CN109361449A - 一种作战智能感知系统的自适应组网方法 - Google Patents
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Abstract
一种作战智能感知系统的自适应组网方法,所述方法通过基于LoRa技术设计的时隙自适应时分同步自组网通信技术,利用北斗/GPS的1PPS作为通信网络的同步基准,利用无人机中继平台作为通信系统的中心节点与通信时隙调度调整的控制者,使作战智能感知系统中的各无线感知终端按照预先设计的通信时隙调度规则进行通信组网并与位于军事战场外的远端数据存储分析系统进行实时通信。本发明采用时隙自适应时分同步自组网通信技术实现无线感知终端与存储分析系统之间的信息交互,具有组网灵活,运行可靠,通信成本低、远距离、效率高等优点,可确保通信的实时性,提高通讯成功率。该方法可有效提高部队信息化作战水平,满足新环境下的实战化需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种组网方法,特别是在模拟作战系统的通信过程实时性好、通讯成功率高的组网方法,属于通信技术领域。
背景技术
检验军事演练成果,提高战斗力水平,是适应未来信息化、智能化战争必不可少的重要环节。如今,军事作战不仅要解决人机协调问题,而且要解决人--人、机--机、机--体系、体系--体系之间的协同作战问题,对人员的信息化素质训练尤为重要,比如,战场态势感知能力训练,数据链作战运用训练等等。
随着军事装备技术的不断发展,体系对抗训练逐步成形,作战模式机制正在发生变革。未来信息化条件下的局部战争,将是作战平台、作战单元和作战要素高度融合的一体化联合作战,基于信息系统的体系作战能力是决定战争胜负的关键。因此,组织体系对抗训练、一体化联合训练、复杂环境下训练,是军事训练转变的应有之义。
目前,相关军事作战辅助感知设备相对落后,很多领域处在技术空白,难以适应目前智能化军事装备所需的精细、规范、敏感、高智的要求;目前训练装备之间的通信主要是通过点对点连接或者星型网状连接,这种组网方式的缺点是存在数据传输不同步,软件实现复杂,可靠性性差、每个节点都需要管理路由信息,数据传输效率低,节点耗电量大,实时性差等突出问题。
此外,传统的士兵训练过程中,训练场地的各种信息是通过WiFi、ZigBee、有线网络等通信方式传递的,这些通信方式虽然比较成熟,但WiFi的功耗高,通信距离近,不适合用于电池供电下的远距离通信应用场景。ZigBee模块虽然功耗低,但通信距离近、抗干扰能力差,也达不到应用要求。因此寻求一种适用于作战智能感知系统的通信实时性好、通讯成功率高的组网方法是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端,提供一种作战智能感知系统的自适应组网方法,以确保通信的实时性,提高通讯成功率,满足新环境下的实战化需求。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的:
一种作战智能感知系统的自适应组网方法,所述方法通过基于LoRa技术设计的时隙自适应时分同步自组网通信技术,利用北斗/GPS的1PPS作为通信网络的同步基准,利用无人机中继平台作为通信系统的中心节点与通信时隙调度调整的控制者,使作战智能感知系统中的各无线感知终端按照预先设计的通信时隙调度规则进行通信组网并与位于军事战场外的远端数据存储分析系统进行实时通信。
上述作战智能感知系统的自适应组网方法,作战智能感知系统中的各无线感知终端上传数据的具体方法如下:
各无线感知终端闲时处于休眠状态,当无人机中继平台需要采集感知数据时,向无线感知终端发送广播信号,利用LoRa无线空中唤醒技术唤醒需要上传数据的无线感知终端,无线感知终端侦听到广播信号后在对应时隙上传自身的感知数据,完成与无人机中继平台的数据交互;无人机中继平台根据对应的调度算法以及此次接收数据的完成情况,将调整的时隙规则以及各无线感知终端所传数据的接收情况广播出去,各无线感知终端收到广播后进行判断,如果所述无线感知终端上传数据成功,则自动进入待机低功耗状态,否则根据调整后的时隙规则重新上传数据。
