基于全球星實(shí)現無(wú)人機遠程通信

l 全球星系統性能分析
全球星系統是由美國勞拉公司(Loral Corpara-tion)和高通公司(Qualcomm)倡導發(fā)起的衛星移動(dòng)通信系統。全球星系統主要由三部分組成：空間段、地面段、用戶(hù)段。
空間段由48顆衛星加8顆備份星組成。軌道高度
約為1 414 km，傳輸時(shí)延和處理時(shí)延小于300 ms，因此，用戶(hù)感覺(jué)不到時(shí)延。整個(gè)系統的覆蓋區為南北緯70°以?xún)鹊牡貐^。各個(gè)服務(wù)區總是被2～4顆衛星覆蓋，用戶(hù)可隨時(shí)接人該系統。話(huà)音傳輸速率有2．4／4．8／9．6 Kb／s三種，數據傳輸速率為7．2 Kb／s(持續流量)。衛星采用碼分多址方式(CDMA)，碼元帶寬為1．23 MHz。衛星定位精度最高可達300 m。
地面段包括全球星控制中心和網(wǎng)絡(luò )關(guān)口站(簡(jiǎn)稱(chēng)：網(wǎng)關(guān))。每個(gè)網(wǎng)關(guān)可同時(shí)與3顆衛星通信，把來(lái)自不同衛星或同一衛星的不同數據流信號組合在一起，以提供無(wú)縫隙的覆蓋。每一個(gè)用戶(hù)終端可通過(guò)一顆或幾顆衛星和網(wǎng)關(guān)實(shí)現與全球任何地區的通信。在我國境內設有一個(gè)網(wǎng)關(guān)。
用戶(hù)段指的是使用全球星系統業(yè)務(wù)的用戶(hù)終端設備。用戶(hù)終端設備包括手持式、車(chē)載式和固定式。用戶(hù)終端可提供話(huà)音、數據、短信息等業(yè)務(wù)。用戶(hù)終端在頭頂有一顆衛星覆蓋時(shí)就可以使用，而一般在用戶(hù)的視線(xiàn)范圍內都是有2～4顆衛星。用戶(hù)終端可同時(shí)和3顆衛星進(jìn)行通信，并且通過(guò)使用分離多徑接收器可以把這些信號合成一個(gè)單一的、沒(méi)有天電干擾的信號。用戶(hù)終端還可以按需要改變功率電平來(lái)補償遮擋和干擾的影響，平均功率輸出范圍在50～300 mW之間。衛星不斷移進(jìn)、移出用戶(hù)終端的視線(xiàn)范圍，也不斷無(wú)縫隙地淡進(jìn)和淡出呼叫過(guò)程，這種軟切換減少了呼叫受干擾的風(fēng)險。以上這些先進(jìn)的數字技術(shù)使全球星系統能夠在各種地形環(huán)境中提供業(yè)務(wù)，使信號受到建筑、地形和其他自然景物遮擋的可能性更小。
針對無(wú)人機的特點(diǎn)，利用全球星的獨特通信功能，可以設計一個(gè)基于全球星的無(wú)人機數字通信系統，用以解決新型無(wú)人機遠程綜合信息通信問(wèn)題。

2 系統結構設計
本系統由機載通信設備、地面通信設備、地面監控設備、全球星衛星、網(wǎng)關(guān)等組成，如圖1所示。

2．1 全球星系統
全球星衛星和網(wǎng)關(guān)作為本系統的衛星通信鏈路，負責轉發(fā)系統各種通信信息。
2．2 機載通信設備
機載通信設備安裝于無(wú)人機上。機載設備將需要傳輸的數字信息(語(yǔ)音、圖像、數據流、控制命令等)通過(guò)USB口或RS 422口傳送給機載通信設備，機載通信設備將信息打包發(fā)送至全球星衛星，由全球星衛星轉發(fā)到地面通信設備。
機載通信設備主要由ARM與GSPl620等部件組成，如圖2所示。

