一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统，包括无人机、无线通信模块和地面站，所述的无人机设有飞控模块和与飞控模块连接的发送/接受端，所述的发送/接受端包括MCU和射频收发单元，所述的射频收发单元为SX1278芯片，所述的SX1278芯片采用CSS扩频通信的编码方式。与现有技术相比，本发明专利技术具有抗多径干扰能力强、灵敏度强、功耗低、传输距离远等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统
本专利技术涉及无人机
，尤其是涉及一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统。
技术介绍
随着信息通讯技术的进步，无人机领域产生了数据链。无人机数据链一般工作在非常复杂的通信环境下，因此要求数据链具有最基本的可靠性，数据链的设计对于硬件设备和软件设计都是很大的挑战。在民用无人机领域，数据链技术发展并没有军用的那么完善，体现出来的特征为技术版本多而杂，技术标准也不统一。其中，无人机与地面控制站之间的数据通信链路，是保证无人机正常飞行和完成各项任务的关链环节，也是最容易受到干扰的重要环节。跳频系统(Frequency-hoppingspreadspectrum，FHSS)和直接序列扩频系统化(Directsequencespreadspectrum，DSSS)都具有很强的抗干扰能力，是使用最多的两种扩频技术。跳频技术在各种军用、民用电台中的应用最为广泛，跳频技术由于其载波频率快速跳变的特性，能够以“躲避”的方式来抵抗跟踪式和转发式人为干扰，并解决了“远近效应”问题，但其抗多径干扰能力不强。而DSSS扩频系统存在以下的不足之处：(1)PN(Pseudo-noisecode，伪随机序列)序列的产生复杂。(2)PN序列的同步要求严格。因此，在一些低功耗领域以及物理层传输的应用上，直接扩频技术就显得比较复杂。现在市面上常见的通信技术主要包括：1、Wi-Fi：理论传输速度最高达到1Gbps。缺点是功耗大，价格比较昂贵传输距离也相对较短。2、蓝牙：蓝牙无线传输的技术部份即采用FHSS展频技术，所以传输速度较慢。FHSS信号的隐蔽性差，抗多频干扰及跟踪式干扰能力有限。同DSSS一样，FHSS也是使用PN码，PN序列的产生较复杂，并且蓝牙的传输距离仅仅只有10米左右，传输速度是1.8M/s～2.1M/s，需要的功率却很大，接受灵敏度较低。3、ZigBee：近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率，但不能接入互联网，在ZigBee网络中必须使用网关。ZigBee使用DSSS扩频，更加容易受到干扰。DSSS技术适用于固定环境中，或对传输品质要求较高的应用。其优势是低功耗和自组网，传输距离视发射功率而定，有几百到几千米不等，一般也就20-30kps，但是价格昂贵，接受灵敏度较低。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统，包括无人机、无线通信模块和地面站，所述的无人机设有飞控模块和与飞控模块连接的发送/接受端，所述的发送/接受端包括MCU和射频收发单元，所述的射频收发单元为SX1278芯片，所述的SX1278芯片采用CSS扩频通信的编码方式，CSS采用Chirp信号进行扩频调制。优选地，所述的发送/接受端采用外部中断机制进行飞行数据的收发。优选地，所述的飞控模块与发送/接收端、地面站采用串口通信的方式进行数据通信。优选地，所述的无人机与地面站采用ACK机制进行通讯。优选地，所述的MCU采用串行外设接口对SX1278芯片的寄存器进行读写。优选地，所述的射频收发单元还设有用于增加通信可靠性的铜质弹簧天线。优选地，所述的飞行数据包括姿态信息、高度信息及应用信息，所述的姿态信息包括俯仰角、横滚角以及方向角，所述的高度信息包括无人机内部的气压计及超声波传感器测到的高度值。优选地，该系统的工作过程为：1)无人机上电，地面站发布飞行指令，无人机数据传输系统启动；2)在飞行过程中，无人机的飞控模块产生飞行数据，利用SX1278芯片，通过无线通信模块将飞行数据发送至地面站；3)地面站接受到无人机发送的飞行数据后，发送ACK数据包给无人机，无人机在接收到ACK包之后确认地面站接收到数据，并再次发送新的数据给地面站。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)在无人机数据链的传输上，本专利技术结合了基于SX1278芯片的CSS扩频通信技术，相比于现有通信技术，本专利技术的抗多径干扰能力强，可实现灵敏度强、功耗低、传输距离远的无人机数据可靠传输；(2)本专利技术采用CSS扩频通信技术，CSS利用Chirp信号进行扩频调制，具有抗多普勒频移、抗干扰能力强、发射功率低的优势；(3)本专利技术在地面站和无人机的通信过程中加入了ACK机制，可保证通信的秩序，避免无人机不断向地面站发送数据造成拥塞的现象。