CN104836640B - 一种无人机编队分布式协作通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机编队分布式协作通信方法，其包括以下步骤：无人机组成编队并建立通信机制；无人机编队在飞行时保持阵形不变并获得导航信息和目标信息；当无人机编队与地面移动接收站的距离小于L时，无人机编队构成一个虚拟的多天线阵列，无人机编队与地面移动接收站利用虚拟MIMO技术进行通信；当无人机编队与地面移动接收站的距离大于L时，无人机编队构成一个虚拟的多天线阵列进行协作通信，共享所获取的导航信息和目标信息，无人机编队采用波束成形技术向地面移动接收站发送信息。本发明的有益之处在于：不仅能够提高无人机编队无线通信网络的传输速率以及时变信道的传输可靠性，而且能够扩大无线网络的传输距离和覆盖范围。

Description

一种无人机编队分布式协作通信方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信方法，具体涉及一种无人机编队分布式协作通信方法，属于通信技术领域。

背景技术

无人机用途广泛，成本低，效费比好，并且其无人员伤亡风险，再加上生存能力强，机动性好，使用方便，在现代战争中有极其重要的作用，在民用领域也有非常广阔的前景。

无人机的飞速发展和广泛应用是在海湾战争后，以美国为首的西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上，例如采用先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度和数字化传输速度。

为了适应未来的挑战，除了提高单机的功能和效用外，还需要考虑如何以现有的技术为基础，发展更加有效的无人机管理组织和管理模式以实现高速率和远距离数据传输，无人机编队是近年来提出的无人机合作化发展方向中的一个核心概念。如今无人机同样广泛应用于民用领域，如边境巡逻、航空摄影、航空探矿、灾情监视、交通巡逻、治安监控等。

我们知道MIMO技术通过多副发送天线和多副接收天线取得更多的通信自由度，利用分集方式可以有效地减小信道衰落对通信带来的影响，提高链路的可靠性，利用复用方式可以在不提高发送功率和带宽的条件下成倍地提高无线链路的通信容量。

协作通信作为一种新型的通信模式，可通过多个用户的天线构造虚拟多天线阵列，形成虚拟的MIMO信道，并通过分布式处理产生协作来获得一定的空间分集增益和复用增益，从而降低无线链路的衰落和不稳定性带来的影响、提高网络的可靠性和传输速率以及扩大网络的覆盖范围，因此成为当前的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机编队分布式协作通信方法，该通信方法不仅能够提高无人机编队无线通信网络的传输速率以及时变信道的传输可靠性，而且能够扩大无线网络的传输距离和覆盖范围。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种无人机编队分布式协作通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)无人机组成编队并建立通信机制；

(2)无人机编队在飞行时保持阵形不变，利用北斗与惯导的组合导航系统和机载设备系统分别获得导航信息和目标信息；

(3)当无人机编队与地面移动接收站的距离小于L时，无人机编队构成一个虚拟的多天线阵列，无人机编队与地面移动接收站利用虚拟MIMO技术进行通信；

(4)当无人机编队与地面移动接收站的距离大于L时，无人机编队构成一个虚拟的多天线阵列进行协作通信，共享所获取的导航信息和目标信息，无人机编队采用波束成形技术向地面移动接收站发送信息。

前述的无人机编队分布式协作通信方法，其特征在于，前述步骤(1)的具体过程为：

(1a)无人机UAV_i进行初始化并发出建立通信链路的请求，其余无人机接收到请求并进行信息处理，最后进行决策是否加入该编队，如果没能加入该编队则重新进行信息处理直至加入该编队，其中i＝1,2,…，K；

(1b)无人机UAV_i进行决策是否发送群首节点请求，如果被否决则重新发起建立通信链路的请求，其余无人机收到请求后对接收信息处理并进行决策是否将UAV_i设为群首，如果否决则重新对接收信息进行处理直至决策同意；

