基于移动通信网络的无人机远程测控系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无人机远程测控技术，尤其设及在移动通信网络条件下的无人机远程 测控技术。
【背景技术】
[0002] 无人机测控技术是当前研究的一个热点课题，主要采用两类无线数据链路；第一 类是W L、S、C等微波W及卫星为代表的具有视距及超视距测控能力的数据链；第二类是W 藍牙、wifi、RC遥控数传电台等为代表的短距离测控能力的数据链。而该两类链路都有着 自身的优势，但是前者接受/发送设备尺寸大、质量重、费用贵，后者测控距离都太小，使用 范围受限，均不利于民用无人机远程测控应用的发展。
[0003] 随着移动通讯网络的快速发展，特别是3G技术的出现，网络覆盖面积越来越 广、传输速率越来越快（WCDM的传输速率在室内可W达到2Mbps，在移动空间内可达到 38地bps,并且支持可变数据传输），其在民用无人机领域有着得天独厚的优势。具体而言移 动通信具有W下优势：①移动通信网络终端具有质量轻、尺寸小、费用低的特点，有利于无 人机小微型化和民用化的发展；②移动通信网络拥有全球无缝漫游的能力，从而使得超视 距控制无人机具有更强的隐蔽性和便携性，能够降低无人机系统基础设施建设成本；⑨在 满足信号覆盖的前提下，笔记本、手机、甚至每一个±兵都是网络作战的节点，可随时、 随地、随设备"地完成视距/超视距（跨基站）无人机任务；④伴随着移动通信网络的快速 发展，其将会呈现更高带宽、更强实时、更广范围的趋势，基于移动通信网络的无人机系统 将有更好的升级空间。
[0004] 现有的无人机系统的技术性能和产品价格具有很大矛盾性，例如普通的无人机通 过一些简单的数据链路可W实现几百米或者几公里，但是随着测控距离要求的增加，就需 要专用的远程数据链，而该些使得无人机系统的成本大幅度攀升。虽然目前有一些基于3G 网络的无人机系统，但是，一部分是针对特定领域的特定用途，例如针对消防体系设计的对 有害气体进行检测的3G无人机系统，还有一部分则是处在"测而不控"的状态，例如一种基 于3G的无人机测控系统，主要用于地面控制站设备所设视频和音频通过3G网络上传至无 人机进行"转播"或者无人机所摄的视频和音频下传到地面控制站设备进行播放。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于移动通信网络的无人 机远程测控系统及方法，解决无人机远程测控问题，通过一定的延时预测与状态补偿的方 法，提高基于移动通信网络的测控无人机系统的整体性能。
[0006] 本发明所采用的技术方案是：
[0007] 基于移动通信网络的无人机远程测控系统，包括无人机机载设备、地面控制站设 备设备和移动通信网络；
[0008] 所述无人机机载设备包括自主飞行控制模块与机载处理模块。所述自主控制模块 包括手动飞行模块、自动飞行模块和异常处理模块。所述加载处理模块包括移动通信模块、 延时补偿模块、服务质量设计模块、云台控制模块、视觉处理模块、故障检测模块、信号检测 模块和基站定位模块。所述移动通信模块包括加解码模块、编解码模块。所述延时补偿模 块包括控制补偿模块和延时预测模块。
[0009] 所述地面控制站设备包括移动通信模块、延时补偿模块、服务质量设计模块、人机 交互模块和数据库模块。所述移动通信模块包括加解码模块、编解码模块。所述延时补偿 模块包括延时预测模块和信息补偿模块。所述人机交互模块包括监视模块和操作模块。所 述监视模块包括视频监视模块和状态监视模块。所述操作模块包括任务指令控制模块、有 效载荷控制模块和手动操作模块。
[0010] 所述无人机机载设备与地面控制站设备设备通过移动通信网络无线连接。所述自 主飞行控制模块与机载处理模块之间通过总线连接。
