一种无人机数据链基于距离信息的下行功率控制方法及系统与流程

本发明涉及无人机功率控制领域，具体涉及一种无人机数据链基于距离信息的下行功率控制方法及系统。
背景技术：
：近年来，无人机广泛用于科学研究、环境监测、搜索营救等领域。无人机数据链起着控制无人机飞行以及传输遥测数据的重要作用，但易受环境影响，无人机数据链所处电磁、地理自然环境复杂，信道具有时变特性，因此，需要能够灵活适应复杂环境的抗干扰方法来保证通信链路质量，功率控制是其关键技术之一。在数据链通信系统中，为增强全网的低截获率特性和低干扰率特性，通常需要在增加网络吞吐量和减小节点功率消耗之间取得最优策略。而近年来为顺应各种应用需求，无人机朝着小型化、低功耗的趋势发展，大部分轻型无人机都采用电池供电，这就给机载通信设备的功耗提出了严苛的要求。为不减少无人机的作业时间，必须采用高效的功率控制算法，在保障长距离可靠通信的同时，尽量降低机载通信设备的功耗。无人机数据链通信中，常见的机载通信设备功率控制算法分为开环和闭环两种。开环控制算法较为简单，上电后机载设备一直发射某一较大的固定功率，但是该算法的缺点是随着无人机和地面站之间距离的变化，地面通信设备的接收功率也会随之变化，因而会频繁进行agc调整，以保证后级接收电平恒定，这给agc算法的设计增加了较大的难度。同时，地面通信设备的接收灵敏度是恒定的，为保证远距离条件下地面站仍然能正常接收信号，机载通信设备必须发射较大的功率，如此一来就大大增加了功耗，缩短了无人机的作业半径和作业时间。因此，针对电池供电无人机的应用场景，常常采用闭环功率控制算法。闭环控制算法又分为合作功率控制和非合作功率控制两种。非合作功率控制方法是指数据链收发设备间不进行功率控制信息交互，仅利用数据链间位置关系或数据链信号固有特征，借助智能算法，对发射功率进行控制的方法，该方法不需信息交互，消耗资源较少，实现算法简单，但由于没有反馈机制，其功率控制精度较低，因此在实际应用中常采用合作功率控制方法。根据上述
背景技术：
，本发明存在的技术问题为：(1)在传统的合作功率控制方法中，无人机和地面站之间的信息交互频繁，又因为无人机数据链所处电磁、地理自然环境复杂，信道具有时变特性，远距离信号传输可能会出现丢帧和误码；(2)无人机和地面站之间多种信息的频繁交互，进一步增加了系统的复杂度，同时给无人机发射设备的功率调整也带来了较大的困难；(3)若无人机发射功率过大，则电池消耗过大，续航能力差，若无人机发射功率过小，则不能满足地面站接收设备的灵敏度，导致无人机失控。技术实现要素：本发明提供一种无人机数据链基于距离信息的下行功率控制方法及系统，旨在解决上述
背景技术：
中所记载的技术问题。为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：本发明提供一种无人机数据链基于距离信息的下行功率控制方法，包括：s1：测量地面站与无人机之间的距离，得到第一距离信息；s2：将所述第一距离信息进行优化处理，得到第二距离信息，将所述第二距离信息封装并发送至无人机；s3：无人机解析所述封装后的第二距离信息，并通过查找地面站与无人机的距离与发射功率的映射表获取无人机在此距离的下行发射功率。进一步的，所述s1具体为：s11：获取地面站与无人机之间的收发信号时延；s12：将所述收发信号时延与速度通过式(1)所示的数学关系进行计算，得到无人机到地面站的距离，进而得到第一距离信息；(1)r＝c*(τr/2)，式中，c为光速，约等于电磁波在空气中的传播速度，r为无人机到地面站的单程距离，τr为收发信号时延。进一步的，所述s2具体为：s21：将所述第二距离信息与附属信息共同封装，得到上行数据；s22：周期性的通过上行测控链路将所述上行数据发送至无人机。进一步的，所述附属信息包括载波频率、物理带宽、滚降因子、调制方式和码率。进一步的，所述s21具体为：s211：依据伪码测距的误差和功率调整速度，将最近16次的第一距离信息进行累加平均，得到第二距离信息；s212：将累加平均后的第二距离信息与所述附属信息进行封装，得到上行数据。进一步的，所述s3具体为：s31：无人机解析所述封装后的第二距离信息；s32：并通过查找无人机与地面站的距离与发射功率的映射表获取无人机在此距离的下行发射功率；所述发射的功率包括额定发射功率和补偿发射功率，根据所述无人机与地面站的距离将无人机的飞行区域分为第一区域和第二区域。进一步的，所述s32具体为：若无人机处于第一区域内，则无人机向地面站发射的功率为额定功率；若无人机处于第二区域时，无人机向地面站发射的功率为额定功率与补偿发射功率的叠加。