海域无人机带状网络接力测控系统研究

曹 海 ，刘 惠 ，王 兵 ，朱铁林

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.天津航天中卫数字系统科技有限公司，天津 300301）

海域无人机带状网络接力测控系统研究

曹 海1，刘 惠1，王 兵2，朱铁林2

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.天津航天中卫数字系统科技有限公司，天津 300301）

为解决目前海域无人机单点作业模式难以满足海域大范围监测和无人机系统规模化运行需求的问题，提出了无人机接力测控方案。结合现有的通信测控技术，提出了4种切实可行的接力测控方案：双通道接力测控、基于FDMA的接力测控、基于CDMA的接力测控、基于TDMA的接力测控。通过对比各方案之间的优缺点，结合目前现有条件，在保证方案安全性和可实施性的情况下，最终提出了一套多种技术结合的过渡型接力测控实施方案。

无人机；带状网络；接力测控

按照网络分布区域的拓扑结构，将分布在狭长区域内的多个结点称为带状网络[1]。海域无人机带状网络接力测控是指海域无人机在带状分布的海岸各固定测控站结点之间完成无缝软切换测控接力，实现测控距离的网络延伸，从而在无人机航程能力超出测控范围的情况下实现无人机巡检效率的最大化。

近些年随着沿海地区国家发展战略规划的全面实施，用海需求持续增长，用海规模不断扩大。无人机系统这一新型的海域实时动态监测手段，因其在监测端的诸多优势，在多方监测任务中发挥着重要作用。但由于目前我国海域无人机遥感监视监测技术还处于起步阶段，海域无人机遥感监视监测系统尚未形成规模化、产业化、业务化运行能力。在海域应用中，也存在诸多问题与隐患，主要体现在目前海域无人机监视监测的单点作业模式难以满足海域大范围监测和无人机系统规模化运行的需求，故搭建海域无人机带状网络接力测控系统就显得尤为重要。

1 带状网络通信测控系统构架

海域无人机带状网络测控通信系统主要由机载数据终端、测控站数据终端和网络接入数据终端三部分构成。其中机载数据终端是指通信数据链的机载设备，安装在无人机上，由收发信机、微波前端和收发天线组成，分为机载视距数据终端和机载卫通数据终端；测控站数据终端是指数据链的测控站设备，设置在地面、车辆或舰船等平台上，由收发信机、微波前端和收发天线组成，分为视距测控站数据终端和卫通测控站数据终端；网络接入数据终端是指测控数据的网络接入设备，设置在地面、车辆或舰船等平台上，用于将测控数据接入公网或者专网，直达地面指挥中心。由接口适配器、协议转换器和网络接入器组成，分为光纤接入数据终端、公网接入数据终端和微波转发接入数据终端等[2-4]。

按照上述结构定位，得到带状网络测控通信系统构架如图1所示。

2 接力测控方案

对于带状网络测控系统而言，重要的一点是需要在带状分布的各固定测控站结点之间完成无缝软切换测控接力，实现测控距离的网络延伸。同时，需要考虑多架无人机同时进入一个固定测控站结点测控范围即一站多机的情况下，实现统一、可靠、协调的多机测控。因此分析设计了多种接力测控方案。

图1 带状网络区域巡检巡检测控通信系统功能组成

2.1 双通道接力测控

双通道是指无论是地面测控站、中继无人机还是任务无人机，均进行冗余备份设计，具有双链路通信功能。各固定测控站主链路采用同样的频率，备链路采用同样的频率，充分节省频带资源。将备用链路与主链路进行集成设计，无论是收发信机、微波前端还是收发天线，均备有双通道，同时进行模块复用和小型化设计，在空间、重量允许的条件下满足冗余设计要求。备链路作为主链路的辅助链路，优先使用主链路，实现遥控、遥测和遥感等信息的传输功能。当主链路出现中断和故障时，或者是需要空中接力使用双链路时，人工或自动启用应急链路，实现对飞机的遥控遥测，完成无人机控制权的空中交接，提高特殊、紧急情况下的应对能力[5]。

带状网络区域巡检无人机无缝软切换双通道测控接力过程如图2所示。图中无人机在保证载荷数据传输不间断的情况下由固定测控站1控制转变为固定测控站2控制，主要分为以下几个阶段：

（1）正常巡检过程：无人机与固定测控站1通过主链路进行遥控、遥测、遥感双向数据传输，同时也利用备链路进行遥控、遥测双向数据传输，提高无人机测控的可靠性和安全性，由于主链路具有高的优先级，所以此过程中以主链路数据作为系统业务数据；

（2）无人机空中接力准备：固定测控站1停止主链路的上行遥控数据发送过程，继续通过主链路接收遥感数据。由于主链路上行链路中断，备链路开始起主导作用，故利用固定测控站1的备链路完成无人机的遥控、遥测任务；

