，然后將通信設(shè)備（含通信定向天線）安裝到具備水平和俯仰方向轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服云臺(tái)上，通過計(jì)算機(jī)控制伺服云臺(tái)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，使通信定向天線始終自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)機(jī)載設(shè)備的方向，這樣就可以達(dá)到較遠(yuǎn)距離通信的目的。

在智能通信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)解決以下三大問題：

①解決地面設(shè)備如何實(shí)時(shí)跟蹤移動(dòng)的機(jī)載設(shè)備，保持通信雙方遠(yuǎn)距離良好通信的問題；

②解決限位模式云臺(tái)在部分位置轉(zhuǎn)動(dòng)效率不高以及存在死角的問題；

③解決無(wú)限位云臺(tái)上面安裝設(shè)備的線纜在隨機(jī)控制的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中纏繞到云臺(tái)上會(huì)導(dǎo)致云臺(tái)損毀的問題。

智能通信控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)易模型可以由1臺(tái)筆記本電腦（含云臺(tái)智能控制軟件，也可以使用顯控臺(tái)計(jì)算機(jī)加顯示器替代）、1套伺服云臺(tái)設(shè)備、1個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)RS485單元（可選一個(gè)RS232轉(zhuǎn)RS485單元）、1套GPS接收機(jī)（含天線）、1套地面通信設(shè)備（含定向天線）和1套機(jī)載通信設(shè)備（含全向天線）組成，如圖1所示。

系統(tǒng)使用交流220 V工作，通過各類電源適配器提供所需要的設(shè)備直流電源。系統(tǒng)支持RS232或網(wǎng)絡(luò)控制模式，當(dāng)通過RS232接口控制云臺(tái)時(shí)，筆記本電腦需要有2個(gè)RS232接口，再加上RS232轉(zhuǎn)RS485單元；當(dāng)通過網(wǎng)絡(luò)控制云臺(tái)時(shí)，筆記本電腦需要有1個(gè)RS232接口、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)RS485單元。當(dāng)系統(tǒng)工作在固定位置時(shí)，GPS接收機(jī)可以在讀取系統(tǒng)初始位置信息后，不再連接，用以解決串口不足時(shí)的應(yīng)用。選用網(wǎng)絡(luò)接口的GPS接收機(jī)時(shí)，可以在系統(tǒng)上增加一個(gè)交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接。筆記本或顯控臺(tái)沒有RS232接口時(shí)，也可以使用USB轉(zhuǎn)串口（RS232）的轉(zhuǎn)接線實(shí)現(xiàn)物理上的連接，這些都比較容易實(shí)現(xiàn)。

通過設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制軟件，可以在系統(tǒng)初始參數(shù)設(shè)置時(shí)，根據(jù)硬件的具體情況配置選擇云臺(tái)的控制模式（網(wǎng)絡(luò)或RS232）。采用網(wǎng)絡(luò)工作模式時(shí)，設(shè)備的部署更加靈活，筆記本電腦（顯控臺(tái)）可以部署在離通信設(shè)備較遠(yuǎn)的位置。

系統(tǒng)具備全自動(dòng)跟蹤機(jī)載設(shè)備能力。為了實(shí)現(xiàn)最大的通信距離，地面設(shè)備使用的是定向天線，由于直升機(jī)速度快，如果定向天線不能夠有效對(duì)準(zhǔn)，將大大減少地空之間的通信距離。本系統(tǒng)通過地面設(shè)備的云臺(tái)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤直升機(jī)的位置，從而大大提高了地面與空中的通信距離。同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)方式遙控云臺(tái)工作，解決了原先串口控制方式中串口缺少、串口傳輸距離近的問題。通過軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍和轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制，解決了傳統(tǒng)的云臺(tái)限位帶來的在限位臨界位置到達(dá)需要位置速度慢和存在誤差較大導(dǎo)致跟蹤失敗的問題，解決了云臺(tái)上安裝設(shè)備線纜纏繞在云臺(tái)上導(dǎo)致云臺(tái)損毀的問題。

