CN112261576B - 一种空地组网系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空地组网系统，包括地面控制中心、至少1个车载终端、至少1个无人机载终端，以及至少1个飞艇终端；车载终端与车载终端、车载终端与无人机载终端、车载终端与飞艇终端、无人机载终端与无人机载终端、无人机载终端与飞艇终端、以及飞艇终端与地面控制中心均通过无线组网互联；该系统利用无人机、飞艇等多层近地空中互联平台连接地面控制中心和移动车辆，提升空间信息广域覆盖与局部增强能力；实现空间网络拓扑随着数据链路上数据流的信息速率需求的变化而变化，达到动态调整网络中节点的位置，满足特定数据链路上数据流的信息速率要求，提升车与无人机、飞艇组网系统的总吞吐量，适合用于特定区域网络流量需求动态变化的场景。

Description

一种空地组网系统及其实现方法

技术领域

本发明属于新一代空间信息网络技术领域，具体是一种空地组网系统及其实现方法。

背景技术

近年来，信息技术的应用正在进一步影响人类社会发展的方向，引领、支撑和服务社会的发展变化。信息通信网络也从固定的网络趋向移动的网络，从地面、空间分割的网络走向空地一体化的网络。空地一体化网络是一种空地多层异质平台便捷互联的空间信息网络的关键一环，是实现空间信息网络灵活部署、局部空地区域增强及业务需求动态变化等应用场景的新一代信息技术。但现有空地一体化网络主要是空对空点对点互联，空对地点对点传输，对于交通、能源等重大基础设施运维，陆海空通道沿线监视等应用需求，由于都呈现出明显的环境复杂变化、基础设施不完善、干扰众多、目标多样异质等特点，且空地信息网络组网平台单一、网络资源配置不灵活等挑战，严重制约了空地一体化网络广域覆盖与局部覆盖增强能力的进一步提升，因此，发明一种空地组网系统及实现方法是一项迫切的任务。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的不足，提供一种空地组网系统及其实现方法，该系统是利用飞艇、无人机等多层近地空间互联平台连接地表移动车辆、地面静态基础设施等，对道路交通、地表环境等重点关注区域进行全面感知，支持空地多层异构系统间大量数据的交互，具备广域覆盖与局部增强能力的大范围、全时空、全息化的监测与安全应急综合保障能力，建立军民融合、人防、物防、技防结合的区域防控与应急体系。

实现本发明目的的技术方案是：

一种空地组网系统，包括地面控制中心、至少1个车载终端、至少1个无人机载终端，以及至少1个飞艇终端；车载终端与车载终端、车载终端与无人机载终端、车载终端与飞艇终端、无人机载终端与无人机载终端、无人机载终端与飞艇终端、以及飞艇终端与地面控制中心均通过无线组网互联；

所述的车载终端，包括车载主控模块、车载自组网模块、车载人机交互模块、车载感知模块，车载主控模块分别与车载自组网模块、车载人机交互模块及车载感知模块连接；车载感知模块还与车辆上的摄像头、以及车辆配备的GPS和北斗定位导航系统连接；车载感知模块通过摄像头获取视频或图片信息，通过GPS和北斗定位导航系统获取车辆的当前位置信息；车载感知模块将获取到的视频或图片信息、车辆位置信息传输至车载主控模块进行识别处理，车载主控模块将处理后的信息经车载自组网模块分别传输至无人机车载终端和飞艇终端；

所述的无人机载终端，包括机载主控模块、机载自组网模块、机载感知模块，机载主控模块分别与机载自组网模块、机载感知模块连接；机载感知模块还与无人机上的摄像头连接，机载感知模块通过摄像头获取视频或图片信息；机载感知模块将获取到的获取视频或图片信息传输至机载主控模块进行识别处理，机载主控模块将处理后的信息经机载自组网模块传输至飞艇终端，机载自组网模块接收车载自组网模块传输的信息传输至机载主控模块，经机载主控模块处理后再由机载自组网模块传输至飞艇终端；

所述的飞艇终端，包括依次连接的飞艇自组网模块、飞艇交换机模块和飞艇感知模块；飞艇感知模块还分别与无线频谱装置和飞艇上的摄像头连接；飞艇感知模块通过无线频谱装置监测飞艇所在空域的无线频谱使用信息，并通过摄像头获取视频或图片信息；飞艇感知模块将获取到的视频或图片信息，以及飞艇所在空域的无线频谱使用信息经过飞艇交换机模块传输至飞艇自组网模块；飞艇自组网模块接收机载自组网模块、车载自组网模块和飞艇交换机模块传输的信息，并将接收到的信息传输至地面控制中心；

所述的地面控制中心，包括地面自组网模块、地面交换机模块、路由器模块、服务器模块和人机交互模块；地面自组网模块接收飞艇自组网模块传输的信息，并将接收到的信息经地面交换机模块后传输至服务器模块；服务器模块计算并存储车载终端、无人机载终端及飞艇终端的感知模块采集的数据信息；路由器模块通过交换机与服务器模块连接，用于支持多台移动设备接入服务器模块，实现在移动设备上查看车载终端、无人机载终端及飞艇终端的感知模块采集的数据信息；服务器模块还与人机交互模块连接，人机交互模块连接便携式移动设备或显示器，用于输出显示车载主控模块、机载主控模块所识别出的视频或图像信息中的车和行人影像。