（3）测控接力过程：固定测控站2开启主链路与无人机进行遥控、遥测、遥感双向数据传输，同时固定测控站1利用备链路与无人机进行遥控、遥测双向数据传输，由于主链路具有高的优先级，因此无人机以固定测控站2的主链路数据作为系统业务数据，测控站之间实现了无人机测控权的移交，实现了测控接力。此过程中无人机利用下行链路全向天线同时向地面测控站1和地面测控站2传输遥感数据，汇聚至指挥中心以后由指挥中心根据包号重新选择整理；

（4）正常巡检过程：固定测控站1断开备链路，停止与无人机的数据交互过程，同时固定测控站2开启备链路，无人机与固定测控站2一方面通过主链路进行遥控、遥测、遥感双向数据传输，一方面利用备链路进行遥控、遥测双向数据传输，由于主链路具有高的优先级，所以以主链路数据作为系统业务数据，无人机在固定测控站2的测控下进入正常巡检过程。

图2 无人机无缝软切换测控接力过程

技术特征：双通道技术比较成熟，双链路备份，可靠性高，具有较强的应急通信能力；所有固定站主链路应用同一频点，备链路应用同一频点，节省频带资源；只适合单点通信，如果多架无人机分别受控于不同固定测控站，则需要为每架无人机添加ID标识；如果多架无人机受控于一个固定站，即一站多机，则需要配合其他技术，否则无法避免同频干扰。

2.2 基于FDMA的接力测控

基于频分多址（Frequency Division Multiple Access,FDMA）技术是指为每一个测控站分配特定信道，各地面测控站利用不同频点与无人机进行遥控、遥测双向数据传输，机载测控设备要求具备所有频段信号的接收解调能力。

带状网络区域无人机FDMA测控接力过程如图3所示。

图3 无人机FDMA测控接力过程

图中无人机在保证载荷数据传输不间断的情况下由固定测控站1控制转变为固定测控站2控制，主要分为以下几个阶段：

（1）正常巡检过程：无人机与固定测控站1通过f2频点上行传输遥控数据，通过f1频点下行传输遥测传输；

（2）无人机空中接力准备：机载测控设备检测所有规划频点能量，对于超出门限值的频点，与测控站进行握手协商，确定是否可以进行频点切换和测控接力；

（3）测控接力过程：固定测控站2与固定测控站1通过地面网络实时通信，获取遥控数据，利用f3频点向无人机发送与固定测控站1相同的遥控信息。机载设备确定切换频点，继续利用f1频点下传遥测数据，同时接收f3频点的数据作为遥控信息，完成测控接力。此过程中机载下行遥测数据的发射可以不用更换频点，同时无人机利用下行链路全向天线同时向地面测控站1和地面测控站2传输图像遥感数据，汇聚至指挥中心以后由指挥中心根据包号重新选择整理；

（4）正常巡检过程：固定测控站1停止与无人机的数据交互过程，无人机在固定测控站2的测控下进入正常巡检过程。

技术特征：频分复用技术比较成熟，适用于多无人机同时工作，如果多架无人机分别受控于不同固定测控站，可通过不同频点进行区分；可考虑移动蜂窝网形式，可为带状（假设40个）固定测控站分配 5 个频点（如下规划 f1，f2，f3，f4，f5，f1，f2，f3，f4，f5…f1，f2，f3，f4，f5），一方面能够避免临站干扰，另一方面能够节省频带资源，但是要对无人机和固定测控站分别添加标识；如果多架无人机受控于一个固定站，即一站多机，则需要配合TDMA、CDMA或对多架无人机再次进行FDMA，如若采用FDMA需要测控站具备多频段接收解调能力；测控接力属于硬切换，即先断后连，所有同步过程需重新建立，接力中断时间可达秒级。每个固定站采用不同的频率范围，占用较大频带带宽，浪费频率资源。

2.3 基于CDMA的接力测控

码分多址（Code Division Multiple Access,CDMA）系统中，窄带信号乘上了一个称为扩频信号的大带宽信号。扩频信号是一个伪随机码序列，其码片速率比消息中的数据速率高若干数量级[6]。在基于CDMA的接力测控中，各地面测控站利用相同频点、不同扩频伪码与无人机进行遥控、遥测双向数据传输。机载设备同时接收所有同频信号，通过不同伪码序列确定受控于哪个地面测控站。

