《无人机系统理论基础》课件-项目5：通信技术与地面站

第二十二课时无人机通信需求及特点BU

YUN

AVIATION目录/CONTENTS§2无人机通信需求§1概论§3无人机通信的特点§1概论概论无人机通信定义：无人机与地面站、无人机之间、无人机与其他系统间进行的通信特点：高速移动性、环境变化迅速、电波传播条件多变、易受噪声影响通信设备要求：环境适应能力强、频带利用率高、综合性能优良概论无人机数据链作用：无人机与外界联系的神经网络，维系无人机的信息交换与信息传输按传输方向分类：上行链路、下行链路上行链路：地面站到无人机操控指令的发送和接收下行链路：无人机到地面站传感信息、位置信息、遥测数据、红外或电视图像的发送和接收概论无人机数据链功能：①支持对无人机及其机载设备的远程控制②监视无人机及其设备的状态③进行侦察监测数据的回传④对通信质量的在线评估§2无人机通信需求无人机通信需求需求的分类自身需求：无人机执行飞行任务时的通信需求。外在需求：无人机执行载荷任务时的通信需求及时传递获取的外部信息通信中继平台无人机通信链路无人机通信需求技术指标通信速率上行链路：较高的通信速率保证无人机的快速响应下行链路：较高的通信速率保证无人机获取的信息及自身数据及时传送到地面控制站无人机编队飞行：通信速率影响无人机动作响应速度无人机通信需求技术指标通信子系统通过优化各模块结构，减少各传输环节的时延，提高通信速率通信速率无人机通信需求通信距离提高发射与接收设备性能：使通信设备发射高功率的信号，提升有用信号传输距离使通信设备接收灵敏度、信号感应、识别能力增强远距离无人机通讯无人机通信需求传输容量需求与解决方案：载荷多样：通信子系统拓宽频带、提高频率利用率同时与多个外界系统通信：传输容量足够大无人机通信需求数据带宽定义：单位时间内通过链路传输的数据量（bps）需求：无人机技术发展、市场对无人机传输容量需求增加无人机与其他系统通信时无人机通信需求环境适应能力需求：无人机在恶劣环境下的工作要求：良好的电磁兼容性、抗欺骗能力、低截获概率、高安全性、抗干扰能力无人机通信需求对机载通信设备的要求缺陷：无人机载荷平台空间狭小，设备安装拥挤电子设备频率覆盖范围宽收、发设备的信号电平相差悬殊无人机通信需求对机载通信设备的要求导致问题：电磁环境复杂，电磁兼容问题严重电磁波在机体内外引起大量的反射、散射、绕射等现象影响信号收发质量解决方案：着重设计机载电子系统的电磁兼容无人机通信需求对地面站通信设备的要求需求：具有集通信、处理、控制、管理于一体的综合能力具有开放性和兼容性克服各种未知的、自然或人为因素的不利影响，以适应复杂环境§3无人机通信的特点无人机通信的特点无人机通信对比：与移动通信相比，具有快速移动性与卫星通信相比，具有通讯低空性，覆盖区域较小无人机通信的特点无人机通信实现中继通信：部署方便、移动性强、性能较佳、控制灵活、易升级换代无人机中继通信无人机通信的特点无人机通信对比（实现中继通信）：与移动通信相比，部署周期小、成本低与卫星通信相比，通信延迟较小、造价也低无人机通信的特点无人机通信的限制①无人机承载的通信设备有限，要求通信设备体积小、功耗低、处理速度快、综合性能好②通信设备随无人机运动，需要应对环境变化、信号变化的影响无人机通信的特点无人机通信的限制③无人机多采用电池供电，且传输的距离又远，要求通信设备的功耗低、信号传输距离远，数据链的接收灵敏度高、接收性能良好无人机通信的特点无人机通信的限制④无人机需要实现高速图像数据的传输通信，由于飞行的低空性，需考虑多路径、杂波等恶劣信道对传输性能的影响，尽量减少信息传输的误码率无人机通信的特点无人机通信的限制⑤无人机多机编队和多机联合作战时，需要频繁通信，要兼容处理各种信号、采取抗电磁干扰措施无人机通信的特点无人机数据链路的特征高信息速率作用：保障无人机系统正常运行，完成窄带条件下远距离通信的任务低功耗、低误码率和高接收灵敏度作用：支持无人机长时间飞行，准确传输信息，接收、识别更远距离的信号，扩大无人机飞行的距离与范围无人机通信的特点无人机数据链路的特征数据加密功能作用：数据传输的可靠性，防止数据的泄密与丢失存储、转发功能作用：储存部分机载传感器的信息，待事后分析；向其他无人机转发地面站发来的控制信号无人机通信的特点无人机数据链路的特征跳频、扩频功能作用：扩展频谱的同时提高通信的抗干扰能力，改善数据传输的性能，提高频带复用效率无人机通信的特点无人机数据链路的问题在复杂电磁环境条件下可靠工作的能力不足频率使用效率低，长期占用频率带宽造成频率资源浪费无人机通信的特点发展现状普通无人机采用定制视距数据链，中高空、长航时无人机采用视距或超视距的卫星通信数据链推动无人机通信高速、宽带、保密、抗干扰的发展第二十三课时无人机通信的分类（一）BU

