无人机卫星通信链路数据管理及应用研究

2020-01-06朱泽唐世玉95894部队北京市昌平区022

无人机 2019年11期

朱泽，唐世玉/95894部队，北京市昌平区 022

陈敏2/61646部队，北京市海淀区 100192

吴彦3/北京市信息技术研究所，北京市海淀区 100038

卫星通信数据链是目前无人机进行超视距测控与信息传输的最佳解决手段，也是视距链路被遮挡或干扰时的最佳备用手段。本文通过分析卫星通信数据链数据构成，研究数据的应用方向，设计开发了卫星通信数据管理系统，对全面掌握数据链质量状态，保障飞行安全，提高数据利用价值具有重要意义。

目前,卫星通信数据链是无人机进行超视距测控与信息传输的最佳解决手段，也是视距链路被遮挡或干扰时的最佳备用手段。在超视距飞行任务中，卫星通信数据链的好坏，直接影响无人机的飞行安全以及图像数据传输效果。2014年6月20日，美国《华盛顿邮报》刊发了关于美军无人机事故的文章。该文梳理的美国军方报告显示，自2001年9月至2013年底，美军无人机共发生418起重大坠毁事故，这一数字和同一时期美军有人驾驶飞机的事故相当，而从事故率上看，则远远超过有人驾驶飞机。并且，在超过四分之一的最严重的无人机坠毁事故中，都发生了通信链接崩溃或丢失的问题。因此，分析卫星通信数据链数据构成，研究数据的应用方向，对全面掌握数据链质量状态，保障飞行安全，提高数据利用价值具有重要意义。

无人机卫星通信链路系统组成及信号传输流程

无人机卫星通信数据链系统和信号传输示意图如图1～2所示。数据链分上行链路和下行链路。上行链路为地（车）—星—机链路，下行链路为机—星—地链路。

图1 无人机卫星通信数据链系统示意图

上行链路传输遥控信息，即指挥控制车遥控指令通过电（光）缆送至卫星通信链路设备车内的扩频调制器进行扩频调制，扩频调制信号通过电（光）缆送至天线车的微波室外单元（ODU）变频为射频载波，放大后发向卫星；卫星转发器将收到的上行载波放大并转发；机载天线收到该载波，送低噪声放大器（LNA）放大，再由下变频器（D/C）变为中频，经解扩解调器恢复出遥控信息，分别送机载遥控盒和飞控计算机，从而完成了上行遥控信息的传输。

图2 信号传输示意图

下行链路传输遥测信息和侦察图像信息，经加密调制后由机载卫星通信设备发送至卫星，地面站天线车接收到数据后，经过LNA放大，经过分路器一部分送往ODU，另一部分送至天线控制机柜的信标接收机；送至ODU的信号由下变频器（D/C）变为中频，再经过分路器分别送给各调制解调器进行解调和一部频谱仪用于信号监视；最后解调处的信号数据传送至指挥控制车用于显示当前飞机状态。

卫星通信数据构成

无人机卫星通信数据按数据运用方式通常包括基础数据、设备数据、信号数据、事件数据以及故障数据五大部分。

图3 无人机卫星通信数据链数据构成

基础数据

基础数据主要包括日期天气以及卫星通信站所在地点无人机的型号机号及载荷设备种类和飞行任务名称等。这类数据是进行数据筛选与统计分析必不可少的分类条件。

设备数据

设备数据主要是卫星通信站通信设备设定的各类数据，包括天线控制单元数据、室外功放单元数据、调制解调器数据以及频谱仪数据等。无人机遥控指令和遥测信息通过这些设备的调制、放大、发射、回收、解调、显示等步骤来完成地面站与无人机之间的信息传输。

信号数据

信号数据主要是通过频谱仪、调制解调器等设备测量得到信号强弱的数据，通常包括调制解调器解调得到的信噪比、频谱仪显示的参考电平值等。信噪比有三种，分别是用于测量自还信号的自环信噪比、测量遥控信号的扩频信噪比以及测量遥测信号的功放信噪比。参考电平值是指在一定射频衰减下的参考电平。

事件数据

事件数据是指在通信过程中，记录的突发事件数据或设备检测数据，通常包括时间、现象、原因、应急措施等。例如，“2018年9月24日10：40：35，信号被干扰，10：41：55更换频率后，信号恢复”。

故障数据

故障数据是指卫星通信站设备或机载卫星通信设备发生故障时，在排故过程中产生的相关数据，包括基础数据、故障现象、排故描述、解决方案等。

数据应用

天线快速对星

无人机地面站部署时，卫星通信天线一旦收藏，就需要重新对星。常规的对星方式天线方位/俯仰扇扫耗时长、对星差错率高，适合无人机地面站部署在全新地点时使用，流程如图4。

图4 卫星通信天线对星流程

当无人机地面站部署在以前的地点或附近时，可以通过检索历史数据中的地点、方位值、俯仰值、信标接收机电压值等参数，缩小天线的扇扫范围，减少扇扫次数，或可直接设置天线的方位/俯仰值，在附近微调，提高扇扫效率和对星成功率，完成快速对星，极大的节约布站时间。

设备质量监控

通过在事件数据中记录设备数据和信号数据，进行统计分析，可以检测卫星通信设备在某个时间段的信号质量状态变化情况，进而可以分析其装备质量状态情况，为设备质量监控，提供数据支撑。如图5，在无人机进行长航时飞行任务时，在事件数据中，每小时采集一次扩频信噪比和功放信噪比，分析发现，扩频信噪比始终保持在18.0附近（正常值为16～20），功放信噪比始终保持在4.0～6.0范围内（正常值为3.5～8）。本次任务中，卫星通信质量状态良好。

图5 长航时飞行卫星通信扩频/功放信噪比采集图

图6 卫星通信数据管理系统主页面

图7 频率计算页面

图8 卫星通信数据记录页面

图9 卫星通信数据查询页面

故障诊断排除

卫星通信是众多电子设备的集合，任何一个电子元件的不稳定都会引发一连串的故障。故障排除作业涉及人员多、岗位多、诱发故障原因多、排故设备专业度高、故障现象复杂。因此，通过记录收集卫星通信故障数据，对照历史数据中故障现象，排故过程和解决方案，可极大的缩短故障排除时间，提高排故效率，从而提高无人机卫星通信数据链战场抢修能力。