2系統(tǒng)工作原理

機(jī)載設(shè)備升空后，上面的設(shè)備可以定時(shí)下傳航跡信息，當(dāng)?shù)孛嬖O(shè)備（顯控臺(tái)或者通信設(shè)備）與機(jī)載設(shè)備通信正常時(shí)，會(huì)接收到下傳的航跡信息，從中可以獲取機(jī)載設(shè)備的經(jīng)度、緯度和高度等信息；結(jié)合地面設(shè)備的位置信息（經(jīng)度、緯度、海拔高度）計(jì)算出云臺(tái)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方向（包括水平方向、俯仰方向），然后下發(fā)云臺(tái)控制指令，實(shí)現(xiàn)控制伺服云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)機(jī)載設(shè)備的方向，從而實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備與機(jī)載設(shè)備保持良好的通信。伺服云臺(tái)控制流程圖如圖2所示。

3防繞線設(shè)計(jì)方法

由于安裝在伺服云臺(tái)上面的通信設(shè)備（天線等）有相關(guān)的電纜（如射頻電纜、電源線等），在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)纏繞到云臺(tái)旋轉(zhuǎn)體上，在達(dá)到一定的圈數(shù)后會(huì)引起云臺(tái)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致云臺(tái)內(nèi)部的電機(jī)損毀。因此需要對(duì)云臺(tái)的控制范圍進(jìn)行有效控制，使其在一定的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)（此時(shí)不會(huì)引起繞線）。首先需要測(cè)試出伺服云臺(tái)順時(shí)針或逆時(shí)針?biāo)睫D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)引起繞線的總區(qū)間，將其中間位置設(shè)置成初始位置，其總?cè)?shù)的一半（取整）即為可以正反轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)范圍。俯仰方向一般范圍不大，俯仰角度不大于90°，俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)引起繞線問題。

為了能夠及時(shí)獲取云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)和當(dāng)前位置的信息，需要在顯控臺(tái)與云臺(tái)之間建立通信協(xié)議，通過軟件進(jìn)行記錄云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡，然后根據(jù)云臺(tái)允許的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，進(jìn)行綜合計(jì)算得到需要轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度，通過與云臺(tái)之間約定的指令，控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度，而不是讓云臺(tái)隨便轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)，在有些轉(zhuǎn)動(dòng)角度，如180°左右時(shí)，考慮到機(jī)械誤差和云臺(tái)內(nèi)部自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)制判斷可能存在誤差，此時(shí)需要進(jìn)行多次（一般軟件中取為2次）控制才能取得正確計(jì)數(shù)（圈數(shù)）和防繞線的效果。

伺服云臺(tái)防繞線智能控制流程圖如圖3所示。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想，智能通信控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)絡(luò)通信模塊、通信接口配置模塊、GPS信息接收模塊、信息處理顯示模塊、防繞線處理控制模塊、伺服云臺(tái)控制模塊。其中網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要實(shí)現(xiàn)顯控臺(tái)與通信設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)交換。

通信接口配置模塊進(jìn)行云臺(tái)控制參數(shù)設(shè)置，主要包括控制接口類型、串口設(shè)置、告警設(shè)置、速度控制等參數(shù)；控制接口類型分為網(wǎng)絡(luò)接口和RS232接口；RS232串口設(shè)置，包括波特率選擇：300/600/1 200/2 400/4 800/9 600/19 200 bit/s；數(shù)據(jù)位選擇：7/8位，停止位選擇：1/2位；校驗(yàn)位選擇：無(wú)/奇校驗(yàn)/偶校驗(yàn)；串口選擇：COM1/COM2；告警設(shè)置：是否告警、是否發(fā)音、告警的水平角度和俯仰角度差值，其取值與安裝在云臺(tái)上的天線方向圖和波束角度相關(guān)，不能夠超過天線波束的范圍；速度控制：水平角度速度值、垂直角度速度值（需要云臺(tái)支持）。

