海域無人機(jī)帶狀網(wǎng)絡(luò)接力測(cè)控系統(tǒng)研究

曹 海 ，劉 惠 ，王 兵 ，朱鐵林

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津航天中衛(wèi)數(shù)字系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301）

海域無人機(jī)帶狀網(wǎng)絡(luò)接力測(cè)控系統(tǒng)研究

曹 海1，劉 惠1，王 兵2，朱鐵林2

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.天津航天中衛(wèi)數(shù)字系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301）

為解決目前海域無人機(jī)單點(diǎn)作業(yè)模式難以滿足海域大范圍監(jiān)測(cè)和無人機(jī)系統(tǒng)規(guī)?；\(yùn)行需求的問題，提出了無人機(jī)接力測(cè)控方案。結(jié)合現(xiàn)有的通信測(cè)控技術(shù)，提出了4種切實(shí)可行的接力測(cè)控方案：雙通道接力測(cè)控、基于FDMA的接力測(cè)控、基于CDMA的接力測(cè)控、基于TDMA的接力測(cè)控。通過對(duì)比各方案之間的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合目前現(xiàn)有條件，在保證方案安全性和可實(shí)施性的情況下，最終提出了一套多種技術(shù)結(jié)合的過渡型接力測(cè)控實(shí)施方案。

無人機(jī)；帶狀網(wǎng)絡(luò)；接力測(cè)控

按照網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將分布在狹長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)結(jié)點(diǎn)稱為帶狀網(wǎng)絡(luò)[1]。海域無人機(jī)帶狀網(wǎng)絡(luò)接力測(cè)控是指海域無人機(jī)在帶狀分布的海岸各固定測(cè)控站結(jié)點(diǎn)之間完成無縫軟切換測(cè)控接力，實(shí)現(xiàn)測(cè)控距離的網(wǎng)絡(luò)延伸，從而在無人機(jī)航程能力超出測(cè)控范圍的情況下實(shí)現(xiàn)無人機(jī)巡檢效率的最大化。

近些年隨著沿海地區(qū)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的全面實(shí)施，用海需求持續(xù)增長(zhǎng)，用海規(guī)模不斷擴(kuò)大。無人機(jī)系統(tǒng)這一新型的海域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段，因其在監(jiān)測(cè)端的諸多優(yōu)勢(shì)，在多方監(jiān)測(cè)任務(wù)中發(fā)揮著重要作用。但由于目前我國(guó)海域無人機(jī)遙感監(jiān)視監(jiān)測(cè)技術(shù)還處于起步階段，海域無人機(jī)遙感監(jiān)視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)尚未形成規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化、業(yè)務(wù)化運(yùn)行能力。在海域應(yīng)用中，也存在諸多問題與隱患，主要體現(xiàn)在目前海域無人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)的單點(diǎn)作業(yè)模式難以滿足海域大范圍監(jiān)測(cè)和無人機(jī)系統(tǒng)規(guī)?；\(yùn)行的需求，故搭建海域無人機(jī)帶狀網(wǎng)絡(luò)接力測(cè)控系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1 帶狀網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)架

海域無人機(jī)帶狀網(wǎng)絡(luò)測(cè)控通信系統(tǒng)主要由機(jī)載數(shù)據(jù)終端、測(cè)控站數(shù)據(jù)終端和網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)終端三部分構(gòu)成。其中機(jī)載數(shù)據(jù)終端是指通信數(shù)據(jù)鏈的機(jī)載設(shè)備，安裝在無人機(jī)上，由收發(fā)信機(jī)、微波前端和收發(fā)天線組成，分為機(jī)載視距數(shù)據(jù)終端和機(jī)載衛(wèi)通數(shù)據(jù)終端；測(cè)控站數(shù)據(jù)終端是指數(shù)據(jù)鏈的測(cè)控站設(shè)備，設(shè)置在地面、車輛或艦船等平臺(tái)上，由收發(fā)信機(jī)、微波前端和收發(fā)天線組成，分為視距測(cè)控站數(shù)據(jù)終端和衛(wèi)通測(cè)控站數(shù)據(jù)終端；網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)終端是指測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，設(shè)置在地面、車輛或艦船等平臺(tái)上，用于將測(cè)控?cái)?shù)據(jù)接入公網(wǎng)或者專網(wǎng)，直達(dá)地面指揮中心。由接口適配器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)絡(luò)接入器組成，分為光纖接入數(shù)據(jù)終端、公網(wǎng)接入數(shù)據(jù)終端和微波轉(zhuǎn)發(fā)接入數(shù)據(jù)終端等[2-4]。

