CN112367632A - 一种适合平流层无人机的网络化测控系统及其测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适合平流层无人机的网络化测控系统，包括设置在平流层的无人机节点、地面测控车；所述的地面测控车与无人机节点进行通信和测控，所述的地面测控车上部署有控制面模块，所述的无人机节点上部署有数据面模块；所述的控制面模块，用于全网的网络资源感知，形成网络资源池，以及针对测控的业务传输需求基于网络资源池，进行网络资源需求计算，并给各平流层无人机节点的资源调度命令；所述的数据面模块，用于向控制面模块汇报网络资源情况，以及接收控制面模块下发的资源调度策略，并执行；所述的数据面模块还提供通信网络和测控网络之间的信息联通，便于测控信道通过通信信道收发处理。

Description

一种适合平流层无人机的网络化测控系统及其测控方法

技术领域

本发明涉及网络测控技术领域，更具体地，涉及一种适合平流层无人机的网络化测控系统及其测控方法。

背景技术

平流层通信是指在离地表17公里至22公里的高度，利用飞机、气球、飞艇等作为驻空平台。将通信设备放置于驻空平台，并配合各种地面终端或空中其它通信设备，形成空天地一体化综合移动信息通信系统。

平流层通信系统不仅要支持多个空基节点间的动态组网，还需要对上连接天基节点、对下与地基、海基节点动态互联，实现天基卫星、空基节点和地面、海上节点的“天空地一体化”立体组网，为地面、海上和空中各类机动用户提供常态化、远距离、高带宽、随遇接入的通信服务。平流层通信系统不仅能保证人烟稀少、地理偏远等地面基础设施较薄弱地区用于接入网络，而且能支持远洋航行、应急救援、维稳处突、智慧城市等多种特殊应用。

然而，现有的测控系统主要是每个平流层节点对应一个地面测控车辆，通过这种1对1的测控方式，实现对平流层无人机的飞行位置、飞行姿态、飞行速度、爬升或者降落等进行调整，实现平流层无人机的安全、可控飞行。

目前，地面测控车辆主要通过微波视距测控、卫星链路对平流层无人机进行测控。其中视距测控链路分为C频段和L频段两种；卫星链路主要采用天通卫星(S波段)链路。通过专用的C频段、L频段、S波段等信道进行上下行的测控信息发送，下行主要是平流层无人机的飞行状态信息汇报，上行信息主要是飞行姿态调整信息等。而平流层无人机用于通信的信道和和用于测控的信道是分离的，现有的平流层无人机测控方法示意图如图1所示。如中国专利公开号CN 108650010 A，公开日：2018.10.12，公开了一种智能测控通信网络系统，具体公开了智能测控通信网络至少由管理节点、普通节点两种节点组成，整个智能测控通信网络从逻辑上分为控制面和业务面，控制面和业务面分别采用不同的组网方式各司其责，控制面选择最短路径的路由策略使得控制面上的管理节点能够连通所有普通节点；业务面按节点执行的任务分为多个任务子网，各个任务子网根据各自任务要求可以选择不同的路由策略；控制面根据任务的应用和场景需要，并结合外部变化的参数，利用机器智能学习，实时生成新的数学模型，向业务面下发新的任务指令；地基测控站通过星地链路与管理节点连通，通过管理节点间接的对普通节点实现测控通信。

基于现有的平流层无人机测控方法，即一对一的测控，每一个平流层无人机对应一个地面测控车，能够满足系统测控需求。然而随着平流层无人机技术和产业的发展，需要构建天空地一体大规模网络，需要多个平流层无人机进行综合组网，拓宽网络覆盖范围，实现大区域内的用户泛在接入和无缝互联。

基于目前的测控方式，存在诸多问题，例如：

1)为了实现某海上区域通信覆盖，需要在该区域部署多个平流层无人机才能够实现对广大区域的全覆盖，按照目前的方式，每一个平流层无人机需要派出一个测控船，这种方式增加系统使用复杂度。

