一种小型无人直升机遥测系统关键技术研究

JournalofTelemetry,Tracking,andCommandVo.l27,l.3

May2006

一种小型无人直升机遥测系统关键技术研究

张 强, 张晓林, 李宏伟, 翟羽佳

(北京航空航天大学电子信息工程学院 北京 100083)

摘 要:为使无人直升机能够在一定范围内搜索目标、识别目标并精确定位,提出一种基于PCM-FSK遥测的遥测系统的设计方法,指出其关键问题及解决方案、通信信道计算及其可靠性。讨论遥测系统的组成及信号处理等。实验证明系统稳定和可靠。

关键词:无人驾驶直升机; 遥测系统; 同步; 可靠性

中图分类号:V279;V556.1 文献标识码:A 文章编号:CN11-1780(2006)03-0067-06

前 言

无人驾驶直升机(以下简称无人直升机)可以垂直起降,无需专用跑道,尺寸紧凑,中低速飞行,效率高,隐蔽性好,机动性好。但是无人直升机的结构复杂,控制难度大。对无人直升机的远程操纵与监控、飞行状态分析等主要取决于无人机的遥测系统提供的遥测数据。由此可见,遥测系统对整个无人机系统十分重要。无人直升机的遥测系统主要由机载遥测系统和地面遥测站两部分组成。无人直升机遥测系统一般应满足下列三项要求:¹通信链路稳定可靠。º系统应具有低误码率。»系统应尽量简单、可靠

[2]

[1]

。

本文首先对某小型无人直升机遥测系统的设计要求进行简单介绍,然后重点讨论遥测系统设计中的一些关键技术和遥测系统的硬件设计。

1 某小型无人直升机遥测系统的设计要求分析

未来小型无人直升机可以应用在很多领域,如:边境巡逻与控制、毒品禁运、农业勘测、搜索和营救等。首届中国空中机器赛中要求小型无人直升机能够在一定区域范围内(40m@20m)自动搜索并识别目标。为了能够完成这些任务,小型无人直升机应具有如下性能:¹小型无人直升机能够实现自主起飞、自主着陆和自主飞行;º具有可靠的通信链路,保证无人机与地面站间的通信;»具有自主导航规划能力,能够在一定的区域内进行目标搜索,或者能够按照既定的航线飞行,进行规定区域内的监控;¼自身状态的实时监控,通过遥测数据使中心站可以随时掌握无人机的状况;½整个系统(包括地面站)方便灵活。

其中,对遥测系统的要求主要有:保证通信链路的可靠有效,保证遥测数据的实时可靠,在满足要求的前提下系统要尽量简单。

本次比赛要求空中机器人(无人直升机)能在40m@20m区域内搜索和识别目标。考虑到无人直升机在执行飞行任务时受图像采集的要求,其飞行高度不超过50m,地面测控站设置在区域一角,所以,地面遥测站与无人直升机之间的距离不会超过100m。考虑到1倍安全裕量,遥测距离也不会超过200m。

2 遥测系统设计中的关键问题和解决方案

由于地面遥测站对小型无人直升机的飞行状态的实时了解都取决于遥测数据,而遥测数据又由很多路传输,所以在设计遥测系统时,必须注意解决遥测系统的多路传输技术与同步处理技术、遥测通信链路

收稿日期:2005208226 收修改稿日期:2005211230#68#张 强等,一种小型无人直升机遥测系统关键技术研究第27卷第3期

的可靠性、遥测数据的可靠性等几项关键问题。

2.1 遥测系统的多路传输技术与同步处理技术

由于遥测数据中被测参数很多,不可能也没有必要让每一个参数都单独占用一条传输线路,所以必须采用一条传输线路传输多个参数,即采用多路传输技术

[3]

。在/隼鹰0无人机遥测系统中,采用了TDMA

时分多路传输技术。信号以帧的方式进行传输,每一帧中包含多路信息。为了使地面站接收端能够把各路信号区分出来,机载遥测系统在每一帧中加入一个特殊的标志)))帧同步信号。由于采用PCM脉冲编码调制方式,所以系统采用一些特定码组成的码组-@.作为帧同步信号。

