一種浮空平臺(tái)備用鏈路視頻回傳方法

寧 銳，劉耀明，常 皓

（1.應(yīng)急管理部森林消防局，北京 100097；2.北京中興高達(dá)通信技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 引 言

無人機(jī)浮空平臺(tái)結(jié)合寬帶自組網(wǎng)的應(yīng)用，有效地解決了森林滅火救援隊(duì)與前線指揮部（以下簡(jiǎn)稱前指）之間“聯(lián)不上、聽不清、看不見”的問題，實(shí)現(xiàn)了救援現(xiàn)場(chǎng)與前指之間音視頻和定位信息等的多媒體通信?；诟】掌脚_(tái)實(shí)現(xiàn)的前線與前指通信，依賴于浮空平臺(tái)機(jī)載自組網(wǎng)與浮空平臺(tái)測(cè)控車上車載自組網(wǎng)之間的通信[1]。在實(shí)際使用中，無人機(jī)浮空平臺(tái)從前指飛抵前線附近上空，實(shí)現(xiàn)對(duì)前線的覆蓋，同時(shí)通過機(jī)載自組網(wǎng)與車載自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)通，從而實(shí)現(xiàn)前線與前指的互通[2]。由于森林滅火救援作業(yè)具有臨時(shí)性、突發(fā)性等特點(diǎn)，救援場(chǎng)地不固定，前指與前線之間的距離不確定，在部分場(chǎng)景下，前指測(cè)控車與前線的距離甚至高達(dá)80～100 km，已超過機(jī)載自組網(wǎng)的覆蓋范圍，從而導(dǎo)致前線與前指的通信受阻。因此，需要一種備用的手段，實(shí)現(xiàn)前線與前指在超遠(yuǎn)距離場(chǎng)景下的信息回傳，保障應(yīng)急場(chǎng)景下的通信及視頻回傳。

1 浮空平臺(tái)分析

浮空通信中繼平臺(tái)以無人直升機(jī)為飛行載體，搭載寬帶自組網(wǎng)、光電吊艙、超短波中繼臺(tái)以及數(shù)據(jù)鏈傳輸設(shè)備，各設(shè)備的功能如下。

（1）寬帶自組網(wǎng)。機(jī)載自組網(wǎng)為自組網(wǎng)通信系統(tǒng)在空中的中繼，連接前線單板背負(fù)自組網(wǎng)及前指測(cè)控車上的車載自組網(wǎng)，工作時(shí)，通過無人機(jī)搭載機(jī)載自組網(wǎng)在前線距地面1 500～2 000 m的高空盤旋，前線各背負(fù)自組網(wǎng)之間可以通過無人機(jī)進(jìn)行空中中繼通信，也可以與前指進(jìn)行互聯(lián)互通，配合單兵偵查終端，可實(shí)現(xiàn)前線視頻、語音、定位等信息回傳到前指測(cè)控車[3]。

（2）光電吊艙。機(jī)載視頻采集攝像頭通過無人機(jī)搭載到前線高空，可以從高空對(duì)前線全局火勢(shì)進(jìn)行視頻采集，并通過機(jī)載數(shù)據(jù)鏈傳輸設(shè)備回傳到前指測(cè)控車。

（3）超短波中繼臺(tái)。超短波語音中繼通信，通過無人機(jī)搭載到前線高空，提供空對(duì)地的語音通信覆蓋，為前線各單兵偵查終端提供大范圍的空中語音通信中繼。

（4）數(shù)據(jù)鏈傳輸設(shè)備。實(shí)現(xiàn)無人機(jī)到測(cè)控車的無線通信，傳輸無人機(jī)控制數(shù)據(jù)及光電吊艙視頻到前指測(cè)控，并在顯控系統(tǒng)進(jìn)行顯示[4]。

浮空平臺(tái)各系統(tǒng)之間連接接口如表1所示。

表1 浮空平臺(tái)各系統(tǒng)之間接口表

由浮空平臺(tái)各系統(tǒng)之間的接口表可知，光電吊艙采集的視頻通過數(shù)字分量串行接口（Serial Digital Interface，SDI）格式傳輸給機(jī)載數(shù)據(jù)鏈終端，由機(jī)載數(shù)據(jù)鏈終端將視頻進(jìn)行編碼后回傳給測(cè)控車數(shù)據(jù)鏈終端，而光電吊艙的控制指令與機(jī)載數(shù)據(jù)鏈終端的接口為雙向RS-422接口。同時(shí)，機(jī)載數(shù)據(jù)鏈終端還有2個(gè)備用的RS-422接口及一個(gè)備用的SDI視頻接口。通常，機(jī)載數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的發(fā)射功率比自組網(wǎng)設(shè)備的發(fā)射功率大，其覆蓋范圍一般比機(jī)載自組網(wǎng)覆蓋范圍大，且機(jī)載數(shù)據(jù)鏈還承載了無人機(jī)的控制指令數(shù)據(jù)，機(jī)載數(shù)據(jù)鏈的最大覆蓋距離決定了無人機(jī)與測(cè)控車的最大距離即無人機(jī)的作業(yè)范圍。由此，前線單兵偵查終端采集的視頻通過背負(fù)自組網(wǎng)及機(jī)載自組網(wǎng)傳輸?shù)綗o人機(jī)后，除可以通過車載自組網(wǎng)傳回測(cè)控車外，還可以借助機(jī)載數(shù)據(jù)鏈將視頻回傳到測(cè)控車，實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶自組網(wǎng)鏈路的備份。當(dāng)無人機(jī)與測(cè)控車的距離超出機(jī)載自組網(wǎng)覆蓋距離時(shí)，采用機(jī)載數(shù)據(jù)鏈作為備用鏈路，能夠?qū)⑶熬€采集的視頻回傳到前指測(cè)控車[5]。

