專利名稱：一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自
同步方法。
背景技術(shù)：
無人機(jī)肩負(fù)著地面監(jiān)測(cè)、目標(biāo)跟蹤、軍事打擊等任務(wù)，因其自身具備體積小、靈活性強(qiáng) 等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、民用領(lǐng)域扮演著極為重要的角色。無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的性能直接決定了無人機(jī) 執(zhí)行任務(wù)的安全性和飛行效能，是無人機(jī)的大腦和眼睛。
無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈按數(shù)據(jù)傳輸方向的不同可分為上行鏈路和下行鏈路。上行鏈路主要完成地
面站至無人機(jī)的遙控指令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)實(shí)時(shí)控制和指揮自動(dòng)化；下行鏈路主要完成 無人機(jī)至地面站的遙測(cè)數(shù)據(jù)和紅外遙感或電視偵察圖像的發(fā)送以及飛行姿態(tài)、GPS跟蹤定位 等信息的傳輸。
現(xiàn)有的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)一般釆用頻分復(fù)用連續(xù)通信體制，即無人機(jī)的上下行數(shù)據(jù) 通信鏈路在傳輸頻率上間隔開來，以保證飛機(jī)和地面站在全雙工狀態(tài)下收發(fā)信息互不影響。 頻分復(fù)用連續(xù)通信體制要求機(jī)載和地面控制站通信收發(fā)機(jī)的前端使用射頻雙工器。雙工器的 使用增加了機(jī)載負(fù)擔(dān)，不利于系統(tǒng)設(shè)備的小型化、輕型化設(shè)計(jì)需求。而且，釆用連續(xù)通信方 式在數(shù)據(jù)鏈信息傳輸需求量較小、傳輸時(shí)間要求較短的情況下，長(zhǎng)時(shí)間保持發(fā)射機(jī)連續(xù)開機(jī) 工作，造成了發(fā)射功率的嚴(yán)重浪費(fèi)，同時(shí)增大了機(jī)載鏈路設(shè)備的能源消耗，加速了設(shè)備的老 化程度，提高了設(shè)備故障的發(fā)生概率，在一定程度上制約了無人機(jī)飛行航時(shí)和飛行距離，同 時(shí)給飛行帶來了安全隱患。此外，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的同步方式的選取上， 一般釆用以GPS 秒脈沖信號(hào)為輔助手段的外同步方式。由于無人機(jī)通信信道環(huán)境極為惡劣、復(fù)雜，信號(hào)動(dòng)態(tài) 范圍很大，采用GPS秒脈沖信號(hào)為輔助的外同步方式往往會(huì)因?yàn)槊}沖信號(hào)的漏捕獲而失步， 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致數(shù)據(jù)鏈通信的完全中斷，而且該種同步方式的一個(gè)明顯缺陷是初始同步時(shí) 間往往過長(zhǎng)。 發(fā)明 內(nèi) 容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信技術(shù)的不足，提出了一種時(shí)分體制下無 人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法。
時(shí)分體制有別于頻分體制，目的在實(shí)現(xiàn)上、下行數(shù)據(jù)鏈信息傳輸在時(shí)域而非頻域上的分 離；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)不同于一對(duì)多或多對(duì)多模式，主要是就單一地面站針對(duì)單一架次的無人機(jī)通信而 言的，二者地位具有對(duì)等性；自同步方法又稱為內(nèi)同步方法，它有別于外同步方法，是一種基于同步頭傳輸策略而不需要外界信息輔助的自主同步方法。本發(fā)明還采用了自適應(yīng)發(fā)射時(shí) 隙分配策略來進(jìn)行短時(shí)突發(fā)通信，從而進(jìn)一步促進(jìn)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)向小型化、輕型化方向 發(fā)展，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗、保障通信系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作進(jìn)而確保整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的飛行安全。
