無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)-手冊(cè)

1、1 .概論：無人機(jī)，即無人駕駛的飛機(jī)。是指在飛機(jī)上沒有駕駛員，只是由程序 控制自動(dòng)飛行或者由人在地面或母機(jī)上進(jìn)行遙控的飛機(jī)。它裝有自動(dòng)駕駛 儀、程序控制系統(tǒng)、遙控與遙測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)著陸系統(tǒng)等， 通過這些系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離飛行并得以控制。無人機(jī)與有人駕駛的飛機(jī) 相比而言，重量輕、體積小、造價(jià)低、隱蔽性好，特別宜于執(zhí)行危險(xiǎn)性大 的任務(wù)，因此被廣泛應(yīng)用。二、無人機(jī)的特點(diǎn)及技術(shù)要求無人機(jī)沒有飛行員，其飛行任務(wù)的完成是由無人飛行器、地面控制站 和發(fā)射器組成的無人機(jī)系統(tǒng)在地面指揮小組的控制一下實(shí)現(xiàn)的。據(jù)此，無 人機(jī)具有以下特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。沒有常規(guī)駕駛艙，無人機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸比有人駕駛飛機(jī)小 得

2、多。有一種無尾無人機(jī)在結(jié)構(gòu)上比常規(guī)飛機(jī)縮小40%以上。重量減輕,體積變小，有利于提高飛行性能和降低研制難度。(2)安全性強(qiáng)。無人機(jī)在操縱人員培訓(xùn)和執(zhí)行任務(wù)時(shí)對(duì)人員具有高度 的安全性，保護(hù)有生力量和稀缺的人力資源?？梢杂脕韴?zhí)行危險(xiǎn)性大的任 務(wù)。(3)性能提高。無人機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)不用考慮飛行員的因素。許多受到人 生理和心理所限的技術(shù)都可在無人機(jī)上使用，從而突破了有人在機(jī)的危險(xiǎn)， 保證了飛行的安全性。(4) 一機(jī)多用，稍作改進(jìn)后發(fā)展為輕型近距離對(duì)地攻擊機(jī)(5)采用成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)和主要機(jī)載設(shè)備，以減少研制風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)費(fèi)投入, 加快研制進(jìn)度。聯(lián)合研制以減小投資風(fēng)險(xiǎn)、解決經(jīng)費(fèi)不足有利于擴(kuò)大出口 及揚(yáng)長(zhǎng)技術(shù)與設(shè)備優(yōu)勢(shì)

3、。(6)研制綜合訓(xùn)練系統(tǒng)。技術(shù)要求有：(1)信息技術(shù)包括信息的收集和融合，信息的評(píng)估和表達(dá)，防御性的 信息戰(zhàn)、自動(dòng)目標(biāo)確定和識(shí)別等；(2)設(shè)備組成包括低成本結(jié)構(gòu)、小型化及模塊化電子設(shè)備、低可見性 天線、小型精確武器、可儲(chǔ)存的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)及電動(dòng)作動(dòng)器等；(3)性能實(shí)現(xiàn)包括先進(jìn)的低可見性和維護(hù)性技術(shù)、任務(wù)管理和規(guī)劃、 組合模擬和訓(xùn)練環(huán)境等。三、無人機(jī)系統(tǒng)按照功能劃分，主要包括四部分 ：(1)飛行器系統(tǒng)包括空中和地面兩大部分?？罩胁糠职ǎ簾o人機(jī)、機(jī)載電子設(shè)備和 輔助設(shè)備等，主要完成飛行任務(wù)。地面部分包括：飛行器定位系統(tǒng)、飛行 器控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及發(fā)射回收系統(tǒng)，主要完成對(duì)飛行器的遙控、遙 測(cè)和導(dǎo)

4、航任務(wù)，空中與地面系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈路建立起緊密聯(lián)系。(2)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括：遙控、遙測(cè)、跟蹤測(cè)量設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)中繼設(shè)備等 用以指揮操縱飛機(jī)飛行，并將飛機(jī)的狀態(tài)參數(shù)及偵察信息數(shù)據(jù)傳到控制站。(3)任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)包括：為完成各種任務(wù)而需要在飛機(jī)上裝載的任務(wù)設(shè)備。（4）后勤保障系統(tǒng)如檢測(cè)設(shè)備，維修設(shè)備，運(yùn)輸設(shè)備，后勤設(shè)備等。2無人機(jī)的飛行控制與測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳輸無人機(jī)的測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳輸均采用無線通信方式將遙控信息由地面站發(fā)送 至無人機(jī)稱為無線遙控（上行通道）。無人機(jī)將飛行中的各種狀態(tài)信息發(fā) 給地面站稱為無線遙測(cè)（下行通道）。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心問題主要 是單/雙無線通道的選擇、電臺(tái)的選擇、天線的選擇和安

