一种多模式无人机测控通信系统及方法与流程

本发明属于测控通信领域，尤其是涉及一种多模式无人机测控通信系统及方法。

背景技术：

测控通信方法是无人机完成任务必不可少的部分，将机载的图像信息、载荷状态信息、飞机状态信息传回地面，将地面的载荷控制指令、飞行控制指令、飞行航点等信息传给机载设备。

目前的无人机测控通信系统中多采用分立的链路，每条链路只能传输一种数据，如机载飞行控制器(以下飞行控制器简称“飞控”)的状态信息和控制指令、机载载荷的状态信息和控制指令，机载载荷的遥感数据等，在不同的应用中，所能实现的功能是固定的，无法根据实际使用到的功能进行裁剪或扩展，在使用中或者有功能冗余，或者无法满足使用需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种多模式无人机测控通信系统及方法，以解决上述问题的不足之处，使无人机测控通信系统功能灵活多样，适应范围更广。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多模式无人机测控通信系统，包括图像处理模块、通信模块和射频增益模块，所述图像处理模块包括机载图像处理模块和地面图像处理模块，所述通信模块包括机载通信模块和地面通信模块，所述射频增益模块包括机载射频增益模块和地面射频增益模块，所述机载图像处理模块、机载通信模块和机载射频增益模块依次连接，所述地面图像处理模块、地面通信模块和地面射频增益模块依次连接。

进一步的，所述机载图像处理模块包括图像采集模块和与图像采集模块连接的图像压缩模块，所述机载通信模块包括依次连接的数据复接模块、信道编码模块和调制模块，所述图像压缩模块与数据复接模块连接，所述调制模块与机载射频增益模块中的放大模块连接，所述地面图像处理模块包括图像解压缩模块和与图像解压缩模块连接的图像显示模块，所述地面通信模块包括依次连接的数据解复接模块、信道解码模块和解调模块，所述数据解复接模块和图像解压缩模块连接，所述解调模块与地面射频增益模块中的放大模块连接。

进一步的，所述数据复接模块连接飞控和载荷，所述数据解复接模块连接地面站计算机，所述图像采集模块和图像显示模块分别连接载荷和显示器，所述机载射频增益模块和地面射频增益模块的放大模块上均连接有天线。

本发明提供的第二实施例，一种如上所述的多模式无人机测控通信系统的全功能通信方法，包括以下模式：

所述通信模块单独工作时可实现数传通信模式；

所述通信模块和图像处理模块一起使用时，可实现数传、图传一体化通信模式。

进一步的，所述数传通信模式和图传通信模式的切换过程包括以下步骤：

A.首先在通信模块的软件中，预设通信模式，根据通信模式，判断是数传还是图传；

B.然后通信模块监听地面指令，当地面发出模式切换指令，则进行切换；

C.切换后，继续监听地面指令，重复步骤B。

进一步的，若步骤A中判断为图传模式后，步骤B的切换过程为：

B1.图像处理模块停止编码；

B2.通信模块关闭图像接口；

B3.通信模块帧结构删除图像数据；

B4.最终切换为数传模式；

若步骤A中判断为数传模式后，步骤B的切换过程为：

B11.图像处理模块开始编码；

B22.通信模块打开图像接口；

B33.通信模块帧结构添加图像数据；

B44.最终切换为图传模式。

本发明提供的第三实施例，一种如上所述的多模式无人机测控通信系统的传输距离/数据速率切换方法，包括自主降速率和地面控制降速率两种方式，

所述自主降速率的具体步骤如下：

I.通信模块判断所接收到信号的信噪比，若信噪比较差，则进行延时，进入步骤II；若信噪比较好，则重复步骤I；

II.判断信噪比恢复情况，若信噪比无法恢复，则数据速率下降一档，或传输距离提高一档，进入步骤III；若信噪比恢复了，则重复步骤I；

III.判断信噪比是否变好，若没有变好，则继续进行延时，并重复步骤II；若信噪比变好，则重复步骤I；

所述地面控制降速率的具体步骤如下：

S1.首先监听地面指令，若地面发出降速率指令，则数据速率下降一档，或传输距离提高一档，进入步骤S2；若地面未发出指令，则进入步骤S2；

S2.然后机载回报当前状态；

S3.重复步骤S1。

进一步的，所述数据速率下降一档的具体步骤如下：

a.在图像处理模块中判断对载荷图像数据进行压缩的图像压缩率是否已达到最高，若已达到最高，则禁用图像数据，并进入步骤b；若未达到最高，则图像压缩率提高一档，并进入步骤b；

b.在通信模块中判断通信模块的通信数据速率是否已达最低，若已达最低，则返回警告；若未达最低，则通信数据速率下降一档，或传输距离提高一档。

本发明提供的第四实施例，一种如上所述的多模式无人机测控通信系统的双向通信方法，位于机载和地面的所述天线均通过双工器将自身的发送信号和接收到对方的信号区分开，并且发送和接收之间保持足够的隔离度。