GSPl620為全球星數傳通信模塊，通過(guò)RS 232口與ARM連接，完成通信信息的發(fā)送與接收。
ARM為工業(yè)控制單片機，通過(guò)RS 422口或USB口與機載設備連接。ARM中安裝有通信軟件，完成系統初始化、數據通信、故障診斷等功能。
機載數傳設備的工作流程如下：
ARM啟動(dòng)后，通過(guò)RS 232口發(fā)送AT命令對GSPl620進(jìn)行初始化和撥號連接，同時(shí)監測RS 422口或USB口，實(shí)時(shí)獲取并存儲機載設備發(fā)送的通信數據，如果GSP1620撥號連接成功，則將通信數據通過(guò)RS232口發(fā)送給GSP1620，由GSPl620通過(guò)全球星衛星發(fā)送給地面通信設備。GSPl 620也負責接收地面通信設備發(fā)送的控制指令(例如：飛機爬升、俯沖、轉彎等命令)，通過(guò)RS 232口傳送給ARM，ARM接收到控制指令后再通過(guò)RS 422口或USB口轉發(fā)給機載設備。
2．3 地面通信設備
地面通信設備與機載通信設備軟硬件通用，只是在使用前初始化時(shí)將設備定義為地面通信設備或機載通信設備。地面通信設備安裝在地面監控站內，與地面監控設備通過(guò)，RS 422口或USB口連接。地面通信設備將接收到的全球星衛星傳輸的數字信息(語(yǔ)音、圖像、數據流、控制命令等)通過(guò)USB口或RS 422口傳送給地面監控設備，同時(shí)也可將地面監控設備的控制命令傳送給機載通信設備。
其結構組成與機載通信設備相似，主要由ARM與GSPl620等部件組成。如圖3所示。

地面通信設備的工作流程如下：
ARM啟動(dòng)后，通過(guò)RS 232口發(fā)送AT命令對GSP1620進(jìn)行初始化和撥號連接，連接成功后在GSPl620上實(shí)時(shí)獲取機載通信設備發(fā)送的通信數據，同時(shí)通過(guò)RS 422轉發(fā)給地面監控設備。ARM也負責接收地面監控設備發(fā)送的控制指令，通過(guò)RS 232口轉發(fā)給GSPl620，GSPl620接收到控制指令后發(fā)送給機載通信設備。
2．4 地面監控設備
地面監控設備為工業(yè)PC機，運行通信監控軟件。地面監控設備通過(guò)RS 422口或USB口與地面通信設備連接。完成數據通信、無(wú)人機態(tài)勢顯示、控制指令上傳、報警、數據管理等功能。

3 系統功能設計
根據目前無(wú)人機的使命任務(wù)，本系統提供有如下功能：數傳通信功能、監控功能、顯示功能、報警功能、數據管理功能等。按模塊設計的功能框圖和信息傳輸關(guān)系，如圖4所示。

3．1 數據通信
數據通信功能主要包括以下幾項內容：數據加密、數據分包、數據分包傳輸、數據接收、數據合包、數據解密等。
3．2 監控功能
監控功能主要包括以下幾項內容：對地面監控設備初始化、系統重置、通信端口管理、生成控制指令、數據存庫等。
3．3 顯示功能
顯示功能主要包括以下幾項內容：地圖背景顯示、鷹眼顯示、地圖基本操作(放大、縮小、漫游、量算等)、無(wú)人機飛行狀態(tài)(包括軌跡、高度變化、飛行參數等)顯示、全球星星歷狀態(tài)顯示等。
3．4 報警功能
報警功能主要包括以下幾項內容：全球星鏈路斷開(kāi)報警、無(wú)人機飛行狀態(tài)報警等。報警模式有聲音報警、高亮警示報警等。
3．5 數據管理功能
數據管理功能主要包括以下幾項內容：數據備份、恢復、數據刪除、數據報表查詢(xún)、數據顯示、數據打印、數據導出(文本文件、EXCEL　文檔)等。

4 系統軟件設計
4．1 軟件流程
4．1．1 初始化階段
接受飛行任務(wù)后，地面監控設備與地面通信設備開(kāi)機、初始化，地面通信設備接收全球星星歷，發(fā)送到地面監控設備，地面監控設備根據星歷判斷衛星信號好壞，給出無(wú)人機起飛建議。無(wú)人機起飛后，機載通信設備開(kāi)機、初始化。
4．1．2 建立連接階段
機載數傳設備初始化后與地面數傳設備進(jìn)行撥號連接，雙方均可進(jìn)行主叫撥號連接。撥號成功，鏈路建立后，即可進(jìn)行通信信息傳輸。
4．1．3 通信、監控顯示階段
機載通信設備將來(lái)自機載設備的通信信息經(jīng)全球星發(fā)送給地面通信設備，地面通信設備再將該信息轉發(fā)給地面監控設備。地面監控設備對信息進(jìn)行解碼、報警處理、存儲、軌跡顯示、狀態(tài)顯示等工作。
4．1．4 連接維護階段
為了保證通信鏈路的暢通，機載通信設備和地面通信設備自動(dòng)進(jìn)行衛星通信鏈路的維護，實(shí)時(shí)監測鏈路狀態(tài)，發(fā)現鏈路斷開(kāi)，自動(dòng)重新?lián)芴栠B接。同時(shí)也負責將鏈路狀態(tài)、故障原因實(shí)時(shí)發(fā)送給地面監控設備。