基于分等级喷泉码引导直升机助降的通信方法

摘要

本发明公开了基于分等级喷泉码引导直升机助降的通信方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、地面引导人员选择好合适的降落场后，首先将四个信标固定于降落标识“H”的四角，然后启动四个信标，等待直升机的到来；步骤2、直升机携带接收端，搜索发送端广播发送的紫外光信号；步骤3、飞行员根据接收光强指示灯阵列的显示完成直升机与信标对准；步骤4、飞行员根据液晶屏幕显示的信息，实时对直升机位姿进行微调，完成直升机的安全降落。本发明方法结合ULC-LT码的直升机助降的不同阶段的通信策略，提高辅助起降通信中的译码成功率，降低误比特率，保证了高信道丢包率时的可靠通信，提高了直升机搜寻、定位、降落的效率和安全性。

说明书

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种基于分等级喷泉码引导直 升机助降的通信方法。

背景技术

现有的直升机助降系统一般采用可见光标和旗语，更多时候是地面引导 人员通过无线电与飞行员沟通，依靠飞行员的个人技术来降落。但可见光易 受自然光、大雨和重度雾霾等天气因素的影响；利用无线电和旗语则要求地 面引导人员和旗手实时给飞行员发送现场信息，使得地面引导人员被“捆绑” 在临时降落场，不能发挥更大的作用，使得在紧急情况下本就紧缺的人力资 源得不到充分利用，降低救灾效率。无线紫外光辅助起降技术是利用紫外光 散射特性进行复杂环境下全天候通信的一种直升机应急安全保障手段，满足 野外行动、城市突发事件、地震灾害等场合，无线紫外光通信由于其抗干扰 能力强、全天候非视距、便携、宽视场、保密性能力强等特点，在直升机辅 助起降中能够充分发挥其优势。

直升机携带接收端高速移动，地震灾后不稳定的受灾现场，树木、建筑 物等阻挡造成不稳定的信道环境，使得通信过程中数据接收延时较大，丢包 严重，甚至通信中断。此时，如果使用传统的前向纠错码(FEC)，较大的 通信延时、巨大的丢包率使得反馈重传方式效率极低。而喷泉码是一类无固 定码率码，发送端可以产生任意多个编码包，接收端只要获得足够多的编码 符号就能够成功恢复出信息符号，无需反馈，通信中断时可通过后续接收编 码包恢复出完整文件。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分等级喷泉码引导直升机助降的通信方 法，解决了现有直升机在不稳定的信道环境中助降通信时存在的通信可靠性 低的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于分等级喷泉码引导直升机助降的通信 方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、信标安放

首先将四个信标固定于降落标识“H”的四角，然后启动四个信标，并 检查信标的各个传感器工作是否正常，对所需数据的测量是否正常；同时 FPGA模块解析各个传感器采集的数据，并对不同波段紫外光所发送的数据 帧信息进行封装，并进行相应码长和相应等级的分等级喷泉码编码，最后经 过驱动电路采用不同波段的紫外光以广播形式发送，等待直升机的到来；

其中四个信标包括3个发射端a和一个发射端b：

发射端a内部集成有分别与FPGA信息处理模块连接的串口摄像头、数 字矩阵键盘、坡度传感器、风速传感器、位置传感器、电源系统，FPGA信 息处理模块还通过驱动电路与紫外LED阵列连接；

发射端b内部集成有分别与FPGA信息处理模块连接的串口摄像头、数 字矩阵键盘、坡度传感器、风速传感器、位置传感器、电源系统，FPGA信 息处理模块还通过驱动电路与半球形MIMO通信结构连接；

步骤2、直升机搜寻定位信标

直升机携带接收端，当直升机进入降落场区域上空200米左右高度，打 开安装在直升机上的接收端，光电探测器、FPGA信息处理模块、接收光强 指示灯阵列以及液晶屏幕开始工作，搜索地面信标发送的紫外光信号，当光 电探测器接收到对应波段紫外光信号后，FPGA信息处理模块解析该波段发 送的位置数据以及二值图形数据，直到直升机的接收端解析出信标位置后停 止搜寻定位信标，同时将解析出的二值图像显示在液晶屏幕上，为飞行员提 供降落场大致场景图；

其中接收端包括光电探测器，光电探测器与光电转换器连接，光电转换 器与FPGA信息处理模块连接，FPGA信息处理模块还分别连接有液晶屏幕 和接收光强指示灯阵列、电源系统；

