一站多无人机测控通信系统的时隙分配及网络管控方法技术方案

本发明专利技术实施例公开了一站多无人机测控通信系统的时隙分配及网络管控方法，针对一站多机的任务特点，提出了上行起降引导时隙、下行起降引导时隙、上行广播时隙、上行巡航控制管理时隙、上行网络管理时隙、下行应答时隙、下行巡航控制管理时隙等时隙的分配方法。同时，针对一站多无人机测控通信全过程提出了网络管控方案，基于高精度时钟同步方法和动态时隙回收方法。本发明专利技术满足多架无人机在起飞、巡航、降落等各阶段对测控通信系统传输延迟、网络同步等多种技术要求，是一种高实时、可通用的一站多机测控通信系统的时隙分配方法，同时，可为网络运行提供高效、可靠的技术解决方案。可靠的技术解决方案。可靠的技术解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一站多无人机测控通信系统的时隙分配及网络管控方法


[0001]本专利技术涉及通信
，特别是一种一站多无人机测控通信系统的时隙分配及网络管控方法。

技术介绍

[0002]国联邦航空管理局联合规划与发展办公室公布的《下一代无人机系统研究、发展和演示路线图》表明，一站多机能力是其未来发展的重要目标之一。一站多机的典型应用包括同时为多架任务机提供从地面测试、起飞控制、空中飞行到回收控制等全过程中的通信保障。现有测控地面站一般只能满足一站单机测控通信需求，要实现多机测控必须配备多套地面控制站，造成成本大幅增加。采用一站多机式无人测控系统能够通过一套地面控制站对多架无人机进行实时控制，有效降低了系统成本，提高了任务执行效率。
[0003]目前，国内外无人机测控系统实现一站多机测控模式的通信技术体制主要有以下几种：
[0004](1)相控阵天线体制(Phased Array Antennas)，地面控制站采用相控阵天线，通过天线波束的电扫描，对准各个无人机，实现对无人机群的测控与通信；
[0005](2)码分多址体制(CDMA)，地面控制站与无人机群共用一个通讯频道，通过分配不同的扩频地址码来区分设备信息，实现对无人机群的测控与通信；
[0006](3)频分多址体制(FDMA)，不同的无人机使用不同的通讯频道进行工作，地面控制站使用多个通讯频道同时工作，与无人机群同时建立测控通信链路；
[0007](4)时分多址体制(TDMA)，将测控通信周期划分为长短不一的时间间隙(简称时隙)，地面控制站和无人机群在分配到的工作时隙内发射各自信息；
[0008]在上述测控通信技术体制中，相控阵天线体制、码分多址体制和频分多址体制都需要专用测控设备支持，设备成本较高、体积重量较大，时分多址体制可较低成本地实现一站多机测控模式。通常情况下，无人机一站多机测控通信一般采用时分多址体制。且在该体制下，无人机采用固定时隙方式把通信周期分割成大小固定的时隙，按顺序分配给已知的无人机节点。典型的时隙分配方式如下：
[0009]地面测控通信设备在第1个时隙内向无人机群发送遥控信息，第2个时隙为保护时隙；上行周期被分割成N个时隙(N＝2*n，n为无人机架数，n>1)，第1架无人机在第1个时隙发送遥测信息，第2个时隙为保护时隙，第2架无人机在第3个时隙发送要测信息，第4个时隙为保护时隙，
…
，第n架无人机在第N
‑
1个时隙发送遥测信息，在第N个时隙为保护时隙。
[0010]上述技术方案的缺点是，为每架无人机分配固定的时隙，若系统内无人机数量越多，即n越大，单架无人机的遥测数据更新率越低，系统效率越低。此外没有针对高实时业务传输需求进行设计，传输时延不能得到充分保证。

