楊柳慶 張 勇 孫麗慧 肖前貴

(1.南京航空航天大學(xué)無人機(jī)研究院，南京 210016；2.南京航空航天大學(xué)中小型無人機(jī)先進(jìn)技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；3.航天工程大學(xué)士官學(xué)校航天戰(zhàn)勤保障系，北京 102200)

1 引 言

靶機(jī)是靶用型無人機(jī)的簡稱。作為射擊訓(xùn)練目標(biāo)的的一種軍用飛行器，靶機(jī)既可以模擬包括有人機(jī)、各類導(dǎo)彈等在內(nèi)的航空飛行器的高度、速度和機(jī)動性等飛行性能，也可以模擬雷達(dá)反射特征和紅外輻射特征等外部特性。除射擊訓(xùn)練外，在空對空或地對空等防空武器系統(tǒng)的研制、性能測試等方面同樣具有非常重要的作用。在部隊(duì)和軍事人員的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)考核和實(shí)戰(zhàn)演習(xí)中也可完成相應(yīng)任務(wù)[1，2]。

在整個(gè)無人機(jī)設(shè)計(jì)中，最為重要的就是設(shè)計(jì)無人飛行器的測量與控制系統(tǒng)。常規(guī)的測控系統(tǒng)主要由遙控和遙測兩部分組成。遙控部分主要完成地面工作站對靶機(jī)傳輸信號指令的任務(wù)并同時(shí)承擔(dān)飛行狀態(tài)和機(jī)載設(shè)備工作狀態(tài)的控制任務(wù)。遙測部分則主要負(fù)責(zé)將靶機(jī)的飛行狀態(tài)、機(jī)載裝備工作情況或其他預(yù)定信息實(shí)時(shí)傳送至地面監(jiān)測站，以此來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測站實(shí)時(shí)顯示、儲存和重檢測靶機(jī)的飛行航跡和各參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。儲存的歷史信息可為飛行試驗(yàn)過程及故障分析提供數(shù)據(jù)保障[3，4]。由于遙控和遙測部分功能相對獨(dú)立且均為雙向高速通信模式，因此無人機(jī)測控系統(tǒng)需處于全雙工工作方式。

靶用型無人機(jī)是一種損耗性資源，執(zhí)行任務(wù)即代表損耗，為達(dá)到低成本、小型化和通用化的要求，其測控系統(tǒng)應(yīng)在保證可靠性的原則上，盡可能提高靶機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。若靶機(jī)采用專業(yè)的測控系統(tǒng)，無疑增加了靶機(jī)的成本，并限制了通用性。為設(shè)計(jì)更具通用性的測控系統(tǒng)，采用工業(yè)級別的商用數(shù)傳無線電臺作為主要硬件。這種做法可以使各類靶機(jī)的測控系統(tǒng)通用化，從研發(fā)設(shè)計(jì)與硬件選購兩方面均可以節(jié)約成本，非常迎合靶用無人機(jī)測控系統(tǒng)的需求[3]。同時(shí)，商用的數(shù)傳電臺在技術(shù)成熟、效率高、技術(shù)開發(fā)難度小等特點(diǎn)外，還具有通暢的原材料采購渠道。

2 系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)組成

地面站和機(jī)載測控終端是靶用型無人機(jī)的兩個(gè)主要組成部分。這兩部分均應(yīng)包括一套以上用于無線通信的數(shù)傳電臺(含天線)。

靶用型無人機(jī)測控系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。

圖1 靶用型無人機(jī)測控系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Working diagram of target drone measurement and control system

組成接口包括：RS-232串口接口、遙控指令鍵盤接口、電源接口等,如圖2所示。

圖2 靶用型無人機(jī)測控系統(tǒng)組成接口圖Fig.2 Interface diagram of target drone measurement and control system

2.2 基本功能

靶用型無人機(jī)測控系統(tǒng)的基本功能有遙控功能，遙測功能和數(shù)據(jù)記錄功能。

(1)遙控功能：測控系統(tǒng)的兩大組成部分是地面站和安裝在無人機(jī)上的測控終端，這兩部分也是測控系統(tǒng)的通信雙方，且實(shí)現(xiàn)通信的主要設(shè)備是兩端內(nèi)嵌的無線通信。遙控功能則主要指地面站一側(cè)對無人機(jī)處的測控終端發(fā)送控制指令，測控終端不具備計(jì)算解析能力。所以測控終端還需將指令后轉(zhuǎn)發(fā)給飛行控制計(jì)算器，整個(gè)流程就實(shí)現(xiàn)了遙控功能。

