一種基于低空無(wú)人飛行器自組網(wǎng)的測(cè)控通信方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測(cè)控通信領(lǐng)域，具體為一種基于低空無(wú)人飛行器自組網(wǎng)的測(cè)控通信方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]低空無(wú)人飛行器指的是飛行高度在平流層及以下的無(wú)人飛行器，包括多用途無(wú)人機(jī)和四旋翼飛行器等。低空無(wú)人飛行器具有控制簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、圖像清晰、效費(fèi)比高等優(yōu)勢(shì)，對(duì)于場(chǎng)地勘察、應(yīng)急搜尋和通信保障等具有重要的價(jià)值。
[0003]但是，單個(gè)無(wú)人飛行器受飛行距離、功能單一等因素影響，在廣域條件下勘察和數(shù)據(jù)中繼等任務(wù)中所發(fā)揮的作用有限。因此，通過(guò)低空無(wú)人飛行器編組和協(xié)同形成集群優(yōu)勢(shì)是無(wú)人機(jī)領(lǐng)域未來(lái)的重要發(fā)展方向，而飛行器分組協(xié)同網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，隨著部分飛行器的加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生快速變化，現(xiàn)有技術(shù)中的測(cè)控通信系統(tǒng)和方法均無(wú)法滿足其應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種作用覆蓋范圍廣，能夠協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的基于低空無(wú)人飛行器自組網(wǎng)的測(cè)控通信方法和系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0006]本發(fā)明一種基于低空無(wú)人飛行器自組網(wǎng)的測(cè)控通信方法，包括，
[0007]將不同高度不同區(qū)域的低空無(wú)人飛行器進(jìn)行自組網(wǎng)分簇；
[0008]以簇為單位將低空飛行器分別與空基通信平臺(tái)和地面通信終端進(jìn)行聯(lián)通；
[0009]定期對(duì)低空無(wú)人飛行器自組網(wǎng)內(nèi)的分簇進(jìn)行更新和維護(hù)。
[0010]優(yōu)選的，在低空無(wú)人飛行器之間、低空無(wú)人飛行器和空基通信平臺(tái)之間、低空無(wú)人飛行器和地面通信終端之間均采用統(tǒng)一的通信體制結(jié)構(gòu)和協(xié)議；統(tǒng)一的通信體制結(jié)構(gòu)和協(xié)議包括UDP/IP五層體系結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的調(diào)制體制及約定頻點(diǎn)；傳輸層采用UDP協(xié)議，應(yīng)用層協(xié)議格式由低空無(wú)人飛行器所承擔(dān)的具體任務(wù)來(lái)決定。
[0011]優(yōu)選的，采用AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的最大連接度算法對(duì)低空無(wú)人飛行器自組網(wǎng)進(jìn)行分簇，地面通信站將通信服務(wù)需求送達(dá)附近的簇，在該簇內(nèi)進(jìn)行處理或?qū)ν廪D(zhuǎn)發(fā)。
[0012]進(jìn)一步，最大連接度分簇算法的步驟如下，
[0013]I)將低空無(wú)人飛行器作為自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)并給予相應(yīng)的ID編號(hào)，標(biāo)記所有節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)；
[0014]2)當(dāng)一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)它是鄰居普通節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)度最大的節(jié)點(diǎn)時(shí)，它成為簇首，并標(biāo)記自己為簇首；當(dāng)節(jié)點(diǎn)度相同時(shí)選擇ID編號(hào)較小的節(jié)點(diǎn)為簇首，其中鄰居節(jié)點(diǎn)中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離滿足互相通信需求；
[0015]3)簇首的鄰居標(biāo)記為簇首的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)；
[0016]4)重復(fù)步驟2)和3)，直到網(wǎng)絡(luò)中不存在普通節(jié)點(diǎn)；
[0017]5)每隔一個(gè)周期T后進(jìn)行步驟I)?4)。
[0018]進(jìn)一步，對(duì)外轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，通過(guò)對(duì)其他簇或空基通信平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，采用整體鏈路性能最佳優(yōu)先路由算法選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑；包括如下步驟，
[0019]a.將通信任務(wù)數(shù)據(jù)分為兩類(lèi)，一類(lèi)是包括測(cè)量信息和控制指令的非圖像數(shù)據(jù)，一類(lèi)是包括音頻、視頻和圖像的圖像數(shù)據(jù)；
[0020]b.采用最短路徑路由算法，計(jì)算源端到目的端的多條備選路徑；
