阅读说明：本技术 一种单兵制导无人机与地面站通信连接建立方法 (Method for establishing communication connection between individual soldier guided unmanned aerial vehicle and ground station ) 是由 邹凯 高阳 王长峰 李永 王嘉兴 刘哲 潘宏禄 关发明 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：一种单兵制导无人机与地面站通信连接建立方法,适用于多组无人机与地面站同时执行任务时,快速建立异频全双工直序扩频通信连接并避免通信的相互干扰。通过地面站键盘录入数字或摄像头扫瞄机体二维码,在地面站软件中输入目标无人机唯一“通信识别码”,使地面站数传电台与目标无人机数传电台之间快速建立通信连接。在通信连接建立后,地面站能够自动搜索附近其他单兵制导无人机与地面站通信已使用的伪随机码与频点通道,并将数传电台通信配置为未使用的伪随机码与频点通道,实现多地面站与无人机同时作战。无人机与地面站之间的数传电台通信采用扩频传输体制,具有较强的抗干扰能力。(A communication connection establishment method for an individual soldier guided unmanned aerial vehicle and a ground station is suitable for quickly establishing the different-frequency full-duplex direct sequence spread spectrum communication connection and avoiding the mutual interference of communication when a plurality of groups of unmanned aerial vehicles and the ground station execute tasks simultaneously. The method is characterized in that digits are input through a ground station keyboard or a camera scans a two-dimensional code of a machine body, and a unique communication identification code of a target unmanned aerial vehicle is input into ground station software, so that communication connection is quickly established between a ground station data transmission radio station and a target unmanned aerial vehicle data transmission radio station. After the communication connection is established, the ground station can automatically search used pseudo-random codes and frequency point channels for the communication between other adjacent individual soldier guided unmanned aerial vehicles and the ground station, and the communication of the data transmission radio station is configured into the unused pseudo-random codes and frequency point channels, so that the simultaneous operation of multiple ground stations and the unmanned aerial vehicles is realized. The data transmission radio station communication between the unmanned aerial vehicle and the ground station adopts a spread spectrum transmission system, and has stronger anti-interference capability.)

一种单兵制导无人机与地面站通信连接建立方法

技术领域

本发明涉及一种单兵制导无人机与地面站通信连接建立方法，

背景技术

随着智能化作战的发展，单兵制导无人机已成为提高单兵作战斗能力与战场生存能力的重要因素，无人机通过携带战斗部，实现侦查、跟踪与打击功能。随着此类武器的研制，已出现反制武器，通过干扰或截获无人机与地面站的无线通信链路，使无人机丧失部分或全部的作战能力。无人机在攻击模式下属于消耗型武器，因此在作战时地面站需要先后与多架无人机快速建立通信连接，以保证攻击的连续性与实效性。

地面站与无人机的数传电台通信抗干扰主要有跳频与直序扩频两种方式。跳频抗干扰方式能够加宽工作频带，抵抗窄带干扰，缺点是通信传输速率较直序扩频低，抗多路径能力较差，使用前需要使用上位机软件将地面站与无人机数传电台配对，耗时较长，可能延误战机。

无人机与地面站在进行高速率通信时，宜选用直序扩频体制。直序扩频体制依靠通信频谱的扩展来提高抗干扰能力。本发明提供一种地面站与无人机使用直序扩频通信体制时，快速建立通信连接的方法，以及在地面站与无人机通信受到干扰时，抵抗干扰并恢复通信连接的方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供了一种单兵制导无人机与地面站通信连接建立方法，解决了：1.在地面站与不同无人机建立无线通信连接时，连接操作复杂，消耗时间较长；2.多台地面站与多架无人机同时作战时，通信受到干扰后调整通信伪随机码与频点的流程复杂；3.通信连接受到敌方欺骗或压制式干扰时无法自动恢复通信连接。

本发明的技术解决方案是：一种单兵制导无人机与地面站通信连接建立方法，包括如下步骤：

S1，地面站未与目标无人机建立通信连接时，获取未被占用的空闲通信通道；

S2，获取目标无人机的通信识别码；

S3，地面站根据通信识别码获取目标无人机的无人机序列号、上行通信初始伪随机码U1和频点V1、以及下行通信初始伪随机码D1和频点E1，并将地面站上行通信协议数据帧与下行通信协议数据帧中的无人机序列号、上行无线通信伪随机码和频点、以及下行无线通信伪随机码和频点设置为与目标无人机对应相同；