上述作战智能感知系统的自适应组网方法,所述无线感知终端包括人员可穿戴感知终端、车辆感知终端和电台感知终端,所述人员可穿戴感知终端包括体征信息测试手环。
上述作战智能感知系统的自适应组网方法,所述人员可穿戴感知终端、车辆感知终端和电台感知终端可以自由组合成小组网,每个设备设置一个ID号,每小组设置一个群组ID号。
上述作战智能感知系统的自适应组网方法,在无人机中继平台读取感知数据之前,人员穿戴感知终端和车载感知终端将作战人员和车辆装备的动态信息和所处环境温的气象信息实时记录在数据存储单元中。
本发明利用无人机系统和北斗/GPS时钟,采用时隙自适应时分同步自组网通信技术实现各无线感知终端与远端数据存储分析系统之间的信息交互,具有组网灵活,运行可靠,通信成本低、远距离、效率高等优点,可确保通信的实时性,提高通讯成功率。该方法可有效提高部队信息化作战水平,满足新环境下的实战化需求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为系统组成及拓扑;
图2为基于LoRa无线空中唤醒的时隙动态自适应时分同步自组网技术的调度端实现原理;
图3为基于LoRa无线空中唤醒的时隙动态自适应时分同步自组网技术的感知端的实现原理;
图4为人员穿戴感知终端自检完毕后自动进入休眠待机状态流程图;
图5为车载感知终端自检完毕后自动进入休眠待机状态流程图;
图6为电台感知终端自检完毕后自动进入休眠待机状态流程图;
图7为无人机中继平台的工作流程图;
图8为远端数据存储分析系统工作流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种独特的组网通信技术:时隙动态自适应时分同步自组网技术,其思想为:利用北斗/GPS的高精度1PPS时钟同步信号作为将所有通信设备的同步基准,所有的采集设备可根据设备类型进行自由组网,由无人机中继平台进行组网通讯的任务调度与处理。可最大限度利用通信信道与通信时隙,在同等网络容量、可靠通信前提下,用以提高通信的实时性与通讯成功率。解决现有相关应用下的技术难题。
基于所述无线通信组网技术的可穿戴感知设备,可以实时感知作战车辆的位置信息、作战单元环境气象环境信息(如温湿度、气压、高度)、作战人员与车辆的运动信息速度、姿态、方位信息、作战人员体征、语音等信息,并实时回传至远端数据存储分析系统,挖掘出军事作战的人员动态信息、装备的作战性能指标等,从而适应新环境下更高要求的实战化需求。
所述方案主要包括五部分:人员可穿戴感知终端、车辆感知终端、电台感知终端、无人机数据中继平台(即无人机系统)、远端数据存储分析系统等,其中,三类感知终端主要依据作战要素的类型不同进行区分,以适应不同作战要素信息感知的需求。
人员穿戴感知终端(A类传感器)
所述方案人员穿戴感知终端可实时检测作战人员的位置信息、体征信息、所处环境温湿度、气压、高程等气象信息、运动速度、姿态、方位等动态信息,实时记录在数据存储单元,等待无人机中继平台进行感知数据读取。
车载感知终端(B类传感器)
车载感知终端可实时检测参与军事作战演练的各类车辆装备的位置信息、环境温湿度、气压、高程等气象信息、运动速度、姿态、方位等动态信息,实时记录在数据存储单元,等待无人机中继平台进行感知数据读取。
电台感知终端(C类传感器)
作战过程中,通讯电台是必不可少的组成部分,电台感知终端可以实时监测通讯电台的运行情况,并将电台的运行信息通过无人机中继平台实时回传至远端数据存储分析系统。无人机中继平台(无人机系统)
首先,军事战场的地形复杂多变、环境恶劣、场地较为广阔,感知终端均采用低功耗无线通讯技术,将参与军事作战的感知终端数据实时报送至远端数据存储分析系统。无人机中继平台为各感知终端--远端数据存储分析系统提供了通讯中继桥梁,实现感知终端与远端数据存储分析系统的信息交互。
远端数据存储分析系统
远端数据存储分析系统位于军事战场外,通过灵活可控的无人机中继平台,利用抗干扰能力的突出的扩频通信技术,实现对战场内的各感知终端动态信息的实时采集存储,分析与态势展示。
