【硬體技術】無人機通信系統簡介

　　無人機通信系統知識點總結

　　一、信號頻段

　　5.8G：該頻段暫時是航拍領域使用最廣泛的無線微波視頻傳輸器。

　　優點：體積輕盈，低熱量，距離遠，並且價位很透明，頻道最大可釋放出32個可選。至今仍是航拍微波傳圖領域的首選。工信部信號限制當中，5.8G微波信號是消費級開放頻段，也就是無論你是否經過許可，都可以用5.8G信號作為你航拍器的傳圖作業。在畫質的處理上，優秀的5.8G視頻傳輸器能夠完全釋放出64位模擬色彩度輸出。並且部分廠家對5.8G這個頻段在環境汙染、輻射人體、幹擾其他無線設施測試中，得到了影響最低的評分。

　　缺點：波長問題導致該信號穿透力極差，易受外界因素幹擾。航拍的陸對空條件反而造就了絕對空曠的環境，因此工信部首先開放的就是5.8G允許在消費級產品使用。5.8G沒有很誇張的功率，實際功率基本上≤2000mW，也就是我們常說的2瓦。

　　5.8G常見發射器：

　　2.4G：該頻段應用最廣泛的領域是日常家用電器，其主要用途是陸地工業無線監控工程。

　　優點：及其廉價，頻點容易把控，最大可釋放出12個頻道。2.4G無線視頻傳輸器應用最多的還是解決陸對陸無線監控問題。可讓監控攝像機短程無線傳輸信號，發射器模塊上的電子元器體積大，間隔距離較遠，散熱效果最好，適合長時間超負荷作業。波長略勝與5.8G有較好的穿透力和圖像穩定性。功率甚至可以通過信號放大器、信號增益模塊釋放出20瓦以上的功率。

　　缺點：還是廉價的問題，導致兒童遙控玩具、電視機遙控器、路由器等日常用品都會採用該頻段，使用此類發射器特別容易被幹擾，也就是傳出來的畫面會有大雪花點、斷頻、串頻等情況。容易受溫差漂移幹擾，也就是水蒸氣上升時能看到的扭曲背景。廉價產品不用說採用的電子元器件都是最原始的，不像5.8G和1.2G主要採用貼片和模塊式電子元件。並且2.4G信號段的視頻傳輸器在市場上很少有實際標註功率的產品，用幾百毫瓦的模塊換一個大殼子就號稱是8瓦或十瓦大功率。因此好多使用者會發現一個2.4G8W的大功率傳圖竟然不如一個5.8G600mw的發射器距離遠。據我所知2.4G的視頻傳圖模塊還沒有正規廠家生產，僅有幾個正規廠家生產監控工業級的設備，廠家也不是特別有實力。同時工信部對2.4G還是有管制的，只是限制了2.4G內的某幾個頻道。

　　2.4G常見發射器：

　　1.2G：屬於低頻信號，穿透力極強，可覆蓋所有對無線視頻傳輸的領域。

　　優點：波頻最連貫，大多傳輸器都可處理主、輔兩種波頻，高於2.4G的信號傳輸相當於再海面或淺水遊泳，低於1.5G的相當於在海底，海面上再大的驚濤駭浪，海底仍然平靜。已知市面上模塊最大功率可達到8000mw，傳圖的圖像也可處理64位乃至更高的畫質，發射器本身體積也及其微小，可無限延伸設備功能。大多1.2G信號的發射器都不受溫差相位漂移的影響，也是微波無線視頻傳輸器裡最適合陸對陸傳輸的。比較知名的發射器品牌如：臺灣羅美、深圳栢通等，其中臺灣羅美1.2G是全球航拍玩家家喻戶曉的，除了臺灣羅美以外再無任何無線微波視頻傳輸器能夠處理出≥64位的色彩。在外國航拍玩家中，有相當一部分玩家在增益達到的情況下將羅美1W視頻傳輸器打出25~30公裡的超長距離。深圳栢通也以最廉價的1.2G頗受老外們的認可，1.2G超強的穿透力也是陸對陸的首選。