(1c)确认无人机UAV_i为群首后，无人机UAV_i发出通信协议请求，其余无人机进行决策是否与无人机UAV_i建立通信链路，如果否定则其它无人机重新进行接收信息处理直至建立通信链路；

(1d)如果无人机UAV_i通信中断且其余无人机之间有能够通信的则开始进行群首变换处理，如果无人机UAV_i通信没有中断则继续保持通信。

前述的无人机编队分布式协作通信方法，其特征在于，前述步骤(2)的具体过程为：

(2a)在群首无人机的指令下，无人机编队在飞行时保持阵型不变；

(2b)通过北斗卫星导航系统接收机与惯导系统相互辅助的无人机导航系统获取精确的无人机编队导航信息；

(2c)将基准站采集的差分校正量发送给无人机编队进行求差解算出来更为精确的坐标n(t)；

(2d)无人机编队利用机载设备系统执行任务命令分别获取所需的目标信息m_i(t)，m_i(t)为编号为UAV_i的无人机所获取的目标信息，i＝1,2，…，K。

前述的无人机编队分布式协作通信方法，其特征在于，前述步骤(3)的具体过程为：

(3a)无人机编队监测到与地面移动接收站的距离小于L；

(3b)无人机编队采用分布式控制组网，构成一个无中心、多跳的无线数据链网络；

(3c)地面移动接收站调度器根据所有无人机用户的信道状况从这K个无人机用户中选出N个用户与基站共同组成N发N收的虚拟MIMO信道；

(3d)地面移动接收站调度器选出的N个无人机用户在同一个时隙和同一个频段分别向地面移动接收站发送N路相互独立的数据流；

(3e)地面移动接收站通过多副天线和接收机来区分来自不同无人机用户的信号。

前述的无人机编队分布式协作通信方法，其特征在于，前述步骤(4)的具体过程为：

(4a)无人机编队监测到与地面移动接收站的距离大于L；

(4b)无人机编队采用分布式控制组网，构成一个无中心、多跳的无线数据链网络；

(4c)无人机网络中的无人机UAV_i将导航信息n(t)和自己所侦察到的目标信息m_i(t)发送给相邻的无人机UAV_i-1、UAV_i+1，并由它们转发给其下一个节点的无人机直至无人机编队共享此信息，其中i＝1,2,…，K，约定UAV_K+1＝UAV₁、UAV_K＝UAV₀；

(4d)无人机编队确认编队中的所有无人机都已共享导航信息n(t)和目标信息m_i(t)；

(4e)地面移动接收站向无人机编队发送报告信号，无人机编队共享该信息，然后通过波束成形系统估计地面移动接收站的到达方向；

(4f)无人机编队根据估计出的到达方向动态地调整天线阵列中每个组件的天线权重，将波束引向地面移动接收站；

(4g)地面移动接收站将收到的信号进行相干合并，从而提取出最完整的接收信号。

本发明的有益之处在于：

(1)当无人机编队距离地面移动接收站较近时，通过采用虚拟MIMO技术使得无人机编队与地面移动接收站进行通信，这样每架无人机不用安装大量的天线就可以实现多天线的传输，并且可以减小无人机的负载，因此，在不提高发送功率和带宽的条件下就能够成倍地增大系统的通信容量数据吞吐量，并能够极大地提高频谱利用率。

(2)无人机编队利用无线网络中不同节点信道的独立性以及无线信道的广播特性，通过通信节点共享资源信息、协作转发数据来获得分集增益，同时大幅地增加发送距离和扩大了通信范围，能够有效地减少信道衰落对通信带来的影响，提高无人机编队无线通信系统地可靠性。

(3)当无人机编队距离地面移动接收站较远时，基于无人机编队的协作方式虚拟多天线系统采用波束成形技术动态地形成N个定向强波束分别指向N个地面移动接收站，从而可以在地面移动接收站较远时，也能有效地抑制多址干扰，使其获得良好的信号质量，同时减小系统总的输出功率。