YUN

AVIATION目录/CONTENTS§2根据传输手段分类§1概论§3根据通信频段分类§1概论概述无人机通信的分类按通信的发送方或接收方的位置分类：固定通信、移动通信固定通信：通过无线电、电缆、声、光等有线或无线的方式实现移动通信：采用无线电、声、光等无线方式§2根据传输手段分类根据传输手段分类电台移动通信电台的组成：机载部分（机载通信设备）、地面部分（地面通信设备）机载电台设备和地面电台设备的组成：射频发射机（RF）、发射天线、RF接收机、接收天线、电缆馈线根据传输手段分类电台移动通信按传输消息分类：对讲电台、数传电台、图传电台按使用频段分类：长波电台、中波电台、短波电台、超短波电台、微波电台按业务范围分类：地面电台、空间电台无人机数传电台根据传输手段分类电台移动通信定频电台：通信载频固定不变，抗干扰能力低、抗截获性能差变频电台：通信载频不断跳变，占用频带宽选择通信频段的方法：根据通信距离和通信任务根据传输手段分类电台移动通信机载通信设备与地面通信设备配套工作：传感器发送采集的数据和自身状态信息，地面通信设备接收并传送给地面控制中心进行分析处理地面通信设备发送控制指令，无人机上的配套机载天线接受指令并传送给飞控设备，从而控制无人机的飞行与动作根据传输手段分类电台移动通信无人机地面站与电台的通信：一架无人机与相应地面控制站多架无人机与单个地面控制站通信及多架无人机无人机地面站与电台根据传输手段分类蜂窝移动通信原理：采用蜂窝无线组网，通过无线通道连接终端和网络设备，实现用户在移动过程中相互通信特征：终端的移动性、越区切换和跨本地网自动漫游的功能根据传输手段分类蜂窝移动通信蜂窝移动通信业务：基站子系统和移动交换子系统等设备组成蜂窝移动通信网，向移动电话等用户提供话音、数据、图像、视频等传输业务基于移动蜂窝网络的无人机通信根据传输手段分类蜂窝移动通信国内三大移动通信运营商：中国移动、中国联通、中国电信无人机：在无人机上和地面站内分别置入3G或4G移动终端应用：无人机航空摄影、侦察监视、科学考察、地形勘探根据传输手段分类Wi-Fi通信无线局城网的应用，属于短距离无线通信通常使用2.4GHzUHF或5GHzSHFISM的射频频段，覆盖范围小允许在WLAN范围内的设备连接网点众多，信号覆盖范围大、无需用户布线、传输速度快根据传输手段分类Wi-Fi通信定义：利用Wi-Fi通信，传输无人机与地面站之间信息的手段特点：1.常用于无人机室内飞行或室外小范围飞行，飞行范围受限于Wi-Fi发射的功率、建筑物的复杂程度、周围的地理环境根据传输手段分类Wi-Fi通信2.操作人员通过地面站计算机，经WiFi网络给无人机发送控制指令3.无人机经Wi-Fi网络向地面站发送状态信息及传感器获取的信息4.工作频率高、传输距离有限、单站信号的覆盖范围小根据传输手段分类卫星中继通信通过大量基站信号覆盖，蜂窝移动通信网可以实现远距离通信采用中继通信保证无人机的远距离控制及信息传输：地面中继通信、空中中继通信、卫星中继通信根据传输手段分类卫星中继通信地面中继通信:设置地面通信中继站，采用电台移动通信的中继方式空中中继通信:在空中其他无人机或其他飞行器上设置通信中继站根据传输手段分类卫星中继通信原理：在地球上的两个或多个无线电通信站间，利用人造地球卫星作为中继站进行的微波数据通信应用场景：视距之外的远距离通信。作用：提供大范围甚至全球的数据通信链路覆盖根据传输手段分类卫星中继通信特点：通信距离远、覆盖范围广、通信质量高、系统可靠性高、易于实现多地址传输、易于实现多种业务功能卫星中继通信根据传输手段分类电缆通信定义：利用电缆传输指令、数据、图像、视频等信号原理：1.利用电缆为无人机与地面站传输信息2.地面站通过电缆操纵无人机飞行和完成工作任务3.无人机则通过电缆将传感器信息送回地面站根据传输手段分类电缆通信特点：传输质量高、保密性好、信号不易受干扰或被截获缺点：受传输介质限制、航程和升限小、场地需宽大开阔且无障碍物§3根据通信频段分类根据通信频段分类通信频率是影响无人机通信性能的关键因素通信频率及带宽决定主要通信性能无线通信的频段划分根据通信频段分类短波频段传播方式：天波、地波天波通通信：依靠电离层的反射特性实现，进行近距离通信与远距离传播，不能用于大数据量的传输根据通信频段分类短波频段高频波段：2~12MHz，采用移动电台传输短波电台：用于中大型无人机,实现远距离通信联络；用于中小型无人机，便于在低空、超低空飞行根据通信频段分类超短波频段范围：30~300MHz通过低频部分的衍射进行传播，覆盖距离远限制：需要的功率级别非常高，天线尺寸非常大根据通信频段分类微波频段特点：信号频率高、可用带宽大、高带宽、高增益、阻抗性良好可用波段：Ku段、X波段、C波段、L/S波段缺点：视距传播、信号衰减大，易受地理、地形条件的影响根据通信频段分类卫星通信频段频段：Ku波段（12.40~18.00GHz）、UHF波段（0.30~1.12GHz）应用：卫星中继通信卫星通信链路：人造地球卫星为中继站的微波数据链路，主要用于视距之外的远距离传播第二十四课时无人机通信的分类（二）BU

