本發(fā)明屬于無人機(jī)系統(tǒng)一體化控制技術(shù)，解決通信衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈在無人機(jī)地面控制站中的通用化接入問題。由于衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈采用固定式地面數(shù)據(jù)終端，該技術(shù)創(chuàng)新性地接入通用接口轉(zhuǎn)換單元，融合不同無人機(jī)測控協(xié)議，滿足不同種類無人機(jī)的通用接入需求。

技術(shù)背景

無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)沁B接無人機(jī)和地面指揮控制站系統(tǒng)的唯一紐帶，決定了無人機(jī)系統(tǒng)遂行任務(wù)的效能，是全系統(tǒng)“無人”價值的最重要體現(xiàn)。在通信衛(wèi)星通信鏈路的實際使用中，為了接入通信衛(wèi)星通信鏈路，無人機(jī)地面控制站首先需要向衛(wèi)星資源管理中心發(fā)送衛(wèi)星資源使用申請，由衛(wèi)星資源管理中心統(tǒng)一調(diào)度資源后回復(fù)衛(wèi)星資源申請結(jié)果和使用計劃。根據(jù)使用計劃，地面控制站需要將遙控傳輸幀轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星資源管理中心統(tǒng)一的前向數(shù)據(jù)傳輸幀，并接收衛(wèi)星資源管理中心回傳的返向用戶數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為無人機(jī)地面站的用戶既定協(xié)議格式。

不同類型的無人機(jī)地面站都需要知悉通信衛(wèi)星的傳輸格式，并專門針對該傳輸協(xié)議開發(fā)各自的接口轉(zhuǎn)換模塊，造成相關(guān)裝備的重復(fù)性開發(fā)，分立的通信衛(wèi)星接入方法造成各作戰(zhàn)節(jié)點相互獨立，不利于管理。隨著無人機(jī)地面控制站的通用化發(fā)展，亟需一種通用的接口轉(zhuǎn)換方法和通信衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈接入手段，提高通信衛(wèi)星通信鏈路的接入效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了給用戶中心提供一個快速接入通信衛(wèi)星系統(tǒng)的平臺，滿足信息的快速傳輸和共享的戰(zhàn)術(shù)要求，本發(fā)明的發(fā)明目的在通信衛(wèi)星控管中心設(shè)置基于通信衛(wèi)星的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通用接入系統(tǒng)，在此無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通用接入系統(tǒng)中通過融合無人機(jī)的測控標(biāo)準(zhǔn)，避免各無人機(jī)地面站分別建設(shè)相關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，有利于提高鏈路接入效率，提升無人機(jī)互操作水平，且符合通信星通信傳輸協(xié)議要求。

本發(fā)明的發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種基于通信衛(wèi)星的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通用接入系統(tǒng)，應(yīng)用在通信衛(wèi)星控管中心，包含多線程多任務(wù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)分發(fā)模塊和IPC數(shù)據(jù)交換模塊。

所述網(wǎng)絡(luò)分發(fā)模塊被配置為為各數(shù)據(jù)發(fā)送方與數(shù)據(jù)接收方離線配置端口以及IP地址；

所述多線程多任務(wù)處理模塊被配置在接收到數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)后，創(chuàng)造主控進(jìn)程，該主控進(jìn)程由多個線程組成，通過線程對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，重新打包成數(shù)據(jù)接收方所需的數(shù)據(jù)幀格式；

所述IPC數(shù)據(jù)交換模塊被配置為對各進(jìn)程中的多線程進(jìn)行調(diào)度。

進(jìn)一步，所述網(wǎng)絡(luò)分發(fā)模塊采用Socket為各數(shù)據(jù)發(fā)送方與數(shù)據(jù)接收方離線配置端口以及IP地址，對圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP協(xié)議處理，對語音數(shù)據(jù)、遙控數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行UDP協(xié)議處理。