2 視頻回傳備用鏈路設(shè)計(jì)

前線采集的視頻通過背負(fù)自組網(wǎng)傳給機(jī)載自組網(wǎng)，若要通過數(shù)據(jù)鏈將前線采集的視頻傳給測(cè)控車，則需要實(shí)現(xiàn)機(jī)載自組網(wǎng)與數(shù)據(jù)鏈之間的互聯(lián)。由浮空平臺(tái)分析可知，機(jī)載數(shù)據(jù)鏈可提供SDI視頻傳輸以及RS-422數(shù)據(jù)傳輸兩種方式，同時(shí)RS-422接口還承載了無人機(jī)飛控的控制指令以及光電吊艙的控制指令，且為高優(yōu)先級(jí)的服務(wù)，而留給備用RS-422接口的帶寬只有12.8 kb·s-1，此帶寬無法承載視頻業(yè)務(wù)，因此，視頻回傳備用鏈路只能選擇機(jī)載數(shù)據(jù)鏈的SDI接口。

對(duì)比寬帶自組網(wǎng)設(shè)備接口與機(jī)載數(shù)據(jù)鏈接口可知，寬帶自組網(wǎng)無法與機(jī)載數(shù)據(jù)鏈直接連接，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換模塊，將前線傳到機(jī)載自組網(wǎng)的視頻轉(zhuǎn)換成SDI格式，接入到機(jī)載數(shù)據(jù)鏈，從而實(shí)現(xiàn)視頻的回傳[6]。同時(shí)，為了將前線背負(fù)自組網(wǎng)的定位信息回傳到前指測(cè)控車，機(jī)載自組網(wǎng)需要支持通過串口的方式輸出前線背負(fù)自組網(wǎng)的定位信息給機(jī)載數(shù)據(jù)鏈，從而將位置信息回傳到前指測(cè)控車。由于機(jī)載自組網(wǎng)設(shè)備的串口為RS-232接口，因此轉(zhuǎn)換模塊還需將RS-232電平轉(zhuǎn)換成RS-422電平，以接入機(jī)載數(shù)據(jù)鏈。

轉(zhuǎn)換模塊與機(jī)載自組網(wǎng)及機(jī)載數(shù)據(jù)鏈的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)換模塊與機(jī)載自組網(wǎng)及機(jī)載數(shù)據(jù)鏈連接關(guān)系

轉(zhuǎn)換模塊通過網(wǎng)線與自組網(wǎng)網(wǎng)口相連。機(jī)載自組網(wǎng)通過網(wǎng)口將前線采集的視頻傳給轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換模塊將視頻解碼成SDI格式后通過SDI接口將視頻傳給機(jī)載數(shù)據(jù)鏈，從而實(shí)現(xiàn)視頻的傳輸；另一方面，轉(zhuǎn)換模塊提供RS-232及RS-422接口，分別連接機(jī)載自組網(wǎng)及機(jī)載數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)前線單兵背負(fù)自組網(wǎng)定位信息回傳到前指測(cè)控車。同時(shí)，機(jī)載自組網(wǎng)提供12 V直流電源，為轉(zhuǎn)換模塊供電[7]。

3 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

由鏈路設(shè)計(jì)可知，轉(zhuǎn)換模塊需具備回傳視頻解碼功能以及串口轉(zhuǎn)換功能，其整體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)換模塊架構(gòu)圖

視頻解碼模塊負(fù)責(zé)視頻的解碼，將網(wǎng)絡(luò)視頻格式解碼成通用視頻流輸出給視頻轉(zhuǎn)換模塊，支持 1 080P、720P、D1等視頻分辨率解碼，支持4路同時(shí)解碼，支持4路同時(shí)顯示及某一路單獨(dú)顯示。

視頻轉(zhuǎn)換模塊將通用視頻流轉(zhuǎn)換成SDI格式輸出，匹配光電吊艙視頻接口，支持1 080P、720P、D1等分辨率的視頻轉(zhuǎn)換。

串口轉(zhuǎn)換模塊提供RS-232與RS-422接口轉(zhuǎn)換以及轉(zhuǎn)換模塊控制信息傳輸功能。

控制模塊提供對(duì)外網(wǎng)絡(luò)接口，具有解碼視頻分辨率、解碼顯示視頻路數(shù)控制功能。

電源模塊接收外部12 V直流電輸入，并為轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部的控制模塊、視頻解碼模塊、視頻轉(zhuǎn)換模塊以及串口轉(zhuǎn)換模塊供電。