YUN

AVIATION目录/CONTENTS§2根据信号参量取值方式划分§4按传输媒介划分§3按消息的物理特征划分§1根据通信距离划分§55G无人机§1根据通信距离划分根据通信距离划分按无人机活动半径分类：超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机、远程无人机通信距离分类：超近程通信、近程通信、短程通信、中程通信、远程通信远程通信根据通信距离划分超近程通信活动半径＜15km采用微波频段进行通信优点：体积小、质量轻、可搭载多种载荷、执行多种任务彩虹802无人机根据通信距离划分近程通信活动半径：15~50km采用微波频段进行通信或无线电指令通控优点：结构简单、尺寸小、质量轻、飞行速度低、携带方便多采用电动方式，伞降回收根据通信距离划分短程通信活动半径：50~200km采用微波频段通信，有时需借助通信中继站或采用蜂窝移动通信特点：比近程无人机稍大、携带比较方便、可搭载侦察设备、可采用无线电遥控、自主飞行或两者结合的控制方式根据通信距离划分短程通信采用降落伞回收、滑跑回收或拦截网回收范围超过100km或地理环境复杂时，信号质量下降、误码率升高根据通信距离划分中程通信活动半径：200~8000km采用卫星通信频段或短波频段进行通信根据通信距离划分中程通信特点：①可以多次使用②采用自主飞行模式辅以无线电遥控飞行、③发射方式：空中投放、地面发射④回收方式：降落伞回收、地面回收、大型飞机空中回收优点：通信距离远、飞行高度高、续航时间长根据通信距离划分远程通信活动半径＞800km采用卫星通信频段进行卫星中继通信BZK-005远程侦察机§2根据信号参量取值方式划分根据信号参量取值方式划分模拟通信定义：利用模拟信号进行信息传输的通信方式模拟信号的基本形式：连续电信号的振幅、频率、相位随输入的非电信号参数变化根据信号参量取值方式划分模拟通信优点：信号直观、占用频带窄、设备简单且容易实现缺点：①保密性差、抗干扰能力弱②设备不易大规模集成化③不适用于飞速发展的计算机信息处理要求根据信号参量取值方式划分数字通信定义：利用数字信号传输信息的通信方式数字信号：离散时间信号的数字化表示数字信号的最小计量单位：码元宽度可规定多个不同取值的信号电平，对应信号或信息的变化根据信号参量取值方式划分数字通信优点：抗干扰能力强、易于远距离传输容易实现加密处理，保密性能良好便于采用大规模集成电路，易于集成且集成度高更加适用于计算机处理、管理及信息化业务根据信号参量取值方式划分数字通信缺点：需要较大的传输带宽通信设备复杂§3按消息的物理特征划分按消息的物理特征划分数据通信定义：传输数据信息的通信特点：数据量较小、实时性要求较低按消息的物理特征划分图像通信定义：传输图像信号或图像信息的通信优点：直观、形象、易懂缺点：信息量大按消息的物理特征划分视频通信定义：传送视频信号或视频信息的通信特点：传输信息量极大，不要求实时传输时需配备较大容量的实时存储设备§4按传输媒介划分按传输媒介划分传输媒介定义：信息传输所经由的空间或实体作用：通过传输媒介或其内部物质的变化、移动、波动等完成信息传输传输媒介：导向传输媒介、非导向传输媒介按传输媒介划分电媒介通信原理：电信号携带消息，经过电媒介信道进行传输作用：使消息在任意的通信距离上实现迅速而又准确的传递按电媒介通信中的传输媒介分类：无线（电）通信、有线通信按传输媒介划分电媒介通信无线电通信原理：在无线电波上调制待传递信息的电信号，利用电磁波在空间或地球表面传输给收信方优点：不需架设导线，仅需发射天线与接收天线及发收设备无人机的无线电通信按传输媒介划分电媒介通信无线电通信优点：不需架设传输线路、不受通信距离的限制、机动性好、建立迅速缺点：质量不稳定、信号易受千扰或被截获、保密性差、易受自然因素的影响按传输媒介划分电媒介通信有线通信定义：利用导线作为传输媒介来传输信息的通信方式优点：相对简单、成本较低原理：1.地面站通过电缆将控制信号传输给无人机，操纵其飞行和工作2.无人机通过电缆将侦测到的信息送回地面站按传输媒介划分电媒介通信缺点：受电缆长度、重量的限制，飞行器的机动性差航程和升限不能太大活动区域和观察范围较小按传输媒介划分光媒介通信以光波为载波的通信方式，一种广义的电媒介通信优点：容量大、衰减小、体积小、质量轻、抗干扰性能好、成本低利用光的电磁波特性，以光波为媒介进行信息传输无人机的激光通信按传输媒介划分声媒介通信定义：利用声音波形进行信息传递与交流的方式应用：通过声波在水下收发信息§55G无人机5G无人机

5G无人机的应用VR直播上行单用户体验速率大于100Mbps，空口时延10ms原理：通过挂载在无人机机体上的360度全景相机进行视频拍摄全景相机通过连入5G网络的CPE，将4K全景视频通过上行链路传输到流媒体服务器中用户通过VR眼镜、PC从服务器观看5G无人机5G无人机的应用城市、园区安防通过VR眼镜的4K高清视频实时观看，与地面安防设备同步联动通过VR眼镜、PAD等地面控制终端，经5G网络远程控制机载摄像头的转向、飞行状态及路线，追踪锁定目标自动跟踪：预判突发安防场景问题、自动识别目标5G无人机5G无人机的应用高清直播采用专业级航拍无人机，支持实时回传1080P30帧高清视频利用5GTUE，将高清视频信号通过5G网络传输，参观者观赏5G无人机5G无人机的应用电力巡检作用：避免安全风险，提高巡视质量优点：实时视频更流畅、更清晰、巡查效果更优，避免建模失败，节约成本，提升作业效率5G无人机5G无人机的应用电力巡检原理：多旋翼无人机搭载多种传感器传感器连入5G网络的CPE将视频流传输到流媒体服务器中用户通过PC从服务器拉流观看巡查5G无人机5G无人机的应用基站巡检作用：降低人工登塔作业安全风险、提高巡检效率、节省时间成本原理：网联无人机采集、拍摄基站数据并传回主服务器，人工处理数据并生成报告5G无人机5G无人机的应用无人机水务应用：水质监测、日常巡查、水文数据获取、防汛抗洪原理：①荷载多光谱相机进行水体地物光谱采集②对多光谱遥感影像数据进行影像聚类分析，得出水质状况定性结论5G无人机5G无人机的应用基站巡检优点：覆盖面积广、成本更低、效率更高实现全流域的实时动态水质监测拥有强大的水文水质数据获取能力5G无人机5G无人机的应用无人机物流配送作用：实时监控、远程调度与控制物流无人机状态实时回传机载摄像头拍摄的视频，地面人员了解无人机的工作状态地面人员可远程控制无人机的飞行路线无人机根据飞行任务计划及实时感知的周边环境，自动规划飞行路线5G无人机5G无人机的应用无人机应急通信及救援原理：搭载通信基站的无人机基于规划的路线飞行触发受灾被困人员手机接入机载基站网络，实现主动定位，确认被困人员的位置及身份信息5G无人机5G无人机的应用无人机应急通信及救援原理：③通过机载摄像头实时拍摄并回传高清视频画面，实现人员识别及周边环境分析，便于针对性地营救优点：降低搜寻时间、最大程度减少人员伤亡5G无人机5G无人机的应用野外科学观测定义：在野外条件下通过对生态环境、动植物的指标要素进行长期采集、数据积累和测定，确定其变化趋势优点：实现广覆盖、低成本的视频数据和遥感数据的采集增加监测数据和遥感数据的上行传输速率，降低空口时延，提高效率5G无人机5G无人机的应用野外科学观测实现科学观测系统原始数据、视频数据的实时观测边缘计算在本地筛选并计算有效数据，剔除无效数据，提高工作效率第二十五课时通信的基本原理BU

