无人机数据传输系统.docx

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1、1.概论：无人机，即无人驾驶的飞机。是指在飞机上没有驾驶员，只是由程序 控制自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的飞机。它装有自动驾驶 仪、程序控制系统、遥控与遥测系统、自动导航系统、自动着陆系统等， 通过这些系统可以实现远距离飞行并得以控制。无人机与有人驾驶的飞机 相比而言，重量轻、体积小、造价低、隐蔽性好，特别宜于执行危险性大 的任务，因此被广泛应用。二、无人机的特点及技术要求无人机没有飞行员，其飞行任务的完成是由无人飞行器、地面控制站 和发射器组成的无人机系统在地面指挥小组的控制一下实现的。据此，无 人机具有以下特点：（1）结构简单。没有常规驾驶舱，无人机结构尺寸比有人驾驶飞机小 得多

2、。有一种无尾无人机在结构上比常规飞机缩小40%以上。重量减轻， 体积变小，有利于提高飞行性能和降低研制难度。（2）安全性强。无人机在操纵人员培训和执行任务时对人员具有高度 的安全性，保护有生力量和稀缺的人力资源。可以用来执行危险性大的任 务。（3）性能提高。无人机在设计时不用考虑飞行员的因素。许多受到人 生理和心理所限的技术都可在无人机上使用，从而突破了有人在机的危险， 保证了飞行的安全性。（4）一机多用，稍作改进后发展为轻型近距离对地攻击机。（5）采用成熟的发动机和主要机载设备，以减少研制风险与经费投入， 加快研制进度。联合研制以减小投资风险、解决经费不足有利于扩大出口 及扬长技术与设备优势

3、。（6）研制综合训练系统。技术要求有：（1）信息技术包括信息的收集和融合，信息的评估和表达，防御性的 信息战、自动目标确定和识别等；（2）设备组成包括低成本结构、小型化及模块化电子设备、低可见性 天线、小型精确武器、可储存的高性能发动机及电动作动器等；（3）性能实现包括先进的低可见性和维护性技术、任务管理和规划、 组合模拟和训练环境等。三、无人机系统按照功能划分，主要包括四部分：（1）飞行器系统包括空中和地面两大部分。空中部分包括：无人机、机载电子设备和 辅助设备等，主要完成飞行任务。地面部分包括：飞行器定位系统、飞行 器控制系统、导航系统以及发射回收系统，主要完成对飞行器的遥控、遥 测和导航

4、任务，空中与地面系统通过数据链路建立起紧密联系。（2）数据链系统包括：遥控、遥测、跟踪测量设备、信息传输设备、数据中继设备等 用以指挥操纵飞机飞行，并将飞机的状态参数及侦察信息数据传到控制站。（3）任务设备系统包括：为完成各种任务而需要在飞机上装载的任务设备。（4）后勤保障系统如检测设备，维修设备，运输设备，后勤设备等。2无人机的飞行控制与测控数据传输无人机的测控数据传输均采用无线通信方式将遥控信息由地面站发送 至无人机称为无线遥控（上行通道）。无人机将飞行中的各种状态信息发 给地面站称为无线遥测（下行通道）。无线数据传输系统的核心问题主要 是单/双无线通道的选择、电台的选择、天线的选择和安装

5、姿态。3.1双无线通道与单无线通道的比较遥控遥测独立分别采用各自的电台、天线、无线频点称之为双无线通 道的测控系统。优点是时序独立互相之间没有影响但存在一些严重问题： 上行、下行分别采用无线通道于是地面和机上就都有了二套电台、天线、 频率地面系统虽然增加了操作的工作量但并无大碍。而机上系统设备增加 使系统复杂、重量加大却是一个严重的问题。无人机的重量增加是影响起 飞、空速、续航时间的一个重要原因。系统复杂又必然造成可靠性降低。 在靶机上要放置二根天线一般只能垂直尾翼上放一根在水平副翼上放一根 这样这两个天线极化方向是不同的而地面站架设的天线则是二根天线全是 垂直放置必然造成其中一路通信效果变差

