CN103384373B - 一种分布式集群飞行器系统的遥测遥控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式集群飞行器系统的遥测遥控方法，属于分布式集群飞行器遥测技术领域。该方法具体为：每个成员节点广播握手信息并接收其他节点回传的坐标信息，根据该坐标信息计算两两成员节点之间的相对距离，每个成员节点均通过与其相对距离最近的其他成员节点进行信息传递，由此建立两两成员节点之间的通信链路，记录每条通信链路的跳数；以具备天地测控功能的成员节点作为0环节点，其他成员节点按照与0环节点之间的通信链路的跳数分布到不同的环内；遥测时，遥测信息根据所建立的通信链路由最外环依次向内环传递；遥控时，遥控指令根据所建立的通信链路由0环依次向外环传递。本发明实现了对遥测遥控过程的能源管理。

Description

一种分布式集群飞行器系统的遥测遥控方法

技术领域

本发明属于分布式集群飞行器遥测技术领域，具体涉及一种集群飞行器遥测方法。

背景技术

目前，随着空间飞行器系统应用的拓展以及航天技术的不断进步，要求空间飞行器应当具有一定的灵活性和抗风险能力等。而分布式集群飞行器可以通过分次发射、在轨组装、协作运行的方式完成航天发射任务，较好地解决在轨升级与维修更换，满足灵活性与可靠性需求。

分布式集群飞行器系统由运行在不同轨道的多个成员共同组成，成员间通过各类数据信息互相联系，系统内部可分别通过载荷网与运控网进行载荷数据与运控数据的通信。其中，运控网是用于支持系统正常运行的无线自组织通信网络，对系统而言非常重要。运控网无线通信采用全向发射天线，可以发现识别在通信距离内的成员节点。

对于在轨的分布式集群飞行器系统而言，假设某一时刻只有其中一个成员飞行器具备天地测控的功能。则该具备天地测控功能成员飞行器接收地面遥测信息并通过系统内部的载荷网和运控网进行数据的通讯，这就需要各成员飞行器之间依赖彼此的信息通讯进行联系以配合完成在轨飞行任务。

传统的信息通讯方法是，将组成分布式集群的各成员节点的数据通讯范围均覆盖整个集群，则两个成员节点之间可直接通信，则具备天地测控功能成员飞行器接收到地面遥测信息后，通过提高发射功率与其他成员节点之间直接通讯，这种方法虽然快速有效，却容易产生冲突；加之若两距离较远的成员节点之间进行通信，则节点的发射功率较高，占用资源较多。

那么要实现减少冲突，节约能源的目的，必然需要优化分布式集群飞行器之间的无线通信拓扑结构，并依据该拓扑合理安排测控程序。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种分布式集群飞行器系统能源管理方法，该方法能够在遥测遥控的过程中减少集群飞行器成员节点不必要的能量消耗，提高无线资源利用率和网络吞吐率。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种分布式集群飞行器系统的遥测遥控方法，该遥测遥控方法所针对的系统包括N个成员节点，具体步骤为：

第一步、令第i个成员节点以最大功率广播握手消息，该握手消息中包含自身的坐标和身份信息；

第二步、分布式集群飞行器系统中除第i个成员节点之外的所有成员节点接收到所述握手消息，各成员节点在接收到该握手消息后向第i个成员节点回传自身的坐标和身份信息；

第三步、根据各成员节点的坐标，计算各成员节点与第i个成员节点之间的相对距离，根据所述相对距离获得由第i个成员节点向各成员节点发射功率权重；

第四步、令第一步中的i取遍1至N，按照第一步至第三步的方式，求解出N个成员节点中每两个成员节点之间的发射功率权重；

第五步、建立第i个成员节点和第j个成员节点之间的通信链路；

根据第四步所获得发射功率权重，找到与第i个成员节点通信时发射功率权重最小的第k个成员节点，然后找到除第i个成员节点之外的、与第k个成员节点通信时的发射功率权重最小的第q个成员节点，继续寻找除第i、k个成员节点之外的、与第q个成员节点通信时发射功率权重最小的邻居节点，以此类推，直到找到第j个成员节点，则建立两个成员节点i、j之间的通信链路；其中1≤k≤N，1≤q≤N，1≤j≤N，且i≠k≠q≠j；

第六步、令第五步中的i和j分别取遍1至N中的每一整数，按照第五步的方式，求解出N个成员节点中每两个成员节点之间的通信链路，并记录每条通信链路的跳数；

第七步，以具备天地测控功能的第p个成员节点为中心划分遥测遥控环，则第p个成员节点为0环内的成员节点，将除第p个成员节点之外的所有其他节点按照其与第p个成员节点之间的通信链路的跳数分布到不同的环内；N个成员节点共分布在m个环内；

第八步、在分布式集群飞行器系统进行遥测时，第m环内的成员节点将遥测数据按照第六步得到的通信链路传递至第m-1环内的成员节点，第m-1环内的成员节点将接收的遥测数据与自身的遥测数据一起打包按照第六步得到的通信链路发送给m-2环内的成员节点，依次类推，直至传输到0环内的成员节点，最后由第0环内的成员节点打包下传到地面测控站；

