專利名稱：機(jī)群編隊(duì)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合多址體制設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)群編隊(duì)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合多址體制設(shè)計(jì)方法，屬于航空數(shù)
據(jù)鏈、無線電導(dǎo)航、飛行器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外機(jī)群組網(wǎng)基于數(shù)據(jù)鏈體制，典型的如Link-ll、 Link-16、 JTIDS，等 等。這些數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的多址接入方式基于時(shí)分多工制通信，不支持飛行器之間的測距、測 速、時(shí)間同步。另外，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈體制下的機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較單一，僅僅按照信 息交互需要構(gòu)成多址接入通信網(wǎng)拓?fù)洌瑳]有形成適應(yīng)特定任務(wù)的空間協(xié)同組網(wǎng)拓?fù)洹?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種機(jī)群編隊(duì)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合多址體制設(shè)計(jì)方法， 適用于機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)通信與測量的多址體制和組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足機(jī)群編隊(duì)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的無 源探測定位和協(xié)同打擊任務(wù)。 可以認(rèn)為任何一種任務(wù)都要求機(jī)群編隊(duì)的成員節(jié)點(diǎn)具備以下三種功能 ①機(jī)群編隊(duì)成員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)形成覆蓋所有成員節(jié)點(diǎn)的全網(wǎng)通信體系，任意兩成員節(jié)
點(diǎn)之間能夠建立單跳的、無延遲的、對(duì)其他成員透明的、異步全雙工的通信鏈路，滿足機(jī)群
編隊(duì)通信網(wǎng)內(nèi)的任意成員節(jié)點(diǎn)信息的全網(wǎng)實(shí)時(shí)共享需求，也提供多跳通信和路由業(yè)務(wù)，機(jī)
群編隊(duì)通信網(wǎng)可以是有中心節(jié)點(diǎn)或無中心節(jié)點(diǎn)的模式； ②機(jī)群編隊(duì)任意兩成員節(jié)點(diǎn)之間能夠精密地實(shí)時(shí)測定兩者之間的幾何距離用于 編隊(duì)組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制，并作為動(dòng)目標(biāo)無源探測定位和協(xié)同打擊體制的基線測量值用于 干涉測量和分布式數(shù)據(jù)處理。 ③機(jī)群編隊(duì)全網(wǎng)成員的時(shí)間同步，這一點(diǎn)在非常多的多基地?zé)o源探測定位和協(xié)同 打擊任務(wù)中體現(xiàn)的尤為突出，迫切需要機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)所有成員的時(shí)間同步以實(shí)現(xiàn)編隊(duì)組網(wǎng) 拓?fù)錁?gòu)型實(shí)施控制，以及實(shí)現(xiàn)空間多點(diǎn)聯(lián)合干涉式探測任務(wù)。 實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)無源探測定位和協(xié)同打擊任務(wù)的機(jī)群編隊(duì)需要建立一種網(wǎng)內(nèi)成員節(jié) 點(diǎn)多址通信、全雙工異步數(shù)據(jù)交互、具備任意兩點(diǎn)精密測距、全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的通信、測 距與時(shí)間同步體制。 本發(fā)明完成了機(jī)群的機(jī)間組網(wǎng)、多址接入。從機(jī)群通信組網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形出發(fā)，研究了 適用于機(jī)群組網(wǎng)通信與測量的多址體制，提出了機(jī)群網(wǎng)內(nèi)兩種多址接入體制基于交叉鏈 路組網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制；基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群分級(jí)遞階多址 體制。 本發(fā)明一種機(jī)群編隊(duì)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合多址體制設(shè)計(jì)方法，可以在機(jī)群鏈路 終端機(jī)的中頻信號(hào)處理電路板上的數(shù)字信號(hào)處理器DSP、 FPGA器件和射頻通道上實(shí)現(xiàn)本發(fā) 明提出的組合多址體制并支持本發(fā)明提出的機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 本發(fā)明提出兩種新型通信拓?fù)錁?gòu)形的多址接入體制基于交叉鏈路組網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制；基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階多址通信體制。
前者能夠支持全網(wǎng)覆蓋的單跳接入模式，后者提供全網(wǎng)覆蓋的多跳接入模式。 —、機(jī)間鏈路全雙工異步通信信道的數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu) 多數(shù)任務(wù)中機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)形一般尺度不大(幾公里 幾十公里范圍以 內(nèi))，任意兩成員飛機(jī)最遠(yuǎn)距離一般在幾十公里左右，因此在本發(fā)明中機(jī)群組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間空間 通信鏈路仿照CCSDS Proximity-1近程空間鏈路通信協(xié)議藍(lán)皮書建議(CCSDS 211. 2_B_1、 CCSDS211. 1-B-3、CCSDS 211. 0_B_4)，參考Version-3的傳輸幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出用于機(jī)群通信/ 基線測量綜合體制的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸幀(圖l)，包括24bit的幀同步碼ASM(0xFAF320)、 32bit的結(jié)構(gòu)固定數(shù)據(jù)幀導(dǎo)頭header、長度小于16344bit的數(shù)據(jù)域、32bit的CRC校驗(yàn)碼。 該傳輸幀支持異步/同步綜合傳輸、等時(shí)/非等時(shí)綜合傳輸、多路虛擬信道統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用傳 輸。數(shù)據(jù)域前部定義為勤務(wù)段，嵌入對(duì)應(yīng)鏈路標(biāo)識(shí)符、本地鐘面時(shí)編碼和本地偽距編碼向?qū)?方發(fā)送。幀長選擇固定，幀頻為整數(shù)赫茲( 一般在1Hz 20Hz)，可根據(jù)測量刷新率需求而 定。 將本體制中的機(jī)群內(nèi)機(jī)間通信/基線測量綜合鏈路設(shè)備稱為異步通信/測距終 端(Asynchronous Communication & Ranging Unit :ACRU)，假定機(jī)群網(wǎng)內(nèi)的任意成員飛機(jī) 均配置了 ACRU。以兩架飛機(jī)A、B為研究對(duì)象，ACRU_A、ACRU_B各自獨(dú)立地向?qū)Ψ桨l(fā)送傳輸 幀，兩終端之間的發(fā)射載波及發(fā)送碼時(shí)鐘均互不相參。飛機(jī)A和飛機(jī)B的ACRU_A、 ACRU_B 分別于本地傳輸幀同步碼前沿(或者后沿)的發(fā)送時(shí)刻采樣本地時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、接收通道碼 跟蹤環(huán)路的歷元計(jì)數(shù)器，從當(dāng)前接收對(duì)方傳輸幀的勤務(wù)段提取出對(duì)方幀同步碼前沿發(fā)送時(shí) 刻，并計(jì)算出歷元形式的本地偽距值。ACRU_A、ACRU_B各自獨(dú)立地利用本地測量偽距、本地 鐘面時(shí)、接收到對(duì)方經(jīng)傳輸幀發(fā)來的對(duì)方本地偽距、對(duì)方本地鐘面時(shí)，計(jì)算出機(jī)間距離、同 步誤差(鐘差)、兩終端采樣時(shí)間間隔，進(jìn)行時(shí)間同步調(diào)整。 可見，設(shè)計(jì)的傳輸幀除了具有多址通信功能之外，還具備多點(diǎn)之間空間-時(shí)間參 數(shù)測量的功能。 本發(fā)明提出機(jī)間全雙工通信鏈路實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)交互和雙向非相干測距、測速、鐘 差測量、頻偏測量，這種通信/基線測量綜合鏈路體制具有如下四個(gè)特點(diǎn)
①兩機(jī)載終端的數(shù)據(jù)交互與基線測量在單載波統(tǒng)一信道內(nèi)綜合實(shí)現(xiàn)，不額外配置 專用基線測量設(shè)備，工作在異步全雙工擴(kuò)頻模式，任意兩架飛機(jī)之間通信/基線測量過程 對(duì)其他節(jié)點(diǎn)透明； ②兩機(jī)載終端相互獨(dú)立地向?qū)Ψ桨l(fā)送結(jié)構(gòu)相同的傳輸幀，本地基帶數(shù)據(jù)發(fā)送碼時(shí) 鐘、發(fā)射載波頻率由本地頻率綜合器產(chǎn)生，不與對(duì)方相參，發(fā)送方與接收方之間無頻率、相 位關(guān)系約束； ③兩機(jī)載終端相互獨(dú)立地提取本地接收單元碼跟蹤環(huán)的歷元計(jì)數(shù)器鎖存值和本 地時(shí)頻基準(zhǔn)標(biāo)稱值計(jì)算出歷元形式(Epoch)的本地偽距，將其嵌入本地傳輸幀向?qū)Ψ桨l(fā) 送； ④兩機(jī)載終端利用本地測量偽距和接收到對(duì)方經(jīng)傳輸幀發(fā)來的偽距通過計(jì)算獲 得機(jī)間基線測量值和兩飛機(jī)本地鐘差，并實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步調(diào)整。 機(jī)載終端在取樣時(shí)刻提取的發(fā)送幀歷元時(shí)與接收幀歷元時(shí)代數(shù)差定義為本地偽 距，包含此時(shí)刻兩架飛機(jī)之間的幾何距離和本地鐘面時(shí)偏差，二者需通過算法實(shí)現(xiàn)解耦。
二、機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)形設(shè)計(jì) 機(jī)群編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形會(huì)根據(jù)任務(wù)的不同模式改變，通信組網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)形往往與編隊(duì) 空間拓?fù)錁?gòu)形相關(guān)，因此往往也將隨之發(fā)生改變。而且，機(jī)群通信組網(wǎng)的成員節(jié)點(diǎn)可以是同 類飛機(jī)，也可以是非同類飛機(jī)，即多種成員節(jié)點(diǎn)異構(gòu)組網(wǎng)。 —般情況下，機(jī)群編隊(duì)采用的機(jī)間通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形包括(圖2 圖7): ①星型拓?fù)浯嬖谥行墓?jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)與之存在通信鏈路，且非中心節(jié)點(diǎn)之間無通
信鏈路； ②總線型拓?fù)湟卜Q為樹型拓?fù)?，由星型拓?fù)溥f階構(gòu)成，具有分層結(jié)構(gòu)，星型拓?fù)?可看作單層總線型拓?fù)洌? ③環(huán)型拓?fù)湟来蜗嗦?lián)形成一個(gè)封閉的環(huán)形；
鏈型拓?fù)洵h(huán)形拓?fù)湓谀程帞嚅_即退化為鏈?zhǔn)酵負(fù)洌?