所述方案采用设备:
100个人员穿戴感知终端(含100个体征信息测试手环),用于感知人员的心率、血氧等体征信息、人员位置等信息;
100个车载感知终端,用于感知车辆的运动方位、运动速度、加速度、高程等信息;
25个电台感知终端,用于感知通讯电台是否正常通讯以及电台使用记录等信息;
1个无人机中继平台,它作为网络通信的通信主干节点,实现感知系统的组网与数据流控制等)
1个远端数据存储分析系统,它实现本感知系统各作战要素的信息存储、分析与态势展示等;
所述方案采用软件:
QT Creator,为开发远端数据存储分析系统的集成开发软件,实现数据的存储、分析与界面态势展示;
Keil MDK,为开发嵌入式感知终端的集成开发软件,为基于芯片级的应用程序开发,实现各感知终端的传感数据采集,自适应组网算法,与数据存储分析系统的指令与信息的交互通信。所述方案采用硬件:
ARM Cortex M4嵌入式处理器;
无线收发模组RF433。
系统组成及拓扑:
整个系统由A、B、C三类感知终端、无人机中继平台以及远端数据存储分析系统构成。A、B、C感知终端分布在作战区域内,在远端监控指令下采集所需感知数据,并将作战感知数据备份于本地存储器,当直升机中继平台对指定感知终端发起数据回馈命令后,指定终端上载感知数据并由中继平台上载至远端数据存储分析系统进行存储分析。
工作原理
所述系统无线通信采用基于远距离低功耗的LoRa无线技术,采用智能组网方式、时分多址通讯技术,A、B、C三类设备可以自由组合,组成一个小组网,每个设备一个ID号,每小组有一个群组ID号。
所述系统的无人机中继平台可以在远端数据系统的控制下,根据军事战场、演练科目的要求,可以对感知终端进行集中采集、单独制定采集、群组采集等多样化的方式,实时高效地将各感知单元的数据同步至远端数据存储分析系统进行数据展示分析,从而满足远端数据存储分析系统对不同作战单元感知数据分析的感知需求。
时隙动态自适应时分同步自组网通信原理
所述通讯组网系统采用北斗/GPS的1PPS信号进行时间同步,各无线感知终端闲时处于休眠状态,当无人机中继平台需要采集感知数据时,通过433MHz发送广播信号,利用LoRa无线空中唤醒技术唤醒各感知终端,无人机中继平台可以针对单个组广播,也可以针对多个组分时进行广播,感知终端在侦听到广播信号后会在对应时隙上传自身的感知数据,完成与无人机中继平台的数据交互。无人机中继平台根据对应的调度算法以及此次广播接收的各感知终端的完成情况,将再次需要调整的时隙规则以及各感知终端的接收情况广播出去,各感知终端收到广播后进行判断,如果收到所述感知终端上传数据,则感知终端自动进入待机低功耗状态,否则,则根据调度规则的判定,进行通信时隙前移或者后移,从而改变前一次所述感知终端的通信时隙位置,达到通信时隙集中与数量收敛,经过中继平台的有限次时隙调整与调度广播,在同等数量感知终端的应用前提下,大幅提高了通信成功率和通信实时性,同时也降低了中继平台的通信功耗。
基于LoRa无线空中唤醒的时隙动态自适应时分同步自组网技术的调度端与感知端的实现原理如图2和图3所示。
人员穿戴感知终端
作战演练开始时,作战人员佩戴感知终端、体征信息测试手环待命于演练战场外,手动启动感知终端及体征信息测试手环电源按钮,感知终端进行设备自检,并将自检信息通过无人机中继平台上传至远端数据存储分析系统进行入网注册,同时将状态显示在本地设备上供作战人员查看。感知终端自检完毕后,自动进入休眠待机状态,其工作流程如图4所示。车载感知终端
作战演练开始时,作战车辆人员启动车载感知终端电源按钮,车载感知终端进行设备自检,并将自检信息通过无人机中继平台上传至远端数据存储分析系统进行入网注册,同时将状态显示在本地设备上供作战车辆人员查看。感知终端自检完毕后,自动进入休眠待机状态,其工作流程如图5所示。
电台感知终端
作战演练开始时,作战电台人员启动电台感知终端电源按钮,电台感知终端进行设备自检,并将自检信息通过无人机中继平台上传至远端数据存储分析系统进行入网注册,同时将状态显示在本地设备上供作战电台人员查看。感知终端自检完毕后,自动进入休眠待机状态,其工作流程如图6所示。
