CN110061772B - 一种基于光电混合链路的飞行器集群自组织网络构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自组织网络领域，具体涉及一种基于光电混合链路的飞行器集群自组织网络构建方法，包括建立飞行器节点的光电混合链路；生成自由空间光传输路径；建立自由空间光链路；建立自由空间光传输网络；自由空间光链路中断与重构。本发明实现整个飞行器集群的组网，其中射频链路仅用于传输相关控制信息，具有传输带宽需求小、传输距离远、网络可靠性高的特点。自由空间光链路利用射频自组织网络得到的其他节点信息，指引自由空间光链路完成初始的ATP系统粗瞄准过程，然后利用ATP系统自身完成精确瞄准，形成自由空间光传输网络。

Description

一种基于光电混合链路的飞行器集群自组织网络构建方法

技术领域

本发明属于自组织网络领域，具体涉及一种基于光电混合链路的飞行器集群自组织网络构建方法。

背景技术

当前，无人飞行器在军用和民用领域得到了广泛的关注和发展，具有用途广泛、使用灵活、成本低廉等特点。随着电子、传感和通信技术的不断发展，无人飞行器集群在救援抢险、联合搜救、边境巡逻、森林防火、公安安全、农业遥感等领域发挥重要的作用。相比于单个飞行器，飞行器集群具有更强的容错能力，单个飞行器失效对整个任务的影响不大。同是，飞行器集群可以并行处理任务，极大的提高了任务的处理效率。

飞行器集群协同处理任务需要组成一个完整的通信网络，可以分为有中心和无中心两种类型。有中心的集群网络既可以利用地面基站作为中心，也可以利用集群中特点节点作为中心。有中心的网络实现简单，但是整个网络可靠性较差，应用范围受到中心节点传输距离的限制。无中心的集群网络通过节点间的多跳传输，实现一个分布式的多跳自组织网络。分布式自组织网络中每个节点既是源节点，也可以是中继节点，整个网络具有更强的鲁棒性和灵活性。

自组织网络中的传输和路由方法是实现整个飞行器集群信息传递的基础，但是仍然存在一些问题。首先，传统的无线自组织网络利用微波进行组网，由于无线信道中各节点之间的相互干扰和频带资源受限，整个网络的传输容量受限，不能满足多样性的应用需求。其次，由于飞行器节点的快速移动，整个网络的拓扑实时快速变化，导致完全基于自由空间光链路的自组织网络捕获、指向和跟踪(Acquisition,tracking and pointing,ATP)系统实现难度较大。

发明内容

本发明要解决的是：传统的无线自组织网络整个网络的传输容量受限，不能满足多样性的应用需求；整个网络的拓扑实时快速变化，导致完全基于自由空间光链路的自组织网络捕获、指向和跟踪系统实现难度较大。

为了解决上述问题，本发明提出一种基于光电混合链路的飞行器集群自组织网络构建方法包括

S1，建立飞行器节点的光电混合链路；

所述飞行器节点的光电混合链路包括两个光学天线、两个ATP子系统、一个全向射频天线和一块通信载荷处理板，通信载荷处理板分别与一个全向射频天线和两个ATP子系统相连，每个ATP子系统连接一个光学天线；

S2，生成自由空间光传输路径；

飞行器集群的所有飞行器节点光电混合链路组成射频自组织网络，每一个飞行器节点发布光电混合链路的状态广播，包括节点编号、节点空间位置、速度、航向、光链路状态，光链路状态表征该飞行器节点的光学收发终端是否与其他飞行器节点的光学收发终端建立稳定的自由空间光链路；

视飞行器集群为一个由飞行器节点和光电混合链路组成的网络，用图表示，记为G(V,E)，矢量V表示飞行器集群中所有的飞行器节点，图G(V,E)中飞行器集群所有飞行器节点可以用v₁,v₂,…,v_N+1来表示，E表示飞行器节点间的光电混合链路；每一条光电混合链路<i,j>都有一个度量值R_i,j与之对应，表示飞行器节点i到飞行器节点j之间的传输的度量值，同时有关系式R_i,j＝R_j,i；

假设自由空间光电混合链路的最大有效传输距离为一个固定值D，节点i到节点j之间的距离为d_i,j，R_i,j的大小通过如下公式得到：

其中，M表示一个远大于D的正数；

S3，建立自由空间光链路；

飞行器集群中飞行器节点的ATP系统通过通信载荷处理板发送相邻接点位置信息，完成光学天线的粗瞄准过程；

此后，ATP系统利用自身光学系统完成精确瞄准，相邻节点间建立自由空间光链路；

自由空间光链路建立完成后，ATP系统发送控制信号给通信载荷处理板，改变该自由空间光链路的状态信息；

S4，建立自由空间光传输网络；

当通信载荷处理板检测到自身自由空间光链路建立之后，将该自由空间光链路的状态信息通过射频网络广播出去；同时，飞行器节点也在不断接受其他飞行器节点发送的状态信息，直至自由空间光传输网络中所有的自由空间光链路均建立完毕；