5、裝姿態(tài)。3.1 雙無線通道與單無線通道的比較遙控遙測(cè)獨(dú)立分別采用各自的電臺(tái)、天線、無線頻點(diǎn)稱之為雙無線通 道的測(cè)控系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)是時(shí)序獨(dú)立互相之間沒有影響但存在一些嚴(yán)重問題： 上行、下行分別采用無線通道于是地面和機(jī)上就都有了二套電臺(tái)、天線、 頻率地面系統(tǒng)雖然增加了操作的工作量但并無大礙。而機(jī)上系統(tǒng)設(shè)備增加 使系統(tǒng)復(fù)雜、重量加大卻是一個(gè)嚴(yán)重的問題。無人機(jī)的重量增加是影響起 飛、空速、續(xù)航時(shí)間的一個(gè)重要原因。系統(tǒng)復(fù)雜又必然造成可靠性降低。 在靶機(jī)上要放置二根天線一般只能垂直尾翼上放一根在水平副翼上放一根 這樣這兩個(gè)天線極化方向是不同的而地面站架設(shè)的天線則是二根天線全是 垂直放置必然造成其中一路通信效果

6、變差。結(jié)果總是出現(xiàn)一路通信距離近 的問題.遙控遙測(cè)共用同一套電臺(tái)、天線、無線頻點(diǎn)采用時(shí)分工作方式稱為單 無線通道的測(cè)控系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了機(jī)上設(shè)備的數(shù)量和線路的復(fù)雜性 降低了無人機(jī)整機(jī)重量同時(shí)機(jī)上天線與地面天線極化方向相同大大提高了 通信距離。但這種測(cè)控系統(tǒng)對(duì)電臺(tái)的可靠性要求更高。本文工作開始前無 人機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)主要采用雙無線通道的方式設(shè)備復(fù)雜遙控遙測(cè)距離近的問 題一定存在。3.2 無人機(jī)飛行的無線通道無人機(jī)的無線通道分為無線遙控（上行）通道和無線遙測(cè)（下行）通道。無線遙控（上行）通道完成遙控指令、參數(shù)信息等數(shù)據(jù)的傳輸。指令：地面站發(fā)給電臺(tái)經(jīng)地面天線發(fā)射機(jī)上天線接收后電臺(tái)將指令發(fā) 給飛行控制

7、系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)接收到指令后交給遙測(cè)系統(tǒng)已接收指令該指 令執(zhí)行后又將交給遙測(cè)系統(tǒng)已執(zhí)行指令。參數(shù)（原點(diǎn)、飛行參數(shù)、航路信息）：地面站發(fā)給電臺(tái)經(jīng)地面天線發(fā) 射機(jī)上天線接收后電臺(tái)將參數(shù)發(fā)給飛行控制系統(tǒng)飛行控制系統(tǒng)接收到參數(shù) 后存入掉電保持的存儲(chǔ)器然后再從存儲(chǔ)器中讀出參數(shù)交遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)回地面。 供地面站校驗(yàn)。無線遙測(cè)（下行）通道完成無人機(jī)飛行過程中各狀態(tài)參數(shù)的收集并發(fā) 送給地面站。在調(diào)參時(shí)也負(fù)責(zé)回傳參數(shù)信息。3.3 無人機(jī)飛行控制器飛行控制器是負(fù)責(zé)飛行控制系統(tǒng)信號(hào)的采集、控制律的解算、飛機(jī)的 姿態(tài)和速度以及與地面設(shè)備的通訊等工作。飛行控制器控制設(shè)備由傳感器 操作面板數(shù)據(jù)及算術(shù)處理設(shè)備和電源組成通信控制

8、設(shè)備由編碼器/解碼器控制通信控制盒和自動(dòng)跟蹤控制器組成。無人機(jī)數(shù)據(jù)采集及測(cè)控系統(tǒng)集成了模擬、數(shù)字、通訊總線、時(shí)間碼等無人機(jī)上通用的各種航電信號(hào)采集和 測(cè)試功能。無人駕駛儀的控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試主要完成包括對(duì)控制系統(tǒng)的各 個(gè)硬件（傳感器、敏感元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）、自動(dòng)駕駛儀以及中間裝置的 參數(shù)特性、動(dòng)態(tài)過程監(jiān)測(cè)以及控制系統(tǒng)的航空專用總線。飛控器是以單片 機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)其功能是實(shí)現(xiàn)由輸入信息的含義決策輸出信息 的過程簡(jiǎn)單地說是信息處理過程其輸入信息主要是指遙控接收送來的指令 信息當(dāng)然也含故障應(yīng)急處理信息。根據(jù)輸入信息來決策輸出控制及遙測(cè)顯 示信息。因此其功能主要有：1）保持飛機(jī)按給定的高度穩(wěn)定

9、飛行2）保持飛機(jī)按預(yù)定的航線穩(wěn)定飛行3）控制飛機(jī)按給定的航向角飛行4）控制飛機(jī)按給定的姿態(tài)角機(jī)動(dòng)飛行5）控制飛機(jī)按預(yù)定程序自主飛行6）隨著高度和速度的變化自動(dòng)改變控制系統(tǒng)7）采集飛行狀態(tài)參數(shù)送至遙測(cè)發(fā)射系統(tǒng)8）進(jìn)行故障應(yīng)急處理9）完成飛機(jī)開關(guān)指令功能對(duì)任務(wù)設(shè)備的控制其中1）5）、9）條是飛控器根據(jù)地面遙控指令切換不同控制模態(tài) 來實(shí)現(xiàn)第6）、7）、8）條由飛控器自行完成。飛行控制器采用了三種控 制方式、四個(gè)反饋回路、五種控制模態(tài)來完成控制。（一）控制方式三種控制方式是：無線電指令控制下的自動(dòng)模態(tài)飛行方式、無線電遙控靜默下的全自主飛行控制方式以及程控飛行方式。（二）反饋回路四個(gè)反饋回路：a.以TC