本發(fā)明所述的一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法，是針對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù) 鏈系統(tǒng)基帶通信板卡的核心，MCS-51系列單片機(jī)的自身特點(diǎn)，利用單片機(jī)自身中斷延時(shí)的 隨機(jī)抖動(dòng)來保證時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信自同步過程順利完成。
一種時(shí)分體制無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法，包括以下步驟
1、 機(jī)載和地面控制站數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)初始化；
機(jī)載和地面控制站數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行自檢，如果通信系統(tǒng)的自身各個(gè)部 件工作正常，那么在單片機(jī)程序控制下進(jìn)行功能參數(shù)的預(yù)分配，完成數(shù)據(jù)鏈通信功能的初始 化設(shè)置，如果自檢后有故障，則進(jìn)行故障檢修；
2、 初始同步；
機(jī)載和地面控制站雙方在初始化完成后，按固定的信號(hào)發(fā)射周期間隔r相互發(fā)射同步頭 信號(hào)以供對(duì)方進(jìn)行信號(hào)捕獲進(jìn)而建立數(shù)據(jù)鏈。
3、 同步鎖定；
當(dāng)機(jī)載或地面控制站捕獲到對(duì)方發(fā)來的同步頭信號(hào)后，延時(shí)半個(gè)發(fā)射周期r/2繼續(xù)發(fā)送 同步頭信號(hào)以及同步確認(rèn)信號(hào)等待對(duì)方進(jìn)行確認(rèn)。當(dāng)雙方確認(rèn)完畢后，數(shù)據(jù)鏈進(jìn)入同步鎖定
狀態(tài)，之后每次按照接收到對(duì)方同步頭信號(hào)后延時(shí)半個(gè)發(fā)射周期r/2的規(guī)律進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)
的交互；若未同步鎖定，則回到初始同步狀態(tài)繼續(xù)發(fā)送同步頭信號(hào)直至同步鎖定完成，建立 數(shù)據(jù)鏈；
4、 自適應(yīng)發(fā)射時(shí)隙分配；
在同步鎖定狀態(tài)下，機(jī)載和地面控制站按照固定的發(fā)射周期r'，遵循自適應(yīng)發(fā)射時(shí)隙分 配的策略進(jìn)行信息的交互；
5、 失步再同步；
當(dāng)機(jī)載或地面控制站短時(shí)捕獲不到對(duì)方發(fā)來的同步頭信號(hào)而造成數(shù)據(jù)鏈中斷時(shí)，雙方根 據(jù)各自的定時(shí)，保持固定的發(fā)送周期r。 一旦有一方接收到對(duì)方信號(hào)，捕獲到同步頭信息， 則同步重新建立；若信號(hào)丟失持續(xù)時(shí)間超過了機(jī)載和地面控制站預(yù)置的最長(zhǎng)失步時(shí)間，則確 認(rèn)雙方已失步，需要重新同步，返回上述的步驟二進(jìn)行再同步。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
(1)采用了時(shí)分體制而非頻分體制進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈通信，從而避免了頻分體制下收發(fā)雙工器 的使用，降低了機(jī)載設(shè)備重量和設(shè)備復(fù)雜度；時(shí)分體制下，機(jī)載和地面控制站可以采用相同
5的設(shè)備在同一工作頻率下進(jìn)行通信，這就更有利于系統(tǒng)向小型化、輕型化、通用化方向發(fā)展。
(2) 采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。在同步建立過程中，無需區(qū)分主次，打破了傳統(tǒng)意義上以 地面站為主、以無人機(jī)為輔的主次地位，二者的地位具有對(duì)等性；在本發(fā)明中，數(shù)據(jù)鏈同步 過程可以由任何一方或雙方發(fā)起、確認(rèn)、建立和保持。
(3) 采用了基于同步頭的自同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無需外界信號(hào)輔助，降低了設(shè)備復(fù) 雜度并縮短了鏈路同步的建立時(shí)間，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)鏈的同步鎖定性能。
(4) 采用了基于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)信息量大小來進(jìn)行發(fā)射時(shí)隙的自適應(yīng)分配策略，在信息傳 輸完畢后及時(shí)關(guān)閉發(fā)射機(jī)，避免長(zhǎng)時(shí)間保持發(fā)射機(jī)工作而造成的嚴(yán)重功率浪費(fèi)和能源消耗。


