基于3G/4G和北斗链路民用无人机航空管制体系研究设计

葛 腼 徐 杰 王文松

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450007）

基于3G/4G和北斗链路民用无人机航空管制体系研究设计

葛 腼 徐 杰 王文松

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450007）

针对民用无人机的发展现状，提出了一种新型、廉价和实用的航空管制体系，即利用民用3G/4G和北斗作为通信链路，将无人机的相关信息传至地面服务器，然后对数据进行分发和共享，并进行相应的空域管理，为民用无人机的后序发展提供了新的思路。文章主要从机载设备和地面设备两部分对无人机航空管制体系进行阐述，最后以跑车实验来验证其具体效果。

无人机；北斗通信；3G/4G

1 引言

无人机尚未达到与有人机同样的安全水平，因此，还无法像有人机那样，与其他航空器一样共享空域，从而制约了无人机任务的完成及无人机的发展。民用无人机的大量涌现，对现有以有人飞机为主的空中管制格局带来了新的挑战。如何保证无人机的各种任务飞行、训练和科研试飞活动能够合理地使用空域，并不影响军民航有人飞机的正常飞行活动，避免空中相撞，这已成为当前和以后若干年内航管部门亟待解决的重要问题。在保障飞行安全的前提下，满足无人机空域运行的使用要求，对无人机空域管理方式的研究现在已经成为了国内外研究的热点。

目前国外无人机的通信链路主要是采用无人机地面遥测链路和卫星通信两种手段，这两种方式的成本都比较昂贵，且在无人机飞行前要进行专门的天线架设等工作，不利于民用无人机的大规模使用。因此研究基于民用3G/4G基站，辅以北斗链路的无人机航空管制方案就显得尤为重要，可以为原有的无人机通信配备一条独立可靠的备份链路。另外由于国内的无人机还没有统一的航空管制方案，目前大多是借鉴民航的管理办法，因此在本系统中对无人机的空域进行管理，包括空域规划、告警管理、状态监控、信息分发等，为国内民用无人机的航空管制进行深入的探索。

2 系统设计

2.1 系统组成

如图1所示，系统主要包括机载设备和地面设备两部分组成。机载设备通过串口连接自动驾驶仪和ADS-B防撞设备，并将从自动驾驶仪和ADS-B设备采集的数据通过3G/4G/北斗链路传输至地面设备。地面设备包括服务器、北斗指挥机和管制员席几部分组成。工作过程是机载设备利用3G/4G链路通过民用基站将机载设备的数据传输至地面服务器；或者采用北斗链路通过北斗短报文传输至地面的北斗指挥机，然后经管制员席将数据转存至服务器。服务器作为网络分发中心，负责对其它用户进行数据共享和分发，管制员席则对接收的机载数据进行解析、处理和显示，完成无人机的空域管理，并通过串口将机载信息分发至地面的无人机指控席。

图1 系统总体设计图

2.2 工作原理

通信链路采用北斗和3G/4G通信模式。3G/4G通信模式采用现有成熟的地面通信网络，通过运营商加基站的通信方式，原理简单。下面仅就北斗卫星通信的原理进行介绍。北斗通信通过射频接收数字化，采用基带信号处理实现捕获、跟踪、解扩、解码等，实现通信传输。

2.2.1 RDSS基带信号处理

RDSS基带信号处理是要对经过下变频和数字量化后的RDSS卫星中频信号进行捕获、跟踪、去载、解扩、同步、解码，为定位、通信、授时、PVT解算提供状态信息，以及原始测量数据和卫星电文。图2为接收信道信号处理总体原理框图。

图2 接收信道信号处理原理框图

（1）捕获

根据RDSS信号的特点和对捕获速度的要求，采用二维搜索方案，搜索算法采用唐搜索检测算法。对于区域卫星和低速用户，只需对伪码相位进行搜索；对于全球卫星或高速用户，还需搜索多普勒频移。图3为RDSS信号捕获流程，其中捕获门限、频率搜索范围，确认次数等均可根据实际使用情况配置。

图3 RDSS信号捕获流程

（2）跟踪

跟踪模块在信号正确捕获后工作，完成实时微调保证本地振荡信号与卫星信号间的一致性，包括载波微调和码率微调。跟踪模块由码跟踪模块和载波跟踪模块组成。

码跟踪模块主要完成对卫星扩频码相位和动态频率的准确跟踪，包括码延迟鉴别器和低通滤波环路。将采用被超前加滞后包络所归一化的非相干超前减滞后包络的鉴别算法和3阶低通滤波器。环路滤波器的输出信号与原始信号相减以产生误差信号，误差信号再回馈回滤波器输入端形成闭环。

