基于CDMA技術(shù)的無人機(jī)接力測控系統(tǒng)

李超 朱鐵林 李明 李平敏 律會(huì)麗

摘 要：? 無人機(jī)在海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測、電力巡檢、油氣管道巡線、森林防火巡查等應(yīng)用場景，飛行范圍大、距離遠(yuǎn)、遮擋嚴(yán)重，測控距離受限的問題突出，為此探討了常見中繼測控方案的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)以上幾種場景下線路較為固定的特點(diǎn)，提出了基于CDMA軟切換的接力測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑及測試結(jié)果，證明本方案可以較低的費(fèi)效比解決無人機(jī)長距離、大范圍的測控問題。

關(guān)鍵詞：?無人機(jī);接力測控;CDMA;無縫軟切換

中圖分類號(hào)：TN92? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2015年我國提出“中國制造2025”，以智能制造為核心的工業(yè)4.0戰(zhàn)略得以加快推進(jìn)，融合了通用航空與智能制造的無人機(jī)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在海域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測[1]、電力系統(tǒng)的日常巡檢和維護(hù)[2-3]、森林防火[4-5]、應(yīng)急測繪等領(lǐng)域，無人機(jī)發(fā)揮著日益重要的作用。針對(duì)以上大規(guī)模、遠(yuǎn)距離作業(yè)需求，亟須對(duì)無人機(jī)的測控范圍進(jìn)行超視距擴(kuò)展。當(dāng)前擴(kuò)展測控距離的手段主要有：機(jī)載蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中繼、機(jī)載衛(wèi)星中繼、機(jī)間空空中繼、地面移動(dòng)中繼和地面固定中繼等。針對(duì)這類場景具備范圍大、距離遠(yuǎn)、線路固定等特征，設(shè)計(jì)了一種基于軟切換無縫接力測控系統(tǒng)，通過在地面建設(shè)多個(gè)線型分布的測控站，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)控制權(quán)無縫變換。在超遠(yuǎn)距離，尤其是無人機(jī)航程遠(yuǎn)超單地面站測控范圍的情況下，可以延伸無人機(jī)作業(yè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢效率最大化。

1 系統(tǒng)方案

基于CDMA無縫軟切換的無人機(jī)接力測控通信系統(tǒng)，由無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)鏈、地面測控站（含地面數(shù)據(jù)鏈、測控信息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)接入終端）和監(jiān)控指揮終端（含視頻監(jiān)控設(shè)備和飛行監(jiān)控設(shè)備）組成。無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)鏈和地面數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與地面測控站之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視距通信，測控信息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)地面數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)的IP化轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)接入終端實(shí)現(xiàn)地面測控站之間的網(wǎng)絡(luò)互通，主要采用光纖、4G/5G、衛(wèi)通等方式。無人機(jī)上行主要是遙控?cái)?shù)據(jù)，傳輸帶寬低，下行主要包括高帶寬視頻數(shù)據(jù)和低帶寬遙測數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，無人機(jī)下行數(shù)據(jù)通過機(jī)載數(shù)據(jù)鏈回傳至地面數(shù)據(jù)鏈，地面數(shù)據(jù)鏈通過測控轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備將遙測信息回傳至指揮中心的飛行監(jiān)控設(shè)備，將視頻數(shù)據(jù)回傳至指揮中心的視頻監(jiān)控設(shè)備。飛行監(jiān)控設(shè)備發(fā)出的無人機(jī)控制信息，通過具有控制權(quán)的地面測控站上傳至機(jī)載數(shù)據(jù)鏈和飛控設(shè)備。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的上行遙控?cái)?shù)據(jù)速率較低，具備采用擴(kuò)頻的條件，因此系統(tǒng)采用碼分多址（CDMA）技術(shù)對(duì)各機(jī)載及地面測控站進(jìn)行標(biāo)識(shí)。碼分多址不同于頻分多址（FDMA）和時(shí)分多址（TDMA），是由擴(kuò)頻理論和技術(shù)引出的一種全新的方法。將頻帶資源和時(shí)間資源都分給地面終端，每個(gè)地面終端采用一個(gè)噪聲式的寬帶信號(hào)，并可以任意長時(shí)間占有整個(gè)給定的頻段。其頻帶資源和時(shí)間資源不會(huì)受到任何限制，其通信容量將比FDMA和TDMA的容量大得多。機(jī)載數(shù)據(jù)鏈采用廣播方式分發(fā)圖像和遙測數(shù)據(jù)，各個(gè)測控站可同時(shí)接收。地面設(shè)備同時(shí)向機(jī)載設(shè)備發(fā)送同頻遙控信號(hào)，機(jī)載設(shè)備通過不同偽碼序列的信號(hào)強(qiáng)度來確定當(dāng)前的受控地面測控站。切換過程中，機(jī)載測控站采用具有滯后余量的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則，即在非受控地面測控站的信號(hào)強(qiáng)度比受控測控站信號(hào)強(qiáng)度高于滯后余量的情況下才進(jìn)行切換。這樣可以防止由于信號(hào)波動(dòng)以及能量相近而引起的無人機(jī)在兩個(gè)地面測控站之間來回切換，即“乒乓效應(yīng)”。指揮中心對(duì)地面站同時(shí)回傳的多路圖像數(shù)據(jù)并行緩存，切換播放時(shí)，根據(jù)當(dāng)前視頻數(shù)據(jù)中的幀號(hào)來選擇所要切換鏈路所對(duì)應(yīng)的下一幀視頻數(shù)據(jù)，這將避免由于不同鏈路傳輸過程中延時(shí)不同導(dǎo)致的圖像中斷和抖動(dòng)，保證了鏈路切換過程中視頻的流暢性。