⑤交叉鏈路拓?fù)淙我鈨晒?jié)點(diǎn)間存在通信鏈路；
⑥混合型拓?fù)淝拔宸N拓?fù)涞哪撤N組合。 機(jī)群通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形⑤交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形能夠提供覆蓋全網(wǎng)任意成員節(jié)點(diǎn)的 點(diǎn)_點(diǎn)單跳通信鏈路，結(jié)構(gòu)最簡單，路徑最多，可靠性最高，但性能未必最好(這一點(diǎn)需要注 意)。交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形支持機(jī)群全網(wǎng)覆蓋的機(jī)間距離、速度等基線測量和精密時(shí)間同步， 測量信息最為豐富，這一性質(zhì)更利于機(jī)群的節(jié)點(diǎn)間基線測量、相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測量與時(shí)間同 步過程獲得更高的性能。 這幾類通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形都可能在某一個(gè)機(jī)群編隊(duì)任務(wù)中出現(xiàn)，拓?fù)錁?gòu)形的定義和 變換遵循的原則也可分為幾類 ①指令控制方式根據(jù)指令控制強(qiáng)制定義為某一拓?fù)錁?gòu)形； ②基于規(guī)則方式依據(jù)相對(duì)位置、信道帶寬等參數(shù)遵循某一優(yōu)化指標(biāo)定義為某一 拓?fù)錁?gòu)形； ③Ad hoc方式采用自組織模式動(dòng)態(tài)實(shí)施拓?fù)錁?gòu)形的定義。
三、適用于機(jī)群組網(wǎng)通信與測量的多址體制 實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)無源探測定位和協(xié)同打擊任務(wù)的機(jī)群編隊(duì)需要建立一種網(wǎng)內(nèi)成員節(jié) 點(diǎn)多址通信、全雙工異步數(shù)據(jù)交互、具備任意兩點(diǎn)精密測距、全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的通信、測 距與時(shí)間同步體制。本發(fā)明提出兩種新型通信拓?fù)錁?gòu)形的多址接入體制基于交叉鏈路組 網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制；基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群分級(jí)遞階多址通信 體制。前者能夠支持全網(wǎng)覆蓋的單跳接入模式，后者能夠提供全網(wǎng)覆蓋的多跳接入模式。1、 基于交叉鏈路組網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制 考慮到支持機(jī)群任意成員的機(jī)間測量與單跳通信應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用交叉鏈路拓?fù)錁?gòu) 形，本發(fā)明提出采用碼分+頻分(CDMA/FDMA)組合多址體制組合多址體制實(shí)現(xiàn)機(jī)群全網(wǎng)覆 蓋、任意節(jié)點(diǎn)之間透明無延遲傳輸數(shù)據(jù)、任意節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的全網(wǎng)實(shí)時(shí)共享、高可靠性的多址通 信與異步測距，能夠滿足交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形(也適用于§2.2節(jié)的任意拓?fù)錁?gòu)形)。CDMA/ FDMA組網(wǎng)體制能夠提供機(jī)群通信網(wǎng)的各級(jí)業(yè)務(wù)需求，特別是保證了任意兩成員之間存在通 信鏈路，能夠?qū)崿F(xiàn)任意兩點(diǎn)之間的精密測距和全網(wǎng)時(shí)間同步(圖8)。 機(jī)群內(nèi)有n架成員飛機(jī)，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)X/Ku/Ka波段頻點(diǎn)和一個(gè)用于在 此頻點(diǎn)上擴(kuò)頻調(diào)制的擴(kuò)頻碼，整網(wǎng)為n架成員飛機(jī)共分配了 n個(gè)頻點(diǎn)+n個(gè)擴(kuò)頻碼。機(jī)群通
9信網(wǎng)內(nèi)可建立n (n-l) /2條雙向異步通信鏈路。圖16示例中n = 5，可建立10條雙向鏈路。
機(jī)群每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)(成員)可以利用分配給自身的一個(gè)特定頻點(diǎn)和擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)擴(kuò) 頻調(diào)制向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，這一過程是廣播式的，實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)一多點(diǎn)的多址發(fā)送。機(jī)群全 網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)都能收到本發(fā)明點(diǎn)發(fā)送的信息，保證了全網(wǎng)通信覆蓋性。如果需要向特定節(jié)點(diǎn) 發(fā)送，則在數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸幀結(jié)構(gòu)中定義目的地址即可，此處不展開討論(圖9)。
機(jī)群每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)能夠利用分配給自身的n-l個(gè)接收通道對(duì)應(yīng)的n-l個(gè)頻點(diǎn)與 n-l個(gè)擴(kuò)頻碼(分配給機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他成員的)在機(jī)間通信終端的接收單元配置n-l個(gè) 接收通道的解擴(kuò)/解調(diào)單元，每個(gè)通道將本通道對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)下變頻到標(biāo)稱的中頻中心頻點(diǎn) 上進(jìn)行載波跟蹤，用本通道對(duì)應(yīng)的本地再生擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)/解調(diào)。n-l個(gè)接收通道分別獨(dú) 立地對(duì)應(yīng)來自機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他n-l個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)/解調(diào)和數(shù)據(jù)接收，以及 異步測距與/時(shí)間同步。每架成員都能同時(shí)接收其他n-l架成員飛機(jī)發(fā)送的信號(hào)并解碼數(shù) 據(jù)幀，各通道的處理過程相互獨(dú)立互不干擾，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)一單點(diǎn)的多址接收(圖10)。
任意節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)接收分別來自機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他n-l個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息而互不影 響、向機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他n-l個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，發(fā)送、接收過程相互獨(dú)立為異步過程。機(jī)群 通信網(wǎng)內(nèi)任意兩架成員之間均存在直接異步通信鏈路，能夠相互交互數(shù)據(jù)和進(jìn)行機(jī)間測距 /時(shí)間同步。 另外，也支持Ad Hoc自組織多跳路由模式，采用距離路由算法，但考慮到機(jī)群通信 網(wǎng)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)間的測距/時(shí)間同步過程必須要求單點(diǎn)_單點(diǎn)單跳模式，因此多跳模式在機(jī) 群組網(wǎng)通信中意義不大，僅提供此通信功能(圖11)。 交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形優(yōu)點(diǎn)很多，但對(duì)于節(jié)點(diǎn)較多的編隊(duì)機(jī)群(成員數(shù)N > 8個(gè))，或 者有新成員加入機(jī)群編隊(duì)，則會(huì)引起組合爆炸，給機(jī)載終端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)造成較大困難。另外， 往往任務(wù)決定了編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形節(jié)點(diǎn)之間距離遠(yuǎn)近差距較大，而且在任務(wù)周期內(nèi)編隊(duì)拓?fù)錁?gòu) 形會(huì)發(fā)生變化，因此節(jié)點(diǎn)間通信鏈路狀態(tài)差異過大、距離隨著軌道運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)變化，提供的傳 輸能力、信道質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量差異很大，不利于通信網(wǎng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，機(jī)間測量一致性不 理想(如圖12所示)。 因此，為保障機(jī)群編隊(duì)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸、機(jī)間測量精度滿足任務(wù)需要，而且無需明 顯提高發(fā)射單元功率及接收單元靈敏度、天線增益和指向性，采用多跳鏈路實(shí)現(xiàn)機(jī)群網(wǎng)機(jī) 間空_空數(shù)據(jù)傳輸和機(jī)間測量是必要的，這種多跳鏈路往往需要定義多跳路由規(guī)則，且隨 著機(jī)群編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形的變化而隨之改變。因此需要選擇一種合適的編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形，同時(shí)滿 足機(jī)間通信數(shù)傳的性能又能提供精密、充分的機(jī)間測量信息，而且不至于增加機(jī)載通信與 測量終端、天線系統(tǒng)、發(fā)射端功率放大單元、接收端信號(hào)放大單元等組件的工程設(shè)計(jì)難度。
