一种基于卫星链路的一对多数据传输系统及方法
一种基于卫星链路的一对多数据传输系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于卫星链路的一对多数据传输系统及方法，具体涉及一种无人机机载大带宽数据通过卫星链路完成多点接收的方法及系统。
【背景技术】
[0002]无人机系统能够实现自控飞行、完成遥测遥控、多元数据回传等功能，主要依靠其数据测控链路分系统;现阶段，数据测控链路分系统主要分为视距起降系统和卫星通信系统，在早期的无人机应用中，由于任务半径较小，任务平台飞行高度较高，常规的视距起降测控系统即能够满足无人机在作业区的测控和数据回传，然而随着无人机民用行业的推广，视距测控系统已经无法满足无人机作业区的应用，卫星通信链路其得天独厚的优势能够支撑民用化无人机系统向着更低、更远、更多元化数据传输的方向发展。卫星通信的超视距应用特性使其逐步成为各类远程遥控遥测系统的首要选择。目前的无人机卫星通信链路多为采用一对一的数据传输模式，仅需根据地面所需数据带宽总和来确定卫星数据带宽资源，采用卫星多地面点接收的实例较为罕见，即使有多点落地的要求，也仅将部分窄带数据进行分路下传，不会造成带宽堵塞。
[0003]近年来，无人机通过卫星转发的数据进行地面多点接收的应用需求越来越多，然而在实际的使用中不难发现，无人机产生的大带宽数据由于其瞬时数据量大，有时几乎占据整个卫星带宽资源，卫星虽然只是提供透明传输的数据信道，但信道内通过的仍然是需要具有一定协议的帧格式，为保证通信的准确性和区分地面用户，常规卫星链路主要采用TCP/IP的数据架构，此时如果有大带宽数据同时多点接收时，目标IP地址信息的不同，会出现信道内有多路大带宽数据的情况，造成信道阻塞。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是一种基于卫星链路的无人机等大带宽数据一对多传输的系统及方法，在进行大带宽数据多点传输的情况下，能够保障在充分利用卫星数据链路资源的条件下，有效增加地面的客户端数量，满足用户对数据云服务方式的使用要求。
[0005]本发明包括如下技术方案:
[0006]—种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，包括无人机机载端、带有卫星中继天线的通信中继卫星和多个地面接收点，无人机机载端包括所有任务载荷、机载网络协议自适应转换模块、机载网络交换机、机载调制解调器和机载动中通天线;每个地面接收点包括地面卫星天线、地面调制解调器、地面端网络交换机和地面端网络接收客户终端;无人机机载端和多个数据接收端处于由卫星无线通信信道组建的同一局域网段内；地面端网络接收客户终端兼容TCP/IP点对点传播协议、UDP点对点传播协议以及UDP组播协议；
[0007]无人机各任务载荷产生的数据送入机载网络协议自适应转换模块；
[0008]机载网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入机载网络交换机的指定网络接口 ；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用UDP组播协议进行任务载荷网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行任务载荷网络数据打包；
[0009]机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的飞机状态数据，将产生的虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;机载网络交换机将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至机载调制解调器；
[0010]机载调制解调器从机载网络交换机将所有数据取出并转换为射频信号，送入机载动中通天线，通过机载动中通天线传至所述通信中继卫星；
[0011]多个地面接收点同时接收到来自于通信中继卫星的射频信号并经过地面调制解调器转换为网络格式数据并送入地面端网络交换机，地面端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分；
[0012]地面端网络接收客户终端对来自于地面端网络交换机的数据进行网络协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
[0013]机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判断是否同时存在UDP组播协议数据和点对点传播协议数据，当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据同时存在时，机载网络交换机进行虚拟网络VLAN划分，其中调制解调器接入的接口设置为trunk口，UDP组播协议数据占据一个虚拟网络组，点对点传播协议数据占据另一个虚拟网络组;两个虚拟网络组的数据进行逻辑隔离，不能实现通信；当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据不同时存在时，机载网络交换机不进行虚拟网络划分。
[0014]机载网络协议自适应转换模块包括任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块和数据网络协议打包模块，任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议;所述每个任务载荷数据对应的地面接收点的个数根据地面遥控信息确定；
[0015]数据网络协议打包模块根据各任务载荷的数据量开辟相应的缓存空间，并根据任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块选择的网络协议分包的对各任务载荷数据加入网络协议包帧头信息，经过打包的数据送入机载网络交换机的指定通道接口。
[0016]无人机各任务载荷产生的数据包括数字化的光电图像数据、高清照片数据、数字语音数据和雷达回波数据。
[0017]所述机载网络交换机和地面网络交换机均为2层网络交换机。
[0018]一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的方法，包括如下步骤:
[0019](1)各任务载荷产生数据；
[0020](2)根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用UDP组播协议进行网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/ IP或UDP点对点传播协议进行网络数据打包；
[0021](3)根据所有打包的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的飞机状态数据，将产生的虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换；
[0022](4)将交换后的数据进行调制解调后发送至卫星，由卫星转发至地面多个接收点；
[0023](5)地面多个接收点对接收的数据进行解调、根据虚拟网络划分的飞机状态数据设置地面端网络交换机的接口，对来自于地面端网络交换机的数据进行网络协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
[0024]一种基于卫星链路的一对多数据传输系统，包括一个数据产生端、带有卫星天线的通信中继卫星和多个数据接收端;所述数据产生端包括多个能够产生不同带宽数据的任务载荷、网络协议自适应转换模块、数据产生端网络交换机、数据产生端调制解调器和数据产生端卫星天线，每个数据接收端包括接收端卫星天线、接收端调制解调器、接收端网络交换机、接收端网络接收客户终端;每个任务载荷产生的数据具有与之对应个数的数据接收端接收;数据产生端和多个数据接收端在同一局域网段内；接收端网络接收客户终端兼容TCP/IP点对点传播协议、UDP点对点传播协议以及UDP组播协议；
[0025]网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据带宽和对应的数据接收端个数为相应的任务载荷产生的数据选择网络协议、根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入数据产生端网络交换机的指定网络接口；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据使用UDP组播协议进行任务载荷网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行任务载荷网络数据打包；
[0026]数据产 生端网络交换机根据网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的产生端状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的状态数据，将产生的虚拟网络划分的状态数据添加至所述产生端状态网络数据;数据产生端网络交换机将所述产生端状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至数据产生端调制解调器；