按照上述結(jié)構(gòu)定位，得到帶狀網(wǎng)絡(luò)測(cè)控通信系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

2 接力測(cè)控方案

對(duì)于帶狀網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)而言，重要的一點(diǎn)是需要在帶狀分布的各固定測(cè)控站結(jié)點(diǎn)之間完成無縫軟切換測(cè)控接力，實(shí)現(xiàn)測(cè)控距離的網(wǎng)絡(luò)延伸。同時(shí)，需要考慮多架無人機(jī)同時(shí)進(jìn)入一個(gè)固定測(cè)控站結(jié)點(diǎn)測(cè)控范圍即一站多機(jī)的情況下，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、可靠、協(xié)調(diào)的多機(jī)測(cè)控。因此分析設(shè)計(jì)了多種接力測(cè)控方案。

圖1 帶狀網(wǎng)絡(luò)區(qū)域巡檢巡檢測(cè)控通信系統(tǒng)功能組成

2.1 雙通道接力測(cè)控

雙通道是指無論是地面測(cè)控站、中繼無人機(jī)還是任務(wù)無人機(jī)，均進(jìn)行冗余備份設(shè)計(jì)，具有雙鏈路通信功能。各固定測(cè)控站主鏈路采用同樣的頻率，備鏈路采用同樣的頻率，充分節(jié)省頻帶資源。將備用鏈路與主鏈路進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，無論是收發(fā)信機(jī)、微波前端還是收發(fā)天線，均備有雙通道，同時(shí)進(jìn)行模塊復(fù)用和小型化設(shè)計(jì)，在空間、重量允許的條件下滿足冗余設(shè)計(jì)要求。備鏈路作為主鏈路的輔助鏈路，優(yōu)先使用主鏈路，實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)和遙感等信息的傳輸功能。當(dāng)主鏈路出現(xiàn)中斷和故障時(shí)，或者是需要空中接力使用雙鏈路時(shí)，人工或自動(dòng)啟用應(yīng)急鏈路，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的遙控遙測(cè)，完成無人機(jī)控制權(quán)的空中交接，提高特殊、緊急情況下的應(yīng)對(duì)能力[5]。

帶狀網(wǎng)絡(luò)區(qū)域巡檢無人機(jī)無縫軟切換雙通道測(cè)控接力過程如圖2所示。圖中無人機(jī)在保證載荷數(shù)據(jù)傳輸不間斷的情況下由固定測(cè)控站1控制轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭y(cè)控站2控制，主要分為以下幾個(gè)階段：

（1）正常巡檢過程：無人機(jī)與固定測(cè)控站1通過主鏈路進(jìn)行遙控、遙測(cè)、遙感雙向數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)也利用備鏈路進(jìn)行遙控、遙測(cè)雙向數(shù)據(jù)傳輸，提高無人機(jī)測(cè)控的可靠性和安全性，由于主鏈路具有高的優(yōu)先級(jí)，所以此過程中以主鏈路數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；

（2）無人機(jī)空中接力準(zhǔn)備：固定測(cè)控站1停止主鏈路的上行遙控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送過程，繼續(xù)通過主鏈路接收遙感數(shù)據(jù)。由于主鏈路上行鏈路中斷，備鏈路開始起主導(dǎo)作用，故利用固定測(cè)控站1的備鏈路完成無人機(jī)的遙控、遙測(cè)任務(wù)；