图1是遥测系统同步处理流程图。地面遥测站每接收到一个字节的遥测数据后,都要判断是否是帧同步信号-@.,这就是同步技术中的搜索过程。如果是帧同步信号,则判断前一个遥测数据帧是否已经接收完毕(由固定的帧长度来判断)。如果前一个数据帧已经接收完毕,则准备接收一个新的遥测数据帧。如果前一个遥测数据帧还未接收完,则此同步信号为假同步信号,系统继续存储、记录、处理前一个遥测数据帧;如果接收到的不是帧同步信号-@.,且前一个数据帧还未接收完毕,系统继续存储、记录、处理前一个遥测数据帧。如果前一个数据帧已经接收完毕了,则系统继续搜索帧同步信号-@.。

由于确定接收一个新的遥测数据帧是以接收到帧同步信号和前一个数据帧已经接收完毕为共同前提的,故可避免假同步。2.2 遥测通信信道的计算

在进行无线电遥测信息传输系统的总体设计时,要计算射频信道的一些参数。遥测空间传输距离方程如式(1)所示

[3][4]2

图1 遥测系统的同步处理流程图

(1)

:

PtGtGrKPr=2ML(4PR)

其中,Pr为接收机的最小接收功率;Pt为发射功率;Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益;K为工作波长;M为安全裕量;L为各种损耗;R为遥测数据发、收之间的距离。

在计算时,L主要包括环境影响带来的信号损耗,发、收馈线的损耗和极化衰减。环境影响带来的信号损耗主要有:大气吸收损耗、雾、云、雨、雪天气对信号的影响及对流层吸收衰减和法拉第旋转损耗等。由于除大气吸收损耗外,其它几项损耗数值都较小,所以一般只考虑大气吸收损耗,通常按0.5~1dB取值。对于采用分集接收技术的遥测接收机,其极化衰减可以按0.5~1dB取值。/隼鹰0无人直升机遥测系统射频发射功率为23dBm、发射频率为430MHz;发射天线和接收天线都是各向同性的全向天线;遥测数据传输距离为200m;取大气吸收损耗为1dB,发、收馈线的损耗为0.5dB,极化衰减为1dB,即L为2.5dB;安全裕量取6dB。

根据式(1)计算可得

Pr=23dBm-3.1dB-2.5dB-6dB-68dB=-56.6dBm

由于系统采用的接收机的接收功率是-105dBm,远小于-56.6dBm,所以满足系统要求,可以保证遥测系统在要求的空间传输距离范围内有良好的信号接收能力。

2.3 遥测通信链路的可靠性与遥测数据的可靠性

机载遥测系统通过无线电通信链路将遥测数据传送给地面遥测站,通信链路的稳定和可靠是地面遥测站得到可靠遥测信息的基本前提,其重要性是不言而喻的。

FSK系统的抗干扰性能比ASK系统的好,它的抗衰落性能比PSK系统的好,它的技术复杂程度比扩频系统的低很多,实现比较容易,所以本系统选用FSK数据调制方式。

系统采用最佳非相干解调,其误码率与信噪比的关系示于式(2)[3][5]

[4]

[4]

。2006年5月遥 测 遥 控Pe=

1-Q/2e2

#69#(2)

其中:Pe为误码率,Q为信噪比。

发射机发射功率和接收机的接收灵敏度保证了在有效的传输距离内,信道具有6dB以上的裕量,这就在信道裕量上保证了接收机可以在较高信噪比下工作。由式(2)可知,在Q值较大时,误码率很低,可以保证无线链路的可靠性。

为了增加遥测数据的可靠性,机载遥测系统使用冗余校验位作为检错手段,为了不过多地增加传输冗余,系统的检错手段采用校验和计算法。地面遥测站计算接收到遥测帧的校验和并与接收到的遥测数据帧中的校验和进行比较,从而确定遥测数据的正确性。此外,地面监控记录计算机还对遥测数据进行剔除野值和滤波处理,进一步提高遥测数据的可靠性。