轉(zhuǎn)換模塊主處理芯片采用國(guó)產(chǎn)高性能視頻處理芯片Hi3565C，其內(nèi)置雙核處理器和高性能H.265/H.264視頻處理引擎，具備多路高清、超高清視頻處理能力，為轉(zhuǎn)換模塊提供高性能處理 保障。

針對(duì)光電吊艙視頻SDI格式，轉(zhuǎn)換模塊從視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到視頻信號(hào)輸出，全線路采用75 Ω阻抗標(biāo)準(zhǔn)，確保信號(hào)輸出規(guī)范，提高信號(hào)抗干擾能力，使SDI視頻信號(hào)輸出達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)方面，轉(zhuǎn)換模塊采用全鋁合金殼體設(shè)計(jì)，重量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗電磁干擾性好，對(duì)外網(wǎng)口、電源、串口等接口連接機(jī)器時(shí)采用航插連接器，連接穩(wěn)定不松脫，完全適用于浮空平臺(tái)在復(fù)雜電磁環(huán)境及高強(qiáng)度振動(dòng)環(huán)境下使用。

4 視頻回傳備用鏈路驗(yàn)證

視頻回傳備用鏈路驗(yàn)證組網(wǎng)如圖3所示。前線單兵偵查終端采集的視頻通過前線背負(fù)自組網(wǎng)傳到浮空平臺(tái)機(jī)載自組網(wǎng)，機(jī)載自組網(wǎng)通過轉(zhuǎn)換模塊將視頻轉(zhuǎn)換成SDI格式，傳給機(jī)載數(shù)據(jù)鏈，機(jī)載數(shù)據(jù)鏈將視頻編碼后傳給車載數(shù)據(jù)鏈，車載數(shù)據(jù)鏈連接車內(nèi)顯控系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)單兵偵查終端采集的視頻回傳到前指測(cè)控車。

圖3 視頻回傳備用鏈路網(wǎng)絡(luò)圖

轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行地面模擬測(cè)試完成后，進(jìn)行浮空平臺(tái)裝機(jī)測(cè)試。項(xiàng)目先后在四川成都、江西景德鎮(zhèn)、內(nèi)蒙古阿榮旗、黑龍江塔河及內(nèi)蒙古根河等多地進(jìn)行為期近1年的各種季節(jié)氣候、各種環(huán)境下的測(cè)試，通過備用鏈路可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前線與前指距離達(dá) 100 km時(shí)，前線視頻仍可清晰、流暢地傳回前方測(cè)控車，并且前線定位信息可在前指顯控系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示，滿足浮空中繼平臺(tái)超遠(yuǎn)距離通信需求。

在系統(tǒng)裝機(jī)聯(lián)調(diào)測(cè)試過程中，測(cè)試人員發(fā)現(xiàn)前方通過備用鏈路回傳的視頻在顯控系統(tǒng)上顯示時(shí)存在間歇性閃屏問題。針對(duì)此問題，通過分段排查全鏈路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)吞吐量、視頻連接阻抗匹配、視頻格式及分辨率/幀率匹配等多方面因素，最終確認(rèn)為轉(zhuǎn)換模塊輸出的SDI視頻幀率與機(jī)載數(shù)據(jù)鏈視頻輸入幀率不匹配導(dǎo)致。轉(zhuǎn)換模塊視頻輸出幀率默認(rèn)為1 080P 60幀，機(jī)載數(shù)據(jù)鏈視頻輸入幀率為1 080P 25幀，導(dǎo)致數(shù)據(jù)鏈在對(duì)視頻處理時(shí)出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)將轉(zhuǎn)換模塊視頻輸出分辨率配置為 1 080P 25幀，顯控系統(tǒng)顯示的視頻閃屏現(xiàn)象消失，視頻顯示清晰流暢，在后續(xù)各場(chǎng)景下多次測(cè)試，均未出現(xiàn)閃屏現(xiàn)象，問題徹底解決。

5 結(jié) 語

基于對(duì)無人機(jī)浮空平臺(tái)現(xiàn)有裝備的分析，通過設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)不同視頻格式及RS-232/RS-422接口的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)前線采集的視頻及定位信息通過機(jī)載數(shù)據(jù)鏈作為備份鏈路回傳給前指測(cè)控車，實(shí)現(xiàn)前線距前指100 km超遠(yuǎn)距離場(chǎng)景下視頻及定位信息的回傳。經(jīng)過地面模擬測(cè)試及實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換模塊滿足備用鏈路視頻回傳的要求。因此，結(jié)合寬帶自組網(wǎng)、轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)鏈的備用鏈路視頻回傳方法，滿足森林滅火救援場(chǎng)景下浮空平臺(tái)100 km超遠(yuǎn)距離視頻及定位回傳的需求。