[0027]数据产生端调制解调器从数据产生端网络交换机将所有网络数据取出并转换为射频信号，送入数据产生端卫星天线，数据产生端卫星天线传至所述通信中继卫星，通过通信中继卫星发送至多个数据接收端；
[0028]多个数据接收端通过接收端卫星天线同时接收通信中继卫星发送的信号并经过接收端调制解调器转换为网络格式数据，送入接收端网络交换机，接收端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分，地面端网络接收客户终端对来自于接收端网络交换机的数据进行协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
[0029]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0030]本发明通过使用虚拟网络及灵活选择网络协议，可以实现多个数据接收端的信号接收，能够解决在无人机等数据产生端使用卫星通信链路实现空地通信时，占用带宽较大的数据的问题。本发明使用的系统及方法可以使多个数据接收端同时接收到数据产生端产生的高清视频数据、雷达回波数据等大带宽数据，数据接收端个数不受限制，而大带宽数据本身也仅与卫星链路带宽资源有关，使卫星转发的大带宽数据不再受到一对一应用的约束。
【附图说明】
[0031]图1为无人机载大带宽数据通过卫星链路多点落地系统组成示意图；
[0032]图2为机载网络协议自适应转换模块组成示意图；
[0033]图3为无人机载大带宽数据通过卫星链路多点落地系统工作流程图；
[0034]图4为一种基于卫星链路的一对多数据传输系统的组成示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
[0036]现有的卫星通信过程多采用IP网络的方式实现数据交换，卫星通信链路仅提供可视为透明传输的信道，因此如何选用网络协议、合理利用交换机配置成为实现无人机载大带宽数据通过卫星链路多点落地的关键。
[0037]如图1所示，本发明的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，包括无人机机载端、带有卫星中继天线的通信中继卫星和多个地面接收点，无人机机载端包括所有任务载荷、机载网络协议自适应转换模块、机载网络交换机、机载调制解调器和机载动中通天线;每个地面接收点包括地面卫星天线、地面调制解调器、地面端网络交换机和地面端网络接收客户终端;无人机机载端和多个数据接收端在同一局域网段内，该局域网由卫星无线通信信道组成建立;地面端网络接收客户终端兼容TCP、UDP以及UDP组播协议；
[0038]机载无人机各任务载荷产生的数据送入机载网络协议自适应转换模块。机载任务载荷主要包括在无人机飞行过程中执行空空、空地任务的传感器设备，各任务载荷通过各自数据接口可以输出不同带宽、不同格式的数据:数据可以包括数字化的光电图像数据、高清照片数据、数字语音数据、雷达回波数据等。
[0039]机载网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据带宽和地面接收地点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议、根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包，所有数据带宽的总和需要小于卫星通信链路带宽，然后将数据送入机载网络交换机的指定网络接口 ；所述的网络协议包括常用的TCP/IP点对点、UDP点对点、UDP网络组播等模式。
[0040]机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分，并产生虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;机载网络交换机将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至机载调制解调器。
[0041 ]机载调制解调器从机载网络交换机将所有数据取出并转换为射频信号，送入机载动中通天线，通过机载动中通天线传至所述通信中继卫星。
[0042]多个地面接收点同时接收到来自于通信中继卫星的射频信号并经过地面调制解调器转换为网络格式数据并送入地面端网络交换机，地面端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分。
[0043]所述的机载网络交换机和地面端网络交换机需具有一定的功能要求，要求交换机具有划分虚拟网络、能够透明传输各类网络协议、具备足够多接口、各接口具有10/100/1000Mbps三模适应能力等。优选地，所述机载网络交换机和地面网络交换机均为2层网络交换机。
[0044]各地面接收点视应用需求将特定地面端网络接收客户终端接入地面端网络交换机指定接口并进行相关的应用数据处理。地面端的网络接收客户终端并无法预知其他端的个数，因此也无法预知数据来临时的网络协议格式，在客户终端的数据接收模块可内置一个自动识别网络协议的功能，能够对多种不同网络协议的帧头进行判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
[0045]机载网络协议自适应转换模块主要是基于某一路数据本身的带宽大小和地面遥控信息给出的落地点个数来决定对一路信号进行特定网络协议打包，通常情况下，大带宽数据会被选择使用UDP组播方式，因为在这种方式下，大带宽数据的帧头协议中只需加入组播地址，在局域网内所有的网络接口都可以通过此组播地址进行数据接收，如果使用如TCP/IP的点对点数据方式，则对于局域网内不同的地面接收地点，均需要分配一个IP地址，这样就要求机载的大带宽数据要分别加入不同目标IP地址的帧结构，当多落地点对数据需求延时性有一定要求且需要同步进行时，就会出现可能超出卫星通信资源带宽的情况。
[0046]如图2所示，机载网络协议自适应转换模块包括任务载荷数据带宽及落地点数识别模块和数据网络协议打包模块;任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议;数据网络协议打包模块根据各任务载荷的数据量开辟相应的缓存空间，并分包的对各任务载荷数据加入网络协议包帧头信息，经过打包的数据送入机载网络交换机的指定通道接口。
[0047]任务载荷数据带宽及落地点数识别模块可根据如下法则确认所使用的网络协议:
[0048]1)任务载荷产生的数据带宽X对应的地面接收点个数 < 卫星链路总带宽，则可选择TCP/IP或UDP点对点传输的协议。TCP/IP和UDP点对点传输的选择需要根据具体使用要求条件，当用户对数据传输的稳定性和可靠性要求较高时，建议使用TCP/IP协议，当用户对数据可靠性要求不高且延时要求较小时，建议使用UDP点对点协议；
[0049]2)任务载荷产生的数据带宽X对应的地面接收点个数>卫星链路总带宽，则可选择UDP组播协议;此时认为是大带宽数据。
[0050]所述的通信中继卫星链路总带宽由机载动中通天线、机载调制解调器、通信中继卫星、地面卫星天线、地面调制解调器等的带宽支撑能力决定。同时工作的所有任务载荷所需带宽总和(包括考虑多个卫星地面接收点的情况)需在任意时刻小于所用通信中继卫星链路总带宽。
[0051]数据网络协议打包模块的主要特征在于其相对隔离的独立性，即经过网络协议确认的任务载荷数据结果是分别进入到数据网络协议打包模块的不同独立通道内。各通道的网络协议内容可根据来源数据的网络协议配置，其中的IP地址、端口、单包长度等信息预先约定，模块所实现的功能为给各通道数据添加网络包头，数据输出采用网口的方式，便于接入机载网络交换机。
[0052]由于机载的网络协议自适应转换模块会通过独立的数据通道将不同网络协议的任务载荷数据接入机载网络交换机，同时机载网络交换机上还可能接入一些地面端需要长时间监控的飞机状态参数等，其中会有使用TCP/IP或UDP等协议的数据流。以TCP/IP协议为例，根据网络协议层的基础理论，TCP/IP通过多包小段数据进行数据传输，即每一包数据会在帧头加入包序号，在目的端按包序号重新拼接。因此在硬件实现时，进行TCP/IP传输的模块一般会开辟一个合适的缓存空间用于握手确定之前发送的包序号是否连续，通过源端和目的端的反复确认才能确保数据传输正确。然而当交换机上接入UDP组播数据时，由于组播方式并没有明确的目的端，则交换机上的每一个接口都会不断的接收到UDP组播数据，TCP/IP数据接口的硬件在进行处理判断前其缓存空间会长期被UDP组播数据填满，造成TCP/IP的目的端回馈信号间断接收或甚至 无法接收，这样就会造成当网络交换机上同时出现TCP/IP和UDP组播数据时，TCP/IP数据不正常的情况，因此需要通过虚拟网络划分的方式将点对点传播协议数据和UDP组播协议隔离开。
