0 引言

    電力巡線長期以來依靠人力，這樣的工作方式不僅耗費人力、物力，更是給巡線人員帶來巨大安全隱患，電力巡線工作的枯燥性、危險性和長工時等缺陷使無人機電力巡檢成為必然趨勢。無人機數(shù)據(jù)鏈是飛行器與地面站聯(lián)系的紐帶，地面站實時接收航空平臺和機載載荷的遙測信息及載荷獲取的遙感信息，這些信息是操作人員做決策的重要依據(jù)。無人機采用載荷眾多，有可見光相機/攝像機、紅外、Lidar和SAR等，傳輸遙感數(shù)據(jù)速率迥異，更是與遙測信息速率相差甚多，同時遙測信息包括GPS數(shù)據(jù)、遙控指令回報和無人機飛行狀態(tài)等信息，安全性要求高于遙感信息?？梢姡瑹o人機數(shù)據(jù)鏈中非對稱信息一體化傳輸技術(shù)的研究尤為重要，這里的信息非對稱性尤指遙測和遙感信息速率、功率和安全性要求的不等同。

    在現(xiàn)有文獻中，已有較多技術(shù)和方法用于解決非對稱信息的一體化傳輸。在這些方法中，復(fù)接技術(shù)^[1]以其節(jié)省帶寬、實現(xiàn)簡單、復(fù)雜度低等優(yōu)勢最早也是最廣泛被應(yīng)用。該方法理論上可實現(xiàn)無限多種不同速率信息的傳輸，但由于相同的抗干擾處理方式導致該方法只適用于相同安全性要求信息的一體化傳輸。文獻[2]描述的UQPSK(Unbalance Quadrature Phase Shift Keying)方法如圖1所示。

    該方法通過對msg1和msg2分別采用不同糾錯編碼、擴頻等抗干擾技術(shù)和功率調(diào)整模塊改善了直接復(fù)接技術(shù)不支持安全性要求不一致傳輸?shù)娜毕?。但UQPSK技術(shù)僅能同時傳輸兩種非對稱信息，當無人機搭載一種載荷，即下行鏈路只包括遙測和一種遙感信息時采用UQPSK技術(shù)是合理的，但實際應(yīng)用中航空平臺往往搭載多種載荷，地面站實時接收三種甚至更多不同類型信息。基于UQPSK的一體化傳輸技術(shù)采用并行BPSK調(diào)制方式，系統(tǒng)帶寬限制兩種信息的傳輸速率，且在抗干擾指標既定條件下，兩通道功率值與信息速率相關(guān)，受系統(tǒng)帶寬限制，存在功率分配不靈活問題。

    本文針對無人機數(shù)據(jù)鏈中信息傳輸?shù)奶厥庖螅岢隽诵碌姆菍ΨQ信息一體化傳輸方法，解決了直接復(fù)接技術(shù)的可靠性不足和UQPSK功率分配靈活性差等問題。并研究了該技術(shù)在實現(xiàn)過程中采用的抗干擾技術(shù)和接收端設(shè)計，通過平衡信息速率、系統(tǒng)帶寬、信息的安全性要求三者之間的關(guān)系，實現(xiàn)了帶寬最優(yōu)化和高可靠性。

1 非對稱信息一體化傳輸技術(shù)

1.1 系統(tǒng)模型

    本文針對無人機數(shù)據(jù)鏈提出新的非對稱信息一體化傳輸技術(shù)，發(fā)射端架構(gòu)如圖2。

    處理步驟如下：

    (1)遙測信息和各類遙感信息依據(jù)鏈路重要性選擇不同信噪比增益的前向糾錯碼。特別地，遙測信息速率低，鏈路余量相比遙感要求高出5 dB，系統(tǒng)采用擴頻技術(shù)^[3-4]。

    (2)抗干擾處理后的數(shù)據(jù)復(fù)接成串行比特流。

    (3)無人機數(shù)據(jù)鏈工作于頻率選擇性衰落信道^[5]中，嵌入導頻序列組幀實現(xiàn)接收端信道估計與均衡。

    (4)成形濾波處理抑制碼間干擾。

    (5)帶通調(diào)制提高頻譜利用率，降低設(shè)計難度。

    圖3是非對稱信息一體化傳輸系統(tǒng)接收端實現(xiàn)架構(gòu)。為了降低解調(diào)門限、提高系統(tǒng)性能，接收端將解擴模塊前置，提高了載波同步能力^[6-7]。因擴頻碼的相關(guān)性，反饋給載波跟蹤和捕獲模塊的遙測鏈路信號質(zhì)量提高，同步能力增強，遙測和遙感信號并沒有分接，經(jīng)解調(diào)后的遙感信號也獲得了增益。