所述的车载自组网模块，采用BATMAN路由算法进行组网，实现数据链路层组网路由功能，连接5dB增益的玻璃钢双天线，发射频率为1.438GHz，最大发射功率为30dbm，可提供不小于56Mbps的通信速率；车载自组网模块通过RJ45接口与车载主控模块连接，用于实现车与车、车与无人机、车与飞艇组网，将车载主控模块识别后的信息传输至无人机或经飞艇中继通信到地面控制中心。

所述的机载自组网模块，采用BATMAN路由算法进行组网，实现数据链路层组网路由功能，通过RJ45接口与机载主控模块连接，连接5dB增益的胶棒双天线，发射频率为1.438GHz，用于实现无人机与无人机、无人机与车、无人机与飞艇组网，将机载主控模块识别后的信息传输至车辆或经飞艇中继通信到地面控制中心。

所述的飞艇自组网模块，采用BATMAN路由算法进行组网，实现数据链路层组网路由功能，采用RJ45接口与飞艇交换机模块连接，连接6dB增益的玻璃钢双天线，发射频率为1.438GHz，用于实现飞艇与飞艇、飞艇与车、飞艇与无人机、飞艇与地面控制中心组网，用于接收机载自组网模块、车载自组网模块以及地面控制中心空地自组网模块发送的信息，以及作为机载自组网模块、车载自组网模块与地面控制中心的地面自组网模块之间通信的中继。

所述的车载主控模块、机载主控模块，采用NVIDIA Jetson TX2集成模块，用于接收和处理感知模块获取的视频信息，采用机器学习算法识别视频中的车和行人，具备RJ45接口、USB接口和HDMI显示屏接口。

所述的车载人机交互模块，采用HDMI接口显示器，用于输出显示车载主控模块识别视频中的车和行人影像。

所述的车载感知模块、机载感知模块，采用USB接口连接摄像头，摄像头分辨率不小于1280*720。

所述飞艇感知模块，采用USB接口连接摄像头信息采集设备，用于获取视频或图片信息，分辨率不小于1280*720；采用USB接口连接现有无线频谱装置，用于监测飞艇所在空域的无线频谱使用信息，并通过交换机模块经飞艇自组网模块传输至地面控制中心。

所述的地面自组网模块，采用现有BATMAN路由算法进行组网，实现数据链路层组网路由功能，采用RJ45接口与地面交换机模块连接，连接5dB增益的玻璃钢双天线，发射频率为1.438GHz，用于实现地面控制中心与飞艇组网，用于接收经过飞艇自组网模块中继通信到地面控制中心的车载主控模块或机载主控模块识别后的信息。

所述的飞艇交换机模块、地面交换机模块，采用现有交换机模块，其输入和输出采用多个RJ45接口，通过飞艇交换机模块实现与飞艇自组网模块、飞艇感知模块互联，并实现飞艇自组网模块接收的信息和飞艇感知模块搜集的信息的存储与转发；通过地面交换机模块实现与地面自组网模块、路由器模块、服务器模块的互联，并实现地面自组网模块接收的信息的存储与转发；

所述的服务器模块，采用现有中大型计算机，用于计算和存储地面自组网模块转发来的车载终端、无人机载终端及飞艇终端的感知模块采集的数据信息。

所述的路由器模块:采用现有无线路由模块，用于支持多台移动设备接入所述服务器模块，实现在移动设备上查看所述车载终端、无人机载终端及飞艇终端的感知模块采集的数据信息，支持2.4GHz、5GHz无线收发频率，直流12V供电。

所述的人机交互模块，采用HDMI、USB等接口连接PC机、PAD等便携式移动设备或各种显示器，用于输出显示所述车载主控模块或者机载主控模块识别视频中的车和行人影像。

用上述一种空地组网系统实现系统组网后网络总吞吐量最大的方法，包括如下步骤：

1)将载车载终端、无人机载终端、飞艇终端感知模块获取到的信息转换为拓扑网络无线数据链路上的数据流；

2)设有一个协调车与无人机、飞艇组网的中心控制器，协调车、无人机、飞艇上分别搭载车载终端、无人机载终端、飞艇终端，协调车与无人机、飞艇组网由各自搭载终端中的自组网模块进行无线通信互联，该中心控制器以计算机代码形式存储在地面控制中心的自组网模块中，在该自组网模块中存储着协调车与无人机、飞艇组网的网络拓扑信息，其中包括协调车、无人机和飞艇的三维坐标(即经纬度位置信息)、无人机的电量、每条数据链路的信息速率需求信息；

3)设协调车、无人机及飞艇中均安装有中心控制器的子系统，该子系统以计算机代码形式存储在车载终端、无人机载终端及飞艇终端的自组网模块中，该子系统用于搜集协调车、无人机、飞艇及其邻居移动节点(即车、无人机、飞艇)的位置信息、无人机电量信息、每条数据链路的信息速率需求信息，并且子系统将周期性地发送上述信息至中心控制器，使中心控制器及时更新网络拓扑信息；