步骤3、直升机对准信标

根据步骤2中直升机的接收端解析出的信标位置信息，直升机到达停机 坪上方，此时主要探测接收到的紫外光强度，FPGA信息处理模块根据紫外 光强度信息控制接收光强指示灯阵列显示，飞行员根据接收光强指示灯阵列 中各个指示灯的显示情况相应的调整直升机位姿；当调整直升机到最佳位姿 后，飞行员通过观察接收光强指示灯阵列保持最佳对准状态，准备降落；

步骤4、直升机微调着陆

步骤3中完成直升机的接收端与信标对准后，直升机缓慢调整降落，飞 行员根据液晶屏幕显示的地面坡度信息及直升机需要补偿的角度、净空环境 图像，飞行员实时对直升机位姿进行微调，完成直升机的安全降落。

本发明的特点还在于，

步骤1中分等级喷泉码编码等级分为0级、1级、2级；

喷泉码编码的不同等级主要依据编码包产生时度为1的编码包所占总编 码包的不同比例进行划分：

其中，度为1的编码包占总编码包的比例区间为0-0.2时为分等级喷泉 码的0级编码；

度为1的编码包所占总编码包的比例区间为0.2-0.24时为分等级喷泉码 的1级编码；

度为1的编码包所占总编码包的比例区间为0.24-0.27时为分等级喷泉 码的2级编码。

步骤1中半球形MIMO通信结构采用波分复用，半球形MIMO通信结 构从最顶端到最低端的四排分为三层紫外LED，半球形MIMO通信结构的 最顶端为第一层紫外LED，第一层紫外LED采用270nm波长的日盲段紫外 光，采用长码长分等级喷泉码的0级编码，发送降落环境全彩图像数据及地 表坡度信息；半球形MIMO通信结构的中间两排为中间层紫外LED，中间 层紫外LED采用250nm波长的紫外光，采用长码长分等级喷泉码的1级编 码，发送降落环境灰度图像数据及风速、地貌种类的数据信息；半球形MIMO 通信结构的最下面一排为最低层紫外LED，最低层紫外LED采用240nm波 长的紫外光，采用短码长分等级喷泉码的2级编码，发送降落环境二值图像 数据及降落场位置坐标的数据信息。

步骤1中信标中发送的数据帧格式如表1所示：

表1 数据帧格式

      

帧头 波段信息 编码等级 其它数据 图像数据 3字节 1字节 1字节 4字节 2K-48K字节

其中，帧头3个字节，数值为0xFF0xFF0xFF；波段信息1个字节，0x01 表示240nm波长，0x02表示250nm波长，0x03表示270nm波长；编码等 级1个字节，0x00代表分等级喷泉码的0级编码，0x01代表分等级喷泉码 的1级编码，0x02代表代表分等级喷泉码的2级编码；

①当发送波长为240nm时，其它数据4个字节存储数据类型为信标的位 置信息，包括信标的经纬度；编码等级为0x02，图像数据存储为二值图像数 据；

②当发送波长为250nm时，其它数据4个字节存储数据类型为风速、风 向以及接收光强度数据信息；编码等级为0x01，图像数据存储为灰度图像数 据；

③当发送波长为270nm时，其它数据4个字节存储数据类型为地面坡 度信息，包括地表质地信息；编码等级为0x00，图像数据存储为全彩图像数 据。

步骤1中紫外LED阵列采用N*M的紫外LED阵列，紫外LED阵列采 用270nm日盲段紫外光，用来发送降落环境全彩图像数据以及地表坡度信 息。

步骤3中飞行员根据接收光强指示灯阵列中各个指示灯的显示情况相应 的调整直升机位姿，具体为：接收光强指示灯阵列中设置有指示灯，包括1 号、2号、3号、4号指示灯，具体调整方法参照表2所示：

表2 调整直升机位姿的调整方法

      

已对准组合 调整方向(机身超过标识) 调整方向(机身未超过标识) 1号 右转机头,左下方平移 左转机头,右上方平移 2号 左转机头.右下方平移 右转机头.左上方平移 3号 右转机头.右下方平移 左转机头.左上方平移 4号 左转机头.左下方平移 右转机头.右上方平移 1号.3号 右转机头.下方平移 左转机头.上方平移 2号.4号 左转机头.下方平移 右转机头.上方平移       

      