6、。结果总是出现一路通信距离近 的问题.遥控遥测共用同一套电台、天线、无线频点采用时分工作方式称为单 无线通道的测控系统。它的优点是简化了机上设备的数量和线路的复杂性 降低了无人机整机重量同时机上天线与地面天线极化方向相同大大提高了 通信距离。但这种测控系统对电台的可靠性要求更高。本文工作开始前无 人机的测控系统主要采用双无线通道的方式设备复杂遥控遥测距离近的问 题一定存在。3.2无人机飞行的无线通道无人机的无线通道分为无线遥控（上行）通道和无线遥测（下行）通 道。无线遥控（上行）通道完成遥控指令、参数信息等数据的传输。指令：地面站发给电台经地面天线发射机上天线接收后电台将指令发 给飞行控制系统

7、飞行控制系统接收到指令后交给遥测系统已接收指令该指 令执行后又将交给遥测系统已执行指令。参数（原点、飞行参数、航路信息）：地面站发给电台经地面天线发 射机上天线接收后电台将参数发给飞行控制系统飞行控制系统接收到参数 后存入掉电保持的存储器然后再从存储器中读出参数交遥测系统发回地面。 供地面站校验。无线遥测（下行）通道完成无人机飞行过程中各状态参数的收集并发 送给地面站。在调参时也负责回传参数信息。3.3无人机飞行控制器飞行控制器是负责飞行控制系统信号的采集、控制律的解算、飞机的 姿态和速度以及与地面设备的通讯等工作。飞行控制器控制设备由传感器 操作面板数据及算术处理设备和电源组成通信控制设备由

8、编码器/解码器控 制通信控制盒和自动跟踪控制器组成。无人机数据采集及测控系统集成了 模拟、数字、通讯总线、时间码等无人机上通用的各种航电信号采集和测 试功能。无人驾驶仪的控制系统进行测试主要完成包括对控制系统的各个 硬件（传感器、敏感元件、执行机构等）、自动驾驶仪以及中间装置的参 数特性、动态过程监测以及控制系统的航空专用总线。飞控器是以单片机 为核心的计算机控制系统其功能是实现由输入信息的含义决策输出信息的 过程简单地说是信息处理过程其输入信息主要是指遥控接收送来的指令信 息当然也含故障应急处理信息。根据输入信息来决策输出控制及遥测显示 信息。因此其功能主要有：1）保持飞机按给定的高度稳定飞

9、行2）保持飞机按预定的航线稳定飞行3）控制飞机按给定的航向角飞行4）控制飞机按给定的姿态角机动飞行5）控制飞机按预定程序自主飞行6）随着高度和速度的变化自动改变控制系统7）采集飞行状态参数送至遥测发射系统8）进行故障应急处理9）完成飞机开关指令功能对任务设备的控制其中1）5）、9）条是飞控器根据地面遥控指令切换不同控制模态来 实现第6）、7）、8）条由飞控器自行完成。飞行控制器采用了三种控制方 式、四个反馈回路、五种控制模态来完成控制。（一）控制方式三种控制方式是：无线电指令控制下的自动模态飞行方式、无线电遥 控静默下的全自主飞行控制方式以及程控飞行方式。（二）反馈回路四个反馈回路：a.以TC

10、-3D垂直陀螺仪构成的反馈回路构成飞行姿态 稳定与控制的内回路。这是飞行控制系统的核心控制回路。靶机的转弯、 爬升、下滑飞行是由内回路给定相应参考姿态角来实现的。b.以磁航向传感 器信号作为反馈信号送到无人机的横向控制通道上构成飞行航向控制的外 回路c .以气压高度传感器的输出信号作为反馈信号送到无人机的纵向控制 通道上构成飞行航向控制的外回路d .以气压高度传感器的输出信号作为反 馈信号送到无人机的纵向控制通道上构成飞行高度的外回路。d.以GPS接 收机接收到的靶机位置和飞行速度信息通过信息融合后反馈遥控接收飞控 器舵机舵面，启动飞机姿态，遥测发射敏感元件重心为测量仪遥控发射地 面操纵人、地