[0021]c.計(jì)算各備選路徑的誤碼率和帶寬平均值；
[0022]d.對(duì)于非圖像數(shù)據(jù)，選擇最低誤碼率的路徑轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)于圖像數(shù)據(jù)，選取具有最高帶寬的路徑轉(zhuǎn)發(fā)。
[0023]進(jìn)一步，對(duì)外轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，通過(guò)對(duì)其他簇或空基通信平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用基于開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議、基于簇的多路徑動(dòng)態(tài)源路由算法、基于簇的QoS多路徑路由算法或最大可靠性多路徑路由算法選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑。
[0024]優(yōu)選的，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇最小ID啟發(fā)式算法、節(jié)點(diǎn)權(quán)重啟發(fā)式算法或自適應(yīng)按需加權(quán)算法對(duì)低空無(wú)人飛行器自組網(wǎng)進(jìn)行分簇。
[0025]本發(fā)明一種基于低空無(wú)人飛行器自組網(wǎng)的測(cè)控通信系統(tǒng)，以上任意一中方案中所述的測(cè)控通信方法，其包括空基通信平臺(tái)和多個(gè)低空無(wú)人飛行器；空基通信平臺(tái)用于與低空飛行器、地面通信終端和其他空基通信平臺(tái)進(jìn)行通信；低空飛行器上搭載任務(wù)載荷，用于與空基通信平臺(tái)、地面通信終端和其他低空無(wú)人飛行器進(jìn)行通信。
[0026]優(yōu)選的，低空無(wú)人飛行器之間、低空無(wú)人飛行器和空基通信平臺(tái)之間、低空無(wú)人飛行器和地面通信站之間均采用的統(tǒng)一的通信體制結(jié)構(gòu)；統(tǒng)一的通信體制結(jié)構(gòu)包括UDP/IP五層體系結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一的約定頻點(diǎn)和調(diào)制體制。
[0027]進(jìn)一步，調(diào)制體制采用正交頻分復(fù)用調(diào)制體制。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0029]本發(fā)明將空基通信平臺(tái)和各低空無(wú)人飛行器組織起來(lái)，形成兩層復(fù)合立體信息網(wǎng)，既能完成某些廣域大范圍勘察和通信中繼任務(wù)，又能完成局域范圍內(nèi)的各項(xiàng)任務(wù)，既能完成空中通信中繼，又能完成空中與地面的通信，因此本發(fā)明所述系統(tǒng)具備多功能性；通過(guò)多個(gè)低空無(wú)人飛行器進(jìn)行自組網(wǎng)，避免了各飛行器負(fù)載不均衡引起的通信擁塞，按簇作為通信和信息處理的單元，提高了系統(tǒng)整體效率，使其具備高效性；通過(guò)定期對(duì)簇的更新和維護(hù)，使其實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自組網(wǎng)的組織方式，分簇?cái)?shù)和簇內(nèi)結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)調(diào)整的，具有高度的冗余備份性能，避免了低空飛行器的變化對(duì)組網(wǎng)帶來(lái)的影響，使個(gè)別低空無(wú)人飛行器的損壞都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成大的影響，可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)。
[0030]進(jìn)一步的，通過(guò)采用包括統(tǒng)一的調(diào)制體制和約定頻點(diǎn)的統(tǒng)一的通信體制結(jié)構(gòu)，能夠優(yōu)化低空飛行器之間的通信和協(xié)同，提供通信效率和數(shù)據(jù)吞吐能力。
[0031]進(jìn)一步的，利用最大連接度分簇算法進(jìn)行自組網(wǎng)分簇，能夠減少簇?cái)?shù)量，從而減少分組投遞的延遲，保證了通信傳輸?shù)男省２捎谜w鏈路性能最佳優(yōu)先路由算法不僅能夠兼顧通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)所引起的時(shí)延，也就是路徑長(zhǎng)度，而且能夠滿足不同的通信任務(wù)對(duì)鏈路的不同需求。
[0032]進(jìn)一步的，通過(guò)提供其他不同方法的自組網(wǎng)分簇，以及多種選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑的方法，從而滿足和適應(yīng)各種實(shí)際的使用情況，使用范圍廣。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1是本發(fā)明實(shí)例中所述系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
[0034]圖2是本發(fā)明實(shí)例中所述系統(tǒng)采用的通信體制結(jié)構(gòu)模型圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0036]本發(fā)明將空基通信平臺(tái)和多個(gè)低空飛行器進(jìn)行聯(lián)通，在組織和通信規(guī)則下形成由高到低的兩層復(fù)合立體信息網(wǎng)，空基通信平臺(tái)形成高層信息樞紐，部署在不同高度不同區(qū)域的低空無(wú)人飛行器通過(guò)定期的分簇完成自組網(wǎng)，從而形成動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的低層信息網(wǎng)，以簇為基本單位在自組網(wǎng)內(nèi)完成場(chǎng)地勘察、信息中繼和信息處理等任務(wù)；不僅能夠?qū)Φ涂诊w行器通過(guò)分簇進(jìn)行有效的整合組織，而且能夠利用定期的對(duì)分簇進(jìn)行更新和維護(hù)，滿足了低空飛行器位置的動(dòng)態(tài)變化。
