袁 杰

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 引 言

隨著無人機(jī)技術(shù)和裝備的發(fā)展,越來越多的無人機(jī)開始在民用和軍用領(lǐng)域使用,無人機(jī)的使用方式也必然會(huì)逐漸從單機(jī)應(yīng)用轉(zhuǎn)為多機(jī)編隊(duì)協(xié)同應(yīng)用。

近年來,無人機(jī)以及多種平臺(tái)之間通過編隊(duì)協(xié)同進(jìn)行作業(yè)方式,已經(jīng)受到普遍重視。如2004年,美國STTR項(xiàng)目演示了對(duì)多個(gè)無人機(jī)動(dòng)態(tài)、抗毀無線網(wǎng)絡(luò)分級(jí)控制能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的偵察監(jiān)視;美國2002年開展的SWARM計(jì)劃中,以微型、廉價(jià)無人機(jī)組成編隊(duì),同時(shí)完成監(jiān)視、偵察、情報(bào)匯集和攻擊任務(wù);美國防御科學(xué)和技術(shù)組織資助的AVATAR項(xiàng)目,計(jì)劃使用具備自主能力的無人機(jī)編隊(duì)為模型,研究多平臺(tái)、多傳感器組網(wǎng)能力;美國科羅拉多大學(xué)開展了AUGNet項(xiàng)目,研究基于ad hoc網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)組網(wǎng)技術(shù)在風(fēng)暴探測、火災(zāi)偵察、極地研究等中的應(yīng)用。我國無人機(jī)也處于快速發(fā)展期,目前在應(yīng)用中還主要以單機(jī)任務(wù)為主,已經(jīng)開展了部分有關(guān)協(xié)同的研究,主要的方向還是基于目前測控體系[1]的擴(kuò)展,解決一站多機(jī)的問題[2],對(duì)于多機(jī)之間的協(xié)同的研究工作還處于起始階段。

以無人機(jī)組網(wǎng)與數(shù)據(jù)鏈技術(shù)為基礎(chǔ),可構(gòu)建起具備資源快速配置、數(shù)據(jù)快速獲取傳輸、指揮調(diào)度和管理功能的信息綜合管理網(wǎng)絡(luò),促進(jìn)無人機(jī)應(yīng)用和保障技術(shù)的快速發(fā)展。

本文對(duì)多無人機(jī)協(xié)同的應(yīng)用需求進(jìn)行分析,提出一種通過通信組網(wǎng)的多無人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,通過合理的系統(tǒng)架構(gòu)和流程設(shè)計(jì)可以適應(yīng)多種無人機(jī)的協(xié)同應(yīng)用需求。

2 無人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

多無人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決兩個(gè)方面的問題:一是多無人機(jī)控測,包括一個(gè)或多個(gè)地面站對(duì)多架無人機(jī)的測控,以及任務(wù)過程中必要的控制交接;二是多無人機(jī)空空協(xié)同應(yīng)用,通過協(xié)同體系設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)任務(wù)過程的多機(jī)協(xié)同工作。

多無人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作過程中的信息交互能力,避免多機(jī)使用中帶來的沖突和影響。

無人機(jī)的工作過程主要包括準(zhǔn)備及起飛、出航和返航、任務(wù)執(zhí)行、降落及回收等主要過程,如圖1所示。

圖1 無人機(jī)任務(wù)過程示意圖Fig.1Mission stage of UAV

無人機(jī)組網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)在于飛行過程中控制對(duì)象為無人機(jī)群,相比于傳統(tǒng)的單無人機(jī)系統(tǒng),功能更為復(fù)雜、要求更高,主要表現(xiàn)在以下方面。

(1)起飛階段:地面站起降需要依次控制多架無人機(jī)起飛和爬升。

(2)出航返航階段:機(jī)載飛行控制系統(tǒng)控制無人機(jī)自主飛行,地面起降站與指揮控制站之間進(jìn)行多無人機(jī)的控制權(quán)交接。

(3)任務(wù)階段:無人機(jī)與無人機(jī)之間進(jìn)行編隊(duì)協(xié)同,保持隊(duì)形或任務(wù)協(xié)調(diào),完成多種協(xié)同任務(wù)。地面站指揮控制站需要對(duì)多無人機(jī)的協(xié)同過程監(jiān)控和干預(yù)。