圖l是本發(fā)明的方法流程圖； 圖2是MCS-51系列單片機(jī)處理中斷示意圖； 圖3是本發(fā)明所述方法在一般情況下數(shù)據(jù)鏈自同步過程示意圖； 圖4是本發(fā)明所述方法在極端情況下數(shù)據(jù)鏈自同步過程示意圖； 圖5是本發(fā)明的數(shù)據(jù)鏈信息傳輸?shù)膸袷绞疽鈭D； fe 6是本發(fā)明的自同步過程狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明所述的一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法，依托于數(shù)據(jù)鏈基 帶信號(hào)處理板卡的核心單元，MCS-51系列單片機(jī)。機(jī)載和地面控制站通信系統(tǒng)利用 MCS-51系列單片機(jī)處理定時(shí)中斷時(shí)所引入的延時(shí)隨機(jī)抖動(dòng)這一特性，實(shí)現(xiàn)上、下行數(shù)據(jù)鏈 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸在時(shí)間上分離，即實(shí)現(xiàn)時(shí)分體制。通過每個(gè)時(shí)隙發(fā)射固定的同步頭來建立數(shù) 據(jù)鏈通信，進(jìn)而保證收發(fā)雙方數(shù)據(jù)交互的可靠性，流程如圖l所示，具體步驟如下
步驟一、機(jī)載和地面控制站數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)初始化。
機(jī)載和地面控制站數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)上電后，進(jìn)行自檢，如果通信系統(tǒng)的自身各個(gè)部件工 作正常，那么在單片機(jī)程序控制下進(jìn)行功能參數(shù)的預(yù)分配，完成數(shù)據(jù)鏈通信功能的初始化設(shè) 置，如果自檢后有故障，則進(jìn)行故障檢修。
本發(fā)明所述的MCS-51系列單片機(jī)在該步驟中，主要負(fù)責(zé)裝載同步頭信息、將發(fā)射周期 定時(shí)器和串口通信的控制字置位。單片機(jī)處理中斷示意圖，如圖2所示，單片機(jī)通過模式控 制模塊來啟動(dòng)、暫停、重置定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期從而完成時(shí)間的調(diào)整，例如對(duì)信號(hào)發(fā)射周期起 始時(shí)間點(diǎn)的調(diào)整；根據(jù)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)信息量的大小來控制信息的發(fā)送，利用串口通信中斷控 制特定的I/0通信端口 (串口)與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互；此外，單片機(jī)還需通過特定的 I/O通信端口來監(jiān)測(cè)和控制外圍設(shè)備的運(yùn)行，比如監(jiān)測(cè)串口通信狀態(tài)等等。為有效利用單片機(jī)處理中斷時(shí)引入的延時(shí)抖動(dòng)，設(shè)單次周期定時(shí)中斷的延時(shí)抖動(dòng)為at ，
f = l,2,3...， 一般A7;較小，不能直接利用。為放大定時(shí)器的隨機(jī)延時(shí)抖動(dòng)值，本發(fā)明采用了iV
倍周期延時(shí)抖動(dòng)累加的方式，即將定時(shí)器中斷周期控制字設(shè)為77iv，其中r是信號(hào)發(fā)射周期 的預(yù)設(shè)值。利用一個(gè)最太計(jì)數(shù)值為w的發(fā)射計(jì)數(shù)器在每次定時(shí)中斷到來時(shí)，自身計(jì)數(shù)值加i
直至溢出，即當(dāng)計(jì)數(shù)等于w時(shí)提示計(jì)數(shù)器溢出，之后再清零。
則該計(jì)數(shù)器溢出的周期，即實(shí)際的信號(hào)發(fā)射周期r大小為
71'= W(77 iV + Z^) = 71 + 7V x — —
其中^是iV倍周期延時(shí)抖動(dòng)累加和的平均值，即^ = ^^， A7;為單次定時(shí)中斷的
延時(shí)抖動(dòng)值，/ = u..JV。
在iv為有限值的情況下，X^依然是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量，ATx^相對(duì)r仍較小，可以認(rèn) 為r和r近似相等。機(jī)載和地面控制站通信系統(tǒng)均是利用發(fā)射周期計(jì)數(shù)器存在延時(shí)抖動(dòng)的計(jì) 數(shù)溢出周期r作為實(shí)際的發(fā)射周期來控制信息的發(fā)送。
步驟二、初始同步。
初始同步是在系統(tǒng)初始化全部完成之后進(jìn)行的。系統(tǒng)由初始化狀態(tài)進(jìn)入初始同步狀態(tài)后， 等待發(fā)射計(jì)數(shù)器溢出標(biāo)志。每次溢出后，機(jī)載和地面控制站的通信系統(tǒng)開始按存在隨機(jī)抖動(dòng) 的時(shí)鐘周期r發(fā)射同步頭。