S5，自由空间光链路中断与重构

当飞行器集群中各飞行器节点由于位置移动导致自由空间光链路中断，ATP子系统发送光链路断开信号给通信载荷处理板，节点改变该自由空间光链路的状态信息为断开，同时修改自由空间光网络的状态信息为不可用；同时，该飞行器节点将状态信息进行广播，使得全网的状态信息达到一致；

飞行器进行重新进行步骤S3和S4，构建新的自由空间光传输网络。

进一步，通信载荷处理板包含两个光学收发模块、一个射频收发模块和一个通信控制模块，光学收发模块和射频收发模块分别连接ATP子系统和全向射频天线。

进一步，步骤S2中，M＝10000×D。

本发明基于光电混合链路的飞行器集群自组织网络构建方法实现整个飞行器集群的组网，其中射频链路仅用于传输相关控制信息，具有传输带宽需求小、传输距离远、网络可靠性高的特点。自由空间光链路利用射频自组织网络得到的其他节点信息，指引自由空间光链路完成初始的ATP系统粗瞄准过程，然后利用ATP系统自身完成精确瞄准，形成自由空间光传输网络。最后，上层应用将需要传输的数据，例如视频和图像等信息，通过自由空间光传输网络进行传输。该方法同时可以确保整个飞行器集群的工作的可靠性，当天气条件不能满足自由空间光传输时，整个网络还可以利用微波信息进行控制信息传输。

附图说明

图1为本发明飞行器节点光电混合链路示意图；

图2为本发明自由空间光链路传输路径示意图。

具体实施方式

实施例1

一种基于光电混合链路的飞行器集群自组织网络构建方法，包括

S1，建立飞行器节点的光电混合链路；

所述飞行器节点的光电混合链路包括两个光学天线1、两个ATP子系统2、一个全向射频天线3和一块通信载荷处理板4，通信载荷处理板4分别与一个全向射频天线3和两个ATP子系统2相连，每个ATP子系统2连接一个光学天线1；

所述通信载荷处理板4包含两个光学收发模块、一个射频收发模块和一个通信控制模块，光学收发模块和射频收发模块分别连接ATP子系统2和全向射频天线3。

S2，生成自由空间光传输路径；

飞行器集群的所有飞行器节点光电混合链路组成射频自组织网络，每一个飞行器节点发布光电混合链路的状态广播，包括节点编号、节点空间位置、速度、航向、光链路状态，光链路状态表征该飞行器节点的光学收发终端是否与其他飞行器节点的光学收发终端建立稳定的自由空间光链路；

视飞行器集群为一个由飞行器节点和光电混合链路组成的网络，用图表示，记为G(V,E)，矢量V表示飞行器集群中所有的飞行器节点，图G(V,E)中飞行器集群所有飞行器节点可以用v₁,v₂,…,v_N+1来表示，E表示飞行器节点间的光电混合链路；每一条光电混合链路<i,j>都有一个度量值R_i,j与之对应，表示飞行器节点i到飞行器节点j之间的传输的度量值，同时有关系式R_i,j＝R_j,i；

假设自由空间光电混合链路的最大有效传输距离为一个固定值D，节点i到节点j之间的距离为d_i,j，R_i,j的大小通过如下公式得到：

其中，M表示一个远大于D的正数，本实施例中设置M＝10000×D；

由于每一个飞行器仅具有两自由空间光链路，因此需要生成一条所有节点首尾相连的自由空间光链路网络，示意图如附图2所示。为生成一条总传输距离最短的自由空间光链路网络，利用以下算法解决该问题。

1.假设图G(V,E)中飞行器集群中节点的个数为N，编号为从1到N正整数。首先在图G(V,E)中增加一个新的虚拟节点，编号为N+1。该节点到图G(V,E)中其他所有节点的距离d_i,N+1＝0,i＝1,2,…N，同时可以得到R_i,N+1＝0,i＝1,2,…N。

2.图G(V,E)可以认为是具有N+1个节点的无向完全图，可以利用旅行商问题(Travelling Salesman Problem,TSP)的解决方案得到一个串行的自由空间光多跳传输路径，包括动态规划算法和各种启发式算法。本发明以动态规划算法为例，具体说明自由空间光链路路由路径的生成方法。

由于该算法产生了一个环形路径，因此可以选取任一节点作为起始点，本发明选取节点v₁作为起始点。首先定义一个用于存储动态规划状态的矩阵H，每一行表示图中的一个节点，每一列代表图中节点的一个子集。一般地，该任一子集可以用V′表示，是指除去起始节点v₁外剩余所有节点构成的集合的任一子集，即由集合{v₂,v₃,…v_N+1}生成的任一子集。

