基于全球星實現(xiàn)無人機遠程通信
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無人飛行器(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)可分為無人機、導(dǎo)彈和靶標三大類。其中無人機已被廣泛應(yīng)用于諸如偵察、監(jiān)視、誘餌、電子戰(zhàn)、通信中繼、農(nóng)業(yè)勘測、氣象、交通、科學研究、民用導(dǎo)航、環(huán)境保護、自然災(zāi)害的監(jiān)視與救援等領(lǐng)域。與有人駕駛的飛機相比，無人機機動性能好，過載能力強，不存在飛行員傷亡；與偵察衛(wèi)星相比，無人機飛行高度低，活動范圍可控，部署方便，造價低廉。目前，世界各國都在積極研制各種新型無人機。
新型無人機對通信設(shè)備性能有了更高的需求，在通信距離上已超出視距范圍，在通信帶寬上需要能夠傳輸圖像、視頻等綜合信息。這給無人機通信設(shè)備的研制提出了新的課題。根據(jù)研究表明，數(shù)字微波通信和衛(wèi)星通信可以滿足無人機與地面之間遠程綜合信息傳輸?shù)男枨蟆?br />
l 全球星系統(tǒng)性能分析
全球星系統(tǒng)是由美國勞拉公司(Loral Corpara-tion)和高通公司(Qualcomm)倡導(dǎo)發(fā)起的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。全球星系統(tǒng)主要由三部分組成：空間段、地面段、用戶段。
空間段由48顆衛(wèi)星加8顆備份星組成。軌道高度
約為1 414 km，傳輸時延和處理時延小于300 ms，因此，用戶感覺不到時延。整個系統(tǒng)的覆蓋區(qū)為南北緯70°以內(nèi)的地區(qū)。各個服務(wù)區(qū)總是被2～4顆衛(wèi)星覆蓋，用戶可隨時接人該系統(tǒng)。話音傳輸速率有2．4／4．8／9．6 Kb／s三種，數(shù)據(jù)傳輸速率為7．2 Kb／s(持續(xù)流量)。衛(wèi)星采用碼分多址方式(CDMA)，碼元帶寬為1．23 MHz。衛(wèi)星定位精度最高可達300 m。
地面段包括全球星控制中心和網(wǎng)絡(luò)關(guān)口站(簡稱：網(wǎng)關(guān))。每個網(wǎng)關(guān)可同時與3顆衛(wèi)星通信，把來自不同衛(wèi)星或同一衛(wèi)星的不同數(shù)據(jù)流信號組合在一起，以提供無縫隙的覆蓋。每一個用戶終端可通過一顆或幾顆衛(wèi)星和網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與全球任何地區(qū)的通信。在我國境內(nèi)設(shè)有一個網(wǎng)關(guān)。
用戶段指的是使用全球星系統(tǒng)業(yè)務(wù)的用戶終端設(shè)備。用戶終端設(shè)備包括手持式、車載式和固定式。用戶終端可提供話音、數(shù)據(jù)、短信息等業(yè)務(wù)。用戶終端在頭頂有一顆衛(wèi)星覆蓋時就可以使用，而一般在用戶的視線范圍內(nèi)都是有2～4顆衛(wèi)星。用戶終端可同時和3顆衛(wèi)星進行通信，并且通過使用分離多徑接收器可以把這些信號合成一個單一的、沒有天電干擾的信號。用戶終端還可以按需要改變功率電平來補償遮擋和干擾的影響，平均功率輸出范圍在50～300 mW之間。衛(wèi)星不斷移進、移出用戶終端的視線范圍，也不斷無縫隙地淡進和淡出呼叫過程，這種軟切換減少了呼叫受干擾的風險。以上這些先進的數(shù)字技術(shù)使全球星系統(tǒng)能夠在各種地形環(huán)境中提供業(yè)務(wù)，使信號受到建筑、地形和其他自然景物遮擋的可能性更小。
針對無人機的特點，利用全球星的獨特通信功能，可以設(shè)計一個基于全球星的無人機數(shù)字通信系統(tǒng)，用以解決新型無人機遠程綜合信息通信問題。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
本系統(tǒng)由機載通信設(shè)備、地面通信設(shè)備、地面監(jiān)控設(shè)備、全球星衛(wèi)星、網(wǎng)關(guān)等組成，如圖1所示。
2．1 全球星系統(tǒng)
全球星衛(wèi)星和網(wǎng)關(guān)作為本系統(tǒng)的衛(wèi)星通信鏈路，負責轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)各種通信信息。
2．2 機載通信設(shè)備
機載通信設(shè)備安裝于無人機上。機載設(shè)備將需要傳輸?shù)臄?shù)字信息(語音、圖像、數(shù)據(jù)流、控制命令等)通過USB口或RS 422口傳送給機載通信設(shè)備，機載通信設(shè)備將信息打包發(fā)送至全球星衛(wèi)星，由全球星衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面通信設(shè)備。
機載通信設(shè)備主要由ARM與GSPl620等部件組成，如圖2所示。
GSPl620為全球星數(shù)傳通信模塊，通過RS 232口與ARM連接，完成通信信息的發(fā)送與接收。
ARM為工業(yè)控制單片機，通過RS 422口或USB口與機載設(shè)備連接。ARM中安裝有通信軟件，完成系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)通信、故障診斷等功能。
機載數(shù)傳設(shè)備的工作流程如下：