[0053]机载网络交换机机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据，判断是否同时存在UDP组播协议数据和点对点传播协议数据，当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据同时存在时，机载网络交换机进行虚拟网络VLAN划分，其中调制解调器接入的接口设置为trunk 口，UDP组播协议数据占据一个虚拟网络组，点对点传播协议数据占据另一个虚拟网络组;两个虚拟网络组的数据进行逻辑隔离，不能实现通信；当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据不同时存在时，机载网络交换机不进行虚拟网络划分。如为保证系统的可靠，也可将TCP和UDP点对点传播的协议数据分别置于两个虚拟网络组中。经过此操作，可以完全避免机载大带宽数据对接收到机载网络协议自适应转换模块中数据网络协议打包模块缓存的冲击，同时也可保证大带宽数据经过卫星链路地面多点的接收。
[0054]如图3所示，本发明的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的方法，包括如下步骤:
[0055]1根据当前无人机各任务载荷产生的数据，采用不同接口将各数据送至机载网络协议自适应转换模块；
[0056]2根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包;将打包后的数据分别进入指定网络接口 ；
[0057]3根据所有打包的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的飞机状态数据，将产生的虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换；
[0058]4将交换后的数据进行调制解调后，卫星转发至地面；
[0059]5根据卫星转发的数据，地面经过卫星接收天线接收并进行解调，根据虚拟网络划分的飞机状态数据设置地面端网络交换机的接口，并将交换后的数据发送至各应用终端；
[0060]6地面端网络接收客户终端对来自于地面端网络交换机的数据进行网络协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。[0061 ] 实施例
[0062]无人机载端挂载了多种任务载荷，包括高清光电载荷、语音中继电台等，高清光电载荷输出1080p高清图像数据，数据带宽需求至少大于2Mbps，语音中继电台为保证高保真及其他操作冗余，要求数据带宽需求至少大于1Mbps。无人机受到机体尺寸和供电约束，只能使用提供4Mbps带宽的机载动中通天线和机载调制解调器。总共有3个地面接收站。用户要求地面端需要三地同时观看机载高清图像，一地需要接收到数字化语音中继数据。需要注意的是，系统内所有使用到的TCP/IP地址、UDP组播地址、端口号等信息均是事先约定好的。
[0063](1)带宽分析及网络协议确定
[0064]2Mbps高清图像数据若需三地接收，则需要使用UDP组播协议，数字化语音中继数据则为点对点传输，可选择使用TCP/IP协议，开辟TCP握手信息缓存空间8Kbit，以上判断和操作均是在机载网络协议自适应转换模块中进行，经过卫星通信链路的数据为2Mbps加入UDP组播网络协议的高清图像数据和1Mbps加入TCP/IP协议的数字化语音中继数据，共需3Mbps带宽支持，小于系统能够提供的4Mbps卫星通信链路带宽。所有数据进入机载网络交换机，高清图像数据接入交换机编号为2的网口，数字化语音中继数据接入交换机编号为3的网口，调制解调器接入交换机编号为1的网口。
[0065](2)网络交换机配置方式
[0066]高清图像数据经过2口进入交换机时，1 口和3 口也会接到图像数据信息，由于图像信息是连续不断且广播式的，3 口的数字化语音中继数据TCP/IP协议栈中8Kbit缓存会长时间被占用，无法接到反馈包因此造成通信断路，1 口的调制解调器作为透明传输的信息通道对此无影响。因此为满足在使用UDP组播传输图像数据时，其他应用网口(如语音数据网口)仍然可以正常使用，需要网络交换机配置虚拟网络，即将2口和3口设置为两个逻辑隔离的虚拟网组，两口之间不能实现逻辑互通，这样2 口的图像数据便不会影响3 口的语音数据，同时2 口和3 口的数据均需要用到1 口的透传信息通道，则需要将1 口设置为trunk口，表示可以接收到所有虚拟网组的数据。
[0067](3)地面客户终端的接收方式
[0068]经过交换机1 口传入调制解调器的数据经过机载动中通天线、通信中继卫星、地面卫星天线、地面调制解调器和地面交换机的顺序链路节点到达地面客户终端，地面客户终端均接在地面交换机上并装载了各自的应用软件，即高清光电载荷监控终端装载了视频流媒体播放器，语音通话终端装载了语音收发软件并配PTT话机。但此时高清光电载荷终端并不知道高清数据以何种协议从交换机输出，因此流媒体播放器软件的数据接收模块需要使用帧头判断的方式，即同时判断数据是TCP/IP还是UDP(含UDP组播)协议，并进行解译。
[0069]本发明具有较强的普适性，并未限定于某一种无人机应用场景和某一款无人机型，各种无人机平台均可以对本发明及系统进行应用，同时，本发明中系统组网的思想和空地多点信息共享及互联的理念也可以应用于其他空间通信系统中。例如无人机可以换成有人飞机、导弹、地面作战车辆等能够产生大带宽数据的数据产生端。多个地面接收点也可以换成其它类型的数据接收端。
[0070]如图4所示，为本发明的另一种实施方式，一种基于卫星链路的一对多数据传输系统包括一个数据产生端、带有卫星天线的通信中继卫星和多个数据接收端;所述数据产生端包括多个能够产生不同带宽数据的任务载荷、网络协议自适应转换模块、数据产生端网络交换机、数据产生端调制解调器和数据产生端卫星天线，每个数据接收端包括接收端卫星天线、接收端调制解调器、接收端网络交换机、接收端网络接收客户终端;每个任务载荷产生的数据具有与之对应个数的数据接收端接收;数据产生端和多个数据接收端在同一局域网段内；接收端网络接收客户终端兼容TCP/IP点对点传播协议、UDP点对点传播协议以及UDP组播协议；
[0071]网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据带宽和对应的数据接收端个数为相应的任务载荷产生的数据选择网络协议、根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入数据产生端网络交换机的指定网络接口；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据使用UDP组播协议进行任务载荷网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行任务载荷网络数据打；
[0072]数据产生端网络交换机根据网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的产生端状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的状态数据，将产生的虚拟网络划分的状态数据添加至所述产生端状态网络数据;数据产生端网络交换机将所述产生端状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至数据产生端调制解调器；
[0073]数据产生端调制解调器从数据产生端网络交换机将所有网络数据取出并转换为射频信号，送入数据产生端卫星天线，数据产生端卫星天线传至所述通信中继卫星，通过通信中继卫星发送至多个数据接收端；
[0074]多个数据接收端通过接收端卫星天线同时接收通信中继卫星发送的信号并经过接收端调制解调器转换为网络格式数据，送入接收端网络交换机，接收端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分，地面端网络接收客户终端对来自于接收端网络交换机的数据进行协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
[0075]本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
【主权项】
