无人机综合一体化测控终端设计

摘要

现有无人机(UAV)测控终端设备综合化程度不高，互通能力较差，不能满足未来无人机的模块化、综合化、通用化发展趋势。针对上述问题，采用“系统高度集成+功能综合可重构”的模式，提出一种可适用于机载，也可适用于地面的无人机综合一体化测控终端设计。采用标准模块构建开放式硬件平台，实现高集成综合处理能力；设计了动态重构的通信波形加载机制，完成通用测控链路中通信体制的在线更新及升级；进行标准化通信协议研究，提供不同型号测控链路的互联互通基础。实测结果表明，该设计可在数分钟内完成动态重构并有效支撑不同任务。

关键词

无人机; 测控终端; 综合一体化; 模块化; 可重构

无人机测控链路承担无人机与地面控制站之间信息交换的关键任务，由机载测控终端和地面测控终端组成。目前，无人机测控终端的技术发展呈现出多种特点。对于机载测控终端，设备综合程度较高，但其功能、性能提升受限于平台载荷能力对尺寸、质量的严格约束；对于地面测控终端，在大、中型地面站中，功能完整但设备形态分离；在小型、便携式地面站中，在基于功能简化的前提下进行小型、综合设计。除此之外，各型测控终端在设计时通常只考虑为某型无人机配套专用软硬件，不同型号之间无法互通。

随着无人机系统的广泛应用^[1-2]，无人机设备将逐步由传统的单功能、独立式向综合化、通用化方向发展^[3]。为支持多元化、临时性任务对设备即插即用、互联互通的需求，模块化、综合化、通用化将是无人机测控终端未来发展的重要方向。本文针对当前机载、地面测控终端的发展现状，设计了一种无人机综合一体化测控终端，对机载和地面设备都具有良好的可实现性。基于模块化、开放式硬件架构和可重构软件设计，在不改变硬件的条件下可满足多种体制、不同链路的使用要求，具有系统高度集成，功能综合可重构的显著特征。

1 综合一体化平台架构设计

传统的测控终端采用分离式结构设计，没有统一的架构和接口，各部分针对不同的链路要求，采用专用模块完成相关功能；模块间使用非标准总线的点对点连接，不具备综合化、通用化能力且整机尺寸、质量偏大。针对上述问题，设计了图1所示的综合一体化平台架构。

图1  综合一体化平台架构框图

Fig.1  Diagram of integrated platform architecture

综合一体化平台架构分为硬件和软件2部分。硬件部分按功能梳理，为具有标准接口的模块，主要分为收发天线、信道处理、信号/信息处理等。收发天线完成射频信号的收发；信道处理主要完成射频信号的放大、滤波、上下变频等；信号/信息处理完成中频信号的调制解调处理、协议组帧及分帧处理等。软件部分采用嵌入式操作系统作为基础平台，实现设备驱动、应用程序(信号处理软件、通信协议软件等)、系统配置、日志模块的调度和管理。信号处理软件完成接收中频信号采集、发射中频信号波形产生，以及编解码、调制解调、数字滤波等功能，并根据控制参数完成调制体制、数据速率的切换；通信协议软件完成信息组帧/解帧和对外接口通信。综合资源管理框架提供检测系统状态并支撑硬件资源和波形可重构能力，主要工作包括设备状态监测、资源规划、应用加载、电源/时钟管理、对外/对内接口管理等。

应用模块化、综合化的设计，按照“开放式硬件平台+软件动态加载”的模式^[4]构建平台架构，将测控功能软件化、组合化。测控终端的资源按功能分类并采用标准接口，逐步实现信道处理模块、信号/信息处理模块甚至全部处理模块的通用设计。采用这种方式一方面可以减少处理资源的种类，另一方面能为功能重构和扩展奠定基础。对于耦合度较低的时钟、电源等模块，统一设计并利用标准化的互联系统总线进行数据交换。综合一体化平台架构具有良好的综合化、模块化特点，既可兼容现有无人机测控链路的技术体制，也可满足未来新增的需求，提升应用灵活性。该架构采用开放式、模块化硬件，并对软件进行相对独立的设计，可适应机载、地面不同类型测控链路的需要，为综合一体化测控终端实现提供了基础。

