無人機中繼測控數據鏈設計

楊晨

摘? 要： 目前無人機測控數據鏈多為無線視距傳輸，在山區等有障礙物遮擋的環境中往往工作受限。針對此種情況，首先介紹一種直通模式數據鏈的設計方案，并基于此種構架設計出一種中繼模式的測控數據鏈系統。此系統搭載于無人機上，可實現中繼無人機與任務機終端，以及中繼無人機與地面站終端的雙向實時通信，進而完成地面與任務終端之間測控通信鏈路的建立。系統采用中繼前向鏈路與返向鏈路頻率倒置的頻分雙工體制，簡化了射頻前端與天線的設計。此中繼鏈路方案克服了微波視距傳輸的局限，有效拓展了測控通信距離，應用靈活、兼容性好、可靠性高，為復雜環境中的無人機應用提供了一種通信鏈路解決方案。

關鍵詞： 數據鏈設計; 中繼通信; 無人機; 系統設計; 雙向通信; 通信建立

中圖分類號： TN83?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）14?0109?05

Design of relay telemetry and control data link for UAV

YANG Chen1，2

（1. Tianjin Aerospace Zhongwei Data System Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300301， China; 2. Space Star Technology Co.， Ltd.， Beijing 100080， China）

Abstract： At present， most of UAV telemetry and control date links are the wireless line?of?sight transmission， its operation is often limited in mountainous areas and other environments with obstacles. In view of this situation， a design scheme of data link in direct connection mode is introduced， and then a telemetry and control data link system in relay mode is designed according to the design scheme. This system mounted on the UAV can realize two?way real?time communication between relay UAV and mission UAV terminal， and between relay UAV and ground station terminal， and then the establishment of telemetry and control communication data link between ground and mission UAV terminal is completed. The frequency division duplex system with frequency inversion of relay forward link and backward link is adopted in the system， which simplifies the design of radio frequency front end and antenna. This relay link scheme can overcome the limitation of microwave line?of?sight transmission， can effectively expand the distance of telemetry and control communication， and has flexible application， excellent compatibility and reliability. It provides a communication link solution for the UAV applications in the complex environment.

Keywords： data link design; relay communication; UAV; system design; two?way communication; communication establishment

0? 引? 言

近年來隨著我國科技水平的不斷提升，無人機已經在探測、運輸、減災、反恐、防火、救援等多個領域得到廣泛應用。尤其對于電力線路、石油管道的巡檢，相比于人工巡線，無人機在工作效率、運營成本、準確性及安全性上都有極大的優勢。測控數據鏈[1]作為無人機系統里的核心部件，其承擔了無人機與地面測控終端的雙向通信，保證了地面控制指令的上傳以及無人機遙測與載荷數據的下傳。目前的無人機系統測控數據鏈多為視距傳輸，在山區、丘陵等存在障礙物遮擋的非視距環境中視距直通數據鏈無法正常工作，而電網線路、石油管道等行業的工作環境往往較為復雜。因此，在地面交通不便和任務區域多變的條件下，克服區域內障礙物對通視條件的影響，設計開發中繼數據鏈系統，擴展空地傳輸距離，對無人機在復雜環境中的應用有著十分重要的意義。

1? 直通模式數據鏈

直通模式數據鏈是中繼模式數據鏈的基礎，中繼模式數據鏈可通過對直通模式數據鏈的改造和優化而成。因此研制性能指標優良且體積小重量輕的直通型數據鏈是開發中繼數據鏈的必要前提。

1.1? 系統組成

直通模式數據鏈系統[2]組成如圖1所示。系統采用FDD工作模式，前向鏈路工作于頻率f0，返向鏈路工作于頻率f1，由雙工器完成對收發通道的分離及天線共用，實現了地面對無人機及其掛載載荷的上行控制以及機載遙測與載荷信息的實時回傳。

機載測控數據鏈工作原理如下：機載收發信機對采集到的視頻圖像、載荷信息以及飛控遙測信息等數據進行組幀、編碼、擴頻、調制后得到中頻信號，經上變頻處理后將中頻信號搬移至射頻載波，對其進行必要的濾波處理后送入射頻前端，功率放大后經天線進行發射;同時，對于地面發射的上行控制指令信號經天線接收后，由射頻前端低噪聲放大器放大及濾波處理，并進行下變頻至中頻，而后通過解擴、解調、譯碼等處理實現對上行指令的解析。地面端采用了與機載端相同的設計，其工作原理與機載設備基本相同，不再贅述。

1.2? 鏈路設計

工作頻率選擇L頻段，且避開GPS及移動通信的工作頻率，以減少對機載GPS設備的干擾，也避免移動通信基站對無人機數據鏈的干擾。

1.2.1? 發射通道設計

基帶部分選擇使用ADI公司的高集成度正交調制器芯片AD5375，完成對DAC產生的兩路IQ信號的正交調制。射頻前端使用兩級放大器級聯，預放采用ADI公司的單片放大器ADL5542，末級放大器采用TriQuint公司的高線性度功放芯片AH323，其在L頻段的射頻輸出功率可達到2 W。發射通道鏈路仿真設計如圖2所示。