GPS信息接收模塊自動(dòng)獲取GPS接收機(jī)的本地位置信息，包括經(jīng)度、緯度和高度，在沒有GPS設(shè)備時(shí)，還需要支持人工輸入模式；通過RS232接口連接GPS接收設(shè)備，自動(dòng)獲取本地的位置信息；或者通過人工輸入模式，設(shè)置本地的位置信息，包括經(jīng)度、緯度和高度的值。

信息處理顯示模塊包括對(duì)通過無(wú)線通信方式連接機(jī)載設(shè)備得到的機(jī)載設(shè)備位置信息的接收和顯示，主要包括：經(jīng)度、緯度、高度、艏向角、橫滾角及飛行速度等。根據(jù)得到的機(jī)載設(shè)備位置信息，結(jié)合云臺(tái)伺服智能控制系統(tǒng)所在的位置信息進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，可以得到二者之間的距離、相對(duì)方位、俯仰角度。根據(jù)設(shè)置的告警范圍，結(jié)合記憶的云臺(tái)之前運(yùn)轉(zhuǎn)的相關(guān)位置及防繞線條件的限制值等，計(jì)算出水平方向的角度和俯仰方向的角度，以及需要云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。同時(shí)在控制界面上實(shí)時(shí)顯示云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，新的天線方向圖信息、范圍信息，機(jī)載設(shè)備相關(guān)位置信息等內(nèi)容，其中云臺(tái)控制的天線范圍可以設(shè)置和調(diào)整。

防繞線處理控制模塊實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的機(jī)載設(shè)備位置信息和本地位置信息進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，得到機(jī)載設(shè)備相對(duì)位置、云臺(tái)需要的轉(zhuǎn)動(dòng)方向等信息；根據(jù)計(jì)算得到的水平角度和俯仰角度，調(diào)用通信控制模塊，下發(fā)指令對(duì)云臺(tái)實(shí)施控制，實(shí)時(shí)跟蹤機(jī)載設(shè)備的方向。

伺服云臺(tái)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服云臺(tái)的水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)控制、垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)控制，另外還可以增加一些快速定位功能，如初始位置設(shè)置、固定角度控制的功能，接收伺服云臺(tái)返回的轉(zhuǎn)動(dòng)方向（需要有約定控制指令支持）、當(dāng)前水平和垂直位置相關(guān)信息并發(fā)送給信息處理顯示模塊進(jìn)行處理和顯示等。

能夠通過伺服云臺(tái)智能控制，確保地面通信設(shè)備與機(jī)載通信設(shè)備之間保持最佳的相關(guān)位置，從而確保二者之間的良好通信，進(jìn)而輔助實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備對(duì)機(jī)載設(shè)備的控制和進(jìn)行信息交互。

智能通信控制系統(tǒng)的軟件操作控制界面設(shè)計(jì)實(shí)例如圖4所示，實(shí)現(xiàn)了包括伺服云臺(tái)智能通信控制的上述所有功能，支持地面設(shè)備對(duì)2個(gè)不同的機(jī)載設(shè)備的信息交互和通信控制。

圖4還是一個(gè)平面的極坐標(biāo)示意圖。極坐標(biāo)圖的左上角顯示名稱，名稱上面的指示燈表示顯控臺(tái)（計(jì)算機(jī)）與云臺(tái)的連接狀態(tài)，其中綠燈表示連接正常，不正常時(shí)指示燈為黑色。右上角顯示的是云臺(tái)控制的角度等信息，底部從左到右分別顯示鼠標(biāo)在極坐標(biāo)圖中移動(dòng)時(shí)的位置、距離中心點(diǎn)距離、角度等信息，地面設(shè)備的經(jīng)度、緯度、高度信息，2個(gè)機(jī)載設(shè)備的位置、高度、距離及角度等信息。

