CN106656300A - 一种采用自组网数据链的无人机集群作战系统 - Google Patents
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Abstract
一种采用自组网数据链的无人机集群作战系统，由无线自组网数据链、光电吊舱、无人机群和地面指控中心等子系统组成。无人机群可根据战场环境和集群分布情况，自主构建自组网数据链，将由光电吊舱(其内包括激光测距仪、GPS/北斗接收机和高清CMOS摄像头等模块)采集到的信息通过自组网数据链发送给集群中的其它无人机和地面指控中心，在地面指控中心的遥控下，完成目标侦察、投弹打击和打击后的评估等动作。自组网数据链会根据战场环境变化而实时优化，且不会因某个无人机的受损而毁坏，极大扩展了无人机集群的作战范围和作战灵活性，能够最大程度地满足现代战场需求。此外，本系统在自然灾害救助、城市交通管理等方面也拥有巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明是一种采用自组网数据链的无人机集群作战系统，属于无线通信技术领域。
背景技术
近年来，现代战争的发展已经呈现出明显的无人化趋势。无人机在现代战争中具有很多优势，其主要作战特点为成本低、隐蔽性好、不惧伤亡且起降简单、支持多重任务类型等。但是单个无人机作战系统存在着侦察打击范围小、时间短、适应性差和容易被击毁等缺点。为适应未来战争需要，无人机正在从传统的单独辅助训练、战斗支援功能向通信中继、战场管理、火力引导、毁伤评估、预警、电子对抗等多功能方向发展，尤其集群作战是军用无人机的主要趋势，其显著的作战效能、低廉的成本、易于大量装备等优点使得其在战争中的作用越来越突出，必将成为影响作战进程的重要乃至关键性力量。
无人机群组网技术成为近年来无人机发展的热点研究方向。而现有的无人机集群作战系统极少，且均使用传统的无线组网方式进行通信。在传统的无线组网通信中，无人机只与地面指控中心等固定网络基础设施通信而不与其他无人机通信。现有的无人机集群作战系统存在以下几方面的缺陷：
首先，受限于传统的点对点通信方式，现有的无人机集群作战系统只能在单个无人机的有效通信距离范围内进行作战，作战范围小。
其次，所有无人机都只与指控中心或基站进行通信，灵活性差。
再次，需要网络基础设施的支持，这要求提前到战场建立基站等基础设施，作战难度高。
最后，若网络基础设施被敌军打击，整个无人机通信网络将失效，可靠性差，无法适应当前复杂多变的战场环境。
这些缺陷削弱了无人机集群的作战能力，限制了无人机集群在现代战场上的应用，是无人机集群实际作战中亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对当前无人机作战系统存在的问题，提出了一种采用自组网数据链的无人机集群作战系统，本无人机作战系统作战范围大、作战时间长，具有灵活性高、适应性强、可靠性高、通用性强的特点，能够实现无人机集群作战和察打评一体化作战，能够最大程度地满足现代战场的需求。
本发明采用的技术方案是：
一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，包括：无线自组网数据链、光电吊舱、无人机群和地面指控中心；
无人机群中每架无人机上均装有光电吊舱，用于收集战场信息，测量目标点位置和图像信息，并通过无线自组网数据链传送给地面指控中心，地面指控中心根据回传的信息，生成控制指令，并通过无线自组网数据链发送给无人机群，控制无人机群的行动；无人机群中的各个小组之间以及各个无人机之间均通过无线自组网数据链进行通信。
包括：所述地面指控中心包括地面数据链电台、控制台、计算机和显示器；
地面指控中心通过地面数据链电台接收无人机群回传的信号，计算机解算出视频、图像和数据信息，经过处理后显示在显示器上，实时监控目标点动态；通过控制台发出控制指令用于调节光电吊舱的视野和无人机飞行状态，该控制指令通过地面数据链电台发送至无人机群。
包括：所述无线自组网数据链包括多个无线自组网通信单元，每个无线自组网通信单元包括主控模块、无线通信模块、总线模块和接口模块；每架无人机上设置有一个无线自组网通信单元，地面指控中心上也设置有一个无线自组网通信单元；
接口模块接收光电吊舱采集的实时信息以及目标点位置信息，并通过总线模块传给主控模块，主控模块对光电吊舱采集的实时信息以及目标点位置信息进行解算，并通过无线通信模块将数据发送出去。
包括：无线自组网数据链各节点之间的通信，其通信频率在200MHz～1GHz之间，采用LORA扩频调制，无线自组网数据链采用无线自组网协议进行通信。
包括：无线自组网协议的帧结构包括信标帧、命令帧、报数帧、数据帧和应答帧。
包括：所述信标帧的结构为：
