基于TDD協議的單載波頻帶靶機測控系統

楊柳慶 張 勇 孫麗慧 肖前貴

(1.南京航空航天大學無人機研究院，南京 210016；2.南京航空航天大學中小型無人機先進技術工業和信息化部重點實驗室，南京 210016；3.航天工程大學士官學校航天戰勤保障系，北京 102200)

1 引 言

靶機是靶用型無人機的簡稱。作為射擊訓練目標的的一種軍用飛行器，靶機既可以模擬包括有人機、各類導彈等在內的航空飛行器的高度、速度和機動性等飛行性能，也可以模擬雷達反射特征和紅外輻射特征等外部特性。除射擊訓練外，在空對空或地對空等防空武器系統的研制、性能測試等方面同樣具有非常重要的作用。在部隊和軍事人員的戰術技術指標考核和實戰演習中也可完成相應任務[1，2]。

在整個無人機設計中，最為重要的就是設計無人飛行器的測量與控制系統。常規的測控系統主要由遙控和遙測兩部分組成。遙控部分主要完成地面工作站對靶機傳輸信號指令的任務并同時承擔飛行狀態和機載設備工作狀態的控制任務。遙測部分則主要負責將靶機的飛行狀態、機載裝備工作情況或其他預定信息實時傳送至地面監測站，以此來實現監測站實時顯示、儲存和重檢測靶機的飛行航跡和各參數的歷史數據。儲存的歷史信息可為飛行試驗過程及故障分析提供數據保障[3，4]。由于遙控和遙測部分功能相對獨立且均為雙向高速通信模式，因此無人機測控系統需處于全雙工工作方式。

靶用型無人機是一種損耗性資源，執行任務即代表損耗，為達到低成本、小型化和通用化的要求，其測控系統應在保證可靠性的原則上，盡可能提高靶機的經濟性。若靶機采用專業的測控系統，無疑增加了靶機的成本，并限制了通用性。為設計更具通用性的測控系統，采用工業級別的商用數傳無線電臺作為主要硬件。這種做法可以使各類靶機的測控系統通用化，從研發設計與硬件選購兩方面均可以節約成本，非常迎合靶用無人機測控系統的需求[3]。同時，商用的數傳電臺在技術成熟、效率高、技術開發難度小等特點外，還具有通暢的原材料采購渠道。

2 系統概述

2.1 系統組成

地面站和機載測控終端是靶用型無人機的兩個主要組成部分。這兩部分均應包括一套以上用于無線通信的數傳電臺(含天線)。

靶用型無人機測控系統的工作示意圖如圖1所示。

圖1 靶用型無人機測控系統工作示意圖Fig.1 Working diagram of target drone measurement and control system

組成接口包括：RS-232串口接口、遙控指令鍵盤接口、電源接口等,如圖2所示。

圖2 靶用型無人機測控系統組成接口圖Fig.2 Interface diagram of target drone measurement and control system

2.2 基本功能

靶用型無人機測控系統的基本功能有遙控功能，遙測功能和數據記錄功能。

(1)遙控功能：測控系統的兩大組成部分是地面站和安裝在無人機上的測控終端，這兩部分也是測控系統的通信雙方，且實現通信的主要設備是兩端內嵌的無線通信。遙控功能則主要指地面站一側對無人機處的測控終端發送控制指令，測控終端不具備計算解析能力。所以測控終端還需將指令后轉發給飛行控制計算器，整個流程就實現了遙控功能。

(2)遙測功能：遙測功能與遙控功能是對稱而言的，測控終端將飛行控制器偵測到的遙測數據信息傳輸給地面站。地面站再以圖像、視頻等形式進行可視化顯示，以方便測控人員進行數據分析，此流程即實現了遙測功能。