2 关键技术

2.1 高集成综合处理技术

综合一体化测控终端实现的关键技术之一在于硬件资源的模块化和高度集成化。通过高集成综合处理技术，主要从两方面实现：一是采用高集成度功能芯片实现射频/中频信号处理、信息处理综合板卡化；二是各部分之间均采用标准接口互连，方便实现模块的重新配置。具体步骤如下：

1) 信道部分功能单元较多且复杂，核心功能可利用高集成度、宽频覆盖的射频收发器完成；

2) 信号/信息处理部分涉及的大量工作数据：读写与输入/输出资源，由现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)完成；

3) 信息处理部分需要运行系统支撑，结合低成本和通用性特点，选用有精简指令集处理器(Advanced RISC Machines，ARM)^[5-6]内核的中央处理器(Central Processing Unit，CPU)；

4) 确定接口时应注意连接线类型与数据交互量相关；

5) 不同工作频率可通过更换收发通信天线及前端射频单元完成重组实现。

综上所述，针对当前无人机测控常用的L、S、C频段，选用AD9361收发芯片^[7-8]和其他外围器件完成信道处理功能；选用FPGA与ARM集成的系统级芯片ZYNQ实现信号/信息处理功能，完成射频/中频信号及信息处理综合化。图2为相应的系统组成，对硬件模块进行综合化设计，在减小整机体积的同时尽可能拓展数据交互带宽。

图2  测控终端组成框图

Fig.2  Composition diagram of TT&C terminal

信道部分由滤波器、功分器、放大器和AD9361芯片等组成，所有射频单元集成设计，实现宽频谱覆盖的射频收发功能。AD9361芯片集成度高，可编程能力强，且接收部分能独立实现自动增益控制、直流失调校正、正交校正和数字滤波等功能，主要完成射频信号采样。信号/信息处理部分主要负责调制解调、协议处理、通信数据交互、定位子卡数据交互、IO接口控制等功能，其中基带信号调制解调、协议处理及接口管理功能分别由FPGA和ARM完成。FPGA中构造出锁相环路、编解码、波形产生及调制、数字滤波等功能模块，同时在ARM控制下完成调制体制、数据速率的切换。利用二者之间的通用接口，生成不同的管理参数模块并根据需要扩展。定位天线和子卡配合完成定位功能；时钟管理主要满足对内、外时钟兼容性和多速率工作时钟的实时切换需求；电源单元完成电源转换及内部供电工作。

2.2 通信波形动态加载技术

不同型号无人机测控链路涉及多种通信体制，如Reed-Solomon(RS)纠错码、卷积、低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code，LDPC)等编码方式，二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)、正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)等调制方式。采用通信波形动态加载技术，在同一硬件平台的基础上实现多体制、多速率不同波形的在线更新，在较低成本下具备功能性能升级扩展的能力。

将不同通信波形封装为独立模块，通常可使用静态和动态链接2种加载方式。执行静态链接时，模块在文本和数据段的位置均保持不变；而动态链接则是在运行中把外部模块的可执行代码与系统链接起来。通信波形动态加载技术的关键在于采用动态加载机制，即在系统运行中动态添加模块进行配置，保证在实时更新的同时系统仍稳定安全运行，具体实现过程见图3。根据不同的通信体制设计相应波形模块文件，按需加载模块，整个过程中严格执行循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check，CRC)，确保加载可靠性，并自动生成日志文件用于事后查询记录等。

图3  通信波形动态加载功能框图

Fig.3  Functional diagram of dynamic-loaded communication waveform

主要工作流程包含以下步骤：a) 动态加载机制开始初始化，并在波形加载时启动控制权接管。外部波形模块具备初始化后统一的定义格式，加载后即可直接运行；b) 运行新波形模块时，将相关信息和控制权同步提交给动态加载机制；c) 对新波形模块完成符号解析和重定位(在代码修正时修改相关地址域指令)，其中符号解析完成函数/全局变量在自身/其他模块中合适的、唯一的定义确认；d) 在所有修正和重定位完成后，新波形模块分配到内存空间，等待执行；e) 新波形模块加载完成后，新系统形成并运行，控制权转移给系统；f) 波形模块长时间未被使用，或需要腾出新的使用空间时，无用模块被分解或移除。

2.3 通信协议标准设计

通信协议标准设计对测控链路的功能分层、协议实现程序及无线传输帧格式进行统一策划，制定灵活、可定义的通信协议标准，适用于不同型号测控链路，提升链路互操作、互联互通性。