11、面，遥测接收机到横向控制通道上进一步提高航迹的控制精 度。在反馈回路中以阻尼、带宽、静差、容错性为要点进行回路的反馈控 制参数设计以增强飞行控制系统全飞行包络的控制鲁棒性。（三）控制模态飞控系统采用了五种控制模态即：三轴稳定控制模态、高度保持模态、 航向保持模态、自动导航模态、自动归航模态。模态之间的切换时机主要 是由地面遥控人员通过指令来实现的而在飞行控制系统中则是通过调整控 制参数、切换给定参考变量来实现。三轴稳定模态即为垂直陀螺仪控制模 态飞机无论处于什么指令下飞控器接通垂直陀螺仪。高度保持模态：即飞控器接通“垂直陀螺仪+高度传感器”的控制模 态。当飞机收到“纵平”指令后即接通高度传感器

12、当飞机收到“爬升”或 “俯冲”指令时切断高度传感器。航向保持模态：即飞控器接通“垂直陀螺仪+高度传感器+航向传感 器”的控制模态。当飞机收到“远航”或是“返航”指令后即接通航向传 感器当飞机收到“横平”指令时切断航向传感器。自动导航模态：当飞机收到“程控”指令时飞行控制器将自动引导飞 机飞行在预设的航路上。用“横平”指令解除“程控”。归航模态：即飞控器接通“垂直陀螺+高度传感器+航向传感器+GPS” 控制模态。当飞机接收到“归航”指令或是飞机在30秒内没有接收到地面 的遥控信号（包括空指令信号）时飞控器转入归航模态飞控器从内存中调 出起飞点的坐标不断进行比较引导飞机朝起飞点上空飞行到达起飞点后

13、盘 旋3分钟然后自动开伞回收。在此过程中随时可以通过“横平”指令来解 除“归航”模态。4.1无人机的数据链路4.11概述无人机的数据链路用于在无人机飞行过程中，连接飞行，器平台和地 面操控指挥人员与设备的信息桥梁，基本功能，是传递地面遥控指令，采 油接收无人机的飞行，状态信息和传感器获取的情报信息。无人机数据路 的概念如图4-1所示。地面收发设备图4-1无人机数据路无人机数据链路在功能上包括一条用于地面控制站对飞行器及机上设 备控制的上行链路（也叫指挥链路）和一条用于接收无人机下行链路。上 行链路一般带宽为10Kb/s-200Kb/s，无论何时地面控制站请求发送命令，上 行链路必须保证随时传送

14、。下行链路提供两个通道。一条是用于向地面控 制站传递当前的飞行速度、发动机转速以及机上设备状态等信息的状态信 道（也称遥测信道），该信道需要较小的带宽，类似于指挥链路。第二条 信道用于向地面控制站传递传感器信息，它需要足够的带宽传送大量的传 感器信息，带宽范围为300Kb/s-10Mb/s。一般下行链路都，是连续传送的， 但有时也会临时启动以传送机上暂存的等待发送的数据。数据链路也可用 于测量地面天线相对于飞行器的距离和方位，这些信息可用于无人机的导 航，提高机载传感器对目标位置的测量精度。4.2.2数据链路的结构与原理无人机数据链路一般由机载部分和地面部分组成。数据链路的机载部 分包括机载数

15、据终端（ADT）和天线。机载数据终端RF接收机、发射机以 及用于连接接收机和发射机到系统其余部分的调制调解器。有些机载数据终端为了满足带宽的要求，还提供压缩数据处理。天线采用全向天线，有 时也采用具有增益的有向天线。数据链的地面部分包含地面数据终端（GDT） 和一副，或几副，天线。GDT包含RF接收机和发射机以及调制调解器。 若传感器信息在传输前经过压缩，那么地面数据终端还需采用处理器对数 据进行重建。数据压缩和重建可以分装成几个部分，一般包括一辆天线车（可以放在离无人机地面控制占有一定距离的地方）、一条连接地面天线 和地面控制站的本地数据连线，以及地面控制站中的若干处理器和接口。无人机数据链