S4，尝试建立地面站与目标无人机的通信连接；若建立完成，则进入S5，否则返回S2；

S5，从S1所述空闲通信通道中选择上行通信伪随机码U2和频点V2、下行通信伪随机码D2和频点E2，由地面站将选择的伪随机码与频点信息、以及目标无人机序号通过上行通信持续向目标无人机发送，同时地面站将下行通信接收切换至伪随机码D2与频点E2；

S6，目标无人机接收选择的伪随机码与频点信息，对接收的上行通信数据帧中的无人机序列号与本机无人机序号是否一致进行判断；若一致，则将下行通信数据帧发送切换至伪随机码D2与频点E2，并继续发送下行通信数据帧；

S7，地面站实时接收目标无人机发送的下行通信数据帧；若接收到，则进入S8；若未接收到，则返回S5；

S8，地面站向目标无人机发送上行通信切换指令数据帧；

S9，目标无人机接收到上行通信切换指令数据帧后，将上行通信数据帧从初始的伪随机码U1和频点V1切换至伪随机码U2与频点V2，并通过下行通信向地面站发送上行通信切换完成反馈信息；

S10，地面站实时接收上行通信切换完成反馈信息；若接收到，则进入S11；若未接收到，则返回S8；

S11，地面站将上行通信从初始的伪随机码U1和频点V1切换至伪随机码U2与频点V2，地面站与无人机使用上行伪随机码U2和频点V2、下行伪随机码D2和频点E2，完成通信连接建立。

进一步地，还包括如下步骤：

S21，地面站与目标无人机上行通信使用伪随机码U2与频点V2建立通信连接后，地面站每隔固定时间向目标无人机发送上行状态确认指令；若目标无人机超过一段时间未收到上行状态确认指令，则进入S22；

S22，使用目标无人机的数传电台重新搜索未被使用的伪随机码与频点，重新确定空闲通信通道，并从中选择新的上行伪随机码与新的上行频点；

S23，目标无人机使用下行通信数据帧在一段时间内持续向地面站发送第一上行通信切换请求，并将上行通信切换至新的伪随机码与新的频点；所述第一上行通信切换请求包含新的上行伪随机码与新的上行频点；

S24，当地面站收到第一上行通信切换请求后，将上行通信切换至新的伪随机码与新的频点，并继续向目标无人机发送上行状态确认指令；

S25，目标无人机发送第一上行通信切换请求后，判断一段时间内是否收到上行状态确认指令；若收到，则进入S28；若未收到，则进入S26；

S26，目标无人机将上行通信切换回伪随机码U2与频点V2，并在一段时间内持续向地面站发送第二上行通信切换请求；所述第二上行通信切换请求包含伪随机码U2与频点V2的信息；

S27，目标无人机发送第二上行通信切换请求后，判断一段时间内是否收到上行状态确认指令；若收到，则进入S28；若未收到，则返回S22；

S28，目标无人机与地面站上行通信连接恢复，目标无人机停止向地面站发送上行通信切换请求。

进一步地，还包括如下步骤：

S31，地面站与目标无人机下行通信使用伪随机码D2与频点E2建立通信连接后，无人机持续向地面站发送飞行数据；若地面站超过一段时间未收到飞行数据，则进入S32；

S32，使用地面站的数传电台重新搜索未被使用的伪随机码与频点，重新确定空闲通信通道，并从中选择新的下行伪随机码与新的下行频点；

S33，地面站使用上行通信数据帧在一段时间内持续向目标无人机发送第一下行通信切换请求，并将下行通信切换至新的伪随机码与新的频点；所述第一下行通信切换请求包含新的伪随机码与新的频点；

S34，当目标无人机收到第一下行通信切换请求后，将下行通信切换至新的伪随机码与新的频点，并继续向地面站发送飞行数据；

S35，地面站发送第一下行通信切换请求后，判断一段时间内是否收到飞行数据；若收到，则进入S38；若未收到，则进入S36；

S36，地面站将下行通信切换回伪随机码D2与频点E2，并在一段时间内持续向无人机发送第二下行通信切换请求；所述第二下行通信切换请求包含伪随机码D2与频点E2的信息；