4)设F为协调车与无人机、飞艇组网中所有点对点，即车与无人机、无人机与无人机、无人机与飞艇、车与飞艇无线数据链路上的数据流的集合；f为F中任意一条数据流，即f∈F；Rate_f是数据流f的信息速率需求,C_f是数据流f的信息速率上限值，记为：

其中，C_l,f是数据链路l为数据流f提供的信息速率，P_f是数据流f通过的物理链路，记为l∈P_f；

设τ_f为数据流f的实际吞吐量，记为：

τ_f＝min(Rate_f，C_f)

5)当Rate_f≤C_f时，数据流f的吞吐量τ_f＝Rate_f；否则，进入步骤5)；

6)当Rate_f≥C_f时，数据流f的吞吐量τ_f＝C_f；由步骤3)可知，C_f是数据流f在数据链路l上的信息速率上限值，通过中心控制器向网络广播节点位置变更信息，收到位置变更信息的节点，调节当前数据链路l两端节点，即车与无人机、无人机与无人机、无人机与飞艇、车与飞艇之间的距离，对于要提高数据链路上数据流的C_f的节点对，中心控制器将控制节点对的彼此距离更近，直到C_f＝Rate_f，然后停止位置变动，否则持续调整；

7)设车与无人机、飞艇组网的网络总吞吐量为：

为确保网络中所有数据链路上的数据流的信息速率的总吞吐量τ的最大，根据步骤6)，动态的调整网络节点的位置，使每条数据链路两端的节点均在彼此的通信范围内，最终实现组网之后的网络总吞吐量最大。

步骤7)中，所述的动态调整网络节点的位置的方法，包括如下步骤：

7-1)创建粒子滤波器，初始化重采样粒子数N；

7-2)无人机更新自身三维坐标信息和当前位置在各数据链路上的信息速率需求Rate_(s,u,v)，s,u,v分别代表当前无人机与飞艇、无人机、车辆的链路的序号；

7-3)通过粒子随机扩散，获得N个粒子样本的三维坐标及该坐标点处各数据链路信息速率上限值C_fn(s,u,v)；

7-4)遍历每个粒子的各数据链路信息速率上限值，判断是否都满足下述约束条件：

C_fn(s,u,v)≥Rate_f(s,u,v)

其中，n∈{1,2,……,N}是当前粒子序号，由其产生的先后顺序决定；C_fn(s,u,v)为粒子n在数据链路(s,u,v)上的信息速率上限值；若任意链路均满足该约束条件，则进入步骤7-6)；否则进入步骤7-5)；

7-5)通过粒子重采样，筛选出N个粒子，返回执行步骤7-3)；

7-6)分别求每个粒子数据流信息速率上限总合，计算公式如下：

C_fn＝∑C_fn(s,u,v)

7-7)以粒子数据流信息速率上限总合为权值，求N个粒子三维坐标期望，得到组网系统吞吐量估计值最大的三维坐标；

7-8)将该坐标位置信息传输至机载主控模块，控制无人机向该坐标位置移动；

7-9)待无人机到达指定位置后，若无中断指令，在粒子滤波循环队列控制调整后，返回执行步骤7-2)；若有中断指令，流程结束，再次启动时从步骤7-1)开始执行。

本发明的有益效果为：本发明提供的一种空地组网系统及实现方法，该系统利用无人机、飞艇等多层近地空中互联平台连接地面控制中心和移动车辆，进一步提升了空间信息广域覆盖与局部增强能力；一种空地组网系统的实现方法，实现了空间网络拓扑随着数据链路上数据流的信息速率需求的变化而变化，达到了动态调整网络中节点的位置，满足了特定数据链路上数据流的信息速率要求，提升了车与无人机、飞艇组网系统的总吞吐量，特别适合用于特定区域网络流量需求动态变化的应用场景。

附图说明

图1为一种空地组网系统的模块结构示意图；

图2为一种空地组网系统的实施场景架构示意图；

图3为一种空地组网系统的实现方法的实例结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

一种空地组网系统，包括地面控制中心、至少1个车载终端、至少1个无人机载终端，以及至少1个飞艇终端；车载终端与车载终端、车载终端与无人机载终端、车载终端与飞艇终端、无人机载终端与无人机载终端、无人机载终端与飞艇终端、以及飞艇终端与地面控制中心均通过无线组网互联；

如图1所示：

所述的车载终端，包括车载主控模块、车载自组网模块、车载人机交互模块、车载感知模块，车载主控模块分别与车载自组网模块、车载人机交互模块及车载感知模块连接；车载感知模块还与车辆上的摄像头、以及车辆配备的GPS和北斗定位导航系统连接；车载感知模块通过摄像头获取视频或图片信息，通过GPS和北斗定位导航系统获取车辆的当前位置信息；车载感知模块将获取到的视频或图片信息、车辆位置信息传输至车载主控模块进行识别处理，车载主控模块将处理后的信息经车载自组网模块分别传输至无人机车载终端和飞艇终端；