同步頭一般采用性能優(yōu)越的巴克碼，如EB90H,即二進(jìn)制數(shù)1110101110010000B。 發(fā)射同步頭所需的時(shí)間也稱同步頭的發(fā)射時(shí)隙，很短， 一般在幾十us之間。該值正好落于 發(fā)射周期時(shí)鐘抖動(dòng)累加值WxX^的變化范圍之內(nèi)。機(jī)載和地面控制站系統(tǒng)根據(jù)各自的發(fā)射周 期，自主進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，在起始發(fā)射時(shí)間以及發(fā)射次序上無任何要求，雙方僅依靠發(fā)射周期 定時(shí)器存在的固有延時(shí)抖動(dòng)便可確保各自信號(hào)即使是在同時(shí)發(fā)送的情況下，也能在時(shí)間上完 全錯(cuò)位分離。也就是說，即使出現(xiàn)機(jī)載和地面控制站同時(shí)發(fā)射同步頭信號(hào)，在很短的時(shí)間間 隔內(nèi)， 一般為幾個(gè)發(fā)射周期，受發(fā)射周期延時(shí)抖動(dòng)的影響，總會(huì)出現(xiàn)一方先于另一方發(fā)射同 步頭的情況。
圖3所示為一般情況下的同步過程。當(dāng)一方捕獲到對(duì)方的同步頭信號(hào)后，重置本地發(fā)射 周期定時(shí)器來調(diào)整本地同步頭信號(hào)的發(fā)送時(shí)間——如圖3中所示的虛線框同步頭信號(hào)的發(fā)送 時(shí)間點(diǎn)調(diào)整到下一個(gè)實(shí)線框同步頭發(fā)送時(shí)間點(diǎn)。在捕獲到對(duì)方同步頭信號(hào)后，延時(shí)半個(gè)發(fā)射 周期r/2發(fā)送同步頭信號(hào)以及同步確認(rèn)信號(hào)，至此上、下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸在時(shí)域上間隔開 來，完成初始同步過程。圖4所示為極端情況下，雙方在同一時(shí)間點(diǎn)按照同一發(fā)射周期預(yù)設(shè)
值r進(jìn)行同步頭信號(hào)的發(fā)射。由于數(shù)據(jù)鏈采用時(shí)分體制，在發(fā)送過程中不能同時(shí)接收對(duì)方發(fā) 來的信號(hào)。伹依靠各自實(shí)際發(fā)射周期r的延時(shí)隨機(jī)抖動(dòng)，在很短的一段時(shí)間(一般在幾個(gè)發(fā)
7射周期之內(nèi))后，即會(huì)出現(xiàn)一方先于另一方發(fā)送同步頭信號(hào)的情況。滯后的一方在檢測(cè)到超 前的一方發(fā)來的同步頭信號(hào)后，馬上重置本地發(fā)射周期定時(shí)器來調(diào)整本地同步頭信號(hào)的發(fā)送 時(shí)間——如圖4中所示的虛線框同步頭信號(hào)的發(fā)送時(shí)間點(diǎn)調(diào)整到下一個(gè)實(shí)線框同步頭發(fā)送時(shí)
間點(diǎn)，在延時(shí)半個(gè)發(fā)射周期r/2后發(fā)送同步頭信號(hào)以及同步確認(rèn)信號(hào)，這樣便在時(shí)域上自主
分離上、下行數(shù)據(jù)鏈的發(fā)射時(shí)間，從而完成初始同步過程。 步驟三、同步鎖定。
在初始同步狀態(tài)下，由于機(jī)載和地面控制站發(fā)射周期中的延時(shí)隨機(jī)抖動(dòng)， 一旦出現(xiàn)滯后 發(fā)射的一方先接收到對(duì)方同步頭信號(hào)以后，便將自身發(fā)射計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值重新置位，保證延
時(shí)半個(gè)周期r/2后再進(jìn)行信息發(fā)射，此時(shí)發(fā)射的信息為同步頭加同步確認(rèn)信號(hào)。自此，機(jī)載 和地面控制站通信系統(tǒng)的發(fā)射周期交錯(cuò)開來，上、下行數(shù)據(jù)鏈以時(shí)分體制方式進(jìn)行信息傳輸。 機(jī)載和地面控制站通信系統(tǒng)相互間隔半個(gè)周期r/2發(fā)射和接收信號(hào)，在一方收到另一方發(fā)來
的同步確認(rèn)信號(hào)以后，再按固定的發(fā)射周期r向?qū)Ψ桨l(fā)送同步確認(rèn)信號(hào)，同時(shí)將單片機(jī)內(nèi)的
同步鎖定標(biāo)志由o置為i,將同步鎖定計(jì)數(shù)器清零。至此，系統(tǒng)的同步鎖定過程完成。在同
步鎖定后，意味著數(shù)據(jù)鏈已經(jīng)建立完成，接下來就可以進(jìn)行遙控和遙測(cè)等重要信息的交互。 若未同步鎖定，則需要回到步驟二的初始同步狀態(tài)繼續(xù)發(fā)送同步頭信號(hào)，直至同步鎖定完成， 建立數(shù)據(jù)鏈。
步驟四、自適應(yīng)發(fā)射時(shí)隙分配。
