無人機(jī)衛(wèi)星通信鏈路數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用研究

朱澤，唐世玉/95894部隊(duì)，北京市 昌平區(qū) 022

陳敏2/61646部隊(duì)，北京市 海淀區(qū) 100192

吳彥3/北京市信息技術(shù)研究所，北京市 海淀區(qū) 100038

衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)悄壳盁o人機(jī)進(jìn)行超視距測控與信息傳輸?shù)淖罴呀鉀Q手段，也是視距鏈路被遮擋或干擾時(shí)的最佳備用手段。本文通過分析衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)構(gòu)成，研究數(shù)據(jù)的應(yīng)用方向，設(shè)計(jì)開發(fā)了衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對(duì)全面掌握數(shù)據(jù)鏈質(zhì)量狀態(tài)，保障飛行安全，提高數(shù)據(jù)利用價(jià)值具有重要意義。

目前,衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o人機(jī)進(jìn)行超視距測控與信息傳輸?shù)淖罴呀鉀Q手段，也是視距鏈路被遮擋或干擾時(shí)的最佳備用手段。在超視距飛行任務(wù)中，衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈的好壞，直接影響無人機(jī)的飛行安全以及圖像數(shù)據(jù)傳輸效果。2014年6月20日，美國《華盛頓郵報(bào)》刊發(fā)了關(guān)于美軍無人機(jī)事故的文章。該文梳理的美國軍方報(bào)告顯示，自2001年9月至2013年底，美軍無人機(jī)共發(fā)生418起重大墜毀事故，這一數(shù)字和同一時(shí)期美軍有人駕駛飛機(jī)的事故相當(dāng)，而從事故率上看，則遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有人駕駛飛機(jī)。并且，在超過四分之一的最嚴(yán)重的無人機(jī)墜毀事故中，都發(fā)生了通信鏈接崩潰或丟失的問題。因此，分析衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)構(gòu)成，研究數(shù)據(jù)的應(yīng)用方向，對(duì)全面掌握數(shù)據(jù)鏈質(zhì)量狀態(tài)，保障飛行安全，提高數(shù)據(jù)利用價(jià)值具有重要意義。

無人機(jī)衛(wèi)星通信鏈路系統(tǒng)組成及信號(hào)傳輸流程

無人機(jī)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和信號(hào)傳輸示意圖如圖1～2所示。數(shù)據(jù)鏈分上行鏈路和下行鏈路。上行鏈路為地（車）—星—機(jī)鏈路，下行鏈路為機(jī)—星—地鏈路。

圖1 無人機(jī)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)示意圖

上行鏈路傳輸遙控信息，即指揮控制車遙控指令通過電（光）纜送至衛(wèi)星通信鏈路設(shè)備車內(nèi)的擴(kuò)頻調(diào)制器進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)通過電（光）纜送至天線車的微波室外單元（ODU）變頻為射頻載波，放大后發(fā)向衛(wèi)星；衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器將收到的上行載波放大并轉(zhuǎn)發(fā)；機(jī)載天線收到該載波，送低噪聲放大器（LNA）放大，再由下變頻器（D/C）變?yōu)橹蓄l，經(jīng)解擴(kuò)解調(diào)器恢復(fù)出遙控信息，分別送機(jī)載遙控盒和飛控計(jì)算機(jī)，從而完成了上行遙控信息的傳輸。

圖2 信號(hào)傳輸示意圖

下行鏈路傳輸遙測信息和偵察圖像信息，經(jīng)加密調(diào)制后由機(jī)載衛(wèi)星通信設(shè)備發(fā)送至衛(wèi)星，地面站天線車接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過LNA放大，經(jīng)過分路器一部分送往ODU，另一部分送至天線控制機(jī)柜的信標(biāo)接收機(jī)；送至ODU的信號(hào)由下變頻器（D/C）變?yōu)橹蓄l，再經(jīng)過分路器分別送給各調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)和一部頻譜儀用于信號(hào)監(jiān)視；最后解調(diào)處的信號(hào)數(shù)據(jù)傳送至指揮控制車用于顯示當(dāng)前飛機(jī)狀態(tài)。

衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)構(gòu)成

無人機(jī)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)運(yùn)用方式通常包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、信號(hào)數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)以及故障數(shù)據(jù)五大部分。

圖3 無人機(jī)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)構(gòu)成

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括日期天氣以及衛(wèi)星通信站所在地點(diǎn)無人機(jī)的型號(hào)機(jī)號(hào)及載荷設(shè)備種類和飛行任務(wù)名稱等。這類數(shù)據(jù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選與統(tǒng)計(jì)分析必不可少的分類條件。

設(shè)備數(shù)據(jù)

設(shè)備數(shù)據(jù)主要是衛(wèi)星通信站通信設(shè)備設(shè)定的各類數(shù)據(jù)，包括天線控制單元數(shù)據(jù)、室外功放單元數(shù)據(jù)、調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)以及頻譜儀數(shù)據(jù)等。無人機(jī)遙控指令和遙測信息通過這些設(shè)備的調(diào)制、放大、發(fā)射、回收、解調(diào)、顯示等步驟來完成地面站與無人機(jī)之間的信息傳輸。

信號(hào)數(shù)據(jù)

信號(hào)數(shù)據(jù)主要是通過頻譜儀、調(diào)制解調(diào)器等設(shè)備測量得到信號(hào)強(qiáng)弱的數(shù)據(jù)，通常包括調(diào)制解調(diào)器解調(diào)得到的信噪比、頻譜儀顯示的參考電平值等。信噪比有三種，分別是用于測量自還信號(hào)的自環(huán)信噪比、測量遙控信號(hào)的擴(kuò)頻信噪比以及測量遙測信號(hào)的功放信噪比。參考電平值是指在一定射頻衰減下的參考電平。

事件數(shù)據(jù)

事件數(shù)據(jù)是指在通信過程中，記錄的突發(fā)事件數(shù)據(jù)或設(shè)備檢測數(shù)據(jù)，通常包括時(shí)間、現(xiàn)象、原因、應(yīng)急措施等。例如，“2018年9月24日10：40：35，信號(hào)被干擾，10：41：55更換頻率后，信號(hào)恢復(fù)”。

故障數(shù)據(jù)

故障數(shù)據(jù)是指衛(wèi)星通信站設(shè)備或機(jī)載衛(wèi)星通信設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，在排故過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、故障現(xiàn)象、排故描述、解決方案等。

數(shù)據(jù)應(yīng)用

天線快速對(duì)星

無人機(jī)地面站部署時(shí)，衛(wèi)星通信天線一旦收藏，就需要重新對(duì)星。常規(guī)的對(duì)星方式天線方位/俯仰扇掃耗時(shí)長、對(duì)星差錯(cuò)率高，適合無人機(jī)地面站部署在全新地點(diǎn)時(shí)使用，流程如圖4。

圖4 衛(wèi)星通信天線對(duì)星流程

當(dāng)無人機(jī)地面站部署在以前的地點(diǎn)或附近時(shí)，可以通過檢索歷史數(shù)據(jù)中的地點(diǎn)、方位值、俯仰值、信標(biāo)接收機(jī)電壓值等參數(shù)，縮小天線的扇掃范圍，減少扇掃次數(shù)，或可直接設(shè)置天線的方位/俯仰值，在附近微調(diào)，提高扇掃效率和對(duì)星成功率，完成快速對(duì)星，極大的節(jié)約布站時(shí)間。

設(shè)備質(zhì)量監(jiān)控

通過在事件數(shù)據(jù)中記錄設(shè)備數(shù)據(jù)和信號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以檢測衛(wèi)星通信設(shè)備在某個(gè)時(shí)間段的信號(hào)質(zhì)量狀態(tài)變化情況，進(jìn)而可以分析其裝備質(zhì)量狀態(tài)情況，為設(shè)備質(zhì)量監(jiān)控，提供數(shù)據(jù)支撐。如圖5，在無人機(jī)進(jìn)行長航時(shí)飛行任務(wù)時(shí)，在事件數(shù)據(jù)中，每小時(shí)采集一次擴(kuò)頻信噪比和功放信噪比，分析發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)頻信噪比始終保持在18.0附近（正常值為16～20），功放信噪比始終保持在4.0～6.0范圍內(nèi)（正常值為3.5～8）。本次任務(wù)中，衛(wèi)星通信質(zhì)量狀態(tài)良好。