1.一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，其特征在于:包括无人机机载端、带有卫星中继天线的通信中继卫星和多个地面接收点，无人机机载端包括所有任务载荷、机载网络协议自适应转换模块、机载网络交换机、机载调制解调器和机载动中通天线;每个地面接收点包括地面卫星天线、地面调制解调器、地面端网络交换机和地面端网络接收客户终端;无人机机载端和多个数据接收端处于由卫星无线通信信道组建的同一局域网段内；地面 端网络接收客户终端兼容TCP/IP点对点传播协议、UDP点对点传播协议以及UDP组播协议； 无人机各任务载荷产生的数据送入机载网络协议自适应转换模块； 机载网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入机载网络交换机的指定网络接口 ；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用UDP组播协议进行任务载荷网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行任务载荷网络数据打包； 机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的飞机状态数据，将产生的虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;机载网络交换机将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至机载调制解调器； 机载调制解调器从机载网络交换机将所有数据取出并转换为射频信号，送入机载动中通天线，通过机载动中通天线传至所述通信中继卫星； 多个地面接收点同时接收到来自于通信中继卫星的射频信号并经过地面调制解调器转换为网络格式数据并送入地面端网络交换机，地面端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分； 地面端网络接收客户终端对来自于地面端网络交换机的数据进行网络协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。2.根据权利要求1所述的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，其特征在于， 机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判断是否同时存在UDP组播协议数据和点对点传播协议数据，当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据同时存在时，机载网络交换机进行虚拟网络VLAN划分，其中调制解调器接入的接口设置为trunk 口，UDP组播协议数据占据一个虚拟网络组，点对点传播协议数据占据另一个虚拟网络组;两个虚拟网络组的数据进行逻辑隔离，不能实现通信；当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据不同时存在时，机载网络交换机不进行虚拟网络划分。3.根据权利要求1所述的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，其特征在于，机载网络协议自适应转换模块包括任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块和数据网络协议打包模块，任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议;所述每个任务载荷数据对应的地面接收点的个数根据地面遥控信息确定； 数据网络协议打包模块根据各任务载荷的数据量开辟相应的缓存空间，并根据任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块选择的网络协议分包的对各任务载荷数据加入网络协议包帧头信息，经过打包的数据送入机载网络交换机的指定通道接口。4.根据权利要求1所述的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，其特征在于，无人机各任务载荷产生的数据包括数字化的光电图像数据、高清照片数据、数字语音数据和雷达回波数据。5.根据权利要求1所述的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，其特征在于，所述机载网络交换机和地面网络交换机均为2层网络交换机。6.—种基于卫星链路的无人机数据多点传输的方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)各任务载荷产生数据； (2)根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用UDP组播协议进行网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行网络数据打包； (3)根据所有打包的任务载荷网络数据和采用TCP/1P或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的飞机状态数据，将产生的虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换； (4)将交换后的数据进行调制解调后发送至卫星，由卫星转发至地面多个接收点； (5)地面多个接收点对接收的数据进行解调、根据虚拟网络划分的飞机状态数据设置地面端网络交换机的接口，对来自于地面端网络交换机的数据进行网络协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。7.根据权利要求6所述的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体方法如下:根据所有打包的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判断是否同时存在UDP组播协议数据和点对点传播协议数据，当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据同时存在时，进行虚拟网络VLAN划分，UDP组播协议数据占据一个虚拟网络组，点对点传播协议数据占据另一个虚拟网络组;两个虚拟网络组的数据进行逻辑隔离，不能实现通信；当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据不同时存在时，不进行虚拟网络划分。8.一种基于卫星链路的一对多数据传输系统，其特征在于:包括一个数据产生端、带有卫星天线的通信中继卫星和多个数据接收端;所述数据产生端包括多个能够产生不同带宽数据的任务载荷、网络协议自适应转换模块、数据产生端网络交换机、数据产生端调制解调器和数据产生端卫星天线，每个数据接收端包括接收端卫星天线、接收端调制解调器、接收端网络交换机、接收端网络接收客户终端;每个任务载荷产生的数据具有与之对应个数的数据接收端接收;数据产生端和多个数据接收端在同一局域网段内；接收端网络接收客户终端兼容TCP/IP点对点传播协议、UDP点对点传播协议以及UDP组播协议； 网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据带宽和对应的数据接收端个数为相应的任务载荷产生的数据选择网络协议、根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入数据产生端网络交换机的指定网络接口；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据使用UDP组播协议进行任务载荷网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行任务载荷网络数据打包； 数据产生端网络交换机根据网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的产生端状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的状态数据，将产生的虚拟网络划分的状态数据添加至所述产生端状态网络数据;数据产生端网络交换机将所述产生端状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至数据产生端调制解调器； 数据产生端调制解调器从数据产生端网络交换机将所有网络数据取出并转换为射频信号，送入数据产生端卫星天线，数据产生端卫星天线传至所述通信中继卫星，通过通信中继卫星发送至多个数据接收端； 多个数据接收端通过接收端卫星天线同时接收通信中继卫星发送的信号并经过接收端调制解调器转换为网络格式数据，送入接收端网络交换机，接收端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分，地面端网络接收客户终端对来自于接收端网络交换机的数据进行协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
【专利摘要】本发明公开了一种基于卫星链路的一对多数据传输系统及方法，根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入机载网络交换机的指定网络接口；对于大带宽数据采用UDP组播协议进行传输，对于小带宽数据采用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行传输；当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据同时存在时，进行虚拟网络VLAN划分；本发明通过使用虚拟网络及灵活选择网络协议，可以实现多个数据接收端的信号接收，能够解决在无人机等数据产生端使用卫星通信链路实现空地通信时，数据占用带宽较大的问题。
【IPC分类】H04B7/185
【公开号】CN105490729
【申请号】CN201510845312
【发明人】吴洋, 周乃恩, 樊自伟