10、-3D垂直陀螺儀構(gòu)成的反饋回路構(gòu)成飛行姿態(tài)穩(wěn)定與控制的內(nèi)回路。這是飛行控制系統(tǒng)的核心控制回路。靶機(jī)的轉(zhuǎn)彎、爬升、下滑飛行是由內(nèi)回路給定相應(yīng)參考姿態(tài)角來實(shí)現(xiàn)的。b.以磁航向傳感器信號(hào)作為反饋信號(hào)送到無人機(jī)的橫向控制通道上構(gòu)成飛行航向控制的外 回路。c.以氣壓高度傳感器的輸出信號(hào)作為反饋信號(hào)送到無人機(jī)的縱向控制 通道上構(gòu)成飛行航向控制的外回路。d.以氣壓高度傳感器的輸出信號(hào)作為反 饋信號(hào)送到無人機(jī)的縱向控制通道上構(gòu)成飛行高度的外回路。d.以GPS接收機(jī)接收到的靶機(jī)位置和飛行速度信息通過信息融合后反饋遙控接收飛控 器舵機(jī)舵面，啟動(dòng)飛機(jī)姿態(tài)，遙測(cè)發(fā)射敏感元件重心為測(cè)量?jī)x遙控發(fā)射地 面操縱人、地面，遙測(cè)

11、接收機(jī)到橫向控制通道上進(jìn)一步提高航跡的控制精 度。在反饋回路中以阻尼、帶寬、靜差、容錯(cuò)性為要點(diǎn)進(jìn)行回路的反饋控 制參數(shù)設(shè)計(jì)以增強(qiáng)飛行控制系統(tǒng)全飛行包絡(luò)的控制魯棒性。（三）控制模態(tài)飛控系統(tǒng)采用了五種控制模態(tài)即：三軸穩(wěn)定控制模態(tài)、高度保持模態(tài)、航向保持模態(tài)、自動(dòng)導(dǎo)航模態(tài)、自動(dòng)歸航模態(tài)。模態(tài)之間的切換時(shí)機(jī)主要是由地面遙控人員通過指令來實(shí)現(xiàn)的而在飛行控制系統(tǒng)中則是通過調(diào)整控制參數(shù)、切換給定參考變量來實(shí)現(xiàn)。三軸穩(wěn)定模態(tài)即為垂直陀螺儀控制模 態(tài)飛機(jī)無論處于什么指令下飛控器接通垂直陀螺儀。高度保持模態(tài)：即飛控器接通“垂直陀螺儀+高度傳感器”的控制模態(tài)。當(dāng)飛機(jī)收到“縱平”指令后即接通高度傳感器當(dāng)飛機(jī)收到“爬升

12、”或“俯沖”指令時(shí)切斷高度傳感器。航向保持模態(tài)：即飛控器接通“垂直陀螺儀+高度傳感器+航向傳感 器”的控制模態(tài)。當(dāng)飛機(jī)收到“遠(yuǎn)航”或是“返航”指令后即接通航向傳 感器當(dāng)飛機(jī)收到“橫平”指令時(shí)切斷航向傳感器。自動(dòng)導(dǎo)航模態(tài)：當(dāng)飛機(jī)收到“程控”指令時(shí)飛行控制器將自動(dòng)引導(dǎo)飛機(jī)飛行在預(yù)設(shè)的航路上。用“橫平”指令解除“程控”。歸航模態(tài)：即飛控器接通“垂直陀螺+高度傳感器+航向傳感器+ GPS” 控制模態(tài)。當(dāng)飛機(jī)接收到“歸航”指令或是飛機(jī)在 30秒內(nèi)沒有接收到地面 的遙控信號(hào)（包括空指令信號(hào)）時(shí)飛控器轉(zhuǎn)入歸航模態(tài)飛控器從內(nèi)存中調(diào) 出起飛點(diǎn)的坐標(biāo)不斷進(jìn)行比較引導(dǎo)飛機(jī)朝起飛點(diǎn)上空飛行到達(dá)起飛點(diǎn)后盤 旋3分鐘然后

13、自動(dòng)開傘回收。在此過程中隨時(shí)可以通過“橫平”指令來解 除“歸航”模態(tài)。1.1.1 機(jī)的數(shù)據(jù)鏈路1.1.2 述無人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈路用于在無人機(jī)飛行過程中，連接飛行，器平臺(tái)和地面操控指揮人員與設(shè)備的信息橋梁，基本功能，是傳遞地面遙控指令，采 油接收無人機(jī)的飛行，狀態(tài)信息和傳感器獲取的情報(bào)信息。無人機(jī)數(shù)據(jù)路 的概念如圖4-1所示。，人機(jī)機(jī)載 數(shù)傳設(shè)備圖4-1無人機(jī)數(shù)據(jù)路無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路在功能上包括一條用于地面控制站對(duì)飛行器及機(jī)上設(shè) 備控制的上行鏈路（也叫指揮鏈路）和一條用于接收無人機(jī)下行鏈路。上 行鏈路一般帶寬為10Kb/s-200Kb/s ,無論何時(shí)地面控制站請(qǐng)求發(fā)送命令， 上行鏈路必須保證隨時(shí)傳送。下