1号.2号 右转机头.左方平移 左转机头.右方平移 3号.4号 左转机头.左方平移 右转机头.右方平移

步骤3中飞行员通过观察接收光强指示灯阵列的显示情况继续微调机身 方向，具体为：观察接收光强指示灯阵列，当一行三个指示灯全部点亮时， 表示该接收端与对应信标精确对准，当一行两个指示灯点亮时，表示该接收 端与对应信标基本对准，当一行有一个指示灯点亮时，表示该接收端能够搜 索到紫外光信号，飞行员调整直升机位姿，使得四个接收端中至少三个显示 精确对准。。

本发明的有益效果是：

①本发明基于分等级喷泉码引导直升机助降的通信方法中提供一种不 同等级的LT码编码方法，对不同数据帧类型提供不同可靠程度的编码保护， 实现各类传输数据的分级别保护，为不同信道环境的可靠通信提供有力保 障；

②本发明基于分等级喷泉码引导直升机助降的通信方法，结合ULC-LT 码方案的不同搜寻阶段的通信策略，该策略能够提高辅助起降通信中的译码 成功率，降低误比特率，保证了高信道丢包率时的可靠通信以及不同搜寻阶 段、不同场景下直升机辅助起降紫外光通信的高效可靠进行，提高了直升机 搜寻、定位、降落的效率和安全性。

附图说明

图1是本发明中度为1的编码包的不同比例时译码BER的仿真图；

图2是本发明中度为1的编码包的不同比例时编译码时间的仿真图；

图3是本发明中发射端a的结构示意图；

图4是本发明中发射端b的结构示意图；

图5是本发明中半球形MIMO通信结构的结构示意图；

图6是本发明中接收端的结构示意图；

图7是本发明中信标的地面安装位置示意图；

图8是本发明中直升机与信标对准阶段的结构示意图；

图9是本发明中计算降落场地坡度的示意图；

图10是本发明中接收光强指示灯阵列的显示示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

根据决定喷泉码编译码效率的重要参量度分布，调整度为1的编码包所 占总编码包的比例来提高LT码译码成功率，降低译码重启次数。将编码等 级分为0级、1级、2级，其划分依据如下：

对于数据长度k＝256bit的数据帧，选择鲁棒孤波分布的LT码，译码开 销为0.2，应用BP(Belief Propagation)译码算法，每次产生编码包中度为1的 编码包所占比例不同时，LT码译码误比特率BER(Bit Error Rate)和编译码时 间如图1和图2所示。由图1可以看出，随着度为1的编码包的比例不断增 大，BER不断减小，其中比例在0.2-0.24和0.24-0.27是BER下降最快的两 个阶段。由图2可以看出，当其比例超过0.28时，完成编译码消耗的时间急 剧上升，极大降低了编译码的效率。结合译码成功率和译码效率的折中考虑， 度为1的编码包占总编码包的比例区间为0-0.2时为分等级喷泉码(ULC-LT  Unequal Level Coding-LT)的0级编码；度为1的编码包占总编码包的比例 区间为0.2-0.24时为ULC-LT的1级编码；度为1的编码包所占总编码包的 比例区间为0.24-0.27时为ULC-LT的2级编码。

本发明中有四个信标固定于降落标识“H”的四角，四个信标包括3个 发射端a和一个发射端b：

如图3所示，发射端a内部集成有分别与FPGA信息处理模块连接的串 口摄像头、数字矩阵键盘、坡度传感器、风速传感器、位置传感器、电源系 统(电源系统的供电电压为5V)，FPGA信息处理模块还通过驱动电路与紫 外LED阵列连接。

其中，紫外LED阵列采用N*M的紫外LED阵列，紫外LED阵列采用 270nm日盲段紫外光，用来发送降落环境全彩图像数据以及地表坡度信息。

如图4所示，发射端b内部集成有分别与FPGA信息处理模块连接的串 口摄像头、数字矩阵键盘、坡度传感器、风速传感器、位置传感器、电源系 统(电源系统的供电电压为5V)，FPGA信息处理模块还通过驱动电路与半 球形MIMO通信结构连接。