(2)遙測功能：遙測功能與遙控功能是對稱而言的，測控終端將飛行控制器偵測到的遙測數(shù)據(jù)信息傳輸給地面站。地面站再以圖像、視頻等形式進(jìn)行可視化顯示，以方便測控人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，此流程即實(shí)現(xiàn)了遙測功能。

(3)數(shù)據(jù)記錄功能：地面站依據(jù)程序或者監(jiān)測人員的指示進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，便于后期數(shù)據(jù)處理與回放。

3 全雙工測控通信

按照傳輸方向進(jìn)行分類，通信方式可分為單向傳輸和雙向傳輸兩種。雙向傳輸又可分為三種，即全雙工方式、半雙工方式以及單工傳輸方式。其中，通信雙方可以同時(shí)進(jìn)行雙向交流的傳輸方式即為全雙工傳輸方式。在實(shí)時(shí)傳輸與雙向傳輸?shù)耐ㄐ乓笙?，全雙工是最為適用的。無線傳輸中的全雙工的通信方式，有以頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的頻分雙工(Frequency Division Duplex，F(xiàn)DD)和時(shí)分雙工(Time Division Duplex，TDD)兩種模式[5]。

多數(shù)無人機(jī)的測控系統(tǒng)完成全雙工通信依據(jù)的是FDD方式，F(xiàn)DD凡是采用兩個(gè)相互分離的載波頻帶，在接收與發(fā)送兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)各自通信。此外，為減少相互干擾[6～8]，到達(dá)穩(wěn)定工作的工程要求，需要在兩個(gè)載波頻帶之間空出一定的頻帶間隔。目前，若靶用型無人機(jī)測控系統(tǒng)采用FDD方式，則依照原理，靶機(jī)和地面站必須分別配備兩套以上載波頻帶不同的數(shù)傳電臺才能實(shí)現(xiàn)全雙工通信，這顯然不符合靶機(jī)的實(shí)際要求。

相對于FDD方式，TDD方式只需一個(gè)載波頻帶，對數(shù)據(jù)的接收和數(shù)據(jù)的發(fā)送配以不同的時(shí)間。當(dāng)相互進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p方進(jìn)行信息交換時(shí)，可以確保在一方向外發(fā)送信息的同時(shí)，另一個(gè)通信方可以實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)。然后雙方交替?zhèn)鬏敺较颍缤蚱古仪蛞粯?，也稱該方法為“乒乓法”[9～11]。

本文采用在靶用型無人機(jī)測控系統(tǒng)接口層軟件內(nèi)構(gòu)建TDD協(xié)議的方法，機(jī)載和地面站均配備一套數(shù)傳電臺，使系統(tǒng)在單載波頻帶的情況下，實(shí)現(xiàn)全雙工測控通信，從而解決數(shù)據(jù)傳輸臺之間通信的半雙工轉(zhuǎn)全雙工的問題。

3.1 TDD協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)

TDD協(xié)議中通常采用三種幀結(jié)構(gòu)：空閑突發(fā)幀、捕獲突發(fā)幀和數(shù)據(jù)幀?？臻e突發(fā)幀、捕獲突發(fā)幀的字節(jié)個(gè)數(shù)均為3B，都是高速短幀的數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)幀的長度不確定，其包含通信雙方傳輸?shù)男畔ⅲ云溟L度根據(jù)傳輸信息的大小進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

3.2 TDD協(xié)議的幀同步

數(shù)傳電臺常以位每秒(bps)為單元的比特率進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，幀結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)單位是字節(jié)(B)。通信時(shí)如果要實(shí)現(xiàn)TDD底層協(xié)議的幀同步，就需要通過數(shù)據(jù)電臺的MCU處理器進(jìn)行控制。

TDD協(xié)議幀結(jié)構(gòu)包括預(yù)碼和同步碼兩個(gè)部分，兩者各1個(gè)字節(jié)，由兩個(gè)8bit的同步塊信息構(gòu)成。進(jìn)行通信的接收者會使用8位的寄存器進(jìn)行存儲當(dāng)前接收的4位信息和上次接收到的4位信息。接收者在每次接收到一個(gè)新的信息時(shí)就會進(jìn)行循環(huán)位移操作。然后，將當(dāng)前信息與預(yù)設(shè)的編碼信息進(jìn)行對比，若與預(yù)先設(shè)置的編碼相匹配，則說明完成了位同步。之后，接收的一方繼續(xù)接收單個(gè)字節(jié)信息，并將同步碼進(jìn)行匹配操作，如果兩者相匹配，則說明完成了信息同步。接收數(shù)據(jù)信號的一方會采用計(jì)數(shù)器對幀數(shù)據(jù)同步的過程中進(jìn)行移位操作的位數(shù)進(jìn)行記錄。相對于兩者匹配的情況，若接收者收到的字節(jié)信息與同步碼之間不匹配，則設(shè)定在等待時(shí)間內(nèi)再額外添加兩個(gè)字節(jié)的時(shí)間。延長等待時(shí)間后，若仍未接收到同步碼則認(rèn)定為偽同步。幀同步建立過程如圖3所示。