技术实现思路

[0011]有鉴于现有技术中存在的上述问题，本专利技术实施例提供一种一站多无人机测控通
信系统的时隙分配及网络管控方法，包括满足不同业务传输要求的高实时、通用化的一站多机测控通信时隙分配方法，以及，针对一站多无人机测控通信中同步和入网、时隙一次分配、飞机迟入网、进入起降引导、进入巡航管理等过程提出了网络管控方案，基于高精度时钟同步方法和动态时隙回收方法，可为网络高效、可靠的运行提供技术解决方案。
[0012]本专利技术实施例提供的一站多无人机测控通信系统的时隙分配，包括：
[0013]同步和入网阶段，网络中时隙包括间隔排列的用来传输上行网络管理报文的上行网络管理时隙和用来传输下行应答报文的下行应答时隙，其中，网络管理报文和应答报文均分别包含用于测距和同步的前向测距信号和反向测距信号；
[0014]网络运行阶段，网络中时隙包括按顺序排列，周期性循环的上行起降引导时隙、下行起降引导时隙、上行广播时隙、上行巡航控制管理时隙、上行网络管理时隙、下行网络应答时隙和下行巡航控制管理时隙；
[0015]其中，所述上行起降引导时隙、所述下行起降引导时隙和上行广播时隙的传输时延均不超过第一预设时间，在每间隔时间不超过三分之一所述第一预设时间内至少出现一次，且在每次出现的时隙数量为：
[0016]其中，[
·
]表示取整，N为以1秒为一个时帧中所划分的时隙，一个时隙为1/N秒，时隙编号为1～N，T1为第一预设时间；
[0017]若有数量为m的无人机进行同时起飞和降落引导，则每架无人机的上行起降引导数据和下行起降引导数据各占用1个时隙，则m架无人机起降引导占用的时隙数量为2m个，其中，上行引导数据占用m个，下行引导数据占用m个，故此，可得下行巡航控制管理时隙数量R的计算方法如下：
[0018][0019]其中，F为上行广播时隙的固定时隙数量，P为上行巡航控制管理时隙的固定时隙数量，S为上行网络管理时隙的固定时隙数量，Q为下行网络应答时隙的固定时隙数量，将个时隙作为一个时元；
[0020]若R≥k，其表征在一个时元内能够为所有在网巡航无人机单独分配一个下行巡航控制管理业务时隙，且时隙分配满足业务可控时延的要求，多余的时隙则作为预留时隙，k为除去所述m架无人机以外的需要在巡航阶段进行控制管理的无人机的数量；
[0021]若R<k，则表征在一个时元内不能够为所有在网巡航无人机分配一个独立时隙；
[0022]若则表征需要串联n组时元，且将k架无人机的下行巡航控制管理业务平均分布在R
·
n个下行巡航控制管理时隙中，多余的时隙则作为预留时隙；
[0023]若其表征时隙分配满足巡航控制管理业务时延小于T2的要求，T2表征k架无人机在巡航阶段的控制管理所需的传输时延；
[0024]若则表征时隙分配不满足巡航控制管理业务时延小于T2的要求，需要减少其他业务分配的时隙分配数量以满足要求。
[0025]本专利技术实施例还提供一站多无人机测控通信系统的网络管控方法，所述网络管控方法中无人机和地面测控站通信的时隙分配采用上述实施例中的时隙分配方法进行分配：
[0026]在所述同步和入网阶段，网络时帧结构分为初始入网时帧和入网通信时帧，其中，所述入网通信时帧的时隙分配权利要求1所述的一站多无人机测控通信系统时隙分配方法进行分配，所述初始入网时帧由1个网络管理时隙、N个业务传输时隙和若干竞争接入时隙组成，且所述业务传输时隙数量大于全部无人机节点数量；
[0027]所述方法包括：
[0028]在无人机起飞前，地面测控通信系统在网络管理时隙内广播同步信号和时隙编号，待入网无人机节点收到后，调整本地时钟与地面测控通信系统同步，其中，多个无人机节点采用已有的载波侦听
‑
随机退让的竞争接入方法，在竞争接入时隙中申请业务传输时隙，成功完成时隙申请的无人机节点被分配相应的业务时隙，当所有无人机节点都完成时隙分配后，则入网完成；