相对于现有技术，本发明所述的多模式无人机测控通信系统及方法具有以下优势：

(1)本发明所述的测控通信系统通信模式可切换，通信模式包括超近程数传模式，超近程图传模式，中远程数传模式和中远程图传模式，应用更灵活，适用范围更广泛；且通信模块单独工作可实现数传通信模式，配合图像处理模块一起使用，可实现数传、图传一体化通信模式，解决数传和图传通信链路相互干扰，且通信系统无法裁剪和扩展的问题。

(2)本发明所述的数据速率可动态调整，相应地改变传输距离，可以根据需要调整图像清晰度，并且可以通过更换射频增益模块获得不同的传输距离，解决传统测控通信方法的传输速率和距离不可更改的问题。

(3)本发明所述的双向通信方法采用频分双工的方式进行双向通信，具备地面部分给机载部分发送控制指令的能力，能肩负更重要的通信任务，解决传统测控通信方法只能单向通信的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的全功能通信中下行通信流程框图；

图2为本发明实施例所述的数传/图传通信模式切换流程图；

图3为本发明实施例所述的图传模式切换为数传模式的流程图；

图4为本发明实施例所述的数传模式切换为图传模式的流程图；

图5为本发明实施例所述的自主降速率流程图；

图6为本发明实施例所述的地面控制降速率流程图；

图7为本发明实施例所述的数据速率下降一档的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种多模式无人机测控通信系统，包括图像处理模块、通信模块和射频增益模块，所述图像处理模块包括机载图像处理模块和地面图像处理模块，所述通信模块包括机载通信模块和地面通信模块，所述射频增益模块包括机载射频增益模块和地面射频增益模块，所述机载图像处理模块、机载通信模块和机载射频增益模块依次连接，所述地面图像处理模块、地面通信模块和地面射频增益模块依次连接。

所述通信模块，负责机载部分与地面部分的双向通信，用于将飞控和载荷的控制指令从地面部分发送给机载部分的设备，将机载部分的设备状态信息返回地面；所述射频增益模块，将发送和接收的射频信号放大，提高通信距离。

所述机载图像处理模块包括图像采集模块和与图像采集模块连接的图像压缩模块，所述机载通信模块包括依次连接的数据复接模块、信道编码模块和调制模块，所述图像压缩模块与数据复接模块连接，所述调制模块与机载射频增益模块中的放大模块连接，所述地面图像处理模块包括图像解压缩模块和与图像解压缩模块连接的图像显示模块，所述地面通信模块包括依次连接的数据解复接模块、信道解码模块和解调模块，所述数据解复接模块和图像解压缩模块连接，所述解调模块与地面射频增益模块中的放大模块连接，在本实施例中，所述图像采集模块为TVP7002，所述图像压缩模块和图像解压缩模块均为DM368，所述放大模块为AH323。

所述数据复接模块连接飞控和载荷，所述数据解复接模块连接地面站计算机，所述图像采集模块和图像显示模块分别连接载荷和显示器，所述机载射频增益模块和地面射频增益模块的放大模块上均连接有天线。