3 小型无人直升机遥测系统的实现

无人直升机遥测系统可分为地面遥测系统和机载遥测系统两部分。机载遥测系统负责采集机上各种传感器信号、机载设备工作状态信号以及其它一些必要的信息,并对其进行量化、编码、组帧等处理,形成遥测数据帧,然后通过遥测发射机将遥测数据发送给地面遥测系统;地面遥测系统通过遥测接收机接收遥测数据帧,对其进行分析处理后,传送给监控记录计算机进行存储、显示。

/隼鹰0无人直升机遥测系统采用PCM2FSK(PulseCodeModulation2FrequencyShiftKeying)遥测。机载遥测系统采用RISC(ReducedInstructionSetComputing)的增强型微处理器作为控制核心,它和现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)一起完成对信号的采集、处理;地面遥测系统采用RISC(ReducedInstructionSetComputing)的增强型微处理器作为控制核心,它和监控存储计算机一起完成对遥测数据的接收、处理和显示存储等。实验和比赛结果都证明了整个遥测系统结构合理、重量轻、功能齐全。完全满足小型无人直升机遥测系统的要求。3.1 地面遥测系统的组成

地面遥测系统的基本组成框图示于图2。

遥测接收机接收到遥测信息帧后,传送给微处理器,经同步、解密、解码处理后得到遥测信息,经过处理计算后,通过异步串行接口传送给监控记录计算机进行存储、显示。微处理器同时接收DGPS差分地面站的定位信息,进行一定的加密处理后,通过异步串行接口传送给DGPS差分信息发射机。

在地面遥测系统中,微处理器与遥测接收机、DGPS差分信息发射机、DGPS地面接收机以及监控记录计算机的接口均为异步串行接口。为了避免丢失数据,在地面遥测系统中采用FIFO技术,对数据进行缓存。

图2 地面遥测系统基本框图

上行DGPS差分信息发射机主要发送差分GPS(DGPS)地面站的定位信息,其发射频率为428MHz,上行传输速率为9600bps。

为保证地面遥测接收机能可靠接收遥测数据,地面遥测系统采用圆极化全向天线。3.2 机载遥测系统的组成

机载遥测系统基本组成框图示于图3。

信号调理器将模拟信号进行隔离、放大整形成为低阻抗电压信号,以便AD转换器可以对模拟信号进行采集。

数据采集处理器采集经过信号调理器处理后的模拟信号,同时接收导航计算机的状态数据、DGPS差分信息接收机传送的DGPS地面定位上传信息、DGPS和航向传感器的位置姿态信息、遥控指令回传信息等,将这些信息进行加密、编码,组成遥测信息数据帧,最后将数据传送给遥测发射机。#70#张 强等,一种小型无人直升机遥测系统关键技术研究第27卷第3期

图3 机载遥测系统基本框图

遥测发射机采用FSK机制,其发射频率为430MHz,传输速率为9600bps。为保证地面遥测站接收机能在无人直升机高机动飞行时也能接收到可靠的信号,遥测发射机采用圆极化全向天线。3.2.1 机载遥测系统对各设备信号的处理

机载遥测系统的微处理要采集以下设备的信号,并对其进行处理。

¹光纤陀螺:由于小型无人直升机的载重很有限,所以机载遥测系统采用两个重量特别轻的高精度光纤陀螺来测量飞机的姿态,两个陀螺分别安装在飞机的横向和纵向两个轴向上,光纤陀螺的输出是差分的模拟电压,经过AD转换器将其转换为数字量,由这些数字量就可以得到飞机当前横滚及俯仰两个轴的旋转角速率,再经积分计算就可以得到飞机当前的姿态;

º超声波测距仪:由于要求小型无人直升机能够自动起飞和着陆,所以系统对低高度测量的精度要求比较高。在低高度飞行时,采用测量精度为亚厘米级的超声波测距仪来测量低高度。超声波测距仪的输出是0~10V的模拟电压,10V对应着测量距离的上限,0V对应着测量距离的下限。系统先将信号调理到0~5V,然后用高速AD转换器将模拟电压转换为数字量,经过线性计算就可以得到飞机的当前高度(在低高度飞行时);