所述的无人机载终端，包括机载主控模块、机载自组网模块、机载感知模块，机载主控模块分别与机载自组网模块、机载感知模块连接；机载感知模块还与无人机上的摄像头连接，机载感知模块通过摄像头获取视频或图片信息；机载感知模块将获取到的获取视频或图片信息传输至机载主控模块进行识别处理，机载主控模块将处理后的信息经机载自组网模块传输至飞艇终端，机载自组网模块接收车载自组网模块传输的信息传输至机载主控模块，经机载主控模块处理后再由机载自组网模块传输至飞艇终端；

所述的飞艇终端，包括依次连接的飞艇自组网模块、飞艇交换机模块和飞艇感知模块；飞艇感知模块还分别与无线频谱装置和飞艇上的摄像头连接；飞艇感知模块通过无线频谱装置监测飞艇所在空域的无线频谱使用信息，并通过摄像头获取视频或图片信息；飞艇感知模块将获取到的视频或图片信息，以及飞艇所在空域的无线频谱使用信息经过飞艇交换机模块传输至飞艇自组网模块；飞艇自组网模块接收机载自组网模块、车载自组网模块和飞艇交换机模块传输的信息，并将接收到的信息传输至地面控制中心；

所述的地面控制中心，包括地面自组网模块、地面交换机模块、路由器模块、服务器模块和人机交互模块；地面自组网模块接收飞艇自组网模块传输的信息，并将接收到的信息经地面交换机模块后传输至服务器模块；服务器模块计算并存储车载终端、无人机载终端及飞艇终端的感知模块采集的数据信息；路由器模块通过交换机与服务器模块连接，用于支持多台移动设备接入服务器模块，实现在移动设备上查看车载终端、无人机载终端及飞艇终端的感知模块采集的数据信息；服务器模块还与人机交互模块连接，人机交互模块连接便携式移动设备或显示器，用于输出显示车载主控模块、机载主控模块所识别出的视频或图像信息中的车和行人影像。

所述的车载自组网模块，采用BATMAN路由算法进行组网，实现数据链路层组网路由功能，连接5dB增益的玻璃钢双天线，发射频率为1.438GHz，最大发射功率为30dbm，可提供不小于56Mbps的通信速率；车载自组网模块通过RJ45接口与车载主控模块连接，用于实现车与车、车与无人机、车与飞艇组网，将车载主控模块识别后的信息传输至无人机或经飞艇中继通信到地面控制中心。

所述的机载自组网模块，采用BATMAN路由算法进行组网，实现数据链路层组网路由功能，通过RJ45接口与机载主控模块连接，连接5dB增益的胶棒双天线，发射频率为1.438GHz，用于实现无人机与无人机、无人机与车、无人机与飞艇组网，将机载主控模块识别后的信息传输至车辆或经飞艇中继通信到地面控制中心。

所述的飞艇自组网模块，采用BATMAN路由算法进行组网，实现数据链路层组网路由功能，采用RJ45接口与飞艇交换机模块连接，连接6dB增益的玻璃钢双天线，发射频率为1.438GHz，用于实现飞艇与飞艇、飞艇与车、飞艇与无人机、飞艇与地面控制中心组网，用于接收机载自组网模块、车载自组网模块以及地面控制中心空地自组网模块发送的信息，以及作为机载自组网模块、车载自组网模块与地面控制中心的地面自组网模块之间通信的中继。

所述的车载主控模块、机载主控模块，采用NVIDIA Jetson TX2集成模块，用于接收和处理感知模块获取的视频信息，采用机器学习算法识别视频中的车和行人，具备RJ45接口、USB接口和HDMI显示屏接口。

所述的车载人机交互模块，采用HDMI接口显示器，用于输出显示车载主控模块识别视频中的车和行人影像。

所述的车载感知模块、机载感知模块，采用USB接口连接摄像头，摄像头分辨率不小于1280*720。

所述飞艇感知模块，采用USB接口连接摄像头信息采集设备，用于获取视频或图片信息，分辨率不小于1280*720；采用USB接口连接现有无线频谱装置，用于监测飞艇所在空域的无线频谱使用信息，并通过交换机模块经飞艇自组网模块传输至地面控制中心。

所述的地面自组网模块，采用现有BATMAN路由算法进行组网，实现数据链路层组网路由功能，采用RJ45接口与地面交换机模块连接，连接5dB增益的玻璃钢双天线，发射频率为1.438GHz，用于实现地面控制中心与飞艇组网，用于接收经过飞艇自组网模块中继通信到地面控制中心的车载主控模块或机载主控模块识别后的信息。

所述的飞艇交换机模块、地面交换机模块，采用现有交换机模块，其输入和输出采用多个RJ45接口，通过飞艇交换机模块实现与飞艇自组网模块、飞艇感知模块互联，并实现飞艇自组网模块接收的信息和飞艇感知模块搜集的信息的存储与转发；通过地面交换机模块实现与地面自组网模块、路由器模块、服务器模块的互联，并实现地面自组网模块接收的信息的存储与转发；