16、路地面部分的工作原理如图4-2所示。加密滤波隔离模拟器伪码发生器载波天线天线晶振高放高放混步一混频显示器鉴频4-带通4-鉴频带通-混频1分离低通本振帧由、4位环监视器1本振功分天线.测向伺服误差图4-2无人机数据链路地面部分工作原理图地面站发送的控制指令在信源编码器中进行指令编码，然后将编码完 的数据进行加密运算，加密完的数据同伪码产生器产生的伪码进行相加从而完成扩频，扩频完的扩频信号对载波信号进行调制，生成载波调制信号， 然后将此信号送至功率放大器进行功率放大，经过功率放大的射频信号经 过馈线送到天线上，由天线发射出去。地面站在发射控制信息的同时，还 进行遥测接收。机载下行信号通过天线和馈线

17、送至高频放大器，经放大后 的信号同本地振荡器进行混频，混频后得到的第一中频信号分为两路；一 路送给测向误差产生与处理电路，出来的结果送至天线伺服系统进行天线 跟踪控制；另一路送至第二漫步器同本地振荡器产生的信号进行混频，然 后再通过带通滤波器进行滤波，此时的中频信号经过鉴频器鉴频后分成两 路，一路通过低通滤波器滤波产生视频信号，将视频信号送至监视器进行 视频显示，另一路经过带通滤波器滤波产生，然后经过鉴频和分离电路恢 复遥测基带信号与伪码数据流信号，遥测信号通过位环和帧环提取电路送 至测控制终端进行遥测数据处理，另一路送至测距电路，测距电路将此信 号同伪码产生器伪随机码对比产生测距信号，最后将

18、此测距信号送至测控 终端进行数据处理。无人机数据链路机载部分的工作原理如图4-3所示。机载飞行控制系统 通过串行数据口发出遥测信号数据流，同时接收遥控指令数据流。对于遥 控接收部分，从天线接收到的遥控信号经过接收机的放大、一次混频，由 射频信号变换为中频信号，经过二次混频、放大，经过滤波、整形，进行 解扩解调后，得到遥控基带信号数据流。该数据流通过解密后直接送至飞 行控制计算机处理。对于遥测发射部分，来自飞行控制计算机或直接来自 机上设备的遥测数据，首先经过遥测编码，再经过载波调制得数下行的射 频信号，该射频信号经过功率放大器送至天线，最后由天线发射出去。解密解扩解扩天线机载飞控系统下行数据遥

19、控指令图4-3无人机数据链路机载部分工作原理4.3.3对数据链路的特别要求战场上，无人机数据链系统会受到各种电磁威胁，如反辐射攻击、电 子截获和情报利用、欺骗反制、对数据链的无意干扰和蓄意干扰等。因此， 从作战需要来说，对无人机数据链路适应复杂电磁环境的能力有以下要求。（1）抗反辐射攻击。降低上行链路的占空比是可供考虑的抗击反辐射 武器的措施。理想的情况，是上行链路只有在必须向无人机发送指令时才 发送信号，这样上行链路便，可以长时间保持缄默。这是系统问题，因为 整个系统的设计应该使上行链路的使用最少；同时也是数据链问题，某些 数据链被设计成即使没有任何指令要传送也定时辐射信号。护反辐射武器 可

20、以通过采用低截获频率、频率捷变和扩频技术来实现。（2）低截获概率。由于地面站常常需要段较长时间的静止不动以对飞 行中的飞行器进行控制，这就使其一旦确定方位就会成为炮火和导弹容易 击中的目标。所以，上行链路需要具有低截获概率，而低截获概率对下行 链路不是很重要。采用扩频、频率捷变、功率管理和低占空比技术可获得 低截获概率。但受低成本的限制，低截获概率不是数据链必须具备的性能。（3）抗欺骗反制。对方通过对上行链路的欺骗可获得对飞机的控制权， 从而引导飞机坠毁、改变飞行方向或将其回收。这比干扰千万的损失更加 严重，因为欺骗可导致飞行器及机载设备的损失，而干扰一般只是影响其 完成任务的好坏。而且，假如