本發(fā)明提出一種基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階通信體制，具有自組織組網(wǎng)能 力，支持拓?fù)錁?gòu)形動(dòng)態(tài)變化和擴(kuò)頻碼、頻點(diǎn)的動(dòng)態(tài)再分配。 圖13給出了某一時(shí)刻機(jī)群編隊(duì)處于某一拓?fù)錁?gòu)形，空_空/空_地通信跟蹤任務(wù) 為某種模式下，基于Ad hoc自組織規(guī)則(例如基于空間位置和距離)動(dòng)態(tài)定義的樹型通 信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形的組織形式(圖13中的機(jī)群編隊(duì)任務(wù)存在4種共20架飛機(jī)形成異構(gòu)編隊(duì)網(wǎng) 絡(luò))。任何時(shí)刻，地面C4IR指揮控制中心僅與機(jī)群編隊(duì)中被定義為空-地鏈路空間端的飛 機(jī)存在唯一的通信鏈路。這樣一來，地面C4IR指控中心站無需與機(jī)群編隊(duì)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)建立 鏈路，使得地面通信指揮任務(wù)復(fù)雜度和任務(wù)量大為降低。同時(shí)，機(jī)群編隊(duì)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)被定義為M叉樹節(jié)點(diǎn)(圖12中為二叉樹)，包括三條完全相同的全雙工異步通信鏈路，支持與父節(jié) 點(diǎn)(與自身聯(lián)接的上一層節(jié)點(diǎn))和兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)(與自身聯(lián)接的下一層節(jié)點(diǎn))。圖12中的二 叉樹型拓?fù)浒?0個(gè)節(jié)點(diǎn)分成了 6層，形成分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與自身的父節(jié)點(diǎn)和子 節(jié)點(diǎn)存在通信鏈路，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度和通信量比較簡單。
這里給出如下命題命題1機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)任何成員節(jié)點(diǎn)的通信性能、體制完全相同(如傳輸最高速
率、擴(kuò)頻碼型、最大發(fā)射功率、接收靈敏度和跟蹤門限)，抽象為二叉樹的節(jié)點(diǎn)；命題2根據(jù)近世代數(shù)、離散數(shù)學(xué)理論和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論可以得出
結(jié)論三維空間N個(gè)節(jié)點(diǎn)均可用二叉樹相聯(lián)接，且通過深度遍歷和廣度遍歷實(shí)現(xiàn)任意兩節(jié)
點(diǎn)的信息交互；命題3機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)任何成員節(jié)點(diǎn)自組織組網(wǎng)的原則基于當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)的通信 量、各節(jié)點(diǎn)間的空間分布幾何距離，Ad hoc自組網(wǎng)規(guī)則將基于某種受約束條件(如任務(wù)決 定了編隊(duì)拓?fù)淙S空間位置約束)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化(如綜合傳輸距離最短、綜合傳輸 帶寬占用最小)，且通信組網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形可根據(jù)任務(wù)的變化而動(dòng)態(tài)改變并能切換到任意其他 拓?fù)錁?gòu)形。 機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)任何成員節(jié)點(diǎn)具有三套相互獨(dú)立、物理隔離的全雙工異步通信終端 及定向天線，與通信協(xié)議處理器存在接口，在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層發(fā)生相互 關(guān)聯(lián)。CDMA/FDMA組合多址策略不適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)過多的情況，因此基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì) 分級(jí)遞階通信體制中，提出CDMA+雙頻多址接入的模式。這種模式下，終端發(fā)射/接收提供 兩種頻點(diǎn)(雙頻)&、fe由機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)時(shí)根據(jù)拓?fù)錁?gòu)形分別分配給發(fā)射通道、接收通道使 用，則二叉樹結(jié)構(gòu)的奇數(shù)層節(jié)點(diǎn)發(fā)射/接收分別占用頻點(diǎn)f/fe，二叉樹結(jié)構(gòu)的偶數(shù)層節(jié)點(diǎn) 發(fā)射/接收分別占用頻點(diǎn)fB/fA，此時(shí)二叉樹結(jié)構(gòu)的奇數(shù)層節(jié)點(diǎn)和偶數(shù)層節(jié)點(diǎn)分配的擴(kuò)頻碼 可以重復(fù)(頻點(diǎn)不同)，但層內(nèi)節(jié)點(diǎn)不能分配相同的擴(kuò)頻碼(頻點(diǎn)相同)。這種CDMA+雙頻 多址接入的模式利于優(yōu)選擴(kuò)頻碼和采用短碼(碼長為63， 127,255,511)擴(kuò)頻。
對(duì)于機(jī)間空-空高速通信業(yè)務(wù)(一般為返向鏈路)，擴(kuò)頻體制無法提供多址高速通 信數(shù)傳業(yè)務(wù)，此時(shí)利用前向擴(kuò)頻鏈路逐級(jí)分發(fā)信道調(diào)度控制信息，以TDMA時(shí)分復(fù)用信道規(guī) 則控制各節(jié)點(diǎn)返向鏈路高速通信數(shù)傳；或者利用前向擴(kuò)頻鏈路逐級(jí)分發(fā)頻點(diǎn)分配信息，以 FDMA頻分多址規(guī)則實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)返向鏈路高速通信數(shù)傳，這種模式既可根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) 量所需占用的通信帶寬分配頻點(diǎn)(共N個(gè))，也可根據(jù)機(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)的層數(shù)M分配 頻點(diǎn)(共M個(gè))，層內(nèi)采用時(shí)分復(fù)用接入通信鏈路，對(duì)于二叉樹型拓?fù)淇梢钥醋饕环N節(jié)點(diǎn)的 深度遍歷過程或者廣度遍歷過程。 在本發(fā)明的多址體制中，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)地位平等，均能被定義為空間端任意一層 的父節(jié)點(diǎn)。這樣，機(jī)群編隊(duì)成員節(jié)點(diǎn)的通信設(shè)備能夠標(biāo)準(zhǔn)化通用化，支持下一節(jié)將要提出的 機(jī)間空_空(空_地同理)通信與測量綜合信道體制，且可靠性很高，即使某架成員節(jié)點(diǎn)有 一套通信終端徹底損壞，仍然能夠作為機(jī)間通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)正常工作實(shí)現(xiàn)機(jī)間路由功能和對(duì)地 通信功能。 基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階多址體制也采用碼分+頻分組合多址體制，支 持任意通信鏈路兩終端的基線測量、相對(duì)運(yùn)動(dòng)測量和時(shí)間同步，但鏈路為N-l條，比交叉鏈 路拓?fù)涞腘(N-1)/2少許多，測量信息不如交叉鏈路拓?fù)湄S富，這對(duì)于一大部分機(jī)群編隊(duì)任務(wù)已能滿足要求，能夠?yàn)閱蔚孛鍯4IR指控站對(duì)機(jī)群編隊(duì)直接指控、利用機(jī)間測量信息作為 約束量阻尼INS算法的發(fā)散、機(jī)群編隊(duì)整網(wǎng)時(shí)間同步等，也能支持機(jī)群編隊(duì)整網(wǎng)對(duì)單地面 C4IR指控站(通過衛(wèi)星中繼同理)的單鏈路高速數(shù)據(jù)下行和單地面C4IR指控站對(duì)機(jī)群編 隊(duì)整網(wǎng)各成員節(jié)點(diǎn)的指控命令上行，無需各成員節(jié)點(diǎn)對(duì)地面的時(shí)分或者碼分接入，更不必 多地面站參與空_地指揮通信。 這里順便提出星型拓?fù)鋵?shí)質(zhì)是多叉樹構(gòu)成單層樹型拓?fù)洌珜?duì)父節(jié)點(diǎn)的性能與 可靠性要求很高，如提供更多的定向天線和通信終端，不適用于節(jié)點(diǎn)較多和編隊(duì)拓?fù)浯嬖?動(dòng)態(tài)變化、新成員加入的情況，也難以做到每架成員節(jié)點(diǎn)具備父節(jié)點(diǎn)功能。如果任務(wù)允許， 也可采用TDMA時(shí)分多址模式用多于兩副的天線為各子節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)交互服務(wù)。如果為進(jìn) 一步簡化機(jī)載通信終端復(fù)雜性，也可以采用鏈型拓?fù)?，每架成員節(jié)點(diǎn)將減少一套通信終端 與天線。 本發(fā)明一種機(jī)群編隊(duì)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合多址體制設(shè)計(jì)方法，優(yōu)點(diǎn)在于
令多機(jī)組網(wǎng)采用分層遞階組織模式性能與可靠性、抗毀性相對(duì)較好；
今多機(jī)組網(wǎng)的某一層內(nèi)節(jié)點(diǎn)(同層節(jié)點(diǎn))不宜過多(<8)，且配置一架主機(jī)(指 揮機(jī))即可，主機(jī)戰(zhàn)損后按照約定優(yōu)先級(jí)進(jìn)行替代； 今一般情況采用星型聯(lián)接組網(wǎng)，即1架主機(jī)(指揮機(jī))-n架從機(jī)(參戰(zhàn)機(jī))的模 式，各從機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)可通過主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，低速數(shù)據(jù)可直接廣播共享；