[0011] 在地面控制站设备设备中，所述操作模块产生指令上传至所述服务质量设计模块 进行分级，再通过地面控制站设备设备中的移动通信模块发送指令到移动通信网络。所述 地面控制站设备设备中的移动通信模块接收来自移动通信网络的数据信息，然后传送至所 述信息补偿模块并结合所述延时预测模块对信息进进行延时补偿，最后通过所述人机交互 模块进行显示。
[0012] 在无人机机载设备中，所述机载处理模块中的移动通信模块接受所述移动通信网 络的指令，然后传送至控制补偿模块并结合延时预测模块传至的延时信息对相应指令进行 延时补偿，最后将补偿后的指令分别传送至所述手动飞行模块、自动飞行模块、异常处理模 块、云台控制模块W及视觉处理模块。
[0013] 所述无人机机载设备中自主飞行控制模块、所述视觉处理模块、所述故障检测模 块、所述信号检测模块、所述基站定位模块产生相应数据信息经过所述服务质量设计模块 分级，再通过无人机机载设备中的移动通信模块发送至至移动通信网络。
[0014] 所述视觉处理模块结合相应任务产生飞行指令发送至自动飞行模块，所述故障检 测模块结合当前状况产生飞行指令发送至异常处理模块。
[0015] 本发明中各个模块的功能如下：
[0016] 所述无人机机载设备实现无人机稳定安全飞行和有效机载负荷处理。
[0017] 所述自主飞行控制模块接收来自机载处理模块的不同信息实现手动飞行、自主飞 行或异常处理功能。
[001引所述手动飞行模块经机载处理器桥接接收来自地面控制站设备设备的手动操控 指令，实现包括上下、俯仰、偏转、旋转四个通道的遥控操作功能。
[0019] 所述自动飞行模块接收来自地面控制站设备设备预设好的无人机机动动作与功 能指令W及相关参数设定，实现无人机自主飞行模式的自主控制，例如，典型绕圈飞行模 式，即通过设定好中屯、位置和半径解算出圆圈轨迹，对称取圆上12个点作为航点，上传至 无人机自驾仪执行绕圈飞行过程。该无人机自主飞行模式包括；航点追随模式、悬停模式、 返航模式、绕圈模式、追随模式，并能够在不同移动通信网络条件下实现自适应切换。
[0020] 所述异常处理模块接收来故障诊断模块的保护指令，进行紧急降落、追随强信号、 追随近基站等措施处理的功能。
[0021] 所述机载处理模块实现地面控制站设备设备与自主飞行控制模块的信息桥接功 能，实现有效负荷信息处理功能。
[0022] 所述故障检测模块当检测到低电量，弱信号，云台故障或较长时间丢包等故障，贝U 自动向飞行控制模块发送保护指令。
[0023] 所述云台控制模块接收来自地面控制站设备的载荷操作指令或来自视觉处理模 块的命令信息完成云台的二自由度调整。
[0024] 所述视觉处理模块获取摄像头信息并进一步实现模式识别、自动跟随和遥感探测 J貪良。
[0025] 所述基站定位模块利用基站对无人机进行定位，作为GI^S定位的补充，特别是在 无GI^S信号或GI^S信号较弱区域飞行时提供定位信息，其定位精度与基站部署相关（目前 3G基站定位精度大致为50米左右）。
[0026] 所述信号检测模块检测当前位置移动通信信号的强弱，为无人机自主飞行控制和 通信传输提供通信链路状态信息。
[0027] 所述无人机机载设备中的移动通信模块实现接入移动通信网络W及接收与发送 测控与数据信息。
[002引所述无人机机载设备中的加解密模块实现对通信消息包进行加密（例如，采用 AES加密算法），确保通信信息的安全。
[0029] 所述无人机机载设备中的编解码模块对所传输数据进行编码/解码（例如，视频 压缩与解压算法）。
[0030] 所述移动通信网络实现无人机与地面控制站设备设备的指令、状态、图像与视频 信息的交互。
[0031] 所述地面控制站设备设备实现有效的对无人机进行遥控遥测，并保存相关信息的 功能。
[0032] 所述地面控制站设备设备的移动通信模块实现接入移动通信网络W及接收与发 送测控与数据信息。
[0033] 所述地面控制站设备设备的加解密模块实现对