(4)降落及回收階段:地面起降控制站依次接收對(duì)多架無人機(jī)的控制權(quán),并控制無人機(jī)下降和著陸。

通過無人機(jī)通信組網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)的協(xié)同應(yīng)用。無人機(jī)通信組網(wǎng)系統(tǒng)是將多個(gè)無人機(jī),無人機(jī)地面控制站,以及對(duì)無人機(jī)信息的使用方均作為節(jié)點(diǎn),組建覆蓋所有節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)。利用通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力,實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)協(xié)同中的信息傳輸,實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制及任務(wù)應(yīng)用。

3 基于通信網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于網(wǎng)絡(luò)通信方式的實(shí)際上是將多個(gè)無人機(jī)以及相關(guān)的地面控制站通過通信網(wǎng)絡(luò)連接起來。還可以根據(jù)需要將網(wǎng)絡(luò)用戶應(yīng)用擴(kuò)展至需要使用無人機(jī)的其他用戶,如有人機(jī)、地面用戶等,實(shí)現(xiàn)各用戶之間所需要的通信連接,完成任務(wù)需要的各種信息傳輸。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Network frame

其中地面控制站是無人機(jī)協(xié)同組網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理中心,也是顯示控制終端,負(fù)責(zé)無人機(jī)的飛行控制以及任務(wù)控制,也負(fù)責(zé)對(duì)其他無人機(jī)地面用戶的請求進(jìn)行響應(yīng)。地面站通過協(xié)同組網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸能力接收來自無人機(jī)和其他地面用戶的信息,對(duì)無人機(jī)遙感任務(wù)實(shí)施控制。無人機(jī)在地面站的控制下開展工作,同時(shí)可以響應(yīng)其他地面用戶的請求。

基于網(wǎng)絡(luò)通信的無人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中,各參與成員通過采用統(tǒng)一的消息格式、組網(wǎng)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃管理,完成互連互通,滿足多平臺(tái)協(xié)同應(yīng)用需求,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)地面站-無人機(jī)-無人機(jī)-其他用戶之間的信息共享和融合[3]。

由于采用網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),因此系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)參與平臺(tái)需要與網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類型相對(duì)應(yīng),分為時(shí)間基準(zhǔn)站、網(wǎng)絡(luò)管理站和普通成員站三類。

(1)時(shí)間基準(zhǔn)站

在網(wǎng)絡(luò)內(nèi),所有成員需要完成時(shí)間同步,才能參與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在無GPS時(shí)間同步能力的成員時(shí),由網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站負(fù)責(zé)向所有網(wǎng)絡(luò)成員分發(fā)系統(tǒng)時(shí)間信息,以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。在網(wǎng)內(nèi)成員均具備GPS時(shí)間接收能力的網(wǎng)絡(luò)中,可以不設(shè)置時(shí)間基準(zhǔn)站。

在該系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站主要由地面站擔(dān)任,在特殊情況下也可以指定某無人機(jī)擔(dān)任。

(2)網(wǎng)絡(luò)管理站

網(wǎng)絡(luò)的管理站負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)成員的管理。網(wǎng)絡(luò)管理站實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源分配、遲入網(wǎng)管理、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一時(shí)刻只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理站。在該系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)管理站主要由地面站擔(dān)任。

網(wǎng)絡(luò)在喪失網(wǎng)絡(luò)管理站的情況下,仍然能夠正常運(yùn)行,只是不具有遲入網(wǎng)管理和競爭時(shí)隙分配等功能。

(3)普通成員站

網(wǎng)絡(luò)中其他成員都為普通成員站,在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò),按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行信息收發(fā)和交換,并接受網(wǎng)絡(luò)管理單元管理。利用網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力完成需要的各種協(xié)同動(dòng)作。

3.2 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程的主要流程如圖3所示,主要階段包括網(wǎng)絡(luò)初始化、申請、認(rèn)證[4]、入網(wǎng)、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉等。

圖3 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行流程Fig.3 Flow chart of network operation

(1)網(wǎng)絡(luò)初始化

網(wǎng)絡(luò)初始化是為網(wǎng)絡(luò)成員提供足夠的初始化信息,使之能夠在網(wǎng)絡(luò)上交換信息,并運(yùn)行處理的過程。

網(wǎng)絡(luò)初始化過程通過初始化參數(shù)加載和/或操作人員手動(dòng)設(shè)置參數(shù)信息來完成,主要的初始化參數(shù)包括傳輸參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、本平臺(tái)參數(shù)等。