今出于匿蹤、可靠性等需求，戰(zhàn)機(jī)配置天線(特別是全向天線)不宜過多，一般要 求采用星型聯(lián)接組網(wǎng)接入； 今當(dāng)組網(wǎng)的最低層成員節(jié)點(diǎn)較少且處于戰(zhàn)場最前沿時(shí)，面臨損傷風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)上層拓 撲較高，對(duì)反應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求更高，建議采用網(wǎng)格型拓?fù)錁?gòu)型，增加信息處理效率和可靠 性、抗毀性。


圖1機(jī)群組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間空間鏈路傳輸幀結(jié)構(gòu)示意圖 圖2機(jī)群成員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的星型拓?fù)錁?gòu)形示意圖 圖3機(jī)群成員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的總線型(樹型)拓?fù)錁?gòu)形示意圖 圖4機(jī)群成員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的環(huán)型拓?fù)錁?gòu)形示意圖 圖5機(jī)群成員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的線(鏈)型拓?fù)錁?gòu)形示意圖 圖6機(jī)群成員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形示意圖 圖7機(jī)群成員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的混合型拓?fù)錁?gòu)形(總線型+交叉鏈路+環(huán)型)示意圖 圖8機(jī)群組網(wǎng)的通信鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖 圖9機(jī)群內(nèi)的單點(diǎn)一多點(diǎn)單跳多址發(fā)送拓?fù)涫疽鈭D 圖10機(jī)群內(nèi)的多點(diǎn)一單點(diǎn)單跳多址接收拓?fù)涫疽鈭D 圖11機(jī)群內(nèi)的單點(diǎn)一單點(diǎn)多跳路由傳輸拓?fù)涫疽鈭D 圖12機(jī)群編隊(duì)的成員節(jié)點(diǎn)間空間尺度遠(yuǎn)近差異示意圖 圖13基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形
12具體實(shí)施例 本發(fā)明一種機(jī)群編隊(duì)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合多址體制設(shè)計(jì)方法，可以在機(jī)群鏈路 終端機(jī)的中頻信號(hào)處理電路板上的數(shù)字信號(hào)處理器DSP、 FPGA器件和射頻通道上實(shí)現(xiàn)本發(fā) 明提出的組合多址體制并支持本發(fā)明提出的機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 本發(fā)明提出兩種新型通信拓?fù)錁?gòu)形的多址接入體制基于交叉鏈路組網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī) 群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制；基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階多址通信體制。 前者能夠支持全網(wǎng)覆蓋的單跳接入模式，后者提供全網(wǎng)覆蓋的多跳接入模式。
—、機(jī)間鏈路全雙工異步通信信道的數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu) 多數(shù)任務(wù)中機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)形一般尺度不大(幾公里 幾十公里范圍以 內(nèi))，任意兩成員飛機(jī)最遠(yuǎn)距離一般在幾十公里左右，因此在本發(fā)明中機(jī)群組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間空間 通信鏈路仿照CCSDS Proximity-1近程空間鏈路通信協(xié)議藍(lán)皮書建議(CCSDS 211. 2_B_1、 CCSDS211. 1-B-3、CCSDS 211. 0_B_4)，參考Version-3的傳輸幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出用于機(jī)群通信/基 線測量綜合體制的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸幀(圖1)，包括24bit的幀同步碼ASM(0xFAF320) 、32bit 的結(jié)構(gòu)固定數(shù)據(jù)幀導(dǎo)頭header、長度小于16344bit的數(shù)據(jù)域、32bit的CRC校驗(yàn)碼。該傳輸 幀支持異步/同步綜合傳輸、等時(shí)/非等時(shí)綜合傳輸、多路虛擬信道統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用傳輸。數(shù) 據(jù)域前部定義為勤務(wù)段，嵌入對(duì)應(yīng)鏈路標(biāo)識(shí)符、本地鐘面時(shí)編碼和本地偽距編碼向?qū)Ψ桨l(fā)送。 幀長選擇固定，幀頻為整數(shù)赫茲( 一般在1Hz 20Hz)，可根據(jù)測量刷新率需求而定。
將本體制中的機(jī)群內(nèi)機(jī)間通信/基線測量綜合鏈路設(shè)備稱為異步通信/測距終 端(Asynchronous Communication & Ranging Unit :ACRU)，假定機(jī)群網(wǎng)內(nèi)的任意成員飛機(jī) 均配置了 ACRU。以兩架飛機(jī)A、B為研究對(duì)象，ACRU_A、ACRU_B各自獨(dú)立地向?qū)Ψ桨l(fā)送傳輸 幀，兩終端之間的發(fā)射載波及發(fā)送碼時(shí)鐘均互不相參。飛機(jī)A和飛機(jī)B的ACRU_A、 ACRU_B 分別于本地傳輸幀同步碼前沿(或者后沿)的發(fā)送時(shí)刻采樣本地時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、接收通道碼 跟蹤環(huán)路的歷元計(jì)數(shù)器，從當(dāng)前接收對(duì)方傳輸幀的勤務(wù)段提取出對(duì)方幀同步碼前沿發(fā)送時(shí) 刻，并計(jì)算出歷元形式的本地偽距值。ACRU_A、ACRU_B各自獨(dú)立地利用本地測量偽距、本地 鐘面時(shí)、接收到對(duì)方經(jīng)傳輸幀發(fā)來的對(duì)方本地偽距、對(duì)方本地鐘面時(shí)，計(jì)算出機(jī)間距離、同 步誤差(鐘差)、兩終端采樣時(shí)間間隔，進(jìn)行時(shí)間同步調(diào)整。 可見，設(shè)計(jì)的傳輸幀除了具有多址通信功能之外，還具備多點(diǎn)之間空間-時(shí)間參 數(shù)測量的功能。 本發(fā)明提出機(jī)間全雙工通信鏈路實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)交互和雙向非相干測距、測速、鐘 差測量、頻偏測量，這種通信/基線測量綜合鏈路體制具有如下四個(gè)特點(diǎn)
①兩機(jī)載終端的數(shù)據(jù)交互與基線測量在單載波統(tǒng)一信道內(nèi)綜合實(shí)現(xiàn)，不額外配置 專用基線測量設(shè)備，工作在異步全雙工擴(kuò)頻模式，任意兩架飛機(jī)之間通信/基線測量過程 對(duì)其他節(jié)點(diǎn)透明； ②兩機(jī)載終端相互獨(dú)立地向?qū)Ψ桨l(fā)送結(jié)構(gòu)相同的傳輸幀，本地基帶數(shù)據(jù)發(fā)送碼時(shí) 鐘、發(fā)射載波頻率由本地頻率綜合器產(chǎn)生，不與對(duì)方相參，發(fā)送方與接收方之間無頻率、相 位關(guān)系約束； ③兩機(jī)載終端相互獨(dú)立地提取本地接收單元碼跟蹤環(huán)的歷元計(jì)數(shù)器鎖存值和本 地時(shí)頻基準(zhǔn)標(biāo)稱值計(jì)算出歷元形式(Epoch)的本地偽距，將其嵌入本地傳輸幀向?qū)Ψ桨l(fā) 送；
④兩機(jī)載終端利用本地測量偽距和接收到對(duì)方經(jīng)傳輸幀發(fā)來的偽距通過計(jì)算獲 得機(jī)間基線測量值和兩飛機(jī)本地鐘差，并實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步調(diào)整。 機(jī)載終端在取樣時(shí)刻提取的發(fā)送幀歷元時(shí)與接收幀歷元時(shí)代數(shù)差定義為本地偽 距，包含此時(shí)刻兩架飛機(jī)之間的幾何距離和本地鐘面時(shí)偏差，二者需通過算法實(shí)現(xiàn)解耦。
二、機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)形設(shè)計(jì) 機(jī)群編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形會(huì)根據(jù)任務(wù)的不同模式改變，通信組網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)形往往與編隊(duì) 空間拓?fù)錁?gòu)形相關(guān)，因此往往也將隨之發(fā)生改變。而且，機(jī)群通信組網(wǎng)的成員節(jié)點(diǎn)可以是同 類飛機(jī)，也可以是非同類飛機(jī)，即多種成員節(jié)點(diǎn)異構(gòu)組網(wǎng)。 —般情況下，機(jī)群編隊(duì)采用的機(jī)間通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形包括(圖2 圖7): ①星型拓?fù)浯嬖谥行墓?jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)與之存在通信鏈路，且非中心節(jié)點(diǎn)之間無通
信鏈路； ②總線型拓?fù)湟卜Q為樹型拓?fù)?，由星型拓?fù)溥f階構(gòu)成，具有分層結(jié)構(gòu)，星型拓?fù)?可看作單層總線型拓?fù)洌? ③環(huán)型拓?fù)湟来蜗嗦?lián)形成一個(gè)封閉的環(huán)形；
鏈型拓?fù)洵h(huán)形拓?fù)湓谀程帞嚅_即退化為鏈?zhǔn)酵負(fù)洌?