带状网络区域无人机CDMA测控接力过程如图4所示。

图4 无人机CDMA测控接力过程

无人机在保证载荷数据传输不间断的情况下由固定测控站1控制转变为固定测控站2控制，主要分为以下几个阶段。

（1）正常巡检过程：无人机与固定测控站1采用伪码序列PN1传输上行遥控数据，利用伪码序列PN0传输下行遥测数据，同时其他地面测控站利用各自的伪码序列进行统一的遥控数据发射，并接收伪码序列PN0传输的下行遥测数据；

（2）无人机空中接力准备：机载测控设备对所有可能伪码序列进行检测，对于超出门限值的伪码序列，与测控站进行握手协商，确定是否可以进行伪码切换和测控接力；

（3）测控接力过程：检测到伪码序列PN2的信号强度超出门限值并确定可以接力时，机载设备利用PN2信号恢复的数据作为遥控信息，同时继续利用PN0序列下发遥测信息，完成测控接力。此过程中无人机利用下行链路全向天线同时向地面测控站1和地面测控站2传输图像遥感数据，汇聚至指挥中心以后由指挥中心根据包号重新选择整理；

（4）正常巡检过程：固定测控站1停止与无人机的数据交互过程，无人机在固定测控站2的测控下进入正常巡检过程。

技术特征：码分复用技术在3G移动通信中应用比较成熟，每个固定站采用相同的频率，只是扩频码不同，节省频率资源；采用先连后断的接力方式，不需要重新建立同步过程，实现了无缝软切换；机载设备需要处理多路PN序列检测，数据处理量较大，对资源、功耗等有较高要求；适用于多无人机同时工作，如果多架无人机分别受控于不同固定测控站，可通过不同PN序列进行区分；如果多架无人机受控于一个固定站，即一站多机，则需要对测控站进行复用，需要测控站具备多码字、多时隙或多频段接收解调能力；测控接力属于软切换，即先连后断，无需再次重新建立所有同步过程。

2.4 基于TDMA的接力测控

时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技术把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），与用户具有一一对应关系，依据时隙区分来自不同地址的用户信号，从而完成的多址连接。考虑到相邻时隙的信号之间会有不确定性，在不同时隙之间留有保护间隔，用此缓冲区来减少干扰[7]。

无人机测控接力采用具有滞后余量的相对信号强度准则，即仅允许在新测控基站的信号强度比原测控基站信号强度强一定余量（即大于滞后余量）的情况下进行接力，如图所示的A点。该技术可以防止由于信号波动引起的移动台在两个测控基站之间来回重复切换，即“乒乓效应”。

图5 无人机测控接力的原则

无人机测控接力过程由无人机、各测控基站及测控中心共同完成。无人机负责测量各测控基站的信号强度，测控基站负责接收无人机反馈的信号强度测量结果，控制中心负责完成切换。N个测控基站依次在其SAT时隙向各无人机发送信号强度测量信号，各无人机接收到各基站发送来的强度测量信号后对与当前基站的信号强度比较。当检测到某基站的信号强度大于当前基站信号强度一定余量时，无人机在其ACK时隙发送切换基站申请信号，基站将其接收到的切换基站申请信号传递给测控中心，测控中心在遥控数据时隙发送无人机切换基站的命令，完成切换。这种切换方式是在与新基站建立联系信道后，才断开与原基站的联系信道,因此在切换过程中没有中断的问题,对通信质量没有影响。

技术特征：TDMA通信系统的基站只用一部发射机，可以避免FDMA通信系统多部不同频率发射机同时工作而产生的互调干扰；系统不存在频率分配问题，频带利用率高，对时隙的管理和分配比对频率的管理和分配简单而经济；无人机只在指定的时隙中接收指定测控站信息，有利于通信网络的控制和管理，可保证无人机的越区切换功能可靠的现实；可同时提供多种业务，使系统的通信容量和通信速率成倍增长；系统具有精确的定时和同步功能，可保证各无人机发送的信号不会在测控站发生重叠和混淆，但精确地定时和同步需要额外的开销，是技术难点；TDMA较之FDMA具有通信质量高，保密好，系统容量大等优点，但它必须有精确定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信，技术上比较复杂。

3 方案选择

3.1 带状网络优化

带状网络中，网络节点静态分布，拓扑控制中的联通与覆盖等相关问题假定已解决，即无人机的航迹已预知，因此已明确无人机的地面测控站接力测控顺序，因此对于几种接力测控方式均可以进行相应优化：

（1）对于FDMA而言，可以只对相邻地面测控站划分不同频点，例如各测控站依次分配为f1，f2，f3，f4，f5，f1，f2，f3，f4，f5…f1，f2，f3，f4，f5，一方面能够避免临站干扰，另一方面能够节省频带资源；

（2）对于CDMA而言，能够预先得知可能切换的两个相邻测控站的伪码序列，因此机载设备可以只比较三条伪码序列的能量，如此接力下去依次滑动伪码序列表，减小机载设备的运算复杂度；