以开放式系统互联(Open System Interconnection，OSI)模型为参考，无人机测控链路的功能层可分为物理层、链路层、格式层和应用层^[9]。物理层提供物理传输接口，完成测控信号的参数配置和传输；链路层对不同类型数据实现高速复接与解复接，负责链路的建立、维护和释放；格式层以标准格式对链路管理/接收数据完成封装、分段、适配处理；应用层作为数据传输的信源/信宿，提供用户界面并完成信息解析。相关信息交互流程见图4。发送端在不同层依次加上协议头部，用作信息表示、差错控制等；接收端按顺序依次去掉协议头部，将剩下的净负荷通过层间接口提交给上层协议处理。

图4  功能层间信息传输流程

Fig.4  Information transmission flow of functional layers

根据上述流程，通信协议实现程序可分为：应用层程序、格式层程序、链路层程序、物理层程序和链路管理模块程序，以及各相邻层间的接口程序(见图5)。各程序实现时既相互独立又彼此相关，功能函数均在本层封装实现，具有互联互通的结构特点。此外，针对相关标准定义的无线传输帧格式在表述多种、较长的用户数据存在的局限性时^[10]，可按表1中的无线传输帧格式以动态复接的方式灵活定义。

图5  协议实现程序

Fig.5  Protocol realization procedure and wireless transmission frame format

表1  无线传输帧格式

Table1  Format of wireless transmission frame

property	content	instruction
frame beginning information	frame header	frame synchronization character
	sign parameter	frame sign/encrypt sign/version number
	address parameter	unified coding,only definition
	composite connection form	connection sign of packets
	password management information	/
	spare part	/
	cyclic counting	packet loss statistics
	header verification	except frame header
data region (including verification)	data region 1	packaging different type of data (link management/user data)
	⁝
	data region n

3 技术验证

综合一体化测控终端设备可基于一体化结构内嵌于控制站内部，设备外形尺寸可控制在140 mm×100 mm×40 mm以内，质量≤1 kg。按照图6搭建了无线试验环境，对无线测控链路收发性能进行考察。

图6  实验框图

Fig.6  Experimental block diagram

针对不同使用需求涉及的通信波形(以BPSK调制/RS+卷积编码、BPSK调制/LDPC编码为例)，对通信波形、帧格式信息、参数信息完成动态配置并测试，相关界面见图7。

图7  动态配置/接收视频图像截图

Fig.7  Dynamic configuration/screenshot of received video image

测试中更改了2种通信波形，并对上行遥控误/漏指令率、下行遥测误码率、图像传输功能、定向跟踪性能进行了测试。对通信波形、无线传输帧的相关参数动态配置可在2 min内在线完成，表2给出了典型测试结果值。通过50次上行遥控指令发送接收比对，2种通信波形均无误/漏指令。在3 Mbps信息速率下，下行遥测信息误码率低于1×10^-5，且视频图像接收均未发生卡顿现象(见图7)。对动态目标进行定向跟踪，也能实时正常跟踪。由此可知，该终端可在不更改硬件的情况下快速实现功能重构，即使是新性能的升级也可在短时间内高效配置，满足多样的通信需求且具有很好的工程实用性。

表2  典型测试指标值

Table2  Typical test index values

test item	test result
	BPSK modulation/RS+convolutional encoding	BPSK modulation/LDPC encoding
error/missed rate of uplink remote command	0	0
bit error rate of downlink telemetry	1.5×10-6	1.4×10-6
image transmission function	clear and smooth image	clear and smooth image
directional tracking performance	normal tracking	normal tracking

4 结论

本文介绍了一种设备综合化、功能软件化的无人机综合一体化测控终端设计技术，解决了现有无人机测控终端功能单一、设备繁多的问题。在通用的综合一体化平台架构下，通过AD9361收发芯片、ZYNQ芯片以及外围器件的高效组合实现了设备小型化、模块化。此外，基带信号的链路参数、无线传输帧格式与参数内容动态可配，为机、地多体制多类型测控终端的通用奠定了使用基础，也可方便快捷地实现功能性能升级扩展。对样机进行实测，验证了该技术实现小型化、高性能、通用化测控终端的有效性，满足不同无人机链路的信息传输需求。下一步将针对机载、地面测控终端的通用设计甚至机、地自由部署进行研究，最终实现简单、可靠的即插即用。