基于CDMA技术的无人机接力测控系统

基于CDMA技术的无人机接力测控系统

作者：李超朱铁林李明李平敏律会丽

来源：《科技风》2020年第19期

摘要：; 无人机在海域动态监视监测、电力巡检、油气管道巡线、森林防火巡查等应用场景，飞行范围大、距离远、遮挡严重，测控距离受限的问题突出，为此探讨了常见中继测控方案的优缺点。根据以上几种场景下线路较为固定的特点，提出了基于CDMA软切换的接力测控系统设计方案、技术实现路径及测试结果，证明本方案可以较低的费效比解决无人机长距离、大范围的测控问题。

关键词：;无人机;接力测控;CDMA;无缝软切换

中图分类号：TN92; 文献标识码：A

2015年我国提出“中国制造2025”，以智能制造为核心的工业4.0战略得以加快推进，融合了通用航空与智能制造的无人机，在各个领域得到了广泛应用。在海域实时动态监测[1]、电力系统的日常巡检和维护[2-3]、森林防火[4-5]、应急测绘等领域，无人机发挥着日益重要的作用。针对以上大规模、远距离作业需求，亟须对无人机的测控范围进行超视距扩展。当前扩展测控距离的手段主要有：机载蜂窝移动网络中继、机载卫星中继、机间空空中继、地面移动中继和地面固定中继等。针对这类场景具备范围大、距离远、线路固定等特征，设计了一种基于软切换无缝接力测控系统，通过在地面建设多个线型分布的测控站，实现无人机控制权无缝变换。在超远距离，尤其是无人机航程远超单地面站测控范围的情况下，可以延伸无人机作业区域，实现无人机巡检效率最大化。

1 系统方案

基于CDMA无缝软切换的无人机接力测控通信系统，由无人机机载数据链、地面测控站（含地面数据链、测控信息转发设备、网络接入终端）和监控指挥终端（含视频监控设备和飞行监控设备）组成。无人机机载数据链和地面数据链实现无人机与地面测控站之间的点对点视距通信，测控信息转发设备实现对地面数据链数据的IP化转换，网络接入终端实现地面测控站之间的网络互通，主要采用光纤、4G/5G、卫通等方式。无人机上行主要是遥控数据，传输带宽低，下行主要包括高带宽视频数据和低带宽遥测数据。本系统中，无人机下行数据通过机载数据链回传至地面数据链，地面数据链通过测控转发设备将遥测信息回传至指挥中心的飞行监控设备，将视频数据回传至指挥中心的视频监控设备。飞行监控设备发出的无人机控制信息，通过具有控制权的地面测控站上传至机载数据链和飞控设备。无人机数据链路的上行遥控数据速率较低，具备采用扩频的条件，因此系统采用码分多址（CDMA）技术对各机载及地面测控站进行标识。码分多址不同于频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA），是由扩频理论和技术引出的一种全新的方法。将频带资源和时间资源都分给地面终端，每个地面终端采用一

个噪声式的宽带信号，并可以任意长时间占有整个给定的频段。其频带资源和时间资源不会受到任何限制，其通信容量将比FDMA和TDMA的容量大得多。机载数据链采用广播方式分发图像和遥测数据，各个测控站可同时接收。地面设备同时向机载设备发送同频遥控信号，机载设备通过不同伪码序列的信号强度来确定当前的受控地面测控站。切换过程中，机载测控站采用具有滞后余量的相对信号强度准则，即在非受控地面测控站的信号强度比受控测控站信号强度高于滞后余量的情况下才进行切换。这样可以防止由于信号波动以及能量相近而引起的无人机在两个地面测控站之间来回切换，即“乒乓效应”。指挥中心对地面站同时回传的多路图像数据并行缓存，切换播放时，根据当前视频数据中的帧号来选择所要切换链路所对应的下一帧视频数据，这将避免由于不同链路传输过程中延时不同导致的图像中断和抖动，保证了链路切换过程中视频的流畅性。

以N个线型分布的地面站为例，接力测控系统机载数据链基带信号处理流程如下：无人机同时对N个地面站上行控制信号进行解调同步操作，地面站信号的强度越大，相关值就会越大，因此通过比较相邻地面站的相关值，并切换至相关值最大的地面站。基本步骤为：①建立连接：无人机开机后，按顺序搜索N个地面测控站，直至与相关值最大的地面测控站建立连接;②跟踪切换：主控地面站与无人机建立连接后，搜索当前地面站及相鄰两个地面站，分别进行相关同步，计算并比较三个相关值的结果，直至新地面站的相关值与受控地面站差值大于滞后余量，则向前或向后一个地面站切换，否则不切换;以上过程不断重复;③失联重建：由于无线链路的不可测性，如因受控地面站遮挡或者故障等原因，可能造成当前链路中断。如果出现无人机与受控地面站之间的链路中断，则根据相邻两个地面站的相关值大小，切换至信号强度更大的一个地面站，然后进入跟踪切换阶段。

2 技术验证

基于CDMA软切换的接力测控系统通过在Modsim中验证仿真，模拟了无人机从左侧地面站向中间侧地面站飞行时的软切换过程，开始时接收到左侧地面站的信号能量大，随着飞机远离左侧地面站并接近中间地面站，飞机接收到左侧地面站的能量减小，接收中间地面站的信号能量变大，捕获右侧地面站PN码之后，捕获信号一直为高，实现了从中间地面站到右侧地面站的软切换。经过实验室桌面联调及外场联试，验证结果如下：（1）系统具有遥控、遥测数据传输能力;（2）无人机跨区接力测控时，遥测、遥控信号不中断;（3）测控信号丢包率：

3 结论

本文提出了一种利用CDMA无缝软切换的超视距无人机巡检通信方案，据此设计了一套接力测控系统并进行了实测验证。结果显示该方案具有通信质量高、延时较短、不受地形环境限制的优势，可实现无人机海域动态监视监测、电力巡检、油气管道巡线、森林防火巡查等复杂气候地形环境下的远距离、长航时巡检应用，提升无人机系统在观测巡检领域的运行管理水平。

参考文献：

[1]王柯，麦晓明，许志海，等.无人机在湛江电网台风应急巡检中的应用[J].广东电力，2015，28（9）：107-112，118.

[2]曹海，刘惠，王兵，等.海域无人机带状网络接力测控系统研究[J].海洋技术学报，2017，36（05）：66-71.

[3]高泽军，魏本杰，许睿.无人机图像压缩与实时传输系统设计[J].电子设计工程，2016，24（10）：186-189.

[4]李龙.关于无人机在森林防火监测方面的应用[J].种子科技，2019，37（14）：121-124.

[5]赵国刚.无人机在森林防火灭火中的应用探析[J].消防界（电子版），2019，5（11）：65-67.

作者简介：李超（1987—），男，山东平度人，硕士，工程师，研究方向：无人机测控通信、应急通信指挥、海岛礁水上水下一体化测绘等。