附图说明

图1是本发明的通信方法的流程图；

图2是本发明的通信方法中无人机编队形成及建立通信机制的流程图；

图3是本发明的通信方法中虚拟MIMO复用方式示意图；

图4是本发明的通信方法中无人机编队共享信息示意图；

图5是本发明的通信方法中无人机编队波束成形方式示意图。

具体实施方式

在本发明的通信方法中，我们通过利用协作通信技术，使得无人机编队与地面移动接收站形成虚拟MIMO系统，并结合多种方法从而满足更高的通信要求。

在这里，我们将具有单天线的多架无人机组合起来形成编队，在同一资源块中形成虚拟的MIMO信道，联合向具有多天线的基站发送数据。由于单无人机搭载的设备有限，所以要完成一件比较复杂的任务时，就必须多次出动，而编队作业的无人机组可以分散搭载设备，将一个复杂的任务拆分为几个简单的任务，分配给编队中的不同无人机，使任务能够一次完成。在完成任务获得信息以后，无人机编队要将所获信息发送给地面移动接收站。当无人机距离地面移动接收站较远时，为了能获得较好的信号质量，我们也可以利用多架无人机组成编队采用波束成形技术用于定向传输。

以下结合附图和具体实施例对本发明的通信方法作具体的介绍。

参照图1，本发明的通信方法包括以下步骤：

步骤1，无人机组成编队并建立通信机制。

参照图2，该步骤具体的过程为：

首先，无人机UAV_i进行初始化并发出建立通信链路的请求，其余无人机接收到请求并进行信息处理，最后进行决策是否加入该编队，如果没能加入该编队则重新进行信息处理直至加入该编队，其中i＝1,2,…，K。

其次，无人机UAV_i进行决策是否发送群首节点请求，如果被否决则重新发起建立通信链路的请求，其余无人机收到请求后对接收信息处理并进行决策是否将UAV_i设为群首，如果否决则重新对接收信息进行处理直至决策同意。

然后，确认无人机UAV_i为群首后，无人机UAV_i发出通信协议请求，其余无人机进行决策是否与无人机UAV_i建立通信链路，如果否定则其它无人机重新进行接收信息处理直至建立通信链路。

最后，如果无人机UAV_i通信中断且其余无人机之间有能够通信的则开始进行群首变换处理，如果无人机UAV_i通信没有中断则继续保持通信。

步骤2，无人机编队在飞行时保持阵形不变，利用北斗与惯导的组合导航系统和机载设备系统分别获得导航信息和目标信息。

该步骤具体的过程为：

首先，在群首无人机的指令下，无人机编队在飞行时保持阵型不变。该阵形可以是面阵、线阵等不同阵型。

其次，通过北斗卫星导航系统(BDS)接收机与惯导系统(INS)相互辅助的无人机导航系统获取精确的无人机编队导航信息。与此同时，基准站向无人机编队发送差分校正量进行求差，解算出来更为精确的坐标信息n(t)。

最后，无人机编队利用机载设备系统执行任务命令分别获取所需的目标信息m_i(t)，m_i(t)为编号为UAV_i的无人机所获取的目标信息，i＝1,2，…，K。

步骤3，判断无人机编队与地面移动接收站的距离是否大于L。L可以根据实际情况自行设置。

当无人机编队与地面移动接收站的距离小于L时，无人机编队构成一个虚拟的多天线阵列，无人机编队与地面移动接收站利用虚拟MIMO技术进行通信。参照图3，该步骤具体的过程为：