以N個(gè)線型分布的地面站為例，接力測控系統(tǒng)機(jī)載數(shù)據(jù)鏈基帶信號(hào)處理流程如下：無人機(jī)同時(shí)對(duì)N個(gè)地面站上行控制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)同步操作，地面站信號(hào)的強(qiáng)度越大，相關(guān)值就會(huì)越大，因此通過比較相鄰地面站的相關(guān)值，并切換至相關(guān)值最大的地面站?；静襟E為：①建立連接：無人機(jī)開機(jī)后，按順序搜索N個(gè)地面測控站，直至與相關(guān)值最大的地面測控站建立連接;②跟蹤切換：主控地面站與無人機(jī)建立連接后，搜索當(dāng)前地面站及相鄰兩個(gè)地面站，分別進(jìn)行相關(guān)同步，計(jì)算并比較三個(gè)相關(guān)值的結(jié)果，直至新地面站的相關(guān)值與受控地面站差值大于滯后余量，則向前或向后一個(gè)地面站切換，否則不切換;以上過程不斷重復(fù);③失聯(lián)重建：由于無線鏈路的不可測性，如因受控地面站遮擋或者故障等原因，可能造成當(dāng)前鏈路中斷。如果出現(xiàn)無人機(jī)與受控地面站之間的鏈路中斷，則根據(jù)相鄰兩個(gè)地面站的相關(guān)值大小，切換至信號(hào)強(qiáng)度更大的一個(gè)地面站，然后進(jìn)入跟蹤切換階段。

2 技術(shù)驗(yàn)證

基于CDMA軟切換的接力測控系統(tǒng)通過在Modsim中驗(yàn)證仿真，模擬了無人機(jī)從左側(cè)地面站向中間側(cè)地面站飛行時(shí)的軟切換過程，開始時(shí)接收到左側(cè)地面站的信號(hào)能量大，隨著飛機(jī)遠(yuǎn)離左側(cè)地面站并接近中間地面站，飛機(jī)接收到左側(cè)地面站的能量減小，接收中間地面站的信號(hào)能量變大，捕獲右側(cè)地面站PN碼之后，捕獲信號(hào)一直為高，實(shí)現(xiàn)了從中間地面站到右側(cè)地面站的軟切換。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室桌面聯(lián)調(diào)及外場聯(lián)試，驗(yàn)證結(jié)果如下：（1）系統(tǒng)具有遙控、遙測數(shù)據(jù)傳輸能力;（2）無人機(jī)跨區(qū)接力測控時(shí)，遙測、遙控信號(hào)不中斷;（3）測控信號(hào)丟包率：<10-4;（4）測控信號(hào)誤包率：<10-3。

3 結(jié)論

本文提出了一種利用CDMA無縫軟切換的超視距無人機(jī)巡檢通信方案，據(jù)此設(shè)計(jì)了一套接力測控系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)測驗(yàn)證。結(jié)果顯示該方案具有通信質(zhì)量高、延時(shí)較短、不受地形環(huán)境限制的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測、電力巡檢、油氣管道巡線、森林防火巡查等復(fù)雜氣候地形環(huán)境下的遠(yuǎn)距離、長航時(shí)巡檢應(yīng)用，提升無人機(jī)系統(tǒng)在觀測巡檢領(lǐng)域的運(yùn)行管理水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]王柯，麥曉明，許志海，等.無人機(jī)在湛江電網(wǎng)臺(tái)風(fēng)應(yīng)急巡檢中的應(yīng)用[J].廣東電力，2015，28（9）：107-112，118.

[2]曹海，劉惠，王兵，等.海域無人機(jī)帶狀網(wǎng)絡(luò)接力測控系統(tǒng)研究[J].海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，36（05）：66-71.

[3]高澤軍，魏本杰，許睿.無人機(jī)圖像壓縮與實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（10）：186-189.

[4]李龍.關(guān)于無人機(jī)在森林防火監(jiān)測方面的應(yīng)用[J].種子科技，2019，37（14）：121-124.

[5]趙國剛.無人機(jī)在森林防火滅火中的應(yīng)用探析[J].消防界（電子版），2019，5（11）：65-67.

作者簡介： 李超（1987—），男，山東平度人，碩士，工程師，研究方向：無人機(jī)測控通信、應(yīng)急通信指揮、海島礁水上水下一體化測繪等。