在同步鎖定之后，數(shù)據(jù)鏈就可以正常工作了。由于上下行數(shù)據(jù)量的不對(duì)稱性，以及實(shí)時(shí) 發(fā)送數(shù)據(jù)量的變化等因素的影響，造成機(jī)載和地面控制站的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的信息量大小實(shí)時(shí)
動(dòng)態(tài)變化。發(fā)送的數(shù)據(jù)按照一定的格式組合成幀，如圖5所示，每一幀一般由同步頭、幀頭、
信息比特、幀尾以及尾保護(hù)比特五部分構(gòu)成。中間的幀頭、信息比特、幀尾三部分作為數(shù)據(jù) 幀，其中信息比特可以是上行鏈路的遙控指令，也可以是下行鏈路的遙測(cè)數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的信息來實(shí)時(shí)控制每個(gè)發(fā)射周期內(nèi)數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量越大則
組成的數(shù)據(jù)幀越長(zhǎng)，但數(shù)據(jù)幀發(fā)射持續(xù)時(shí)間須小于發(fā)射周期r/2，緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量越小則組 成的數(shù)據(jù)幀越短。當(dāng)數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)無數(shù)據(jù)時(shí)，只需發(fā)送同步頭信號(hào)以維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈通信。當(dāng)數(shù)
據(jù)發(fā)送完畢后，MCS-51系列單片機(jī)發(fā)出指令關(guān)閉發(fā)射機(jī)以節(jié)省能源消耗。接收方在收到數(shù)
據(jù)幀后，按照給定的組幀方式進(jìn)行反向解數(shù)據(jù)幀來獲取有用的信息。當(dāng)緩存區(qū)內(nèi)需要發(fā)送的 信息量為零時(shí)，及時(shí)關(guān)閉發(fā)射機(jī)以降低系統(tǒng)功耗、提高電池續(xù)航時(shí)間。該策略同樣適用于初 始同步階段，即僅在發(fā)射同步頭時(shí)打開發(fā)射機(jī)其余時(shí)間內(nèi)關(guān)閉發(fā)射機(jī)以節(jié)省能源。 步驟五、失步再同步。
當(dāng)鏈路信號(hào)受到強(qiáng)干擾或者由于遮擋，導(dǎo)致一方或雙方不能捕獲對(duì)方發(fā)來的同步頭信號(hào)， 此時(shí)數(shù)據(jù)鏈暫時(shí)斷開、機(jī)載和地面控制站通信系統(tǒng)失步,伹雙方仍然按照之前的發(fā)射周期r進(jìn)行信息的傳輸。失步后，失步一方的單片機(jī)中同步鎖定標(biāo)志由i置o，同步鎖定計(jì)數(shù)器開始
按照發(fā)射周期進(jìn)行循環(huán)加1計(jì)數(shù)。短時(shí)間內(nèi)，當(dāng)失步的一方捕獲對(duì)方發(fā)來的同步頭信號(hào)后，
同步鎖定標(biāo)志重新由O置為1,同步鎖定計(jì)數(shù)器清零，表明同步重新建立。如果當(dāng)同步鎖定
計(jì)數(shù)器溢出(之后清零)但仍沒有捕獲到對(duì)方同步頭信號(hào)時(shí)，表明通信鏈路已經(jīng)斷開，需要 重新建立。同步鎖定計(jì)數(shù)器的溢出周期即為機(jī)載和地面控制站預(yù)置的最長(zhǎng)失步時(shí)間， 一旦信 號(hào)丟失持續(xù)時(shí)間超過了該最長(zhǎng)失步時(shí)間，則機(jī)載和地面控制站通信系統(tǒng)回到步驟二的初始同 步狀態(tài)重新進(jìn)行同步建立。
機(jī)載和地面控制站通信系統(tǒng)自同步過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示，根據(jù)箭頭方向，當(dāng)雙 方完成步驟一所述的上電初始化過程后，便進(jìn)入了步驟二所述的初始同步狀態(tài)，雙方開始互
發(fā)同步頭信號(hào)； 一旦有一方或雙方監(jiān)測(cè)到對(duì)方發(fā)來的同步頭信號(hào)后，便進(jìn)入了步驟三所述的 同步鎖定狀態(tài)，此時(shí)雙方互發(fā)同步頭及同步確認(rèn)信號(hào)進(jìn)行握手，同時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)方發(fā)來的同步頭 及握手信號(hào)；在雙方握手完畢后，此時(shí)數(shù)據(jù)鏈已經(jīng)建立完畢，便進(jìn)入了步驟四所述的自適應(yīng) 發(fā)射時(shí)隙分配狀態(tài)，雙方根據(jù)各自的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)的發(fā)射時(shí)隙分配，維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈通信； 一旦出現(xiàn)一方或雙方捕獲不到對(duì)方的同步頭信號(hào)時(shí)，便進(jìn)入了步驟五所述的失步再同步狀態(tài)， 雙方監(jiān)測(cè)對(duì)方發(fā)來的同步頭信號(hào)，保持自身的發(fā)射周期，繼續(xù)維持之前的同步鎖定狀態(tài)直至 確認(rèn)雙方已失步；確認(rèn)失步后，通信系統(tǒng)便從失步再同步狀態(tài)跳轉(zhuǎn)回初始同步狀態(tài)。