進(jìn)一步，所述IPC數(shù)據(jù)交換模塊采用Linux對各進(jìn)程中的多線程進(jìn)行調(diào)度。

本發(fā)明中有以下三個主要的技術(shù)要點。

(1)多線程多任務(wù)處理，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，進(jìn)程是系統(tǒng)資源分配和處理機(jī)制的基本單位，一個進(jìn)程讓另一個實體做某個事務(wù)需要通過fork派生子進(jìn)程進(jìn)行處理，需要將父進(jìn)程的內(nèi)存對象拷貝給子進(jìn)程，代價比較“昂貴”。線程對于實現(xiàn)多功能信息綜合處理與分發(fā)功能來講非常有意義,它不再需要復(fù)雜的IPC通信方式維護(hù)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交換,同時多個線程也可以獨立、并行的執(zhí)行。線程也被稱為輕權(quán)進(jìn)程,它是進(jìn)程中的一條執(zhí)行路徑,每個進(jìn)程內(nèi)允許包含多個并發(fā)執(zhí)行的路徑。多線程系統(tǒng)中它是操作系統(tǒng)進(jìn)行處理機(jī)調(diào)度的基本單位,同一個進(jìn)程中的線程共享進(jìn)程獲得的主存空間和資源,它們駐留在相同的地址空間,可以存取相同的數(shù)據(jù),允許運行在不同的CPU上。與進(jìn)程相比線程有如下優(yōu)點:(1)切換速度快,(2)系統(tǒng)開銷少,(3)通信易與實現(xiàn),(4)并行程度高,(5)節(jié)省內(nèi)存空間。

(2)可配置的網(wǎng)絡(luò)分發(fā)，無人機(jī)地面站主要通過以太網(wǎng)和無人機(jī)系統(tǒng)其他分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，本文主要介紹了利用Socket實現(xiàn)Linux與Linux以及Linux和Windows跨平臺網(wǎng)絡(luò)通信。Socket是對應(yīng)TCP/IP協(xié)議最具典型的應(yīng)用開發(fā)接口。作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程界面，Socket隱藏了網(wǎng)絡(luò)底層復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和協(xié)議，使得編程人員可以簡單地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作。Socket主要有兩種通信方式，第一種叫對流方式，也稱面向連接方式，在這種方式下，通信進(jìn)程之間要先建立一種虛擬的連接，這種方式對應(yīng)的是TCP協(xié)議，其傳輸特點是通信可靠性，按發(fā)送的順序接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)被看作是字節(jié)流，無長度限制。第二種叫做數(shù)據(jù)報方式，又稱無連接方式，它提供無連接服務(wù)，對應(yīng)的是UDP協(xié)議，這種方式不提供數(shù)據(jù)無錯保證，數(shù)據(jù)可能丟失或重復(fù)，并且接受順序混亂，報文的長度是有限的。socket編程原理基于套接字的系統(tǒng)調(diào)用。應(yīng)用程序首先必須通過系統(tǒng)調(diào)用socket()創(chuàng)建套接字，然后調(diào)用bind()將套接字地址與所創(chuàng)建的套接字聯(lián)系起來。通過connect()和accept()兩個系統(tǒng)調(diào)用建立套接字的連接，其中connect()用于建立連接，accept()用于使服務(wù)器等待來自客戶的實際連接。listen()用于面向連接服務(wù)器，表明它愿意接收連接。當(dāng)一個連接建立后，就可以使用系統(tǒng)調(diào)用send()和recv()發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。最后調(diào)用closesocket()關(guān)閉套接字，并釋放所分配給套接字的資源?；赟ocket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計，主要采用了基于連接的C/S模型和基于數(shù)據(jù)報的C/S模型(如圖1所示)，由于基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信具有與平臺、語言無關(guān)的特點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的可配置性和通用性，結(jié)合ini配置文件對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線端口以及IP地址配置，實現(xiàn)跨平臺通信并增加了網(wǎng)絡(luò)通信的靈活性。