圖3 TDD協(xié)議幀同步建立過程Fig.3 TDD protocol frame synchronization process

3.3 TDD通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)

TDD通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)包括：突發(fā)同步建立、數(shù)據(jù)傳輸和突發(fā)同步保護(hù)。整個(gè)通信過程實(shí)現(xiàn)由測控系統(tǒng)接口層軟件控制。

3.3.1突發(fā)同步建立

采用TDD協(xié)議進(jìn)行通信首先需要實(shí)現(xiàn)通信雙方時(shí)間上的同步，以保證通信的可靠性。

當(dāng)一方有發(fā)送請求時(shí)稱為主機(jī)(地面站)，另一方稱為從機(jī)(機(jī)載測控終端)。對TDD協(xié)議進(jìn)行初始化操作時(shí)，需要將地面控制站和機(jī)載測控終端都設(shè)置在處于接收狀態(tài)，并且同時(shí)處于相同的一個(gè)載波頻帶上。當(dāng)主機(jī)檢測到從機(jī)發(fā)來的認(rèn)證信號后，就從主機(jī)狀態(tài)切換為從機(jī)狀態(tài)，然后發(fā)送一個(gè)控制突發(fā)幀。當(dāng)從機(jī)檢測到主機(jī)發(fā)來的空閑突發(fā)幀，并且狀態(tài)碼中的發(fā)送者(源地址)和接收者(目的地址)匹配成功，則轉(zhuǎn)為發(fā)送狀態(tài)，并向主機(jī)發(fā)送一個(gè)認(rèn)證空閑突發(fā)幀，啟動從機(jī)的突發(fā)定時(shí)器。主機(jī)在收到從機(jī)的認(rèn)證空閑突發(fā)幀的同時(shí)啟動主機(jī)的突發(fā)定時(shí)器。這一過程完成后，通信雙方就認(rèn)定為突發(fā)同步并建立起來了通信鏈路。突發(fā)通信過程中，通信的主機(jī)和從機(jī)就可以在突發(fā)定時(shí)器控制下轉(zhuǎn)換主從機(jī)收發(fā)狀態(tài)。在實(shí)際通信過程中，通信雙方會交替發(fā)、收數(shù)據(jù)，直至雙方通信結(jié)束后關(guān)閉突發(fā)定時(shí)器，TDD協(xié)議突發(fā)同步建立過程如圖4所示。

圖4 TDD協(xié)議突發(fā)同步建立過程Fig.4 TDD protocol burst synchronization setup process

3.3.2TDD方式數(shù)據(jù)傳輸

在建立突發(fā)同步后，TDD方式的通信雙方就可以在突發(fā)定時(shí)器的控制下交替配置，通過轉(zhuǎn)換收發(fā)狀態(tài)來完成雙工通信。一個(gè)突發(fā)周期一般包括接收時(shí)隙、發(fā)送時(shí)隙和兩個(gè)保護(hù)時(shí)隙，工作時(shí)序如圖5所示。

圖5 TDD方式雙工通信時(shí)序Fig.5 TDD mode duplex communication timing

依照突發(fā)周期的時(shí)間順序可梳理如下：首先在遙控時(shí)隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)遙控功能，根據(jù)定義，地面站發(fā)送遙控?cái)?shù)據(jù)幀給靶機(jī)的測控系統(tǒng)終端，完成對靶機(jī)的飛行控制；其次，在遙測時(shí)隙內(nèi)完成遙測功能，根據(jù)定義即測控終端發(fā)送遙測數(shù)據(jù)幀給地面站，以上兩個(gè)時(shí)隙內(nèi)就完成了雙向通信，通信時(shí)序如圖6所示。