(3)數據記錄功能：地面站依據程序或者監測人員的指示進行數據的存儲，便于后期數據處理與回放。

3 全雙工測控通信

按照傳輸方向進行分類，通信方式可分為單向傳輸和雙向傳輸兩種。雙向傳輸又可分為三種，即全雙工方式、半雙工方式以及單工傳輸方式。其中，通信雙方可以同時進行雙向交流的傳輸方式即為全雙工傳輸方式。在實時傳輸與雙向傳輸的通信要求下，全雙工是最為適用的。無線傳輸中的全雙工的通信方式，有以頻率進行數據收發的頻分雙工(Frequency Division Duplex，FDD)和時分雙工(Time Division Duplex，TDD)兩種模式[5]。

多數無人機的測控系統完成全雙工通信依據的是FDD方式，FDD凡是采用兩個相互分離的載波頻帶，在接收與發送兩個方向實現各自通信。此外，為減少相互干擾[6～8]，到達穩定工作的工程要求，需要在兩個載波頻帶之間空出一定的頻帶間隔。目前，若靶用型無人機測控系統采用FDD方式，則依照原理，靶機和地面站必須分別配備兩套以上載波頻帶不同的數傳電臺才能實現全雙工通信，這顯然不符合靶機的實際要求。

相對于FDD方式，TDD方式只需一個載波頻帶，對數據的接收和數據的發送配以不同的時間。當相互進行數據傳輸的雙方進行信息交換時，可以確保在一方向外發送信息的同時，另一個通信方可以實時接收數據。然后雙方交替傳輸方向，如同打乒乓球一樣，也稱該方法為“乒乓法”[9～11]。

本文采用在靶用型無人機測控系統接口層軟件內構建TDD協議的方法，機載和地面站均配備一套數傳電臺，使系統在單載波頻帶的情況下，實現全雙工測控通信，從而解決數據傳輸臺之間通信的半雙工轉全雙工的問題。

3.1 TDD協議的幀結構

TDD協議中通常采用三種幀結構：空閑突發幀、捕獲突發幀和數據幀。空閑突發幀、捕獲突發幀的字節個數均為3B，都是高速短幀的數據類型。數據幀的長度不確定，其包含通信雙方傳輸的信息，所以其長度根據傳輸信息的大小進行自動調節。

3.2 TDD協議的幀同步

數傳電臺常以位每秒(bps)為單元的比特率進行發送和接收數據，幀結構中的數據單位是字節(B)。通信時如果要實現TDD底層協議的幀同步，就需要通過數據電臺的MCU處理器進行控制。

TDD協議幀結構包括預碼和同步碼兩個部分，兩者各1個字節，由兩個8bit的同步塊信息構成。進行通信的接收者會使用8位的寄存器進行存儲當前接收的4位信息和上次接收到的4位信息。接收者在每次接收到一個新的信息時就會進行循環位移操作。然后，將當前信息與預設的編碼信息進行對比，若與預先設置的編碼相匹配，則說明完成了位同步。之后，接收的一方繼續接收單個字節信息，并將同步碼進行匹配操作，如果兩者相匹配，則說明完成了信息同步。接收數據信號的一方會采用計數器對幀數據同步的過程中進行移位操作的位數進行記錄。相對于兩者匹配的情況，若接收者收到的字節信息與同步碼之間不匹配，則設定在等待時間內再額外添加兩個字節的時間。延長等待時間后，若仍未接收到同步碼則認定為偽同步。幀同步建立過程如圖3所示。

圖3 TDD協議幀同步建立過程Fig.3 TDD protocol frame synchronization process

3.3 TDD通信協議實現

TDD通信協議實現包括：突發同步建立、數據傳輸和突發同步保護。整個通信過程實現由測控系統接口層軟件控制。

3.3.1突發同步建立

采用TDD協議進行通信首先需要實現通信雙方時間上的同步，以保證通信的可靠性。

當一方有發送請求時稱為主機(地面站)，另一方稱為從機(機載測控終端)。對TDD協議進行初始化操作時，需要將地面控制站和機載測控終端都設置在處于接收狀態，并且同時處于相同的一個載波頻帶上。當主機檢測到從機發來的認證信號后，就從主機狀態切換為從機狀態，然后發送一個控制突發幀。當從機檢測到主機發來的空閑突發幀，并且狀態碼中的發送者(源地址)和接收者(目的地址)匹配成功，則轉為發送狀態，并向主機發送一個認證空閑突發幀，啟動從機的突發定時器。主機在收到從機的認證空閑突發幀的同時啟動主機的突發定時器。這一過程完成后，通信雙方就認定為突發同步并建立起來了通信鏈路。突發通信過程中，通信的主機和從機就可以在突發定時器控制下轉換主從機收發狀態。在實際通信過程中，通信雙方會交替發、收數據，直至雙方通信結束后關閉突發定時器，TDD協議突發同步建立過程如圖4所示。

