面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法技术

本发明专利技术公开一种面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法,步骤包括：S01.在接入规划阶段时，根据各任务无人机的航迹规划以及飞行速度，对任务无人机的通信中继需求进行分析，获取所需中继的任务无人机的位置关系以及初步确定所需中继无人机的数量，最终确定所需中继无人机数量以及首次接入的时刻与位置；S02.在线规划阶段时，获取所有任务无人机的当前位置信息以及历史位置信息进行融合估计，预测出各任务无人机的运动状态，并以全局连接性最优为目标规划各中继无人机的路径，得到各中继无人机的运行状态输出。本发明专利技术能够实现中继无人机智能接入与自主路径规划，具有实现方法简单、集群网络通信性能与通信质量好、灵活性强等优点。强等优点。强等优点。

【技术实现步骤摘要】
面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机集群控制
，尤其涉及一种面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法。

技术介绍

[0002]无人机以群体方式应用，通过空中组网实现多种任务作业，如多无人机救灾构建区域空中应急通信基站、多无人机执行区域协同救援搜索等，无人机之间的空中通信是构建无人机集群信息网络的关键。然而，由于地形、建筑物等环境、无人机机间距离和飞行姿态等因素的影响，导致机间直接通信质量无法支持任务信息传递，例如在城市救灾应急通信中搭载通信机载的无人机之间收到高层建筑或山地影响无法直接通信，而形成通信孤岛。对此，采用中继通信无人机进行空中机间通信补网，构建协同通信层，保持无人机群体中机间通信的畅通，确保任务顺利执行。
[0003]无人机众多领域应用广泛，其中中继通信是无人机重要应用方向。相比于基于地面基站以及卫星系统通信，无人机中继通信有着明显优势：首先，快速部署，借助于中低空无人机快速机动特性，在很多情况下可以建立短距视距和中远距离非视距通信链路，改进通信节点之间通信性能；其次，位姿便于调整，动态调整空中无人机运动和姿态适应通信环境变化(例如地形遮蔽、阴雨天衰减/通信噪声或干扰等)，提升了通信链路的环境适应性；最后，维护成本低，无人机系统运行和维护成本更低，起飞与回收较为灵活，可随时部署展开作业，适合于意外发生的或者持续时间短的任务。
[0004]无人机在通信中继方面发挥着重要的作用，有三个方面的典型应用研究。一是区域覆盖与应急通信：部署无人机协助现有的通信基础设施从而在服务区域提供无缝的无线覆盖，其应用场景包括由于自然灾害造成的基础设施损坏以及极其拥挤的区域下的基站过载；二是远程通信：无人机通信中继在没有可靠直连链路的两个远程用户或用户组之间提供无线连接，例如在前线和命令中心之间用于紧急响应；三是信息收集和分发，无人机辅助信息分发和数据收集，派遣无人机向大量分布式无线设备(例如，精密农业应用中的无线传感器)分发或者从无线设备收集延迟容忍消息。
[0005]对于中继无人机应用于无人机与地面站之间以及空中无人机之间协同通信方法及应用的研究主要面临三个方面的挑战：一是什么时候需要中继通信，即中继无人机的加入时刻与位置；二是如何实时规划中继无人机飞行路径确保链路两端通信正常；三是集群中多架无人机因任务/目标聚合或分离(例如，多机聚合形成一个编队，协同侦查打击某一目标，任务完成后多机分散，通过在线资源协调，与其它无人机聚合协同执行下一个任务)，而产生集群拓扑关系变化，在此条件下如何确保机间网的通信质量。
[0006]在协同通信应用中，中继通信往往是提高吞吐量、可靠性以及扩展通信范围的有效方式。根据服务对象和传输业务不同，无人机中继应用可主要划分为两类：中继无人机定位式区域覆盖通信、中继无人机运动式区域覆盖通信中继无人机静态覆盖区域通信、单中继无人机动态覆盖区域通信以及多中继无人机动态覆盖区域通信。目前，针对无人机通信
中继的研究大多针对地面用户，然而针对战场复杂的环境，中继用户不再是在地面上静止或者运动速度很小的用户，面对的是覆盖范围很广、具备高速运动性的无人机集群。无人机集群会被划分为不同的小组在不同的区域执行任务，期间不仅需要保持无人机与地面站之间的通信，无人机之间也需交换信息。因此何时调度中继无人机以及为中继无人机规划路径成了必须要考虑的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种实现方法简单、集群网络通信性能与通信质量好、灵活性强的面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法，能够实现中继无人机智能接入规划与自主路径规划。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0009]一种面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法，步骤包括：
[0010]S01.在接入规划阶段时，根据各任务无人机的航迹规划以及飞行速度，对任务无人机的通信中继需求进行分析，获取所需中继的任务无人机的位置关系以及初步确定所需中继无人机的最小数量；根据获取的所需中继的任务无人机的位置关系以及初步确定所需中继无人机的最小数量，最终确定所需中继无人机数量以及首次接入的时刻与位置；
[0011]S02.在线规划阶段时，获取所有任务无人机的当前位置信息以及历史位置信息进行融合估计，预测出各任务无人机的运动状态，并以全局连接性最优为目标规划各中继无人机的路径，得到各中继无人机的运行状态输出以控制各中继无人机。