所述的服务器模块，采用现有中大型计算机，用于计算和存储地面自组网模块转发来的车载终端、无人机载终端及飞艇终端的感知模块采集的数据信息。

所述的路由器模块:，采用现有无线路由模块，用于支持多台移动设备接入所述服务器模块，实现在移动设备上查看所述车载终端、无人机载终端及飞艇终端的感知模块采集的数据信息，支持2.4GHz、5GHz无线收发频率，直流12V供电。

所述的人机交互模块，采用HDMI、USB等接口连接PC机、PAD等便携式移动设备或各种显示器，用于输出显示所述车载主控模块或者机载主控模块识别视频中的车和行人影像。

一种空地组网系统的实现方法，包括如下步骤：

1)将载车载终端、无人机载终端、飞艇终端感知模块获取到的信息转换为拓扑网络无线数据链路上的数据流；

2)设有一个协调车与无人机、飞艇组网的中心控制器，协调车、无人机、飞艇上分别搭载车载终端、无人机载终端、飞艇终端，协调车与无人机、飞艇组网由各自搭载终端中的自组网模块进行无线通信互联，该中心控制器以计算机代码形式存储在地面控制中心的自组网模块中，在该自组网模块中存储着协调车与无人机、飞艇组网的网络拓扑信息，其中包括协调车、无人机和飞艇的三维坐标(即经纬度位置信息)、无人机的电量、每条数据链路的信息速率需求信息；

3)设协调车、无人机及飞艇中均安装有中心控制器的子系统，该子系统以计算机代码形式存储在车载终端、无人机载终端及飞艇终端的自组网模块中，该子系统用于搜集协调车、无人机、飞艇及其邻居移动节点(即车、无人机、飞艇)的位置信息、无人机电量信息、每条数据链路的信息速率需求信息，并且子系统将周期性地发送上述信息至中心控制器，使中心控制器及时更新网络拓扑信息；

4)设F为协调车与无人机、飞艇组网中所有点对点，即车与无人机、无人机与无人机、无人机与飞艇、车与飞艇无线数据链路上的数据流的集合；f为F中任意一条数据流，即f∈F；Rate_f是数据流f的信息速率需求,C_f是数据流f的信息速率上限值，记为：

其中，C_l,f是数据链路l为数据流f提供的信息速率，P_f是数据流f通过的物理链路，记为l∈P_f；

设τ_f为数据流f的实际吞吐量，记为：

τ_f＝min(Rate_f，C_f)

5)当Rate_f≤C_f时，数据流f的吞吐量τ_f＝Rate_f；否则，进入步骤5)；

6)当Rate_f≥C_f时，数据流f的吞吐量τ_f＝C_f；由步骤3)可知，C_f是数据流f在数据链路l上的信息速率上限值，通过中心控制器向网络广播节点位置变更信息，收到位置变更信息的节点，调节当前数据链路l两端节点，即车与无人机、无人机与无人机、无人机与飞艇、车与飞艇之间的距离，对于要提高数据链路上数据流的C_f的节点对，中心控制器将控制节点对的彼此距离更近，直到C_f＝Rate_f，然后停止位置变动，否则持续调整；

7)设协调车与无人机、飞艇组网的网络总吞吐量为：

为确保网络中所有数据链路上的数据流的信息速率的总吞吐量τ的最大，根据步骤6)，动态的调整网络节点的位置，使每条数据链路两端的节点均在彼此的通信范围内，最终实现组网之后的网络总吞吐量最大。

步骤7)中，所述的动态调整网络节点的位置的方法，包括如下步骤：

7-1)创建粒子滤波器，初始化重采样粒子数N；

7-2)无人机更新自身三维坐标信息和当前位置在各数据链路上的信息速率需求Rate_f(s,u,v)；s,u,v分别代表当前无人机与飞艇、无人机、车辆的链路的序号；

7-3)通过粒子随机扩散，获得N个粒子样本的三维坐标及该坐标点处各数据链路信息速率上限值C_fn(s,u,v)；其中，n∈{1,2,……,N}是当前粒子序号，由其产生的先后顺序决定；

7-4)遍历每个粒子的各数据链路信息速率上限值，判断是否都满足下述约束条件：

C_fn(s,u,v)≥Rate_f(s,u,v)

若任意链路均满足该约束条件，则进入步骤7-6)；否则进入步骤7-5)；

7-5)通过粒子排序，筛选出

最小的

(当N是偶数)或

(当N是奇数)个粒子；n^*是存在不满足约束条件C_fn(s,u,v)≥Rate_f(s,u,v)数据链路粒子的序号；s^*,u^*,v^*分别是粒子n^*中不满足约束条件C_fn(s,u,v)≥Rate_f(s,u,v)的数据链路历经的飞艇、无人机、车辆的序号；

7-6)分别求每个粒子数据流信息速率上限总合，计算公式如下：

C_fn＝∑C_fn(s,u,v)