图4 阶低通滤波器

载波跟踪主要完成对卫星频率、相位的准确跟踪，包含锁频环、锁相环和低通滤波环路。鉴别器和滤波器分别采用Costas锁频环环路鉴别器，四象限反正切锁相环鉴别器，以及2阶锁频环（FLL）辅助的3阶锁相环（PLL）滤波器，环路参数均完全可配。环路滤波器的输出信号与原始信号相减以产生误差信号，误差信号再回馈回滤波器输入端形成闭环。

图5 阶锁频环辅助的3阶锁相环滤波器

（3）去载、解扩

为考虑兼容不同的射频前端，去载、解扩将采用参数可设的设计方案，包括：数字中频位宽、中频频率、采用频率、本地载波、本地码钟、伪码序列、积分周期等均可根据使用情况进行设置。同时，为降低跟踪环路的工作量，需要对相关资料进行预处理，包括：平方根、多积分周期累积等。

（4）帧同步

帧同步模块在信号捕获后工作，完成对 I支路数据帧头—14位巴格码的检测，并在巴格码最后一位“1”的后延产生本地帧时标。考虑载波相位会有180°翻转，本地恢复的巴格码可能会反向，这时需要产生“纠反”信号，对这一整帧数据进行纠反。考虑在信号传输过程中可能会受到干扰，设计将对帧同步过程采取“严进严出”的方法，即：连续数次在数据帧的同一位置检测到巴格码，才判决为“帧同步”；“帧同步”状态下，连续数次在数据帧的同一位置未能检测到巴格码，判决为“未同步”。

（5）解码

经过接收通道解调、解扩后的I、Q支路资料在收满一帧数据后，送入Viterbi译码器进行译码。Viterbi译码是解卷积的过程，将10个接收通道I、Q路分别进行译码，译码后的数据经过32位串并转换，送入RAM缓存，供CPU读取；同时对译码后的数据进行CRC校验，以验证数据传输的正确。

2.2.2 RDSS基带信号处理工作流程控制

RDSS基带信号处理工作流程控制决定系统的工作模式，各功能模块的工作状态，各工作流程间的转换，软硬件间的协同工作等。RDSS基带信号处理工作流程如图6所示：

图6 RDSS基带信号处理工作流程图

首先，根据需求设置芯片的工作模式，包括需要接收的卫星波束，中频信号接口，应用动态范围，有源/无源应用，定位/授时应用等，需要设置的内容包括：CPU的工作频率，需要开启的接收信道及其它功能模块，卫星波束伪码序列及初相，中频数据位宽（2～4bits），中频数据编码方式，中频频点，采样率，积分周期，捕获门限，环路带宽，定位方式，通信方式，授时方式，发射信号产生模式等。

在完成模式设置后，启动捕获流程。捕获功能由硬件自动进行，捕获模块提取各积分累加结果，按照既定捕获算法及参数，完成信号捕获，并报告捕获状态。在完成信号的捕获后进入信号跟踪流程，根据环路参数设置，跟踪环路计算出误差调整量，对本地载波及本地码进行动态调整。帧同步在信号捕获后立即启动。确定帧标志后（帧同步状态）即可将接收数据分帧缓存，收齐一帧数据后启动Viterbi译码，获得卫星原始电文。

在完成帧同步后，进入信息处理流程：提取接收功率、伪码测量值、载波相位测量值、卫星电文，并利用以上数据进行数据通信。

3 技术实现

3.1 机载设备

图7 机载设备系统组成图

3.1.1 硬件组成

机载设备的硬件组成包括STM32主处理器、北斗模块、3G模块、天线单元、外部接口和供电电源等。其中主处理器包含五个串口，负责与北斗模块、3G模块、2个两部接口和一个调试接口连接。北斗模块负责北斗定位和短报文收发；3G模块负责3G/4G链路的数据通信；供电单元采用功率较大且输出电平类型多样的电源转换芯片，将无人机的机上电源转换为机载设备内部工作所需的各种电平；调试接口包括JTAG和串口两种；外部接口主要是与自动驾驶仪和 ADS-B防撞设备的信息交互。

3.1.2 工作流程

如图 8所示，机载设备上电后，经过开机初始化，通过中断方式接收自动驾驶仪、ADS-B和北斗模块的相关数据，然后自检3G/4G链路和北斗链路的信号情况，根据链路优先级选取原则，将接收到的数据进行组包，其中3G/4G链路的数据包较大，为412字节，北斗链路数据包相对较小，为69个字节，最后通过通信模块将打包后的数据发送至地面设备。

