電力巡線無人機數據傳輸系統研究*

魏傳虎，任 杰，張晶晶，劉 俍，王萬國，楊 賀

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南250002；2.山東魯能智能技術有限公司，山東 濟南250101；3.天津航天中為數據系統科技有限公司，天津300301）

電力巡線無人機數據傳輸系統研究*

魏傳虎1，2，任 杰2，張晶晶1，2，劉 俍1，2，王萬國1，2，楊 賀3

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南250002；2.山東魯能智能技術有限公司，山東 濟南250101；3.天津航天中為數據系統科技有限公司，天津300301）

針對無人機數據鏈系統需要同時傳輸不同類型信息而且其性能指標迥異的問題，提出了安全性非對稱信息一體化傳輸技術。該技術采用直接序列擴頻技術對遙測等重要數據進行附加保護，與圖像數據復接后統一進行QPSK調制，解決了直接復接技術可靠性不足、UQPSK功率分配靈活性差的問題，實現了多類型信息的差別復合傳輸。仿真結果表明，在改善頻帶利用率的同時，提高了重要信息鏈路的接收信噪比，與理論分析一致。

無人機數據鏈；非對稱信息；一體化傳輸；抗干擾能力

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。無人機數據鏈是飛行器與地面站聯系的紐帶，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。無人機采用載荷眾多，有可見光相機/攝像機、紅外、Lidar和SAR等，傳輸遙感數據速率迥異，更是與遙測信息速率相差甚多，同時遙測信息包括GPS數據、遙控指令回報和無人機飛行狀態等信息，安全性要求高于遙感信息?？梢?，無人機數據鏈中非對稱信息一體化傳輸技術的研究尤為重要，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。

在現有文獻中，已有較多技術和方法用于解決非對稱信息的一體化傳輸。在這些方法中，復接技術[1]以其節省帶寬、實現簡單、復雜度低等優勢最早也是最廣泛被應用。該方法理論上可實現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。

圖1 基于UQPSK非對稱一體化傳輸技術系統架構

該方法通過對 msg1和 msg2分別采用不同糾錯編碼、擴頻等抗干擾技術和功率調整模塊改善了直接復接技術不支持安全性要求不一致傳輸的缺陷。但UQPSK技術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技術是合理的，但實際應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?；赨QPSK的一體化傳輸技術采用并行BPSK調制方式，系統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，受系統帶寬限制，存在功率分配不靈活問題。

本文針對無人機數據鏈中信息傳輸的特殊要求，提出了新的非對稱信息一體化傳輸方法，解決了直接復接技術的可靠性不足和UQPSK功率分配靈活性差等問題。并研究了該技術在實現過程中采用的抗干擾技術和接收端設計，通過平衡信息速率、系統帶寬、信息的安全性要求三者之間的關系，實現了帶寬最優化和高可靠性。

1 非對稱信息一體化傳輸技術

1.1 系統模型

本文針對無人機數據鏈提出新的非對稱信息一體化傳輸技術，發射端架構如圖2。

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

圖2 非對稱信息一體化傳輸技術發射端系統架構

處理步驟如下：

(1)遙測信息和各類遙感信息依據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，系統采用擴頻技術[3-4]。

(2)抗干擾處理后的數據復接成串行比特流。

(3)無人機數據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)帶通調制提高頻譜利用率，降低設計難度。

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

圖3 非對稱信息一體化傳輸技術接收端系統架構

采用本文的一體化傳輸技術的無人機數據鏈系統既可實現多種信息同時傳輸，又可兼顧傳輸碼率、頻帶利用率、鏈路余量和系統設計復雜度等性能指標。

1.2 信號模型

圖4是遙測信息信號流程。bi是第i個擴頻碼比特位，cm，j是第i個編碼碼字，ai表征遙測信息經編碼和直擴后基帶輸出的第i個符號。模型為：速率相對高的遙感數據安全性要求低，通常只編碼不擴頻。dl(t)表示編碼后的碼流信號，模型如下：