[0029]将无人机编号与时隙编号绑定，形成飞机与时隙的绑定表即完成时隙分配表，形成网络成员在网状态表，并预留部分时隙数量，以满足迟入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一站多无人机测控通信系统的时隙分配方法，其特征在于，包括：同步和入网阶段，网络中时隙包括间隔排列的用来传输上行网络管理报文的上行网络管理时隙和用来传输下行应答报文的下行应答时隙，其中，网络管理报文和应答报文均分别包含用于测距和同步的前向测距信号和反向测距信号；网络运行阶段，网络中时隙包括按顺序排列，周期性循环的上行起降引导时隙、下行起降引导时隙、上行广播时隙、上行巡航控制管理时隙、上行网络管理时隙、下行网络应答时隙和下行巡航控制管理时隙；其中，所述上行起降引导时隙、所述下行起降引导时隙和上行广播时隙的传输时延均不超过第一预设时间，在每间隔时间不超过三分之一所述第一预设时间内至少出现一次，且在每次出现的时隙数量为：其中，[
·
]表示取整，N为以1秒为一个时帧中所划分的时隙，一个时隙为1/N秒，时隙编号为1～N，T1为第一预设时间；若有数量为m的无人机进行同时起飞和降落引导，则每架无人机的上行起降引导数据和下行起降引导数据各占用1个时隙，则m架无人机起降引导占用的时隙数量为2m个，其中，上行引导数据占用m个，下行引导数据占用m个，故此，可得下行巡航控制管理时隙数量R的计算方法如下：其中，F为上行广播时隙的固定时隙数量，P为上行巡航控制管理时隙的固定时隙数量，S为上行网络管理时隙的固定时隙数量，Q为下行网络应答时隙的固定时隙数量，将个时隙作为一个时元；若R≥k，其表征在一个时元内能够为所有在网巡航无人机单独分配一个下行巡航控制管理业务时隙，且时隙分配满足业务可控时延的要求，多余的时隙则作为预留时隙，k为除去所述m架无人机以外的需要在巡航阶段进行控制管理的无人机的数量；若R<k，则表征在一个时元内不能够为所有在网巡航无人机分配一个独立时隙；若则表征需要串联n组时元，且将k架无人机的下行巡航控制管理业务平均分布在R
·
n个下行巡航控制管理时隙中，多余的时隙则作为预留时隙；若其表征时隙分配满足巡航控制管理业务时延小于T2的要求，T2表征k架无人机在巡航阶段的控制管理所需的传输时延；若则表征时隙分配不满足巡航控制管理业务时延小于T2的要求，需要减少其他业务分配的时隙分配数量以满足要求。2.一站多无人机测控通信系统的网络管控方法，其特征在于，所述网络管控方法中无人机和地面测控站通信的时隙分配采用权利要求1所述的时隙分配方法进行分配；
在所述同步和入网阶段，网络时帧结构分为初始入网时帧和入网通信时帧，其中，所述入网通信时帧的时隙分配权利要求1所述的一站多无人机测控通信系统时隙分配方法进行分配，所述初始入网时帧由1个网络管理时隙、N个业务传输时隙和若干竞争接入时隙组成，且所述业务传输时隙数量大于全部无人机节点数量；所述方法包括：在无人机起飞前，地面测控通信系统在网络管理时隙内广播同步信号和时隙编号，待入网无人机节点收到后，调整本地时钟与地面测控通信系统同步，其中，多个无人机节点采用已有的载波侦听
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随机退让的竞争接入方法，在竞争接入时隙中申请业务传输时隙，成功完成时隙申请的无人机节点被分配相应的业务时隙，当所有无人机节点都完...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈萍，于世强，邓拥军，陈华志，李东，
申请(专利权)人：中国船舶工业系统工程研究院，
类型：发明
国别省市：