14、行鏈路提供兩個(gè)通道。一條是用于向地面 控制站傳遞當(dāng)前的飛行速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及機(jī)上設(shè)備狀態(tài)等信息的狀態(tài) 信道（也稱遙測(cè)信道），該信道需要較小的帶寬，類似于指揮鏈路。第二 條信道用于向地面控制站傳遞傳感器信息，它需要足夠的帶寬傳送大量的 傳感器信息，帶寬范圍為 300Kb/s-10Mb/s。一般下行鏈路都，是連續(xù)傳送的，但有時(shí)也會(huì)臨時(shí)啟動(dòng)以傳送機(jī)上暫存的等待發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路 也可用于測(cè)量地面天線相對(duì)于飛行器的距離和方位，這些信息可用于無人 機(jī)的導(dǎo)航，提高機(jī)載傳感器對(duì)目標(biāo)位置的測(cè)量精度。1.1.3 數(shù)據(jù)鏈路的結(jié)構(gòu)與原理無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路一般由機(jī)載部分和地面部分組成。數(shù)據(jù)鏈路的機(jī)載部 分包括機(jī)載數(shù)據(jù)

15、終端（ADT）和天線。機(jī)載數(shù)據(jù)終端RF接收機(jī)、發(fā)射機(jī)以 及用于連接接收機(jī)和發(fā)射機(jī)到系統(tǒng)其余部分的調(diào)制調(diào)解器。有些機(jī)載數(shù)據(jù)終端為了滿足帶寬的要求，還提供壓縮數(shù)據(jù)處理。天線采用全向天線，有時(shí)也采用具有增益的有向天線。數(shù)據(jù)鏈的地面部分包含地面數(shù)據(jù)終端（GDT）和一副，或幾副，天線。GDT包含RF接收機(jī)和發(fā)射機(jī)以及調(diào)制調(diào)解器。若傳感器信息在傳輸前經(jīng)過壓縮，那么地面數(shù)據(jù)終端還需采用處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。數(shù)據(jù)壓縮和重建可以分裝成幾個(gè)部分，一般包括一輛天線車（可以放在離無人機(jī)地面控制占有一定距離的地方）、一條連接地面天線和地面控制站的本地?cái)?shù)據(jù)連線，以及地面控制站中的若干處理器和接口。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路地面部分的

16、工作原理如圖 4-2所示。:+-調(diào)制！一 放大 一晶振測(cè)距分離位環(huán)*功放天線濾波 隔離鑒頻帶通）鑒頻4 帶通/混頻*低通±_本振去無人機(jī)本振天線混顏監(jiān)視器功分天線測(cè)向伺服誤差圖4-2無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路地面部分工作原理圖地面站發(fā)送的控制指令在信源編碼器中進(jìn)行指令編碼，然后將編碼完的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密運(yùn)算，加密完的數(shù)據(jù)同偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽碼進(jìn)行相加從 而完成擴(kuò)頻，擴(kuò)頻完的擴(kuò)頻信號(hào)對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制， 生成載波調(diào)制信號(hào), 然后將此信號(hào)送至功率放大器進(jìn)行功率放大，經(jīng)過功率放大的射頻信號(hào)經(jīng) 過饋線送到天線上，由天線發(fā)射出去。地面站在發(fā)射控制信息的同時(shí)，還 進(jìn)行遙測(cè)接收。機(jī)載下行信號(hào)通過天線和饋線送至高頻

17、放大器，經(jīng)放大后 的信號(hào)同本地振蕩器進(jìn)行混頻，混頻后得到的第一中頻信號(hào)分為兩路；一 路送給測(cè)向誤差產(chǎn)生與處理電路，出來的結(jié)果送至天線伺服系統(tǒng)進(jìn)行天線 跟蹤控制；另一路送至第二漫步器同本地振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行混頻，然 后再通過帶通濾波器進(jìn)行濾波，此時(shí)的中頻信號(hào)經(jīng)過鑒頻器鑒頻后分成兩 路，一路通過低通濾波器濾波產(chǎn)生視頻信號(hào)，將視頻信號(hào)送至監(jiān)視器進(jìn)行 視頻顯示，另一路經(jīng)過帶通濾波器濾波產(chǎn)生，然后經(jīng)過鑒頻和分離電路恢 復(fù)遙測(cè)基帶信號(hào)與偽碼數(shù)據(jù)流信號(hào)，遙測(cè)信號(hào)通過位環(huán)和幀環(huán)提取電路送 至測(cè)控制終端進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)處理，另一路送至測(cè)距電路，測(cè)距電路將此信 號(hào)同偽碼產(chǎn)生器偽隨機(jī)碼對(duì)比產(chǎn)生測(cè)距信號(hào)，最后將此測(cè)距信