【申请人】中国航天空气动力技术研究院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月26日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于卫星链路的一对多数据传输系统及方法，具体涉及一种无人机机载大带宽数据通过卫星链路完成多点接收的方法及系统。
【背景技术】
[0002]无人机系统能够实现自控飞行、完成遥测遥控、多元数据回传等功能，主要依靠其数据测控链路分系统;现阶段，数据测控链路分系统主要分为视距起降系统和卫星通信系统，在早期的无人机应用中，由于任务半径较小，任务平台飞行高度较高，常规的视距起降测控系统即能够满足无人机在作业区的测控和数据回传，然而随着无人机民用行业的推广，视距测控系统已经无法满足无人机作业区的应用，卫星通信链路其得天独厚的优势能够支撑民用化无人机系统向着更低、更远、更多元化数据传输的方向发展。卫星通信的超视距应用特性使其逐步成为各类远程遥控遥测系统的首要选择。目前的无人机卫星通信链路多为采用一对一的数据传输模式，仅需根据地面所需数据带宽总和来确定卫星数据带宽资源，采用卫星多地面点接收的实例较为罕见，即使有多点落地的要求，也仅将部分窄带数据进行分路下传，不会造成带宽堵塞。
[0003]近年来，无人机通过卫星转发的数据进行地面多点接收的应用需求越来越多，然而在实际的使用中不难发现，无人机产生的大带宽数据由于其瞬时数据量大，有时几乎占据整个卫星带宽资源，卫星虽然只是提供透明传输的数据信道，但信道内通过的仍然是需要具有一定协议的帧格式，为保证通信的准确性和区分地面用户，常规卫星链路主要采用TCP/IP的数据架构，此时如果有大带宽数据同时多点接收时，目标IP地址信息的不同，会出现信道内有多路大带宽数据的情况，造成信道阻塞。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是一种基于卫星链路的无人机等大带宽数据一对多传输的系统及方法，在进行大带宽数据多点传输的情况下，能够保障在充分利用卫星数据链路资源的条件下，有效增加地面的客户端数量，满足用户对数据云服务方式的使用要求。
[0005]本发明包括如下技术方案:
[0006]—种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，包括无人机机载端、带有卫星中继天线的通信中继卫星和多个地面接收点，无人机机载端包括所有任务载荷、机载网络协议自适应转换模块、机载网络交换机、机载调制解调器和机载动中通天线;每个地面接收点包括地面卫星天线、地面调制解调器、地面端网络交换机和地面端网络接收客户终端;无人机机载端和多个数据接收端处于由卫星无线通信信道组建的同一局域网段内；地面端网络接收客户终端兼容TCP/IP点对点传播协议、UDP点对点传播协议以及UDP组播协议；
[0007]无人机各任务载荷产生的数据送入机载网络协议自适应转换模块；
[0008]机载网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入机载网络交换机的指定网络接口 ；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用UDP组播协议进行任务载荷网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行任务载荷网络数据打包；
[0009]机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的飞机状态数据，将产生的虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;机载网络交换机将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至机载调制解调器；
[0010]机载调制解调器从机载网络交换机将所有数据取出并转换为射频信号，送入机载动中通天线，通过机载动中通天线传至所述通信中继卫星；
[0011]多个地面接收点同时接收到来自于通信中继卫星的射频信号并经过地面调制解调器转换为网络格式数据并送入地面端网络交换机，地面端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分；
[0012]地面端网络接收客户终端对来自于地面端网络交换机的数据进行网络协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
[0013]机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判断是否同时存在UDP组播协议数据和点对点传播协议数据，当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据同时存在时，机载网络交换机进行虚拟网络VLAN划分，其中调制解调器接入的接口设置为trunk口，UDP组播协议数据占据一个虚拟网络组，点对点传播协议数据占据另一个虚拟网络组;两个虚拟网络组的数据进行逻辑隔离，不能实现通信；当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据不同时存在时，机载网络交换机不进行虚拟网络划分。
[0014]机载网络协议自适应转换模块包括任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块和数据网络协议打包模块，任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议;所述每个任务载荷数据对应的地面接收点的个数根据地面遥控信息确定；
[0015]数据网络协议打包模块根据各任务载荷的数据量开辟相应的缓存空间，并根据任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块选择的网络协议分包的对各任务载荷数据加入网络协议包帧头信息，经过打包的数据送入机载网络交换机的指定通道接口。
[0016]无人机各任务载荷产生的数据包括数字化的光电图像数据、高清照片数据、数字语音数据和雷达回波数据。
[0017]所述机载网络交换机和地面网络交换机均为2层网络交换机。
[0018]一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的方法，包括如下步骤:
[0019](1)各任务载荷产生数据；
[0020](2)根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用UDP组播协议进行网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/ IP或UDP点对点传播协议进行网络数据打包；
[0021](3)根据所有打包的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的飞机状态数据，将产生的虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换；
[0022](4)将交换后的数据进行调制解调后发送至卫星，由卫星转发至地面多个接收点；
[0023](5)地面多个接收点对接收的数据进行解调、根据虚拟网络划分的飞机状态数据设置地面端网络交换机的接口，对来自于地面端网络交换机的数据进行网络协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
[0024]一种基于卫星链路的一对多数据传输系统，包括一个数据产生端、带有卫星天线的通信中继卫星和多个数据接收端;所述数据产生端包括多个能够产生不同带宽数据的任务载荷、网络协议自适应转换模块、数据产生端网络交换机、数据产生端调制解调器和数据产生端卫星天线，每个数据接收端包括接收端卫星天线、接收端调制解调器、接收端网络交换机、接收端网络接收客户终端;每个任务载荷产生的数据具有与之对应个数的数据接收端接收;数据产生端和多个数据接收端在同一局域网段内；接收端网络接收客户终端兼容TCP/IP点对点传播协议、UDP点对点传播协议以及UDP组播协议；
[0025]网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据带宽和对应的数据接收端个数为相应的任务载荷产生的数据选择网络协议、根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入数据产生端网络交换机的指定网络接口；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据使用UDP组播协议进行任务载荷网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行任务载荷网络数据打包；
[0026]数据产 生端网络交换机根据网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的产生端状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的状态数据，将产生的虚拟网络划分的状态数据添加至所述产生端状态网络数据;数据产生端网络交换机将所述产生端状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至数据产生端调制解调器；