首先，无人机编队监测到与地面移动接收站的距离小于L。

其次，无人机编队采用分布式控制组网，构成一个无中心、多跳的无线数据链网络。

再次，地面移动接收站调度器根据所有无人机用户的信道状况从这K个无人机用户中选出N个用户与基站共同组成N发N收的虚拟MIMO信道。

接下来，地面移动接收站调度器选出的N个(N＝2)无人机用户在同一个时隙和同一个频段分别向地面移动接收站发送N路(N＝2)相互独立的数据流。

最后，地面移动接收站通过多副天线和接收机来区分来自不同无人机用户的信号。

当无人机编队与地面移动接收站的距离大于L时，无人机编队构成一个虚拟的多天线阵列进行协作通信，共享所获取的导航信息和目标信息，无人机编队采用波束成形技术向地面移动接收站发送信息。参照图4和图5，该步骤具体的过程为：

首先，无人机编队监测到与地面移动接收站的距离大于L。

其次，无人机编队采用分布式控制组网，构成一个无中心、多跳的无线数据链网络。

再次，每个需要发送任务信息的无人机UAV_i广播发出发送请求信息，相邻的无人机UAV_i+1和UAV_i-1在收到该发送请求信息后向无人机UAV_i发送应答信息，无人机UAV_i收到应答信号后向无人机UAV_i+1和UAV_i-1发送任务信息m_i(t)，无人机UAV_i-1和UAV_i+1收到目标信息m_i(t)后，向无人机UAV_i-2和UAV_i+2转发目标信息m_i(t)并由其转发下去，其中i＝0，1,2,…，K，UAV_K+i＝UAV_i、UAV_K-i＝UAV_-i，K＝4。

再次，无人机编队确认编队中的所有无人机都已共享导航信息n(t)和目标信息m_i(t)。

再次，地面移动接收站向无人机编队反馈信道信息，无人机编队共享该信息，然后通过反馈信息估计地面移动接收站的到达方向。

再次，无人机编队根据估计出的到达方向动态地调整天线阵列中每个组件的天线权重。

再次，无人机编队与地面移动接收站组成了一个虚拟的MIMO系统，无人机编队中的所有无人机在同一个时隙和同一个频段内向地面移动接收站发送导航信息n(t)和目标信息m_i(t)。

再次，地面移动接收站的两个天线接收的四路导航信息n(t)和目标信息m_i(t)。

最后，地面移动接收站将收到的四个信号副本进行相干合并，从而得到更可靠的接收信号。

相对于传统的点到点通信，协作通信允许不同的用户和节点共享彼此的天线和其他网络资源，通过分布式处理和传输以实现合作，其中每个用户的信息不仅由用户本身传输，也可以由其他合作用户传输，从而克服了传统点到点通信方法存在的链路信道容量小、无线传输范围窄等缺点。

具体的，本发明的通信方法与现有技术(点到点通信方法)相比具有以下优点：

第一，当无人机编队距离地面移动接收站较近时，通过采用虚拟MIMO技术使得无人机编队与地面移动接收站进行通信，这样每架无人机不用安装大量的天线就可以实现多天线的传输，并且可以减小无人机的负载，因此，在不提高发送功率和带宽的条件下就能够成倍地增大系统的通信容量数据吞吐量，并能够极大地提高频谱利用率。

第二，无人机编队利用无线网络中不同节点信道的独立性以及无线信道的广播特性，通过通信节点共享资源信息、协作转发数据来获得分集增益，同时大幅地增加发送距离和扩大了通信范围，能够有效地减少信道衰落对通信带来的影响，提高无人机编队无线通信系统地可靠性。

第三，当无人机编队距离地面移动接收站较远时，基于无人机编队的协作方式虚拟多天线系统采用波束成形技术动态地形成N个定向强波束分别指向N个地面移动接收站，从而可以在地面移动接收站较远时，也能有效地抑制多址干扰，使其获得良好的信号质量，同时减小系统总的输出功率。

综上所述，本发明的通信方法能够实现高速率和远距离数据传输，可在现代军事战争和民用领域发挥重要的作用。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种无人机编队分布式协作通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)无人机组成编队并建立通信机制；