（3）測(cè)控接力過程：固定測(cè)控站2開啟主鏈路與無人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測(cè)、遙感雙向數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)固定測(cè)控站1利用備鏈路與無人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測(cè)雙向數(shù)據(jù)傳輸，由于主鏈路具有高的優(yōu)先級(jí)，因此無人機(jī)以固定測(cè)控站2的主鏈路數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，測(cè)控站之間實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)測(cè)控權(quán)的移交，實(shí)現(xiàn)了測(cè)控接力。此過程中無人機(jī)利用下行鏈路全向天線同時(shí)向地面測(cè)控站1和地面測(cè)控站2傳輸遙感數(shù)據(jù)，匯聚至指揮中心以后由指揮中心根據(jù)包號(hào)重新選擇整理；

（4）正常巡檢過程：固定測(cè)控站1斷開備鏈路，停止與無人機(jī)的數(shù)據(jù)交互過程，同時(shí)固定測(cè)控站2開啟備鏈路，無人機(jī)與固定測(cè)控站2一方面通過主鏈路進(jìn)行遙控、遙測(cè)、遙感雙向數(shù)據(jù)傳輸，一方面利用備鏈路進(jìn)行遙控、遙測(cè)雙向數(shù)據(jù)傳輸，由于主鏈路具有高的優(yōu)先級(jí)，所以以主鏈路數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，無人機(jī)在固定測(cè)控站2的測(cè)控下進(jìn)入正常巡檢過程。

圖2 無人機(jī)無縫軟切換測(cè)控接力過程

技術(shù)特征：雙通道技術(shù)比較成熟，雙鏈路備份，可靠性高，具有較強(qiáng)的應(yīng)急通信能力；所有固定站主鏈路應(yīng)用同一頻點(diǎn)，備鏈路應(yīng)用同一頻點(diǎn)，節(jié)省頻帶資源；只適合單點(diǎn)通信，如果多架無人機(jī)分別受控于不同固定測(cè)控站，則需要為每架無人機(jī)添加ID標(biāo)識(shí)；如果多架無人機(jī)受控于一個(gè)固定站，即一站多機(jī)，則需要配合其他技術(shù)，否則無法避免同頻干擾。

2.2 基于FDMA的接力測(cè)控

基于頻分多址（Frequency Division Multiple Access,FDMA）技術(shù)是指為每一個(gè)測(cè)控站分配特定信道，各地面測(cè)控站利用不同頻點(diǎn)與無人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測(cè)雙向數(shù)據(jù)傳輸，機(jī)載測(cè)控設(shè)備要求具備所有頻段信號(hào)的接收解調(diào)能力。

帶狀網(wǎng)絡(luò)區(qū)域無人機(jī)FDMA測(cè)控接力過程如圖3所示。

圖3 無人機(jī)FDMA測(cè)控接力過程

圖中無人機(jī)在保證載荷數(shù)據(jù)傳輸不間斷的情況下由固定測(cè)控站1控制轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭y(cè)控站2控制，主要分為以下幾個(gè)階段：

（1）正常巡檢過程：無人機(jī)與固定測(cè)控站1通過f2頻點(diǎn)上行傳輸遙控?cái)?shù)據(jù)，通過f1頻點(diǎn)下行傳輸遙測(cè)傳輸；

（2）無人機(jī)空中接力準(zhǔn)備：機(jī)載測(cè)控設(shè)備檢測(cè)所有規(guī)劃頻點(diǎn)能量，對(duì)于超出門限值的頻點(diǎn)，與測(cè)控站進(jìn)行握手協(xié)商，確定是否可以進(jìn)行頻點(diǎn)切換和測(cè)控接力；

（3）測(cè)控接力過程：固定測(cè)控站2與固定測(cè)控站1通過地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信，獲取遙控?cái)?shù)據(jù)，利用f3頻點(diǎn)向無人機(jī)發(fā)送與固定測(cè)控站1相同的遙控信息。機(jī)載設(shè)備確定切換頻點(diǎn)，繼續(xù)利用f1頻點(diǎn)下傳遙測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收f3頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為遙控信息，完成測(cè)控接力。此過程中機(jī)載下行遙測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)射可以不用更換頻點(diǎn)，同時(shí)無人機(jī)利用下行鏈路全向天線同時(shí)向地面測(cè)控站1和地面測(cè)控站2傳輸圖像遙感數(shù)據(jù)，匯聚至指揮中心以后由指揮中心根據(jù)包號(hào)重新選擇整理；