第九步、在地面测站对分布式集群飞行器系统进行遥控时，遥控指令由地面测控站发出，由第0环内的成员节点接收到遥控指令，第0环内的成员节点将该遥控指令中属于自己的数据剥离下来并将遥控指令中剩余的数据按照第六步得到的通信链路传输给第1环内的成员节点，第1环内的成员节点将遥控指令中属于自己的数据剥离下来后再将遥控指令中剩余的数据按照第六步得到的通信链路传输给第2环内的成员节点，顺次传输，直至传输到第m环内的成员节点。

有益效果：

（1）本方法是一种建立在成员节点相对位置基础上的，利用通信节点距离构建拓扑，并依据该拓扑合理安排遥测遥控过程，该方法相比于传统的要求每个成员节点的均需要以最大发射功率来覆盖整个集群的情况采用此方法的多跳通信方式，节点以较小的发射功率进行通信，这使得信息的遥测遥控过程中降低了网络系统的能源消耗，从而提高了集群飞行器系统的生存周期。

（2）采用基于此方法的多跳通信方式，每个成员节点的通信半径覆盖节点减少，互为邻居的节点减少，所以网络拓扑结构简单，可以大大减少因发射功率过大造成的对邻近节点的干扰和通信碰撞问题，缓解共享空间信道的竞争，从而增加系统无线资源的利用效率和网络吞吐率。

附图说明

图1为分布式集群节点坐标及发射功率权重；

图2为优化后的集群飞行器拓扑结构；

图3为实施例中的遥测遥控环中的成员节点分布。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

建立分布式集群飞行器系统，该系统包括N个成员节点，每个成员节点的最大发射功率为P，即成员节点的发射功率在0到P之间可调，其中该系统中的N个成员节点中包括具备天地测控功能的成员节点。本实施例中所建立的分布式集群飞行器系统如图1所示，该系统具有5个节点A(-4,0,0)、B(0,0,0)、C(3,-3,1)、D(4,-1,1)、E(4,1,3)。

第一步、令第i个成员节点以最大功率广播握手消息，该握手消息中包含自身的坐标（x_i，y_i，z_i）和标识自身身份信息的ID_i，其中1≤i≤N。

第二步、分布式集群飞行器系统中除第i个成员节点之外的所有成员节点均接收到该握手消息，每个成员节点在接收到该握手消息后向第i个成员节点回传自身坐标信息和标志自身身份信息。例如第j个成员节点返回自身的坐标信息（x_j，y_j，z_j）和标识自身身份信息的ID_j，其中1≤j≤N。这样第i个成员节点就获取了网络中所有其它节点的信息，并将其置于邻居节点集合。

第三步、对于第i个成员节点，分别计算其与任一成员节点之间直接通信发射功率的权重，该权重与两个成员节点之间的距离成正比。如图1所示，在第二步所获得的该成员节点的邻居节点集合中，以节点的坐标信息计算出该集合中任意两个节点之间的相对距离，如为

由于成员节点之间的数据通信所要求的发射功率与两成员节点之间相对距离的平方成正比，因此通过以上两成员节点i、j之间距离的计算可以获得在所建立的集群中，成员节点i与任一其他成员节点之间直接通信时发射功率权重。

第四步、令第一步中的i取遍1至N，按照第一步至第三步的方式，求解出N个成员节点中每两个成员节点之间的发射功率权重。

第五步、建立第i个成员节点和第j个成员节点之间的通信链路。

根据第四步所获得发射功率权重，若要建立任意两个成员节点i、j之间的通信链路，首先找到与第i个成员节点通信时的发射功率权重最小的邻居节点第k个成员节点，然后找到除第i个成员节点之外的一个与第k个成员节点通信时的发射功率权重最小的邻居节点第q个成员节点，继续寻找除第i、k个成员节点之外的一个与第q个成员节点通信时发射功率权重最小的邻居节点，以此类推，直到建立起第i个成员节点与集群中任一成员节点之间的通信链路，其中其中1≤k≤N，1≤q≤N，1≤j≤N，且i≠k≠q≠j。

第六步、令第五步中的i和j分别取遍1至N中的每一整数，按照第五步的方式，求解出N个成员节点中每两个成员节点之间的通信链路，根据两两成员节点之间的通信链路建立该分布式集群飞行器系统的拓扑结构，并记录每条通信链路的跳数。

依据所建立的拓扑结构分析两两成员节点进行通信时所需跳数。

例如在本实施例中，如图2所示，要在节点A和节点C之间建立多跳通信链路。则对于节点A，首先找到相对于节点A权重最小的邻居节点，即节点B，然后由B找到相对于B权重最小的邻居节点D，最后由节点D找到相对于D权重最小的邻居节点C，从而建立由节点A到节点C的三跳通信链路。

通过这种方式计算获得的分布式集群飞行器系统中两两成员节点之间的通信链路使得每次通信各成员节点均使用较小的发射功率即可，这就大大减少了该系统的能源消耗。同时每个成员节点的通信半径覆盖节点减少，互为邻居的节点减少，所以拓扑结构简单，可以大大减少因发射功率过大造成的对邻近节点的干扰和通信碰撞问题，缓解共享空间信道的竞争，从而增加系统无线资源的利用效率和网络吞吐率。