圖4 遙測信息處理框圖

則復接后基帶輸出信號模型如下：

圖5是接收端先解擴后解復接的基帶模型圖。

z(t)是加性復高斯白噪聲干擾，則接收信號為：

由于pi(t)×pi(t)=[(2bi-1)×p(t-iTc)]=1，故有：

圖5 DSSS解調架構

解復接得到遙測碼字 yT和遙感碼字 yS，解碼得到遙測比特流和遙感比特流。

2 仿真結果與分析

2.1 頻帶利用率分析

經過糾錯編碼和擴頻技術處理后，得到遙測鏈路碼率RT及遙感鏈路碼率RS，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下系統傳輸帶寬和頻帶利用率情況。

表1 不同一體化傳輸技術的頻帶指標分析

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

采用UQPSK技術時，系統頻帶利用率 η恒定，而采用安全性非對稱信息一體化技術時，采用不同的帶通調制方式，系統的η不同，當ρ相同，隨著MPSK調制方式下的進制數M增多，η增大。一般遙測信息經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、本文提出的BPSK、QPSK、8PSK調制方式的頻帶利用率分別為 0.5、0.45、0.9、1.3，優選基于QPSK或者8PSK的安全性非對稱信息技術，而在誤比特率10-6情況下，QPSK相比8PSK信噪比提升4 dB。困此綜合系統帶寬、可靠性和系統復雜度考慮，當低功率比ρ時，建議選用QPSK作為非對稱信息一體化傳輸技術的帶通調制方式。

圖6 頻帶利用率

2.2 誤碼率分析

(1)數值分析

根據系統架構和信號模型數值分析可得QPSK調制方式下遙測鏈路誤比特率如式(10)、式(11)所示。

根據式(11)可得遙感鏈路誤比特率為：

(2)仿真分析

針對電力巡線無人機數據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，其中數據傳輸系統仿真參數如表2，仿真結果如圖7。

表2 仿真參數表

圖7(a)中line-3和line-1分別是擴頻前后的系統性能圖，在相同誤比特率情況下，系統的信噪比提高了約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line-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系統仿真結果，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。

仿真結果與理論數值分析結果吻合，同時符合安全性非對稱信息一體化傳輸特點。

圖7 系統誤比特率圖

3 結論

本文提出的基于無人機數據鏈非對稱一體化傳輸技術具有如下優勢：

(1)在傳輸信息類型種類和調制方式的選取上有更大的靈活性，根據指標和應用環境需求可以實現高頻帶利用率，解決了系統帶寬受限問題，且本文給出了調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，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，本技術在電力巡線等多信息聯合傳輸領域將會得到越來越廣泛的應用。

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[7]Bernard Sklar.Digital communications fundamentals and applications second edition[M].Publishing House of electronics Industry，2002：547-558.

Research of UAV data transmission system based on power inspection

Wei Chuanhu1，2，Ren Jie2，Zhang Jingjing1，2，Liu Liang1，2，Wang Wanguo1，2，Yang He3
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China；2.Shandong Luneng Intelligence Technology Co.，Ltd，Jinan 250101，China；3.Tian Jin Zhong Wei Aerospace Data System Technology Co.Ltd，Tianjin 300301，China)

The technique of integrative transmission for unsymmetrical information is put forward，aiming at transferring information having different properties or qualities on UAV(Unmanned Aerial Vehicle)data link.DS is adopted on crucial telemetry information，and then the information including telemetry and remote sensing is modulated with QPSK.The technique of integrative transmission has advantages，such as more reliable than direct link without DS and more flexible than UQPSK.Simulation of Matlab indicates the technique improve SNR of crucial information and advance frequency spectrum utilization ratio simultaneity，as good as theory analysis.

data links of UAV；unsymmetrical information；integrative transmission；anti-interference

TN911

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.022

魏傳虎，任杰，張晶晶，等.電力巡線無人機數據傳輸系統研究[J].電子技術應用，2015，41(7)：77-80.

英文引用格式：Wei Chuanhu，Ren Jie，Zhang Jingjing，et al.Research of UAV data transmission system based on power inspection[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：77-80.

2014-12-15)

魏傳虎(1986-)，男，工程師，主要研究方向：無人機巡檢、機電一體化技術。

任杰(1970-)，男，高級工程師，主要研究方向：電力生產和技術管理。

張晶晶(1985-)，男，工程師，主要研究方向：人工智能、無人機巡檢技術。

航天技術應用產業產品孵化項目（JSKF201407290015）；天津市科技計劃項目（13ZXCXGX35700）