設(shè)計(jì)遙控時(shí)隙和遙測時(shí)隙時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合實(shí)際工程情況。時(shí)隙的長度應(yīng)該要滿足無線通信所需時(shí)間的最低要求。具體的參考指標(biāo)為數(shù)據(jù)幀的長度和電臺傳輸速率，特別的，還應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)置一個(gè)保護(hù)時(shí)隙。原因是數(shù)傳電臺進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，工程實(shí)踐中一般為(5～20)ms，保護(hù)時(shí)隙應(yīng)大于此工程要求。綜上，一個(gè)突發(fā)周期T可表示為

T=Tk+Tc+2×Tb

(1)

式中：Tk——遙控時(shí)隙；Tc——遙測時(shí)隙；Tb——保護(hù)時(shí)隙。

由此也確定了測控系統(tǒng)遙控和遙測數(shù)據(jù)的刷新率f為

f=1/T

(2)

遙控?cái)?shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)的收發(fā)間隔可以分別自定義，遙控?cái)?shù)據(jù)刷新率fk小于遙測數(shù)據(jù)刷新率fc，該類時(shí)間不對稱的情況下就可在一個(gè)突發(fā)周期內(nèi)設(shè)置n個(gè)Tc，則

T=Tk+n×Tc+(n+1)×Tb

(3)

靶用型無人機(jī)測控系統(tǒng)雙工通道時(shí)序如圖6所示。固定遙控刷新周期，刷新率為fk為

圖6 靶機(jī)測控系統(tǒng)雙工通信時(shí)序Fig.6 Target drone measurement and control duplex communication timing

fk=f=1/T

(4)

遙測刷新周期不固定，在每一個(gè)突發(fā)周期開始時(shí)有Tk+Tb的延遲，平均遙測刷新率fv為

fv=n×f=n/T

(5)

3.3.3突發(fā)同步保護(hù)

TDD方式數(shù)據(jù)傳輸過程中，通信雙方依賴突發(fā)定時(shí)器來劃分時(shí)隙，交替在各個(gè)工作時(shí)隙內(nèi)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。因此定時(shí)器的誤差會造成嚴(yán)重的影響，定時(shí)器一方面因?yàn)楣に噯栴}存在固有誤差，另一方面還會隨高度、震動、溫度等環(huán)境問題存在誤差。當(dāng)通信雙方突發(fā)定時(shí)器的定時(shí)誤差總和Tw加上數(shù)傳電臺的收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間Th大于保護(hù)時(shí)隙Tb(Tw+Th>Tb)時(shí)，通信將會發(fā)生堵塞、突發(fā)同步失效等情況，進(jìn)入失步的狀態(tài)。所以，在TDD通信的過程中必須考慮突發(fā)同步的保護(hù)。一旦發(fā)生通信失步，立刻建立同步，以免丟失數(shù)據(jù)。

突發(fā)同步保護(hù)方案：一旦通信雙方中一方無法正常接收數(shù)據(jù)幀，就會立即觸發(fā)一個(gè)新的突發(fā)同步。這個(gè)觸發(fā)過程是利用TDD協(xié)議中幀結(jié)構(gòu)里的命令碼實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。當(dāng)機(jī)載測控終端檢測到數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤，在下一遙測時(shí)隙發(fā)送特定命令碼(0xFF)告知地面站，并進(jìn)入失步狀態(tài)；地面站收到相應(yīng)命令碼之后，也進(jìn)入失步狀態(tài)，重新執(zhí)行突發(fā)同步建立過程。當(dāng)?shù)孛嬲緳z測到數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤，也通過特定命令碼(0xFF)告知機(jī)載測控終端，進(jìn)入失步狀態(tài)；機(jī)載測控終端收到相應(yīng)命令碼之后，也進(jìn)入失步狀態(tài)，雙方重新執(zhí)行突發(fā)同步建立過程。

4 需求分析和性能計(jì)算

本文以某型靶型無人機(jī)為例，對測控系統(tǒng)的通信需求進(jìn)行分析，計(jì)算測控系統(tǒng)的通信性能。

4.1 需求分析

某靶用型無人機(jī)所裝備的數(shù)傳電臺性能指標(biāo)如下：數(shù)據(jù)傳輸速率為19200bps；收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間為7ms；一個(gè)突發(fā)周期不大于200ms；一個(gè)突發(fā)周期不大于200ms；硬件接口為RS-232串口，參數(shù)設(shè)置為：波特率Bd等于19200bps，包含1位的起始位，8位的數(shù)據(jù)位，沒有校驗(yàn)位，以及1位的停止位。

