作战无人机的关键技术包括高速、高机动性能和武器挂载, 以及与有人机一同执行任务时的控制和指挥能力。无人机在执行飞行任务时, 由地面站人员发出遥控指令加以控制, 使之完成相应的任务, 实现预期的目的, 将一定距离以外被测对象的参数, 经过采集, 通过传输介质送到地面接收站并进行解调、记录、处理的过程, 就是通过遥测遥控系统来实现的, 可以说, 遥测遥控系统是无人机的决策部分。
无人机遥测系统是以现代信息技术为基础的应用系统, 是无人机系统中的重要组成部分。
在发送端, 待测参数通过传感器转换成电信号, 通过信号解调器转换成适合采集的信号, 通过多路复用装置按一定体制集合在一起, 再由发射机的载波, 经功率放大后通过天线发向信号接收端。
在接收端, 当天线接收到信号后发送到接收机, 经过多路复用解调器恢复出原始信号, 经过记录分系统、数据处理分系统和显示分系统的处理后, 对全部遥测信号进行记录, 以便以后使用。
信息采集是将被测对象信息进行采集、记录, 先转化为数字量, 再进一步进行变换、存储、处理、记录和显示的过程。其中心部件是帧格式形成器 (ROM和CPU) , 一方面向各部件按时序发出采集命令和地址码, 另一方面收集各类数据并加上同步码和其他信息码, 形成传送的数据格式。如图2所示。
遥测信息的传输过程中会受到严重的干扰, 以至于造成错码现象, 使所收到的数据的准确性和稳定性受到影响, 为了降低误码率, 便于作实时处理。从工程设计和应用的方出发, 介绍遥测信号传输的调制体制、多路复用体制和信道编码。
调频 (FM) 和调相 (PM) 通称为调角, 是遥测信息传输中最常用的体制。
式中A为信号幅度;ω0为信号中心频率;ϕ (t) 为调制信号g (t) 对信号s (t) 调角后产生的相角变化。当ϕ (t) 为信号g (t) 的线性函数时
则称调相 (PM) 。当ϕ (t) 的时间变化率, 即s (t) 的频率变化为信号g (t) 的线性函数时
则称为调频 (FM) 。
若调制信号g (t) 为正弦函数, 即
对PM制, 已调信号为
式中ka表示最大相移。令ka=mϕ, mϕ为调相波的调相指数。
对FM制, 已调信号的相角变化为
所以, 已调调频信号为
式中ka表示最大频率偏移, ;令ka=Δω, 称为最大频偏。
用一组正交函数{si (t) }作为副载波实现多路信号复用调制称之为正交复用, 实际也是扩频多路复用, 需要正交函数系具有正交性, 主要原理是利用函数系{si (t) }的正交性, 即
遥测系统为降低无人机上的发射功率, 最有效的途径是采用信道编码, 卷积编码-维特比译码和里德-索洛蒙码 (R-S码) 是常用的两种信道编码, 前者比后者的性能要好, 适用于较小的误码率情况。
卷积码的结构和编码器的构成相似, 可以用矩阵表示, 即
用生成矩阵把编码过程写成矩阵方程
我们可以看出, 除了每行一样的 (111011) 以外, 其他元素都为0, 这样非零元素组称为基本生成矩阵, 记为
而基本生成元素是由两个生成元构成, 即
遥测信息数据处理是将地面控制站接收到的原始信息, 经过挑选、拼接和运算, 完成缓变参数的时间指令处理、变速参数的时域和频域等项处理工作。遥测参数分为缓变和速变参数, 相应的方法也是不同的。缓变参数在处理之前要对记录数据的质量进行检查, 检查内容是记录介质所记内容是否完整、清楚, 信号是否正常, 查清跳点和信号散乱段的时间。质量检查后需进行预处理, 再进行计算。速变参数在处理的时候也需要对记录数据进行检查、加工, 然后进行处理。但相应的内容与缓变参数的处理不一样, 相比之下, 速变的方法更为复杂, 工作量更大。