YUN

AVIATION目录/CONTENTS§2通信的过程及构成要素§3无人机数据链§1通信基本知识§4无人机通信性能指标§1通信基本知识通信基本知识目的：传递与交换信息定义：信息在发信者（信源）与受信者（信宿）之间的传递本质：信源和信宿之间信息的传输和交换古代的烽火报警示意图通信基本知识通信技术通信技术：研究通信过程、提高通信性能的技术优点：提高信息交流与传递的效率通信基本知识发展阶段第一阶段：利用语言、烟火等，初步实现远距离通信第二阶段：利用文字、邮政，通信内容逐步丰富第三阶段：以发明印刷术为标志，实现了广泛传播信息的可能通信基本知识发展阶段④第四阶段：以电报、电话、广播等的发明为起点，实时性大幅提高⑤第五阶段：信息时代通过互联网、移动通信、卫星通信、光纤通信等现代化手段进行信息交流，扩大信息容量§2通信的过程及构成要素通信的过程及构成要素通信过程主要环节：信源、发送设备、信道传递、接收设备、收信者信源编码：完成模数转换、压缩数字信号信源译码：信源编码的逆过程信道编码：对信息码元按定的规则加入保护成分，提高可靠性通信系统的组成与通信过程通信的过程及构成要素通信过程加密与解密：提高信息安全性调制：使信号适应信道的特性同步：载波同步、码元同步、群（帧）同步、网同步通信系统的组成与通信过程通信的过程及构成要素通信过程某种类型经过信源转换成原始的声信号、电信号或光信号发送设备将信源产生的消息信号变换为便于传送的信号，发送到信道接收设备从带有干扰的信号中恢复出原始的消息并传递给接收者接收者将消息信号还原为信息§3无人机数据链无人机数据链功能：实时信息交互应用：1.无人机系统的飞行控制管理和任务管理2.根据数据传输方向的不同分上行链路与下行链路无人机的通信链路无人机数据链上行链路原理：地面站通信设备将地面的指挥指令、控制遥控指令、任务指令、中继信息及时传输给空中无人机无人机数据链下行链路原理：无人机通信设备将任务设备获得的无人机自身定位状态信息、传感器获取的环境数据、情报信息、中继信息等传递给地面控制站划分：1.状态信道：向地面控制站传递位置姿态速度信息、电机转速以及机上设备状态信息2.向地面控制站传递传感器采集的信息无人机数据链缺陷复杂电磁换件条件下不能可靠工作频率使用效率低，造成资源浪费无人机数据链衡量方法具有跳频扩频功能具有存储转发功能具有数据加密功能具有高速率具有低功耗，低误码率和高接收灵敏度§4无人机通信性能指标无人机通信性能指标常用性能指标：有效性、可靠性、适应性、经济性、标准性、可维护性主要性能指标：有效性、可靠性无人机通信性能指标通信系统的有效性：传输一定的信息量所需要消耗的信道资源数通信系统的可靠性：接收信息的准确程度数字通信系统的有效性：通过信息传输速率表示数字通信系统的可靠性：通过误码率或误信率体现无人机通信性能指标数字信号保证传输可靠性的方法：添加纠错编码纠错编码：占用传输速率，不携带信息无人机通信性能指标有效性模拟通信采用有效传输带宽衡量有效性提升措施：频分复用、减少信号带宽无人机通信性能指标有效性数字通信用传输速率度量有效性码元速率Rs：单位时间内传输的码元数信息速率R：单位时间内传输的信息量无人机通信性能指标有效性