　　缺點：1.2G是工信部最早嚴令禁止空中使用的頻段，但不包括經過許可的民用級產品。在國內1.2G信號段仍服役與軍方和政府機構，同時也因為1.2G過強的功率會導致周邊無線設備失靈，因此1.2G並不能當作消費產品公開銷售。因以上條件導致1.2G發射器價格較高，最貴可達到幾千元。1.2G發射器普遍比其他頻道的發射器溫度高，也因1.2G內可釋放頻道少的緣故，很多不同廠家的發射器可以共用接收器，串頻率也較高。

　　1.2G常見發射器：

　　二、編碼方式

　　PCM:脈衝編碼調製，以約定好的二進位碼流傳遞信息，可以時分復用(不同的制式時隙個數不同，在實際中使用的是兩種對數形式的壓縮特性：A律和U律，A律編碼主要用於30/32路一次群系統，U律編碼主要用於24路一次群系統。A律PCM用於歐洲和中國，U律PCM用於北美和日本。);

　　PPM：脈衝位置調製，以不同時刻出現的脈衝位置傳遞信息，可以時分復用;

　　PWM：脈衝寬度調製，以脈衝佔空比傳遞信息，不可以時分復用;PWM以及其變種SPWM廣泛用於電機調頻調速控制。

　　PPM和PCM都用於遙控設備無線傳輸上，PCM屬於數字調製，需要利用高速AD和DA;PPM利用積分器和濾波器，屬於模擬調製。

　　反應速度PPM快於PCM，PPM和PCM都是信號編碼方式，可內建多路信號。PWM是脈衝寬度調製，也就是單通道的。發射機模式與接收機模式要一致才能對頻。

　　無人機遙控要傳輸的必需信息包括油門，偏航，偏移與俯仰，可選信息包括對雲臺等信息的控制。PWM無法傳輸多路信號，無法應用在無線傳輸中。

　　PPM由於易失真，因此，目前主流編碼方式是採用PCM波形編碼。

　　還有SBUS,DSM等

　　後來由於視頻信息傳輸的需求，商家會將圖傳與控制傳輸做到一套傳輸系統內。比如，DJI Lightbridg全高清數字圖像傳輸系統，其內置了 2.4G 遙控鏈路，其高配方案實測有效傳輸距離高達5km，標配也達到了1.7Km。

　　三、無人機遙控指令加密方法

　　遙控信息的安全問題是無人機遙控系統設計和任務實施過程中最重要的問題之一。然而日益發展的電子偵察和電子對抗技術，使第三方可以截獲已方所發送的遙控指令，分析和竊取遙控信息的內容，從而偽造遙控信息，對己方無人機構成嚴重威脅。隨著現代通信技術和密碼技術的發展，人們通常採取指令加密的方式使遙控指令獲得更高的安全性和可靠性。為此我們設計了一種一次一密的序列密碼加密方案，並結合加解密的流程採用不同的遙控幀結構，確保無人機遙控指令安全可靠地傳輸。

　　(一)無人機遙控的基本概念

　　所謂無人機的遙控就是在主控端(通常指地面控制站)將控制命令(飛行控制命令、任務控制命令)變換成指令，通過無線電上行信道發向無人機的相關機載遙控遙測設備。機載遙控遙測設備經過一系列變換及指令解碼即得到開關指令或連續指令信號。這些信號送到無人機自動駕駛儀或任務執行機構，控制飛機飛行或者控制任務設備做相應動作。

　　1、遙控指令構成

　　遙控指令主要用於實現對無人機的控制，其構成直接取決於無人機飛行原理和控制方式。根據功能劃分，遙控幀可分為實時開關命令幀和串行注人數據幀。在每幀中需要設定方式字，以便對幀的內容進行判定6遙控指令通常每隔100ms發送一幀，每幀32B，包括數據頭定義、飛控指令、導航數據和效驗字等。遙控指令的格式如圖1所示。

　　上行遙控信道開啟一次為一個遙控工作期。在每個遙控工作期的開頭有一個引導序列，使無人機上載波、副載波解調器進入穩定和同步狀態口如果在一個遙控工作期內間歇發送若干個遙控幀或遙控幀序列，則需要在間歇期間用空閒序列填充，以維持必要的同步。

