一种无人机多数据链智能切换方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机多数据链智能切换方法，涉及无人机数据通信领域。针对现有无人机多链路通信中在数传电台、移动通信等主通信链路断联的情况下机械预设式决策的不足，本发明专利技术利用北斗短报文通信，在主通信链路全断联的情况下，构建失联信息报文传输至地面站端；地面站端接收失联信息报文，恢复无人机失联前的飞行动态，结合信号分布三维图，分析无人机失联原因，构建禁飞区域，评估决策出飞行控制指令实现无人机主通信链路恢复。

An intelligent switching method of UAV multi data link

【技术实现步骤摘要】
一种无人机多数据链智能切换方法
本专利技术涉及一种无人机与地面站之间多种通信数据链的智能切换方法，尤其是能够在其中一种或多种数据链断联的情况下的处置与恢复机制。
技术介绍
目前，无人机与地面站之间的通信数据链主要有数传电台、移动通信与北斗短报文等方式，其中数传电台实时性好，但传输距离短；移动通信指使用电信运营商提供的数据传输通道，包括GSM、3G、4G以及即将商业化运行的5G，信号覆盖范围广，但存在信号盲区，同时高度受限；北斗短报文基于卫星通信，可实现全空域通信，但通信容量低，达不到实时性要求，只能用作应急通信。单一数据链通信存在风险，往往采取多数据链通信，其中往往以数传电台与移动通信作为主通信链路，北斗短报文作为监视与应急通信链路。当前的无人机多数据链通信方法，往往聚焦于各通信链路的传输质量，并据此机械式地进行相关链路的切换，没有充分利用无人机位置、高度、状态结合可索引的地形地貌、移动信号分布等信息进行综合智能判断与决策。专利《用于无人机的通信方法》(申请号：CN201410841718.3)周期性检测移动通信链路的信号强度来选择使用移动通信或北斗短报文通信；专利《无线通信方法、装置、无人机以及无人机控制系统》(申请号：CN201910672651.8)在确定第一通信链路，即移动通信链路断开的情况下切换到第二通信链路，即北斗短报文通信链路；专利《基于北斗卫星的无人机监控方法及系统》(授权号：CN103499975B)对北斗短报文在无人机上的应用做了专门阐述，包括基于北斗短报文无人机下传定位与姿态信息，地面站上传控制信息，但一方面是北斗短报文单数据链，没有涉及到多数据链操作，另一方面对如何由定位信息与姿态信息生成无人机控制指令没有进行说明与相关权利要求。
技术实现思路
为了克服现有的无人机多链路通信中在数传电台、移动通信等主通信链路断联的情况下机械预设式决策的不足，本专利技术提供一种无人机多数据链智能切换方法，该方法能够利用北斗短报文通信综合评估决策出飞行控制指令实现无人机主通信链路恢复。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案为：无人机端选择数传电台与移动通信作为主通信链路，通过主通信链路维护模块进行链路监测与切换；无人机端在主通信链路全断联的情况下，构建失联信息报文，通过北斗短报文传输至地面站端；地面站端构建数传电台与移动通信的信号分布三维图；地面站端接收失联信息报文，恢复无人机失联前的飞行动态，结合信号分布三维图，分析无人机失联原因，构建禁飞区域，生成飞行计划；地面站端根据飞行计划生成无人机操作指令，并通过北斗短报文发送至无人机端；无人机端执行所述的无人机操作指令，并每间隔一个北斗短报文发送周期重复进行构建失联信息报文和通过北斗短报文传输至地面站端的操作，直至主通信链路恢复。作为本专利技术的优选方案，所述的失联信息报文包括失联前飞行航迹信息、飞行状态信息、飞行动作信息。作为本专利技术的优选方案，所述的飞行状态信息至少包括电池/燃油量信息、飞行模式信息、飞行姿态信息、飞行速度信息。作为本专利技术的优选方案，考虑到民用北斗卡通信频度和通信量受限，失联信息报文在通过北斗短报文传输至地面站端之前，还包括对失联信息报文的压缩步骤。作为本专利技术的优选方案，所述的地面站端构建数传电台与移动通信的信号分布三维图具体为：地面站端基于GIS，结合移动通信基站分布数据、山区地形高程数据、城镇分布数据，构建基于基站分布的信号三维图和基于居民区分布区分布的信号三维图，叠加组合得到数传电台与移动通信信号分布三维图。作为本专利技术的优选方案，所述的生成飞行计划为根据地理高程信息、建筑物信息以及禁飞区域生成障碍物信息；根据无人机型号、负载、当前电池/燃油量信息生成无人机剩余续航里程；根据信号分布情况与飞行任务点生成飞行轨迹。更进一步的，飞行轨迹的生成原则如下：完全避开障碍物，并且离障碍物越近，代价越大；尽量在信号分布区域飞行，信号置信度越差，代价越大；尽量缩短飞行路径，飞行路径越长，代价越大，且飞行路径在接近剩余续航里程时急剧变大。本专利技术的有益效果是，数传电台与移动通信等主通信链路断联的情况下，不仅能够恢复无人机失联前的飞行动态，而且能够智能在信号覆盖区内生成飞行路径恢复主通信链路。附图说明图1为本专利技术方法的实现框图；图2为信号三维分布图构建流程图；图3为单基站信号三维分布图；图4为水平置信度计算原理图；图5为含优选参数安装点高度的垂直置信度计算原理图；图6为不含优选参数安装点高度的垂直置信度计算原理图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。本专利技术中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。图1是本专利技术的原理图，无人机端优先选择数传电台与移动通信作为主通信链路，设计主通信链路维护模块，负责机械式的链路监测与切换，这点与现有方法一致；无人机端在链路全断联的情况下，考虑到北斗短报文民用级别30秒～60秒通信一次的频率限制，设计“单端一次传输”方案，无人机端构建包括失联前飞行航迹、飞行状态、飞行动作等在内的失联信息报文，通过北斗短报文传输至地面站端；地面站端基于GIS，结合移动通信基站分布数据、山区地形高程数据、城镇分布数据等，构建数传电台与移动通信信号分布三维图；地面站端接收失联信息报文，恢复无人机失联前的飞行动态，结合信号分布三维图，分析无人机失联原因，生成受限于地形、空域、续航等因素的飞行计划，并使飞行计划航路尽量分布在信号区域内，促进主通信链路的尽快恢复；地面站端根据飞行计划生成无人机操作指令，并通过北斗短报文发送至无人机端；无人机端执行指令。并每间隔一个北斗短报文发送周期重复进行上述操作，直至主通信链路恢复。一、失联信息报文构建无人机端在检测到数传电台、移动通信等主通信链路全部断联的情况下，构建失联信息报文，通过北斗短报文传输至地面站端。失联信息报文应包括无人机标号、飞行状态、飞行航迹、飞行任务点、时间、校验等要素构成，其中飞行状态至少应包括电池/燃油量、飞行模式、飞行姿态、飞行速度等信息。北斗短报文通信频度和通信量依据北斗卡的级别而定，通信频度最高可达1秒/次，通信量最高可达240字节/次。级别较高的北斗卡往往为军用，民用北斗卡通信频度和通信量受限，必须进行压缩。以实践中较容易获得的某类北斗卡为例，其通信频度30秒/次，通讯量78字节/次，进行失联信息报文构建与压缩方法说明。失联信息报文总结构设计如表1所示，由无人机标号、飞行状态、飞行航迹、飞行任务点、时间、校验组成，下面进行分别说明：表1失联信息报文总结构无人机标号：2字节，uint16类型，范围0～65535，唯一标识，采用预先分配模式确定。飞行状态：20字节，表示当前最新状态值，组成结构如表2所示，其中NED坐标系指3轴分别指向正北、正东、地球球心的直角坐标系：表2飞行状态结构飞行航迹：41字节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机多数据链智能切换方法，其特征在于：/n无人机端选择数传电台与移动通信作为主通信链路，通过主通信链路维护模块进行链路监测与切换；/n无人机端在主通信链路全断联的情况下，构建失联信息报文，通过北斗短报文传输至地面站端；/n地面站端构建数传电台与移动通信的信号分布三维图；地面站端接收失联信息报文，恢复无人机失联前的飞行动态，结合信号分布三维图，分析无人机失联原因，构建禁飞区域，生成飞行计划；地面站端根据飞行计划生成无人机操作指令，并通过北斗短报文发送至无人机端；无人机端执行所述的无人机操作指令，并每间隔一个北斗短报文发送周期重复进行构建失联信息报文和通过北斗短报文传输至地面站端的操作，直至主通信链路恢复。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人机多数据链智能切换方法，其特征在于：
无人机端选择数传电台与移动通信作为主通信链路，通过主通信链路维护模块进行链路监测与切换；
无人机端在主通信链路全断联的情况下，构建失联信息报文，通过北斗短报文传输至地面站端；
地面站端构建数传电台与移动通信的信号分布三维图；地面站端接收失联信息报文，恢复无人机失联前的飞行动态，结合信号分布三维图，分析无人机失联原因，构建禁飞区域，生成飞行计划；地面站端根据飞行计划生成无人机操作指令，并通过北斗短报文发送至无人机端；无人机端执行所述的无人机操作指令，并每间隔一个北斗短报文发送周期重复进行构建失联信息报文和通过北斗短报文传输至地面站端的操作，直至主通信链路恢复。