包括：所述命令帧的结构为：
包括：所述报数帧的结构为：
包括：所述数据帧的结构为：
包括：所述应答帧的结构为：
本发明相对现有技术带来的有益效果为：
(1)本发明通过无人机组网，可以实现中继传输，使无人机作战半径不再局限于单个无人机有效通信距离，极大的提升了无人机作战范围和使用效率；
(2)本发明采用的无人机自组网技术可在当某个无人机出现故障或被击毁时，其余无人机能够自动快速地进行反应与调整，重新组网，维持数据链稳定工作，极大的提高无人机作战系统的鲁棒性；
(3)本发明利用光电吊舱可自行获取目标点经纬高信息，而这些信息是GPS型精确制导武器使用时的关键信息。将这些信息装订给无人机挂载的精确制导炸弹就可以迅速针对地面时敏目标展开攻击，极大的提高无人机作战效率。
附图说明
图1为本发明的系统组成框图；
图2为本发明中无人机的组成模块图；
图3为本发明中无线自组网数据链通信单元模块图；
图4为本发明中地面指控中心组成模块图。
具体实施方式
本发明是一种采用自组网数据链的无人机集群作战系统，包括无线自组网数据链、光电吊舱、无人机群和地面指控中心。无人机群可根据战场环境和集群分布情况，自主构建自组网数据链，将由光电吊舱(其内包括激光测距仪、GPS/北斗接收机和高清CMOS摄像头等模块)采集到的信息通过自组网数据链发送给集群中的其它无人机和地面指控中心，在地面指控中心的遥控下，完成目标侦察、投弹打击和打击后的评估等动作。自组网数据链会根据战场环境变化而实时优化，且不会因某个无人机的受损而毁坏，极大扩展了无人机集群的作战范围和作战灵活性，能够最大程度地满足现代战场需求。此外，本系统在自然灾害救助、城市交通管理等方面也拥有巨大的应用前景。
如图1所示，本发明提出的基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，包括：无线自组网数据链1、光电吊舱2、无人机群3和地面指控中心4；
无人机群3中每架无人机上均装有光电吊舱2，用于收集战场信息，测量目标点位置和图像信息，并通过无线自组网数据链1传送给地面指控中心4，地面指控中心4根据回传的信息，生成控制指令，并通过无线自组网数据链1发送给无人机群3，控制无人机群3的行动；无人机群3中的各个小组之间以及各个无人机之间均通过无线自组网数据链1进行通信。
如图4所示，地面指控中心包括地面数据链电台、控制台、计算机和显示器；
地面指控中心通过地面数据链电台接收无人机群回传的信号，计算机解算出视频、图像和数据信息，经过处理后显示在显示器上，实时监控目标点动态；通过控制台发出控制指令用于调节光电吊舱的视野和无人机飞行状态，该控制指令通过地面数据链电台发送至无人机群。
如图2所示，光电吊舱2挂载于无人机3的底部，内部可装载卫星定位接收机、激光测距仪、高清摄像头等功能模块。卫星定位接收机可测得无人机所处位置经纬高坐标，结合激光测距仪俯仰角和测得距离目标点距离可计算出目标点精确坐标；高清摄像头用于实时采集目标点动态信息。激光测距仪和高清摄像头视角可由地面指控中心通过自组网数据链远程遥控。
如图3所示，无线自组网数据链1硬件上由分布在各个无人机和地面指控中心的无线自组网通信单元组成，使用无线自组网协议进行组网。该协议具有快速自组网、网络实时重建和动态资源分配等功能，负责实现无人机集群各成员之间和无人机与地面指控中心间的信息交互。网络是多跳的，能够实现远距离大于单个无人机有效通信距离通信。当某个无人机出现故障或被击毁时，其余无人机能够自动快速地进行反应与调整，重新组网，维持数据链稳定工作。每个无线自组网通信单元包括主控模块、无线通信模块、总线模块和接口模块；
接口模块接收光电吊舱采集的实时信息以及目标点位置信息，并通过总线模块传给主控模块，主控模块对光电吊舱采集的实时信息以及目标点位置信息进行解算，并通过无线通信模块将数据发送出去。
无线自组网数据链各节点之间的通信，其通信频率在200MHz～1GHz之间，采用LORA扩频调制，无线自组网数据链采用无线自组网协议进行通信。
包括：无线自组网协议的帧结构包括信标帧、命令帧、报数帧、数据帧和应答帧。
所述信标帧的结构为：
所述命令帧的结构为：
所述报数帧的结构为：
所述数据帧的结构为：
所述应答帧的结构为：
实施例：
采用自组网数据链的无人机集群作战系统由无线自组网数据链、光电吊舱、无人机群和地面指控中心等4个子系统组成。
