CN109743096A - 一种基于无人机的uuv无线电通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于UUV通信技术领域，具体涉及一种基于无人机的UUV无线电通信方法，包括以下步骤：设定无线电通信检测标志位flag1、flag2，初始化为0；判断UUV是否在水面以下航行，若是，关闭无线电通信检测功能，flag1、flag2均置为0；否则，执行后续步骤；UUV在水面上航行或漂浮时，开启无线电通信检测功能，flag1置为1，flag2仍置为0，检测UUV和母船的通信情况,若通信状态良好，flag1、flag2保持状态不变，UUV和母船直接进行无线电通信；否则使flag2置1，执行后续步骤；若系统检测到flag1、flag2均置1，则开启UUV背部舱门，放飞无人机；本发明可以显著增大UUV和母船的无线电通信距离，且通信量大、通信速率高、实时性好，设备成本低。

Description

一种基于无人机的UUV无线电通信方法

技术领域

本发明属于UUV通信技术领域，具体涉及一种基于无人机的UUV无线电通信方法。

背景技术

地球上海洋面积广阔，广袤的海洋蕴藏着丰富的资源，随着人类文明的进步，资源的重要性越来越重要，因此海洋开发活动拥有非常重要的战略和现实意义。水面母船和水下航行器(UUV)是海洋开发活动中的重要组成部分，两者联合作业可以代替或者辅助人类在恶劣的海洋环境中完成多种模式的任务。其中两者之间的通信互通无疑对其各项任务的开展发挥着至关重要的作用。

由于UUV和母船没有线缆连接，只能使用无线电通信设备或水声通信设备与母船进行通信。而各种无线电通信，都离不开天线。天线是联系自由空间的发射机和接收机的重要设备，它的基本功能是辐射和接收无线电波，它的合理与否将直接影响通信的效果。影响海上UUV和母船无线电通信覆盖范围的主要因素有无线电设备发射功率的大小、天线增益、天线高度和水文气象条件等。根据文献《浅谈天线高度对通信效果的影响》(河南交通科技，1995年，第5期)可知，适当升高天线高度，可以增加通信距离，同时可增加无线电波的覆盖区域。母船天线高度较高，不需要再考虑增高，但是UUV搭载的天线高度较低，一般低于2米，且不能再增加UUV的天线高度，否则将严重影响UUV在水下的正常航行。所以考虑通过一种通过无人机作为通信中继设备，达到变相增加UUV天线高度的目的来增大和母船的通信距离的方法。

发明内容

本发明的目的是通过无人机作为通信中继设备增大水面母船和UUV的无线电通信距离，提高通信质量。

一种基于无人机的UUV无线电通信方法，包括以下步骤：

(1)设定无线电通信检测标志位flag1、flag2，初始化为0；

(2)判断UUV是否在水面以下航行，若是，关闭无线电通信检测功能，flag1、flag2均置为0；否则，执行后续步骤；

(3)UUV在水面上航行或漂浮时，开启无线电通信检测功能，flag1置为1，flag2仍置为0，检测UUV和母船的通信情况,若通信状态良好，flag1、flag2保持状态不变，UUV和母船直接进行无线电通信；否则使flag2置1，执行后续步骤；

(4)若系统检测到flag1、flag2均置1，则开启UUV背部舱门，放飞无人机；

(5)UUV和无人机通过WiFi进行数据传输，无人机和母船通过高频无线电波进行通信；

(6)判断水面通信任务是否结束，若结束，UUV开启对接模式，无人机自动飞回UUV船舱，UUV自动关闭舱门，无人机保持待命状态，转向下一个任务。

所述若系统检测到flag1、flag2均置1，则开启UUV背部舱门，放飞无人机，包括：

无人机起飞至和母船天线高度同等高度后，自主悬停在UUV附近在以UUV为圆心，半径为R的圆域上空。

本发明的有益效果在于：

本发明可以显著增大UUV和母船的无线电通信距离，且通信量大、通信速率高、实时性好，设备成本低。

附图说明

图1是基于无人机的UUV与母船通信示意图；

图2是UUV与母船通信流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图中：1-UUV自带的天线；2-水面母船天线；3-无人机；4-船舱；5-高度计。

一种基于无人机的UUV无线电通信方法，具体包括母船天线设备、UUV天线设备和无人机。无人机不工作时固定在UUV的船舱内，UUV与母船直接通信效果不佳或无信号时，无人机起飞并自动悬停在UUV上空，作为UUV和母船通信的中继设备。可以显著增大UUV和母船的无线电通信距离。

