一種時分自組網無人機數據鏈的設計

天津航天中為數據系統科技有限公司 魏藝明 朱鐵林 牛立新

數據鏈依托有線或無線通信信道，在載荷設備、控制設備、指揮平臺之間傳輸信息，其搭載于無人機的使用方式已在電力巡檢、海域監測、目標偵察等領域獲得廣泛應用。采用無人機搭配數據鏈可代替人工在嚴苛的環境中作業，在要求的時間內完成傳感器信息的有效采集，以及控制和狀態信息的傳遞，將信息匯集到指揮控制平臺中統一管理，為行業應用提供高效、便捷的實現手段。

隨著行業技術革新，無人機逐漸向敏捷和多樣化的趨勢發展，其監視目標的范圍逐漸擴大，傳統的點對點傳輸很難高效完成任務，且常需要同時傳輸視頻圖像和控制信息等數據，信息量增大，對傳輸可靠性提出了更嚴格的要求。為適應更多機型，數據鏈設備要小型化、低功耗，提高接口兼容能力和傳輸效率，增加多點傳輸功能實現多機同時作業。

從功能、應用和技術三方面考慮，設計了一種采用時分雙工工作方式，可實現自動組網的數據鏈，具有串口、CAN接口適用于多種類型傳感器和控制設備，同時具備圖傳和數傳功能，可接受高清和標清視頻輸入，集射頻和數字電路于一體提高了設備集成度，自動組網的功能可實現點對多點的數據傳輸。

1 時分自組網數據鏈總體方案

數據鏈分為機載端和地面端，機載端由機載設備和天線組成，搭配載荷、飛控設備使用；地面端由地面設備和天線組成，搭配計算機和顯示器使用。機載端和地面端之間建立無線信道，上行可實現對鏈路、飛機的控制，下行可實現視頻圖像、鏈路狀態、飛機狀態等信息的傳輸，發送控制指令和數據顯示可在地面計算機的指揮控制界面中實現。

系統采用時分雙工加時分多址的通信方式，采用BPSK調制以提高鏈路傳輸可靠性，采用(4，3，7)卷積編碼傳輸控制和狀態信息，以減小延時、提高傳輸信息的實時性。傳輸視頻等數據量較大的信息時，采用3/4 LDPC編碼，抵抗多徑干擾的同時能帶來約3.5dB的鏈路余量。自組網的過程中系統自動分配時隙，減少了人工干預，提高了使用靈活性。時分雙工的設計免去了雙工器的使用，相比頻分雙工的設計更容易實現小型化和低功耗。

2 系統硬件設計

2.1 機載設備

機載設備可實現控制、狀態數據收發，視頻采集編碼功能，具有串口、CAN數據接口，以及SDI高清視頻接口和CVBS標清視頻接口，有以下功能模塊：（1）中射頻模塊：采用“FPGA+變頻收發器+射頻前端”架構，將調制解調、編碼解碼、時域均衡等中頻處理過程在FPGA中編程實現，通過變頻收發器進行數模和模數轉換，再經過射頻前端實現功率放大發送和低噪放接收，中頻和射頻電路集成在一塊板卡，通過合理劃分地平面和屏蔽設計防止干擾使整機小型化，時分雙工使信道分時復用，可減小系統功耗；（2）視頻編碼模塊：以H.265視頻編碼芯片為核心，搭配SDI高清和CVBS標清視頻采樣芯片，支持NTSC、PAL、720p60等分辨率的視頻輸入，相比H.264編碼方式最多能降低50%的碼率，提高了視頻傳輸效率；（3）數據收發模塊：采用CAN協議轉換芯片和多協議串口轉換芯片，支持CAN、RS232和RS422，適合多數傳感器和控制器接口；（4）時鐘模塊：采用TCXO晶振和低抖動時鐘分配器作為時鐘源，保證信號穩定性；（5）電源模塊：主電源可接受9～36V電源輸入，使用多通道降壓穩壓器和LDO芯片為各功能模塊供電。機載設備上電后自動檢測自身狀態，向地面發送帶有同步狀態、視頻狀態、信噪比的遙測信息。

2.2 地面設備

地面設備可實現控制、狀態數據收發，以及視頻解碼輸出功能，具有CAN接口、串口、網口，可直接輸出SDI、HDMI、CVBS接口的高清和標清視頻連接顯示器觀看，以及未解碼的視頻流支持在計算機軟件解碼觀看，有以下功能模塊：（1）中射頻模塊：采用“FPGA+變頻收發器+射頻前端”架構，除了中頻處理和射頻收發，還實現入網管理、數據分配等功能；（2）視頻解碼模塊：以H.265視頻解碼芯片為核心，可直接硬件解碼輸出CVBS標清視頻和HDMI高清視頻，外接SDI串行器可實現SDI接口輸出，支持多種高清和標清視頻分辨率；（3）數據收發模塊：CAN接口和串口支持用戶數據直接輸出，千兆網口支持全部數據發至計算機，在計算機的指揮控制界面可發送指令、讀取數據、觀看視頻；（4）時鐘模塊：采用TCXO和時鐘發生器構建時鐘樹為整機提供時鐘信號；（5）電源模塊：可接受9～36V電源輸入，低紋波穩壓器和LDO為各模塊供電。在地面指揮控制界面可對機載和地面設備發送指令，調整功率大小、切換中心頻點等，可查看機載遙測信息、地面站測信息、飛機狀態信息等，實時了解鏈路狀態。