21、能够引导飞机坠毁，用一个简单的欺骗系统 便，可以依次引导多架飞机。对上行链路欺骗的方式也很简单，只要让无 人机能够接收一条灾难性的指令即可。由于通用，地面站的使用，无人机 采用通用的数据和某些通用的指令码，所以人对上行链路的保护要特别慎 重。由于操作员能够识别欺骗数据，所以对下行链路的欺骗比较困难。采 用文电鉴别码和某些抗干扰技术可获得抗欺骗的性能，抗欺骗单元可以在 数据链路的外部实现，这是因为文电鉴别码可由系统产生，由机上计算机， 校验。（4）抗干扰。数据链路在存在蓄意干扰的情况下保持正常工作的能力 称为抗干扰能力，或叫抗干扰度。抗干扰度的大小用抗干扰系数来衡量， 抗干扰系数定义为无干扰时系

22、统的实际信噪比与系统正常工作所需要的最 小信噪比的比值，单位为dB，即R（dB）=10lg（R）（5.1）式中：R为信噪比下降倍数。抗干扰系数下降40dB的含义是：干扰必 须使接收机信噪比下降10000倍（10lg（10000）=40）以上才能使系统工作正常。4.3.4抗干扰能力分析抗干扰能力一般通过抗干扰系数来表示出来。与数据链路抗干扰系数 相关的因素包括发射功率，天线增益和处理增益。增加发射功率是克服干扰的最佳途径。当数据链的功率大于干扰机的 功率时，就能取得良好的抗干扰效果。一般在无人机的下行数据链路中使 用。天线增益的定义是：天线在某方向上产生的功率密度与理想电源同一 方向上产生的功率

23、密度的比值，单位为dB。当天线辐射的大小随角度而变 且在某一方向上达到最大值时，最大方向上的天线增益称为峰值天线增益， 其值可用下面公式近似表示，即式中分别代表垂直和水平方向的半功率波瓣宽度。其中天线的波瓣宽度与天线的尺寸（和）成反比，与辐射信号的波长 （入）成正比。处理增益是通过将干扰能量扩散到数据链信号带宽之外来增强信号。 在传输之前按某种带宽的方式对数据链要传送的信息进行编码，在接收端 通过编码来恢复信号，这样处理可以实现对信号的增强。由于干扰机无法 采用与数据链相同的编码，因此它必须对经过人工扩展后的传输信号带宽 进行干扰和覆盖。处理增益主要包括两种形式：一种是直扩通信，即对原信号加伪

24、码调制愉增大传输带宽，降低每单位频率间隔内的功率，这样为 了达到干扰效果，干扰机的干扰频率必须达到整个传输带宽；另一种是跳 频通信，即载波频率按照伪随机序列跳变。如果干扰机不知道跳频方案， 不能按跳频方案实时工作，它就必须干扰跳频工作的整个频段。抗干扰系数的数学定义为抗干扰系数（dB）二处理增益（dB）+衰减系数（dB）衰减系数是指系统正常工作可用的信噪比与所要求的信噪比的比值。经过仔细设计的数据链路具有一定的衰减系数，干扰机只有克服这个系数 才能降低通信系统的工作效能。但是，在有效的干扰噪声进入通信系统之 前，有效干扰噪声会被处理增益抑制，然后才在通信系统中出现。天线增 益通过提升信号对衰减

25、系统做出贡献。天线增益增加多少dB，衰减系数和 抗干扰系数就增加多少dB.4.4仿真框图经过调制后，调制信号就可以在信道上传输。但是在实际的信道中传 输时，会叠加很多噪声，因此，程序模拟在实际信道上传输，产生噪声， 叠加到已调信号上。在接收端，通过相干解调的方法，把接收到的叠加有噪声的信号进行 解调，但是解调后的信号还不是最先发送的二进制比特流，需要对解调得 到的信号进行抽样判决，才能得到发送的二进制比特流，即发送信号。软件的仿真流程图如7所示。图7基于MATLAB的BPSK调制解调仿真框图4.41基于MATLAB的仿真结果图回 |禺1 口 |涉|您乜福|可 H四町R 柚网郡 如也wE ip