S37，地面站发送第二下行通信切换请求后，判断一段时间内是否收到飞行数据；若收到，则进入S38；若未收到，则进入S32；

S38，地面站与目标无人机下行通信连接恢复，地面站停止向无人机发送下行通信切换请求。

进一步地，所述数传电台，具体包括FPGA模块、射频芯片、射频前端、发射天线、接收天线、数传电台电源模块、接口电路；

数传电台电源模块用于为FPGA、射频芯片以及射频前端供电；

接收天线、射频前端、射频芯片、FPGA以及接口电路构成无线接收通路，实现无线通信数据接收、滤波、下变频、解码与接收数据的有线输出；

接口电路、FPGA、射频芯片、射频前端以及发射天线构成无线发射通路，实现发送数据的有线输入、编码、上变频、功率放大与无线通信数据发送；

接口电路用于FPGA与地面站或目标无人机控制计算机的有线数据和配置管理指令通信、地面站或无人机电源向数传电台电源模块供电；

FPGA根据地面站或目标无人机控制计算机发送的配置管理指令，向射频芯片发送频点配置指令，实现数传电台接收与发送无线信号伪随机码与频点的改变。

进一步地，所述目标无人机与地面站的上行与下行通信采用直序扩频体制。

进一步地，所述获取未被占用的空闲通信通道的方法为：使用数传电台实时搜索与目标无人机同型号的其他无人机与地面站建立的通信连接正在使用的伪随机码与频点。

进一步地，所述使用数传电台实时搜索与目标无人机同型号的其他无人机与地面站建立的通信连接正在使用的伪随机码与频点的方法为：数传电台在上行与下行通信的有效通信频率范围内，搜索的频点按照1MHz递增，将全部伪随机码依次与接收到的信号进行相关处理，从而获取空闲的伪随机码与频点通道。

进一步地，所述有效通信频率范围为500MHz～3000MHz。

进一步地，所述上行与下行通信均采用异频通信。

进一步地，所述异频通信的频率间隔不小于50MHz。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明提供的单兵制导无人机与地面站通信连接建立方法使得地面站与无人机能够快速建立通信连接，避免延误战机；

2、在无人机攻击目标后，本发明方法无需重新配置地面站数传电台固件，可直接与其他无人机建立通信连接；

3、多组地面站与无人机协同作战时，本发明方法通信连接能够自动避开已使用的伪随机码与频点，避免相互干扰；

4、当通信连接受到环境噪声干扰或敌方的欺骗与压制式干扰时，本发明方法能够自动更改通信连接的伪随机码与频点，直至恢复通信连接。

附图说明

图1为本发明数传电台通信连接流程图；

图2为本发明上行通信受到干扰通信连接恢复流程图；

图3为本发明下行通信受到干扰通信连接恢复流程图；

图4为本发明数传电台与地面站和目标无人机连接关系示意图。

具体实施方式

如图1，一种单兵制导无人机与地面站通信连接建立方法，未建立通信连接的目标无人机与地面站处于开机运行状态，可随时进行通信连接，通信连接建立包括如下步骤：

(1)地面站在未建立通信连接时，使用数传电台的无线接收通路实时搜索附近其他同型号无人机与地面站通信连接正在使用的伪随机码与频点，获得未被其他通信连接占用的空闲通信通道；

(2)通过键盘向地面站输入在目标无人机机体印刷的“通信识别码”，或使用地面站自带的摄像头扫描在机体印刷的与“通信识别码”一致的二维码，获得目标无人机的“通信识别码”；

(3)地面站根据“通信识别码”，获取目标无人机的无人机序列号、上行通信初始伪随机码U1和频点V1、下行通信初始伪随机码D1和频点E1的信息，并将地面站上行与下行通信协议数据帧中无人机序列号、上行和下行无线通信的伪随机码和频点信息设置为与目标无人机相同的状态；

(4)地面站尝试与目标无人机建立通信连接，若通信连接建立完成，则进入步骤(5)，否则返回步骤(2)；

(5)地面站根据在步骤(1)中获取的“空闲通信通道”，自动选择“空闲通信通道”中未被使用的上行通信伪随机码U2和频点V2、下行通信伪随机码D2和频点E2，也可由操作人员从“空闲通信通道”中选择伪随机码与频点，并将下行通信接收切换至伪随机码D2与频点E2；地面站将选择的伪随机码与频点信息以及目标无人机序号通过上行通信持续向目标无人机发送；

(6)目标无人机在收到上行通信伪随机码U2和频点V2、下行通信伪随机码D2和频点E2的信息，且上行通信数据帧中的无人机序列号与本机一致，则立刻将下行通信数据帧发送切换至伪随机码D2与频点E2，并继续发送下行数据帧；

(7)地面站接收目标无人机发送的下行通信数据帧，若收到则进入步骤(8)，若未收到则返回步骤(5)；

(8)地面站向无人机发送“上行通信切换指令”数据帧；

(9)无人机接收到“上行通信切换指令”数据帧后，立刻将上行通信从初始的伪随机码U1和频点V1切换至伪随机码U2与频点V2，并通过下行通信向地面站发送“上行通信切换完成”反馈信息；