（4）正常巡檢過程：固定測(cè)控站1停止與無人機(jī)的數(shù)據(jù)交互過程，無人機(jī)在固定測(cè)控站2的測(cè)控下進(jìn)入正常巡檢過程。

技術(shù)特征：頻分復(fù)用技術(shù)比較成熟，適用于多無人機(jī)同時(shí)工作，如果多架無人機(jī)分別受控于不同固定測(cè)控站，可通過不同頻點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分；可考慮移動(dòng)蜂窩網(wǎng)形式，可為帶狀（假設(shè)40個(gè)）固定測(cè)控站分配 5 個(gè)頻點(diǎn)（如下規(guī)劃 f1，f2，f3，f4，f5，f1，f2，f3，f4，f5…f1，f2，f3，f4，f5），一方面能夠避免臨站干擾，另一方面能夠節(jié)省頻帶資源，但是要對(duì)無人機(jī)和固定測(cè)控站分別添加標(biāo)識(shí)；如果多架無人機(jī)受控于一個(gè)固定站，即一站多機(jī)，則需要配合TDMA、CDMA或?qū)Χ嗉軣o人機(jī)再次進(jìn)行FDMA，如若采用FDMA需要測(cè)控站具備多頻段接收解調(diào)能力；測(cè)控接力屬于硬切換，即先斷后連，所有同步過程需重新建立，接力中斷時(shí)間可達(dá)秒級(jí)。每個(gè)固定站采用不同的頻率范圍，占用較大頻帶帶寬，浪費(fèi)頻率資源。

2.3 基于CDMA的接力測(cè)控

碼分多址（Code Division Multiple Access,CDMA）系統(tǒng)中，窄帶信號(hào)乘上了一個(gè)稱為擴(kuò)頻信號(hào)的大帶寬信號(hào)。擴(kuò)頻信號(hào)是一個(gè)偽隨機(jī)碼序列，其碼片速率比消息中的數(shù)據(jù)速率高若干數(shù)量級(jí)[6]。在基于CDMA的接力測(cè)控中，各地面測(cè)控站利用相同頻點(diǎn)、不同擴(kuò)頻偽碼與無人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測(cè)雙向數(shù)據(jù)傳輸。機(jī)載設(shè)備同時(shí)接收所有同頻信號(hào)，通過不同偽碼序列確定受控于哪個(gè)地面測(cè)控站。

帶狀網(wǎng)絡(luò)區(qū)域無人機(jī)CDMA測(cè)控接力過程如圖4所示。

圖4 無人機(jī)CDMA測(cè)控接力過程

無人機(jī)在保證載荷數(shù)據(jù)傳輸不間斷的情況下由固定測(cè)控站1控制轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭y(cè)控站2控制，主要分為以下幾個(gè)階段。

（1）正常巡檢過程：無人機(jī)與固定測(cè)控站1采用偽碼序列PN1傳輸上行遙控?cái)?shù)據(jù)，利用偽碼序列PN0傳輸下行遙測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)其他地面測(cè)控站利用各自的偽碼序列進(jìn)行統(tǒng)一的遙控?cái)?shù)據(jù)發(fā)射，并接收偽碼序列PN0傳輸?shù)南滦羞b測(cè)數(shù)據(jù)；

（2）無人機(jī)空中接力準(zhǔn)備：機(jī)載測(cè)控設(shè)備對(duì)所有可能偽碼序列進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于超出門限值的偽碼序列，與測(cè)控站進(jìn)行握手協(xié)商，確定是否可以進(jìn)行偽碼切換和測(cè)控接力；

（3）測(cè)控接力過程：檢測(cè)到偽碼序列PN2的信號(hào)強(qiáng)度超出門限值并確定可以接力時(shí)，機(jī)載設(shè)備利用PN2信號(hào)恢復(fù)的數(shù)據(jù)作為遙控信息，同時(shí)繼續(xù)利用PN0序列下發(fā)遙測(cè)信息，完成測(cè)控接力。此過程中無人機(jī)利用下行鏈路全向天線同時(shí)向地面測(cè)控站1和地面測(cè)控站2傳輸圖像遙感數(shù)據(jù)，匯聚至指揮中心以后由指揮中心根據(jù)包號(hào)重新選擇整理；