无人机通信性能指标可靠性模拟通信用接收端的信噪比衡量可靠性实际系统应用：以扩大带宽为代价来换取可靠性的提高无人机通信性能指标可靠性

无人机通信性能指标可靠性数字通信影响因素：信噪比信号本身的抗干扰能力第二十六课时无人机的通信设备BU

YUN

AVIATION目录/CONTENTS§2移动电台通信设备§4Wi-Fi通信设备§3蜂窝移动通信设备§1无人机通信链路§5卫星通信设备§6有线通信设备§1无人机通信链路无人机通信链路复习作用：负责无人机与外界的信息交互，实现无人机与控制站或其他通信用户之间的实时信息交流根据数据传输方向分类：上行链路、下行链路无人机通信链路系统§2移动电台通信设备移动电台通信设备机载电台设备机载数据终端机载电台的主体部分包括：射频（RF）接收机、发射机、电源、调制调解器移动电台通信设备机载电台设备馈线定义：天线和机载电台发射机输出端或接收机的输入端通过一段屏蔽的电缆线进行连接功能：有效传输信号能量要去：最小的损耗、不引入且不产生杂散噪声及干扰信号移动电台通信设备机载电台设备天线定义：无人机与外界进行信息交互时，进行电路设备中的电信号与空中的电磁波信号之间能量转换的有效媒介作用：向空间某方向辐射电磁波、接收空间方向发来的电磁波移动电台通信设备机载电台设备天线发射端：①发射机产生高频振荡电流或导波，经馈线输入发射天线②发射天线将电流或导波转变为无线电波向周围辐射移动电台通信设备机载电台设备天线接收端：①自由电磁波进入到接收天线②接收天线将电磁波转变为高频电流或导波，经馈线传送到接收机移动电台通信设备机载电台设备天线组成：辐射单元、反射板、功率分配网络、封装防护主要性能参数：工作频率、辐射参数、半功率波束宽度、水平面波束宽度、垂直面波束宽度、天线增益移动电台通信设备机载电台设备天线分类方法：按工作频段：短波天线、超短波天线、微波天线按辐射信号的方向性：全向天线、定向天线按外形：线状天线、面状天线、阵列天线等无人机全向天线移动电台通信设备地面电台设备地面站电台组成：地面站的数据终端（GDT）、馈线、天线地面数据终端：包括RF接收机、发射机、调制解调器等馈线：连接天线和数据终端的收发机移动电台通信设备地面电台设备功能：接收无人机发送的自身状态信息和传感器信息并进行处理例：无人机无线视频发射机发射的信号①通过地面无线图像接收平台接收，在显示屏幕上显示②通过平台对外接口，将视频信号传送至其他显示、存储设备上移动电台通信设备地面电台设备例：无人机无线视频发射机发射的信号③地面接收平台内嵌网络传输模块，将视频信号通过网络传输方式，传至后端的中心站网络平台§3蜂窝移动通信设备蜂窝移动通信设备定义：手机移动终端作用：可进行短信、数据、语音、图像、视频等的传输5G模块蜂窝移动通信设备组成：无人机移动通信终端、地面站移动网络设备要求：1.在无人机上和地面站上分别安装通信模块及数据接口2.利用蜂窝移动系统完成无人机与地面站之间的数据交流3.向无人机发送相应的控制命令§4Wi-Fi通信设备Wi-Fi通信设备应用场景：无人机小范围执行任务定义：由无线网卡和路由接入点（AP）组成的无线网络作用：进行消息、数据、语音、图像、视频等的传输Wi-Fi通信设备组成：机载部分、地面部分机载部分：无人机的Wi-Fi无线传输模块地面部分：地面Wi-Fi路由AP的无线局城网系统AP：连接无线局域网络与有线局域网络之间的桥梁小型WIFI模块Wi-Fi通信设备通信原理相当于内置无线发射器的集线器（HUB）或路由器无人机的Wi-Fi无线传输模块负责接收由AP所发射的控制信号Wi-Fi通信设备实际应用在PC端和无人机飞行控制器端编写程序，完成无人机把遥测数据和自身状态数据通过Wi-Fi无线传输模块发送出去的任务PC通过Wi-Fi网络读取PC数据，接收无人机的信息，实现无人机对地面站的下行链路通信，或完成地面到无人机上行链路的指令传输Wi-Fi通信设备准备工作在无人机和地面站上分别安装Wi-Fi无线传输模块将无人机机载控制系统和PC（或手机）连接无线局城网在PC（或手机）上下载App软件或程序§5卫星通信设备卫星通信设备解决问题：卫星作为无人机通信中继站，实现大范围信号的有效覆盖组成：空中部分、天中部分（通信卫星）、地面部分（地面控制站）卫星通信设备无人机通信链路无人机和地面站的通信设备：卫星通信收发机、收发天线通信卫星上的设备：星载天线、卫星发射机、接收机、双工器基于卫星中继的无人机通信链路卫星通信设备无人机通信链路卫星通信天线：用导航定位信息和单脉冲自跟踪技术自动将天线最大信号方向对准通信卫星调整天线的极化角度，建立无人机与卫星之间的有效空间链路基于卫星中继的无人机通信链路卫星通信设备工作原理发射端（无人机或地面站）数据经过基带处理后调制到模拟信号的载波变频器将载波调整至使用的卫星频段经过功率放大器后，由对准卫星方向的天线发射卫星通信设备工作原理空间端（卫星中继站）发射端发出载波经过自由空间的损耗以及其他信号干扰后到达卫星卫星转发器接收，变频、放大后发回地面卫星通信设备工作原理接收端（无人机或地面站）接收天线接收卫星转发的信号，低噪声放大下变频到调制解调器（Modem）工作的频段，进行解调、解差分、解扰处理，恢复原始的数据卫星通信设备特点非对称、点到点的信息传输链路上行遥控指令：传输速率较低，可靠性、抗干扰性、保密性高下行侦察：遥测信息数据量大，需优化信道设计，提高信息的传输速率卫星通信设备准备工作及目标在无人机上安装机载卫星通信收发机、通信天线充分利用卫星波束的有效覆盖范围，实现对无人机的超视距测控和信息传输无人机卫星通信§6有线通信设备有线通信设备仅在特殊的应用场合使用有线通信定义：利用金属导线、光纤等有形媒质传送信息的方式特点：受干扰较小、可靠性高、保密性强缺点：受电缆长度及重量的限制，不方便、不灵活第二十七课时无人机通信的工作模式与通信干扰BU