26、ol 宜”町 危现 HN TH1111njAnajm11111 1111rmRALu,1,1 100001 0006 0000 OOOZ 0009 0005 如叶 000 叱 000101一11111-_r11111IIiI缰醐的有哥嚣=奔BC缺U骂蝎亶碧OOOOL OOOG 0000 000 0009 0005 0。冲 000C QOOE 00010t0OOOOL OOOG DD09 000/ 0009 0005 ODOt 000 000? DOOL 0uifuiJwnrrwLnjuui未朝阳号骂盥一奔申眺瓣粟骂岬亶碧Q u闫口净成怂句佥句号圈但口.M-upu 用do ：|,气 w mTJ叮

27、。工mbfX HFW 5I391调制之前的信号经瑞利加高斯信道解调后的信号tIn s or t E cls fitskl Kx ndow HLp-E.ile Edit Yi 驻 Lnsei-t Idols Rezktop Jtiniln-ft, KelpI燮民7菖I呢I日国I 回经高斯信道解调后的信号误码率曲畿Eb.Ua理论A泗M* IMawgh理论R邛临igh+ 仿 MR-SyleighI.皿二二；二.二；.:5.无人机数据链系统5.1无人机数据链系统概述无人飞行器采用数据链技术可以达到非常理想的效果。所谓的链路就 是指连接两个通信节点的一段物理线路而中间没有任何其他的交换节点。 数据链路则

28、是另外一个概念当需要在一条线路上传输数据信息时除了必须 有一条物理线路外还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。 如果把实现这些协议的软件和硬件加到链路上就构成了数据链路无人机数 据链路系统是连接飞机和地面控制站的数据通信系统实现无人机系统中的 传感器平台、控制平台、任务平台和监测平台之间各种数据信息的处理与 传输通过数据链路系统各平台之间形成数据连接关系。无人机数据链在整个无人机系统中发挥着极其重要的作用。在国外， 无人机采用数据链技术对侦察信息的处理及传输是采用无线电中继方式所 无法比拟的。5.2无人机数据链系统的基本组成5.2.1无人机数据链的基本组成道图5-1无人机数据链简化模

29、型图5-1为无人机数据链的简化模型。首先，基带信号（遥测、遥控、图像）在基带信号处理部分进行处理，然后送至发射机，由发射机变成射频 信号交给天线，由天线发送给信道。在接收端，天线将电磁信号转变成射 频信号送给接收机，接收机将射频信号转变成基带信号并送给基带信号处 理部分，在这里进行处理。通常，无人机数据链系统由两部分设备组成：一部分装在无人机上， 称为机载数据链系统；另一部分装在控制站上，称为地面控制站系统。（1）机载数据链系统包括RF接收机、发射机以及用于连接接收机和发射机到系统其余部分 的调制解调器。有些机载数据终端为了满足下行链路的带宽限制，还提供 了用于压缩数据的处理器。天线采用全向天

30、线，有时也用具有增益的有向 天线。机载数据链系统的任务是发送遥测信号和接收遥控信号。对于遥控接 收部分，从天线接收到的遥控信号经过接收机的放大、混频、滤波、解扩 解调、解密后送至飞行控制计算机处理。对于遥测发射部分，飞行控制计 算机发出的遥测指令数据流与NP码合成遥测基带信号，该信号经过副载波 调制后与图像信号相加，送至FM调制器调制得到射频信号，射频信号经 过功率放大器送至天线，最后由天线发射出去。（2）数据链的地面部分也称地面数据终端，包括一副或几副天线。RF接收机和发射机以及调 制解调器。地面数据终端可以分装成几个部分，一般包括：一辆天线车， 一条连接地面天线和地面控制站的本地连接线，以