2.根据权利要求1所述的无人机多数据链智能切换方法，其特征在于所述的失联信息报文包括失联前飞行航迹信息、飞行状态信息、飞行动作信息。


3.根据权利要求2所述的无人机多数据链智能切换方法，其特征在于所述的飞行状态信息至少包括电池/燃油量信息、飞行模式信息、飞行姿态信息、飞行速度信息。


4.根据权利要求1所述的无人机多数据链智能切换方法，其特征在于失联信息报文在通过北斗短报文传输至地面站端之前，还包括对失联信息报文的压缩步骤。


5.根据权利要求1所述的无人机多数据链智能切换方法，其特征在于所述的地面站端构建数传电台与移动通信的信号分布三维图具体为：地面站端基于GIS，结合移动通信基站分布数据、山区地形高程数据、城镇分布数据，构建基于基站分布的信号三维图和基于居民区分布区分布的信号三维图，叠加组合得到数传电台与移动通信信号分布三维图。


6.根据权利要求5所述的无人机多数据链智能切换方法，其特征在于所述的构建基于基站分布的信号三维图，包括如下步骤：
S61：通过经度lon、纬度lat以及高程数据获得基站海拔高度alt，在[lon,lat,alt]生成半径为R的圆；
S62：增加置信度p表示该区域信号覆盖的可能性大小；若当前基站数据存在覆盖范围高度Hc，则在[lon,lat,alt]生成高度为Hc...

【专利技术属性】
技术研发人员：许乙付，罗喜伶，张昌明，李云波，
申请(专利权)人：北京航空航天大学杭州创新研究院，
类型：发明
国别省市：浙江;33