YUN

AVIATION目录/CONTENTS§2飞控管理通信模式§4无人机数据链抗干扰的关键技术§3无人机数据链抗干扰面临的挑战§1任务管理通信模式§1任务管理通信模式任务管理通信模式①定义：1.机上任务载荷采集的数据或信息，传回到地面站的传输过程2.需通过无人机中继站传输给其他无人机、通信设备数据通信过程②任务载荷：安装在无人机上，用于完成特定任务的设备或产品任务管理通信模式无人机所承担的工作任务：通过地面站的任务设备管理软件对任务载荷设备的工作状态进行监测与管理，并且对任务的实施情况进行实时监控任务管理通信模式监管的工作：根据通信链路畅通情况，分为任务设备状态自检测和地面人工监测任务管理通信模式：根据任务管理通信中信源信宿的不同及通信的方向不同分为数据回传模式和中继通信模式任务管理通信模式数据回传模式定义：任务载荷设备将任务现场采集到的数据、图像、视频等信息，实时传回到地面站的通信方式根据信息传输率分类：小批量数据传输、图像传输、视频传输无人机图传和数传任务管理通信模式数据回传模式小批量数据传输：①内容：无人机自身的状态信息和某些传感器采集到的低速率或低动态信息②需要带宽较小图像传输：①内容：无人机上图像采集传感器采集到的图像信息②要求的带宽更宽，一般为300Kb/s以上任务管理通信模式数据回传模式视频传输内容：无人机视频传感器、数码相机采集到的大数据量影像信息要求的带宽最大，有时会高达100Mb/s以上任务管理通信模式数据回传模式视频传输应用：森林防护、空中巡逻等监控领城，优点：数据传输实时高效无人机数码相机摄影通信，优点：飞行高度低、测绘精度高、天气影响小、易于实现高质量高效的数据传输无人机视频传输任务管理通信模式中继通信模式定义：把无人机作为通信的中继站，完成对其他系统的远程通信过程：将数据传递到无人机上通信接收设备，由通信发射设备传递到目标信宿无人机通信中继§2飞控管理通信模式飞控管理通信模式针对：无人机飞行中与地面站之间所需的控制与管理信息的通信交互原理：通过进行飞行控制的规划与管理，明确无人机飞行控制的通信任务及工作内容，实现对飞行航线规划、载入和实时调整，航线航点的切换控制与管理飞控管理通信模式任务航线规划：对无人机的飞行路径进行设计规划好的航线通过数据链路上传，可以根据飞行过程中实时重规划的结果，对航线进行及时调整修改植保无人机的航线规划飞控管理通信模式航点（航线）切换控制：在无人机导航子系统提供的导航定位参数引导下，使无人机从一个航点（航线）到达另一个航点（航线）出航、巡航和返航的控制：对无人机的起飞、平飞与降落的控制飞控管理通信模式要求：进行遥控指令处理和遥测参数收集对机载设备的状态与故障开展监测与处理进行定位解算实时进行飞行性能的评估与管理飞控管理通信模式工作过程无人机操控人员根据任务，通过地面站路径规划软件设计规划飞行航线地面通信电台发射机将飞行路径信息发送给机载通信电台接收机，加装到无人机的机载飞行管理计算机中无人机按照机载飞行管理的程序执行飞行任务飞控管理通信模式工作过程④机载通信电台发射机将无人机导航设备获得的位置与姿态等信息，实时传送给地面通信接收机进行处理和显示，并传送到地面站⑤地面站比较规划飞行航线与实际飞行航线的匹配程度，对无人机的飞行做出实时调整与控制任务管理通信模式要求要求无人机与地面站的通信电台或通信设备是双工的若配备半双工通信电台或设备，需要分时工作无人机通信中继任务管理通信模式要求③若无人机做编队飞行或多机协同工作时，可用一个地面站实现控制和监测，或者通过无人机间的中继通信向地面站传输无人机状态信息或接收地面站的控制指令无人机编队通信§3无人机数据链抗干扰面临的挑战无人机数据链抗干扰面临的挑战链路远距离路径损耗功率衰减和频谱效率降低传输延迟增加系统误码率、减少接收机信噪比、增加数据包的丢失概率无人机数据链抗干扰面临的挑战无人机平台的高速运动引发接收机多普勒频移（多普勒频移大小与运动速度成正比，与波长成反比）无人机数据链抗干扰面临的挑战链路中障碍物引起的衰落阴影衰落多径衰落多径衰落造成严重的码间干扰无人机数据链抗干扰面临的挑战人为非恶意干扰和恶意干扰非恶意干扰：频谱环境中存在的其他设备的无线电信号对无人机数据链产生的干扰恶意干扰：压制式干扰、欺骗式干扰无人机数据链抗干扰面临的挑战人为非恶意干扰和恶意干扰压制式干扰干扰机持续发射的干扰信号功率大于无人机数据链的信号功率，使数据链中的通信节点不能正确接收射频信号，导致通信链路中断按干扰信号的形式分类：单频干扰、窄带干扰、宽带干扰无人机数据链抗干扰面临的挑战人为非恶意干扰和恶意干扰欺骗式干扰采用跟无人机数据链信号结构相似的信号作为欺骗信号,达到降低其抗干扰性能的目的无人机数据链抗干扰面临的挑战拥挤的频谱环境传统的无人机数据链使用HF、VHF频段和SATCOM频段SATCOM频段不能保证每个数据传输阶段都可使用HF和VHF频段越来越拥挤在国内无人驾驶航空器可使用频段：840.5MHz～845MHz、1430MHz～1444MHz和2408MHz～2440MHz§4无人机数据链抗干扰的关键技术无人机数据链抗干扰的关键技术无人机数据链的要求广泛的频谱管理、分配能力解决因信息长距离传输而造成的功率大规模衰减的能力避开并避免非恶意干扰的能力抵抗恶意干扰的能力无人机数据链抗干扰的关键技术提高通信可靠性和有效性的无人机数据链相关抗干扰技术研究重点：低功耗MIMO系统的集成以扩频和跳频技术为代表的抗干扰技术的研究和使用有限频谱资源限制下，高吞吐量、高可靠性物理层和MAC层协议策略无人机数据链系统和卫星通信系统以及其他无线通信系统的整合无人机数据链抗干扰的关键技术基于协作通信的无人机数据链抗干扰技术：