3 系統軟件設計

機載和地面設備上電后，自動組成以地面為中心的網絡，入網成功后開始數據收發，地面設備根據每個機載設備的編號區分數據并分別控制或顯示。系統采用時分多址的通信方式，時隙的劃分如圖1所示，分為上行遙控、下行數據和視頻傳輸、入網申請三種時隙，在每兩個時隙之間加入保護間隔防止跨時隙干擾。

圖1 時隙劃分

3.1 入網流程

機載設備上電后即進入入網流程，搜索測控范圍內地面設備的遙控信號，未建立網絡時，機載設備處于監聽并申請入網狀態。入網流程如圖2所示，分為以下幾步：（1）機載設備接收到地面遙控信息后開始同步，計算時隙位置，到達入網申請時隙時申請入網；（2）地面設備收到入網申請后查詢已入網的飛機數是否達到飽和，沒有達到飽和則從空閑的時隙中選擇，按序號為新申請的飛機分配時隙，并發送含有機載設備編號的允許入網通知，已飽和則發送禁止入網通知；（3）機載設備在遙控時隙接收到帶有自己編號的允許入網通知后，則成功入網并發送下行信息，地面設備在指定時隙接收到可確認機載設備入網成功，如果一定時間內沒有收到，或收到禁止入網信息，則隨機延時一段時間后再申請入網。

圖2 入網流程

3.2 數據處理流程

下行數據處理流程：下行傳輸的信息包括視頻及傳感器信息、飛機狀態信息和鏈路遙測信息。機載設備中，視頻經接口轉換和編碼壓縮后轉換為1.6Mbps的碼流，傳感器信息和飛機狀態信息由串口、CAN接口輸入，遙測信息由設備檢測鏈路狀態后產生，下行信息在FPGA內經過組幀、編碼、調制后轉換為射頻信號發送到地面。地面設備在FPGA中進行解調、解碼、解幀后根據數據類型分類， 飛機狀態信息和鏈路遙測信息可通過串口或CAN接口直接輸出到專用設備，經過的接口少延時低，同時全部下行信息可通過千兆網口輸出到計算機指揮控制界面進行后續操作，視頻既可以連接地面設備的SDI、HDMI高清或CVBS標清輸出接口直接觀看，也可以通過解碼軟件觀看，提供多種使用數據的方式。

上行數據處理流程：上行傳輸的信息包括飛控信息和鏈路遙控信息。上行控制信息既可以在專用設備上通過串口或CAN接口直接發送，也可以在指揮控制界面中發送。上行信息在FPGA中組幀、編碼、調制后轉換為射頻信號發送到機載設備，機載設備收到后根據類型區分，飛控信息通過CAN接口或串口發至飛控設備，遙控信息由機載設備解析，進行調整功率、切換頻點、入網退網等操作。

4 系統測試

為測試系統功能，搭建了一站三機鏈路，系統帶寬12 MHz，機載設備發射功率30 dbm，地面設備發射功率32 dbm，天線增益6 dBi，當傳輸距離為10 km時，下行有11 dB鏈路余量，上行有14 dB余量，余量足夠可保證傳輸距離。

（1）組網功能測試。上電后，如果成功入網三個機載設備會分別回報鏈路遙測信息到地面，根據遙測幀協議可解析出編號為1B18的機載設備入網序號為1，編號為2724的入網序號為2，編號為1417的入網序號為3，三個設備有不同的編號并且能循環回報表示入網成功，根據遙測信息，自檢信息、信噪比、視頻回報均在正常值范圍內，表示機載設備狀態、鏈路狀態和視頻編解碼都正常。

（2）數據收發測試。連接串口轉USB和CAN轉USB轉接線，使用串口和CAN接口調試助手進行數據收發測試，機載和地面設備同時發送和接收數據，串口發送100000字節以上，CAN接口發送擴展幀8000幀以上，經對比無錯數和丟數，說明上行和下行的誤碼率小于等于10-5。

（3）視頻傳輸測試。在電腦端使用VLC等視頻解碼軟件打開RTSP網絡串流，地面設備的視頻輸出接口連接顯示器，可同時觀看軟件解碼和硬件解碼后的視頻，經測試視頻清晰流暢，三路互不干擾。

上行信息傳輸延時約20 ms，下行視頻傳輸延時約230 ms，具有較好的實時性。機載設備加天線總重量小于200 g，功耗約7 W，重量輕體積小可在多種機型上搭載。

結論：為適應不斷發展的行業應用需求，設計了基于時分雙工和時分多址通信方式，可自動組網的數據鏈系統，系統能同時進行圖像傳輸和數據傳輸，接口豐富可對接多種載荷和控制設備。設計采用自組網的方式降低了對人工操作的要求，在地面端可以便捷的進行鏈路控制和數據獲取，滿足多種機型的使用要求，在飛行試驗和批量生產中都取得了良好的應用效果。