各入網(wǎng)平臺(tái)完成初始化后,根據(jù)設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。

(2)入網(wǎng)

入網(wǎng)是指普通成員加入網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過程,由網(wǎng)絡(luò)管理站負(fù)責(zé)成員入網(wǎng)管理。入網(wǎng)過程如下:

1)成員在網(wǎng)絡(luò)初始化后,接收時(shí)間消息,完成網(wǎng)絡(luò)同步;

2)成員準(zhǔn)備入網(wǎng)時(shí),向網(wǎng)絡(luò)管理站發(fā)送入網(wǎng)申請消息;

3)網(wǎng)絡(luò)管理站收到申請消息后,判斷是否允許該成員入網(wǎng),并進(jìn)行應(yīng)答;

4)成員根據(jù)應(yīng)答結(jié)果進(jìn)行處理:如果應(yīng)答消息為不允許入網(wǎng),再次嘗試入網(wǎng)或放棄入網(wǎng);如果應(yīng)答消息為允許入網(wǎng),則按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議收發(fā)消息,入網(wǎng)成功。

(3)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)建立成功后,可以按照無人機(jī)的任務(wù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過程。無人機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn),信息中繼和路由是重要的應(yīng)用方式,無人機(jī)可以為其他用戶與地面站提供圖像、話音、信息等多種業(yè)務(wù)的中繼傳輸和網(wǎng)絡(luò)路由。

進(jìn)行中繼應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)需要?jiǎng)討B(tài)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)成員列表和路由關(guān)系,并根據(jù)路由關(guān)系或通過中繼時(shí)隙進(jìn)行信息的中繼和路由。網(wǎng)管站可對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行管理控制,包括通過鏈路查看和修改網(wǎng)絡(luò)路由信息,設(shè)定信息過濾規(guī)則等。

(4)網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉

任務(wù)完成后,網(wǎng)絡(luò)管理站執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉操作,發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理消息給在網(wǎng)成員。在網(wǎng)成員接收到消息后,在指定的停止運(yùn)行時(shí)間停止網(wǎng)絡(luò)中的所有通信。

4 關(guān)鍵環(huán)節(jié)

4.1 起降規(guī)劃及航路設(shè)計(jì)

合理的起降規(guī)劃和航路設(shè)計(jì)是無人機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

起飛降落規(guī)劃需要根據(jù)參與任務(wù)的平臺(tái)類型、活動(dòng)位置、航線、機(jī)場保障能力等進(jìn)行綜合分析,制定平臺(tái)起飛規(guī)劃、地空通信保障規(guī)劃、平臺(tái)著陸導(dǎo)航保障規(guī)劃和平臺(tái)進(jìn)近區(qū)域規(guī)劃等。

起飛降落流程主要包括飛前規(guī)劃、起飛、降落等部分。著重在起飛或降落前對(duì)無人機(jī)所需參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃和計(jì)劃,以保障平臺(tái)能根據(jù)任務(wù)的需求安全地完成起飛和降落。起飛和降落規(guī)劃包括場站數(shù)據(jù)載入、機(jī)場綜合保障能力分析、跑道規(guī)劃、通信參數(shù)規(guī)劃、導(dǎo)航參數(shù)規(guī)劃、離場進(jìn)場順序確定等過程。

航路設(shè)計(jì)是在綜合考慮無人機(jī)的任務(wù)需求、平臺(tái)特性和外界限制條件等諸多因素的情況下,設(shè)計(jì)出從起飛到任務(wù)過程再到回收的一條最優(yōu)飛行航線[5]。

無人機(jī)航路設(shè)計(jì)需要根據(jù)協(xié)同控制規(guī)劃制定的某平臺(tái)的任務(wù)剖面,按照自身平臺(tái)特性、地形以及威脅特性,規(guī)劃出各平臺(tái)實(shí)際的航線和飛行參數(shù)。

與單無人機(jī)運(yùn)用相比,多無人機(jī)協(xié)同運(yùn)用時(shí),需要綜合考慮各無人機(jī)的任務(wù)分配、起飛回收順序、相互的協(xié)同能力以及針對(duì)異常情況下的體系的重構(gòu)等。