圖4 TDD協議突發同步建立過程Fig.4 TDD protocol burst synchronization setup process

3.3.2TDD方式數據傳輸

在建立突發同步后，TDD方式的通信雙方就可以在突發定時器的控制下交替配置，通過轉換收發狀態來完成雙工通信。一個突發周期一般包括接收時隙、發送時隙和兩個保護時隙，工作時序如圖5所示。

圖5 TDD方式雙工通信時序Fig.5 TDD mode duplex communication timing

依照突發周期的時間順序可梳理如下：首先在遙控時隙內實現遙控功能，根據定義，地面站發送遙控數據幀給靶機的測控系統終端，完成對靶機的飛行控制；其次，在遙測時隙內完成遙測功能，根據定義即測控終端發送遙測數據幀給地面站，以上兩個時隙內就完成了雙向通信，通信時序如圖6所示。

設計遙控時隙和遙測時隙時應當綜合實際工程情況。時隙的長度應該要滿足無線通信所需時間的最低要求。具體的參考指標為數據幀的長度和電臺傳輸速率，特別的，還應當考慮設置一個保護時隙。原因是數傳電臺進行收發轉換需要一定的時間，工程實踐中一般為(5～20)ms，保護時隙應大于此工程要求。綜上，一個突發周期T可表示為

T=Tk+Tc+2×Tb

(1)

式中：Tk——遙控時隙；Tc——遙測時隙；Tb——保護時隙。

由此也確定了測控系統遙控和遙測數據的刷新率f為

f=1/T

(2)

遙控數據和遙測數據的收發間隔可以分別自定義，遙控數據刷新率fk小于遙測數據刷新率fc，該類時間不對稱的情況下就可在一個突發周期內設置n個Tc，則

T=Tk+n×Tc+(n+1)×Tb

(3)

靶用型無人機測控系統雙工通道時序如圖6所示。固定遙控刷新周期，刷新率為fk為

圖6 靶機測控系統雙工通信時序Fig.6 Target drone measurement and control duplex communication timing

fk=f=1/T

(4)

遙測刷新周期不固定，在每一個突發周期開始時有Tk+Tb的延遲，平均遙測刷新率fv為

fv=n×f=n/T

(5)

3.3.3突發同步保護

TDD方式數據傳輸過程中，通信雙方依賴突發定時器來劃分時隙，交替在各個工作時隙內發送和接收數據。因此定時器的誤差會造成嚴重的影響，定時器一方面因為工藝問題存在固有誤差，另一方面還會隨高度、震動、溫度等環境問題存在誤差。當通信雙方突發定時器的定時誤差總和Tw加上數傳電臺的收發轉換時間Th大于保護時隙Tb(Tw+Th>Tb)時，通信將會發生堵塞、突發同步失效等情況，進入失步的狀態。所以，在TDD通信的過程中必須考慮突發同步的保護。一旦發生通信失步，立刻建立同步，以免丟失數據。

突發同步保護方案：一旦通信雙方中一方無法正常接收數據幀，就會立即觸發一個新的突發同步。這個觸發過程是利用TDD協議中幀結構里的命令碼實現的狀態轉移。當機載測控終端檢測到數據幀錯誤，在下一遙測時隙發送特定命令碼(0xFF)告知地面站，并進入失步狀態；地面站收到相應命令碼之后，也進入失步狀態，重新執行突發同步建立過程。當地面站檢測到數據幀錯誤，也通過特定命令碼(0xFF)告知機載測控終端，進入失步狀態；機載測控終端收到相應命令碼之后，也進入失步狀態，雙方重新執行突發同步建立過程。