其中，半球形MIMO通信结构采用波分复用，如图5(a)为前视图， 如图5(b)为俯视图，半球形MIMO通信结构从最顶端到最低端的四排分 为三层紫外LED，半球形MIMO通信结构的最顶端为第一层紫外LED，第 一层紫外LED采用270nm波长的日盲段紫外光，采用长码长ULC-LT码的 0级编码，发送降落环境全彩图像数据及地表坡度信息，辅助飞行员实时调 整直升机位姿，保证直升机安全可靠降落；半球形MIMO通信结构的中间 两排为中间层紫外LED，中间层紫外LED采用250nm波长的日盲段紫外光， 采用长码长ULC-LT码的1级编码，发送降落环境灰度图像数据及风速、地 貌种类的数据信息，发送的灰度图像数据量是全彩图像的1/3，接收端接收 到的灰度图像数据能够快速恢复出净空环境的纹理信息；半球形MIMO通 信结构的最下面一排为最低层紫外LED，最低层紫外LED采用240nm波长 的日盲段紫外光，采用短码长ULC-LT码的2级编码，发送降落环境二值图 像数据及降落场位置坐标的数据信息，发送的二值图像数据量是全彩图像的 1/24，接收端能够快速恢复降落场大致场景。

信标中发送的数据帧格式如表1所示：

表1 数据帧格式

      

帧头 波段信息 编码等级 其它数据 图像数据 3字节 1字节 1字节 4字节 2K-48K字节

其中，帧头3个字节，数值为0xFF0xFF0xFF；波段信息1个字节，0x01 表示240nm波长，0x02表示250nm波长，0x03表示270nm波长；编码等 级1个字节，0x00代表ULC-LT码的0级编码，0x01代表ULC-LT码的1 级编码，0x02代表代表ULC-LT码的2级编码；

①当发送波长为240nm时，其它数据4个字节存储数据类型为信标的位 置信息，包括信标的经纬度；编码等级为0x02，图像数据存储为二值图像数 据；

②当发送波长为250nm时，其它数据4个字节存储数据类型为风速、风 向以及接收光强度数据信息；编码等级为0x01，图像数据存储为灰度图像数 据；

③当发送波长为270nm时，其它数据4个字节存储数据类型为地面坡度 信息，包括地表质地信息；编码等级为0x00，图像数据存储为全彩图像数据。

本发明中直升机的起落架上携带接收端，共4个接收端，安装4个接收 端的排列方式同4个信标相对应。如图6所示，接收端包括光电探测器，光 电探测器采用日盲型光电倍增管，用于接收紫外光信号，光电探测器与光电 转换器连接，光电转换器与FPGA信息处理模块连接，FPGA信息处理模块 还分别连接有液晶屏幕和接收光强指示灯阵列、电源系统(电源系统的供电 电压为5V)。FPGA信息处理模块用于信号处理，将解析出的图像、文字信 息显示在液晶屏幕上并且控制接收光强指示灯阵列。

如图7所示为本发明信标的地面安装位置示意图，其中显示了一个按比 例设置的直升机起降标志，在“H”符号四角分别固定设置有一个信标，(即 图4中的1、2、3、4号信标，包括3个发射端a和一个发射端b)；每个信 标所发射的紫外光束成圆锥形发散，因此从空中俯瞰下去其截面为一圆形。 将四个不同波长的信标，设置在临时选择的降落地点中心的降落标识四角 上，对应的，在直升机机身上安装四个能接收对应波长紫外光的接收端，用 于对应搜索和接收信标信号，搜索成功后信标开始上传飞行员所需的降落信 息。

如图8所示，在降落过程中，地面引导人员通过信标向接收端发送所需 的各种信息，飞行员根据FPGA信息处理模块解析出的坡度、风向、风力、 实时影像等信息，判断降落条件，并实时调整直升机姿态位置，最终完成降 落任务。如图9所示，其中降落场地坡度的计算，使用与信标集成的传感器 进行测量，其中坡度γ由信标携带的电子坡度测量仪测得，L、W由两终端 的距离传感器测量获得，则计算得到高度H。

本发明基于分等级喷泉码引导直升机助降的通信方法，具体按照以下步 骤实施：

步骤1、信标安放

地面引导人员选择好合适的降落场，如图7按照箭头方向对降落标识 “H”四个角进行编号，将四个便携式信标按照编号固定于降落标识“H” 的四角；启动四个信标，并检查信标的各个传感器工作是否正常，对所需数 据的测量是否正常；同时FPGA模块解析各个传感器采集的数据，并对不同 波段紫外光所发送的数据帧信息进行封装，并进行相应码长和相应等级的分 等级喷泉码编码，最后经过驱动电路采用不同波段的紫外光以广播形式发 送，等待直升机的到来；