7-7)以粒子数据流信息速率上限总合为权值，对剩余粒子的三维坐标求期望，得到组网系统吞吐量估计值最大的三维坐标；

7-8)将该坐标位置信息传输至机载主控模块，控制无人机向该坐标位置移动；

7-9)待无人机到达指定位置后，若无中断指令，在粒子滤波循环队列控制调整后，返回执行步骤7-2)；若有中断指令，流程结束，再次启动时从步骤7-1)开始执行。

实施例：

如图2所示，一种空地组网系统，该系统主要由地面的移动车辆、地面控制中心、空中的无人机、飞艇构成。利用无人机载终端或车载终端或飞艇终端采集特定地理区域的视频、图片及无线频谱信息，通过车与无人机、飞艇及地面控制中心的组网提供网络接入和传输协同，最终将采集的信息传输至地面控制中心进行存储和显示。具体来说，飞艇搭载飞艇终端用于车、无人机与远端的地面控制中心的中继通信使用，飞艇终端也可监测飞艇附近环境的无线频谱使用情况，并将监测结果通过自组网模块传输至地面的移动车辆或者地面控制中心，用于监测频谱使用情况，方便相关部门进行无线频谱管理，打击非法使用无线频谱资源。多个无人机搭载无人机终端可灵活组网与协作，完成广域覆盖，进行信息搜集和传输，而且，其他无人机载终端或车载终端可以实时采集视频或图片数据，实现局部覆盖增强和抵近观察，并利用无人机载终端或车载终端实现视频或图片中的物体的实时识别并标定，同时，将实时识别并标定的视频或图片结果传输至地面控制中心，弥补无人机和飞艇广域覆盖的盲区。该系统可应用在无人机边境巡逻、机载交通巡检、车辆边境巡逻、车载交通巡检等业务，实现应急通信业务、高清拍摄信息回传、运输定位信息传输、紧急搜救信息传输以及运控指令传输等具体应用，满足空地一体化网络对空中、地面及其周边重点区域的实时监测与特定目标识别的要求，提高特定区域基础设施建设、维护及环境的信息保障的能力。

如图3所示，一种空地组网系统的实现方法实例，通过图3(a)显示了一架飞艇、四架无人机、若干车辆及地面控制中心，其中，飞艇作为空中组网的网关，记为gw；用A、B、C、D表示四架无人机进行广域信号覆盖或进行数据采集，用小圆圈表示搭载车载终端的车辆，进行局部信号覆盖或进行数据采集；无人机搭载无人机终端，飞艇搭载飞艇终端。在本发明实例中，飞艇搭载中心控制器，其空间位置始终不变，以便其进行无人机位置控制，进而改变网络拓扑结构，网络信息速率动态更新。图中展示了四个数据流，F＝{f_gw,d2,f_a1,c1,f_d1,c3,f_b1,c2,}及其信息速率需求。可以看出，因为物理链路B-C信息速率不高，目前无人机定位不能满足数据流f_b1,c2的需求。同理，因为物理链路B-C,B-D和d1-D的信息速率也不高，不能满足数据流f_d1,c3的需求。另一方面，物理链路A-B提供的信息速率总和大于该物理链路上所有数据链路信息速率的总需求。因此，通过调整无人机的位置，提高链路B-C和B-D的信息速率。因此，更大的信息速率可以提供给数据流f_d1,c3和f_b1,c2。因此，整个系统吞吐量增加。图3(b)为无人机调整后的位置。无人机的原始位置为虚线小圆。无人机B向无人机C和D移动。同理，无人机C和D向无人机B移动。此外，根据调整后的位置，无人机D更接近用户d1，从而提高了物理链路d1-D的信息速率。因此，B-C、B-D和d1-D物理链路的信息速率已经足够支持对B-C、B-D和d1-D物理链路的通信量需求。同样，无人机A向左移动(补偿无人机B的移动)以维持物理链路A-B,a1-A和gw-A的信息速率。虽然物理链路gw-A、A-B提供的信息速率均有下降，但满足物理链路上所有数据链路的信息速率需求，即数据流的信息速率需求等于提供的数据信息速率。因此，在调整无人机位置后，根据数据流对车到无人机物理链路、无人机到无人机物理链路的信息速率需求，重新分配了信息速率，并提高了物理链路信息速率，满足了所有数据流的需求以及总吞吐量从11个增加到17个。

以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空地组网系统，其特征在于，包括地面控制中心、至少1个车载终端、至少1个无人机载终端，以及至少1个飞艇终端；车载终端与车载终端、车载终端与无人机载终端、车载终端与飞艇终端、无人机载终端与无人机载终端、无人机载终端与飞艇终端、以及飞艇终端与地面控制中心均通过无线组网互联；

所述的车载终端，包括车载主控模块、车载自组网模块、车载人机交互模块、车载感知模块，车载主控模块分别与车载自组网模块、车载人机交互模块及车载感知模块连接；车载感知模块还与车辆上的摄像头、以及车辆配备的GPS和北斗定位导航系统连接；车载感知模块通过摄像头获取视频或图片信息，通过GPS和北斗定位导航系统获取车辆的当前位置信息；车载感知模块将获取到的视频或图片信息、车辆位置信息传输至车载主控模块进行识别处理，车载主控模块将处理后的信息经车载自组网模块分别传输至无人机车载终端和飞艇终端；