无人机集群作战系统工作时，挂载各个光电吊舱2的无人机3进行组队，以集群的方式飞向一个或多个目标点上空，如图1所示图1中以1个目标点为例。过程中，无人机上的无线收发装置会根据战场环境与无人机分布情况自主选择网络拓扑结构，自发地、动态地组成无线自组网数据链1，并根据战场环境与无人机分布的变化实时对网络进行优化。到达目标点上空后，各个无人机通过光电吊舱2中的各个功能模块对战场环境和目标参数进行观察和测量，然后通过无线自组网数据链1将观测得到的信息发送给其他无人机3和地面指控中心4，若该无人机距离地面指控中心4较远大于单个无线收发装置的有效通信距离，则利用其它无人机作为中继，采用多跳的方式将信息发送给地面指控中心。地面指控中心4对得到的数据信息进行分析和计算，通过综合分析多个无人机观测的数据，可计算得到较为精确的作战参数，如目标点大小、目标点坐标等。之后地面指控中心4将这些信息回传给对应的无人机3，若无人机带有GPS型制导武器，无人机可将目标点坐标装订给GPS型精确制导炸弹，并根据地面指控中心4的遥控对目标点实施定量打击和精确打击。在整个作战过程中，无人机可通过光电吊舱2上的高清摄像头发送侦查到的图片或视频信息，并在完成打击后，回传目标被轰炸的图片信息，以便地面指控中心进行打击效果评估和下一步作战的制定。当网络中的某个无人机出现故障或被击毁时，网络中其余无人机能够迅速判断损毁无人机的位置，并自行对网络进行调整，形成新的自适应网络，维持数据链的稳定工作，这说明自组网数据链不依赖于任何一个无人机节点，任何无人机的损毁不会影响数据链的正常工作，系统具有抗毁性。本发明采用自组网数据链的无人机集群作战系统解决了现有的无人机作战系统作战范围小、灵活性低、可靠性差等问题，能够适应当前复杂多变的战场环境，实现察打评一体化作战。
Claims (10)
1.一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，其特征在于包括：无线自组网数据链(1)、光电吊舱(2)、无人机群(3)和地面指控中心(4)；
无人机群(3)中每架无人机上均装有光电吊舱(2)，用于收集战场信息，测量目标点位置和图像信息，并通过无线自组网数据链(1)传送给地面指控中心(4)，地面指控中心(4)根据回传的信息，生成控制指令，并通过无线自组网数据链(1)发送给无人机群(3)，控制无人机群(3)的行动；无人机群(3)中的各个小组之间以及各个无人机之间均通过无线自组网数据链(1)进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，其特征在于包括：所述地面指控中心包括地面数据链电台、控制台、计算机和显示器；
地面指控中心通过地面数据链电台接收无人机群回传的信号，计算机解算出视频、图像和数据信息，经过处理后显示在显示器上，实时监控目标点动态；通过控制台发出控制指令用于调节光电吊舱的视野和无人机飞行状态，该控制指令通过地面数据链电台发送至无人机群。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，其特征在于包括：所述无线自组网数据链包括多个无线自组网通信单元，每个无线自组网通信单元包括主控模块、无线通信模块、总线模块和接口模块；每架无人机上设置有一个无线自组网通信单元，地面指控中心上也设置有一个无线自组网通信单元；
接口模块接收光电吊舱采集的实时信息以及目标点位置信息，并通过总线模块传给主控模块，主控模块对光电吊舱采集的实时信息以及目标点位置信息进行解算，并通过无线通信模块将数据发送出去。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，其特征在于包括：无线自组网数据链各节点之间的通信，其通信频率在200MHz～1GHz之间，采用LORA扩频调制，无线自组网数据链采用无线自组网协议进行通信。
5.根据权利要求4所述的一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，其特征在于包括：无线自组网协议的帧结构包括信标帧、命令帧、报数帧、数据帧和应答帧。
6.根据权利要求5所述的一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，其特征在于包括：所述信标帧的结构为：
7.根据权利要求5所述的一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，其特征在于包括：所述命令帧的结构为：
8.根据权利要求5所述的一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，其特征在于包括：所述报数帧的结构为：
9.根据权利要求5所述的一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，其特征在于包括：所述数据帧的结构为：
10.根据权利要求5所述的一种基于无线自组网数据链的无人机集群作战系统，其特征在于包括：所述应答帧的结构为：
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