該靶用型無人機(jī)的測控系統(tǒng)遙控?cái)?shù)據(jù)長度Lk為10B，刷新率要求不小于5Hz；遙測數(shù)據(jù)長度Lc為32B，刷新率要求平均不小于fmax=20Hz，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1和表2所示。

表1 遙控?cái)?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)1Tab.1 Remotedataframestructure1預(yù)碼同步碼命令碼數(shù)據(jù)信息終止碼0xAA1B0x551B指令碼1B指令碼2B遙調(diào)數(shù)據(jù)2B校驗(yàn)碼1B0x0A0D2B

遙控指令碼設(shè)定冗余傳輸，采取3判2糾錯(cuò)方法，具體為3個(gè)接收到的指令碼中有2個(gè)以上相同，相同指令碼對應(yīng)有效的遙控指令。若相應(yīng)的遙控指令攜帶遙調(diào)數(shù)據(jù)，根據(jù)校驗(yàn)碼判斷遙調(diào)數(shù)據(jù)的有效性。校驗(yàn)碼是由命令碼至雙方傳輸數(shù)據(jù)信息中的校驗(yàn)碼之前的所有字節(jié)的和。

表2 遙測數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)2Tab.2 Remotedataframestructure2預(yù)碼同步碼命令碼數(shù)據(jù)信息終止碼0xAA1B0x551B副幀號1B主幀數(shù)據(jù)12B副幀數(shù)據(jù)14B校驗(yàn)碼1B0x0A0D2B

遙測數(shù)據(jù)按照具體要求分為主幀數(shù)據(jù)和副幀數(shù)據(jù)，兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行分類傳送。每一個(gè)遙測數(shù)據(jù)刷新周期發(fā)送1次主幀數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)具有變化周期快、刷新率要求高、重要度較高等特點(diǎn)。副幀依據(jù)不同的副幀號可以包含不同的數(shù)據(jù)類型，這些不同的副幀數(shù)據(jù)依照特定的順序輪流發(fā)送。副幀包含的數(shù)據(jù)一般為傳感器數(shù)據(jù)和機(jī)載設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，相對于主幀數(shù)據(jù)，副幀刷新率要求不高，刷新率一般為1/5遙測刷新率(共5組副幀)。

4.2 性能計(jì)算

根據(jù)接口參數(shù)設(shè)置可知，1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)對應(yīng)10位，其所需的傳輸時(shí)間t為10×(Bd/1000)ms，遙控時(shí)隙與遙測時(shí)隙分別為

Tk=Lk×t=10×10/19.2≈5ms

(7)

Tc=Lc×t=32×10/19.2≈17ms

(8)

遙控刷新率f為

f=fk=5Hz

由于保護(hù)時(shí)隙Tb的最小值Tbmin為7ms，一個(gè)突發(fā)周期的最小值Tmin為

Tmin=5+17×n+7×(n+1)

(9)

總的時(shí)間裕度Ty為

Ty=200-Tmin

(10)

每個(gè)Tb上的平均時(shí)間裕度Tyb為

Tyb=Ty/(n+1)

(11)

Tb=Tbmin+Tyb

(12)

n的幅值大小對測控通信性能的影響，如表3所示。用戶可以根據(jù)測控系統(tǒng)的可靠性要求和定時(shí)器精度等因素，對n值進(jìn)行不同的選??；時(shí)間裕度在Tb上的分配一般采用整數(shù)分配的方式。

表3 n的取值對測控通信性能的影響Tab.3 InfluenceofnvalueonTT&Ccommunicationperformancenfc(Hz)Tmin(ms)Ty(ms)Tyb(ms)備注315\\\fc<20Hz4201089218.4可用5251326811.3可用630156446.3可用735180202.5可用840204\\Tmin>200ms

綜上所述，某靶機(jī)測控系統(tǒng)選取n=4，遙控時(shí)隙后的Tb=27ms，4個(gè)遙測時(shí)隙后的Tb=25ms。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種在機(jī)載和地面站均只配備一套數(shù)傳電臺的基于TDD協(xié)議的單載波頻帶靶機(jī)測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全雙工傳輸方式測控通信。經(jīng)實(shí)驗(yàn)、試飛均對其可行性、科學(xué)性進(jìn)行了驗(yàn)證。基于TDD方式的靶用型無人機(jī)測控系統(tǒng)頻率利用率高、成本低、通用性好、有較高的商業(yè)推廣價(jià)值。該技術(shù)可應(yīng)用于其它使用半雙工硬件設(shè)備的無人機(jī)測控系統(tǒng)，對其它無線通信產(chǎn)品也具備一定的參考價(jià)值。