进一步的，所述补偿发射功率，随着第一区域的边缘到无人机的距离的增大而增大，具体对应关系如公式(2)所示：(2)pc(db)＝20*logd，式中pc(db)为补偿的发射功率，d为第一区域的边缘到无人机的距离。进一步的，所述映射表的获得方法为：l1:所述补偿发射功率渐增，通过增加发射功率，由公式(2)计算可得第一区域的边缘到无人机的距离d；l2:所述补偿发射功率与额定发射功率的叠加作为无人机的发射功率，所述第一区域的边缘到无人机的距离d与第一区域的半径的叠加为无人机到地面站的距离；l3:重复步骤l1与l2，获得无人机到地面站的距离与无人机对应发射功率的映射表。一种无人机数据链基于距离信息的下行功率控制系统，包括：距离测量模块，用于测量地面站与无人机之间的距离，得到第一距离信息；信息传输模块，用于将所述第一距离信息进行优化处理，得到第二距离信息，将第二距离信息封装并发送至无人机；映射控制模块，无人机解析所述第二距离信息，并通过查找距离与发射功率的映射表获取无人机在此距离的下行发射功率。有益效果：本发明创造性的提出了一种基于距离信息的分段闭环功率控制算法，地面站通过主动测距，获取其与无人机之间的距离，并将该距离信息进行优化处理通过上行测控链路发送至无人机，无人机解析出该信息后，通过查找表获取当前的下行发射功率，并进行自动调节。与现有技术相比，本发明的优势在于：(1)本发明采用分段控制思想，近端克服了阴影衰落和多径衰落的影响，远端提高了机载设备电池的能效，同时解决了远距离信号传输可能会出现丢帧和误码。(2)本发明所采用的技术方案，一方面降低了地面站接收agc的调整频度和动态范围，增加了信息传输的可靠性；另一方面本发明采用的技术方案只依赖于距离信息，不易受信道特性影响，控制环路稳定，且距离信息经过平滑滤波处理，进一步提升了功率控制的准确度。(3)本发明采用基于距离信息的分段闭环功率控制算法，机载通信设备的发射功率随着距离的远近自动调节，提高了电池的利用效率，延长了无人机的飞行时间，大大提升了用户体验。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1是无人机数据链基于距离信息的下行功率控制方法的流程框图；图2是无人机数据链基于距离信息的下行功率控制系统的流程框图；图3是无人机发射功率控制方案图。具体实施方式为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。如图1所示，本发明提供一种无人机数据链基于距离信息的下行功率控制方法，所述方法包括：s100:测量地面站与无人机之间的距离；在无人机测控系统中，采用伪码测距原理。测距过程是将测距伪码调制在连续载波上，地面站向无人机发射这个调制载波信号，经无人机上的接收机锁定测距信号后，将同样的测距信号转发返回地面，地面系统通过比较接收测距信号与发射测距信号的传播时延即求得距离。无人机与地面站之间的距离可用如下公式表示：r＝c*(τr/2)，式中，c为光速，与电磁波在空气中的传播速度近似，r为无人机到地面站的单程距离，即为第一距离信息，τr为收发信号时延。s200：依据伪码测距的误差和功率调整速度，将最近16次第一距离信息进行累加平均，得到第二距离信息，将第二距离信息与载波频率、物理带宽、滚降因子、调制方式、码率封装后，通过上行测控链路发送至无人机。伪码测距体制主要利用了伪码的自相关特性，伪码在相位对齐的情况下比未对齐时的相关峰值高很多。利用三角形相关峰的线性斜边，在一个码元宽度内相关值与时间成线性关系，可构成伪码跟踪环的时间鉴别器，形成超前延迟锁定负反馈，故可以通过伪码相关峰值的负反馈让本地码跟踪锁定接收码的相位。通过测量发射伪码相位相关峰和接收伪码相位相关峰的时差，即可测量目标的距离。s300:无人机解析所述第二距离信息，并通过查找距离与发射功率的映射表获取无人机在此距离的下行发射功率；其中无人机与地面站的距离与发射功率的映射表的获得方式如下：根据无人机的飞行半径，将无人机的飞行的区域分为第一区域和第二区域，所述第一区域为：飞行的无人机发射额定功率时飞行的最远距离，以最远距离为半径的圆，即为第一区域；所述第二区域为：所述第二区域为第一区域范围以外的空间。当无人机在飞行过程中，无人机与地面站之间始终存在一个明确的、未被阻塞的直射路径，为简化空地无线链路传输模型，可忽略阴影衰落和多径衰落的影响，用信号的自由空间传播模型近似预测接收信号的强度，因此为抵消路径造成的功率损失，需要对发射功率进行相应补偿，补偿的功率即为：pc(db)＝20*logd，式中pc(db)为补偿的发射功率，d为第一区域的边缘到无人机的距离。