无人机通讯链路系统.docx

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无人机通讯链路系统

（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：

1、项目的立项依据

（1）研究意义

低空无人机（UnmannedAerialVehicle缩写UAV）也称为无人航空器或遥控驾驶航空器，是一种由无线电遥控设备控制，或由预编程序操纵的非载人飞行器。

无人机具有机动灵活的特点，它体积小，重量轻，可随时运输和携带。

它对起降的要求低，随时飞降。

无人机一般在云下低空平稳飞行，弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷。

除了具有广阔的军事应用前景外，用无人机替代有人飞机执行高风险任务，也是当今国际航天领域一个重要发展方面。

特别是在近几年国际局部战争中无人机被大量地使用，可以预见在未来战场上无人机用途将越来越大，已经成为世界各国武器装备发展的重点。

同时，无人机作为一种技术含量高、使用性能好、发展前景广阔的空中飞行器，在民用领域亦可完成防灾减灾的灾害评估、地质勘测航拍、警用高速公路巡查、森林防火、海事巡逻、大型露场演出航拍等多种任务。

但随着机载任务设备（干扰器、雷达等）的不断完善和增加，地面终端与机载平台之间的数据交互量也在也在逐步提高，为了实现数据的可靠交换，提高数据传输速率，必须建立完善的数据链系统。

利用数据链进行通信，具有传输速率快、抗干扰能力强、误码率低等优点。

与传统的通信方式相比，它能极大的提高信息处理能力,并且

最大限度的保证信息的完整性。

无人机数据链是无人机系统的重要组成部分,是飞行器与地面系统联系的纽带。

随着无线通信、卫星通信和无线网络通信技术的发展,无人机数据链的性能也得到了大幅度提高。

但是，目前无人机数据链系统采用的调制模式都比较简单，如2FSK、BPSK、OFDM技术、直接扩频技术等，传输速率与抗干扰能力有限；在现代电子战环境下，无人机数据链系统需要进行超大容量的信息传输，针对性的电子干扰信号，以及信息的传输方式，因此，增强抗干扰性能、及时准确的传输数据以及信息传输绕射能力仍然是无人机数据链系统有待解决的重要研究课题。

因此加强对无人机数据链路系统的研究对我国低空领域的发展有着至关重要的意义。

本课题拟针对无人机通讯链路系统，吸取国外先进经验，结合国情和人文习惯，重点研究基于单载波频域均衡技术（SC-FDE）的数据链路系统，并对影响无人机的通信的电磁干扰、复杂地形等关键技术进行研究。

（2）国内外研究现状

我国目前最常用的数据链系统是80年代初研制的数传/导航兼备系统。

该系统由机载设备和地面设备构成。

数据引导与塔康设备兼容，数据率为600bps，调制方式为ASK。

其工作方式为：

地面台以广播方式发出带地址码的指挥信息，机载台按地址接收各自的信息，并在接收后经一定的延迟向地面台发回复信息。

机载台把接收的信息经译码得到指令，再由码声器转化为声音指令，对重要信息还同时使用综合航向指示器的航向指令针、敌情指示器、双针高度表、双针速度表显示。

该链路存在一些不足如：

不能传输话音、数据率低、不具备抗干扰能力，地面设备易受攻击等。

到目前为止，美国己经研制出TLinkI,、LinkII、LinkIII、Link4、Link11、Link16等多种战术数据链并装备了部队，现在又在着手研制和完善Link16A和Link220。