　　2、遙控指令特點

　　遙控指令的數據量很小，通常12.8kb/s的傳輸速率就可滿足要求，其具有以下特點：

　　(1)實時性好

　　地面控制站通過遙控指令直接控制無人機的飛行姿態，所以指令延遲不允許太長。

　　(2)可靠性高

　　無人機的飛行控制主要依靠遙控指令，對指令產生、發送、傳輸和接收的可靠性要求非常高。

　　(3)抗幹擾性好

　　為了避免和減少由漏指令、誤指令引起的無人機飛行事故，遙控指令要求具有較強的抗幹擾能力。

　　(4)保密性高

　　為了確保無人機的控制規律和飛行航跡不被截獲，對遙控指令的保密性要求較高。

　　(二)基於序列密碼的遙控指令加密

　　在數據文件加密處理中最常用的方法有分組加密和序列加密。分組加密以塊為單位對數據進行加密和解密，塊的長度由算法設計人員設定，塊最小長度由對密碼強度的考慮來確定。序列加密時數據加解密的塊長可以由用戶自己確定，不要求最小塊長，在極端情況下，可以逐位加密。

　　本文採用序列密碼加密體制主要是基於以下幾方面因素：

　　(1)二者都可以做到高強度保密，從實現上來看，分組密碼較複雜，序列密碼相對簡單。

　　(2)分組加密體制對信息加密存在誤碼擴散和一定延時，一般應用於信道傳輸質量較好或具有數據重發功能的場合。

　　(3)序列密碼加密體制對信號的低延時、無誤碼擴散等特點，更適合應用在誤碼率較高的無線鏈路中。

　　本文採用的是真隨機序列作為初始密鑰的一次一密的加密方案，如圖2所示，由嵌入到通信鏈路中的加解密單元完成對遙控指令實施加解密操作。這種做法避免保密單元處理大量與通信相關的內容，提高信息處理的速率，確保遙控指令及時、可靠地傳輸。

　　1、密鑰的產生、傳送和儲存

　　圖2中密鑰單元存儲的是完成本次飛行任務所需的加密密鑰。第一個加密密鑰由基本密鑰與會話密鑰作用產生，其後的每個加密密鑰由上一個加密密鑰變換產生，此種做法可以避免保密單元存儲大量的加解密密鑰。圖3為密鑰產生的過程。

　　其中，基本密鑰Kb由地面站與機載共同擁有。加密單元的基本密鑰由密鑰IC卡注入到Flash存儲模塊中，解密單元的基本密鑰由地面站輔助注鑰設備註入到機載Flash存儲模塊中。基本密鑰由兩部分組成，其中一部分用於對密鑰變換單元存儲的密算法進行解密，另一部分則與會話密鑰作用產生加密密鑰。會話密鑰Ks是一組真隨機序列，通過基於電阻熱噪聲的真隨機序列產生器中提取，它在理論上是不可破譯的。其隨機序列發生器的基本結構如圖4所示。

　　加密單元每次上電重新啟動後，真隨機序列產生器都會得到一組不同的真隨機序列，經提取後得到此次通信的會話密鑰Ks，地面站將會話密鑰Ks發至解密單元相應存儲模塊後，機載解密單元將Ks與自己的基本密鑰作用生成與地面站完全相同的初始密鑰。這時，密鑰變換器按照同樣的時鐘工作開始，保證加密密鑰與解密密鑰的一致。

　　2、加密解密流程及其幀結構的設計

　　結合上文遙控指令的構成方式及其加密、解密密的需要，本文設計的遙控指令幀結構如圖5所示。

　　同步頭都是選擇自相關特性好、並且在密文數字序列中出現概率較小的碼型，這樣有利於在接收端進行同步檢測，並防止在信息流中頻繁出現與同步頭相同的碼型，造成接收端的虛假同步。同時還要防止信道誤碼對同步頭幹擾造成漏同步的情況發生，因此，必須對同步頭的傳輸採用容錯技術或前向糾錯技術的處理，以確保接收端能夠正確判別出同步頭信號。在本設計中，同步頭選擇IRIG(lnter-Range Instrumentation Group)推薦的最佳16位碼EB90;方式字、開關命令或注人數據、系統備用部分及校驗和需要進行加密處理，共需24B的密鑰，即密鑰單元中的每組密鑰為192bit。

　　以下將結合遙控指令的加密過程詳細闡述不同場合下使用的不同遙控幀結構。

　　無人機通信過程包括了兩個環境：地面站相對安全的環境和飛行區域安全威脅較大的環境。各通信終端設備在地面站內完成保密單元初始化，在開始保密通信前，無人

　　機與地面站之間進行相互認證，由地面站發起。

　　起始幀用於表示保密通信的開始，機載解密單元無論何時接收到該幀，都要進行解密單元的重新初始化，並將該幀回傳至地面站，以通知地面站機載設備已準備就緒。起始幀結構如圖6所示。

　　認證握手幀用於數據交互前的相互認證，同樣以互發認證幀的形式實現a認證幀結構如圖7.