極坐標(biāo)中心點(diǎn)指的是地面設(shè)備的位置，每個(gè)圈表示10 km的距離（具體距離可以通過配置進(jìn)行調(diào)整）。黃色朝上的箭頭表示車頭的方向（云臺(tái)初始位置的指向與其相同）。一周表示0°～360°的范圍。N表示正北方向，E表示正東方向，S表示正南方向，W表示正西方向。為便于觀察判斷機(jī)載設(shè)備等目標(biāo)方位，車頭方向不變（以向上表示），方向圖則根據(jù)車頭與正北方向的夾角變化而變化。

在極坐標(biāo)圖下部左右兩邊，使用圖形和數(shù)字方式對(duì)機(jī)載設(shè)備的俯仰角、橫滾角進(jìn)行了示意。圖4中的藍(lán)色區(qū)域是天線方向示意圖。在高級(jí)功能中，操作員可以另外選擇與通信天線相匹配的天線方向圖。定向天線作用方向示意圖還提供了三角扇形區(qū)域表示方法、橢圓區(qū)域、天線方向圖區(qū)域表示方法等。

智能通信控制軟件適用于地面設(shè)備的顯控臺(tái)使用，通過對(duì)伺服云臺(tái)的控制，可以實(shí)現(xiàn)伺服云臺(tái)上面裝載的通信天線對(duì)準(zhǔn)需要的方向，從而實(shí)現(xiàn)地面與空中目標(biāo)之間的有效通信。本軟件可以安裝運(yùn)行在任意一臺(tái)能夠運(yùn)行Windows XP/Windows 7的計(jì)算機(jī)上。當(dāng)需要對(duì)直連計(jì)算機(jī)的伺服云臺(tái)進(jìn)行控制時(shí)，需要該計(jì)算機(jī)帶有一個(gè)RS232串口；當(dāng)通過網(wǎng)絡(luò)方式連接云臺(tái)時(shí)，并且需要接收其他顯控臺(tái)的信息時(shí)，需要計(jì)算機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)接口。此外，本軟件可以通過網(wǎng)絡(luò)接收約定格式的飛機(jī)航跡數(shù)據(jù)，并自動(dòng)計(jì)算飛機(jī)的相對(duì)位置、方向角、距離等，同時(shí)進(jìn)行標(biāo)繪，顯示飛機(jī)相對(duì)于伺服云臺(tái)的當(dāng)前大致位置、飛行方向、俯仰角、橫滾角等信息。操作員根據(jù)目標(biāo)所處位置（方位），對(duì)伺服云臺(tái)（上面安裝通信天線）進(jìn)行控制，從而確保地面站與飛機(jī)之間的穩(wěn)定通信。

5結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種智能通信控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并給出了一種設(shè)計(jì)實(shí)例，同時(shí)介紹了應(yīng)用場(chǎng)景。實(shí)際上，智能通信控制系統(tǒng)應(yīng)用不僅僅局限于對(duì)機(jī)載設(shè)備通信配套。根據(jù)伺服云臺(tái)上面安裝設(shè)備的不同，可以實(shí)現(xiàn)不同的工作任務(wù)需求。本文通過在伺服云臺(tái)上安裝通信設(shè)備的定向通信天線實(shí)現(xiàn)了地面設(shè)備與機(jī)載設(shè)備之間遠(yuǎn)距離的通信功能，當(dāng)在云臺(tái)上安裝攝錄設(shè)備時(shí)，通過對(duì)云臺(tái)的智能控制可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間對(duì)不同方向目標(biāo)的攝錄；在云臺(tái)上安裝光電設(shè)備時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向目標(biāo)的觀察、探測(cè)等。本文提供的設(shè)計(jì)方法可以運(yùn)用于車載設(shè)備、固定站設(shè)備等的智能通信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，應(yīng)用前景廣闊。

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