ARM啟動后，通過RS 232口發(fā)送AT命令對GSPl620進行初始化和撥號連接，同時監(jiān)測RS 422口或USB口，實時獲取并存儲機載設(shè)備發(fā)送的通信數(shù)據(jù)，如果GSP1620撥號連接成功，則將通信數(shù)據(jù)通過RS232口發(fā)送給GSP1620，由GSPl620通過全球星衛(wèi)星發(fā)送給地面通信設(shè)備。GSPl 620也負責接收地面通信設(shè)備發(fā)送的控制指令(例如：飛機爬升、俯沖、轉(zhuǎn)彎等命令)，通過RS 232口傳送給ARM，ARM接收到控制指令后再通過RS 422口或USB口轉(zhuǎn)發(fā)給機載設(shè)備。
2．3 地面通信設(shè)備
地面通信設(shè)備與機載通信設(shè)備軟硬件通用，只是在使用前初始化時將設(shè)備定義為地面通信設(shè)備或機載通信設(shè)備。地面通信設(shè)備安裝在地面監(jiān)控站內(nèi)，與地面監(jiān)控設(shè)備通過，RS 422口或USB口連接。地面通信設(shè)備將接收到的全球星衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)字信息(語音、圖像、數(shù)據(jù)流、控制命令等)通過USB口或RS 422口傳送給地面監(jiān)控設(shè)備，同時也可將地面監(jiān)控設(shè)備的控制命令傳送給機載通信設(shè)備。
其結(jié)構(gòu)組成與機載通信設(shè)備相似，主要由ARM與GSPl620等部件組成。如圖3所示。
地面通信設(shè)備的工作流程如下：
ARM啟動后，通過RS 232口發(fā)送AT命令對GSP1620進行初始化和撥號連接，連接成功后在GSPl620上實時獲取機載通信設(shè)備發(fā)送的通信數(shù)據(jù)，同時通過RS 422轉(zhuǎn)發(fā)給地面監(jiān)控設(shè)備。ARM也負責接收地面監(jiān)控設(shè)備發(fā)送的控制指令，通過RS 232口轉(zhuǎn)發(fā)給GSPl620，GSPl620接收到控制指令后發(fā)送給機載通信設(shè)備。
2．4 地面監(jiān)控設(shè)備
地面監(jiān)控設(shè)備為工業(yè)PC機，運行通信監(jiān)控軟件。地面監(jiān)控設(shè)備通過RS 422口或USB口與地面通信設(shè)備連接。完成數(shù)據(jù)通信、無人機態(tài)勢顯示、控制指令上傳、報警、數(shù)據(jù)管理等功能。
3 系統(tǒng)功能設(shè)計
根據(jù)目前無人機的使命任務(wù)，本系統(tǒng)提供有如下功能：數(shù)傳通信功能、監(jiān)控功能、顯示功能、報警功能、數(shù)據(jù)管理功能等。按模塊設(shè)計的功能框圖和信息傳輸關(guān)系，如圖4所示。
3．1 數(shù)據(jù)通信
數(shù)據(jù)通信功能主要包括以下幾項內(nèi)容：數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)分包、數(shù)據(jù)分包傳輸、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)合包、數(shù)據(jù)解密等。
3．2 監(jiān)控功能
監(jiān)控功能主要包括以下幾項內(nèi)容：對地面監(jiān)控設(shè)備初始化、系統(tǒng)重置、通信端口管理、生成控制指令、數(shù)據(jù)存庫等。
3．3 顯示功能
顯示功能主要包括以下幾項內(nèi)容：地圖背景顯示、鷹眼顯示、地圖基本操作(放大、縮小、漫游、量算等)、無人機飛行狀態(tài)(包括軌跡、高度變化、飛行參數(shù)等)顯示、全球星星歷狀態(tài)顯示等。
3．4 報警功能
報警功能主要包括以下幾項內(nèi)容：全球星鏈路斷開報警、無人機飛行狀態(tài)報警等。報警模式有聲音報警、高亮警示報警等。
3．5 數(shù)據(jù)管理功能
數(shù)據(jù)管理功能主要包括以下幾項內(nèi)容：數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)報表查詢、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)打印、數(shù)據(jù)導(dǎo)出(文本文件、EXCEL 文檔)等。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4．1 軟件流程
4．1．1 初始化階段
接受飛行任務(wù)后，地面監(jiān)控設(shè)備與地面通信設(shè)備開機、初始化，地面通信設(shè)備接收全球星星歷，發(fā)送到地面監(jiān)控設(shè)備，地面監(jiān)控設(shè)備根據(jù)星歷判斷衛(wèi)星信號好壞，給出無人機起飛建議。無人機起飛后，機載通信設(shè)備開機、初始化。
4．1．2 建立連接階段
機載數(shù)傳設(shè)備初始化后與地面數(shù)傳設(shè)備進行撥號連接，雙方均可進行主叫撥號連接。撥號成功，鏈路建立后，即可進行通信信息傳輸。
4．1．3 通信、監(jiān)控顯示階段
機載通信設(shè)備將來自機載設(shè)備的通信信息經(jīng)全球星發(fā)送給地面通信設(shè)備，地面通信設(shè)備再將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給地面監(jiān)控設(shè)備。地面監(jiān)控設(shè)備對信息進行解碼、報警處理、存儲、軌跡顯示、狀態(tài)顯示等工作。
4．1．4 連接維護階段
為了保證通信鏈路的暢通，機載通信設(shè)備和地面通信設(shè)備自動進行衛(wèi)星通信鏈路的維護，實時監(jiān)測鏈路狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)鏈路斷開，自動重新?lián)芴栠B接。同時也負責將鏈路狀態(tài)、故障原因?qū)崟r發(fā)送給地面監(jiān)控設(shè)備。
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