    采用本文的一體化傳輸技術(shù)的無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)既可實現(xiàn)多種信息同時傳輸，又可兼顧傳輸碼率、頻帶利用率、鏈路余量和系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度等性能指標。

1.2 信號模型

    圖4是遙測信息信號流程。b_i是第i個擴頻碼比特位，c_m，j是第i個編碼碼字，a_i表征遙測信息經(jīng)編碼和直擴后基帶輸出的第i個符號。模型為：

    p_i(t)是高為1、周期為極性擴頻碼周期的矩形脈沖序列，p_PN(t)是PN(Pseudo Noise)碼。則基帶輸出信號模型為：

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 頻帶利用率分析

    經(jīng)過糾錯編碼和擴頻技術(shù)處理后，得到遙測鏈路碼率R_T及遙感鏈路碼率R_S，則分配功率情況如下：

式中ρ是遙測鏈路功率所占總歸一化功率的比值。表1描述了采用UQPSK和本文給出的非對稱一體化傳輸技術(shù)下系統(tǒng)傳輸帶寬和頻帶利用率情況。

    假設(shè)遙感信息經(jīng)RS(255，223)編碼+卷積(4，3，7)編碼后碼率為6 MS/s，分別采用不同的調(diào)制技術(shù)得到的頻帶利用率如圖6。

    采用UQPSK技術(shù)時，系統(tǒng)頻帶利用率η恒定，而采用安全性非對稱信息一體化技術(shù)時，采用不同的帶通調(diào)制方式，系統(tǒng)的η不同，當ρ相同，隨著MPSK調(diào)制方式下的進制數(shù)M增多，η增大。一般遙測信息經(jīng)編碼擴頻后碼片速率與遙感編碼后碼率比較小，如ρ=0.1條件下，UQPSK技術(shù)、本文提出的BPSK、QPSK、8PSK調(diào)制方式的頻帶利用率分別為0.5、0.45、0.9、1.3，優(yōu)選基于QPSK或者8PSK的安全性非對稱信息技術(shù)，而在誤比特率10^-6情況下，QPSK相比8PSK信噪比提升4 dB。因此綜合系統(tǒng)帶寬、可靠性和系統(tǒng)復(fù)雜度考慮，當?shù)凸β时圈褧r，建議選用QPSK作為非對稱信息一體化傳輸技術(shù)的帶通調(diào)制方式。

2.2 誤碼率分析

    (1)數(shù)值分析

    根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和信號模型數(shù)值分析可得QPSK調(diào)制方式下遙測鏈路誤比特率如式(10)、式(11)所示。

    (2)仿真分析

    針對電力巡線無人機數(shù)據(jù)鏈傳輸信息的非對稱性，在MATLAB平臺上仿真分析得到安全性非對稱信息一體化傳輸體制對遙測和遙控兩個鏈路的通信性能，其中數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)仿真參數(shù)如表2，仿真結(jié)果如圖7。

    圖7(a)中l(wèi)ine-3和line-1分別是擴頻前后的系統(tǒng)性能圖，在相同誤比特率情況下，系統(tǒng)的信噪比提高了約18 dB，正是遙測鏈路的擴頻增益值。line-2和line-4分別是編碼前后系統(tǒng)的EbN0-BER誤比特率圖，在誤比特率為10^-6條件下，采用卷積編碼（2，1，7）+DS（擴頻增益18 dB）的遙測鏈路編碼增益約為5 dB。圖7(b)中l(wèi)ine-3和line-2分別是編碼前后遙感鏈路的誤比特率圖，當誤比特率為10^-6時，編碼增益約為6.5 dB。line-1和line-4是采用安全性非對稱信息一體化技術(shù)系統(tǒng)仿真結(jié)果，可見在相同誤比特率為10^-6條件下，遙測鏈路（line-1）相比遙感鏈路（line-4）余量提高約17 dB。

    仿真結(jié)果與理論數(shù)值分析結(jié)果吻合，同時符合安全性非對稱信息一體化傳輸特點。

3 結(jié)論

    本文提出的基于無人機數(shù)據(jù)鏈非對稱一體化傳輸技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

    (1)在傳輸信息類型種類和調(diào)制方式的選取上有更大的靈活性，根據(jù)指標和應(yīng)用環(huán)境需求可以實現(xiàn)高頻帶利用率，解決了系統(tǒng)帶寬受限問題，且本文給出了調(diào)制方式的選取原則和方法。

    (2)安全性要求高的鏈路采取DSSS技術(shù)，不僅提高了本鏈路的信噪比增益，并且給接收端載波跟蹤和捕獲帶來好處，提高了整個鏈路的信噪比增益。

    綜上所述，本技術(shù)在電力巡線等多信息聯(lián)合傳輸領(lǐng)域?qū)玫皆絹碓綇V泛的應(yīng)用。

參考文獻

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