在实际应用中，受限于电池容量和整机重量，通常小型化无人机的飞行半径不会太大，不妨假定为11km，同时假定机载通信设备的最大输出功率为30dbm(1w)，最小输出功率为0dbm。因此，结合本文功率控制的设计思路，设定相对距离为11km时发射最大功率30dbm。同时考虑到无人机在近端视线范围内阴影衰落和多径衰落较为明显，需要适当加大功率，因此设计无人机与地面站的距离为0～1km时发射功率固定为10dbm(远小于最大功率，对功耗几乎没有影响)，发射功率步进为1db可调。举例来说，当无人机与地面站之间的距离从1km开始增加后，某一时刻无人机的发射功率相应的从10dbm增加至11dbm，此时功率增大了1db。根据前文补偿功率计算公式pc(db)＝20*logd，可计算得d为1.12km，即当无人机飞行至距离地面站2.12km时，若无人机增大1db的发射功率，可保持地面站的接收灵敏度不变，从而保证了地面站的接收性能；反之，若无人机与地面站的距离越来越近，则无人机的发射功率会越来越小，在不损失地面站接收灵敏度的条件下，节省能量并提升了续航时间。根据所述计算方式，通过多次计算可得无人机与地面站的距离与无人机发射功率的映射关系表，如表1所示，其中相对距离为无人机到地面站的距离，发射功率为无人机的发射功率。相对距离(km)发射功率(dbm)相对距离(km)发射功率(dbm)0～1104.16～4.55211～2.12114.55～4.98222.12～2.26124.98～5.47232.26～2.41135.47～6.01242.41～2.58146.01～6.62252.58～2.78156.62～7.31262.78～3.00167.31～8.08273.00～3.24178.08～8.94283.24～3.51188.94～9.91293.51～3.82199.91～11303.82～4.1620表1具体的，系统的功率控制工作流程如下：地面站和无人机机载通信设备分别上电后，无人机固定发射10dbm功率，并与地面通信设备建立连接。建立起连接后，地面站通过主动测距获取到与无人机的第一距离信息，并将第一距离信息经加权平均处理，得到第二距离信息，将第二距离信息封装在上行链路的数据帧中。无人机对上行数据帧进行实时解析，当解析出第二距离信息后，根据上述查找表的映射关系，确定当前的发射功率，由于初始时刻无人机距离地面站较近，发射功率不会发生变化。随着无人机飞远，其与地面站的距离逐渐增大，当超过1km后，无人机开始按照查找表对发射功率进行调整。考虑到测距精度和测距误差，机载通信设备实时对解析出的第二距离信息经过平滑滤波处理，以消除误差，准确的距离参数有利于后级进行精准的功率控制。综合考虑地面接收agc的闭环响应时间和信道的多径特性，调整频度不宜过快，设定每3秒调节一次，当无人机飞行距离落在9.91～11km区间时，其发射功率调节至最大输出功率30dbm，同时地面站需要适当减小无人机的飞行半径，防止机载通信设备的接收电平过小，超过接收灵敏度，导致无人机失控。当无人机返航时，功率控制算法与之类似，最终通过对无人机发射功率的精准控制，达到节能续航的效果。一种无人机数据链基于距离信息的下行功率控制系统，包括：距离测量模块，用于测量地面站与无人机之间的距离，得到第一距离信息；信息传输模块，用于将所述第一距离信息进行优化处理，得到第二距离信息，将第二距离信息封装并发送至无人机；映射控制模块，无人机解析所述第二距离信息，并通过查找距离与发射功率的映射表获取无人机在此距离的下行发射功率。由于无人机数据链基于距离信息的下行功率控制系统的工作方式已经在上述无人机数据链基于距离信息的下行功率控制方法中详述，在此不做赘述。本实施例提供一种无人机数据链基于距离信息的下行功率控制方法及系统，本实施例中的技术方案采用分段控制思想，近端克服了阴影衰落和多径衰落的影响，远端提高了机载设备电池的能效；且一方面降低了地面站接收agc的调整频度和动态范围，增加了信息传输的可靠性；另一方面本发明采用的技术方案只依赖于距离信息，不易受信道特性影响，控制环路稳定，距离信息经过平滑滤波处理，进一步提升了功率控制的准确度；更重要的是，机载通信设备的发射功率随着距离的远近自动调节，提高了电池的利用效率，延长了无人机的飞行时间，大大提升了用户体验。至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或可选择的步骤。当前第1页12