[0012]进一步的，所述步骤S01中，对任务无人机的通信中继需求进行分析的步骤包括：
[0013]S101.按照各任务无人机的速度，以相同时间步长获取航路上对应的航点位置信息，构成任务无人机的航路点数据库；
[0014]S102.按照时间步长顺序访问所有无人机的所述航路点数据库，并按照时间步长生成不同时刻的最小生成树；
[0015]S103.遍历每个所述最小生成树的每条连接边，计算每条连接边的连接性值，若目标连接边的连接性值大于预设阈值，则获取目标连接边以及对应的两任务无人机形成所需中继的无人机及时序，根据所需中继的无人机的时序之间是否包含相同连接点，初步确定所需中继无人机的最小数量。
[0016]进一步的，所述步骤S103中，通过将连接性值大于预设阈值的连接边和对应时刻以及对应无人机之间的拓扑关系构建中继链路需求时序库。
[0017]进一步的，所述步骤S01中，最终确定所需中继无人机数量以及首次接入的时刻与位置的步骤包括：
[0018]S111.读取中继链路需求时序库中数据，判断是否满足预设调用条件，如果是则转入步骤S112，否则返回执行步骤S111；
[0019]S112.选取一个中继无人机在集群任务区域的网络节点位置；
[0020]S113.根据当前时刻任务无人机位置计算最小生成树网络拓扑；
[0021]S114.计算全局网络链路连接性值并进行排序；
[0022]S115.判断当前最差链路连接性值是否大于预设阈值，如果是则增加1架中继无人机并返回步骤S112以选取下一个中继无人机的位置，否则输出当前得到的中继无人机数量
以及接入的位置。
[0023]进一步的，所述步骤S111包括：判断输入的中继无人机节点对序列是否存在相同时刻的共连接点，如果不存在共连接点则判定满足调用条件，如果存在共连接点则先执行共用中继无人机方法调度，若执行所述共用中继无人机方法调度后仍存在连接边的连接性值大于预设阈值，则增加一架中继无人机再转入步骤S112以启动中继无人机接入规划。
[0024]进一步的，所述步骤S02中采用卡尔曼滤波方法对任务无人机运动状态进行融合估计，以预测无人机运动状态，包括：
[0025]在预测阶段，根据k
‑
1时刻状态的最优估计值预测当前时刻的状态，其中使用加速度动力学模型估计任务无人机的运动；
[0026]在观测更新阶段，根据实际测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法，其特征在于，步骤包括：S01.在接入规划阶段时，根据各任务无人机的航迹规划以及飞行速度，对任务无人机的通信中继需求进行分析，获取所需中继的任务无人机的位置关系以及初步确定所需中继无人机的最小数量；根据获取的所需中继的任务无人机的位置关系以及初步确定所需中继无人机的最小数量，最终确定所需中继无人机数量以及首次接入的时刻与位置；S02.在线规划阶段时，获取所有任务无人机的当前位置信息以及历史位置信息进行融合估计，预测出各任务无人机的运动状态，并以全局连接性最优为目标规划各中继无人机的路径，得到各中继无人机的运行状态输出以控制各中继无人机。2.根据权利要求1所述的面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法，其特征在于，所述步骤S01中，对任务无人机的通信中继需求进行分析的步骤包括：S101.按照各任务无人机的速度，以相同时间步长获取航路上对应的航点位置信息，构成任务无人机的航路点数据库；S102.按照时间步长顺序访问所有无人机的所述航路点数据库，并按照时间步长生成不同时刻的最小生成树；S103.遍历每个所述最小生成树的每条连接边，计算每条连接边的连接性值，若目标连接边的连接性值大于预设阈值，则获取目标连接边以及对应的两任务无人机形成所需中继的无人机及时序，根据所需中继的无人机的时序之间是否包含相同连接点，初步确定所需中继无人机的最小数量。3.根据权利要求2所述的面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法，其特征在于，所述步骤S103中，通过将连接性值大于预设阈值的连接边和对应时刻以及对应无人机之间的拓扑关系构建中继链路需求时序库。4.根据权利要求1所述的面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法，其特征在于，所述步骤S01中，最终确定所需中继无人机数量以及首次接入的时刻与位置的步骤包括：S111.读取中继链路需求时序库中数据，判断是否满足预设调用条件，如果是则转入步骤S112，否则返回执行步骤S111；S112.选取一个中继无人机在集群任务区域的网络节点位置；S113.根据当前时刻任务无人机位置计算最小生成树网络拓扑；S114.计算全局网络链路连接性值并进行排序；S115.判断当前最差链路连接性值是否大于预设阈值，如果是则增加1架中继无人机并返回步骤S112以选取下一个中继无人机的位置，否则输出当前得到的中继无人机数量以及接入的位置。5.根据权利要求4所述的面向无人机集群机间组网的中继通信控制方法，其特征在于，所述步骤S111包括：判断输入的中继无人机节点对序列是否存在相同时刻的共连接点，如果不存在共连接点则判定满足调用条件，如果存在共连接点则先执行共用中继无人机方法调度，若执行所述共用中继无人机方法调度后仍存在连接边的连接性值大于预设阈值，则增加一架中继无人机再转入步骤S112以启动中...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹栋，王祥科，段碧琦，杨璇，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：