田志宇， 曾慶化， 許 睿， 宦國耀， 邱文旗

(南京航空航天大學(xué)導(dǎo)航研究中心，南京 211000)

0 引言

近年來迅速發(fā)展的無人機(jī)在通信、國防、緊急搶險(xiǎn)等軍事和民用領(lǐng)域展示出卓越的功效和廣闊的發(fā)展前景[1]。無人機(jī)適合在復(fù)雜、高危的任務(wù)環(huán)境中工作，其健康狀態(tài)監(jiān)測對于無人機(jī)任務(wù)的成功執(zhí)行具有決定性作用。傳統(tǒng)的無人機(jī)健康狀態(tài)監(jiān)測存在如下難題：通信應(yīng)用區(qū)域被限制在移動(dòng)基站或無線電范圍內(nèi)，若無人機(jī)執(zhí)行深入山區(qū)的任務(wù)且與控制站距離遠(yuǎn)情況下，控制站無法完成可靠的健康狀態(tài)監(jiān)測工作[2]。

為保障無人機(jī)的可靠性以及擴(kuò)展無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，許多學(xué)者采用北斗短報(bào)文實(shí)現(xiàn)無人機(jī)故障預(yù)測與健康管理(PHM)信息傳輸[3]。北斗短報(bào)文通信是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)所特有的功能，在全球范圍內(nèi)發(fā)揮重要作用[4]。北斗短報(bào)文通信覆蓋范圍大，適合無人機(jī)緊急情況以及偏遠(yuǎn)地區(qū)通信[5]?？紤]到無人機(jī)系統(tǒng)的PHM信息具有通信數(shù)據(jù)種類繁多、傳輸效率要求高、單次通信長度大于北斗短報(bào)文單次容量，與民用北斗短報(bào)文通信容量小、通信頻度慢且用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol,UDP)傳輸?shù)男阅軟_突，無法直接實(shí)現(xiàn)短報(bào)文PHM通信等特點(diǎn)[6-7]，因此需要研究合適的通信策略。

目前國內(nèi)針對北斗短報(bào)文的通信策略已開展相關(guān)研究。文獻(xiàn)[8]通過無損數(shù)據(jù)壓縮傳輸方法實(shí)現(xiàn)了新能源監(jiān)測數(shù)據(jù)的北斗短報(bào)文傳輸，該策略可解決數(shù)據(jù)量過大的問題，然而在數(shù)據(jù)種類繁多的適用性方面還有改進(jìn)余地；文獻(xiàn)[9]采用分包傳輸策略實(shí)現(xiàn)廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B)數(shù)據(jù)的北斗短報(bào)文通信，該策略通過組包、分包的方法解決數(shù)據(jù)種類繁多的問題，但在通信傳輸效率方面還有挖掘潛力。

結(jié)合PHM通信數(shù)據(jù)與北斗短報(bào)文的特點(diǎn)，針對北斗短報(bào)文在無人機(jī)PHM通信的應(yīng)用，提出了一種BDS優(yōu)先級分包傳輸方法，以高優(yōu)先級數(shù)據(jù)按最高頻度傳輸、低優(yōu)先級數(shù)據(jù)分包傳輸?shù)姆绞?，平衡了各?yōu)先級信息通信頻度與通信容量之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載PHM通信系統(tǒng)。

1 基于BDS優(yōu)先級分包策略的機(jī)載PHM通信系統(tǒng)框架

將短報(bào)文應(yīng)用于無人機(jī)空地鏈路健康管理數(shù)據(jù)傳輸，存在的具體問題如下：1) 短報(bào)文單次傳輸容量有限，普通民用北斗卡單次通信最多78 B；2) 短報(bào)文傳輸頻率有限，普通民用北斗卡傳輸頻率為60 s/次；3) 短報(bào)文通信采用UDP傳輸協(xié)議，傳輸過程存在丟包。針對該問題設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于BDS優(yōu)先級分包傳輸方法的機(jī)載PHM通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)由機(jī)載系統(tǒng)和地面站兩部分組成，圖1為系統(tǒng)框架圖[10]。

圖1 基于BDS優(yōu)先級分包傳輸策略的機(jī)載PHM通信系統(tǒng)框架圖

1.1 機(jī)載系統(tǒng)簡述

機(jī)載系統(tǒng)由健康管理數(shù)據(jù)采集、處理裝置和北斗一體機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