（4）正常巡檢過程：固定測(cè)控站1停止與無人機(jī)的數(shù)據(jù)交互過程，無人機(jī)在固定測(cè)控站2的測(cè)控下進(jìn)入正常巡檢過程。

技術(shù)特征：碼分復(fù)用技術(shù)在3G移動(dòng)通信中應(yīng)用比較成熟，每個(gè)固定站采用相同的頻率，只是擴(kuò)頻碼不同，節(jié)省頻率資源；采用先連后斷的接力方式，不需要重新建立同步過程，實(shí)現(xiàn)了無縫軟切換；機(jī)載設(shè)備需要處理多路PN序列檢測(cè)，數(shù)據(jù)處理量較大，對(duì)資源、功耗等有較高要求；適用于多無人機(jī)同時(shí)工作，如果多架無人機(jī)分別受控于不同固定測(cè)控站，可通過不同PN序列進(jìn)行區(qū)分；如果多架無人機(jī)受控于一個(gè)固定站，即一站多機(jī)，則需要對(duì)測(cè)控站進(jìn)行復(fù)用，需要測(cè)控站具備多碼字、多時(shí)隙或多頻段接收解調(diào)能力；測(cè)控接力屬于軟切換，即先連后斷，無需再次重新建立所有同步過程。

2.4 基于TDMA的接力測(cè)控

時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技術(shù)把時(shí)間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙（無論幀或時(shí)隙都是互不重疊的），與用戶具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，依據(jù)時(shí)隙區(qū)分來自不同地址的用戶信號(hào)，從而完成的多址連接?？紤]到相鄰時(shí)隙的信號(hào)之間會(huì)有不確定性，在不同時(shí)隙之間留有保護(hù)間隔，用此緩沖區(qū)來減少干擾[7]。

無人機(jī)測(cè)控接力采用具有滯后余量的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則，即僅允許在新測(cè)控基站的信號(hào)強(qiáng)度比原測(cè)控基站信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)一定余量（即大于滯后余量）的情況下進(jìn)行接力，如圖所示的A點(diǎn)。該技術(shù)可以防止由于信號(hào)波動(dòng)引起的移動(dòng)臺(tái)在兩個(gè)測(cè)控基站之間來回重復(fù)切換，即“乒乓效應(yīng)”。

圖5 無人機(jī)測(cè)控接力的原則

無人機(jī)測(cè)控接力過程由無人機(jī)、各測(cè)控基站及測(cè)控中心共同完成。無人機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)量各測(cè)控基站的信號(hào)強(qiáng)度，測(cè)控基站負(fù)責(zé)接收無人機(jī)反饋的信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果，控制中心負(fù)責(zé)完成切換。N個(gè)測(cè)控基站依次在其SAT時(shí)隙向各無人機(jī)發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量信號(hào)，各無人機(jī)接收到各基站發(fā)送來的強(qiáng)度測(cè)量信號(hào)后對(duì)與當(dāng)前基站的信號(hào)強(qiáng)度比較。當(dāng)檢測(cè)到某基站的信號(hào)強(qiáng)度大于當(dāng)前基站信號(hào)強(qiáng)度一定余量時(shí)，無人機(jī)在其ACK時(shí)隙發(fā)送切換基站申請(qǐng)信號(hào)，基站將其接收到的切換基站申請(qǐng)信號(hào)傳遞給測(cè)控中心，測(cè)控中心在遙控?cái)?shù)據(jù)時(shí)隙發(fā)送無人機(jī)切換基站的命令，完成切換。這種切換方式是在與新基站建立聯(lián)系信道后，才斷開與原基站的聯(lián)系信道,因此在切換過程中沒有中斷的問題,對(duì)通信質(zhì)量沒有影響。