无人机中继平台
作战演练开始时,首先启动远端数据存储分析系统软件与无人机中继平台,然后将A、B、C三类感知终端依次打开,完成作战演练前的入网注册与角色分配,中继平台的工作流程如图7所示。
远端数据存储分析系统
作战演练开始时,首先连接远端无线数据通信设备,并启动分析系统软件,再打开无人机中继平台,数据存储分析系统测试与无人机的通信信道后进入待机状态。各感知终端开机并进行入网注册后,数据存储分析系统等待作战开始的启动命令,当训练科目正式开始时,数据中心下发无线控制指令,启动各感知终端开始进行相应感知数据的采集,当远端数据存储分析系统向无人机中继平台下发数据上传命令后,无人机中继平台按照既定时隙完成各感知节点的数据采集,并实时回送至远端数据存储分析系统。
作战过程中,远端数据存储分析系统可根据需要随时停止或启动无人机的数据上传功能。当作战结束时,数据存储分析系统通过中继平台下发训练结束命令,各感知终端停止感知数据的采集工作,进入休眠待机,其工作流程如图8所示。
采用所述作战智能感知系统,可以根据实地作战需要,对各作战单元进行实时感知数据分析与处理,具备以下优点:
1)通讯基于ISM频段,不对军用通讯频段造成干扰,组网灵活,通讯成本低,可灵活组网;
2)终端设备携带方便,安装灵活;
3)使用便捷,基本可无人值守;
4)维护简便,只需定期充电维护;
将所述感知系统应用到目前作战过程中,通过对大量感知数据的分析与处理,可更加直观地感知作战单元、作战人员等动态信息,填补了目前战场各要素动态感知信息的应用领域的空白,为提高我军战场信息化作战水平迈出了重要一步,具有十分重要的推广价值与军事意义。
本作战智能感知系统是根据新形势下作战应用需要,进行特殊定制开发的专用感知系统,能够感知各作战单元与作战相关的要素信息,对信息进行深度分析与处理,可弥补旧有作战智能化、信息化水平中的许多不足,同时也能更好地展示战场各要素的变化态势,更好地挖掘各作战单元的作战潜力,满足未来信息化、智能化作战的重大需求。
Claims (5)
1.一种作战智能感知系统的自适应组网方法,其特征是,所述方法通过基于LoRa技术设计的时隙自适应时分同步自组网通信技术,利用北斗/GPS的1PPS作为通信网络的同步基准,利用无人机中继平台作为通信系统的中心节点与通信时隙调度调整的控制者,使作战智能感知系统中的各无线感知终端按照预先设计的通信时隙调度规则进行通信组网并与位于军事战场外的远端数据存储分析系统进行实时通信。
2.根据权利要求1所述的一种作战智能感知系统的自适应组网方法,其特征是,作战智能感知系统中的各无线感知终端上传数据的具体方法如下:
各无线感知终端闲时处于休眠状态,当无人机中继平台需要采集感知数据时,向无线感知终端发送广播信号,利用LoRa无线空中唤醒技术唤醒需要上传数据的无线感知终端,无线感知终端侦听到广播信号后在对应时隙上传自身的感知数据,完成与无人机中继平台的数据交互;无人机中继平台根据对应的调度算法以及此次接收数据的完成情况,将调整的时隙规则以及各无线感知终端所传数据的接收情况广播出去,各无线感知终端收到广播后进行判断,如果本无线感知终端上传数据成功,则自动进入待机低功耗状态,否则根据调整后的时隙规则重新上传数据。
3.根据权利要求1或2所述的一种作战智能感知系统的自适应组网方法,其特征是,所述无线感知终端包括人员可穿戴感知终端、车辆感知终端和电台感知终端,所述人员可穿戴感知终端包括体征信息测试手环。
4.根据权利要求3所述的一种作战智能感知系统的自适应组网方法,其特征是,所述人员可穿戴感知终端、车辆感知终端和电台感知终端可以自由组合成小组网,每个设备设置一个ID号,每小组设置一个群组ID号。
5.根据权利要求4所述的一种作战智能感知系统的自适应组网方法,其特征是,在无人机中继平台读取感知数据之前,人员穿戴感知终端和车载感知终端将作战人员和车辆装备的动态信息和所处环境温的气象信息实时记录在数据存储单元中。
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