健康管理數(shù)據(jù)采集裝置負(fù)責(zé)從無人機(jī)各監(jiān)測裝置中收集健康管理數(shù)據(jù)并傳輸給健康管理數(shù)據(jù)處理裝置；健康管理數(shù)據(jù)處理裝置負(fù)責(zé)分析采集數(shù)據(jù)，將待傳輸數(shù)據(jù)按照北斗報(bào)文協(xié)議組包；北斗一體機(jī)發(fā)送通信信息交由北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給地面站，同時(shí)接收來自北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的地面站反饋信息。

1.2 地面站簡述

地面站由PC機(jī)和北斗一體機(jī)構(gòu)成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、通信反饋及數(shù)據(jù)存儲。

北斗一體機(jī)負(fù)責(zé)接收來自北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)載系統(tǒng)通信信息，同時(shí)發(fā)送反饋信息交由北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給機(jī)載系統(tǒng)。PC機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)解包、分析、顯示以及丟包反饋判斷等決策。

2 機(jī)載PHM通信中的BDS優(yōu)先級分包傳輸方法的提出

為了解決短報(bào)文通信在機(jī)載PHM通信領(lǐng)域傳輸容量和傳輸頻率性能不足、通信鏈路不可靠問題，提出了機(jī)載PHM通信中的BDS優(yōu)先級分包傳輸方法，有效解決了傳輸容量和傳輸頻率限制問題，并采用丟包重傳技術(shù)解決通信鏈路不可靠問題。

2.1 BDS優(yōu)先級分包傳輸策略分析

一般的分包傳輸策略有多種，常用的定時(shí)傳輸策略是針對整段數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，多數(shù)時(shí)段集中傳輸高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，少數(shù)時(shí)段集中傳輸?shù)蛢?yōu)先級數(shù)據(jù)，該傳輸策略可兼顧傳輸容量與頻率的限制，但無法滿足高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的最高頻率要求；分包傳輸策略是針對整段數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包、添加包頭標(biāo)志、組包等操作，該傳輸策略可解決數(shù)據(jù)種類繁多的難題，但也存在傳輸頻率性能不足的缺點(diǎn)[11]。

本文創(chuàng)新性地提出了BDS優(yōu)先級分包傳輸策略，僅對部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行拆包等操作，滿足不同數(shù)據(jù)傳輸效率的需求，基于無人機(jī)當(dāng)前健康管理狀態(tài)并依照各類型數(shù)據(jù)的傳輸效率要求對原始數(shù)據(jù)劃分優(yōu)先級，將原始數(shù)據(jù)按優(yōu)先級排序，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)每60 s更新一次，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)拆分成多個(gè)子包，每個(gè)子包隨高優(yōu)先級數(shù)據(jù)一同傳輸，最后組包實(shí)現(xiàn)低優(yōu)先級數(shù)據(jù)按時(shí)間段更新，該時(shí)間段由當(dāng)前健康管理狀態(tài)與優(yōu)先級決定。

依照《北斗用戶機(jī)用戶接口協(xié)議(4.0版本)》[12]研究協(xié)議中的電文內(nèi)容格式，添加標(biāo)志位作為控制字符，而數(shù)據(jù)凈荷則由多個(gè)優(yōu)先級數(shù)據(jù)組成，其中優(yōu)先級1數(shù)據(jù)不分包，其余優(yōu)先級數(shù)據(jù)分包傳輸，鑒于壓縮效率不高，采用明碼傳輸，保證內(nèi)容的可解釋性，提出的電文內(nèi)容的具體格式如圖2所示。

圖2中標(biāo)志位作為控制字符，在傳輸過程中對數(shù)據(jù)包信息和通信情況進(jìn)行記錄。狀態(tài)標(biāo)志用于判斷無人機(jī)的健康管理狀態(tài)，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級劃分；通信標(biāo)志用于完成通信狀態(tài)記錄，控制分包傳輸、丟包重傳的正常運(yùn)作；包序號記錄數(shù)據(jù)包在通信流程中的序號，控制分包傳輸?shù)慕M包操作；數(shù)據(jù)凈荷中優(yōu)先級1直傳，低優(yōu)先級分配1 B，低優(yōu)先級間不同的總?cè)萘糠峙渲率共煌母骂l率。以一次子包傳輸?shù)木唧w內(nèi)容為例說明電文內(nèi)容。

標(biāo)志位：000011000010101011000100。數(shù)據(jù)凈荷：“ACMF01ACMF22235959256+27*1400-90.123 4-180.123 450 000*599-180 111+-C”。

