阅读说明：本技术 一种无人机管道巡线系统及多站接力方法 (Unmanned aerial vehicle pipeline inspection system and multi-station relay method ) 是由 贾克 郝亚峰 徐长纯 刘有才 代立业 曲恒 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无人机管道巡线系统及多站接力方法,属于管道巡线及无人机测控技术领域。本发明根据地面站采用分布式布站方式,以实现飞机与多个地面站交接；以及地面站指挥控制根据当前任务的飞机数量和航迹信息,通过上行链路遥控帧对飞机进行功率控制和时隙资源调整,进一步减少系统自干扰；以及地面控制中心根据下行链路遥测帧含有的飞机位置信息、地面站回报链路遥测帧含有的AGC信息、信道误码信息,综合判定具有最佳链路质量的上行链路并唤醒相应地面站。本发明具有时隙资源分配灵活、地面站交接可靠地特点,特别适用于石油管道巡线中较长距离巡检、巡检精度高、适用于复杂环境的特点,是对现有技术的一种重要改进。(The invention discloses an unmanned aerial vehicle pipeline inspection system and a multi-station relay method, and belongs to the technical field of pipeline inspection and unmanned aerial vehicle measurement and control. According to the invention, a distributed station arrangement mode is adopted according to the ground stations so as to realize the connection between the airplane and a plurality of ground stations; the ground station command control carries out power control and time slot resource adjustment on the airplanes through an uplink remote control frame according to the number of airplanes and track information of the current task, and further reduces self-interference of the system; and the ground control center comprehensively judges the uplink with the best link quality and awakens the corresponding ground station according to the airplane position information contained in the downlink telemetry frame, the AGC information contained in the ground station return link telemetry frame and the channel error code information. The invention has the characteristics of flexible time slot resource allocation and reliable ground station handover, is particularly suitable for long-distance routing inspection in petroleum pipeline routing inspection, has high routing inspection precision and is suitable for complex environment, and is an important improvement on the prior art.)

一种无人机管道巡线系统及多站接力方法

技术领域

本发明涉及管道巡线及无人机测控技术领域，特别是指一种无人机管道巡线系统及多站接力方法。

背景技术

目前，随着我国管道、线路等基础设施建设的广泛开展，对这些设施的维护也变得日益紧迫。传统的管道巡线一般采用人工巡线方式实现，人工巡线方式工作效率低，周期性长而巡线精度低、受外界因素影响大，难以满足自然气候限制、地貌复杂和恶劣环境下的管道巡线需求。为此，现有技术中有将无人机应用于管道巡线的尝试。但是，传统的无人机遥感技术受地面站和飞机作用距离的限制，难以满足较长距离巡检的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种无人机管道巡线系统及多站接力方法，其能够满足巡线距离较长、周期短、适应地貌复杂和精度高的需求。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种无人机管道巡线多站接力方法，包括以下步骤：

（1）无人机执行任务时，采用广播方式传输下行信息，在无人机视距通信范围内，至少有3个地面站接收到无人机的下行信息传输帧；

（2）指挥控制中心根据下行信息传输帧中的无人机位置信息，选择出距离最优的3个地面站，作为当前距离最优地面站；

（3）根据当前距离最优地面站的地面回报链路遥测帧中包含的AGC信息和信道误码信息，选择链路质量最好的一个地面站；指挥控制中心通过上行网络协议帧唤醒该链路质量最好的地面站，完成该地面站的上行遥控功能；

（4）当无人机靠近当前距离最优地面站中的另一个站时，指挥控制中心根据下行信息传输帧中的无人机位置信息选择出新的距离最优的3个地面站，并将当前距离最优地面站更新为这3个地面站；

（5）重复步骤（3）和（4），完成地面站之间的多站接力。

一种无人机管道巡线系统，其包括指挥控制中心、多个地面站，以及无人机；无人机执行任务时，采用广播方式传输下行信息，在无人机视距通信范围内，至少有3个地面站接收到无人机的下行信息传输帧；所述指挥控制中心通过如下方式实现对无人机的接力遥控：

（1）指挥控制中心根据下行信息传输帧中的无人机位置信息，选择出距离最优的3个地面站，作为当前距离最优地面站；

（2）根据当前距离最优地面站的地面回报链路遥测帧中包含的AGC信息和信道误码信息，选择链路质量最好的一个地面站；指挥控制中心通过上行网络协议帧唤醒该链路质量最好的地面站，完成该地面站的上行遥控功能；

（3）当无人机靠近当前距离最优地面站中的另一个站时，指挥控制中心根据下行信息传输帧中的无人机位置信息选择出新的距离最优的3个地面站，并将当前距离最优地面站更新为这3个地面站；

（4）重复步骤（2）和（3），完成地面站之间的多站接力。

进一步的，所述地面站采用分布式布站方式，通过地理隔离的方式消除系统自干扰，地面控制中心将连续n个地面站设为1组，2≤n≤16，且不同组之间相距为n倍站间距的地面站使用同一时隙发送数据。