(3)實時調(diào)度策略，Linux本身雖然提供兩種實時調(diào)度策略FIFO(先來先調(diào)度)和RR(輪換制調(diào)度)，雖然這兩種實現(xiàn)都比較簡單，并沒有從實際上提高實時處理機(jī)制，所以需要對調(diào)度策略進(jìn)行一定的修改來提高實時處理的能力。要提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時處理性能，主要是縮短發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的處理時間，Linux是一種基于優(yōu)先級調(diào)度策略的操作系統(tǒng)。Linux將進(jìn)程分成兩種類型，實時進(jìn)程和非實時進(jìn)程。對于實時進(jìn)程采用優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)法調(diào)度和基于優(yōu)先級的先入先出服務(wù)調(diào)度。對于非實時進(jìn)程采用了基于優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)法調(diào)度實時進(jìn)程的優(yōu)先級比非實時進(jìn)程的優(yōu)先級的基數(shù)要高1000。Linux通過優(yōu)先級基數(shù)設(shè)定實現(xiàn)了分級，實時進(jìn)程和非實時進(jìn)程同在一個調(diào)度隊列，但實際已被分成了兩級，即實時進(jìn)程優(yōu)先級絕對高于非實時進(jìn)程而會優(yōu)先得到調(diào)度。Linux中，實時進(jìn)程無論何時進(jìn)入進(jìn)程等待隊列，都被將排在非實時進(jìn)程之前。Linux又是一種非搶占式的操作系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)正在執(zhí)行一個低優(yōu)先級的任務(wù)時，高優(yōu)先級的任務(wù)不能搶占低優(yōu)先級的任務(wù)，而是處于等待狀態(tài)。高優(yōu)先級的任務(wù)等待時間由低優(yōu)先級的任務(wù)的執(zhí)行情況決定。所以說，Linux的實時性不僅由實時進(jìn)程執(zhí)行時間決定，也由非實時進(jìn)程的執(zhí)行時間決定。Linux中斷處理機(jī)制有其自身的特點，在Linux里，中斷處理程序可以分為低級處理部分和高級處理部分。低級處理部分的作用是用來及時響應(yīng)中斷信號，而具體的中斷處理工作則交給中斷的高級處理部分完成；高級處理工作并不是立即完成，而是將處理程序放在一個特殊的隊列中以后再執(zhí)行。通過這種機(jī)制，Linux縮短了對外界請求的響應(yīng)時間，這可以很大程度減小地面站綜合處理系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)響應(yīng)的靈敏度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工作原理示意圖

圖2為IPC數(shù)據(jù)交換模塊的工作原理示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1所示，本實施例一種基于通信衛(wèi)星的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通用接入系統(tǒng)，駐留在通信衛(wèi)星控管中心，包括多線程多任務(wù)處理模塊、的網(wǎng)絡(luò)分發(fā)模塊，以及IPC數(shù)據(jù)交換模塊。

(1)網(wǎng)絡(luò)分發(fā)模塊：

在無人機(jī)、地面站和作戰(zhàn)單元取得通信衛(wèi)星的資源后，為各數(shù)據(jù)發(fā)送方與數(shù)據(jù)接收方離線配置端口以及IP地址。

作為數(shù)據(jù)核心處理模塊，地面站需要實現(xiàn)無人機(jī)、地面站和作戰(zhàn)單元之間的互聯(lián)互通能力，用于指揮控制以及分發(fā)無人機(jī)收集的信息，這對無人機(jī)地面站網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下的聯(lián)合作戰(zhàn)能力提出一定需求，通過局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享接收情報數(shù)據(jù)，經(jīng)分析、融合、處理并將不同的數(shù)據(jù)分發(fā)給不同的處理單元，這需要基于Linux的可配置網(wǎng)絡(luò)分發(fā)技術(shù)實現(xiàn)地面站網(wǎng)絡(luò)通信的實時動態(tài)配置，可實現(xiàn)現(xiàn)場指揮人員在線修改，對有效地完成飛行任務(wù)提供了保證。

網(wǎng)絡(luò)分發(fā)模塊是部署網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的復(fù)雜軟件系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和軟件行為都可以實時配置，具有自主性和反應(yīng)性，即具有相對獨立性、主動性、自適應(yīng)性以及，通過該方法模塊不必要進(jìn)行新的設(shè)計和實現(xiàn)，就可以在地面控制站中增加新的通信功能模塊，這樣開放性的定義和要求，使得在地面控制站的設(shè)計和實現(xiàn)過程中采用模塊化的方法，各個模塊之間的功能相互具有一定獨立性，這些模塊組合在一起，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)該系統(tǒng)的通用化。