定义H(v_i,V′)表示从节点v_i出发，经过V′集合中所有节点一次，再次回到起始节点v₁所经历的最小度量总和。当V′＝φ时，H(v_i,V′)表示从v_i出发直接回到起点v₁的度量值

当V′中仅包含一个元素时，假设为v_j，此时可以得到：

同时，对于任一非空的V′，都具有如下性质：

因此，可以利用公式

递归得到最终的结果H(v₁,{v₂,v₃,…v_N+1})。此外，在利用动态规划算法求解最短路径的同时，需要同时定义一个新的矩阵P，用于存储动态规划算法过程中不断选择的最小的路径，最后利用回溯得到一条完整的传输路径。

在步骤2中，本发明利用动态规划算法得到了首尾相连的自由空间光传输路径。由于节点v_N+1是一个虚拟节点，此时在得到的路径中删除该节点，可以得到一个首尾断开的多跳自由空间光传输路径。由于自由空间光传输链路均为双向传输，因此可以满足所有节点间的信息共享。

如S3至S5所示，飞行器集群中各节点根据自由空间光链路生成算法得到一条多跳自由空间光链路，各节点中通信载荷处理板的控制模块根据得到的多跳传输路径完成相邻节点间的光链路建立。飞行器集中的任何一个节点(两端的节点除外)均与其他两个飞行器节点通过自由空间光链路相连接，需要建立两条自由空间光链路，可以利用一个光学天线指向其中一个飞行器节点，另一个光学天线指向另外一个飞行器节点。对于处于自由空间光链路两端的节点，任选一个光学天线建立光链路即可。

首先，飞行器节点通信载荷处理板的控制模块将需要建立链路的相邻节点位置信息发送给对应的光学天线ATP子系统。光学天线的ATP子系统根据自身的位置信息和目标节点的位置信息，通过空间三维计算得到光学天线的初步指向，指导光学天线完成粗瞄准过程。接下来，ATP子系统利用自身的光学系统完成精确指向，最终与相邻节点间建立自由空间光链路。飞行器节点与相邻节点间建立光学链路之后，ATP子系统发送确认信号给控制模块，改变光学链路的状态信息。同时，飞行器节点将该状态信息通过射频自组织网络进行广播，通知集群内其他节点该光学链路已经建立。

飞行器集群中节点工作过程中均处于移动状态，因此可能导致节点间距离大于自由空间光链路的传输距离。此时，节点间的光链路发生断裂，ATP子系统发送光链路断开信号给控制模块，改变该光学链路的状态信息。同时，节点将该信息进行广播，使得全网的状态信息达到一致。此时，飞行器集群中所有节点根据自由空间光链路生成算法重新得到新的多跳传输路径，重新建立新的光传输链路。本发明中需要说明的是飞行器集群中不存在孤立节点，即通过飞行器上层控制，使得任一飞行器节点能够与其他若干节点间建立自由空间光链路。

S3，建立自由空间光链路；

飞行器集群中飞行器节点的ATP系统2通过通信载荷处理板4发送相邻接点位置信息，完成光学天线的粗瞄准过程；

此后，ATP系统2利用自身光学系统完成精确瞄准，相邻节点间建立自由空间光链路；

自由空间光链路建立完成后，ATP系统2发送控制信号给通信载荷处理板4，改变该自由空间光链路的状态信息；

S4，建立自由空间光传输网络；

当通信载荷处理板4检测到自身自由空间光链路建立之后，将该自由空间光链路的状态信息通过射频网络广播出去；同时，飞行器节点也在不断接受其他飞行器节点发送的状态信息，直至自由空间光传输网络中所有的自由空间光链路均建立完毕；

S5，自由空间光链路中断与重构

当飞行器集群中各飞行器节点由于位置移动导致自由空间光链路中断，ATP子系统发送光链路断开信号给通信载荷处理板4，节点改变该自由空间光链路的状态信息为断开，同时修改自由空间光网络的状态信息为不可用；同时，该飞行器节点将状态信息进行广播，使得全网的状态信息达到一致；

飞行器进行重新进行步骤S3和S4，构建新的自由空间光传输网络。

本实施例优点如下：

(1)利用射频链路组网实现了控制信号的传输，具有带宽需求小、作用距离远、可靠性高的特点；

(2)利用自由空间光链路实现数据业务的传输，网络传输容量大，满足多种不同业务的QoS保障；

(3)利用射频与自有空间光链路的结合，实现自有空间光链路的快速捕获与跟踪，满足飞行器集群快速移动场景下的应用需求。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定，任何在本发明精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。本发明中基于射频链路的自组织网络建立等内容属本领域技术人员的公知技术，故此未做详细说明。