进一步的，该系统的链路设计采用TDMA时分多址接入体制，信道传输采用OFDM调制体制。

进一步的，所述地面站通过上行链路遥控帧的资源时隙调整，动态刷新各无人机的下行时隙，从而实现一个地面站同时控制多架无人机。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

1、本发明可以实现地面站与地面站间的交接，从而达到较长距离管道巡检的功能。

2、进一步的，本发明系统采用了地理隔离方式设置地面站点，能够物理消除系统自干扰。

3、进一步的，本发明通过上行链路遥控帧的资源时隙调整，可以动态刷新下行时隙，能够达到一站同时控制多架飞机的效果，从而大幅度降低设计成本，缩短研发周期。

附图说明

图1是本发明实施例中管道巡线系统的架构示意图。

图2是本发明实施例中的时帧结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。

如图1所示，一种无人机管道巡线系统，其包括指挥控制中心、多个地面站，以及无人机；无人机执行任务时，采用广播方式传输下行信息，在无人机视距通信范围内，至少有3个地面站接收到无人机的下行信息传输帧。

地面站采用分布式布站时，地面控制中心将连续n（n最大为16）个站点设为1组，且不同组之间相距为n倍站间距的站点使用同一时隙发送数据。假设n为5，则编号1~5的站点为第1组，编号6~10的站点为第2组，站点1和站点6可使用相同时隙1发送数据，站点2和站点7可使用相同时隙2发送数据，站点3和站点8可使用相同时隙3发送数据，站点4和站点9可使用相同时隙4发送数据，站点5和站点10可使用相同时隙5发送数据。具体布站过程中，地面站MAC_ID连续排列，则地面站发送的时隙号可由MAC_ID除以n的余数确定。

该系统的时帧结构如图2所示，下行时隙1~8为2个无人机节点占用时隙，可随机给两架飞机分别分配4个时隙。上行时隙9~12为地面站节点占用时隙，可同时给不同的4个地面站分配时隙。时隙57、58、59用于飞机节点随机占用，用于广播本机位置信息，以便于地面控制中心计算和显示交叠空域飞机位置。机载终端在每时帧起始时刻利用本地产生的随机数t作为依据（随机数种子为本机开机时间）选定时隙57、58、59中的一个时隙发送数据（若t=1，则选择时隙57发送；若t=2，则选择时隙58发送；若t=3，则选择时隙59发送；若t=0，则不发送）。具体来说，时帧结构参数如下表所示：

时隙	OFDM符号	备注	时隙	OFDM符号	备注
						1~8	66	地面站指定飞机占用	49~56	66	地面站指定飞机占用
9~12	12	地面站	57	12	飞机随机占用
						13~20	66	地面站指定飞机占用	58	12	飞机随机占用
21~24	12	地面站	59	12	飞机随机占用
						25~32	66	地面站指定飞机占用	60	12	预留频谱感知
33~36	12	地面站
						37~44	66	地面站指定飞机占用
45~48	12	地面站

该系统的链路设计采用TDMA时分多址接入体制，飞机节点为网络节点，同一网络中最多支持16个地面站节点和2个无人机节点同时工作。考虑多径信道影响，信道传输调制体制采用OFDM技术。

此外，地面指挥控制中心可根据当前任务的飞机数量和飞机航迹信息，通过上行链路遥控帧对飞机进行功率控制和时隙资源调整，进一步减少系统自干扰。

执行任务时，每架飞机与多个地面站之间具备视距通信条件，地面控制中心依据飞机下行链路遥测帧中含有的飞机位置信息、地面站回报链路遥测帧中含有的AGC信息、信道误码信息，综合判定具有最佳链路质量的上行链路并唤醒相应地面站，进而完成上行遥控指令单播/广播功能。对于下行信息传输，飞机采取广播方式传输：所有地面站收到下行广播的信息后通过光纤或4G网络传输至指挥控制中心，指挥控制中心依据帧类型区分不同业务类型、依据帧计数器实现业务数据排序和恢复。

具体来说，这种无人机管道巡线多站接力方法包括以下步骤：

（1）无人机执行任务时，采用广播方式传输下行信息，在无人机视距通信范围内，至少有3个地面站接收到无人机的下行信息传输帧；

（2）指挥控制中心根据下行信息传输帧中的无人机位置信息，选择出距离最优的3个地面站，作为当前距离最优地面站；

（3）根据当前距离最优地面站的地面回报链路遥测帧中包含的AGC信息和信道误码信息，选择链路质量最好的一个地面站；指挥控制中心通过上行网络协议帧唤醒该链路质量最好的地面站，完成该地面站的上行遥控功能；

（4）当无人机靠近当前距离最优地面站中的另一个站时，指挥控制中心根据下行信息传输帧中的无人机位置信息选择出新的距离最优的3个地面站，并将当前距离最优地面站更新为这3个地面站；

（5）重复步骤（3）和（4），完成地面站之间的多站接力。

总之，本发明具有时隙资源分配灵活、地面站交接可靠地特点，特别适用于石油管道巡线中较长距离巡检、巡检精度高、适用于复杂环境的特点，是对现有技术的一种重要改进。