本发明提供的第二实施例，一种如上所述的多模式无人机测控通信系统的全功能通信方法，包括以下模式：

所述通信模块单独工作时可实现数传通信模式；

所述通信模块和图像处理模块一起使用时，可实现数传、图传一体化通信模式。

如图2所示，所述数传通信模式和图传通信模式的切换过程包括以下步骤：

A.首先在通信模块的软件中，预设通信模式，根据通信模式，判断是数传还是图传；

B.然后通信模块监听地面指令，当地面发出模式切换指令，则进行切换；

C.切换后，继续监听地面指令，重复步骤B。

若步骤A中判断为图传模式后，如图3所示，步骤B的切换过程为：

B1.图像处理模块停止编码；

B2.通信模块关闭图像接口；

B3.通信模块帧结构删除图像数据；

B4.最终切换为数传模式；

若步骤A中判断为数传模式后，如图4所示，步骤B的切换过程为：

B11.图像处理模块开始编码；

B22.通信模块打开图像接口；

B33.通信模块帧结构添加图像数据；

B44.最终切换为图传模式。

本发明提供的第三实施例，一种如上所述的多模式无人机测控通信系统的传输距离/数据速率切换方法，包括自主降速率和地面控制降速率两种方式，

如图5所示，所述自主降速率的具体步骤如下：

I.通信模块判断所接收到信号的信噪比，若信噪比较差，则进行延时，进入步骤II；若信噪比较好，则重复步骤I；

II.判断信噪比恢复情况，若信噪比无法恢复，则数据速率下降一档，或传输距离提高一档，进入步骤III；若信噪比恢复了，则重复步骤I；

III.判断信噪比是否变好，若没有变好，则继续进行延时，并重复步骤II；若信噪比变好，则重复步骤I；

如图6所示，所述地面控制降速率的具体步骤如下：

S1.首先监听地面指令，若地面发出降速率指令，则数据速率下降一档，或传输距离提高一档，进入步骤S2；若地面未发出指令，则进入步骤S2；

S2.然后机载回报当前状态；

S3.重复步骤S1。

如图7所示，所述数据速率下降一档的具体步骤如下：

a.在图像处理模块中判断对载荷图像数据进行压缩的图像压缩率是否已达到最高，若已达到最高，则禁用图像数据，并进入步骤b；若未达到最高，则图像压缩率提高一档，并进入步骤b；

b.在通信模块中判断通信模块的通信数据速率是否已达最低，若已达最低，则返回警告；若未达最低，则通信数据速率下降一档，或传输距离提高一档。

通信模块和射频增益模块之间使用标准接口，通过更换射频增益模块来改变通信距离，使用发射功率较大的射频增益模块可实现中远程通信，使用发射功率小的射频增益模块或不使用射频增益模块可实现超近程通信。

本发明提供的第四实施例，一种如上所述的多模式无人机测控通信系统的双向通信方法，由于图传的通信方向是机载部分到地面部分，数传为双向通信，机载部分将遥测信号传回地面部分，地面部分将遥控指令发送给机载部分，为同时满足数传和图传的需求，机载部分和地面部分同时发射信号，同时接收信号，为确保同一侧的发射和接收信号不相互干扰，机载部分和地面部分采用不同的发射频率，而接收端频率与之对应，通过射频增益模块中射频器件的频率选择性和通信模块中产生不同频率本振信号，来保证只接收到对方发来的信号，而不被自身信号干扰，因此，位于机载和地面的天线均通过双工器将自身的发送信号和接收到对方的信号区分开，并且发送和接收之间保持足够的隔离度。

实施例二的具体工作过程如下：

在全功能通信方法中，所述通信模块单独实现超近程遥控、遥测数据传输，所述通信模块配合射频增益模块实现中远程遥控、遥测数据传输，所述通信模块配合图像处理模块实现超近程图像数据传输功能，所述通信模块、图像处理模块和射频增益模块共同使用，实现中远程图像数据传输设备。

当通信模块、图像处理模块和射频增益模块共同工作时，如图1所示的下行通信中，图像处理模块从图像接口处采集图像信息，进行图像压缩编码，编码后的图像码流发送给通信模块；通信模块除了接收图像码流外，还接收飞控和载荷的状态信息，通信模块将图像码流和状态信息整合后，经过信道编码和调制，形成射频信号，经射频增益模块放大，通过天线发射给地面；地面射频增益模块将机载发来的射频信号放大并发给通信模块，通信模块接到此信号后，对其进行解调和信道解码，并对信号进行解析，将图像码流和状态信息分开，状态信息输出给地面的飞控、载荷控制设备，图像码流发送给图像处理模块，图像处理板对码流进行图像解压缩，恢复出原始视频信号，输出显示。上行通信过程与所述下行通信类似，区别只在于上行通信没有图像数据，只有飞控和载荷的控制信息。

实施例三的工作原理如下所示：

传输距离与数据传输速率的关系式为，

[P_r](dB)＝[EIRP](dB)+[G_r](dB)-[L_s](dB)-[L₀](dB)

L_s＝32.4+20lgd+20lgf

其中M为链路余量，为实际接收信号的信噪比，为系统实现所需的信噪比，P_r为接收功率，R为数据传输速率，K为玻尔兹曼常量，T₀为噪声温度，EIRP为等效全向辐射功率，G_r为接收天线增益，L_s为自由空间路径损耗，L₀为其他损耗，d为传输距离，f为载波频率。

在上述公式中，除数据传输速率R和传输距离d之外的其他参数保持不变，为保证相同的链路余量M，数据传输速率R降低到1/4时，传输距离d将提高一倍。

所述图像处理模块通过更改图像压缩率来更改传输图像信号时的图像质量和数据速率，通信条件较差时牺牲图像质量保证通信质量；所述射频增益模块通过更改扩频比例来更改传输遥控、遥测数据信号的数据速率；在其他条件不变的情况下，通过减小所述数据速率来提高通信距离；通过提高所述射频增益模块的增益来提高通信距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。