根據(jù)電文內(nèi)容結(jié)構(gòu)，該子包為艙壓+安保緊急狀態(tài)第2段(總計(jì)43個(gè)子包)的第4個(gè)子包，數(shù)據(jù)凈荷中最后3 B為分包發(fā)送的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)。在接收到數(shù)據(jù)包后，對其中標(biāo)志位信息進(jìn)行解析，以最低優(yōu)先級的更新時(shí)間段(正常狀態(tài)下為43 min/段)作為段劃分依據(jù)，判斷整段數(shù)據(jù)是否接收完整，若接收完整則組包顯示。該分包傳輸策略實(shí)現(xiàn)了高優(yōu)先級數(shù)據(jù)60 s/次，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)5～45 min/次的傳輸效率。

圖2 北斗短報(bào)文通信協(xié)議電文內(nèi)容格式Fig.2 Message content format of BeiDou short message communication protocol

2.2 丟包重傳機(jī)制研究

由于北斗短報(bào)文通信采用無連接UDP傳輸協(xié)議，該過程易受擾動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤碼或丟包，嚴(yán)重影響通信可靠性。依據(jù)《北斗用戶機(jī)用戶接口協(xié)議(4.0版本)》，北斗短報(bào)文加入異或校驗(yàn)和CRC校驗(yàn)，異或校驗(yàn)保證串口傳輸?shù)姆€(wěn)定，CRC校驗(yàn)可針對誤碼進(jìn)行檢錯(cuò)糾錯(cuò)，有效避免個(gè)別比特位誤碼導(dǎo)致的丟包，且CRC-8校驗(yàn)漏檢率遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)丟包率，本文測試數(shù)據(jù)均為CRC校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)幀，因此忽略極小概率的校驗(yàn)漏檢情況，討論的丟包情況為傳輸過程出錯(cuò)導(dǎo)致的整包數(shù)據(jù)丟失。本文中的BDS優(yōu)先級分包策略，針對上述通信不可靠問題研究了一種基于數(shù)據(jù)段的查詢模式自動(dòng)重傳請求(Automatic Repeat-reQuest，ARQ)機(jī)制[13]：在數(shù)據(jù)包中添加標(biāo)志位，記錄通信情況和數(shù)據(jù)包序號，發(fā)送方根據(jù)通信情況進(jìn)行查詢，查詢每段數(shù)據(jù)是否發(fā)送完整，接收方收到查詢信號根據(jù)數(shù)據(jù)包序號進(jìn)行回執(zhí)，給出是否丟包及丟包序號，發(fā)送方再將對應(yīng)數(shù)據(jù)包重新傳輸，實(shí)現(xiàn)丟包重傳。

由于該通信系統(tǒng)對高優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸效率要求高，而丟包重傳占用正常通信頻度，為此，選擇重傳當(dāng)前時(shí)刻的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)與待丟包重傳的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)重組作為待發(fā)送的數(shù)據(jù)包，僅占用當(dāng)前時(shí)刻的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)信道預(yù)算，不占用高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的信道預(yù)算。若在通信過程中受到嚴(yán)重干擾，查詢或回執(zhí)等通信過程出現(xiàn)丟包，則重復(fù)查詢、回執(zhí)的過程，若重復(fù)次數(shù)超過k次(經(jīng)驗(yàn)值k=3)，則判定丟包重傳失敗，放棄本次補(bǔ)發(fā)，進(jìn)入新一輪數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)驗(yàn)值k取3時(shí)，能兼顧系統(tǒng)可靠性和傳輸效率[14]。

3 機(jī)載PHM通信中的BDS優(yōu)先級分包傳輸方法軟件實(shí)現(xiàn)

基于BDS優(yōu)先級分包傳輸策略的機(jī)載PHM通信系統(tǒng)軟件采用Windows平臺C#語言開發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了短報(bào)文分包傳輸、丟包重傳等機(jī)制，保障通信過程的傳輸效率和可靠性，在軟件實(shí)現(xiàn)方面分為發(fā)送方和接收方軟件。

3.1 發(fā)送方軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)前面提出的策略和機(jī)制，發(fā)送過程以段為單位循環(huán)分包發(fā)送，系統(tǒng)在每段發(fā)送過程中，將所有數(shù)據(jù)預(yù)存，以備補(bǔ)包使用，在段尾發(fā)送完畢后，向接收方發(fā)送查詢信號，并通過接收回執(zhí)判斷丟包情況：若該段已丟包，則回執(zhí)返回丟包序號；若該段未丟包，則回執(zhí)歸零，代表該段數(shù)據(jù)完整接收，清空預(yù)存數(shù)據(jù)，并開始下一段數(shù)據(jù)的發(fā)送。