31、及地面控制站中的若干 处理器和连接线。地面数据终端的任务是发送遥控信号和接收遥测信号。 操纵器产生的飞行控制指令与上传指令在信源编码器中进行指令编码，然 后完成加密运算，加密完的数据同伪码相加从而完成扩频，扩频完的信号 对载波信号进行调制，生成载波调制信号，然后将此信号送至功率放大器 放大，最后送至天线，由天线发射出去。5.2.2无人机数据链特征在无人机系统中，数据链是其最复杂。最关键的部分，在一定程度上 决定着系统的规模和水平。无人机系统对数据链的基本要求是：(1) 通用性和互通性。数据链信息传输采用标准化的信息格式包括帧 格式、接口标准和传输速率等对无人机系统中的各种数据信息进行规范化 处

32、理后通过统一的信道传输，能满足不同传感器、不同信息内容和形式， 完成与情报处理及C3I系统的互连互通。信息传输采用标准化的信息格式， 包括传输速率、帧格式、接口界面、测距信息格式和导航定位信息等；对 不同的控制信息、遥测信息、导航信息和传感信息进行标准规范处理后， 通过统一信道传输。这样不仅提高了信息传输的效率同时也提高了数据链 系统的互操作性(2) 数据链的抗干扰、抗截获和保密性、安全性。传输数据链是无人 机系统信息交换的桥梁。在复杂的战场电磁环境中，当有断断续续来自其 他RF设备的带内信号出现或遇到蓄意干扰时，要求系统仍能正常工作；当 处在敌方测向系统的有效频率范围和有效距离之内，却难以被

33、截获或测向， 这些都要求数据链必须具备较强的抗干扰、抗截获和保密能力。若在开放 的环境条件下传输通道中的数据被其他设备截获后要求数据链必须具备较 强的保密能力。（3）实时性和高精度。地面控制站通过遥控指令直接控制无人机的飞 行姿态，所以指令延迟不允许太长；无人机的飞行控制主要依靠遥控指令， 因此对指令产生、发送、传输和接收的精度、可靠性要求非常高。（4）利用GPS和GLONass联合对飞机定位。利用RA/与GPS组合定 位精度优于IOm。利用R/A与GPS/GLONaSS组合定位精度优于SM。无人 机系统中已采用组合定位方式，这不仅提高了定位的实时性，同时也提高 了定位精度。（5）传输方式的多

34、样化。为适应各种应用平台的不同数据交换需求保 证信息可靠、实时地传输数据链可以采用多种传输介质和方式既有点到点 的单链路传输也有点到多点及对等的网络传输。（6）小型化、模块化设计。考虑到无人机本身的负载能力无人机机载 设备，要求体积小、重量轻、可靠性高，便于维护和升级。我国最新设计 的无人机数据链机载设备均采用模块化结构，其体积重量4年内下降了一 半。5.2.3无人机数据链系统无人机数据链系统包括三个基本组成要素：传输通道、消息标准和通 信协议。（1）传输通道传输通道都具有一定的的性能指标如通信频段、发射功率、接收灵敏度等；处在传输通道中的各设备之间均有标准的数据接口如RS-232、RS-42

35、2/485等；通过选择合适的信道、功率、调制解调器、编解码及加密 算法满足数据链信息的传输要求如通信距离、数据带宽、传输速率、时延、 通信方式、抗干扰及可靠性等。传输通道的基本组成通常包括有数据处理 系统、接口控制单元、数据链终端设备和接收/发送天线等如图2-1所示。数据处理系统主要完成格式化消息的处理通常有多种实现方式。一般 情况下在单处理器系统中直接由主处理器来实现而在多处理器系统中数据 处理部分在协处理器中进行并与主处理器之间通过标准数据接口通信。数 据处理系统接受各种传感器数据（如IMU数据、电子罗盘数据、GPS数据、 高度气压计数据等）和遥控指令数据（如遥控器信号、PID参数、轨迹规