多無人機(jī)協(xié)同的航路設(shè)計(jì)從總體結(jié)構(gòu)上包括協(xié)同控制設(shè)計(jì)、單平臺(tái)航路設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)整等幾個(gè)方面。

協(xié)同控制設(shè)計(jì)需要根據(jù)任務(wù)情況確定無人機(jī)的數(shù)量和控制方式、各無人機(jī)的運(yùn)行時(shí)段和任務(wù)交接,以及相應(yīng)的飛行狀態(tài),其中重點(diǎn)是要具備系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整能力。

動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)整是在任務(wù)過程中出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí),調(diào)整各無人機(jī)的任務(wù)要求,包括重新構(gòu)建任務(wù)架構(gòu)或者提前結(jié)束任務(wù)返航等。動(dòng)態(tài)任務(wù)重新規(guī)劃對(duì)于單機(jī)應(yīng)用時(shí)也存在,多機(jī)協(xié)同使用時(shí),動(dòng)態(tài)調(diào)整與單機(jī)相比,重點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)并制定措施解決多機(jī)相互影響。

4.2 網(wǎng)絡(luò)管理

多無人機(jī)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的管理需要解決鏈路管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和控制交接等方面的問題。

(1)鏈路管理

鏈路管理是網(wǎng)絡(luò)管理的基礎(chǔ),將確定節(jié)點(diǎn)之間如何連接以建立滿足當(dāng)前操作任務(wù)需要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),包括確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)組成及鏈路參數(shù);對(duì)連接到網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理控制;提供鏈路資源,管理鏈路連接。

鏈路管理可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供資源管理服務(wù),包括查找節(jié)點(diǎn)位置、鏈路帶寬管理、鏈路管理控制、無線電頻率管理和網(wǎng)絡(luò)配置。

網(wǎng)絡(luò)的鏈路管理對(duì)網(wǎng)絡(luò)組成和鏈路參數(shù)進(jìn)行設(shè)置調(diào)整以修改鏈路性能。網(wǎng)絡(luò)可以確定每條鏈路上采用的數(shù)據(jù)傳輸率,并能對(duì)所給的鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)速率調(diào)整。

(2)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

多無人機(jī)協(xié)同采用自適應(yīng)組網(wǎng)方式[6],網(wǎng)絡(luò)在體系上采用分層設(shè)計(jì)和跨層協(xié)同相結(jié)合的方式。

在鏈路層,接入?yún)f(xié)議是自適應(yīng)組網(wǎng)的關(guān)鍵,需要合理分配系統(tǒng)的無線信道資源。對(duì)于多無人機(jī)協(xié)同體系可以采用基于統(tǒng)計(jì)的分布式優(yōu)先接入?yún)f(xié)議,這種接入?yún)f(xié)議類似碼分多址接入,可有效控制傳輸時(shí)延,從而最大程度地保證低時(shí)延傳輸。

在網(wǎng)絡(luò)層,路由協(xié)議是重點(diǎn)。采用基于位置信息的自組織路由方法,利用定位服務(wù)獲取的位置信息可輔助路由維護(hù)過程,從而減少因?yàn)楹榉郝酚烧埱蟀鴰淼目刂崎_銷。需要關(guān)注備份路由機(jī)制,備份路由可在缺省路由失效時(shí),自動(dòng)成為缺省路由,并在傳輸分組的同時(shí)再建立起一個(gè)備份路由,從而使鏈路失效時(shí)間減少。

在應(yīng)用層,網(wǎng)絡(luò)要求能夠?qū)崿F(xiàn)隨遇接入,即根據(jù)應(yīng)用需求,保證機(jī)動(dòng)平臺(tái)通過選擇接入點(diǎn)接入不同網(wǎng)絡(luò)。接入選擇機(jī)制主要采用分布式接入選擇機(jī)制,當(dāng)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)位于多個(gè)空中接入點(diǎn)覆蓋范圍時(shí),可以根據(jù)信號(hào)質(zhì)量與接入點(diǎn)資源情況自行選擇接入點(diǎn)。

(3)控制交接

多無人機(jī)協(xié)同應(yīng)用中,面臨一站控制多機(jī)的問題,也會(huì)面臨多站控一機(jī)的問題,因此無人機(jī)的控制交接對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。

多無人機(jī)協(xié)同應(yīng)用中需要實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)用戶在高速運(yùn)動(dòng)過程中仍能夠與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)保持不間斷通信,面臨的問題主要包括位置管理和切換控制兩方面。