⑤交叉鏈路拓?fù)淙我鈨晒?jié)點(diǎn)間存在通信鏈路；
⑥混合型拓?fù)淝拔宸N拓?fù)涞哪撤N組合。 機(jī)群通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形⑤交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形能夠提供覆蓋全網(wǎng)任意成員節(jié)點(diǎn)的 點(diǎn)_點(diǎn)單跳通信鏈路，結(jié)構(gòu)最簡單，路徑最多，可靠性最高，但性能未必最好(這一點(diǎn)需要注 意)。交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形支持機(jī)群全網(wǎng)覆蓋的機(jī)間距離、速度等基線測量和精密時(shí)間同步， 測量信息最為豐富，這一性質(zhì)更利于機(jī)群的節(jié)點(diǎn)間基線測量、相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測量與時(shí)間同 步過程獲得更高的性能。 這幾類通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形都可能在某一個(gè)機(jī)群編隊(duì)任務(wù)中出現(xiàn)，拓?fù)錁?gòu)形的定義和 變換遵循的原則也可分為幾類 ①指令控制方式根據(jù)指令控制強(qiáng)制定義為某一拓?fù)錁?gòu)形； ②基于規(guī)則方式依據(jù)相對(duì)位置、信道帶寬等參數(shù)遵循某一優(yōu)化指標(biāo)定義為某一 拓?fù)錁?gòu)形； ③Ad hoc方式采用自組織模式動(dòng)態(tài)實(shí)施拓?fù)錁?gòu)形的定義。
三、適用于機(jī)群組網(wǎng)通信與測量的多址體制 實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)無源探測定位和協(xié)同打擊任務(wù)的機(jī)群編隊(duì)需要建立一種網(wǎng)內(nèi)成員節(jié) 點(diǎn)多址通信、全雙工異步數(shù)據(jù)交互、具備任意兩點(diǎn)精密測距、全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的通信、測 距與時(shí)間同步體制。本發(fā)明提出兩種新型通信拓?fù)錁?gòu)形的多址接入體制基于交叉鏈路組 網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制；基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群分級(jí)遞階多址通信 體制。前者能夠支持全網(wǎng)覆蓋的單跳接入模式，后者能夠提供全網(wǎng)覆蓋的多跳接入模式。
1、基于交叉鏈路組網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制
考慮到支持機(jī)群任意成員的機(jī)間測量與單跳通信應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用交叉鏈路拓?fù)錁?gòu) 形，本發(fā)明提出采用碼分+頻分(CDMA/FDMA)組合多址體制組合多址體制實(shí)現(xiàn)機(jī)群全網(wǎng)覆 蓋、任意節(jié)點(diǎn)之間透明無延遲傳輸數(shù)據(jù)、任意節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的全網(wǎng)實(shí)時(shí)共享、高可靠性的多址通 信與異步測距，能夠滿足交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形(也適用于§2.2節(jié)的任意拓?fù)錁?gòu)形)。CDMA/FDMA組網(wǎng)體制能夠提供機(jī)群通信網(wǎng)的各級(jí)業(yè)務(wù)需求，特別是保證了任意兩成員之間存在通 信鏈路，能夠?qū)崿F(xiàn)任意兩點(diǎn)之間的精密測距和全網(wǎng)時(shí)間同步(圖8)。 機(jī)群內(nèi)有n架成員飛機(jī)，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)X/Ku/Ka波段頻點(diǎn)和一個(gè)用于在 此頻點(diǎn)上擴(kuò)頻調(diào)制的擴(kuò)頻碼，整網(wǎng)為n架成員飛機(jī)共分配了 n個(gè)頻點(diǎn)+n個(gè)擴(kuò)頻碼。機(jī)群通 信網(wǎng)內(nèi)可建立n(n-l)/2條雙向異步通信鏈路。圖16示例中n = 5，可建立10條雙向鏈路。
機(jī)群每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)(成員)可以利用分配給自身的一個(gè)特定頻點(diǎn)和擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)擴(kuò) 頻調(diào)制向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，這一過程是廣播式的，實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)一多點(diǎn)的多址發(fā)送。機(jī)群全 網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)都能收到本發(fā)明點(diǎn)發(fā)送的信息，保證了全網(wǎng)通信覆蓋性。如果需要向特定節(jié)點(diǎn) 發(fā)送，則在數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸幀結(jié)構(gòu)中定義目的地址即可，此處不展開討論(圖9)。
機(jī)群每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)能夠利用分配給自身的n-l個(gè)接收通道對(duì)應(yīng)的n-l個(gè)頻點(diǎn)與 n-l個(gè)擴(kuò)頻碼(分配給機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他成員的)在機(jī)間通信終端的接收單元配置n-l個(gè) 接收通道的解擴(kuò)/解調(diào)單元，每個(gè)通道將本通道對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)下變頻到標(biāo)稱的中頻中心頻點(diǎn) 上進(jìn)行載波跟蹤，用本通道對(duì)應(yīng)的本地再生擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)/解調(diào)。n-l個(gè)接收通道分別獨(dú) 立地對(duì)應(yīng)來自機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他n-l個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)/解調(diào)和數(shù)據(jù)接收，以及 異步測距與/時(shí)間同步。每架成員都能同時(shí)接收其他n-l架成員飛機(jī)發(fā)送的信號(hào)并解碼數(shù) 據(jù)幀，各通道的處理過程相互獨(dú)立互不干擾，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)一單點(diǎn)的多址接收(圖10)。
任意節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)接收分別來自機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他n-l個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息而互不影 響、向機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他n-l個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，發(fā)送、接收過程相互獨(dú)立為異步過程。機(jī)群 通信網(wǎng)內(nèi)任意兩架成員之間均存在直接異步通信鏈路，能夠相互交互數(shù)據(jù)和進(jìn)行機(jī)間測距 /時(shí)間同步。 另外，也支持Ad Hoc自組織多跳路由模式，采用距離路由算法，但考慮到機(jī)群通信 網(wǎng)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)間的測距/時(shí)間同步過程必須要求單點(diǎn)_單點(diǎn)單跳模式，因此多跳模式在機(jī) 群組網(wǎng)通信中意義不大，僅提供此通信功能(圖11)。 交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形優(yōu)點(diǎn)很多，但對(duì)于節(jié)點(diǎn)較多的編隊(duì)機(jī)群(成員數(shù)N > 8個(gè))，或 者有新成員加入機(jī)群編隊(duì)，則會(huì)引起組合爆炸，給機(jī)載終端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)造成較大困難。另外， 往往任務(wù)決定了編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形節(jié)點(diǎn)之間距離遠(yuǎn)近差距較大，而且在任務(wù)周期內(nèi)編隊(duì)拓?fù)錁?gòu) 形會(huì)發(fā)生變化，因此節(jié)點(diǎn)間通信鏈路狀態(tài)差異過大、距離隨著軌道運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)變化，提供的傳 輸能力、信道質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量差異很大，不利于通信網(wǎng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，機(jī)間測量一致性不 理想(如圖12所示)。 因此，為保障機(jī)群編隊(duì)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸、機(jī)間測量精度滿足任務(wù)需要，而且無需明 顯提高發(fā)射單元功率及接收單元靈敏度、天線增益和指向性，采用多跳鏈路實(shí)現(xiàn)機(jī)群網(wǎng)機(jī) 間空-空數(shù)據(jù)傳輸和機(jī)間測量是必要的，這種多跳鏈路往往需要定義多跳路由規(guī)則，且隨 著機(jī)群編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形的變化而隨之改變。因此需要選擇一種合適的編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形，同時(shí)滿 足機(jī)間通信數(shù)傳的性能又能提供精密、充分的機(jī)間測量信息，而且不至于增加機(jī)載通信與 測量終端、天線系統(tǒng)、發(fā)射端功率放大單元、接收端信號(hào)放大單元等組件的工程設(shè)計(jì)難度。
本發(fā)明提出一種基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階通信體制，具有自組織組網(wǎng)能 力，支持拓?fù)錁?gòu)形動(dòng)態(tài)變化和擴(kuò)頻碼、頻點(diǎn)的動(dòng)態(tài)再分配。 圖13給出了某一時(shí)刻機(jī)群編隊(duì)處于某一拓?fù)錁?gòu)形，空_空/空_地通信跟蹤任務(wù) 為某種模式下，基于Ad hoc自組織規(guī)則(例如基于空間位置和距離)動(dòng)態(tài)定義的樹型通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形的組織形式(圖13中的機(jī)群編隊(duì)任務(wù)存在4種共20架飛機(jī)形成異構(gòu)編隊(duì)網(wǎng) 絡(luò))。任何時(shí)刻，地面C4IR指揮控制中心僅與機(jī)群編隊(duì)中被定義為空-地鏈路空間端的飛 機(jī)存在唯一的通信鏈路。這樣一來，地面C4IR指控中心站無需與機(jī)群編隊(duì)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)建立 鏈路，使得地面通信指揮任務(wù)復(fù)雜度和任務(wù)量大為降低。同時(shí)，機(jī)群編隊(duì)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)被定義 為M叉樹節(jié)點(diǎn)(圖12中為二叉樹)，包括三條完全相同的全雙工異步通信鏈路，支持與父節(jié) 點(diǎn)(與自身聯(lián)接的上一層節(jié)點(diǎn))和兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)(與自身聯(lián)接的下一層節(jié)點(diǎn))。圖12中的二 叉樹型拓?fù)浒?0個(gè)節(jié)點(diǎn)分成了 6層，形成分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與自身的父節(jié)點(diǎn)和子 節(jié)點(diǎn)存在通信鏈路，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度和通信量比較簡單。