無人機(jī)地面站主要通過以太網(wǎng)和無人機(jī)系統(tǒng)其他分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，利用Socket實現(xiàn)Linux與Linux以及Linux和Windows跨平臺網(wǎng)絡(luò)通信。Socket是對應(yīng)TCP/IP協(xié)議最具典型的應(yīng)用開發(fā)接口。作為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程界面，Socket隱藏了網(wǎng)絡(luò)底層復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和協(xié)議，使得編程人員可以簡單地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作。在具體實現(xiàn)中，基于Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計，主要采用了基于連接的C/S模型和基于數(shù)據(jù)報的C/S模型(如圖1所示)，由于基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信具有與平臺、語言無關(guān)的特點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的可配置性和通用性，結(jié)合ini配置文件對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線本地IP地址、本地端口號以及通訊類型的配置，實現(xiàn)跨平臺通訊并增加了靈活性，一旦有需要修改，只需要對配置文件進(jìn)行調(diào)整，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本。

(2)多線程多任務(wù)處理模塊

接收到數(shù)據(jù)發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據(jù)后，創(chuàng)造主控進(jìn)程，該主控進(jìn)程由多個線程組成，通過線程對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，重新打包成數(shù)據(jù)接收方所需的數(shù)據(jù)幀格式并發(fā)送；

由于無人機(jī)地面站的實時性要求，需要對無人機(jī)遙控、遙測、圖像、視頻、語音、起降引導(dǎo)和航管信息等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行實時并行處理，在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中進(jìn)程是系統(tǒng)資源分配和處理機(jī)制的基本單位，也是處理機(jī)調(diào)度的基本單位，一個進(jìn)程讓另一個實體做某個事務(wù)需要通過fork派生子進(jìn)程進(jìn)行處理，需要將父進(jìn)程的內(nèi)存對象拷貝給子進(jìn)程，代價比較“昂貴”。

因而采用基于Linux的多線程對于實現(xiàn)無人機(jī)地面站多功能信息綜合處理與分發(fā)功能非常有意義,它不再需要復(fù)雜的通信方式維護(hù)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交換。由于一個進(jìn)程中的線程共享進(jìn)程獲得的主存空間和資源,由于駐留同一地址空間,可以對同一數(shù)據(jù)并行存取,允許運行在不同的CPU上，因而具備切換速度快、系統(tǒng)開銷少、通信易于實現(xiàn)、并行程度高、節(jié)省內(nèi)存空間的優(yōu)點。

在具體實現(xiàn)中，由于無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，種類繁雜，每個無人機(jī)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、遙測、遙控數(shù)據(jù)、語音、圖像、視頻等都需要進(jìn)行接收、處理、封裝和轉(zhuǎn)發(fā)等一系列操作，對于這類大批量數(shù)據(jù)的處理，采用傳統(tǒng)的三層模式：客戶、基于進(jìn)程的LINUX應(yīng)用程序服務(wù)層，處理性能將難以得到保證，以進(jìn)程為單位完成多個事務(wù)的并發(fā)執(zhí)行最明顯的弱點就是處理業(yè)務(wù)增多時系統(tǒng)的性能明顯下降。一種新的進(jìn)程結(jié)構(gòu)-多線程單進(jìn)程結(jié)構(gòu)能較好解決多業(yè)務(wù)并發(fā)執(zhí)行的問題。在單進(jìn)程多線程結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)只創(chuàng)建一個主控進(jìn)程，該進(jìn)程可由多個線程組成，并發(fā)執(zhí)行單位由進(jìn)程改為線程，線程之間通訊只通過消息來實現(xiàn)，每增加一個數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)只需要增加一個線程，線程的轉(zhuǎn)換只是簡單的運行狀態(tài)的改變，而不會引起進(jìn)程空間的切換，減少了系統(tǒng)開銷，使得數(shù)據(jù)處理的響應(yīng)時間和系統(tǒng)的吞吐能力比在每個業(yè)務(wù)一個進(jìn)程的結(jié)構(gòu)中有明顯改進(jìn)。