»Futaba接收机:在遥控飞行时,需要对Futaba接收机的输出信号进行采集。Futaba接收机的输出是多路脉宽信号,系统利用FPGA对其进行采集,FPGA可以同时对几路脉宽信号进行采集,然后将采集到的数据传送给微处理器,由微处理计算得到脉宽信号的信息;

¼机载工作设备:机载遥测系统要对机载工作设备的工作状态进行采集,如对机载摄像头的工作状态的采集等,机载遥测系统是利用FPGA来完成对这些开关量的采集的;

½差分GPS定位系统:由于在40m@20m的区域内搜索、识别目标,所以/隼鹰0无人直升机利用差分GPS定位系统(DGPS)来得到当前的位置信息,DGPS系统由地面接收站和移动站两大部分组成。地面遥测系统通过DGPS差分信息发射机将DGPS地面站的定位信息传送给机载遥测系统,机载遥测系统将接收到的DGPS地面站的定位信息传送给机载DGPS移动站,从而获得更高的定位精度(20cm的动态定位精度)。DGPS机载接收机采用异步串行通信接口与微处理器连接;

¾航向传感器:无人直升机通过航向传感器得到飞机当前的磁航向信息,航向传感器也采用异步串行通信接口与微处理器连接;

¿电源监控器:系统对机载供电电源进行采集,当电压低于门限值时,给出报警信号,通过遥测数据通知地面监控站;

À导航计算机:无人直升机在自主导航飞行时,其飞行状态是由导航计算机来控制的,所以导航计算机的工厂作状态数据也要通过遥测系统传送给地面遥测站,以供分析;2006年5月遥 测 遥 控#71#

ÁDGPS差分信息接收机:DGPS差分信息接收机主要接收差分GPS地面定位信息,并将这些信息传送给微处理器,微处理器对这些信息进行解密处理后,通过异步串行接口发送给机载GPS接收机。机载遥测系统除了采集上述设备信号外,还要回传遥控指令,使地面站可以得到遥控指令是否被可靠接收和执行的信息。

3.2.2 设计中的一些问题及解决方法

¹由于导航计算机同时要完成飞行控制,而飞行控制的处理周期特别短,频率特别高,所以要尽量避免用中断方式打断导航计算机,以免出现飞机不稳定的情况。因此,机载遥测系统微处理器就不能采用中断的方式与导航计算机进行通信。

/隼鹰0机载遥测系统利用FPGA实现了一个双口RAM,供导航计算机和遥测处理器传送数据。导航计算机将遥测系统所需的状态信息写入双口RAM中的固定地址内,并不断地刷新。因此,遥测系统读取相应的地址单元就可以得到所需的信息。

º由于机载遥测系统中微处理器与GPS接收机、航向传感器、机载遥测接收机的连接均采用异步串行接口,所以不可避免会发生多个串行接口同时接收到数据,这就有可能会因为中断处理时间太长而造成数据丢失。

/隼鹰0机载遥测系统采用FIFO技术来缓存异步串行接口的数据,每个通道有的16字节FIFO接收缓冲器和16字节FIFO发送缓冲器,这就可以达到更高的通讯速率而无需占用过多的CPU资源。从而就可以避免多串口数据同时到达时CPU没有足够时间处理而造成数据丢失的问题。

»由于/隼鹰0无人直升机的任务是在40m@20m的区域内搜索、识别目标,并对目标进行定位。这就要求系统的定位精度特别高,达到厘米级。而通常的GPS动态定位精度仅为米级,无法满足系统要求。/隼鹰0无人直升机采用差分GPS来提供高定位精度,地面遥测系统通过DGPS差分信息发射机将地面GPS接收站的定位信息传送给机载遥测系统,进而传送给机载GPS移动站,由机载GPS移动站给出厘米级精度的定位信息。/隼鹰0无人直升机DGPS系统地面站接收机为FlexPak2G2L23151R,配以GPS701零相位中心GPS天线,单机定位最高精度为40cm(CEP);移动站为OEM42G22RT20,经过差分修正可以实现20cm的动态定位精度。这样的定位精度可以满足任务要求。