[0027]数据产生端调制解调器从数据产生端网络交换机将所有网络数据取出并转换为射频信号，送入数据产生端卫星天线，数据产生端卫星天线传至所述通信中继卫星，通过通信中继卫星发送至多个数据接收端；
[0028]多个数据接收端通过接收端卫星天线同时接收通信中继卫星发送的信号并经过接收端调制解调器转换为网络格式数据，送入接收端网络交换机，接收端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分，地面端网络接收客户终端对来自于接收端网络交换机的数据进行协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
[0029]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0030]本发明通过使用虚拟网络及灵活选择网络协议，可以实现多个数据接收端的信号接收，能够解决在无人机等数据产生端使用卫星通信链路实现空地通信时，占用带宽较大的数据的问题。本发明使用的系统及方法可以使多个数据接收端同时接收到数据产生端产生的高清视频数据、雷达回波数据等大带宽数据，数据接收端个数不受限制，而大带宽数据本身也仅与卫星链路带宽资源有关，使卫星转发的大带宽数据不再受到一对一应用的约束。
【附图说明】
[0031]图1为无人机载大带宽数据通过卫星链路多点落地系统组成示意图；
[0032]图2为机载网络协议自适应转换模块组成示意图；
[0033]图3为无人机载大带宽数据通过卫星链路多点落地系统工作流程图；
[0034]图4为一种基于卫星链路的一对多数据传输系统的组成示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
[0036]现有的卫星通信过程多采用IP网络的方式实现数据交换，卫星通信链路仅提供可视为透明传输的信道，因此如何选用网络协议、合理利用交换机配置成为实现无人机载大带宽数据通过卫星链路多点落地的关键。
[0037]如图1所示，本发明的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，包括无人机机载端、带有卫星中继天线的通信中继卫星和多个地面接收点，无人机机载端包括所有任务载荷、机载网络协议自适应转换模块、机载网络交换机、机载调制解调器和机载动中通天线;每个地面接收点包括地面卫星天线、地面调制解调器、地面端网络交换机和地面端网络接收客户终端;无人机机载端和多个数据接收端在同一局域网段内，该局域网由卫星无线通信信道组成建立;地面端网络接收客户终端兼容TCP、UDP以及UDP组播协议；
[0038]机载无人机各任务载荷产生的数据送入机载网络协议自适应转换模块。机载任务载荷主要包括在无人机飞行过程中执行空空、空地任务的传感器设备，各任务载荷通过各自数据接口可以输出不同带宽、不同格式的数据:数据可以包括数字化的光电图像数据、高清照片数据、数字语音数据、雷达回波数据等。
[0039]机载网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据带宽和地面接收地点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议、根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包，所有数据带宽的总和需要小于卫星通信链路带宽，然后将数据送入机载网络交换机的指定网络接口 ；所述的网络协议包括常用的TCP/IP点对点、UDP点对点、UDP网络组播等模式。
[0040]机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分，并产生虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;机载网络交换机将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至机载调制解调器。
[0041 ]机载调制解调器从机载网络交换机将所有数据取出并转换为射频信号，送入机载动中通天线，通过机载动中通天线传至所述通信中继卫星。
[0042]多个地面接收点同时接收到来自于通信中继卫星的射频信号并经过地面调制解调器转换为网络格式数据并送入地面端网络交换机，地面端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分。
[0043]所述的机载网络交换机和地面端网络交换机需具有一定的功能要求，要求交换机具有划分虚拟网络、能够透明传输各类网络协议、具备足够多接口、各接口具有10/100/1000Mbps三模适应能力等。优选地，所述机载网络交换机和地面网络交换机均为2层网络交换机。
[0044]各地面接收点视应用需求将特定地面端网络接收客户终端接入地面端网络交换机指定接口并进行相关的应用数据处理。地面端的网络接收客户终端并无法预知其他端的个数，因此也无法预知数据来临时的网络协议格式，在客户终端的数据接收模块可内置一个自动识别网络协议的功能，能够对多种不同网络协议的帧头进行判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
[0045]机载网络协议自适应转换模块主要是基于某一路数据本身的带宽大小和地面遥控信息给出的落地点个数来决定对一路信号进行特定网络协议打包，通常情况下，大带宽数据会被选择使用UDP组播方式，因为在这种方式下，大带宽数据的帧头协议中只需加入组播地址，在局域网内所有的网络接口都可以通过此组播地址进行数据接收，如果使用如TCP/IP的点对点数据方式，则对于局域网内不同的地面接收地点，均需要分配一个IP地址，这样就要求机载的大带宽数据要分别加入不同目标IP地址的帧结构，当多落地点对数据需求延时性有一定要求且需要同步进行时，就会出现可能超出卫星通信资源带宽的情况。
[0046]如图2所示，机载网络协议自适应转换模块包括任务载荷数据带宽及落地点数识别模块和数据网络协议打包模块;任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议;数据网络协议打包模块根据各任务载荷的数据量开辟相应的缓存空间，并分包的对各任务载荷数据加入网络协议包帧头信息，经过打包的数据送入机载网络交换机的指定通道接口。
[0047]任务载荷数据带宽及落地点数识别模块可根据如下法则确认所使用的网络协议:
[0048]1)任务载荷产生的数据带宽X对应的地面接收点个数 < 卫星链路总带宽，则可选择TCP/IP或UDP点对点传输的协议。TCP/IP和UDP点对点传输的选择需要根据具体使用要求条件，当用户对数据传输的稳定性和可靠性要求较高时，建议使用TCP/IP协议，当用户对数据可靠性要求不高且延时要求较小时，建议使用UDP点对点协议；
[0049]2)任务载荷产生的数据带宽X对应的地面接收点个数>卫星链路总带宽，则可选择UDP组播协议;此时认为是大带宽数据。
[0050]所述的通信中继卫星链路总带宽由机载动中通天线、机载调制解调器、通信中继卫星、地面卫星天线、地面调制解调器等的带宽支撑能力决定。同时工作的所有任务载荷所需带宽总和(包括考虑多个卫星地面接收点的情况)需在任意时刻小于所用通信中继卫星链路总带宽。
[0051]数据网络协议打包模块的主要特征在于其相对隔离的独立性，即经过网络协议确认的任务载荷数据结果是分别进入到数据网络协议打包模块的不同独立通道内。各通道的网络协议内容可根据来源数据的网络协议配置，其中的IP地址、端口、单包长度等信息预先约定，模块所实现的功能为给各通道数据添加网络包头，数据输出采用网口的方式，便于接入机载网络交换机。
[0052]由于机载的网络协议自适应转换模块会通过独立的数据通道将不同网络协议的任务载荷数据接入机载网络交换机，同时机载网络交换机上还可能接入一些地面端需要长时间监控的飞机状态参数等，其中会有使用TCP/IP或UDP等协议的数据流。以TCP/IP协议为例，根据网络协议层的基础理论，TCP/IP通过多包小段数据进行数据传输，即每一包数据会在帧头加入包序号，在目的端按包序号重新拼接。因此在硬件实现时，进行TCP/IP传输的模块一般会开辟一个合适的缓存空间用于握手确定之前发送的包序号是否连续，通过源端和目的端的反复确认才能确保数据传输正确。然而当交换机上接入UDP组播数据时，由于组播方式并没有明确的目的端，则交换机上的每一个接口都会不断的接收到UDP组播数据，TCP/IP数据接口的硬件在进行处理判断前其缓存空间会长期被UDP组播数据填满，造成TCP/IP的目的端回馈信号间断接收或甚至 无法接收，这样就会造成当网络交换机上同时出现TCP/IP和UDP组播数据时，TCP/IP数据不正常的情况，因此需要通过虚拟网络划分的方式将点对点传播协议数据和UDP组播协议隔离开。