18、號(hào)送至測(cè)控 終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路機(jī)載部分的工作原理如圖 4-3所示。機(jī)載飛行控制系 統(tǒng)通過串行數(shù)據(jù)口發(fā)出遙測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)流，同時(shí)接收遙控指令數(shù)據(jù)流。對(duì)于 遙控接收部分，從天線接收到的遙控信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)的放大、一次混頻， 由射頻信號(hào)變換為中頻信號(hào)，經(jīng)過二次混頻、放大，經(jīng)過濾波、整形，進(jìn) 行解擴(kuò)解調(diào)后，得到遙控基帶信號(hào)數(shù)據(jù)流。該數(shù)據(jù)流通過解密后直接送至 飛行控制計(jì)算機(jī)處理。對(duì)于遙測(cè)發(fā)射部分，來自飛行控制計(jì)算機(jī)或直接來 自機(jī)上設(shè)備的遙測(cè)數(shù)據(jù)，首先經(jīng)過遙測(cè)編碼，再經(jīng)過載波調(diào)制得數(shù)下行的 射頻信號(hào)，該射頻信號(hào)經(jīng)過功率放大器送至天線，最后由天線發(fā)射出去。圖4-3無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路機(jī)載部分工作原理1.1

19、.4 對(duì)數(shù)據(jù)鏈路的特別要求戰(zhàn)場(chǎng)上，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)會(huì)受到各種電磁威脅，如反輻射攻擊、電 子截獲和情報(bào)利用、欺騙反制、對(duì)數(shù)據(jù)鏈的無意干擾和蓄意干擾等。 因此, 從作戰(zhàn)需要來說，對(duì)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力有以下要求。(1)抗反輻射攻擊。降低上行鏈路的占空比是可供考慮的抗擊反輻射 武器的措施。理想的情況，是上行鏈路只有在必須向無人機(jī)發(fā)送指令時(shí)才 發(fā)送信號(hào)，這樣上行鏈路便，可以長(zhǎng)時(shí)間保持緘默。這是系統(tǒng)問題，因?yàn)?整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該使上行鏈路的使用最少；同時(shí)也是數(shù)據(jù)鏈問題，某些 數(shù)據(jù)鏈被設(shè)計(jì)成即使沒有任何指令要傳送也定時(shí)輻射信號(hào)。護(hù)反輻射武器 可以通過采用低截獲頻率、頻率捷變和擴(kuò)頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)

20、。(2)低截獲概率。由于地面站常常需要段較長(zhǎng)時(shí)間的靜止不動(dòng)以對(duì)飛 行中的飛行器進(jìn)行控制，這就使其一旦確定方位就會(huì)成為炮火和導(dǎo)彈容易擊中的目標(biāo)。所以，上行鏈路需要具有低截獲概率，而低截獲概率對(duì)下行 鏈路不是很重要。采用擴(kuò)頻、頻率捷變、功率管理和低占空比技術(shù)可獲得 低截獲概率。但受低成本的限制，低截獲概率不是數(shù)據(jù)鏈必須具備的性能。(3)抗欺騙反制。對(duì)方通過對(duì)上行鏈路的欺騙可獲得對(duì)飛機(jī)的控制權(quán)， 從而引導(dǎo)飛機(jī)墜毀、改變飛行方向或?qū)⑵浠厥?。這比干擾千萬的損失更加 嚴(yán)重，因?yàn)槠垓_可導(dǎo)致飛行器及機(jī)載設(shè)備的損失，而干擾一般只是影響其 完成任務(wù)的好壞。而且，假如能夠引導(dǎo)飛機(jī)墜毀，用一個(gè)簡(jiǎn)單的欺騙系統(tǒng) 便，可以

21、依次引導(dǎo)多架飛機(jī)。對(duì)上行鏈路欺騙的方式也很簡(jiǎn)單，只要讓無 人機(jī)能夠接收一條災(zāi)難性的指令即可。由于通用，地面站的使用，無人機(jī) 采用通用的數(shù)據(jù)和某些通用的指令碼，所以人對(duì)上行鏈路的保護(hù)要特別慎 重。由于操作員能夠識(shí)別欺騙數(shù)據(jù)，所以對(duì)下行鏈路的欺騙比較困難。采 用文電鑒別碼和某些抗干擾技術(shù)可獲得抗欺騙的性能，抗欺騙單元可以在 數(shù)據(jù)鏈路的外部實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)槲碾婅b別碼可由系統(tǒng)產(chǎn)生，由機(jī)上計(jì)算機(jī)， 校驗(yàn)。(4)抗干擾。數(shù)據(jù)鏈路在存在蓄意干擾的情況下保持正常工作的能力 稱為抗干擾能力，或叫抗干擾度?？垢蓴_度的大小用抗干擾系數(shù)來衡量， 抗干擾系數(shù)定義為無干擾時(shí)系統(tǒng)的實(shí)際信噪比與系統(tǒng)正常工作所需要的最 小信噪比

22、的比值，單位為dB,即R (dB) =10lg(R)(5.1)式中：R為信噪比下降倍數(shù)?？垢蓴_系數(shù)下降40dB的含義是：干擾必 須使接收機(jī)信噪比下降10000倍(10lg(10000)=40 )以上才能使系統(tǒng)工 作正常。1.1.5 抗干擾能力分析抗干擾能力一般通過抗干擾系數(shù)來表示出來。與數(shù)據(jù)鏈路抗干擾系數(shù) 相關(guān)的因素包括發(fā)射功率，天線增益和處理增益。增加發(fā)射功率是克服干擾的最佳途徑。當(dāng)數(shù)據(jù)鏈的功率大于干擾機(jī)的功率時(shí)，就能取得良好的抗干擾效果。一般在無人機(jī)的下行數(shù)據(jù)鏈路中使 用。天線增益的定義是：天線在某方向上產(chǎn)生的功率密度與理想電源同一方向上產(chǎn)生的功率密度的比值，單位為 dB。當(dāng)天線輻射的大小