遥控系统是在控制端发出指令, 利用有线或无线电信道将其发送到执行端, 使无人机完成预定的工作。遥控站监测系统是地面站的管理和监控中心, 有监控台、检测接收机、检测解调器等组成, 对地面站系统各分机进行监控、检测, 地面站PC机通过远程监控系统完成指令数据的发送以及对重要工作和参数进行记录。飞行回放数据, 航点和航线数据采用文本格式存储, 数据格式简单、冗余量小, 可以直接用记事本编辑。
地面遥控系统包括监控台、指令编码器、副载波调制器、载波调制器、发射天线、地面检测接收机等基本设备和辅助设备。地面遥控系统在监控台、PC机、引导设备和外部接口设备等的支持下, 完成对无人机的目标跟踪和遥控指令的产生与控制。
遥控指令和数据的形成在实施控制前一般要制定好, 遥控计划在无人机经过地面站上空前送往相应的监控站, 当无人机进入地面站的覆盖区时, 必须由地面人员发出遥控指令加以控制, 使之做出各种动作, 完成既定任务, 实现预期目的。
由于外部干扰和系统内部的不稳定, 任何传输手段都存在一定的错误概率。遥控传输信道本身能达到的码元误码率一般为10-4:10-6, 而无人机遥控指令的误码率要求在10-8以下, 这样除了采用较好的调制解调方法外, 也要降低相应的错误概率。差错控制是根据待传数据序列, 以一定规律产生一些多余码元, 使原来不相关的数据序列变为相关编码, 并把多余码和信息一起传送, 接收端根据信息元和多余码之间的规则进行检验, 从而发现错误进行更正。差错控制有两种形式, 一种是发现消息有错误后自动纠正;另一种是发现错误后, 通过反馈, 要求重发, 从而进行纠错。如图4所示。
检错重发体制随着指令码距的增加, 使错误指令概率下降, 由于无人机遥控系统基本不变, 只要地面站系统多次重发, 无人机接收端只要接收一次可用码就能执行, 这样就演变成了重发检测体制。
设信道的码元误码率为Pe, 指令码长为n, 码距为d, 检错位数为L=d-1, 重发次数为N, 用P误、P漏、P1漏及P1误分别表示误、漏概率和只发一次的误、漏指令概率。若N=1, 则是检错体制可得:
在重发检错体制中, 指令重发N次, 接收端有一次正确, 就算正确, 重发N次中有一次发生错误指令, 就产生了误指令:
遥控信息的安全是无人机遥控系统设计和任务实施过程中最重要的问题, 在日益发展的电子侦察和电子对抗技术中, 遥控信息的传输经过空间链路具有开放性, 使遥控信息面临更为复杂的环境, 面对更多的威胁, 更应利用数据技术提高安全性。在我国国家军用标准GJB1198.1-91《卫星测控和数据管理PCM遥控》中规定, 在PCM遥控中使用实时开关指令帧和串行数据注入帧两种遥控帧, 在其后面可以附加一个长度为8m (m=1, 2, 3...) 比特的序列, 用于数据保护。如图5所示。
无线电遥测系统是传送无人机和地面站的状态参数, 可实现飞机姿态、高度、速度、航向、方位、及机上各种数据的测量和实时显示, 具有数据和图形的显示功能, 供地面人员掌握无人机和遥感设备的有关信息, 并存贮所有传送信息, 以便随时调用复查。无线电遥控系统是用于传输地面操纵人员的指令, 利用软硬件结合的方法有效地解决了指令编码的产生、调制、故障处理以及数据保护的问题, 采集飞机的飞行姿态、地理坐标、发动机的运行状态参数, 接收及发送遥测信号;同时还要实现各种模式的飞行控制、自主导航、任务设备的控制与管理等, 抗干扰性能好, 误码率低, 稳定可靠, 可引导无人机按地面人员的旨意飞行。
摘要：根据无人机的不断发展, 介绍了小型无人机遥测遥控系统的概念、组成以及相关的工作原理结构, 分析了遥测信息采集、传输、数据处理的方法以及遥控系统数据保护的工作内容, 并着重阐述了调制体制、信道编码、差错控制几种关键技术。
关键词：遥测遥控调制差错控制
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