這里給出如下命題命題1機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)任何成員節(jié)點(diǎn)的通信性能、體制完全相同(如傳輸最高速
率、擴(kuò)頻碼型、最大發(fā)射功率、接收靈敏度和跟蹤門限)，抽象為二叉樹的節(jié)點(diǎn)；命題2根據(jù)近世代數(shù)、離散數(shù)學(xué)理論和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論可以得出
結(jié)論三維空間N個(gè)節(jié)點(diǎn)均可用二叉樹相聯(lián)接，且通過深度遍歷和廣度遍歷實(shí)現(xiàn)任意兩節(jié)
點(diǎn)的信息交互；命題3機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)任何成員節(jié)點(diǎn)自組織組網(wǎng)的原則基于當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)的通信 量、各節(jié)點(diǎn)間的空間分布幾何距離，Adhoc自組網(wǎng)規(guī)則將基于某種受約束條件(如任務(wù)決 定了編隊(duì)拓?fù)淙S空間位置約束)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化(如綜合傳輸距離最短、綜合傳輸 帶寬占用最小)，且通信組網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形可根據(jù)任務(wù)的變化而動(dòng)態(tài)改變并能切換到任意其他 拓?fù)錁?gòu)形。 機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)任何成員節(jié)點(diǎn)具有三套相互獨(dú)立、物理隔離的全雙工異步通信終端 及定向天線，與通信協(xié)議處理器存在接口，在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層發(fā)生相互 關(guān)聯(lián)。CDMA/FDMA組合多址策略不適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)過多的情況，因此基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì) 分級(jí)遞階通信體制中，提出CDMA+雙頻多址接入的模式。這種模式下，終端發(fā)射/接收提供 兩種頻點(diǎn)(雙頻)&、fe由機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)時(shí)根據(jù)拓?fù)錁?gòu)形分別分配給發(fā)射通道、接收通道使 用，則二叉樹結(jié)構(gòu)的奇數(shù)層節(jié)點(diǎn)發(fā)射/接收分別占用頻點(diǎn)f/fe，二叉樹結(jié)構(gòu)的偶數(shù)層節(jié)點(diǎn) 發(fā)射/接收分別占用頻點(diǎn)fB/fA，此時(shí)二叉樹結(jié)構(gòu)的奇數(shù)層節(jié)點(diǎn)和偶數(shù)層節(jié)點(diǎn)分配的擴(kuò)頻碼 可以重復(fù)(頻點(diǎn)不同)，但層內(nèi)節(jié)點(diǎn)不能分配相同的擴(kuò)頻碼(頻點(diǎn)相同)。這種CDMA+雙頻 多址接入的模式利于優(yōu)選擴(kuò)頻碼和采用短碼(碼長為63， 127,255,511)擴(kuò)頻。
對(duì)于機(jī)間空-空高速通信業(yè)務(wù)(一般為返向鏈路)，擴(kuò)頻體制無法提供多址高速通 信數(shù)傳業(yè)務(wù)，此時(shí)利用前向擴(kuò)頻鏈路逐級(jí)分發(fā)信道調(diào)度控制信息，以TDMA時(shí)分復(fù)用信道規(guī) 則控制各節(jié)點(diǎn)返向鏈路高速通信數(shù)傳；或者利用前向擴(kuò)頻鏈路逐級(jí)分發(fā)頻點(diǎn)分配信息，以 FDMA頻分多址規(guī)則實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)返向鏈路高速通信數(shù)傳，這種模式既可根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) 量所需占用的通信帶寬分配頻點(diǎn)(共N個(gè))，也可根據(jù)機(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)的層數(shù)M分配 頻點(diǎn)(共M個(gè))，層內(nèi)采用時(shí)分復(fù)用接入通信鏈路，對(duì)于二叉樹型拓?fù)淇梢钥醋饕环N節(jié)點(diǎn)的 深度遍歷過程或者廣度遍歷過程。 在本發(fā)明的多址體制中，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)地位平等，均能被定義為空間端任意一層 的父節(jié)點(diǎn)。這樣，機(jī)群編隊(duì)成員節(jié)點(diǎn)的通信設(shè)備能夠標(biāo)準(zhǔn)化通用化，支持下一節(jié)將要提出的 機(jī)間空_空(空_地同理)通信與測量綜合信道體制，且可靠性很高，即使某架成員節(jié)點(diǎn)有 一套通信終端徹底損壞，仍然能夠作為機(jī)間通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)正常工作實(shí)現(xiàn)機(jī)間路由功能和對(duì)地通信功能。 基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階多址體制也采用碼分+頻分組合多址體制，支 持任意通信鏈路兩終端的基線測量、相對(duì)運(yùn)動(dòng)測量和時(shí)間同步，但鏈路為N-l條，比交叉鏈 路拓?fù)涞腘(N-l)/2少許多，測量信息不如交叉鏈路拓?fù)湄S富，這對(duì)于一大部分機(jī)群編隊(duì)任 務(wù)已能滿足要求，能夠?yàn)閱蔚孛鍯4IR指控站對(duì)機(jī)群編隊(duì)直接指控、利用機(jī)間測量信息作為 約束量阻尼INS算法的發(fā)散、機(jī)群編隊(duì)整網(wǎng)時(shí)間同步等，也能支持機(jī)群編隊(duì)整網(wǎng)對(duì)單地面 C4IR指控站(通過衛(wèi)星中繼同理)的單鏈路高速數(shù)據(jù)下行和單地面C4IR指控站對(duì)機(jī)群編 隊(duì)整網(wǎng)各成員節(jié)點(diǎn)的指控命令上行，無需各成員節(jié)點(diǎn)對(duì)地面的時(shí)分或者碼分接入，更不必 多地面站參與空_地指揮通信。 這里順便提出星型拓?fù)鋵?shí)質(zhì)是多叉樹構(gòu)成單層樹型拓?fù)?，但?duì)父節(jié)點(diǎn)的性能與 可靠性要求很高，如提供更多的定向天線和通信終端，不適用于節(jié)點(diǎn)較多和編隊(duì)拓?fù)浯嬖?動(dòng)態(tài)變化、新成員加入的情況，也難以做到每架成員節(jié)點(diǎn)具備父節(jié)點(diǎn)功能。如果任務(wù)允許， 也可采用TDMA時(shí)分多址模式用多于兩副的天線為各子節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)交互服務(wù)。如果為進(jìn) 一步簡化機(jī)載通信終端復(fù)雜性，也可以采用鏈型拓?fù)?，每架成員節(jié)點(diǎn)將減少一套通信終端 與天線。
1權(quán)利要求
一種機(jī)群編隊(duì)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合多址體制設(shè)計(jì)方法，適用于機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)通信與測量的多址體制和組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足機(jī)群編隊(duì)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的無源探測定位和協(xié)同打擊任務(wù)；可以認(rèn)為任何一種任務(wù)都要求機(jī)群編隊(duì)的成員節(jié)點(diǎn)具備以下三種功能①機(jī)群編隊(duì)成員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)形成覆蓋所有成員節(jié)點(diǎn)的全網(wǎng)通信體系，任意兩成員節(jié)點(diǎn)之間能夠建立單跳的、無延遲的、對(duì)其他成員透明的、異步全雙工的通信鏈路，滿足機(jī)群編隊(duì)通信網(wǎng)內(nèi)的任意成員節(jié)點(diǎn)信息的全網(wǎng)實(shí)時(shí)共享需求，也提供多跳通信和路由業(yè)務(wù)，機(jī)群編隊(duì)通信網(wǎng)可以是有中心節(jié)點(diǎn)或無中心節(jié)點(diǎn)的模式；②機(jī)群編隊(duì)任意兩成員節(jié)點(diǎn)之間能夠精密地實(shí)時(shí)測定兩者之間的幾何距離用于編隊(duì)組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制，并作為動(dòng)目標(biāo)無源探測定位和協(xié)同打擊體制的基線測量值用于干涉測量和分布式數(shù)據(jù)處理；③機(jī)群編隊(duì)全網(wǎng)成員的時(shí)間同步，這一點(diǎn)在非常多的多基地?zé)o源探測定位和協(xié)同打擊任務(wù)中體現(xiàn)的尤為突出，迫切需要機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)所有成員的時(shí)間同步以實(shí)現(xiàn)編隊(duì)組網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)型實(shí)施控制，以及實(shí)現(xiàn)空間多點(diǎn)聯(lián)合干涉式探測任務(wù)；實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)無源探測定位和協(xié)同打擊任務(wù)的機(jī)群編隊(duì)需要建立一種網(wǎng)內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)多址通信、全雙工異步數(shù)據(jù)交互、具備任意兩點(diǎn)精密測距、全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的通信、測距與時(shí)間同步體制；所述的一種機(jī)群編隊(duì)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合多址體制設(shè)計(jì)方法，可以在機(jī)群鏈路終端機(jī)的中頻信號(hào)處理電路板上的數(shù)字信號(hào)處理器DSP、FPGA器件和射頻通道上實(shí)現(xiàn)；其特征在于所述的機(jī)群編隊(duì)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合多址體制設(shè)計(jì)方法，提出兩種通信拓?fù)錁?gòu)形的多址接入體制基于交叉鏈路組網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制；基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階多址通信體制；前者能夠支持全網(wǎng)覆蓋的單跳接入模式，后者提供全網(wǎng)覆蓋的多跳接入模式；一、機(jī)間鏈路全雙工異步通信信道的數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)多數(shù)任務(wù)中機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)形一般尺度為幾公里～幾十公里范圍以內(nèi)，任意兩成員飛機(jī)最遠(yuǎn)距離一般在幾十公里左右，因此在本發(fā)明中機(jī)群組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間空間通信鏈路仿照CCSDS