目前美国军方使用较多的仍是Link4A，因为它符合数字信息链路（TADIL）C规范，Link4A一般由控制站终端分系统、传输分系统和受控站终端分系统组成。

如图1所示。

一个典型的Link一4A系统终端分系统包括UHF无线电设备、调制解调器、密码设备、计数据处理器和用户接口设备，它的组成框图如2所示。

Link—4A使用一个时分多址技术在单一频率上连接不同单元，交换目标信息，在单一射频载波上按串行时分复用的方式进行传输，所传送的各个信息以一个序列的时分为基础。

由控制站产生并发送的

信息称为控制信息，而返回控制站的信息称为应答信息。

在使用Link—4A的所有系统中，控制站终端和受控站终端都用半双工模式工作。

但控制站终端必须具有全双工操作的能力。

系统使用这种能力进行联机性能监测。

控制站数据终端设备提供战术数据系统使用的通用数字计算机和用于发送和接收Link—4A控制信息和应答信息的无线电设备之间所需的接口。

控制站数据终端设备可以使用Link—4A对机载惯性导航系统进行校准。

当按这种功能操作时，数据传输是单向的。

这时，控制站数据终端设备能用专用定时进行操作，即产生14ms±0.07ms帧发送周期及2ms±0.01ms帧接收周期的网络帧定时间隔。

控制站数据终端设备能转换到14ms或18ms的帧定时，作为

处理测试信息或监测控制信息所要求的时间间隔。

控制站数据终端设

备还能完成Link—4A网定时、控制信号产生和差错检测、应答信息处理、与计算机的数字数据交换、测试工作方式和无线电控制等功能。

总的来说，我国自己在无人机方面的研究主要是侧重于图像的传输、飞行的控制等问题，而对无人机通讯方式相对较少，目前处在学习试验次级阶段。

此外，我国关于图像的传输延迟、传输距离等问题对低空小型无人机发展的影响，有关高等院校科研单位已有较多研究，而对于无人机通讯链路等问题的研究较少。

（3）参考文献

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2.项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题

本课题主要针对无人机数据链路系统及通信信道进行研究，其主要研究内容、目标及方法路线如图1所示。

图1研究内容、目标及方法路线图

研究内容

（1）本无人机数据传输链路系统采用引入多输入多输出（MIMO）复用技术的SC-FDE（单载波频域均衡）系统方案。

该方案使用两根发射天线在同一个频率同时发射包含不同信息的两路数据，并使用两根接收天线同时进行接收。

（2）基于MIMO复用技术与SC-FDE的无人机数据链路模型的建立。

（3）研究出适合MIMO（多输入多输出）+SC-FDE（单载波频域均衡）系统方案的最佳信道估计算法，以便于更好的进行频域均衡。

（4）在频域选择性衰落比较严重的无线信道中，判决反馈均衡（DFE，Decisionfeedbackequalization）算法比LE算法有更好的性能。

在传统的DFE均衡器中，使用符号到符号的判决、滤波和直接反馈来消除随后来自检测符号的干扰结果。

但是在SC-FDE系统中均衡是在频域内实现的，而在FFT块信号处理中必定存在一定延迟，所以判决反馈滤波器就不能够直接在频域中实现。

因此采用一种时频混合的DFE方法，即频域均衡部分与上文的频域线性均衡一样，而反馈部分则是在IFFT之后采用传统的横向滤波器实现。

这样就可以解决由于进行FFT运算而产生的延迟问题。

研究目标

（1）建立起基于MIMO+SC-FDE技术的无人机通讯链路的通讯模型。

（2）在建立起的模型中设定映射变量，使系统适应不同场合下的应用。

（3）研究出适合MIMO+SC-FDE技术的最佳信道估计算法。

（4）研究无人机通讯链路系统在复杂外界环境下工作质量，提出方法提高其在恶劣环境中的信号传输质量。

拟解决的关键问题

（1）将基于多输入多输出（MIMO）复用技术的SC-FDE系统引进无人机数据传输链路，系统解决信号的绕射问题。

（2）利用UW进行系统的信道估计和判决反馈均衡算法实现频域均衡。

（3）提出在电磁干扰、复杂环境等条件下的最佳的信道估计算法。

（4）研究无人机通讯链路在电磁干扰、复杂地形等特殊情况下信号传输的完整性、保密性等。

3．拟采取的研究方案及可行性分析

研究方案

本课题主要针对无人机通讯链路系统进行实际研究，结合MIMO+SC-FDE，考虑无人机在电磁干扰、复杂地形等因素，进行关键技术研究具体方案和技术路线如图2所示，并说明如下：

（1）MIMO复用方案

MIMO复用方案为：

发射天线T1和T2分别在同一个发射频率上同时发射包含不同信息的信号S1和S2，R1和R2则是两路信号经过信道后的混叠。

利用S1和S2中的信道估计序列，分别估计出H1、H2、H3和H4，再利用它们对R1和R2进行均衡和检测，以恢复发送数据S1和S2。

（2）同步方法

为了从混叠的接收信号中获得同步，设计了新的帧结构。

在每帧的帧头，天线1发送导频序列时，天线2发送全0信号；待天线1发送完导频序列后，开始发全0信号，天线2则开始发送导频序列；当天线2发送完导频序列后，天线1和天线2各自同时开始发送包含不同信息的信号。