[0037]本發(fā)明中的測(cè)控通信系統(tǒng)，如圖1所示，由空基通信平臺(tái)和多個(gè)低空無(wú)人飛行器組成?？栈ㄐ牌脚_(tái)采用高空浮空器，空基通信平臺(tái)承擔(dān)來(lái)自低空飛行器、地面通信站和其他空基通信平臺(tái)的通信任務(wù)需求。低空飛行器采用搭載測(cè)控、通信和對(duì)地觀測(cè)等任務(wù)載荷的各種形式的低空低速飛行器，低空無(wú)人飛行器能夠承擔(dān)的任務(wù)包括:與地面終端通信、與其他低空無(wú)人飛行器通信、對(duì)地進(jìn)行觀測(cè)、搜尋和勘察等，低空無(wú)人飛行器的實(shí)體可以是多用途無(wú)人機(jī)或四旋翼飛行器等。
[0038]在系統(tǒng)中采用了統(tǒng)一的通信體制結(jié)構(gòu)和協(xié)議。低空無(wú)人飛行器之間、低空無(wú)人飛行器和空基通信平臺(tái)之間、低空無(wú)人飛行器和地面通信站之間均采用的統(tǒng)一的通信體制結(jié)構(gòu):UDP/IP五層體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示；并且采用統(tǒng)一的調(diào)制體制和約定頻點(diǎn)。
[0039]如圖2所示，UDP/IP五層體系結(jié)構(gòu)中的傳輸層選擇UDP協(xié)議，能夠非常好的適用于鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化劇烈，不利于建立固定鏈路的情況，提高了通信效率。應(yīng)用層協(xié)議格式則根據(jù)低空無(wú)人飛行器所承擔(dān)的具體任務(wù)來(lái)決定，不同的任務(wù)有不同的數(shù)據(jù)格式，如定位數(shù)據(jù)格式、圖像數(shù)據(jù)格式、光學(xué)數(shù)據(jù)格式等。
[0040]采用統(tǒng)一的調(diào)制體制和約定頻點(diǎn)有利于飛行器之間的通信和協(xié)同。統(tǒng)一的調(diào)制體制指的是飛行器和用戶統(tǒng)一采用的調(diào)制體制，本優(yōu)選實(shí)例中采用正交頻分復(fù)用調(diào)制(OFDM)。各飛行器除了搭載各自的任務(wù)載荷外，還裝有數(shù)據(jù)接收天線和發(fā)送天線，既要執(zhí)行各自的任務(wù)，又要執(zhí)行通信中繼或接受簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。
[0041]系統(tǒng)中的低空無(wú)人飛行器進(jìn)行自組網(wǎng)，如圖1所示，根據(jù)低空無(wú)人飛行器組網(wǎng)特點(diǎn)，采用AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的最大連接度算法對(duì)低空無(wú)人飛行器自組網(wǎng)進(jìn)行分簇，地面通信站將通信服務(wù)需求送達(dá)附近的簇，在簇內(nèi)進(jìn)行處理或?qū)ν廪D(zhuǎn)發(fā)，對(duì)其他簇或空基通信平臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)采用整體鏈路性能最佳優(yōu)先路由算法。
[0042]其中，最大連接度分簇算法的原理是:在一群相鄰節(jié)點(diǎn)之間，選擇連接度高的節(jié)點(diǎn)作為簇首，其一跳鄰居節(jié)點(diǎn)成為該簇的成員節(jié)點(diǎn)。算法的具體步驟是:1)將低空無(wú)人飛行器作為自組網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)并給予相應(yīng)的ID編號(hào)，標(biāo)記所有節(jié)點(diǎn)為普通節(jié)點(diǎn)；2)當(dāng)一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)它是鄰居普通節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)度最大的節(jié)點(diǎn)時(shí)，它成為簇首，并標(biāo)記自己為簇首，當(dāng)節(jié)點(diǎn)度相同時(shí)選擇ID編號(hào)較小的節(jié)點(diǎn)為簇首，其中鄰居節(jié)點(diǎn)的定義是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離滿足互相通信需求；3)簇首的鄰居標(biāo)記為簇首的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)；4)重復(fù)步驟2)和3)，直到網(wǎng)絡(luò)中不存在普通節(jié)點(diǎn)；5)為了避免低空無(wú)人飛行器的數(shù)量變化為組網(wǎng)帶來(lái)影響，每隔一個(gè)周期T后需要進(jìn)行步驟I)?4)。該算法的特點(diǎn)是簇?cái)?shù)目較少，減少了分組投遞時(shí)延。分簇算法還能夠根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇:最小ID啟發(fā)式算法、節(jié)點(diǎn)權(quán)重啟發(fā)式算法或自適應(yīng)按需加權(quán)算法。
[0043]其中，整體鏈路性能最佳優(yōu)先路由算法兼顧了通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)所引起的時(shí)延和不同的通信任務(wù)