[0053]机载网络交换机机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据，判断是否同时存在UDP组播协议数据和点对点传播协议数据，当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据同时存在时，机载网络交换机进行虚拟网络VLAN划分，其中调制解调器接入的接口设置为trunk 口，UDP组播协议数据占据一个虚拟网络组，点对点传播协议数据占据另一个虚拟网络组;两个虚拟网络组的数据进行逻辑隔离，不能实现通信；当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据不同时存在时，机载网络交换机不进行虚拟网络划分。如为保证系统的可靠，也可将TCP和UDP点对点传播的协议数据分别置于两个虚拟网络组中。经过此操作，可以完全避免机载大带宽数据对接收到机载网络协议自适应转换模块中数据网络协议打包模块缓存的冲击，同时也可保证大带宽数据经过卫星链路地面多点的接收。
[0054]如图3所示，本发明的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的方法，包括如下步骤:
[0055]1根据当前无人机各任务载荷产生的数据，采用不同接口将各数据送至机载网络协议自适应转换模块；
[0056]2根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包;将打包后的数据分别进入指定网络接口 ；
[0057]3根据所有打包的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的飞机状态数据，将产生的虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换；
[0058]4将交换后的数据进行调制解调后，卫星转发至地面；
[0059]5根据卫星转发的数据，地面经过卫星接收天线接收并进行解调，根据虚拟网络划分的飞机状态数据设置地面端网络交换机的接口，并将交换后的数据发送至各应用终端；
[0060]6地面端网络接收客户终端对来自于地面端网络交换机的数据进行网络协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。[0061 ] 实施例
[0062]无人机载端挂载了多种任务载荷，包括高清光电载荷、语音中继电台等，高清光电载荷输出1080p高清图像数据，数据带宽需求至少大于2Mbps，语音中继电台为保证高保真及其他操作冗余，要求数据带宽需求至少大于1Mbps。无人机受到机体尺寸和供电约束，只能使用提供4Mbps带宽的机载动中通天线和机载调制解调器。总共有3个地面接收站。用户要求地面端需要三地同时观看机载高清图像，一地需要接收到数字化语音中继数据。需要注意的是，系统内所有使用到的TCP/IP地址、UDP组播地址、端口号等信息均是事先约定好的。
[0063](1)带宽分析及网络协议确定
[0064]2Mbps高清图像数据若需三地接收，则需要使用UDP组播协议，数字化语音中继数据则为点对点传输，可选择使用TCP/IP协议，开辟TCP握手信息缓存空间8Kbit，以上判断和操作均是在机载网络协议自适应转换模块中进行，经过卫星通信链路的数据为2Mbps加入UDP组播网络协议的高清图像数据和1Mbps加入TCP/IP协议的数字化语音中继数据，共需3Mbps带宽支持，小于系统能够提供的4Mbps卫星通信链路带宽。所有数据进入机载网络交换机，高清图像数据接入交换机编号为2的网口，数字化语音中继数据接入交换机编号为3的网口，调制解调器接入交换机编号为1的网口。
[0065](2)网络交换机配置方式
[0066]高清图像数据经过2口进入交换机时，1 口和3 口也会接到图像数据信息，由于图像信息是连续不断且广播式的，3 口的数字化语音中继数据TCP/IP协议栈中8Kbit缓存会长时间被占用，无法接到反馈包因此造成通信断路，1 口的调制解调器作为透明传输的信息通道对此无影响。因此为满足在使用UDP组播传输图像数据时，其他应用网口(如语音数据网口)仍然可以正常使用，需要网络交换机配置虚拟网络，即将2口和3口设置为两个逻辑隔离的虚拟网组，两口之间不能实现逻辑互通，这样2 口的图像数据便不会影响3 口的语音数据，同时2 口和3 口的数据均需要用到1 口的透传信息通道，则需要将1 口设置为trunk口，表示可以接收到所有虚拟网组的数据。
[0067](3)地面客户终端的接收方式
[0068]经过交换机1 口传入调制解调器的数据经过机载动中通天线、通信中继卫星、地面卫星天线、地面调制解调器和地面交换机的顺序链路节点到达地面客户终端，地面客户终端均接在地面交换机上并装载了各自的应用软件，即高清光电载荷监控终端装载了视频流媒体播放器，语音通话终端装载了语音收发软件并配PTT话机。但此时高清光电载荷终端并不知道高清数据以何种协议从交换机输出，因此流媒体播放器软件的数据接收模块需要使用帧头判断的方式，即同时判断数据是TCP/IP还是UDP(含UDP组播)协议，并进行解译。
[0069]本发明具有较强的普适性，并未限定于某一种无人机应用场景和某一款无人机型，各种无人机平台均可以对本发明及系统进行应用，同时，本发明中系统组网的思想和空地多点信息共享及互联的理念也可以应用于其他空间通信系统中。例如无人机可以换成有人飞机、导弹、地面作战车辆等能够产生大带宽数据的数据产生端。多个地面接收点也可以换成其它类型的数据接收端。
[0070]如图4所示，为本发明的另一种实施方式，一种基于卫星链路的一对多数据传输系统包括一个数据产生端、带有卫星天线的通信中继卫星和多个数据接收端;所述数据产生端包括多个能够产生不同带宽数据的任务载荷、网络协议自适应转换模块、数据产生端网络交换机、数据产生端调制解调器和数据产生端卫星天线，每个数据接收端包括接收端卫星天线、接收端调制解调器、接收端网络交换机、接收端网络接收客户终端;每个任务载荷产生的数据具有与之对应个数的数据接收端接收;数据产生端和多个数据接收端在同一局域网段内；接收端网络接收客户终端兼容TCP/IP点对点传播协议、UDP点对点传播协议以及UDP组播协议；
[0071]网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据带宽和对应的数据接收端个数为相应的任务载荷产生的数据选择网络协议、根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入数据产生端网络交换机的指定网络接口；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据使用UDP组播协议进行任务载荷网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行任务载荷网络数据打；
[0072]数据产生端网络交换机根据网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的产生端状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的状态数据，将产生的虚拟网络划分的状态数据添加至所述产生端状态网络数据;数据产生端网络交换机将所述产生端状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至数据产生端调制解调器；
[0073]数据产生端调制解调器从数据产生端网络交换机将所有网络数据取出并转换为射频信号，送入数据产生端卫星天线，数据产生端卫星天线传至所述通信中继卫星，通过通信中继卫星发送至多个数据接收端；
[0074]多个数据接收端通过接收端卫星天线同时接收通信中继卫星发送的信号并经过接收端调制解调器转换为网络格式数据，送入接收端网络交换机，接收端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分，地面端网络接收客户终端对来自于接收端网络交换机的数据进行协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
[0075]本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
【主权项】