所述的无人机载终端，包括机载主控模块、机载自组网模块、机载感知模块，机载主控模块分别与机载自组网模块、机载感知模块连接；机载感知模块还与无人机上的摄像头连接，机载感知模块通过摄像头获取视频或图片信息；机载感知模块将获取到的获取视频或图片信息传输至机载主控模块进行识别处理，机载主控模块将处理后的信息经机载自组网模块传输至飞艇终端，机载自组网模块接收车载自组网模块传输的信息传输至机载主控模块，经机载主控模块处理后再由机载自组网模块传输至飞艇终端；

所述的飞艇终端，包括依次连接的飞艇自组网模块、飞艇交换机模块和飞艇感知模块；飞艇感知模块还分别与无线频谱装置和飞艇上的摄像头连接；飞艇感知模块通过无线频谱装置监测飞艇所在空域的无线频谱使用信息，并通过摄像头获取视频或图片信息；飞艇感知模块将获取到的视频或图片信息，以及飞艇所在空域的无线频谱使用信息经过飞艇交换机模块传输至飞艇自组网模块；飞艇自组网模块接收机载自组网模块、车载自组网模块和飞艇交换机模块传输的信息，并将接收到的信息传输至地面控制中心；

所述的地面控制中心，包括地面自组网模块、地面交换机模块、路由器模块、服务器模块和人机交互模块；地面自组网模块接收飞艇自组网模块传输的信息，并将接收到的信息经地面交换机模块后传输至服务器模块；服务器模块计算并存储车载终端、无人机载终端及飞艇终端的感知模块采集的数据信息；路由器模块通过交换机与服务器模块连接，用于支持多台移动设备接入服务器模块，实现在移动设备上查看车载终端、无人机载终端及飞艇终端的感知模块采集的数据信息；服务器模块还与人机交互模块连接，人机交互模块连接便携式移动设备或显示器，用于输出显示车载主控模块、机载主控模块所识别出的视频或图像信息中的车和行人影像。

2.根据权利要求1所述的一种空地组网系统，其特征在于，所述的车载自组网模块、机载自组网模块、飞艇自组网模块，采用BATMAN路由算法进行组网，实现数据链路层组网路由功能；其中：

车载自组网模块连接5dB增益的玻璃钢双天线，发射频率为1.438GHz，最大发射功率为30dbm，提供不小于56Mbps的通信速率；车载自组网模块通过RJ45接口与车载主控模块连接，用于实现车与车、车与无人机、车与飞艇组网，将车载主控模块识别后的信息传输至无人机或经飞艇中继通信到地面控制中心；

机载自组网模块通过RJ45接口与机载主控模块连接，连接5dB增益的胶棒双天线，发射频率为1.438GHz，用于实现无人机与无人机、无人机与车、无人机与飞艇组网，将机载主控模块识别后的信息传输至车辆或经飞艇中继通信到地面控制中心；

飞艇自组网模块采用RJ45接口与飞艇交换机模块连接，连接6dB增益的玻璃钢双天线，发射频率为1.438GHz，用于实现飞艇与飞艇、飞艇与车、飞艇与无人机、飞艇与地面控制中心组网，用于接收机载自组网模块、车载自组网模块以及地面控制中心空地自组网模块发送的信息，以及作为机载自组网模块、车载自组网模块与地面控制中心的地面自组网模块之间通信的中继。

3.根据权利要求1所述的一种空地组网系统，其特征在于，所述的车载主控模块、机载主控模块，采用NVIDIA Jetson TX2集成模块，用于接收和处理感知模块获取的视频信息，采用机器学习算法识别视频中的车和行人，具备RJ45接口、USB接口和HDMI显示屏接口。

4.根据权利要求1所述的一种空地组网系统，其特征在于，所述的车载人机交互模块，采用HDMI接口显示器，用于输出显示车载主控模块识别视频中的车和行人影像；

所述的车载感知模块、机载感知模块，采用USB接口连接摄像头，摄像头分辨率不小于1280*720；

所述飞艇感知模块，采用USB接口连接摄像头信息采集设备，用于获取视频或图片信息，分辨率不小于1280*720；采用USB接口连接现有无线频谱装置，用于监测飞艇所在空域的无线频谱使用信息，并通过交换机模块经飞艇自组网模块传输至地面控制中心。

5.根据权利要求1所述的一种空地组网系统，其特征在于，所述的地面自组网模块，采用现有BATMAN路由算法进行组网，实现数据链路层组网路由功能，采用RJ45接口与地面交换机模块连接，连接5dB增益的玻璃钢双天线，发射频率为1.438GHz，用于实现地面控制中心与飞艇组网，用于接收经过飞艇自组网模块中继通信到地面控制中心的车载主控模块或机载主控模块识别后的信息；