技術(shù)特征：TDMA通信系統(tǒng)的基站只用一部發(fā)射機(jī)，可以避免FDMA通信系統(tǒng)多部不同頻率發(fā)射機(jī)同時(shí)工作而產(chǎn)生的互調(diào)干擾；系統(tǒng)不存在頻率分配問題，頻帶利用率高，對(duì)時(shí)隙的管理和分配比對(duì)頻率的管理和分配簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)；無人機(jī)只在指定的時(shí)隙中接收指定測(cè)控站信息，有利于通信網(wǎng)絡(luò)的控制和管理，可保證無人機(jī)的越區(qū)切換功能可靠的現(xiàn)實(shí)；可同時(shí)提供多種業(yè)務(wù)，使系統(tǒng)的通信容量和通信速率成倍增長(zhǎng)；系統(tǒng)具有精確的定時(shí)和同步功能，可保證各無人機(jī)發(fā)送的信號(hào)不會(huì)在測(cè)控站發(fā)生重疊和混淆，但精確地定時(shí)和同步需要額外的開銷，是技術(shù)難點(diǎn)；TDMA較之FDMA具有通信質(zhì)量高，保密好，系統(tǒng)容量大等優(yōu)點(diǎn)，但它必須有精確定時(shí)和同步以保證移動(dòng)終端和基站間正常通信，技術(shù)上比較復(fù)雜。

3 方案選擇

3.1 帶狀網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

帶狀網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)分布，拓?fù)淇刂浦械穆?lián)通與覆蓋等相關(guān)問題假定已解決，即無人機(jī)的航跡已預(yù)知，因此已明確無人機(jī)的地面測(cè)控站接力測(cè)控順序，因此對(duì)于幾種接力測(cè)控方式均可以進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化：

（1）對(duì)于FDMA而言，可以只對(duì)相鄰地面測(cè)控站劃分不同頻點(diǎn)，例如各測(cè)控站依次分配為f1，f2，f3，f4，f5，f1，f2，f3，f4，f5…f1，f2，f3，f4，f5，一方面能夠避免臨站干擾，另一方面能夠節(jié)省頻帶資源；

（2）對(duì)于CDMA而言，能夠預(yù)先得知可能切換的兩個(gè)相鄰測(cè)控站的偽碼序列，因此機(jī)載設(shè)備可以只比較三條偽碼序列的能量，如此接力下去依次滑動(dòng)偽碼序列表，減小機(jī)載設(shè)備的運(yùn)算復(fù)雜度；

（3）對(duì)于TDMA而言，由于無人機(jī)沿線帶狀飛行，其航跡已經(jīng)確定，因此每次可只分配3個(gè)時(shí)隙，即當(dāng)前測(cè)控站時(shí)隙、之前測(cè)控站時(shí)隙、之后測(cè)控站時(shí)隙，每次只比較這3個(gè)時(shí)隙中信號(hào)能量即可確定接力條件，依次滑動(dòng)，減小機(jī)載設(shè)備數(shù)據(jù)處理量。

3.2 方案比較

通過上述方案設(shè)計(jì)及論證，得到各方案的性能對(duì)比如表1所示。

表1 各接力測(cè)控方案比較

3.3 方案選擇

針對(duì)上述分析，建議帶狀網(wǎng)絡(luò)接力測(cè)控建設(shè)實(shí)施步驟如下：

（1）首先利用通用測(cè)控設(shè)備建設(shè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙通道接力測(cè)控系統(tǒng)；

（2）由于已有測(cè)控設(shè)備中遙控、遙測(cè)信號(hào)已采用擴(kuò)頻技術(shù)，因此可進(jìn)一步發(fā)展CDMA接力測(cè)控技術(shù)，一方面改動(dòng)較小，另一方面可解決特定情況下不能提供雙頻段通道的問題。關(guān)于機(jī)載設(shè)備的運(yùn)算復(fù)雜度，可以采用依次滑動(dòng)偽碼序列表的方法，每次只比較相鄰3個(gè)偽碼的能量；

（3）由于現(xiàn)有一站多機(jī)方案多采用TDMA方式，因此最終發(fā)展TDMA接力測(cè)控方式，如此可將一站多機(jī)與接力測(cè)控相結(jié)合。TDMA接力測(cè)控過程中，同樣可采用時(shí)隙滑動(dòng)動(dòng)態(tài)分配方法，每次只比較3個(gè)時(shí)隙的信號(hào)能量來確定是否接力。但是由精準(zhǔn)的無人機(jī)、測(cè)控站定時(shí)同步具有相當(dāng)大的難度，因此作為CDMA接力測(cè)控方案的下一個(gè)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；