Proximity-1近程空間鏈路通信協(xié)議藍(lán)皮書建議，參考Version-3的傳輸幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出用于機(jī)群通信/基線測量綜合體制的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸幀，包括24bit的幀同步碼ASM(0xFAF320)、32bit的結(jié)構(gòu)固定數(shù)據(jù)幀導(dǎo)頭header、長度小于16344bit的數(shù)據(jù)域、32bit的CRC校驗(yàn)碼；該傳輸幀支持異步/同步綜合傳輸、等時(shí)/非等時(shí)綜合傳輸、多路虛擬信道統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用傳輸；數(shù)據(jù)域前部定義為勤務(wù)段，嵌入對(duì)應(yīng)鏈路標(biāo)識(shí)符、本地鐘面時(shí)編碼和本地偽距編碼向?qū)Ψ桨l(fā)送；幀長選擇固定，幀頻為整數(shù)赫茲，一般在1Hz～20Hz，可根據(jù)測量刷新率需求而定；將本體制中的機(jī)群內(nèi)機(jī)間通信/基線測量綜合鏈路設(shè)備稱為異步通信/測距終端即ACRU，假定機(jī)群網(wǎng)內(nèi)的任意成員飛機(jī)均配置了ACRU；以兩架飛機(jī)A、B為研究對(duì)象，ACRU_A、ACRU_B各自獨(dú)立地向?qū)Ψ桨l(fā)送傳輸幀，兩終端之間的發(fā)射載波及發(fā)送碼時(shí)鐘均互不相參；飛機(jī)A和飛機(jī)B的ACRU_A、ACRU_B分別于本地傳輸幀同步碼前沿或者后沿的發(fā)送時(shí)刻采樣本地時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、接收通道碼跟蹤環(huán)路的歷元計(jì)數(shù)器，從當(dāng)前接收對(duì)方傳輸幀的勤務(wù)段提取出對(duì)方幀同步碼前沿發(fā)送時(shí)刻，并計(jì)算出歷元形式的本地偽距值；ACRU_A、ACRU_B各自獨(dú)立地利用本地測量偽距、本地鐘面時(shí)、接收到對(duì)方經(jīng)傳輸幀發(fā)來的對(duì)方本地偽距、對(duì)方本地鐘面時(shí)，計(jì)算出機(jī)間距離、同步誤差、兩終端采樣時(shí)間間隔，進(jìn)行時(shí)間同步調(diào)整；本發(fā)明提出機(jī)間全雙工通信鏈路實(shí)現(xiàn)異步數(shù)據(jù)交互和雙向非相干測距、測速、鐘差測量、頻偏測量，這種通信/基線測量綜合鏈路體制具有如下四個(gè)特點(diǎn)①兩機(jī)載終端的數(shù)據(jù)交互與基線測量在單載波統(tǒng)一信道內(nèi)綜合實(shí)現(xiàn)，不額外配置專用基線測量設(shè)備，工作在異步全雙工擴(kuò)頻模式，任意兩架飛機(jī)之間通信/基線測量過程對(duì)其他節(jié)點(diǎn)透明；②兩機(jī)載終端相互獨(dú)立地向?qū)Ψ桨l(fā)送結(jié)構(gòu)相同的傳輸幀，本地基帶數(shù)據(jù)發(fā)送碼時(shí)鐘、發(fā)射載波頻率由本地頻率綜合器產(chǎn)生，不與對(duì)方相參，發(fā)送方與接收方之間無頻率、相位關(guān)系約束；③兩機(jī)載終端相互獨(dú)立地提取本地接收單元碼跟蹤環(huán)的歷元計(jì)數(shù)器鎖存值和本地時(shí)頻基準(zhǔn)標(biāo)稱值計(jì)算出歷元形式的本地偽距，將其嵌入本地傳輸幀向?qū)Ψ桨l(fā)送；④兩機(jī)載終端利用本地測量偽距和接收到對(duì)方經(jīng)傳輸幀發(fā)來的偽距通過計(jì)算獲得機(jī)間基線測量值和兩飛機(jī)本地鐘差，并實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步調(diào)整；機(jī)載終端在取樣時(shí)刻提取的發(fā)送幀歷元時(shí)與接收幀歷元時(shí)代數(shù)差定義為本地偽距，包含此時(shí)刻兩架飛機(jī)之間的幾何距離和本地鐘面時(shí)偏差，二者需通過算法實(shí)現(xiàn)解耦；二、機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)形設(shè)計(jì)機(jī)群編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形會(huì)根據(jù)任務(wù)的不同模式改變，通信組網(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)形往往與編隊(duì)空間拓?fù)錁?gòu)形相關(guān)，因此往往也將隨之發(fā)生改變；而且，機(jī)群通信組網(wǎng)的成員節(jié)點(diǎn)可以是同類飛機(jī)，也可以是非同類飛機(jī)，即多種成員節(jié)點(diǎn)異構(gòu)組網(wǎng)；一般情況下，機(jī)群編隊(duì)采用的機(jī)間通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形包括①星型拓?fù)浯嬖谥行墓?jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)與之存在通信鏈路，且非中心節(jié)點(diǎn)之間無通信鏈路；②總線型拓?fù)湟卜Q為樹型拓?fù)?，由星型拓?fù)溥f階構(gòu)成，具有分層結(jié)構(gòu)，星型拓?fù)淇煽醋鲉螌涌偩€型拓?fù)洌虎郗h(huán)型拓?fù)湟来蜗嗦?lián)形成一個(gè)封閉的環(huán)形；④鏈型拓?fù)洵h(huán)形拓?fù)湓谀程帞嚅_即退化為鏈?zhǔn)酵負(fù)?；⑤交叉鏈路拓?fù)淙我鈨晒?jié)點(diǎn)間存在通信鏈路；⑥混合型拓?fù)淝拔宸N拓?fù)涞哪撤N組合；機(jī)群通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形⑤交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形能夠提供覆蓋全網(wǎng)任意成員節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)-點(diǎn)單跳通信鏈路，結(jié)構(gòu)最簡單，路徑最多，可靠性最高，但性能未必最好；交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形支持機(jī)群全網(wǎng)覆蓋的機(jī)間距離、速度等基線測量和精密時(shí)間同步，測量信息最為豐富，這一性質(zhì)更利于機(jī)群的節(jié)點(diǎn)間基線測量、相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測量與時(shí)間同步過程獲得更高的性能；這幾類通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形都可能在某一個(gè)機(jī)群編隊(duì)任務(wù)中出現(xiàn)，拓?fù)錁?gòu)形的定義和變換遵循的原則也可分為幾類①指令控制方式根據(jù)指令控制強(qiáng)制定義為某一拓?fù)錁?gòu)形；②基于規(guī)則方式依據(jù)相對(duì)位置、信道帶寬等參數(shù)遵循某一優(yōu)化指標(biāo)定義為某一拓?fù)錁?gòu)形；③Ad hoc方式采用自組織模式動(dòng)態(tài)實(shí)施拓?fù)錁?gòu)形的定義；三、適用于機(jī)群組網(wǎng)通信與測量的多址體制實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)無源探測定位和協(xié)同打擊任務(wù)的機(jī)群編隊(duì)需要建立一種網(wǎng)內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)多址通信、全雙工異步數(shù)據(jù)交互、具備任意兩點(diǎn)精密測距、全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的通信、測距與時(shí)間同步體制；本發(fā)明提出兩種新型通信拓?fù)錁?gòu)形的多址接入體制基于交叉鏈路組網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制；基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群分級(jí)遞階多址通信體制；前者能夠支持全網(wǎng)覆蓋的單跳接入模式，后者能夠提供全網(wǎng)覆蓋的多跳接入模式；1、基于交叉鏈路組網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制考慮到支持機(jī)群任意成員的機(jī)間測量與單跳通信應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形，本發(fā)明提出采用碼分+頻分組合多址體制組合多址體制實(shí)現(xiàn)機(jī)群全網(wǎng)覆蓋、任意節(jié)點(diǎn)之間透明無延遲傳輸數(shù)據(jù)、任意節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的全網(wǎng)實(shí)時(shí)共享、高可靠性的多址通信與異步測距，能夠滿足交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形(也適用于§2.2節(jié)的任意拓?fù)錁?gòu)形)；CDMA/FDMA組網(wǎng)體制能夠提供機(jī)群通信網(wǎng)的各級(jí)業(yè)務(wù)需求，特別是保證了任意兩成員之間存在通信鏈路，能夠?qū)崿F(xiàn)任意兩點(diǎn)之間的精密測距和全網(wǎng)時(shí)間同步；機(jī)群內(nèi)有n架成員飛機(jī)，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)X/Ku/Ka波段頻點(diǎn)和一個(gè)用于在此頻點(diǎn)上擴(kuò)頻調(diào)制的擴(kuò)頻碼，整網(wǎng)為n架成員飛機(jī)共分配了n個(gè)頻點(diǎn)+n個(gè)擴(kuò)頻碼；機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)可建立n(n-1)/2條雙向異步通信鏈路；圖16示例中n＝5，可建立10條雙向鏈路；機(jī)群每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)(成員)可以利用分配給自身的一個(gè)特定頻點(diǎn)和擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻調(diào)制向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，這一過程是廣播式的，實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)→多點(diǎn)的多址發(fā)送；機(jī)群全網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)都能收到本發(fā)明點(diǎn)發(fā)送的信息，保證了全網(wǎng)通信覆蓋性；如果需要向特定節(jié)點(diǎn)發(fā)送，則在數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸幀結(jié)構(gòu)中定義目的地址即可；機(jī)群每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)能夠利用分配給自身的n-1個(gè)接收通道對(duì)應(yīng)的n-1個(gè)頻點(diǎn)與n-1個(gè)擴(kuò)頻碼——分配給機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他成員的，在機(jī)間通信終端的接收單元配置n-1個(gè)接收通道的解擴(kuò)/解調(diào)單元，每個(gè)通道將本通道對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)下變頻到標(biāo)稱的中頻中心頻點(diǎn)上進(jìn)行載波跟蹤，用本通道對(duì)應(yīng)的本地再生擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)/解調(diào)；n-1個(gè)接收通道分別獨(dú)立地對(duì)應(yīng)來自機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)/解調(diào)和數(shù)據(jù)接收，以及異步測距與/時(shí)間同步；每架成員都能同時(shí)接收其他n-1架成員飛機(jī)發(fā)送的信號(hào)并解碼數(shù)據(jù)幀，各通道的處理過程相互獨(dú)立互不干擾，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)→單點(diǎn)的多址接收；任意節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)接收分別來自機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息而互不影響、向機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)其他n-1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，發(fā)送、接收過程相互獨(dú)立為異步過程；機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)任意兩架成員之間均存在直接異步通信鏈路，能夠相互交互數(shù)據(jù)和進(jìn)行機(jī)間測距/時(shí)間同步；另外，也支持Ad