图8 机载设备工作流程图

3.1.3 关键技术

关键技术主要包括中断嵌套技术和数据融合技术。由于整个机载设备有四个串口同时工作，且数据通信速率较快，其中自动驾驶仪和ADS-B的数据速率是一秒多帧、多字节的形式发送数据的。因此需采用中断嵌套技术解决多个串口同时接收数据的难题，保证数据接收过程中不丢包，且留出足够的时间供数据融合处理。另外机载设备接收的数据量较大，需要在短时间内对接收的各项数据进行协议解析、数据筛选和数据组包，通过数据融合技术来压缩数据处理的时间，从而保证数据的实时发送。

3.2 地面设备

3.2.1 系统组成

地面设备主要包括北斗指挥机、地面服务器和管制员席几部分。其中北斗指挥机用以接收机载设备的北斗短报文信息，服务器主要是接收机载设备的3G/4G链路信息，并对接收到的所有数据（含北斗链路）进行保存和网络分发，管制员席位主要是将接收的机载信息进行动态显示，并辅助完成无人机空域管理，另外通过串口的形式将接收到的机载信息分发送至地面指控席。

3.2.2 管制员席

管制员席是在台式计算机上安装管制员席软件来实现的，软件的主要功能有地图操作、数据管理、航迹管理、空域管理、告警管理、系统设置等功能。其中地图操作包括漫游、缩放、偏心、复位、动态测距等功能；数据管理包括数据列表、告警列表、数据查询、数据编辑等功能；航迹管理包括尾迹点、航迹圈、数据源等功能；空域管理包括空域划设、空域查询、空域编辑等；告警管理包括空域激活、去激活、告警设置等功能；系统设置主要是对系统的相关参数进行设置，如服务器地址、中心点位置、指控席地址等。具体的管制员界面如图9所示：

图9 管制员席界面图

3.2.3 管制员席软件的工作流程

如图10所示，管制员席在完成系统初始化及地图载入后，便处于数据接收准备状态。当3G/4G链路的机载数据到达时，会保存至地面服务器，而北斗链路的数据会通过北斗指挥机发送至管制员席，然后由管制员席转存至服务器。服务器在接收到不同链路的数据后，会根据不同的协议分别进行初步解析，并将解析后的数据分发至管制员席。管制员席在接收到数据后进行二次解析，动态显示，并辅助完成管制员席的一系列功能如空域管理、航迹管理、告警管理等；另外根据指控站的需要，将数据组包通过串口串分发至指控席。

图10 管制员席工作流程图

4 试验验证

为了验证整个系统的正确性、稳定性和可靠性，初步采用车辆代替无人机利用跑车实验的形式来验证。通过在车辆上安装机载设备、自动驾驶仪设备、ADS-B防撞设备，通过3G/4G/北斗链路进行数据通信。在地面的管制员席上通过划设空域的方式进行空域管理，在空域激活后当无人机入侵时，会有醒目的告警提示。另外管制员席在接收到数据后，会实时通过串口发送至指控站。试验结果表明，整个系统工作稳定，3G/4G/北斗链路切换快速可靠，数据传输、解析、显示和分发均正确无误。

5 结论

本文通过采用3G/4G/北斗这种全新组合的通信链路，实现地面设备与无人机之间进行数据通信，在传统无人机遥测链路上提供了一种备份的通信手段，并在地面初步尝试了新链路下的民用无人机的航空管制。经过初步验证，整个系统达到了预期的效果，为民用无人机的进一步发展提供了新的思路。

［1］ 张治生.无人机地面站系统设计与开发［D］.西安：西北工业大学，2007：2-5.

［2］ 骆训纪，朱纪洪.无人机航迹系统研究［J］.测控技术，2002，21（11）：47-50.

The research on the civil UAV air traffic control system based on the 3G / 4G and Beidou communication link

For the development of the civil UAV， we propose one kind of air traffic control system， which is new， inexpensive and practical. This kind of system makes the use the civilian 3G/4G and Beidou as the communication link to transmit the UAV information to the ground server. The information is then distributed and shared， in addition to make the corresponding airspace management. This air traffic control system provides a new way of thinking for the subsequent development of the civil UAV. In this thesis， we describe the UAV air control system mainly from the airborne equipment and the ground equipment， and use the experiment of the sport car to verify the specific effects finally.

UAV； Beidou communication； 3G/4G

V21

A

1008-1151（2016）01-0007-04

2015-12-11

葛腼（1986-），中国电子科技集团公司第二十七研究所雷达与测控系统事业部工程师，从事通信技术和智能终端行业。