（4）考慮借鑒移動(dòng)通信制式，采用TDMA以及CDMA相結(jié)合的接力測(cè)控方式，追求實(shí)用性、頻帶效率、復(fù)雜度、可實(shí)現(xiàn)性折中的最佳方案（CDMA接力測(cè)控，TDMA一站多機(jī)；TDMA接力測(cè)控，CDMA一站多機(jī)等）；

（5）FDMA不建議使用，一是頻帶利用率低，而且接力測(cè)控過程為硬切換，不具備良好的安全性，同時(shí)無論是無人機(jī)還是測(cè)控站，做到多頻點(diǎn)兼容同時(shí)發(fā)射、接收，對(duì)功率放大器、濾波器及天線都有一定挑戰(zhàn)。

4 結(jié)束語

在海域無人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)一測(cè)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需求分析中，研制無人機(jī)跨區(qū)域接力測(cè)控是其重要的一部分。本文通過對(duì)整個(gè)無人機(jī)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析，搭建系統(tǒng)構(gòu)架，依照需求，提出四種切實(shí)可行的接力測(cè)控設(shè)計(jì)方案。后通過結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件、方案實(shí)施難度及系統(tǒng)特性，提出最終的建設(shè)方案。完備的接力測(cè)控網(wǎng)絡(luò)能將單個(gè)無人機(jī)的測(cè)控距離擴(kuò)展，通過在大面積跨區(qū)海域的無縫軟切換，保證無人機(jī)監(jiān)測(cè)范圍可達(dá)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任意區(qū)域，特別是能夠解決將來多種類別的長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)引入海洋監(jiān)測(cè)的測(cè)控問題，使長(zhǎng)航時(shí)跨省區(qū)跨海域大范圍監(jiān)測(cè)成為可能。再結(jié)合現(xiàn)有的海域動(dòng)態(tài)管理專網(wǎng)，將無人機(jī)以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式動(dòng)態(tài)接入到現(xiàn)有的海域動(dòng)態(tài)專網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)上傳、更新、分發(fā)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)共享、現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一指揮的效果。

[1]魏傳虎，任杰，張晶晶,等.電力巡線無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015,41(7)：77-80.

[2]劉天保.一種無人機(jī)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D]：天津：天津大學(xué)，2012.

[3]劉賓容.接收前段信號(hào)設(shè)計(jì)中的一些考慮[J].電訊技術(shù)，2004(3).

[4]周焱.無人機(jī)地面站發(fā)展綜述[J].航天電子技術(shù)，2010(01):1-6.

[5]劉俊云，王俏華，肖登明.雙通道數(shù)據(jù)通信終端的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004(04):32-33.

[6]王慶揚(yáng)，張青，韋崗.CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)中的多用戶檢測(cè)技術(shù)[J].移動(dòng)通信2000(02):41-45.

[7]秦勇，張軍，張濤.TDMA時(shí)隙分配對(duì)業(yè)務(wù)時(shí)延性能的影響分析[J].電子學(xué)報(bào)，2009(10):2277-2283.

Research on the Banded Network Relay Monitoring and Control System of Ocean UAV

CAO Hai1,LIU Hui1,WANG Bing2,ZHU Tie-lin2
1.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;
2.Tianjin Zhong Wei Aerospace Data System Technology Co.Ltd,Tianjin 300301,China

To solve the problem that current UAV single-point operating mode is difficult to meet both the largescale monitoring of the sea and the need of UAV system for scale operation,this paper proposes the relay monitoring and control scheme.Combined with existing communication monitoring and control technology,4 feasible schemes are put forward in this paper,including the relay monitoring and control schemes respectively based on dual channel,on FDMA,on CDMA and on TDMA.Through comparing the advantages and disadvantages of each scheme,as well as analyzing current conditions,this paper puts forward a set of transition schemes combined with various technologies to ensure the security and feasibility of the project.

UAV;banded network;relay monitoring and control

V279；TP273

A

1003-2029（2017）05-0066-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.011

2017-05-31

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（201405028）

曹海（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o人機(jī)測(cè)控通信。E-mail：caohai_notc@126.com