　　(1)加密單元工作流程

　　當機載單元通過遙測信道回傳地面站正確的應答後，地面站加密單元進入工作狀態。首先進行同步頭的搜索，當連續搜索到尼個(用戶可設定)同步頭時，電路進入鎖定狀態，控制單元提取遙控幀中8~31位元組的數據送至加密運算器1號緩存-同時讀取密鑰單元192bit加密密鑰送至加密運算器2號緩存和密鑰變換單元，加密運算器分別讀取兩個緩存數據完成加密(算法已初始化);密鑰變換單元在密算法的作用下生成下一幀的加密密鑰(加密密鑰的生成時間小於一幀遙控幀的加密時間)。最後由控制單元完成對遙控幀的組合。圖8為加密前後幀結構的變化。

　　(2)解密單元工作流程

　　解密單元同樣首先進行同步頭的搜索，進入電路鎖定狀態後，控制單元首先提取判斷2—7位元組是否為全0或全1數據，若不是則提取幀中的8~31位元組數據送至解密運算器的2號緩存，同時將密鑰單元中儲存的192bit解密密鑰輸出到解密運算器1號緩存和密鑰變換單元，解密運算器提取1、2號緩存數據完成解密;密鑰變換單元在解密遙控幀的時間內完成對下一次通信解密密鑰的生成並將其儲存於密鑰單元。

　　3、密碼同步方案

　　密碼同步技術是基於序列密碼加密的數字通信系統中非常重要的技術，目的是為了在通信過程中，保證通信雙方加解密的起點嚴格一致。

　　密碼同步工作狀態的建立一般是在保密設備首先建立位同步的情況下進行，位同步可以由信源終端或信道設備直接提供的時鐘來實現，也可以通過從信源終端或信道傳輸設備提供的數字流中提取時鐘來實現A選擇信源終端提供的時鐘還是選擇信道傳輸設備提供的時鐘，應服從數字通信系統的總體時鐘同步關係的安排Q位同步的作用是指示比特的開始和結束，這裡不作詳細討論。

　　在本設計中，密鑰變換器在統一的時鐘驅動下工作，利用這種方式可以保證只要系統實現了正確的幀同步，即對同步頭的正確搜索，則密碼同步也同時實現。同步頭的搜索過程如圖9所示。

　　在數據流存在誤碼(由噪聲或幹擾引起)的情況下，通過某些抗誤碼算法正確地找到並保持每一幀的開始位置，這就是鎖定幀同步過程。只有正確鎖定幀同步後，才可以在每一幀裡正確地分析幀的結構。鎖定幀同步步驟如下：

　　(1)搜索階段：用數據流和幀同步碼進行相關運算的方法在數據流中搜索幀同步碼。數據流向左移位，每次移1位後與幀同步碼模板比較一次。當數據流中的幀同步碼與幀同步碼模板位置重合、且由誤碼率引起的誤碼數目不超過口時，認為搜索到幀同步碼。

　　(2)驗證階段：找到幀同步碼後，以一幀為周期，驗證是否在連續若干幀中周期性地出現同步碼。

　　(3)假定以上兩個階段共進行G幀，其中搜索和證幀碼時容錯數均為a(允許有a位碼與幀碼不符，a≤n)。如果連續G幀都找到了幀同步碼，這時進入幀同步鎖定階段，可以對遙控指令進行處理，但是每一幀仍然要周期性地檢查幀同步碼，這時容錯數為k(k≤n)，當連續L幀都未發現幀同步碼時，幀同步解鎖，停止處理數據，重新進入搜索階段。這樣處理，可以保證在出現假鎖(指把數據碼誤認作幀同步碼而鎖定假幀同步)或遙控指令流終止時能及時退出鎖定狀態，防止繼續對虛假遙控指令進行處理。