当UUV智能控制系统检测到自身与母船无法直接进行正常通信时，打开UUV背部的舱门，升起舱内固定无人机的平台，自动放飞无人机。无人机将自动悬停至预先设定的母船天线顶端同等高度，且在以UUV为圆心，半径为R的圆域上空。若无人机与UUV、母船均采用高频无线电波进行通信，则会导致通信延迟较大，会影响传输的实时性。为减小通信延迟、稳定通信数据量，故无人机和UUV通过WiFi进行通信，因短距离传输，WiFi传输速率较大，可将系统网络延迟降到最低。同时，UUV船载天线靠近海面，无线电信道容易受到海浪起伏的动态影响，而WiFi信号的绕射障碍物的能力明显高于高频无线电波，所以本发明还具有增强通信效果的作用。

相比于卫星通信，其通信量大、通信速率高、实时性好，设备成本低。相比，卫星通信通信量小、速率较低、实时性较差，且除了通信设备费用外还需支付通信产生的流量费用，通信成本高。

步骤一、设定无线电通信检测标志位flag1、flag2，初始化为0。

步骤二、判断UUV是否在水面以下航行，若是，关闭无线电通信检测功能，flag1、flag2均置为0；否则，执行后续步骤。

步骤三、UUV在水面上航行或漂浮时，开启无线电通信检测功能，flag1置为1，flag2仍置为0，检测UUV和母船的通信情况,若通信状态良好，flag1、flag2保持状态不变，UUV和母船直接进行无线电通信；否则使flag2置1，执行后续步骤。

步骤四、若系统检测到flag1、flag2均置1，则开启UUV背部舱门，准备放飞无人机，无人机起飞至和母船天线高度同等高度后，自主悬停在UUV附近在以UUV为圆心，半径为R的圆域上空，执行后续步骤。

步骤五、UUV和无人机通过WiFi进行数据传输，无人机和母船通过高频无线电波进行通信。

步骤六、判断水面通信任务是否结束，若结束，UUV开启对接模式，无人机自动飞回UUV船舱。UUV自动关闭舱门，无人机保持待命状态，转向下一个任务。

本发明属于UUV通信技术方向。具体涉及了一种通过无人机中继来增大UUV和母船通信距离、提高通信质量的无线电传输方法。

地球上海洋面积广阔，广袤的海洋蕴藏着丰富的资源，随着人类文明的进步，资源的重要性越来越重要，因此海洋开发活动拥有非常重要的战略和现实意义。水面母船和水下航行器(UUV)是海洋开发活动中的重要组成部分，两者联合作业可以代替或者辅助人类在恶劣的海洋环境中完成多种模式的任务。其中两者之间的通信互通无疑对其各项任务的开展发挥着至关重要的作用。

由于UUV和母船没有线缆连接，只能使用无线电通信设备或水声通信设备与母船进行通信。而各种无线电通信，都离不开天线。天线是联系自由空间的发射机和接收机的重要设备，它的基本功能是辐射和接收无线电波，它的合理与否将直接影响通信的效果。影响海上UUV和母船无线电通信覆盖范围的主要因素有无线电设备发射功率的大小、天线增益、天线高度和水文气象条件等。根据文献《浅谈天线高度对通信效果的影响》(河南交通科技，1995年，第5期)可知，适当升高天线高度，可以增加通信距离，同时可增加无线电波的覆盖区域。母船天线高度较高，不需要再考虑增高，但是UUV搭载的天线高度较低，一般低于2米，且不能再增加UUV的天线高度，否则将严重影响UUV在水下的正常航行。所以考虑通过一种通过无人机作为通信中继设备，达到变相增加UUV天线高度的目的来增大和母船的通信距离的方法。

本发明的目的是通过无人机作为通信中继设备增大水面母船和UUV的无线电通信距离，提高通信质量。

一种基于无人机的UUV无线电通信装置，具体包括母船天线设备、UUV天线设备和无人机。无人机不工作时紧固在UUV的船舱内，UUV与母船直接通信效果不佳或无信号时，无人机自动起飞并悬停在UUV上空，作为UUV和母船通信的中继设备。UUV和无人机通过WiFi进行通信，无人机和母船通过高频无线电波进行通信。相当于增加了UUV的天线高度，从而增大了UUV和母船的通信距离。同时，UUV搭载的天线靠近海面，无线电信道容易受到海浪起伏的动态影响，而WiFi信号的绕射障碍物的能力明显高于高频无线电波，所以本发明同时还能增强通信效果。