提出了多信源条件下的协作通信方式，接收信号的误码率在动态传输速率条件下，传输可靠性更高为UAV数据链的多链路协同信息传输指明方向无人机数据链抗干扰的关键技术提出异步协同信息传输的方式，从物理层、链路层增强信息传输的可靠性无人机数据链抗干扰的关键技术物理层：利用三种空间分集技术，提高分集增益，提高抗干扰能力链路层：通过单发多收和基于随机同步竞争窗自举应答算法消除链路短时变化的影响，获得了更佳的网络抵达率和能量效率，增强了传输可靠性与抗干扰能力无人机数据链抗干扰的关键技术基于协作通信的无人机数据链抗干扰技术提出在因接收机和发射机相对运动或者环境变化较快时产生的过时信道状态信息下协作通信中继选择方法，在一定程度上抵抗对协作通信系统的干扰提出基于MAP准则的信道状态信息预测，来提升协作通信系统的抗干扰能力针对无人机数据链复杂环境中受干扰程度，提出结合支持向量机与功率准则的预测评估方法,可用于无人机数据链重构提出基于认知无线电技术的无人机数据链通信，通过认知引擎，输出无人机系统重构后的通信参数以及由输入，判断系统遭遇的情况种类无人机数据链抗干扰的关键技术基于认知无线电的无人机数据链抗干扰技术提出基于认知无线电的无人机智能数据链概念及内涵,描述其工作过程并给出指标体系及功能分级提出无人机智能数据链的体系结构提出了基于状态机的无人机数据链多参数规划方法，为无人机数据链重构提供可行有效的思路第二十八课时无人机通信协议MavLinkBU

YUN

AVIATION目录/CONTENTS§2MavLink简介§4MAVLink的信息结构§3MAVLink的优势§1通信协议目录/CONTENTS§6全球定位信息§8PX4中MAVLink的应用§7命令信息§5心跳包§1通信协议通信协议通信双方为完成通信或服务必须遵循的规则和约定规定：数据单元使用的格式、包含必要的信息与含义、连接方式、信息发送与接收的时序定义：数据链系统在通信的过程中，有关数据信息的传输时序、传输条件、传输流程及传输控制方式等方面的规约通信协议作用：处理各种应用系统的格式化消息，解决通过信息网络可靠有效地建立链路问题，达到数据交换的目的内容：网络协议、频率协议、链路协议、接口标准和操作规程§2MavLink简介MavLink简介微型空中飞行器链路通信协议基础：串口通信主要面向对象：小型飞行器、地面站以消息库的形式定义了参数传输的规则§3MAVLink的优势MAVLink的优势兼容传统无线发射设备，进行全双工工作协议较简单，可完全满足一般微型无人机的通信需求使设备之间的通信更便捷、简练，保障了通信的可靠性、高效性和信息的安全性支持不同类型的传输层和介质MAVLink的优势可以通过WiFi、以太网以低于Ghz频率运作心跳包机制，可用于检测无人设备与地面站之间连通性的检测提高UDP通信方式的可行性§4MAVLink的信息结构MAVLink的信息结构MavLink数据结构长度：17bytes，包括字头、数据载荷、校验位数据结构：17bytes=6bytesheader+9bytespayload+2byteschecksum起始标志位（stx）：服务于消息帧接收端进行消息解码有效载荷的字节长度：与实际有效载荷的长度比较，验证其正确性MavLink数据结构MAVLink的信息结构MavLink数据结构消息帧的序号（seq）：用于消息帧接收端计算消息丢失比例发送消息帧设备的系统编号（sys）：用于消息帧接收端识别设备发送消息帧的设备的单元编号（comp）：用于消息帧接收端识别设备单元MavLink数据结构MAVLink的信息结构MavLink数据结构有效载荷中消息包的编号（msg）：消息帧接收端根据编号确定有效载荷存放消息包，并选择处理方式CKB高八位、CKA低八位：crc16算法得到，避免不同版本间通讯时带来的问题MavLink数据结构MAVLink的信息结构MavLing帧数据内容MAVLink的信息结构MavLing帧数据内容§5心跳包心跳包定义：在客户端和服务器间定时通知对方自己状态的命令字，按照一定的时间间隔发送表示无人系统存在且处于活动状态心跳包心跳包结构type：微型飞行器的类型autopilot：自动驾驶的类型base_mode：指示不同的操作模式custom_mode：自定义模式system_status：标志系统状态mavlink_version：表示MAVLink版本§6全球定位信息全球定位信息①Id=33，代表全球定位传感器提供的已过滤GPS坐标②执行信息：1.GPS纬度（lat），经度（lon）、绝对高度（alt）2.有关无人机系统沿3轴（（x，y，z）的线速度）的信息全球定位信息的数据结构§7命令信息命令信息COMMAND_LONGID=76，用11个字段定义command：要执行的命令的类型confirmation：指示消息是第一次发送的param1-7：取决于命令的类型全球定位信息的数据结构命令信息任务项命令ID=39，允许将航路点发送到无人系统任务项目命令消息的序列号：指定从0开始的任务编号，指定起始位置框架：指定航路点的参考坐标框架全球定位信息的数据结构§8PX4中MAVLink的应用PX4中MAVLink的应用Mavlink的参数linux下，查看posix_sitl_default.cmake中的modules/mavlink在ROMFS/px4fmu_common/init.d/rcS中：PX4中MAVLink的应用Mavlink的启动在nuttx下，见ROMFS/px4fmu_common/init.d/rcSPX4中MAVLink的应用Mavlink的启动rc.mavlink中的内容：PX4中MAVLink的应用Mavlink的启动在linux下，见init.d-posix/rcS