設(shè)計(jì)的北斗短報(bào)文通信發(fā)送方軟件流程見圖3。

圖3 北斗短報(bào)文通信發(fā)送方軟件流程Fig.3 Flow chart of BeiDou short message communication sender software

系統(tǒng)上電后，從機(jī)載系統(tǒng)中采集各類健康管理數(shù)據(jù)，基于無人機(jī)安全狀態(tài)信息對各類健康管理數(shù)據(jù)劃分優(yōu)先級，在北斗一體機(jī)預(yù)備發(fā)送，即信號良好、確定接收方通信ID及完成通訊初始化后，將對應(yīng)標(biāo)志位和包頭與數(shù)據(jù)一同按照北斗短報(bào)文協(xié)議打包發(fā)送。

3.2 接收方軟件流程設(shè)計(jì)

同理，由策略和機(jī)制可知，接收過程與發(fā)送過程類似，以段作為分包接收的一次完整循環(huán)，在通信過程中，每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，將高優(yōu)先級數(shù)據(jù)提取顯示并存儲，并將低優(yōu)先級數(shù)據(jù)在當(dāng)前時(shí)刻組包，顯示部分低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，在該段數(shù)據(jù)正常接收時(shí)，可將低優(yōu)先級數(shù)據(jù)完整顯示并存儲。若該段數(shù)據(jù)接收不完整，則等待發(fā)送方補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)包后再進(jìn)行丟包統(tǒng)計(jì)和回執(zhí)過程，該回執(zhí)過程若超過k次(k可根據(jù)具體情況調(diào)整，本系統(tǒng)采用最大重傳次數(shù)為3)，則判定為該段數(shù)據(jù)接收失敗，結(jié)束本次通信，準(zhǔn)備下一次通信。

綜上，設(shè)計(jì)的北斗短報(bào)文通信接收方軟件主要流程如圖4所示。在啟動(dòng)前，確保北斗一體機(jī)通信信號良好、通信初始化成功，保證短報(bào)文傳輸通道的穩(wěn)定。

圖4 北斗短報(bào)文通信接收方軟件流程Fig.4 Flow chart of BeiDou short message communication receiver software

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

本文搭建了一套完整的基于BDS優(yōu)先級分包傳輸策略的機(jī)載PHM通信系統(tǒng)，包括通信收發(fā)硬件及其配套軟件，實(shí)現(xiàn)了第2章系統(tǒng)的各種關(guān)鍵設(shè)計(jì)。本章通過對無人機(jī)健康管理數(shù)據(jù)傳輸展開的各種測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性以及傳輸效率。

4.1 系統(tǒng)平臺搭建

本系統(tǒng)由機(jī)載系統(tǒng)和地面站組成，按照系統(tǒng)通用的功能，可將機(jī)載系統(tǒng)部分作為通信發(fā)送方，地面站部分作為通信接收方。在實(shí)際應(yīng)用前，采用半物理仿真實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行性能分析和測試。圖5為搭建的半物理實(shí)驗(yàn)仿真平臺，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試與分析。

圖5 半物理實(shí)驗(yàn)仿真平臺Fig.5 Simulation platform of semi-physics experiment

通信發(fā)送方硬件分為3部分：健康管理數(shù)據(jù)采集裝置、健康管理數(shù)據(jù)處理裝置、北斗一體機(jī)。在實(shí)驗(yàn)用飛機(jī)采集的數(shù)據(jù)在PC機(jī)上進(jìn)行處理作為無人機(jī)健康管理數(shù)據(jù)采集裝置以及處理裝置的仿真器件。北斗一體機(jī)型號為北斗LT10620，北斗用戶卡級別為普通三級，發(fā)送頻度60 s/次，發(fā)送容量78 B/次。

通信接收方硬件分為北斗一體機(jī)及PC機(jī)2部分，2部分硬件與發(fā)送方硬件型號相同，該硬件系統(tǒng)可完成空地鏈路的短報(bào)文通信，兼具可靠性要求和規(guī)格大小要求。

4.2 測試結(jié)果分析

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)可靠性以及傳輸效率進(jìn)行測試分析，驗(yàn)證第2章的丟包重傳機(jī)制以及分包傳輸策略是否有效。實(shí)驗(yàn)條件為：