位置管理通過無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的注冊認(rèn)證、位置登記、更新和查找,實(shí)時(shí)有效跟蹤高速飛行的無人機(jī)節(jié)點(diǎn)。切換控制則通過鏈路檢測、切換準(zhǔn)則、越區(qū)切換控制等策略,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)由一個(gè)接入點(diǎn)的覆蓋區(qū)域切換到另一個(gè)接入點(diǎn)的覆蓋區(qū)域,切換管理操作過程如圖4所示。

圖4 切換管理操作Fig.4 Operation of switch management

在進(jìn)行切換管理決策時(shí),需要進(jìn)行鏈路檢測和切換判決,從而確定初始化、新連接建立和傳輸控制這3個(gè)過程的具體參數(shù)和執(zhí)行時(shí)間。

4.3 自適應(yīng)組網(wǎng)

(1)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

多無人機(jī)應(yīng)用中,需要使用在不同節(jié)點(diǎn)(包括無人機(jī)、地面控制站以及業(yè)務(wù)用戶)之間建立網(wǎng)絡(luò)化通信體系。由于無人機(jī)和用戶的移動(dòng)性,因此需要采用自適應(yīng)組網(wǎng)的方式。

自適應(yīng)組網(wǎng)方式網(wǎng)絡(luò)的建立、成員的入網(wǎng)、退網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)的資源分配都基于自組織方式,分布式動(dòng)態(tài)進(jìn)行。各網(wǎng)絡(luò)成員根據(jù)采用自組織,動(dòng)態(tài)的方式使用網(wǎng)絡(luò)資源。

網(wǎng)絡(luò)成員規(guī)模和成員分布范圍較小時(shí),宜采用扁平式自組網(wǎng)(ad hoc)拓樸結(jié)構(gòu),即在已存在的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中建立所需的非持久網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。

基于網(wǎng)絡(luò)通信的無人機(jī)協(xié)同系統(tǒng),在使用中,會(huì)面臨實(shí)際的限制,包括:目前的地面站多為一站控一機(jī)的方式,正在向一站多機(jī)方向發(fā)展;地面站分為起飛回收站和任務(wù)控制站,這兩種不同的地面站在對(duì)無人機(jī)的控制中存在交替進(jìn)行;網(wǎng)絡(luò)中的成員之間由于所處位置不同,受到區(qū)域和地形的限制,可能在網(wǎng)絡(luò)中不能直接通信,需要通過中繼進(jìn)行聯(lián)通。

因此實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)可能變化成圖5所示,其中無人機(jī)1、3、有人機(jī)和地面用戶是在一個(gè)相互可以直接通信的區(qū)域,無人機(jī)2所處的位置只能與無人機(jī)1直接通信,與無人機(jī)3、有人機(jī)和地面用戶都不能直接通信。地面站1和2分別可以和無人機(jī)1和2通信,與其他成員不能聯(lián)通。

圖5 實(shí)際使用中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.5 Network frame in practice

網(wǎng)絡(luò)成員規(guī)模和成員分布范圍較大時(shí),自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)也可以是以分層結(jié)構(gòu)的方式動(dòng)態(tài)組織的,以便用更高的層級(jí)來交換更多局域化子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)。這種網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)將在飛機(jī)數(shù)量增加、飛機(jī)的機(jī)動(dòng)模式較為穩(wěn)定、或通信傳輸需求增加的時(shí)候最為有用。

這種網(wǎng)絡(luò)可以是單種類型網(wǎng)絡(luò),也可以是多種類型網(wǎng)絡(luò)混合使用。我們這里僅討論使用單種類型網(wǎng)絡(luò)的方式,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)成員使用相同的頻率、波形、加密體制、網(wǎng)絡(luò)定時(shí)結(jié)構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù),共享系統(tǒng)容量。網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)內(nèi)中繼、鏈間轉(zhuǎn)發(fā)等手段,提供與外部節(jié)點(diǎn)或其他網(wǎng)絡(luò)成員的交互能力,支持多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(2)網(wǎng)絡(luò)沖突

協(xié)同網(wǎng)絡(luò)采用TD網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型,對(duì)于單一網(wǎng)絡(luò)而言,采用預(yù)分配網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙的規(guī)劃方式即可解決大部分需求。但是對(duì)于多重網(wǎng)絡(luò)而言,由于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型變化比較復(fù)雜,有必要對(duì)多網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型下的網(wǎng)絡(luò)效能進(jìn)行分析。