两个脚本：mavlinkstart：启动mavlink，执行mavlink::startmavlinkstream：添加mavlinkcommand，执行mavlink::stream_commandPX4中MAVLink的应用Mavlink的消息在px4的工程中，在Firmware/mavlink/include/mavlink/v2.0/message_definitions目录下的xml消息：├──ardupilotmega.xml├──ASLUAV.xml├──autoquad.xml├──common.xml├──icarous.xml├──matrixpilot.xml├──minimal.xml├──paparazzi.xml├──python_array_test.xml├──slugs.xml├──standard.xml├──test.xml├──ualberta.xml└──uAvionix.xmlPX4中MAVLink的应用Mavlink的消息默认的消息mavlink_main.cpp中_mode默认是MAVLINK_MODE_NORMAL在mavlin_main.cpp中，有：PX4中MAVLink的应用Mavlink的消息默认的消息在configure_streams_to_default中有：PX4中MAVLink的应用Mavlink的消息安装mavlinkgenerator定义一个数据结构根据数据结构写对应的xml用mavlinkgenerator生成mavlink消息PX4中MAVLink的应用mavlink配置硬件设备见mavlink在rcS中的启动脚本PX4中MAVLink的应用mavlink打包uorb消息在最底层添加mavlink的头文件和uorb消息到mavlink_messages.cpp或者一个mavlink中的common消息.h文件为是打包过的数据结构PX4中MAVLink的应用mavlink打包uorb消息②在mavlink_messages.cpp中创建新的类，继承自MavlinkStream

PX4中MAVLink的应用mavlink打包uorb消息③附加流类streams_list的到mavlink_messages.cpp底部原因：streams_list包括了所有预先定义的mavlink消息，在执行create_mavlink_stream时，需要到streams_list中检查是否有定义PX4中MAVLink的应用mavlink定时发送消息添加消息、设置发送周期在mavlink_main.cpp加入自定义的消息以及期望的更新频率，比如数据结构_streams：整个类维护的链表，用来记录目前活跃的stream消息PX4中MAVLink的应用mavlink定时发送消息发送消息在mavlink_main.cpp的while循环中，通过遍历stream并发送PX4中MAVLink的应用mavlink接收消息mavlink_main.cpp的task_main中调用recieve_start创建threadthread中，用MavlinkReceiver::start_helper创建MavlinkReceiver对象执行MavlinkReceiver::receive_thread(void*arg)，接收数据PX4中MAVLink的应用mavlink解析接收消息在mavlink_receiver.h的classMavlinkReceiver中增加一个用来处理接收信息的函数将消息转成uorbPX4中MAVLink的应用mavlink解析接收消息添加声明的handle函数确定函数在MavlinkReceiver::handle_message()中被调用第二十九课时地面站及地面站软件BU

YUN

AVIATION目录/CONTENTS§2地面站软件§1地面站概述§1地面站概述地面站概述地面站的定义意义：指挥无人驾驶飞行器的基站分类：单点地面站、多点地面站单点地面站：1.设备一般由遥控器、计算机、视频显示器、电源系统、无线电台等组成2.计算机装有控制飞机的软件地面站概述地面站的定义技术：图像处理、无线传输、远程控制、任务规划等主要功能：监控无人机的飞行过程及任务执行情况无人机地面站地面站概述地面站的发展20世纪20、30年代，尚无完善的地面站系统20世纪50～70年代，初步形成地面站系统20世纪90年代，地面站趋于集群化、智能化21世纪以后，具备与有人机、卫星等互操纵的能力地面站概述地面站的分类战术无人机地面站特点：军事用途，由多个功能完善子系统及操作终端构成子系统及操作终端：数据通讯系统、远程显示系统、移动图像系统、安全保障设备地面站概述地面站的分类中小型无人机地面站采用车载无人机地面站发展的分析研究方式机动性强、灵活性好系统:电子地图系统、区域图像传输系统、飞行数据显示系统、有效载荷操作系统、飞行指令控制系统地面站概述地面站的分类微型无人机地面站控制器：便携式电脑、摇杆遥控器结构集成化、功能精炼地面站概述地面站的功能模块需求：接收由通信链路传来的飞行数据，并进行解析将无人机经纬度信息、飞行姿态数据和状态信息展示给操作人员上传航点信息对无人机飞行航迹进行控制、改变任务载荷的状态地面站概述地面站的功能模块数据处理模块应用：机载传感器将数据信息经过通信链路将按一定格式的数据帧发送至地面站地面站的串口接收模块接收下传的飞行数据进行解析处理，同时向空中飞行平台上传控制指令地面站概述地面站的功能模块飞行状态监视平台功能：实时展示解析后的飞行数据实时展示地面站概述地面站的功能模块电子地图定位模块原理与功能：结合解析出的地理位置信息，在电子地图上实时展示定位经纬度信息、飞行航迹并获取地理坐标地面站概述地面站的功能模块航迹规划模块原理与功能：对地理地图信息及威胁区域建模仿真，借助航迹规划算法得到最优航迹的航点信息，实现航点信息的地面站概述地面站的功能模块无人机地面站与电台的通信：一架无人机与相应地面控制站多架无人机与单个地面控制站通信及多架无人机典型无人机地面站的功能模块结构地面站概述国内外地面站介绍UgCS软件任务规划：3D环境任务规划、自动飞行功能模块化设计：允许软件在不同设备上运行，支持多操作员、一站多机、自动驾驶仪、遥测数据回放UgCS地面站软件地面站概述国内外地面站介绍Visionair软件与多数导航自动驾驶仪和RTK系统兼容，增加导航精度低空掠海模式：将高度保持在水面7米实现无人机的全自主起飞及着陆，兼容多种自定义数字地图Visionair地面站软件图地面站概述国内外地面站介绍AheadXSpace地面控制软件具备航线编辑功能支持Google在线、离线地图具有起飞检查向导功能，并生报告AheadXSpace地面站软件地面站概述国内外地面站介绍QGC导航控制软件支持多型自动驾驶仪和任务模拟自带航拍功能回传捕捉画面拥有飞行信息监测报警系统QGC地面站软件§2地面站软件地面站软件软件介绍①工作方式：1.软件平台处理飞机信号，转换成虚拟仪表与电子地图可识别的信息2.地面操作人员对飞行状态及飞行航迹的操作和规划信息，通过地面控制站传输到数传电台进而发射给无人机②开发