此外， 任何一個(gè)狀態(tài)在出現(xiàn)掉電情況后，均會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)上電初始化狀態(tài)，等待自檢和初始化 完成。
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權(quán)利要求
1、一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法，基于MCS-51系列單片機(jī)，其特征在于，包括以下具體步驟步驟一、機(jī)載和地面控制站數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)初始化；機(jī)載和地面控制站數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行自檢以確保自身各個(gè)部件工作正常；然后，在單片機(jī)程序控制下進(jìn)行功能參數(shù)的預(yù)分配，完成數(shù)據(jù)鏈通信功能的初始化設(shè)置；步驟二、初始同步；機(jī)載和地面控制站雙方在初始化完成后，按固定的信號(hào)發(fā)射周期T′相互發(fā)射同步頭信號(hào)以供對(duì)方進(jìn)行信號(hào)捕獲進(jìn)而建立數(shù)據(jù)鏈；步驟三、同步鎖定；當(dāng)機(jī)載或地面控制站捕獲到對(duì)方發(fā)來的同步頭信號(hào)后，延時(shí)半個(gè)發(fā)射周期T′/2繼續(xù)發(fā)送同步頭信號(hào)以及同步確認(rèn)信號(hào)等待對(duì)方進(jìn)行確認(rèn)；當(dāng)雙方確認(rèn)完畢后，數(shù)據(jù)鏈進(jìn)入同步鎖定狀態(tài)，之后每次按照接收到對(duì)方同步頭信號(hào)后延時(shí)半個(gè)發(fā)射周期T′/2的規(guī)律進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的交互；若未同步鎖定，則回到步驟二的初始同步狀態(tài)繼續(xù)發(fā)送同步頭信號(hào)直至同步鎖定完成，建立數(shù)據(jù)鏈；步驟四、自適應(yīng)發(fā)射時(shí)隙分配；在同步鎖定狀態(tài)下，機(jī)載和地面控制站按照固定的發(fā)射周期T′，遵循自適應(yīng)發(fā)射時(shí)隙分配的策略進(jìn)行信息的交互；步驟五、失步再同步；當(dāng)機(jī)載和地面控制站短時(shí)內(nèi)捕獲不到對(duì)方發(fā)來的同步頭信號(hào)而造成數(shù)據(jù)鏈中斷時(shí)，雙方根據(jù)各自的定時(shí)，保持固定的發(fā)送周期T′；一旦有一方接收到對(duì)方信號(hào)，捕獲到同步頭信息，則同步重新建立；若信號(hào)丟失持續(xù)時(shí)間超過了機(jī)載或地面控制站預(yù)置的最長(zhǎng)失步時(shí)間，則確認(rèn)雙方已失步，需要重新同步，返回上述的步驟二。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法，其特征 在于步驟一所述的功能參數(shù)預(yù)分配中對(duì)于信號(hào)發(fā)射周期r的設(shè)定，采用JV倍周期延時(shí)抖動(dòng)累加的方式獲得單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器在工作時(shí)存在著隨機(jī)的延時(shí)抖動(dòng)，設(shè)每次的延時(shí)抖動(dòng)值為A7;，/ = 1,2,3...;單片機(jī)內(nèi)的發(fā)射周期定時(shí)器的中斷周期控制字設(shè)為7ViV，其中r是信號(hào)發(fā)射周期 的預(yù)設(shè)值，令發(fā)射周期計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值為W，當(dāng)定時(shí)器中斷到來時(shí)，自身計(jì)數(shù)值加l直至溢出，即當(dāng)計(jì)數(shù)等于w時(shí)計(jì)數(shù)器溢出，之后再清零； 計(jì)數(shù)器溢出的周期，即實(shí)際的信號(hào)發(fā)射周期r大小為一 —其中^是w倍周期延時(shí)抖動(dòng)累加和的平均值，即^=~^, A7;為單次定時(shí)中斷的延時(shí)抖動(dòng)值，/ = 1,2..JV;w為有限數(shù)值，^是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量，ivx^遠(yuǎn)小于r， r和r近似相等；機(jī)載和 地面控制站通信系統(tǒng)均是利用發(fā)射計(jì)數(shù)器存在延時(shí)抖動(dòng)的計(jì)數(shù)溢出周期r作為實(shí)際的發(fā)射周 期來控制信息的發(fā)送。