(10)地面站接收“上行通信切换完成”反馈信息，若收到，则进入步骤(11)，若未收到，则返回步骤(8)；

(11)地面站将上行通信从初始的伪随机码U1和频点V1切换至伪随机码U2与频点V2，地面站与无人机使用上行伪随机码U2和频点V2、下行伪随机码D2和频点E2完成通信连接建立，并开始执行后续的任务流程。

如图2所示，在地面站与目标无人机上行通信使用伪随机码U2与频点V2建立通信连接后，地面站每隔固定时间1s向目标无人机发送“上行状态确认指令”，若地面站向目标无人机发送数据的上行通信受到干扰，其处理步骤如下：

(21)若目标无人机超过一段时间5s无法收到“上行状态确认指令”，则进入步骤(22)；

(22)使用目标无人机数传电台重新搜索未被使用的伪随机码与频点，重新确定空闲通信通道，并从中选择新的上行伪随机码与新的上行频点；

(23)目标无人机使用下行通信数据帧持续向地面站发送“第一上行通信切换请求”，包含新的上行伪随机码与新的上行频点，并将上行通信切换至新的伪随机码与新的频点，持续5s；

(24)当地面站收到“第一上行通信切换请求”，将上行通信切换至新的伪随机码与新的频点，并继续向目标无人机发送“上行状态确认指令”；

(25)目标无人机发送“第一上行通信切换请求”后，判断5s内是否收到“上行状态确认指令”，若收到，则进入步骤(28)，若未收到，则进入步骤(26)；

(26)目标无人机将上行通信切换回伪随机码U2与频点V2，向地面站发送“第二上行通信切换请求”，包含伪随机码U2与频点V2的信息,持续5s；

(27)目标无人机发送“第二上行通信切换请求”后，判断5s内是否收到“上行状态确认指令”，若收到，则进入步骤(28)，若未收到，则返回步骤(22)；

(28)目标无人机与地面站上行通信连接恢复，目标无人机停止向地面站发送“上行通信切换请求”。

如图3所示，在地面站与目标无人机下行通信使用伪随机码D2与频点E2建立通信连接后，目标无人机持续向地面站发送“飞行数据”；若目标无人机向地面站发送数据的下行通信受到干扰，其处理步骤如下：

(31)若地面站超过5s无法收到“飞行数据”，则进入步骤(32)

(32)使用地面站数传电台重新搜索未被使用的伪随机码与频点，重新确定空闲通信通道，并从中选择新的下行伪随机码与新的下行频点；

(33)地面站使用上行通信数据帧持续向目标无人机发送“第一下行通信切换请求”，包含新的下行伪随机码与新的下行频点，并将下行通信切换至新的伪随机码与新的频点，持续5s；

(34)当目标无人机收到“第一下行通信切换请求”后，将下行通信切换至新的伪随机码与新的频点，并继续向地面站发送“飞行数据”；

(35)地面站发送“第一下行通信切换请求”后，判断5s内是否收到“飞行数据”，若收到，则进入步骤(38)，若未收到，则进入步骤(36)；

(36)地面站将下行通信切换回伪随机码D2与频点E2，并持续向无人机发送“第二下行通信切换请求”，包含伪随机码D2与频点E2的信息,持续5s；

(37)地面站发送“第二下行通信切换请求”后，判断5s内是否收到“飞行数据”，若收到，则进入步骤(38)，若未收到，则返回步骤(32)；

(38)地面站与目标无人机下行通信连接恢复，地面站停止向目标无人机发送“下行通信切换请求”。

如图4所示，无人机与地面站各内置一台数传电台(数据传输电台)，型号相同，用于上行与下行通信连接；数传电台包含FPGA 1、射频芯片2、射频前端3、发射天线4、接收天线5、数传电台电源模块6、接口电路7，与数传电台连接的模块为地面站或无人机控制计算机8、地面站或无人机电源9；

数传电台电源模块6为FPGA 1、射频芯片2以及射频前端3供电；

数传电台的无线接收通路工作原理：

(1)地面站或无人机控制计算机8获取无线接收通路的伪随机码与频点信息后，向各自的数传电台发送配置管理指令，其中地面站的配置管理指令包含下行通信的伪随机码与频点信息，无人机的配置管理指令包含上行通信的伪随机码与频点信息；