由于目前使用中,每個(gè)無人機(jī)都有固定的地面控制站和獨(dú)立的測控鏈路,保證無人機(jī)的飛行安全。這樣的測控鏈路基本是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的形態(tài),基本都是固定的空地鏈路,因此在討論,將空地測控鏈路簡化掉,只討論具有自組網(wǎng)能力的業(yè)務(wù)傳輸鏈路。

按照多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的構(gòu)型,可以將網(wǎng)絡(luò)劃分為骨干網(wǎng)和子網(wǎng)。如圖6所示,骨干網(wǎng)為地面站以及中心區(qū)域活動(dòng)的無人機(jī)組建的網(wǎng)絡(luò),子網(wǎng)為距離較遠(yuǎn)區(qū)域的協(xié)同網(wǎng)絡(luò),子網(wǎng)通過骨干網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)無人機(jī)與骨干網(wǎng)連接。

圖6 實(shí)際使用中多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.6 Frame of multilevel network in practice

其中骨干網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均具備網(wǎng)關(guān)功能,及可以支持與其他網(wǎng)絡(luò)的連接。子網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以不必具備網(wǎng)關(guān)功能。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型如圖7所示。

圖7 多級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型Fig.7 Diagram of multilevel network

在正常的情況下,子網(wǎng)1和子網(wǎng)2處于較遠(yuǎn)的距離,彼此不能互通,但它們都可以通過某個(gè)骨干網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接入骨干網(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)通。

但由于機(jī)載平臺(tái)活動(dòng)區(qū)域大,且運(yùn)動(dòng)速度快,因此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將快速變化,骨干網(wǎng)與子網(wǎng)采用不同的傳輸方式,彼此可以避免沖突,但是子網(wǎng)采用相同的組網(wǎng)方式,隨著網(wǎng)絡(luò)成員的運(yùn)動(dòng),網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)重疊,其中的某個(gè)或某些成員可能處于不同子網(wǎng)的重疊區(qū),從而出現(xiàn)沖突,如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)重疊Fig.8 Overlap of network

無人機(jī)組網(wǎng)使用自組網(wǎng)的方式,其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以使其中處于交疊區(qū)域的成員能夠同時(shí)監(jiān)聽到不同的網(wǎng)絡(luò)通信情況,從而判斷已經(jīng)處于重疊區(qū),進(jìn)而對(duì)網(wǎng)控站上報(bào)相應(yīng)狀態(tài),由網(wǎng)控站選擇相應(yīng)的處理措施,包括:若交疊區(qū)節(jié)點(diǎn)所占時(shí)隙在兩個(gè)網(wǎng)內(nèi)沒有沖突的情況下,可以不用改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù),不影響使用;若交疊區(qū)節(jié)點(diǎn)所占時(shí)隙在兩個(gè)網(wǎng)內(nèi)存在沖突的情況下,則該節(jié)點(diǎn)重新預(yù)約時(shí)隙,避免沖突;可以將交疊區(qū)節(jié)點(diǎn)配置成路由節(jié)點(diǎn)使用,在兩個(gè)網(wǎng)間中繼信息。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)多無人機(jī)的應(yīng)用需求,提出了基于組網(wǎng)通信的協(xié)同應(yīng)用方式,介紹了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程,并分析了起降規(guī)劃、航路設(shè)計(jì)、鏈路管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、控制交接等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方式;結(jié)合實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn),針對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了分析,提出了重疊區(qū)域沖突問題的解決方法。

基于數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)協(xié)同系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)及地面站之間的多點(diǎn)信息傳輸,系統(tǒng)組網(wǎng)方式靈活多樣,適合于多無人機(jī)應(yīng)用的場合。而系統(tǒng)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的總體傳輸容量以及傳輸和接入延遲對(duì)整體效能會(huì)產(chǎn)生影響,隨著網(wǎng)絡(luò)用戶的增加,整體效能將會(huì)下降。通過多級(jí)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,可以在網(wǎng)絡(luò)能力有限的情況下,支持一定數(shù)量用戶增長。增加網(wǎng)絡(luò)傳輸容量和減少接入時(shí)間,支持更加靈活的入網(wǎng)方式,將是后續(xù)工作研究的重點(diǎn)。

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