圖5 長航時(shí)飛行衛(wèi)星通信擴(kuò)頻/功放信噪比采集圖

圖6 衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主頁面

圖7 頻率計(jì)算頁面

圖8 衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)記錄頁面

圖9 衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)查詢頁面

故障診斷排除

衛(wèi)星通信是眾多電子設(shè)備的集合，任何一個(gè)電子元件的不穩(wěn)定都會(huì)引發(fā)一連串的故障。故障排除作業(yè)涉及人員多、崗位多、誘發(fā)故障原因多、排故設(shè)備專業(yè)度高、故障現(xiàn)象復(fù)雜。因此，通過記錄收集衛(wèi)星通信故障數(shù)據(jù)，對(duì)照歷史數(shù)據(jù)中故障現(xiàn)象，排故過程和解決方案，可極大的縮短故障排除時(shí)間，提高排故效率，從而提高無人機(jī)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈戰(zhàn)場搶修能力。

衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

當(dāng)前，無人機(jī)每次聯(lián)試和飛行的原始數(shù)據(jù)中記錄了衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈的部分設(shè)備數(shù)據(jù)，缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信號(hào)數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，且原始數(shù)據(jù)提取困難，作業(yè)人員只能通過人工記錄的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)留存。

針對(duì)當(dāng)前無人機(jī)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)的管理現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開發(fā)無人機(jī)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)多型無人機(jī)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)的綜合管理，提高數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量、效率和深度，充分挖掘利用數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值。

圖10 衛(wèi)星通信故障數(shù)據(jù)管理頁面

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用sqlite輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫，基于.NET Framework，選用C#編成語言，利用ADO.NET接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問管理。

系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)登錄、頻率計(jì)算、數(shù)據(jù)記錄與查詢、故障管理以及衛(wèi)星通信知識(shí)等功能，主頁面如圖6所示。

(1)頻率計(jì)算

不論是上行鏈路還是下行鏈路，信號(hào)都要經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行頻率偏移，操作手必須手動(dòng)設(shè)置匹配地面站與機(jī)載衛(wèi)星通信設(shè)備的發(fā)送頻率和接收頻率，才能完成鏈路的聯(lián)通。該模塊提供的3種計(jì)算方式方法清晰、操作簡便、上手快速、適合新人帶教，如圖7所示。

(2)數(shù)據(jù)記錄與檢索

依據(jù)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)構(gòu)成和衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)備組成，分組記錄每次任務(wù)的衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)，統(tǒng)一保存。如圖8所示。

根據(jù)日常工作中的檢索習(xí)慣，按照時(shí)間段、地點(diǎn)、機(jī)型、任務(wù)、衛(wèi)星以及事件關(guān)鍵詞等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要素設(shè)置查詢條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的檢索及顯示，如圖9所示。

(3)故障管理

按照故障數(shù)據(jù)的相關(guān)要素，詳細(xì)記錄每次故障的故障現(xiàn)象、排故過程以及最終的解決方案，并通過對(duì)數(shù)據(jù)的檢索來查看歷史數(shù)據(jù)的詳細(xì)情況，提高排故效率，如圖10所示。

結(jié)束語

本文通過介紹無人機(jī)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)組成和傳輸原理，分析其數(shù)據(jù)構(gòu)成，研究數(shù)據(jù)應(yīng)用方向，并設(shè)計(jì)開發(fā)了衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，有效解決了無人機(jī)衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)無法留存的問題，為全面了解衛(wèi)星通信設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)，保障無人機(jī)超視距飛行提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。 ■