所述的飞艇交换机模块、地面交换机模块，采用现有交换机模块，其输入和输出采用多个RJ45接口，通过飞艇交换机模块实现与飞艇自组网模块、飞艇感知模块互联，并实现飞艇自组网模块接收的信息和飞艇感知模块搜集的信息的存储与转发；通过地面交换机模块实现与地面自组网模块、路由器模块、服务器模块的互联，并实现地面自组网模块接收的信息的存储与转发。

6.用权利要求1-5任意一项所述的一种空地组网系统实现系统组网后网络总吞吐量最大的方法，包括如下步骤：

1)将车载终端、无人机载终端、飞艇终端的感知模块获取到的信息转换为拓扑网络无线数据链路上的数据流；

2)设有一个协调车与无人机、飞艇组网的中心控制器，协调车、无人机、飞艇上分别搭载车载终端、无人机载终端、飞艇终端，协调车与无人机、飞艇组网由各自搭载终端中的自组网模块进行无线通信互联，该中心控制器以计算机代码形式存储在地面控制中心的自组网模块中，在该自组网模块中存储协调车与无人机、飞艇组网的网络拓扑信息，其中包括协调车、无人机和飞艇的三维坐标即经纬度位置信息、无人机的电量、每条数据链路的信息速率需求信息；

3)设协调车、无人机及飞艇中均安装有中心控制器的子系统，该子系统以计算机代码形式存储在车载终端、无人机载终端及飞艇终端的自组网模块中，该子系统用于搜集协调车及其邻居移动节点、无人机及其邻居移动节点、飞艇及其邻居移动节点，即车、无人机、飞艇的位置信息、无人机电量信息、每条数据链路的信息速率需求信息，并且子系统将周期性地发送上述信息至中心控制器，使中心控制器及时更新网络拓扑信息；

4)设F为协调车与无人机、飞艇组网中所有点对点，即车与无人机、无人机与无人机、无人机与飞艇、车与飞艇无线数据链路上的数据流的集合；f为F中任意一条数据流，即f∈F；Rate_f是数据流f的信息速率需求,C_f是数据流f的信息速率上限值，记为：

其中，C_l,f是数据链路l为数据流f提供的信息速率，P_f是数据流f通过的物理链路，记为l∈P_f；

设τ_f为数据流f的实际吞吐量，记为：

τ_f＝min(Rate_f，C_f)

5)当Rate_f≤C_f时，数据流f的吞吐量τ_f＝Rate_f；否则，进入步骤6)；

6)当Rate_f≥C_f时，数据流f的吞吐量τ_f＝C_f；由步骤3)可知，C_f是数据流f在数据链路l上的信息速率上限值，通过中心控制器向网络广播节点位置变更信息，收到位置变更信息的节点，调节当前数据链路l两端节点，即车与无人机、无人机与无人机、无人机与飞艇、车与飞艇之间的距离，对于要提高数据链路上数据流的C_f的节点对，中心控制器将控制节点对的彼此距离更近，直到C_f＝Rate_f，然后停止位置变动，否则持续调整；

7)设车与无人机、飞艇组网的网络总吞吐量为：

为确保网络中所有数据链路上的数据流的信息速率的总吞吐量τ的最大，根据步骤6)，每条数据链路两端的节点均在彼此的通信范围内的前提下，动态的调整网络节点的位置，最终实现车、无人机、飞艇及地面控制中心组网之后的网络总吞吐量最大。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤7)中，所述的动态调整网络节点的位置的方法，包括如下步骤：

7-1)创建粒子滤波器，初始化重采样粒子数N；

7-2)无人机更新自身三维坐标信息和当前位置在各数据链路上的信息速率需求Rate_f(s,u,v)；s,u,v分别代表当前无人机与飞艇、无人机、车辆的链路的序号；

7-3)通过粒子随机扩散，获得N个粒子样本的三维坐标及该坐标点处各数据链路信息速率上限值C_fn(s,u,v)；其中，n∈{1,2,……,N}是当前粒子序号，由其产生的先后顺序决定；

7-4)遍历每个粒子的各数据链路信息速率上限值，判断是否都满足下述约束条件：

C_fn(s,u,v)≥Rate_f(s,u,v)

若任意链路均满足该约束条件，则进入步骤7-6)；否则进入步骤7-5)；

7-5)通过粒子排序，筛选出

最小的

或

个粒子；n^*是存在不满足约束条件C_fn(s,u,v)≥Rate_f(s,u,v)数据链路粒子的序号；s^*,u^*,v^*分别是粒子n^*中不满足约束条件C_fn(s,u,v)≥Rate_f(s,u,v)的数据链路历经的飞艇、无人机、车辆的序号；

7-6)分别求每个粒子数据流信息速率上限总合，计算公式如下：

C_fn＝∑C_fn(s,u,v)

7-7)以粒子数据流信息速率上限总合为权值，对剩余粒子的三维坐标求期望，得到组网系统吞吐量估计值最大的三维坐标；

7-8)将该坐标位置信息传输至机载主控模块，控制无人机向该坐标位置移动；

7-9)待无人机到达指定位置后，若无中断指令，在粒子滤波循环队列控制调整后，返回执行步骤7-2)；若有中断指令，流程结束，再次启动时从步骤7-1)开始执行。

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