这样，由于导频序列的发送采用时分复用（TDM）方式，可利用与SISO+SC-FDE系统相同的方法，通过导频序列获得粗同步和初始的信道估计。

由于脉冲成形波形为T/2交叠升余弦波形，细同步可以通过分组迟早门法获得。

（3）信道估计方法

为了进行频域均衡，每根接收天线需要估计出两路信道的信息，两根天线共需要估计出4路信道的信息。

为了使每根接收天线能够估计出两个信道，可以使用频域相移正交训练序列信道估计方法。

具体方法是：

两个物理天线分别同时发送频域相移正交的两个用于信道估计的训练序列CE1和CE2，发送时需发送训练序列的时域序列，并加入循环前缀。

设序列V=FFT（CE1），则信道估计算法结构示意图如图3所示。

（4）频域均衡

频域均衡采用判决反馈均衡算法，SC-FDE判决反馈均衡算法示意图如图4所示

具体实现过程中DFE系统使用频域处理来计算前向滤波器参数和一个小矩阵倒置来计算时域反馈抽头。

以M个数据符号作为一个数据块进行传输，传输速率为1/T。

假定N是对接收输入的每一个数据符号的采样数目，则单载波频域判决反馈均衡器（DFE）每次都是对MN个接收样值点进行FFT运算。

当选择N>1时，得到一个分数间隔均衡器，它的特点是对采样相位不太敏感；当选择N=1时，采用符号定时子系统就能获得很好的性能。

调制方式则可以选择QPSK，16QAM，64QAM。

在反馈环节存在B个复数反馈系数{

}，k∈

，

是对应于B个反馈系数（在符号周期内）的一组非零值。

与线性均衡算法相类似的，在误差控制上采用最小均方误差准则（MMSE），这样就可以得到频域均衡系数W1的表达式:

（1）

式

（1）中

为信道冲击响应的估计值。

可行性分析

（1）天津师范大学物理与电子信息学院与天津全华时代航天科技发展有限公司建立了密切的合作关系，定期的输送学院教师及硕士研究生到该公司进行研究和学习，并参与一些无人机项目的实施，在实际应用中取得了显著的成效，如天津天士力16周年庆典的拍摄和青海玉树震后实地拍摄等。

此外，我院项目人员和该公司的研发团队亦进行周期性的无人机技术交流及经验交流。

长期以来取得了一定的成果，例如在我校建立了无人机研发实验室，并计划未来几年在我校形成无人机培训基地。

（2）对无人机通讯链路系统的研究虽然国内起步较晚，但是各大院校及研究院所对无人机通讯方式的研究都有一定的基础，本课题研究在此基础之上进一步改善无人机链路系统，提出与实际联系更加紧密的信道算法。

（3）电磁干扰、复杂地形等因素对大型机的影响在国外及国内已有较成熟的研究，本课题主要是对小型无人机的影响；可参考大型机抗干扰的办法，通过实验研究减小外界因素对无人通讯链路系统的影响。

4．项目特色与创新之处

（1）建立基于多输入多输出的单载波频域均衡技术（MIMO+SC-FDE）的无线通信链路系统，解决信号的绕射难题。

（2）本项目为民用领域的用户提供了一个高性能、低成本的空中飞行平台,系统的研发成功也可以改变我国依赖进口、成本高、价格昂贵、关键技术不成熟的现状，大幅度加快无人机应用在军事及民用领域的发展进程，促使总体技术逐渐成熟并推进市场需求的成熟，最终使整个行业趋向成熟！

（3）提出一种新的频域均衡算法---SC-FDE判决反馈均衡算法，解决在信号传输过程中由于进行FFT运算而产生的延迟问题。

5．年度研究计划及预期研究结果

预期研究结果

（1）研制建立比较完善且对环境鲁棒性较强的无人机通讯链路系统。

（2）提出更加可靠的信道估计算法及频域均衡算法。

（3）研制出无人机通讯链路系统在电磁干扰、复杂地形等特殊情况下的工作模式、控制方法和减灾、避灾措施。

（4）在国内外重要期刊上发表相关学术论文8～10篇；参加相关国际学术会议2次；申请技术发明专利2项；参加相关电梯标准研究制定2项；培养博士研究生1名，硕士研究生4名

具体研究进度和研究方法安排如表1所示，研制过程中理论研究与实验可能交叉进行。

时间安排

具体研究内容

总体方案

2012.1

～

2012.8

总结前期开发经验，查阅相关文献，制定具体的研究开发方案，明确各研究内容的任务关系与接口及无人机平台建设。

2012.9

～

2013.3

建立无人机通讯链路模型，并进行简单测试。

2013.4

～

2013.10

MIMO复用方案及同步方法

的研究

2013.11

～

2014.3

信道估计及频域均衡

算法的研究

2014.4

～

2014.10

建立电磁干扰模拟环境，测试通讯系统的鲁棒性

2014.11

～

2015.3

建立复杂的地形模型，测试通讯系统的工作质量

2015.4

～

2015.10

对通讯链路模型进行实体机、实体环境、实体地形测试

2015.11

～

2015.12

总结资料、研究报告，准备验收。

（二）研究基础与工作条件

1、工作基础和条件

2、项目负责人近10年主持研究项目

3、申请人简介

项目组主要成员研究工作简历

项目组主要成员研究工作简历