附图说明图1为本专利技术系统的结构示意图；图2为本专利技术系统的无人机数据链通信数据流；图3为本专利技术系统的无人机数据收发流程框图；图4为本专利技术系统的无人机通信系统宏观结构图；图5为本专利技术系统的功能架构图；图6为本专利技术系统中SX1278芯片的应用层流程图；图7为本专利技术实施例中最大发射功率比较图；图8为本专利技术实施例中模块价格比较图；图9为本专利技术实施例中传输距离比较图；图10为本专利技术实施例中接受灵敏度比较图；图11为本专利技术实施例中穿透能力比较图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例本专利技术涉及一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统，包括无人机、无线通信模块和地面站，无人机设有飞控模块和与飞控模块连接的发送/接受端，发送/接受端包括MCU和射频收发单元，射频收发单元为SX1278芯片，SX1278芯片采用CSS扩频通信(ChirpSpreadSpectrum，线性调频扩频技术)的编码方式，CSS采用Chirp信号进行扩频调制。SX1278芯片的有效通信距离比现有的基于FSK(Frequency-shiftkeying)和OOK(On-offkeying)调制技术的通信系统的更远；在其最大传输速率下，SX1278芯片的敏感度比采用FSK调制技术的芯片依然好8dB。SX1278芯片与MCU之间通过串行外设接口实现通信，MCU采用串行外设接口对SX1278芯片的寄存器进行读写，从而进一步读取射频收发单元的工作状态。同时MCU通过串行外设接口也可以对数据进行收发控制。为了保证通信的秩序，避免无人机不断向地面站发送数据，造成拥塞，在地面站和无人机的通信过程中加入了类似TCP报文的到达确认(Acknowledgement，ACK)机制，如图2所示。地面站接受到无人机发送过来的飞行数据后，发送ACK数据包给无人机，无人机在接收到ACK包之后确认地面站接收到数据，转而再次发送新的数据给地面站。在无人机数据链通信系统的三部分中，数据传输在无人机端的主要工作在于如何控制收发流程以及如何取回无人机的相关信息。本实例中的无人机数据收发流程如图3所示，主要是实现一个能够让无人机和地面站简单通信的数据链(且仅为下行数据传输)。数据链分为三个部分：第一个部分为数据链在地面站的实施，第二个部分为数据链在无人机的实施，最后一个部分为数据链在无人机实际飞行中的实施。无人机的发射端负责接收飞控模块传输过来的数据以及向地面站发送数据。地面站负责显示无人机的相关信息。飞控模块和发送/接受端、地面站的数据通信使用串口通信的方式。本专利技术系统使用中断模式进行串口通信。飞行数据包括姿态信息、高度信息及应用信息，姿态信息包括俯仰角、横滚角以及方向角，高度信息包括无人机内部的气压计及超声波传感器测到的高度值。本专利技术系统的工作过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统，包括无人机、无线通信模块和地面站，其特征在于，所述的无人机设有飞控模块和与飞控模块连接的发送/接受端，所述的发送/接受端包括MCU和射频收发单元，所述的射频收发单元为SX1278芯片，所述的SX1278芯片采用CSS扩频通信的编码方式。

【技术特征摘要】
1.一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统，包括无人机、无线通信模块和地面站，其特征在于，所述的无人机设有飞控模块和与飞控模块连接的发送/接受端，所述的发送/接受端包括MCU和射频收发单元，所述的射频收发单元为SX1278芯片，所述的SX1278芯片采用CSS扩频通信的编码方式。2.根据权利要求1所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统，其特征在于，所述的发送/接受端采用外部中断机制进行飞行数据的收发。3.根据权利要求1所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统，其特征在于，所述的飞控模块与发送/接收端、地面站采用串口通信的方式进行数据通信。4.根据权利要求1所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统，其特征在于，所述的无人机与地面站采用ACK机制进行通讯。5.根据权利要求1所述的一种基于扩频通信的无人机数据链通信系统，其特征在于，所述的MCU采用串行外设接口对SX1278芯片的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉金，代淑娴，吴飞，徐旸，王桂莲，袁天夫，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31