1.一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，其特征在于:包括无人机机载端、带有卫星中继天线的通信中继卫星和多个地面接收点，无人机机载端包括所有任务载荷、机载网络协议自适应转换模块、机载网络交换机、机载调制解调器和机载动中通天线;每个地面接收点包括地面卫星天线、地面调制解调器、地面端网络交换机和地面端网络接收客户终端;无人机机载端和多个数据接收端处于由卫星无线通信信道组建的同一局域网段内；地面 端网络接收客户终端兼容TCP/IP点对点传播协议、UDP点对点传播协议以及UDP组播协议； 无人机各任务载荷产生的数据送入机载网络协议自适应转换模块； 机载网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入机载网络交换机的指定网络接口 ；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用UDP组播协议进行任务载荷网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行任务载荷网络数据打包； 机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的飞机状态数据，将产生的虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;机载网络交换机将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至机载调制解调器； 机载调制解调器从机载网络交换机将所有数据取出并转换为射频信号，送入机载动中通天线，通过机载动中通天线传至所述通信中继卫星； 多个地面接收点同时接收到来自于通信中继卫星的射频信号并经过地面调制解调器转换为网络格式数据并送入地面端网络交换机，地面端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分； 地面端网络接收客户终端对来自于地面端网络交换机的数据进行网络协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。2.根据权利要求1所述的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，其特征在于， 机载网络交换机根据机载网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判断是否同时存在UDP组播协议数据和点对点传播协议数据，当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据同时存在时，机载网络交换机进行虚拟网络VLAN划分，其中调制解调器接入的接口设置为trunk 口，UDP组播协议数据占据一个虚拟网络组，点对点传播协议数据占据另一个虚拟网络组;两个虚拟网络组的数据进行逻辑隔离，不能实现通信；当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据不同时存在时，机载网络交换机不进行虚拟网络划分。3.根据权利要求1所述的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，其特征在于，机载网络协议自适应转换模块包括任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块和数据网络协议打包模块，任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议;所述每个任务载荷数据对应的地面接收点的个数根据地面遥控信息确定； 数据网络协议打包模块根据各任务载荷的数据量开辟相应的缓存空间，并根据任务载荷数据带宽及接收点个数识别模块选择的网络协议分包的对各任务载荷数据加入网络协议包帧头信息，经过打包的数据送入机载网络交换机的指定通道接口。4.根据权利要求1所述的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，其特征在于，无人机各任务载荷产生的数据包括数字化的光电图像数据、高清照片数据、数字语音数据和雷达回波数据。5.根据权利要求1所述的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的系统，其特征在于，所述机载网络交换机和地面网络交换机均为2层网络交换机。6.—种基于卫星链路的无人机数据多点传输的方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)各任务载荷产生数据； (2)根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的地面接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用UDP组播协议进行网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的地面接收点个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行网络数据打包； (3)根据所有打包的任务载荷网络数据和采用TCP/1P或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的飞机状态数据，将产生的虚拟网络划分的飞机状态数据添加至所述飞机状态网络数据;将所述飞机状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换； (4)将交换后的数据进行调制解调后发送至卫星，由卫星转发至地面多个接收点； (5)地面多个接收点对接收的数据进行解调、根据虚拟网络划分的飞机状态数据设置地面端网络交换机的接口，对来自于地面端网络交换机的数据进行网络协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。7.根据权利要求6所述的一种基于卫星链路的无人机数据多点传输的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体方法如下:根据所有打包的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的飞机状态网络数据判断是否同时存在UDP组播协议数据和点对点传播协议数据，当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据同时存在时，进行虚拟网络VLAN划分，UDP组播协议数据占据一个虚拟网络组，点对点传播协议数据占据另一个虚拟网络组;两个虚拟网络组的数据进行逻辑隔离，不能实现通信；当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据不同时存在时，不进行虚拟网络划分。8.一种基于卫星链路的一对多数据传输系统，其特征在于:包括一个数据产生端、带有卫星天线的通信中继卫星和多个数据接收端;所述数据产生端包括多个能够产生不同带宽数据的任务载荷、网络协议自适应转换模块、数据产生端网络交换机、数据产生端调制解调器和数据产生端卫星天线，每个数据接收端包括接收端卫星天线、接收端调制解调器、接收端网络交换机、接收端网络接收客户终端;每个任务载荷产生的数据具有与之对应个数的数据接收端接收;数据产生端和多个数据接收端在同一局域网段内；接收端网络接收客户终端兼容TCP/IP点对点传播协议、UDP点对点传播协议以及UDP组播协议； 网络协议自适应转换模块根据各任务载荷产生的数据带宽和对应的数据接收端个数为相应的任务载荷产生的数据选择网络协议、根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入数据产生端网络交换机的指定网络接口；当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据使用UDP组播协议进行任务载荷网络数据打包，当某一任务载荷产生的数据带宽乘以该任务载荷对应的接收端个数不大于卫星链路总带宽时，该任务载荷产生的数据被选择使用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行任务载荷网络数据打包； 数据产生端网络交换机根据网络协议自适应转换模块输出的任务载荷网络数据和采用TCP/IP或UDP点对点传播协议的产生端状态网络数据判定是否进行虚拟网络划分并产生虚拟网络划分的状态数据，将产生的虚拟网络划分的状态数据添加至所述产生端状态网络数据;数据产生端网络交换机将所述产生端状态网络数据和任务载荷网络数据进行数据交换后发送至数据产生端调制解调器； 数据产生端调制解调器从数据产生端网络交换机将所有网络数据取出并转换为射频信号，送入数据产生端卫星天线，数据产生端卫星天线传至所述通信中继卫星，通过通信中继卫星发送至多个数据接收端； 多个数据接收端通过接收端卫星天线同时接收通信中继卫星发送的信号并经过接收端调制解调器转换为网络格式数据，送入接收端网络交换机，接收端网络交换机根据虚拟网络划分的状态数据判断是否进行虚拟网络划分，地面端网络接收客户终端对来自于接收端网络交换机的数据进行协议帧头判断，根据协议帧头判断结果进行数据解译。
【专利摘要】本发明公开了一种基于卫星链路的一对多数据传输系统及方法，根据各任务载荷产生的数据的带宽和对应的接收点的个数，为每一种任务载荷产生的数据选择网络协议，根据选择的网络协议进行任务载荷网络数据打包并送入机载网络交换机的指定网络接口；对于大带宽数据采用UDP组播协议进行传输，对于小带宽数据采用TCP/IP或UDP点对点传播协议进行传输；当UDP组播协议数据和点对点传播协议数据同时存在时，进行虚拟网络VLAN划分；本发明通过使用虚拟网络及灵活选择网络协议，可以实现多个数据接收端的信号接收，能够解决在无人机等数据产生端使用卫星通信链路实现空地通信时，数据占用带宽较大的问题。
【IPC分类】H04B7/185
【公开号】CN105490729
【申请号】CN201510845312
【发明人】吴洋, 周乃恩, 樊自伟
【申请人】中国航天空气动力技术研究院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月26日
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