Claims (3)

1.一种基于光电混合链路的飞行器集群自组织网络构建方法，其特征在于，包括

S1，建立飞行器节点的光电混合链路；

所述飞行器节点的光电混合链路包括两个光学天线(1)、两个ATP子系统(2)、一个全向射频天线(3)和一块通信载荷处理板(4)，通信载荷处理板(4)分别与一个全向射频天线(3)和两个ATP子系统(2)相连，每个ATP子系统(2)连接一个光学天线(1)；

S2，生成自由空间光传输路径；

飞行器集群的所有飞行器节点光电混合链路组成射频自组织网络，每一个飞行器节点发布光电混合链路的状态广播，包括节点编号、节点空间位置、速度、航向、光链路状态，光链路状态表征该飞行器节点的光学收发终端是否与其他飞行器节点的光学收发终端建立稳定的自由空间光链路；

视飞行器集群为一个由飞行器节点和光电混合链路组成的网络，用图表示，记为G(V,E)，矢量V表示飞行器集群中所有的飞行器节点，图G(V,E)中飞行器集群所有飞行器节点可以用v₁,v₂,…,v_N+1来表示，E表示飞行器节点间的光电混合链路；每一条光电混合链路<i,j>都有一个度量值R_i,j与之对应，表示飞行器节点i到飞行器节点j之间的传输的度量值，同时有关系式R_i,j＝R_j,i；

假设自由空间光电混合链路的最大有效传输距离为一个固定值D，节点i到节点j之间的距离为d_i,j，R_i,j的大小通过如下公式得到：

其中，M表示一个远大于D的正数；

假设图G(V,E)中飞行器集群中节点的个数为N，编号为从1到N正整数，首先在图G(V,E)中增加一个新的虚拟节点，编号为N+1；该节点到图G(V,E)中其他所有节点的距离d_i,N+1＝0,i＝1,2,…N，同时可以得到R_i,N+1＝0,i＝1,2,…N；

图G(V,E)可以认为是具有N+1个节点的无向完全图，选取任一节点作为起始点，记做v1，定义一个用于存储动态规划状态的矩阵H，每一行表示图中的一个节点，每一列代表图中节点的一个子集；一般地，任一子集可以用V′表示，是指除去起始节点v₁外剩余所有节点构成的集合的任一子集，即由集合{v₂,v₃,…v_N+1}生成的任一子集；

定义H(v_i,V′)表示从节点v_i出发，经过V′集合中所有节点一次，再次回到起始节点v₁所经历的最小度量总和；当V′＝φ时，H(v_i,V′)表示从v_i出发直接回到起点v₁的度量值

当V′中仅包含一个元素时，假设为v_j，此时可以得到：

利用公式

递归得到最终的结果H(v₁,{v₂,v₃,…v_N+1})；同时定义一个新的矩阵P，用于存储动态规划算法过程中不断选择的最小的路径，最后利用回溯得到一条完整的传输路径；

S3，建立自由空间光链路；

飞行器集群中飞行器节点的ATP系统(2)通过通信载荷处理板(4)发送相邻接点位置信息，完成光学天线的粗瞄准过程；

此后，ATP系统(2)利用自身光学系统完成精确瞄准，相邻节点间建立自由空间光链路；

自由空间光链路建立完成后，ATP系统(2)发送控制信号给通信载荷处理板(4)，改变该自由空间光链路的状态信息；

S4，建立自由空间光传输网络；

当通信载荷处理板(4)检测到自身自由空间光链路建立之后，将该自由空间光链路的状态信息通过射频自组织网络广播出去；同时，飞行器节点也在不断接收其他飞行器节点发送的状态信息，直至自由空间光传输网络中所有的自由空间光链路均建立完毕；

S5，自由空间光链路中断与重构

当飞行器集群中各飞行器节点由于位置移动导致自由空间光链路中断，ATP子系统发送光链路断开信号给通信载荷处理板(4)，节点改变该自由空间光链路的状态信息为断开，同时修改自由空间光网络的状态信息为不可用；同时，该飞行器节点将状态信息进行广播，使得全网的状态信息达到一致；

飞行器进行重新进行步骤S3和S4，构建新的自由空间光传输网络。

2.根据如权利要求1所述的一种基于光电混合链路的飞行器集群自组织网络构建方法，其特征在于，通信载荷处理板(4)包含两个光学收发模块、一个射频收发模块和一个通信控制模块，光学收发模块和射频收发模块分别连接ATP子系统(2)和全向射频天线(3)。

3.根据如权利要求1所述的一种基于光电混合链路的飞行器集群自组织网络构建方法，其特征在于，步骤S2中，M＝10000×D。

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