1) 某大學(xué)校園樓旁空地，距離建筑物10 m，北斗短報(bào)文通信信號良好，可正常通信；

2) 串口設(shè)置波特率為115 200 bit/s，設(shè)置子包發(fā)送周期為62 s；

3) 測試數(shù)據(jù)選用飛機(jī)狀態(tài)不斷變化的3段共120組子包數(shù)據(jù)，測試多段多狀態(tài)下的通信效果，重復(fù)實(shí)驗(yàn)10次，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠無偏。

4.2.1 可靠性測試

針對系統(tǒng)可靠性分析，通過10次實(shí)驗(yàn)共1200組子包數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的丟包重傳機(jī)制進(jìn)行測試，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包通信成功率，對比有無丟包重傳機(jī)制的通信成功率，測試結(jié)果如圖6所示。

在不采用丟包重傳機(jī)制時(shí)，系統(tǒng)通信平均成功率為88.81%，在采用丟包重傳機(jī)制后，系統(tǒng)的通信平均成功率達(dá)到了100%，實(shí)現(xiàn)了完全可靠傳輸。采用的丟包重傳機(jī)制結(jié)合短報(bào)文數(shù)據(jù)的傳輸效率要求，設(shè)置的最大重傳次數(shù)為3，由此可得系統(tǒng)的丟包重傳機(jī)制完整有效，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

圖6 是否采用丟包重傳的效果對比測試結(jié)果Fig.6 Reliability test results with or without packet retransmission

4.2.2 傳輸效率測試

針對系統(tǒng)的傳輸效率驗(yàn)證，基于完整段落的傳輸時(shí)間(43 min)作為統(tǒng)一時(shí)間限制，比較BDS優(yōu)先級分包傳輸策略、定時(shí)傳輸策略與GZIP壓縮傳輸+分包傳輸策略的效率,測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)傳輸效率對比測試結(jié)果Fig.7 Test results of transmission efficiency

以正常狀態(tài)為例進(jìn)行分析，其中完整段落的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸量共有2666 B(即43×62)，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸量共有3612 B(即43×84)，必需的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸量共有129 B(即43×3)。定時(shí)傳輸?shù)蛢?yōu)先級的傳輸策略采用最高頻度發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，定時(shí)傳輸?shù)蛢?yōu)先級數(shù)據(jù)。GZIP壓縮傳輸在實(shí)時(shí)壓縮傳輸150 B左右的數(shù)據(jù)時(shí)，壓縮率達(dá)到72.79%，仍然超過北斗短報(bào)文容量限制，壓縮后達(dá)到107 B，再采用分包傳輸策略進(jìn)行傳輸[15]。

由圖7可知,定時(shí)傳輸策略犧牲少量高優(yōu)先級傳輸頻度實(shí)現(xiàn)低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳輸，致使高優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸量僅有95.16%，無法達(dá)到實(shí)時(shí)可靠傳輸。GZIP+分包傳輸策略在數(shù)據(jù)量較小時(shí)，壓縮效率不高，仍無法滿足短報(bào)文容量要求，通過分包傳輸冗余的低優(yōu)先級數(shù)據(jù)，低優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸量達(dá)到1400%，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸量達(dá)到50%，無法滿足高優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳輸效率要求。

本文提出的BDS優(yōu)先級分包傳輸策略在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過將低優(yōu)先級拆分傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)的兩種數(shù)據(jù)傳輸量均為100%，達(dá)到了可靠的信息高效傳輸目的。

5 結(jié)束語

針對無人機(jī)存在偏遠(yuǎn)地區(qū)遠(yuǎn)距離通信不暢的問題，為了保證PHM信息的及時(shí)傳輸，利用北斗衛(wèi)星短報(bào)文功能的廣域性、可靠性等特點(diǎn)，提出并實(shí)現(xiàn)了機(jī)載PHM通信中的BDS優(yōu)先級分包傳輸方法，實(shí)現(xiàn)了一種全天候、全空域的健康管理數(shù)據(jù)通信新方法，為無人機(jī)健康管理通信系統(tǒng)增添了新的技術(shù)方案，測試結(jié)果表明系統(tǒng)切實(shí)可靠，滿足了系統(tǒng)的可靠性與傳輸效率要求。

隨著北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球范圍的逐步普及以及短報(bào)文服務(wù)性能的大幅提升，本文算法也可以進(jìn)一步改進(jìn)，為北斗三號系統(tǒng)短報(bào)文在健康管理通信方面的應(yīng)用提供支持。