23、隨角度而變 且在某一方向上達(dá)到最大值時(shí)，最大方向上的天線增益稱為峰值天線增益， 其值可用下面公式近似表示，即式中分別代表垂直和水平方向的半功率波瓣寬度。其中天線的波瓣寬度與天線的尺寸（和）成反比，與輻射信號(hào)的波長(zhǎng)（入）成正比。處理增益是通過將干擾能量擴(kuò)散到數(shù)據(jù)鏈信號(hào)帶寬之外來增強(qiáng)信號(hào)。在傳輸之前按某種帶寬的方式對(duì)數(shù)據(jù)鏈要傳送的信息進(jìn)行編碼，在接收端通過編碼來恢復(fù)信號(hào)，這樣處理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的增強(qiáng)。由于干擾機(jī)無法 采用與數(shù)據(jù)鏈相同的編碼，因此它必須對(duì)經(jīng)過人工擴(kuò)展后的傳輸信號(hào)帶寬 進(jìn)行干擾和覆蓋。處理增益主要包括兩種形式：一種是直擴(kuò)通信，即對(duì)原 信號(hào)加偽碼調(diào)制愉增大傳輸帶寬，降低每單位頻率間隔內(nèi)的

24、功率，這樣為 了達(dá)到干擾效果，干擾機(jī)的干擾頻率必須達(dá)到整個(gè)傳輸帶寬；另一種是跳 頻通信，即載波頻率按照偽隨機(jī)序列跳變。如果干擾機(jī)不知道跳頻方案， 不能按跳頻方案實(shí)時(shí)工作，它就必須干擾跳頻工作的整個(gè)頻段?？垢蓴_系數(shù)的數(shù)學(xué)定義為抗干擾系數(shù)（dB）=處理增益（dB） +衰減系數(shù)（dB）衰減系數(shù)是指系統(tǒng)正常工作可用的信噪比與所要求的信噪比的比值。經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)鏈路具有一定的衰減系數(shù)，干擾機(jī)只有克服這個(gè)系數(shù) 才能降低通信系統(tǒng)的工作效能。但是，在有效的干擾噪聲進(jìn)入通信系統(tǒng)之 前，有效干擾噪聲會(huì)被處理增益抑制，然后才在通信系統(tǒng)中出現(xiàn)。天線增 益通過提升信號(hào)對(duì)衰減系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。天線增益增加多少 dB,衰減

25、系數(shù)和 抗干擾系數(shù)就增加多少dB.4.4仿真框圖經(jīng)過調(diào)制后，調(diào)制信號(hào)就可以在信道上傳輸。但是在實(shí)際的信道中傳 輸時(shí)，會(huì)疊加很多噪聲，因此，程序模擬在實(shí)際信道上傳輸，產(chǎn)生噪聲， 疊加到已調(diào)信號(hào)上。在接收端，通過相干解調(diào)的方法，把接收到的疊加有噪聲的信號(hào)進(jìn)行 解調(diào)，但是解調(diào)后的信號(hào)還不是最先發(fā)送的二進(jìn)制比特流，需要對(duì)解調(diào)得 到的信號(hào)進(jìn)行抽樣判決，才能得到發(fā)送的二進(jìn)制比特流，即發(fā)送信號(hào)。軟件的仿真流程圖如7所示圖7基于MATLAB的BPSK調(diào)制解調(diào)仿真框圖4.41 基于MATLAB 的仿真結(jié)果圖EileWew Jns ert Xool s leskt op 上1口孔卅 Help口/口昌n默e門巨)瞿

26、口目國(guó)因.經(jīng)高斯管道解調(diào)府第一路信號(hào)的波形2 IIVr IIIII° uiTLnriruiJLJLJULroirL01000 2000 3000 4000 5000 60CO 加其 8000 9000 10000經(jīng)高斯信道解調(diào)后第二路信號(hào)的波形，2i1j11fF11jwirL1LJ U U U_1L.mj-LTUU：111000 2000 3000 4000 5000 GM。 7000 8000 9000 10000、經(jīng)高斯借道解說后第三路僭號(hào)的波形21° iJLLrLnjLJir"!1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 6000

27、9000 10000Lilt Edit ¥i* Lnitrt Io «li lack top lindm M«Lp口 . sa聾i b畫瓦杷黝盤口囪！口 ： 經(jīng)瑞利信道斛餉后第一路信號(hào)的波形2 AQprLnr_LnrLTLJLRiLnnnrL% 1m 2Q0Q 3QM 4g0 5QOO 60,嬴 M0口WOOO|,經(jīng)瑞利信道解調(diào)后第二路信號(hào)的波形2I1iJjWLTlJ_L-Tinnj_LRTUULJ：一2.Q not) 2000 3000 4000 5Q00 6000 7000 6000 9000 W00Q,經(jīng)瑞利信道解調(diào)措第三路信號(hào)的波彤QurinLn_rnnr