其中本实施例中的各节点之间多跳通信链路的建立如表1所示

表1

根据表2的通信链路，建立通信链路的并集并由此构建集群飞行器网络拓扑结构，其结构可参照图2。

第七步、以具备天地测控功能的第p个成员节点为0环节点，在第四步中所建立的拓扑中，将除第p个成员节点之外的所有其他节点依据其与第p个成员节点之间的通信跳数分布到不同的环内，N个成员节点共分布在m个环内。

在本实施例中，如图3所示节点A为具备天地测控功能的成员节点，节点A到节点C的三跳通信链路，因此将节点C分布到3环内，依照此方法将所有的成员节点分到不同的环内。

第八步、分布式集群飞行器进行遥测，遥测就是所有成员节点将传感器产生的遥测参数发送到具有天地测控功能的成员节点，然后编码下传。

遥测的具体方法为：

假设共分布了m个遥测遥控环，首先，第m环（即最外环）内的成员节点将遥测数据按照第六步得到的拓扑结构传递至次外环第m-1环（次外环）内的成员节点，第m-1环内的成员节点将接收的遥测数据与自身的遥测数据一起打包按照第六步得到的拓扑结构发送给第m-2环内的成员节点，依次类推，直至传输到第0环内的成员节点，最后由第0环内的成员节点打包下传到地面测控站。

第九步、分布式集群飞行器遥控方法，遥控就是将地面测控站的遥测指令传输到具有测控功能的成员节点，然后解码分发经过传输到达相应的执行机构。

在遥控的方法具体为：

遥控指令由地面测控站发出，具备天地测控功能的成员节点即第0环内的成员节点接收到该遥控指令，则由第0环内的成员节点将该遥控指令中属于自己的数据剥离下来并将遥控指令中剩余的数据按照第六步得到的拓扑结构传输给第1环内的成员节点，第1环内的成员节点将遥控指令中属于自己的数据剥离下来并将遥控指令中剩余的数据按照第六步得到的拓扑结构传输给第2环内的成员节点，依次类推，直至到达目的节点的执行机构。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种分布式集群飞行器系统的遥测遥控方法，该遥测遥控方法所针对的系统包括N个成员节点，其特征在于，具体步骤为：

第一步、令第i个成员节点以最大功率广播握手消息，该握手消息中包含自身的坐标和身份信息；

第二步、分布式集群飞行器系统中除第i个成员节点之外的所有成员节点接收到所述握手消息，各成员节点在接收到该握手消息后向第i个成员节点回传自身的坐标和身份信息；

第三步、根据各成员节点的坐标，计算各成员节点与第i个成员节点之间的相对距离，根据所述相对距离获得由第i个成员节点向各成员节点发射功率权重；

第四步、令第一步中的i取遍1至N，按照第一步至第三步的方式，求解出N个成员节点中每两个成员节点之间的发射功率权重；

第五步、建立第i个成员节点和第j个成员节点之间的通信链路；

根据第四步所获得发射功率权重，找到与第i个成员节点通信时发射功率权重最小的第k个成员节点，然后找到除第i个成员节点之外的、与第k个成员节点通信时的发射功率权重最小的第q个成员节点，继续寻找除第i、k个成员节点之外的、与第q个成员节点通信时发射功率权重最小的邻居节点，以此类推，直到找到第j个成员节点，则建立两个成员节点i、j之间的通信链路；其中1≤k≤N，1≤q≤N，1≤j≤N，且i≠k≠q≠j；

第六步、令第五步中的i和j分别取遍1至N中的每一整数，按照第五步的方式，求解出N个成员节点中每两个成员节点之间的通信链路，并记录每条通信链路的跳数；

第七步，以具备天地测控功能的第p个成员节点为中心划分遥测遥控环，则第p个成员节点为0环内的成员节点，将除第p个成员节点之外的所有其他节点按照其与第p个成员节点之间的通信链路的跳数分布到不同的环内；N个成员节点共分布在m个环内；

第八步、在分布式集群飞行器系统进行遥测时，第m环内的成员节点将遥测数据按照第六步得到的通信链路传递至第m-1环内的成员节点，第m-1环内的成员节点将接收的遥测数据与自身的遥测数据一起打包按照第六步得到的通信链路发送给m-2环内的成员节点，依次类推，直至传输到0环内的成员节点，最后由第0环内的成员节点打包下传到地面测控站；

第九步、在地面测控站对分布式集群飞行器系统进行遥控时，遥控指令由地面测控站发出，由第0环内的成员节点接收到遥控指令，第0环内的成员节点将该遥控指令中属于自己的数据剥离下来并将遥控指令中剩余的数据按照第六步得到的通信链路传输给第1环内的成员节点，第1环内的成员节点将遥控指令中属于自己的数据剥离下来后再将遥控指令中剩余的数据按照第六步得到的通信链路传输给第2环内的成员节点，顺次传输，直至传输到第m环内的成员节点。