3、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法，其特征在于所述的同步頭信號(hào)釆用巴克碼。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法，其特征 在于步驟二所述的初始同步階段，機(jī)載和地面控制站通信系統(tǒng)根據(jù)各自的發(fā)射周期，自主進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，在起始發(fā)射時(shí)間以及發(fā)射次序上無任何要求；雙方依靠發(fā)射周期定時(shí)器存在固有延時(shí)抖動(dòng)使得各自信號(hào)即使是在同時(shí)發(fā)送的情況下，在時(shí)間上也能夠完全錯(cuò)位分離。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法，其特征 在于步驟四中所述的信息數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式組合成幀，每一幀包括同步頭、幀頭、信息比特、幀尾以及尾保護(hù)比特；中間的幀頭、信息比特、幀尾三部分作為數(shù)據(jù)幀，其中信息比特是上行鏈路的遙控指令或者是下行鏈路的遙測(cè)數(shù)據(jù)。 -
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法，其特征在于步驟四中所述的自適應(yīng)發(fā)射時(shí)隙分配的策略，是指單片aa過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的信息量來實(shí)時(shí)控制單次發(fā)射周期下數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量越大則組成的數(shù)據(jù)幀越長(zhǎng)，緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量越小則組成的數(shù)據(jù)幀越短；若數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)無數(shù)據(jù)時(shí)，則只需發(fā)送同步頭信 號(hào)以維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈通信；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后，單片機(jī)立即發(fā)出指令關(guān)閉發(fā)射機(jī)以節(jié)省能源消耗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種時(shí)分體制下無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的自同步方法，該方法基于MCS-51系列單片機(jī)，包括數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)初始化、初始同步、同步鎖定、自適應(yīng)發(fā)射時(shí)隙分配、失步再同步五個(gè)步驟。本方法采用時(shí)分體制進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈通信，機(jī)載和地面控制站采用相同的通信設(shè)備在同一工作頻率下、在不同的時(shí)間點(diǎn)上完成信息的發(fā)送和接收；采用了基于對(duì)等性原理的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，在同步建立過程中，機(jī)載和地面控制站的通信系統(tǒng)地位均等，無主次之分；采用了基于同步頭的自同步方法，在可靠性、同步時(shí)間上均優(yōu)于以GPS秒脈沖信號(hào)為輔助的外同步方法；采用了基于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)信息量大小來進(jìn)行發(fā)射時(shí)隙的自適應(yīng)分配策略，能夠有效減少機(jī)載能源消耗。
文檔編號(hào)H04L7/00GK101515163SQ20091008163
公開日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者劉添君, 熊小軍, 齊電海 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)