28、mi，21L1J1 L1L1-0 1000 2000 3000 4000 5000 C000 7000 8000 9QQQ W0Q05.無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)5.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)概述無人飛行器采用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)可以達(dá)到非常理想的效果。所謂的鏈路就 是指連接兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的一段物理線路而中間沒有任何其他的交換節(jié)點(diǎn)。 數(shù)據(jù)鏈路則是另外一個(gè)概念當(dāng)需要在一條線路上傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí)除了必須 有一條物理線路外還必須有一些必要的通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。 如果把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的軟件和硬件加到鏈路上就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路無人機(jī)數(shù) 據(jù)鏈路系統(tǒng)是連接飛機(jī)和地面控制站的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)中的 傳感器平臺(tái)、控制平臺(tái)、任務(wù)平

29、臺(tái)和監(jiān)測(cè)平臺(tái)之間各種數(shù)據(jù)信息的處理與 傳輸通過數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)各平臺(tái)之間形成數(shù)據(jù)連接關(guān)系。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)中發(fā)揮著極其重要的作用。在國(guó)外， 無人機(jī)采用數(shù)據(jù)鏈技術(shù)對(duì)偵察信息的處理及傳輸是采用無線電中繼方式所 無法比擬的。5.2 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的基本組成5.2.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的基本組成圖5-1無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈簡(jiǎn)化模型圖5-1為無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的簡(jiǎn)化模型。首先，基帶信號(hào)（遙測(cè)、遙控、 圖像)在基帶信號(hào)處理部分進(jìn)行處理，然后送至發(fā)射機(jī)，由發(fā)射機(jī)變成射 頻信號(hào)交給天線，由天線發(fā)送給信道。在接收端，天線將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)變成 射頻信號(hào)送給接收機(jī)，接收機(jī)將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成基帶信號(hào)并送給基帶信號(hào) 處理部分，在這里

30、進(jìn)行處理。通常，無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)由兩部分設(shè)備組成：一部分裝在無人機(jī)上， 稱為機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)；另一部分裝在控制站上，稱為地面控制站系統(tǒng)。(1)機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括RF接收機(jī)、發(fā)射機(jī)以及用于連接接收機(jī)和發(fā)射機(jī)到系統(tǒng)其余部分 的調(diào)制解調(diào)器。有些機(jī)載數(shù)據(jù)終端為了滿足下行鏈路的帶寬限制，還提供 了用于壓縮數(shù)據(jù)的處理器。天線采用全向天線，有時(shí)也用具有增益的有向 天線。機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的任務(wù)是發(fā)送遙測(cè)信號(hào)和接收遙控信號(hào)。對(duì)于遙控接 收部分，從天線接收到的遙控信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)的放大、混頻、濾波、解擴(kuò) 解調(diào)、解密后送至飛行控制計(jì)算機(jī)處理。對(duì)于遙測(cè)發(fā)射部分，飛行控制計(jì) 算機(jī)發(fā)出的遙測(cè)指令數(shù)據(jù)流與 NP碼合成遙測(cè)基帶信號(hào)

31、，該信號(hào)經(jīng)過副載 波調(diào)制后與圖像信號(hào)相加，送至 FM調(diào)制器調(diào)制得到射頻信號(hào)，射頻信號(hào) 經(jīng)過功率放大器送至天線，最后由天線發(fā)射出去。(2)數(shù)據(jù)鏈的地面部分也稱地面數(shù)據(jù)終端，包括一副或幾副天線。RF接收機(jī)和發(fā)射機(jī)以及調(diào) 制解調(diào)器。地面數(shù)據(jù)終端可以分裝成幾個(gè)部分，一般包括：一輛天線車， 一條連接地面天線和地面控制站的本地連接線，以及地面控制站中的若干處理器和連接線。地面數(shù)據(jù)終端的任務(wù)是發(fā)送遙控信號(hào)和接收遙測(cè)信號(hào)。 操縱器產(chǎn)生的飛行控制指令與上傳指令在信源編碼器中進(jìn)行指令編碼，然 后完成加密運(yùn)算，加密完的數(shù)據(jù)同偽碼相加從而完成擴(kuò)頻，擴(kuò)頻完的信號(hào) 對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，生成載波調(diào)制信號(hào)，然后將此信號(hào)送至功

32、率放大器 放大，最后送至天線，由天線發(fā)射出去。5.2.2 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈特征在無人機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)瞧渥顝?fù)雜。最關(guān)鍵的部分，在一定程度上 決定著系統(tǒng)的規(guī)模和水平。無人機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)鏈的基本要求是：(1)通用性和互通性。數(shù)據(jù)鏈信息傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)化的信息格式包括幀 格式、接口標(biāo)準(zhǔn)和傳輸速率等對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行規(guī)范化 處理后通過統(tǒng)一的信道傳輸，能滿足不同傳感器、不同信息內(nèi)容和形式， 完成與情報(bào)處理及C3I系統(tǒng)的互連互通。信息傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)化的信息格式， 包括傳輸速率、幀格式、接口界面、測(cè)距信息格式和導(dǎo)航定位信息等；對(duì) 不同的控制信息、遙測(cè)信息、導(dǎo)航信息和傳感信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范處理后， 通過統(tǒng)一信