4 需求分析和性能計算

本文以某型靶型無人機為例，對測控系統的通信需求進行分析，計算測控系統的通信性能。

4.1 需求分析

某靶用型無人機所裝備的數傳電臺性能指標如下：數據傳輸速率為19200bps；收發轉換時間為7ms；一個突發周期不大于200ms；一個突發周期不大于200ms；硬件接口為RS-232串口，參數設置為：波特率Bd等于19200bps，包含1位的起始位，8位的數據位，沒有校驗位，以及1位的停止位。

該靶用型無人機的測控系統遙控數據長度Lk為10B，刷新率要求不小于5Hz；遙測數據長度Lc為32B，刷新率要求平均不小于fmax=20Hz，數據幀結構如表1和表2所示。

表1 遙控數據幀結構1Tab.1 Remotedataframestructure1預碼同步碼命令碼數據信息終止碼0xAA1B0x551B指令碼1B指令碼2B遙調數據2B校驗碼1B0x0A0D2B

遙控指令碼設定冗余傳輸，采取3判2糾錯方法，具體為3個接收到的指令碼中有2個以上相同，相同指令碼對應有效的遙控指令。若相應的遙控指令攜帶遙調數據，根據校驗碼判斷遙調數據的有效性。校驗碼是由命令碼至雙方傳輸數據信息中的校驗碼之前的所有字節的和。

表2 遙測數據幀結構2Tab.2 Remotedataframestructure2預碼同步碼命令碼數據信息終止碼0xAA1B0x551B副幀號1B主幀數據12B副幀數據14B校驗碼1B0x0A0D2B

遙測數據按照具體要求分為主幀數據和副幀數據，兩類數據進行分類傳送。每一個遙測數據刷新周期發送1次主幀數據，該類數據應當具有變化周期快、刷新率要求高、重要度較高等特點。副幀依據不同的副幀號可以包含不同的數據類型，這些不同的副幀數據依照特定的順序輪流發送。副幀包含的數據一般為傳感器數據和機載設備狀態數據，相對于主幀數據，副幀刷新率要求不高，刷新率一般為1/5遙測刷新率(共5組副幀)。

4.2 性能計算

根據接口參數設置可知，1個字節的數據對應10位，其所需的傳輸時間t為10×(Bd/1000)ms，遙控時隙與遙測時隙分別為

Tk=Lk×t=10×10/19.2≈5ms

(7)

Tc=Lc×t=32×10/19.2≈17ms

(8)

遙控刷新率f為

f=fk=5Hz

由于保護時隙Tb的最小值Tbmin為7ms，一個突發周期的最小值Tmin為

Tmin=5+17×n+7×(n+1)

(9)

總的時間裕度Ty為

Ty=200-Tmin

(10)

每個Tb上的平均時間裕度Tyb為

Tyb=Ty/(n+1)

(11)

Tb=Tbmin+Tyb

(12)

n的幅值大小對測控通信性能的影響，如表3所示。用戶可以根據測控系統的可靠性要求和定時器精度等因素，對n值進行不同的選取；時間裕度在Tb上的分配一般采用整數分配的方式。

表3 n的取值對測控通信性能的影響Tab.3 InfluenceofnvalueonTT&Ccommunicationperformancenfc(Hz)Tmin(ms)Ty(ms)Tyb(ms)備注315\\\fc<20Hz4201089218.4可用5251326811.3可用630156446.3可用735180202.5可用840204\\Tmin>200ms

綜上所述，某靶機測控系統選取n=4，遙控時隙后的Tb=27ms，4個遙測時隙后的Tb=25ms。

5 結束語

本文設計了一種在機載和地面站均只配備一套數傳電臺的基于TDD協議的單載波頻帶靶機測控系統，實現了全雙工傳輸方式測控通信。經實驗、試飛均對其可行性、科學性進行了驗證。基于TDD方式的靶用型無人機測控系統頻率利用率高、成本低、通用性好、有較高的商業推廣價值。該技術可應用于其它使用半雙工硬件設備的無人機測控系統，對其它無線通信產品也具備一定的參考價值。