可以显著增大UUV和母船的无线电通信距离，增强通信效果。

假设海域是开阔的，采用的是高频无线电，由于高频无线电绕射障碍物的能力较差，电磁波的传输方式认为是点到点的视距传播，则电波视距r和通信双发的天线高度h₁和h₂之间的关系为:若取UUV天线高度为h₁＝0.8m,母船天线高度为h₂＝10m,则无线电传输极限距离是r₁＝14.48km.但是如果用本发明所提供的无人机，可将UUV高度增大至h₁＝h₂＝10m,则无线电传输极限距离为r₂＝22.58km。以上只是理论值，实际有效通信距离还取决于接收天线的接收能力吗，能否从噪声中提取有用信息，否则信号就会被噪声淹没而无法通信。

考虑到虽然升高UUV天线高度可以增加通信距离，但是这一做法，也只能在一定程度上有效，因为升高天线的同时增长天线馈线的长度造成的损耗大于或者等于由于升高天线路径中值损耗的减少量。且无人机和UUV的传输方式为WiFi，WiFi虽然传输速率较大，但是传输的有效距离比较有限，一般路由器发射的WiFi有效距离即便在空旷空间内最大覆盖半径仅为100米。相对于矮小的UUV，在波浪起伏的海面，WiFi的绕射障碍物的能力远大于高频无线电波。所以只将无人机悬停至和母船天线顶端同等高度，同时也为了使无线电波的发射和接收仰角为0，避免电磁波辐射能量的扩散，增强通信效果。

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1，图中1是UUV自带的天线，UUV在近时一般高于水面2米。图中2是水面母船天线，一般高于水面10～15米。整个过程中，UUV和母船有两种通信模式：(1)当通信距离较近时，无线电通过天线1和2可直接进行通信。(2)当通信距离较远时，仅用天线1、2无法进行正常通信。系统检测到通信状态不佳后，将开启船舱4的舱门，起飞无人机3。无人机飞至与天线2顶端高度后悬停，具体高度可由高度计5测量得到。为减小通信延迟，无人机3和UUV通过WiFi进行数据传输；与母船仍用无线电进行通信，且接收天线接收电波的主要是由空气传播的直达波。

具体通过以下方案来实现：

步骤一、设定无线电通信检测标志位flag1、flag2，初始化为0。

步骤二、判断UUV是否在水面以下航行，若是，关闭无线电通信检测功能，flag1、flag2均置为0；否则，执行后续步骤。

步骤三、UUV在水面上航行或漂浮时，开启无线电通信检测功能，flag1置为1，flag2仍置为0，检测UUV和母船的通信情况,若通信状态良好，flag1、flag2保持状态不变，UUV和母船直接进行无线电通信；否则使flag2置1，执行后续步骤。

步骤四、若系统检测到flag1、flag2均置1，则开启UUV背部舱门，准备放飞无人机，无人机起飞至和母船天线高度同等高度后，自主悬停在UUV附近在以UUV为圆心，半径为R的圆域上空，执行后续步骤。

步骤五、UUV和无人机通过WiFi进行数据传输，无人机和母船通过高频无线电波进行通信。

步骤六、判断水面通信任务是否结束，若结束，UUV开启对接模式，无人机自动飞回UUV船舱。UUV自动关闭舱门，无人机保持待命状态，转向下一个任务。

Claims (2)

1.一种基于无人机的UUV无线电通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设定无线电通信检测标志位flag1、flag2，初始化为0；

(2)判断UUV是否在水面以下航行，若是，关闭无线电通信检测功能，flag1、flag2均置为0；否则，执行后续步骤；

(3)UUV在水面上航行或漂浮时，开启无线电通信检测功能，flag1置为1，flag2仍置为0，检测UUV和母船的通信情况,若通信状态良好，flag1、flag2保持状态不变，UUV和母船直接进行无线电通信；否则使flag2置1，执行后续步骤；

(4)若系统检测到flag1、flag2均置1，则开启UUV背部舱门，放飞无人机；

(5)UUV和无人机通过WiFi进行数据传输，无人机和母船通过高频无线电波进行通信；

(6)判断水面通信任务是否结束，若结束，UUV开启对接模式，无人机自动飞回UUV船舱，UUV自动关闭舱门，无人机保持待命状态，转向下一个任务。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的UUV无线电通信方法，其特征在于，所述若系统检测到flag1、flag2均置1，则开启UUV背部舱门，放飞无人机，包括：

无人机起飞至和母船天线高度同等高度后，自主悬停在UUV附近在以UUV为圆心，半径为R的圆域上空。