步骤2、直升机搜寻定位信标

直升机携带接收端，首先在GPS等导航系统引导下，到达临时停机坪 大致范围内，当直升机进入降落场区域上空200米左右高度，打开安装在直 升机上的接收端，光电探测器、FPGA信息处理模块、接收光强指示灯阵列 以及液晶屏幕开始工作，搜索地面信标发送的紫外光信号，当光电探测器接 收到对应波段紫外光信号后，通过FPGA信号处理模块首先匹配帧头，帧头 匹配成功后，解析波段数据。此时如果接收波段编号为0x01，则继续解析该 帧数据，得到发射端的具体位置信息，同时解析该波段携带的二值图像信息， 将解析出的二值图像显示在液晶屏幕，为飞行员提供降落场大致场景图；如 果接收到的波段编号不是0x01，则丢弃该帧数据，继续搜索地面紫外光信号。 当直升机接收端解析出信标位置后进入步骤3，否则继续搜寻紫外光信号。

步骤3、直升机对准信标

如图8所示，光电探测器接收到紫外光信号后(即直升机进入到了紫外 LED的覆盖范围内)，通过FPGA信号处理模块，首先匹配帧头，帧头匹配 成功后，解析该波段数据。如果接收波段编号为0x02，则继续解析该帧数据， 其中该帧数据中的光强度信息主要指导飞行员通过对直升机位置姿态的调 整来与信标对准，FPGA信息处理模块根据解析出的4个接收端的接收光强 度，控制接收光强指示灯阵列。飞行员根据接收光强指示灯阵列中各个指示 灯的显示情况相应的调整直升机位姿，具体为：接收光强指示灯阵列中设置 有指示灯，包括1号、2号、3号、4号指示灯，具体调整方法参照表2所示：

表2 调整直升机位姿的调整方法

      

已对准组合 调整方向(机身超过标识) 调整方向(机身未超过标识) 1号 右转机头,左下方平移 左转机头,右上方平移 2号 左转机头.右下方平移 右转机头.左上方平移 3号 右转机头.右下方平移 左转机头.左上方平移 4号 左转机头.左下方平移 右转机头.右上方平移 1号.3号 右转机头.下方平移 左转机头.上方平移 2号.4号 左转机头.下方平移 右转机头.上方平移 1号.2号 右转机头.左方平移 左转机头.右方平移 3号.4号 左转机头.左方平移 右转机头.右方平移

飞行员通过观察机上的接收光强指示灯阵列的显示情况，继续微调机身 方向使机身准确的对准接收端，具体方法是：观察接收光强指示灯阵列，如 图10所示，(由于每个信标所发射的紫外光束成圆锥形发射，因此从空中俯 瞰下去其截面为一圆形，同一圆形平面中越靠近中心接收信号强度越高，根 据这一规律，通过接收光强指示灯阵列指导飞行员将直升机与地面四个信标 对齐)当一行三个指示灯全部点亮时，表示该接收端与对应发射端精确对准， 当一行两个指示灯点亮时，表示该接收端与对应发射端基本对准，当一行有 一个指示灯点亮时，表示该接收端能够搜索到紫外光信号。与此同时FPGA 解析该帧数据的灰度图像信息，将解析出的灰度图像显示在液晶显示屏幕， 为飞行员提供周边环境的纹理信息。如果接收到的数据帧波段编号不是 0x02，则丢弃该帧数据，继续搜索紫外光信号。飞行员选用按照表2调整直 升机位姿，使得四个接收端中至少三个显示精确对准时进入步骤4，否则继 续调整直升机位姿，完成对准。

步骤4、直升机微调着陆

步骤3中完成直升机的接收端与地面信标对准后，直升机缓慢调整降落， 该阶段光电探测器接收到紫外光信号后，通过FPGA信号处理模块首先解析 帧头数据，如果接收波段编号为0x03则继续解析该帧数据。该波段数据信 息主要包括地面的角度传感器测量的地面坡度信息，经FPGA处理后计算出 直升机需要补偿的角度、净空环境图像，并将该角度通过液晶屏幕反映给飞 行员；同时FPGA处理该帧数据的全彩图像信息，将解析出的全彩图像显示 在液晶显示屏幕，为飞行员提供净空环境的纹理信息。最后飞行员根据地面 角度信息和净空环境图像信息，调整直升机降落过程中的姿态，使得直升机 安全降落。