Hoc自組織多跳路由模式，采用距離路由算法，但考慮到機(jī)群通信網(wǎng)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)間的測距/時(shí)間同步過程必須要求單點(diǎn)-單點(diǎn)單跳模式，因此多跳模式在機(jī)群組網(wǎng)通信中意義不大，僅提供此通信功能；交叉鏈路拓?fù)錁?gòu)形優(yōu)點(diǎn)很多，但對(duì)于節(jié)點(diǎn)較多的編隊(duì)機(jī)群，成員數(shù)N＞8個(gè)，或者有新成員加入機(jī)群編隊(duì)，則會(huì)引起組合爆炸，給機(jī)載終端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)造成較大困難；另外，往往任務(wù)決定了編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形節(jié)點(diǎn)之間距離遠(yuǎn)近差距較大，而且在任務(wù)周期內(nèi)編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形會(huì)發(fā)生變化，因此節(jié)點(diǎn)間通信鏈路狀態(tài)差異過大、距離隨著軌道運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)變化，提供的傳輸能力、信道質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量差異很大，不利于通信網(wǎng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，機(jī)間測量一致性不理想；因此，為保障機(jī)群編隊(duì)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸、機(jī)間測量精度滿足任務(wù)需要，而且無需明顯提高發(fā)射單元功率及接收單元靈敏度、天線增益和指向性，采用多跳鏈路實(shí)現(xiàn)機(jī)群網(wǎng)機(jī)間空-空數(shù)據(jù)傳輸和機(jī)間測量是必要的，這種多跳鏈路往往需要定義多跳路由規(guī)則，且隨著機(jī)群編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形的變化而隨之改變；因此需要選擇一種合適的編隊(duì)拓?fù)錁?gòu)形，同時(shí)滿足機(jī)間通信數(shù)傳的性能又能提供精密、充分的機(jī)間測量信息，而且不至于增加機(jī)載通信與測量終端、天線系統(tǒng)、發(fā)射端功率放大單元、接收端信號(hào)放大單元等組件的工程設(shè)計(jì)難度；一種基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階通信體制，具有自組織組網(wǎng)能力，支持拓?fù)錁?gòu)形動(dòng)態(tài)變化和擴(kuò)頻碼、頻點(diǎn)的動(dòng)態(tài)再分配；某一時(shí)刻機(jī)群編隊(duì)處于某一拓?fù)錁?gòu)形，空-空/空-地通信跟蹤任務(wù)為某種模式下，基于Ad hoc自組織規(guī)則，動(dòng)態(tài)定義的樹型通信網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形的組織形式；任何時(shí)刻，地面C4IR指揮控制中心僅與機(jī)群編隊(duì)中被定義為空-地鏈路空間端的飛機(jī)存在唯一的通信鏈路；這樣一來，地面C4IR指控中心站無需與機(jī)群編隊(duì)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)建立鏈路，使得地面通信指揮任務(wù)復(fù)雜度和任務(wù)量大為降低；同時(shí)，機(jī)群編隊(duì)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)被定義為M叉樹節(jié)點(diǎn)，包括三條完全相同的全雙工異步通信鏈路，支持與父節(jié)點(diǎn)——與自身聯(lián)接的上一層節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)——與自身聯(lián)接的下一層節(jié)點(diǎn)；二叉樹型拓?fù)浒?0個(gè)節(jié)點(diǎn)分成了6層，形成分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與自身的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)存在通信鏈路，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度和通信量比較簡單；這里給出如下命題命題1機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)任何成員節(jié)點(diǎn)的通信性能、體制完全相同，抽象為二叉樹的節(jié)點(diǎn)；命題2根據(jù)近世代數(shù)、離散數(shù)學(xué)理論和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理論可以得出結(jié)論三維空間N個(gè)節(jié)點(diǎn)均可用二叉樹相聯(lián)接，且通過深度遍歷和廣度遍歷實(shí)現(xiàn)任意兩節(jié)點(diǎn)的信息交互；命題3機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)任何成員節(jié)點(diǎn)自組織組網(wǎng)的原則基于當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)的通信量、各節(jié)點(diǎn)間的空間分布幾何距離，Ad hoc自組網(wǎng)規(guī)則將基于某種受約束條件的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，且通信組網(wǎng)拓?fù)錁?gòu)形可根據(jù)任務(wù)的變化而動(dòng)態(tài)改變并能切換到任意其他拓?fù)錁?gòu)形；機(jī)群編隊(duì)網(wǎng)內(nèi)任何成員節(jié)點(diǎn)具有三套相互獨(dú)立、物理隔離的全雙工異步通信終端及定向天線，與通信協(xié)議處理器存在接口，在數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層發(fā)生相互關(guān)聯(lián)；CDMA/FDMA組合多址策略不適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)過多的情況，因此基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階通信體制中，提出CDMA+雙頻多址接入的模式；這種模式下，終端發(fā)射/接收提供兩種頻點(diǎn)fA、fB由機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)時(shí)根據(jù)拓?fù)錁?gòu)形分別分配給發(fā)射通道、接收通道使用，則二叉樹結(jié)構(gòu)的奇數(shù)層節(jié)點(diǎn)發(fā)射/接收分別占用頻點(diǎn)fA/fB，二叉樹結(jié)構(gòu)的偶數(shù)層節(jié)點(diǎn)發(fā)射/接收分別占用頻點(diǎn)fB/fA，此時(shí)二叉樹結(jié)構(gòu)的奇數(shù)層節(jié)點(diǎn)和偶數(shù)層節(jié)點(diǎn)分配的擴(kuò)頻碼可以重復(fù)，但層內(nèi)節(jié)點(diǎn)不能分配相同的擴(kuò)頻碼；這種CDMA+雙頻多址接入的模式利于優(yōu)選擴(kuò)頻碼和采用短碼擴(kuò)頻；對(duì)于機(jī)間空-空高速通信業(yè)務(wù)，擴(kuò)頻體制無法提供多址高速通信數(shù)傳業(yè)務(wù)，此時(shí)利用前向擴(kuò)頻鏈路逐級(jí)分發(fā)信道調(diào)度控制信息，以TDMA時(shí)分復(fù)用信道規(guī)則控制各節(jié)點(diǎn)返向鏈路高速通信數(shù)傳；或者利用前向擴(kuò)頻鏈路逐級(jí)分發(fā)頻點(diǎn)分配信息，以FDMA頻分多址規(guī)則實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)返向鏈路高速通信數(shù)傳，這種模式既可根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量所需占用的通信帶寬分配頻點(diǎn)，也可根據(jù)機(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)的層數(shù)M分配頻點(diǎn)，層內(nèi)采用時(shí)分復(fù)用接入通信鏈路，對(duì)于二叉樹型拓?fù)淇梢钥醋饕环N節(jié)點(diǎn)的深度遍歷過程或者廣度遍歷過程；在本發(fā)明的多址體制中，每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)地位平等，均能被定義為空間端任意一層的父節(jié)點(diǎn)；這樣，機(jī)群編隊(duì)成員節(jié)點(diǎn)的通信設(shè)備能夠標(biāo)準(zhǔn)化通用化，支持下一節(jié)將要提出的機(jī)間空-空通信與測量綜合信道體制，且可靠性很高，即使某架成員節(jié)點(diǎn)有一套通信終端徹底損壞，仍然能夠作為機(jī)間通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)正常工作實(shí)現(xiàn)機(jī)間路由功能和對(duì)地通信功能；基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階多址體制也采用碼分+頻分組合多址體制，支持任意通信鏈路兩終端的基線測量、相對(duì)運(yùn)動(dòng)測量和時(shí)間同步，但鏈路為N-1條，比交叉鏈路拓?fù)涞腘(N-1)/2少許多，測量信息不如交叉鏈路拓?fù)湄S富，這對(duì)于一大部分機(jī)群編隊(duì)任務(wù)已能滿足要求，能夠?yàn)閱蔚孛鍯4IR指控站對(duì)機(jī)群編隊(duì)直接指控、利用機(jī)間測量信息作為約束量阻尼INS算法的發(fā)散、機(jī)群編隊(duì)整網(wǎng)時(shí)間同步等，也能支持機(jī)群編隊(duì)整網(wǎng)對(duì)單地面C4IR指控站的單鏈路高速數(shù)據(jù)下行和單地面C4IR指控站對(duì)機(jī)群編隊(duì)整網(wǎng)各成員節(jié)點(diǎn)的指控命令上行，無需各成員節(jié)點(diǎn)對(duì)地面的時(shí)分或者碼分接入，更不必多地面站參與空-地指揮通信。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)群編隊(duì)的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組合多址體制設(shè)計(jì)方法，屬于航空數(shù)據(jù)鏈、無線電導(dǎo)航、飛行器自主技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供了提出適用于機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)通信與測量的多址體制和組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足機(jī)群編隊(duì)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的無源探測定位和協(xié)同打擊任務(wù)。本發(fā)明提供了一種能夠在機(jī)群鏈路終端機(jī)的中頻信號(hào)處理電路板上的數(shù)字信號(hào)處理器DSP、FPGA器件和射頻通道上實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提出的組合多址體制并支持本發(fā)明提出的機(jī)群編隊(duì)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出兩種新型通信拓?fù)錁?gòu)形的多址接入體制基于交叉鏈路組網(wǎng)拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)CDMA/FDMA組合多址通信體制；基于樹型拓?fù)涞臋C(jī)群編隊(duì)分級(jí)遞階多址通信體制。前者能夠支持全網(wǎng)覆蓋的單跳接入模式，后者提供全網(wǎng)覆蓋的多跳接入模式。
文檔編號(hào)H04L1/00GK101795221SQ20101010393
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者楊宜康, 熊蔚明, 騰學(xué)劍, 齊建中 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心