(2)无人机编队在飞行时保持阵形不变，利用北斗与惯导的组合导航系统和机载设备系统分别获得导航信息和目标信息；

(3)当无人机编队与地面移动接收站的距离小于L时，无人机编队构成一个虚拟的多天线阵列，无人机编队与地面移动接收站利用虚拟MIMO技术进行通信，该步骤的具体过程为：

(3a)无人机编队监测到与地面移动接收站的距离小于L；

(3b)无人机编队采用分布式控制组网，构成一个无中心、多跳的无线数据链网络；

(3c)地面移动接收站调度器根据所有无人机用户的信道状况从这K个无人机用户中选出N个用户与基站共同组成N发N收的虚拟MIMO信道；

(3d)地面移动接收站调度器选出的N个无人机用户在同一个时隙和同一个频段分别向地面移动接收站发送N路相互独立的数据流；

(3e)地面移动接收站通过多副天线和接收机来区分来自不同无人机用户的信号；

(4)当无人机编队与地面移动接收站的距离大于L时，无人机编队构成一个虚拟的多天线阵列进行协作通信，共享所获取的导航信息和目标信息，无人机编队采用波束成形技术向地面移动接收站发送信息。

2.根据权利要求1所述的无人机编队分布式协作通信方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体过程为：

(1a)无人机UAV_i进行初始化并发出建立通信链路的请求，其余无人机接收到请求并进行信息处理，最后进行决策是否加入该编队，如果没能加入该编队则重新进行信息处理直至加入该编队，其中i＝1,2,…，K；

(1b)无人机UAV_i进行决策是否发送群首节点请求，如果被否决则重新发起建立通信链路的请求，其余无人机收到请求后对接收信息处理并进行决策是否将UAV_i设为群首，如果否决则重新对接收信息进行处理直至决策同意；

(1c)确认无人机UAV_i为群首后，无人机UAV_i发出通信协议请求，其余无人机进行决策是否与无人机UAV_i建立通信链路，如果否定则其它无人机重新进行接收信息处理直至建立通信链路；

(1d)如果无人机UAV_i通信中断且其余无人机之间有能够通信的则开始进行群首变换处理，如果无人机UAV_i通信没有中断则继续保持通信。

3.根据权利要求1所述的无人机编队分布式协作通信方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体过程为：

(2a)在群首无人机的指令下，无人机编队在飞行时保持阵型不变；

(2b)通过北斗卫星导航系统接收机与惯导系统相互辅助的无人机导航系统获取精确的无人机编队导航信息；

(2c)将基准站采集的差分校正量发送给无人机编队进行求差，解算出来更为精确的坐标n(t)；

(2d)无人机编队利用机载设备系统执行任务命令分别获取所需的目标信息m_i(t)，m_i(t)为编号为UAV_i的无人机所获取的目标信息，i＝1,2，…，K。

4.根据权利要求1所述的无人机编队分布式协作通信方法，其特征在于，所述步骤(4)的具体过程为：

(4a)无人机编队监测到与地面移动接收站的距离大于L；

(4b)无人机编队采用分布式控制组网，构成一个无中心、多跳的无线数据链网络；

(4c)无人机网络中的无人机UAV_i将导航信息n(t)和自己所侦察到的目标信息m_i(t)发送给相邻的无人机UAV_i-1、UAV_i+1，并由它们转发给其下一个节点的无人机直至无人机编队共享此信息，其中i＝1,2,…，K，约定UAV_K+1＝UAV₁、UAV_K＝UAV₀；

(4d)无人机编队确认编队中的所有无人机都已共享导航信息n(t)和目标信息m_i(t)；

(4e)地面移动接收站向无人机编队发送报告信号，无人机编队共享该信息，然后通过波束成形系统估计地面移动接收站的到达方向；

(4f)无人机编队根据估计出的到达方向动态地调整天线阵列中每个组件的天线权重，将波束引向地面移动接收站；

(4g)地面移动接收站将收到的信号进行相干合并，从而提取出最完整的接收信号。