(2)FPGA 1接收配置管理指令后，使用指令中包含的伪随机码形式对接收数据进行解扩，同时向射频芯片2发送频点配置指令，包含配置管理指令中的频点信息；

(3)射频芯片2根据频点配置指令，对指定频点进行下变频处理；

(4)接收天线5收到无线信号，发送至射频前端3；射频前端3对无线信号进行滤波处理后，获取指定频带内的射频信号，发送至射频芯片2；射频芯片2对射频信号进行下变频处理后，发送至FPGA 1；FPGA 1对输入的信号进行解扩与解码处理后，发送至接口电路7；接口电路7对数据进行电平转换，实现向地面站或无人机控制计算机8输出无线接收通路数据；

(5)通过以上方式，地面站数传电台接收下行无线通信数据，发送至地面站控制计算机；无人机数传电台接收上行无线通信数据，发送至无人机控制计算机。

数传电台的无线发射通路工作原理：

(1)地面站或无人机控制计算机8获取无线发射通路的伪随机码与频点后，向各自的数传电台发送配置管理指令，其中地面站的配置管理指令包含上行通信的伪随机码与频点信息，无人机的配置管理指令包含下行通信的伪随机码与频点信息；

(2)FPGA 1接收配置管理指令后，使用指令中指定的伪随机码对发送数据进行扩频编码，同时向射频芯片2发送频点配置指令，包含配置管理指令中的频点信息；

(3)射频芯片2根据频点配置指令，对指定频点进行上变频处理；

(4)接口电路7接收地面站/无人机8输出的无线发射通路数据，经过电平转换后，发送至FPGA 1；FPGA 1对数据进行扩频加密与编码处理后，发送至射频芯片2；射频芯片2对数据进行上变频处理后，发送至射频前端3；射频前端3对射频信号进行功率放大与滤波处理后，发送至发射天线4；发射天线4对外发射无线信号；

(5)通过以上方式，地面站数传电台接收地面站控制计算机的上行通信数据，发送上行无线通信数据；无人机数传电台接收无人机控制计算机的下行通信数据，发送下行无线通信数据。

无人机与地面站的上行与下行通信采用直序扩频体制，上行通信与下行通信可选的频率范围为500MHz～3000MHz，采用异频通信，频率间隔不小于50MHz。

在搜索空闲通信通道时，数传电台在有效的通信频率范围内，搜索的频点按照1MHz递增，将全部伪随机码依次与接收到的信号进行相关处理，以获取空闲的伪随机码与频点通道。

无人机通信识别码包含无人机序列号、上行通信初始伪随机码、上行通信初始频点、下行通信初始伪随机码与下行通信初始频点；在无人机下行通信发送的数据帧中，包含“无人机序列号”，无人机只响应上行通信接收数据帧中“无人机序列号”与本机一致的数据帧；地面站在接收下行通信数据帧时，将数据帧中的“无人机序列号”与通信识别码中的“无人机序列号”进行比对，若一致则认为接收到目标无人机的下行通信数据，若不一致则忽略数据帧。

实施例

图4中，数传电台硬件选型如下：

(1)FPGA1选用ALTERA公司的StratixIII EPC3SE50芯片；

(2)射频芯片2选用Analog Devices,Inc公司的AD9361芯片；

(3)射频前端3中，驱动放大器选用Analog Devices,Inc公司的HMC308芯片，功率放大器选用Analog Devices,Inc公司的ALM-31222芯片，隔离器选用中电九所的GDP9198B芯片，低噪声放大器选用Avago公司的ATF54143增强型晶体管；

(4)数传电台电源模块6中，DC/DC电源变换器选用爱立信公司的PKU4517VEPI芯片，线性稳压器(LDO)选用德州仪器公司的TPS70402PWP芯片。

所述的“通信识别码”，可采用16位16进制数字表示，其中：

(1)无人机序列号占用1～4位，取值范围为0000～FFFF，可表示序列号为0～65535的无人机；

(2)上行通信初始伪随机码占用5～7位，取值范围为000～FFF，可表示4096种伪随机码形式；

(3)上行通信初始频点占用8～10位，取值范围000～FFF，表示0MHz～4095MHz的频点，频点变化分辨率为1MHz；

(4)下行通信初始伪随机码占用11～13位，取值范围为000～FFF，可表示4096种伪随机码形式；

(5)下行通信初始频点占用14～16位，取值范围000～FFF，表示0MHz～4095MHz的频点，频点变化分辨率为1MHz。

假设无人机序列号为3562(十六进制0DEA)，上行通信初始伪随机码为第564型排列方式(十六进制234)，上行通信初始频点为1850MHz(十六进制73A)，下行通信初始伪随机码为第876型排列方式(十六进制36C)，下行通信频点为2350MHz(十六进制92E)，则通信识别码为0DEA23473A36C92E。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。