服務(wù)端主控進(jìn)程獲得處理業(yè)務(wù)碼交給對應(yīng)的業(yè)務(wù)處理模塊進(jìn)行處理，業(yè)務(wù)處理模塊處理時按各自的數(shù)據(jù)分組邏輯將數(shù)據(jù)分組，并為每個分組創(chuàng)建一個處理線程。各線程加載對應(yīng)分組的數(shù)據(jù)到內(nèi)存進(jìn)行處理，基于Linux采用多線程的方法可以實現(xiàn)當(dāng)一個線程等待I/O完成或大量計算的最終結(jié)果時，另一個線程可以繼續(xù)其他處理，可以使得地面站數(shù)據(jù)處理與分發(fā)一直處于運行態(tài)，并隨時進(jìn)行響應(yīng)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的響應(yīng)效率；除此之外，由于多線程共享一個進(jìn)程空間，這比利用多個獨立的線程通過共享內(nèi)存訪問共同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所占用的系統(tǒng)資源要小，可以提高綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的資源利用率，線程之間的通信比進(jìn)程間通信要簡單得多，設(shè)計綜合處理系統(tǒng)程序時，可以根據(jù)數(shù)據(jù)類別創(chuàng)建相應(yīng)的線程進(jìn)行處理，使得程序結(jié)構(gòu)也較為清晰。

按照功能要求，對無人機(jī)采用模塊化的設(shè)計思路，在實現(xiàn)過程中建立了數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊等，數(shù)據(jù)接收主要是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)UDP和TCP數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)處理模塊主要是負(fù)責(zé)拆幀組幀，數(shù)據(jù)存儲主要是負(fù)責(zé)記錄對應(yīng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通訊主要是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)IP和端口號的自主配置離線配置。通過開啟多線程并且多任務(wù)管理進(jìn)行優(yōu)先級調(diào)用實現(xiàn)在執(zhí)行過程中，按照執(zhí)行流程和功能需求，主進(jìn)程和線程分別調(diào)用相應(yīng)的模塊，實現(xiàn)具體的功能。

(3)IPC數(shù)據(jù)交換模塊

對各進(jìn)程中的多線程進(jìn)行調(diào)度。

無人機(jī)地面站是整個無人機(jī)系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵性的子系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)處理與分發(fā)從無人機(jī)接收下行數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)及通過該系統(tǒng)向無人機(jī)發(fā)送飛行命令和任務(wù)載荷指令，因此涉及到如何提高多任務(wù)線程間通信數(shù)據(jù)交換。

Linux中常見的通信機(jī)制可以分為兩類，一類如信號、管道、共享內(nèi)存、信號量、消息隊列，它們主要用來實現(xiàn)同一計算機(jī)中進(jìn)程間的通訊，一類如套接字，主要實現(xiàn)不同計算機(jī)間進(jìn)程通信。其中，信號能傳送的信息量十分有限因而不適用于復(fù)雜的交互操作，管道無法判別數(shù)據(jù)發(fā)送方，信號量機(jī)制為互相操作的進(jìn)程提供了一種復(fù)雜的同步機(jī)制,它可能產(chǎn)生死鎖。消息隊列傳遞數(shù)據(jù)時是以一種不連續(xù)消息的方式而不是用一種無格式的字符流的方式,因此能靈活地處理數(shù)據(jù),特別是傳輸小的數(shù)據(jù)塊時效率很高。

在具體實現(xiàn)中，通過該IPC通信可實現(xiàn)模塊之間數(shù)據(jù)通信，主要是定時數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊與輸入、輸出模塊之間的數(shù)據(jù)流交互，如圖2所示。

每一個數(shù)據(jù)塊被看做有一個類型，而接收線程可以獨立接收具有不同類型的數(shù)據(jù)塊，Linux為系統(tǒng)中所有的消息隊列維護(hù)一個msgque鏈表，該鏈表中的每個指針指向一個msgid_ds結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)完整描述了一個消息隊列。當(dāng)建立一個消息隊列時，系統(tǒng)從內(nèi)存中分配一個msdid_ds結(jié)構(gòu)并將指針添加到msgque鏈表中。線程通過系統(tǒng)調(diào)用msgget來創(chuàng)建或獲得一個消息隊列,其返回一個消息隊列標(biāo)示符；通過調(diào)用msgsnd把消息放入隊列中即發(fā)送消息；消息在隊列中按到來的順序來維護(hù),進(jìn)程讀消息時,可調(diào)用msgrcv,將這些消息從隊列中移去；用msgctl對消息隊列進(jìn)行控制。

可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。