36、划指 令等）并将其封装成标准的信息格式用于进一步的存储与分发。接口控制单 元主要是用来完成不同数据链的协议和接口转换实现无人机系统数据信息 的共享和状态信息、控制指令的准确传递保证对链路数据信息的一致性理 解。数据终端设备一般由调制解调器、网络控制器及加解密设备构成并且 带有用于链路控制的链路处理器是数据链系统的核心部分和最基本单元在 通信协议的控制下进行数据收发和处理。（2）消息标准消息标准是对链路中传输的数据信息的倾结构、数据内容、数据类型、 数据接收/发送规则等方面的详细规定。制定标准的数据传输格式有利于处 理器生成、解析及处理这需要设计具体的格式处理和数值转换程序。（3）通信协议通信协

37、议就是数据链系统在通信的过程中有关数据信息的传输时序、 传输条件、传输流程及传输控制方式等方面的规约主要解决各种应用系统 的格式化消息如何通过信息网络可靠且有效地建立链路从而达成数据交换 的目的。通信协议主要包括有网络协议、频率协议、链路协议、接口标准 和操作规程等内容。5.3无人机数据链系统结构设计小型无人直升机的飞行模式主要有两种情况：一种是在起飞和降落阶 段考虑到飞机对控制精度等实时性指标有着极高的要求通常采用人工遥控 器手控模式(ManualMode);另一种是自控模式(AutoMode)即完全由飞行控 制处理器中的程序来完成对无人机飞行过程的智能控制这两种模式之间的 切换可以由遥控器

38、的手/自控拔扭开关控制。在每种飞行模式下飞机与地面 站之间数据通信的内容按照传输方向的不同主要分为两类：一类是上行链 路数据即控制信息；一类是下行链路数据包括飞机状态和任务载荷信息。 如果从空中无线链路的数量来看(只考虑与控制相关的数据链路图像视频传 输链路不包含在内)实现飞机与地面站之间的通信系统可分为单数据链路和 多数据链路两种结构。5.3.1系统设计框图空地数据链系统由机载设备，数据链设备和地面监控系统组成“地面 监控系统包括模式控制模块，信息处理模块和图形显示模块”系统框图见 图 5-2。图5-2空地数据链系统设计框图空地数据链系统各部分功能如下：(1)机载设备主要由任务处理单元、伺服

39、器和传感器组成。任务处理单元一方面用 于收集、整理和记录飞机的各项参数，并根据GCS协议生成面向位的报文 发向地面；另一方面，对接收的报文进行译码，改变飞行参数，并通过伺 服系统控制飞机的飞行状态。它是机载数据链设备的核心”(2)数据链设备包括调制解调器、发射机和接收机，用于报文的发送与接收。工作频 段选择VHF，采用GFSK方式调制，数据传输率可达19.2kbPs。它们是数 据链的关键设备，其性能直接关系到数据传输的速度和质量。5.4系统功能模块设计5.4.1系统功能模块划分根据系统功能需要，将空地数据链系统划分为如下五个功能模块：网 关GATEWAY. ADS服务、I/C服务、电子地图GO

40、EMAP及用户界面显示、 空地数据链通信。从功能上讲系统可分为三层，每一层负责不同的功能， 其模型见图5-3。用户界用显示，服务管理层数据链路层空地数据链通信网关，ADS服务，IIC服务设备驱动程序，网络接口卡图5-3系统功能模型最底层为数据传输层，也称数据链路层，通常包括操作系统中的设备 驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与传输媒介的物理 接口细节；第二层为服务管理层，由网关GATEAwY、ADS服务、I/C服务 组成，主要为各种应用提供上下行报文接口，各种报文的编译和解析，ADS 服务。I/C服务应用和连接的管理，以及网络和系统的状态监控；第三层为 高层应用层，负责处理特定的应用程序细节。其主要功能是提供人机交互 界面，响应用户的操纵，收集业务操纵和数据输入，把请求反映给服务管 理层并等待请求回应。应用层由电子地图GEOMAP及用户界面显示，空地 数据链通信组成。