（3）对于TDMA而言，由于无人机沿线带状飞行，其航迹已经确定，因此每次可只分配3个时隙，即当前测控站时隙、之前测控站时隙、之后测控站时隙，每次只比较这3个时隙中信号能量即可确定接力条件，依次滑动，减小机载设备数据处理量。

3.2 方案比较

通过上述方案设计及论证，得到各方案的性能对比如表1所示。

表1 各接力测控方案比较

3.3 方案选择

针对上述分析，建议带状网络接力测控建设实施步骤如下：

（1）首先利用通用测控设备建设点对点的双通道接力测控系统；

（2）由于已有测控设备中遥控、遥测信号已采用扩频技术，因此可进一步发展CDMA接力测控技术，一方面改动较小，另一方面可解决特定情况下不能提供双频段通道的问题。关于机载设备的运算复杂度，可以采用依次滑动伪码序列表的方法，每次只比较相邻3个伪码的能量；

（3）由于现有一站多机方案多采用TDMA方式，因此最终发展TDMA接力测控方式，如此可将一站多机与接力测控相结合。TDMA接力测控过程中，同样可采用时隙滑动动态分配方法，每次只比较3个时隙的信号能量来确定是否接力。但是由精准的无人机、测控站定时同步具有相当大的难度，因此作为CDMA接力测控方案的下一个实现目标；

（4）考虑借鉴移动通信制式，采用TDMA以及CDMA相结合的接力测控方式，追求实用性、频带效率、复杂度、可实现性折中的最佳方案（CDMA接力测控，TDMA一站多机；TDMA接力测控，CDMA一站多机等）；

（5）FDMA不建议使用，一是频带利用率低，而且接力测控过程为硬切换，不具备良好的安全性，同时无论是无人机还是测控站，做到多频点兼容同时发射、接收，对功率放大器、滤波器及天线都有一定挑战。

4 结束语

在海域无人机监视监测系统统一测控网络建设需求分析中，研制无人机跨区域接力测控是其重要的一部分。本文通过对整个无人机监测网络系统的分析，搭建系统构架，依照需求，提出四种切实可行的接力测控设计方案。后通过结合现有技术条件、方案实施难度及系统特性，提出最终的建设方案。完备的接力测控网络能将单个无人机的测控距离扩展，通过在大面积跨区海域的无缝软切换，保证无人机监测范围可达网络覆盖的任意区域，特别是能够解决将来多种类别的长航时无人机引入海洋监测的测控问题，使长航时跨省区跨海域大范围监测成为可能。再结合现有的海域动态管理专网，将无人机以网络节点的形式动态接入到现有的海域动态专网中，实现监测信息的实时上传、更新、分发，进一步实现信息实时共享、现场统一指挥的效果。

[1]魏传虎，任杰，张晶晶,等.电力巡线无人机数据传输系统研究[J].电子技术应用，2015,41(7)：77-80.

[2]刘天保.一种无人机测控数据链设计与应用[D]：天津：天津大学，2012.

[3]刘宾容.接收前段信号设计中的一些考虑[J].电讯技术，2004(3).

[4]周焱.无人机地面站发展综述[J].航天电子技术，2010(01):1-6.

[5]刘俊云，王俏华，肖登明.双通道数据通信终端的设计[J].工业控制计算机，2004(04):32-33.

[6]王庆扬，张青，韦岗.CDMA移动通信系统中的多用户检测技术[J].移动通信2000(02):41-45.

[7]秦勇，张军，张涛.TDMA时隙分配对业务时延性能的影响分析[J].电子学报，2009(10):2277-2283.

Research on the Banded Network Relay Monitoring and Control System of Ocean UAV

CAO Hai1,LIU Hui1,WANG Bing2,ZHU Tie-lin2
1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;
2.Tianjin Zhong Wei Aerospace Data System Technology Co.Ltd,Tianjin 300301,China

To solve the problem that current UAV single-point operating mode is difficult to meet both the largescale monitoring of the sea and the need of UAV system for scale operation,this paper proposes the relay monitoring and control scheme.Combined with existing communication monitoring and control technology,4 feasible schemes are put forward in this paper,including the relay monitoring and control schemes respectively based on dual channel,on FDMA,on CDMA and on TDMA.Through comparing the advantages and disadvantages of each scheme,as well as analyzing current conditions,this paper puts forward a set of transition schemes combined with various technologies to ensure the security and feasibility of the project.

UAV;banded network;relay monitoring and control

V279；TP273

A

1003-2029（2017）05-0066-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.011

2017-05-31

海洋公益性行业科研专项经费资助项目（201405028）

曹海（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为无人机测控通信。E-mail：caohai_notc@126.com