¼由于受到飞机有效载荷的,无人直升机机载设备的重量一定要轻。/隼鹰0无人直升机采用JRVoyagerGSR260型直升机航模作为飞行平台,其有效载荷为44.1N,汽油发动机继航时间为20min,旋翼直径为1.3m。为保证飞行任务要求的1小时飞行时间,增加一个副油箱,将继航时间延长到1小时。为保证机载设备重量小于飞机的有效载荷,在设备选取时,尽量采用重量轻、集成度高的设备。如在角速率及姿态测量传感器选择中,就舍弃通常的IMU测量设备,因为IMU设备的重量对于载重小于49N的小型无人机来说根本不现实,而采用在横向和纵向两个轴上安装高精度光纤陀螺,由光纤陀螺给出的数据及其积分值来得到角速率和姿态信息。/隼鹰0无人机的最终载荷为25.48N(包括副油箱),远小于飞机的有效载荷44.1N。

4 结束语

本文介绍了/隼鹰0无人直升机遥测系统的设计与实现,讨论了遥测系统设计中的多路传输技术、同步处理技术、遥测通信信道的计算、遥测通信链路的可靠性和遥测数据的可靠性等问题。在首届空中机器赛中,/隼鹰0无人直升机获得了冠军,飞行结果证明了该遥测系统稳定和可靠。

参考文献

[1] 张晓林.无人驾驶直升机遥测遥控与电子系统设计[J].航空学报,2002,(5):431~435.

[2] 陆国雷,张晓林等.无人驾驶直升机遥测系统设计及其实现[J].北京航空航天大学学报,2003,29(2).[3] 陈宜元,刘政凯等.遥测遥控信息传输原理[M].北京:国防工业出版社,1980,252~254.[4] 刘蕴才,房鸿瑞等.遥测遥控系统[M],北京:国防工业出版社,2000,231~243.

#72#张 强等,一种小型无人直升机遥测系统关键技术研究第27卷第3期

[5] 曹志刚,钱亚生等.现代通信原理[M],北京:清华大学出版社,1992,271~281.

ResearchontheKeyTechnologyoftheTelemetrySystemon

aKindofSmallPilotlessHelicopter

ZhangQiang, ZhangXiaolin, LiHongwe,i ZhaiYujia

Abstract:ThispapermainlyintroducesthedesignandimplementationofthetelemetrysystemontheBeHiang\"Hawk\"pilotlesshelicopter,whichisbasedthePCM-FSK(PulseCodeModulationFrequencyShiftKeying)telemetrytheory.Thistelemetrysystemcanbeusedforsearchingtarget,recognizingtargetandlocatingtargetwithhighprecision.ThistelemetrysystemhasshownitsgoodreliabilityandsteadinessintheChinaAirRobotCompetition.

Keywords:Pilotlesshelicopter; Telemetry; Synchronization; Reliability

[作者简介]

张 强 1982年生,博士研究生,主要从事无人直升机测控系统方面的研究。

张晓林 参见本期第13页。

李宏伟 1979年生,博士研究生,主要从事无人直升机测控、导航系统方面的研究。

(上接第61页)

ResearchonETFAlgorithmforAirborneSARImaging

WangGuohua, SunJinping

Abstract:AccordingtoconventionalETF(exacttransferfunction)algorithm,theoptimumexacttransferfunctionforairbornesquintSARimagingmodeisdeducedindetai.lTheblockprocessingrequirementisanalyzedanddevelopedindetailforactualuseandthealgorithmflowissproposedtoo.Becausethedeductionisbasedonprecisecomputinginsteadofapproximatetruncationforazimuthphasepreservation,thealgorithmperformsoptimumphaseprecision.Theblockprocessingrequirementisbeneficialtotheengineeringimplementationofthealgorithm.Theresultsforprocessingsimulatedpointtargetsandrawechoesshowthevalidityofthealgorithm.

Keywords:AirborneSAR; Exacttransferfunction;

Imagingalgorithm; Blockprocessing

[作者简介]

王国华 1979年生,硕士研究生,研究方向为星载合成孔径雷达姿态控制和成像算法。孙** 1975年生,博士,副教授,研究方向为机载、星载合成孔雷达成像算法和系统研究。