由于采用FDD的雙工方式，射頻輸出端使用了雙工器來分離收發通道，為了達到小型化的要求，雙工器并未采用腔體形式，而是使用了體積較小的介質形式，而介質雙工器在插損指標上會略有不足，按1.5 dB的損耗設計，由鏈路仿真結果可見，最終輸出射頻功率可達31 dBm，OIP3可達46 dBm。

1.2.2? 接收通道設計

接收通道前端選用了Mini公司的低噪放芯片CMA?545，其在L頻段擁有30 dB以上的增益，且噪聲系數僅為1 dB，另外其最大輸入不損壞功率達到了25 dBm，保證了接收大功率信號時前端不燒毀，而不必在低噪放前加入限幅器予以保護，從而優化了接收通道信噪比。

基帶部分使用了凌力爾特公司的一體化接收芯片LTM9005，其集成了混頻器、中頻放大器、聲表濾波器以及14位125 MHz采樣率ADC ，可實現L頻段射頻信號的下變頻與模數轉換，大幅縮減了收發信機的尺寸，實現機載設備的高度集成化。接收通道鏈路仿真結果如圖3所示。

與發射通道相似，由于雙工器的插損，會使接收通道的級聯噪聲系數有所增加。由仿真結果可見，整個接收鏈路的噪聲系數大約為3 dB。

1.2.3? 鏈路預算

考慮到無人機測控數據鏈的應用特點，上行鏈路選擇卷積信道編碼與BPSK調制方式，以獲得較低的處理時延及鏈路可靠性，而下行鏈路選用LDPC信道編碼與QPSK調制方式，以獲得更大的編碼增益與更高的帶寬利用率。雙向傳輸使用頻分雙工體制，上行載波f0選擇1.4 GHz工作頻率，下行載波f1選擇1.6 GHz工作頻率，射頻前端使用1 W發射功率，收發端均選用0 dB單極子全向天線，數據傳輸速率設定為下行4 Mb/s與上行51.2 kHz，鏈路預算結果如表1所示。由計算結果可見在視距傳輸情況下，本設計可實現10 km的傳輸距離，且下行高速數據與上行低速數據尚有8.8 dB與25 dB的鏈路余量。由于上行遙控數據速率遠低于下行復合數據，因此上行傳輸余量也遠高于下行，可保證無人機的可靠性與安全性。本設計可滿足大部分應用需求，如有遠距離作業需要，可選擇高增益天線與大功率前端進行升級即可。

2? 中繼模式數據鏈

當傳輸路徑中存在障礙物遮擋，破壞了無線鏈路的視距通視條件，直通數據鏈將無法正常工作。當前無人機的應用中，比如電網[3]、石油管道等的巡檢任務，其工作環境往往就存在山區、丘陵等障礙物的影響，因此，要實現遠程無人機的超視距測控和信息傳輸，需開發中繼模式數據鏈。

2.1? 中繼模式選擇

2.1.1? 衛星中繼

衛星中繼系統[4]如圖4所示，使用地球同步軌道衛星進行中繼傳輸，只需在衛星天線的波束覆蓋范圍內，通信可不受地理條件與距離限制。其缺點是需要增加一套機載衛通設備，對無人機載荷能力有更高的要求，且衛星信道容量有限，對信息傳輸速率會有所限制。通過衛星轉發，其信號傳輸距離長，造成通信延時增加，再者衛星信道的租用也提升了后期運營成本。

2.1.2? 塔架中繼

塔架中繼系統如圖5所示，需在障礙物間建立中繼信號塔進行雙向通信，類似于移動通信中的無線基站。由于中繼塔架與地面指控站以及無人機之間仍依靠視距傳輸，因此要選擇合適位置，且塔架需達到足夠的高度，當更換作業區域時，需提前架設中繼塔架設備，后期也需要對其進行維護，實現成本較高。

2.1.3? 無人機中繼

無人機中繼系統如圖 6所示。中繼設備選擇機動性較強的無人機搭載，中繼無人機與地面和任務機之間需保持視距直通，在作業時中繼無人機可以選擇在上空懸?；虮P旋。相比于衛星中繼與塔架中繼，采用無人機中繼的方案更加靈活方便，不易受地域的限制，設備相對簡化，在前期投入與后期運營的成本上都有較大優勢。但是，無人機中繼的模式需要同時對兩架無人機進行控制，并回傳兩架無人機的遙測遙感信息，因此需要研制穩定可靠的中繼數據鏈路系統，完成地面、中繼、任務三者間的實時雙向通信。