33、道傳輸。這樣不僅提高了信息傳輸?shù)男释瑫r(shí)也提高了數(shù)據(jù)鏈 系統(tǒng)的互操作性(2)數(shù)據(jù)鏈的抗干擾、抗截獲和保密性、安全性。傳輸數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o人 機(jī)系統(tǒng)信息交換的橋梁。在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境中，當(dāng)有斷斷續(xù)續(xù)來自其 他RF設(shè)備的帶內(nèi)信號(hào)出現(xiàn)或遇到蓄意干擾時(shí)，要求系統(tǒng)仍能正常工作；當(dāng)處在敵方測(cè)向系統(tǒng)的有效頻率范圍和有效距離之內(nèi)，卻難以被截獲或測(cè)向， 這些都要求數(shù)據(jù)鏈必須具備較強(qiáng)的抗干擾、抗截獲和保密能力。若在開放的環(huán)境條件下傳輸通道中的數(shù)據(jù)被其他設(shè)備截獲后要求數(shù)據(jù)鏈必須具備較 強(qiáng)的保密能力。(3)實(shí)時(shí)性和高精度。地面控制站通過遙控指令直接控制無人機(jī)的飛 行姿態(tài)，所以指令延遲不允許太長(zhǎng)；無人機(jī)的飛行控制主要依靠遙

34、控指令， 因此對(duì)指令產(chǎn)生、發(fā)送、傳輸和接收的精度、可靠性要求非常高。(4)利用GPS和GLONass聯(lián)合對(duì)飛機(jī)定位。利用 RA/與GPS組合 定位精度優(yōu)于IOm。利用R/A與GPS/GLONaSS組合定位精度優(yōu)于SM。 無人機(jī)系統(tǒng)中已采用組合定位方式，這不僅提高了定位的實(shí)時(shí)性，同時(shí)也 提高了定位精度。(5)傳輸方式的多樣化。為適應(yīng)各種應(yīng)用平臺(tái)的不同數(shù)據(jù)交換需求保 證信息可靠、實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)鏈可以采用多種傳輸介質(zhì)和方式既有點(diǎn)到點(diǎn) 的單鏈路傳輸也有點(diǎn)到多點(diǎn)及對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)傳輸。(6)小型化、模塊化設(shè)計(jì)?？紤]到無人機(jī)本身的負(fù)載能力無人機(jī)機(jī)載 設(shè)備，要求體積小、重量輕、可靠性高，便于維護(hù)和升級(jí)。我國(guó)最新設(shè)

35、計(jì) 的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備均采用模塊化結(jié)構(gòu)，其體積重量4年內(nèi)下降了一半。5.2.3 無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括三個(gè)基本組成要素：傳輸通道、消息標(biāo)準(zhǔn)和通 信協(xié)議。(1)傳輸通道傳輸通道都具有一定的的性能指標(biāo)如通信頻段、發(fā)射功率、接收靈敏度等；處在傳輸通道中的各設(shè)備之間均有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口如RS-232、RS-422/485等；通過選擇合適的信道、功率、調(diào)制解調(diào)器、編解碼及加密 算法滿足數(shù)據(jù)鏈信息的傳輸要求如通信距離、數(shù)據(jù)帶寬、傳輸速率、時(shí)延、 通信方式、抗干擾及可靠性等。傳輸通道的基本組成通常包括有數(shù)據(jù)處理 系統(tǒng)、接口控制單元、數(shù)據(jù)鏈終端設(shè)備和接收 /發(fā)送天線等如圖2-1所示, 數(shù)據(jù)處理

36、系統(tǒng)主要完成格式化消息的處理通常有多種實(shí)現(xiàn)方式。一般情況下在單處理器系統(tǒng)中直接由主處理器來實(shí)現(xiàn)而在多處理器系統(tǒng)中數(shù)據(jù) 處理部分在協(xié)處理器中進(jìn)行并與主處理器之間通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口通信。數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)接受各種傳感器數(shù)據(jù)(如IMU數(shù)據(jù)、電子羅盤數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、 高度氣壓計(jì)數(shù)據(jù)等)和遙控指令數(shù)據(jù)(如遙控器信號(hào)、PID參數(shù)、軌跡規(guī)劃指 令等)并將其封裝成標(biāo)準(zhǔn)的信息格式用于進(jìn)一步的存儲(chǔ)與分發(fā)。接口控制單 元主要是用來完成不同數(shù)據(jù)鏈的協(xié)議和接口轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息 的共享和狀態(tài)信息、控制指令的準(zhǔn)確傳遞保證對(duì)鏈路數(shù)據(jù)信息的一致性理 解。數(shù)據(jù)終端設(shè)備一般由調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)控制器及加解密設(shè)備構(gòu)成并且 帶有用于鏈路控制的鏈路處理器是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的核心部分和最基本單元在 通信協(xié)議的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)和處理。(2)消息標(biāo)準(zhǔn)消息標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)鏈路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的傾結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送規(guī)則等方面的詳細(xì)規(guī)定。制定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸格式有利于處 理器生成、解析及處理這需要設(shè)計(jì)具體的格式處理和數(shù)值轉(zhuǎn)換程序。(3)通信協(xié)議通信協(xié)議就是數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)在通信的過程中有關(guān)數(shù)據(jù)信息的傳輸時(shí)序、傳輸條件、傳輸流程及傳輸控制方式等方面的規(guī)約主要解決各種應(yīng)用系統(tǒng) 的格式化消息如何通過信息網(wǎng)絡(luò)可靠且