2)为了在某地区域实现网络覆盖，需要给每一个平流层无人机派出地面测控车辆，在崇山峻岭中，存在测控车辆难以部署等情况。

另外，由于平流层无人机和测控节点受通信信道传输距离影响，单节点测控方式也限制了平流层无人机飞行活动范围。

由此可见，传统的测控方法虽然能够满足现有网络的测控需求，但是现有的测控系统部署复杂、抗毁能力弱、成本较高、测控范围受限，难以满足日益发展的平流层通信系统的测控要求。

发明内容

本发明为了解决现有的测控系统部署复杂、抗毁能力弱、成本较高、测控范围受限的问题，提出了一种适合平流层无人机的网络化测控系统及其测控方法，其拓展测控节点对平流层无人机测控的范围，提高测控系统的可靠性，优化了资源利用效率，构建了通信与测控一体化的网络。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种适合平流层无人机的网络化测控系统，包括设置在平流层的无人机节点、地面测控车；所述的地面测控车与无人机节点进行通信和测控，所述的地面测控车上部署有控制面模块，所述的无人机节点上部署有数据面模块；

所述的控制面模块，用于全网的网络资源感知，形成网络资源池，以及针对测控的业务传输需求基于网络资源池，进行网络资源需求计算，并给各平流层无人机节点的资源调度命令；

所述的数据面模块，用于向控制面模块汇报网络资源情况，以及接收控制面模块下发的资源调度策略，并执行；所述的数据面模块还提供通信网络和测控网络之间的信息联通，便于测控信道通过通信信道收发处理。

优选地，所述的网络资源包括通信资源、测控信道资源。

进一步地，所述的控制面模块包括网络资源感知子模块、网络资源池子模块、网络资源计算子模块、网络资源调度子模块和虚拟测控网络管理子模块；

所述的网络资源感知子模块，用于通过数据面模块的网络资源感知代理收集当前各平流层无人机节点的资源情况；

所述的网络资源池子模块，用于根据网络资源感知子模块获取的各节点网络资源状态，汇聚成全网资源池；所述的全网资源池包括交换资源、传输资源；

所述的网络资源计算子模块，基于网络资源池子模块，通过蚂群算法算出所需要切出的调度资源；

所述的网络资源调度子模块，用于根据网络资源计算子模块算出需要调度资源，下发给各相关节点执行；每个相关节点均下发的信息包括业务传输五元组、调度资源；

所述的虚拟测控网络管理子模块，用于完成虚拟测控网络的管理工作，所述的管理工作包括网络资源变化监控及快速调整，以适用网络动态变化需求。

再进一步地，所述的交换资源包括节点IP、接口信息、基于邻居信道，用于在网络层形成全网的拓扑关系。

再进一步地，所述的传输资源为链路层资源状态，其包括信道号、信道类型、时延、带宽、时隙划分。

再进一步地，所述的业务传输五元组包括源IP、目的IP、协议类型、源端口、目的端口。

再进一步地，所述的调度资源包括节点标识、信道号、切出带宽大小。

再进一步地，所述的数据面模块包括可编程转发子模块、测控信道传输代理子模块、网络资源调度代理子模块；

所述的可编程转发子模块：时业务转发执行面，当业务进入网络中，可编程转发子模块根据业务传输五元组匹配对应转发流表，将业务转发到对应的信道资源切片中；

所述的网络资源调度代理子模块，将网络资源调度子模块下发给控制信息下发到可编程转发面执行；

所述的测控信道传输代理子模块，用于提供通信网络和测控网络之间的信息传输通道，实现测控网络接收通信网络发送的测控信息，同时通信网络还将接收测控网络传输的测控信道通过网络转发到其他空中节点。

基于以上所述的适合平流层无人机的网络化测控系统，本发明还提供了一种测控方法，所述的测控方法包括准备过程、测控过程；

所述的准备过程如下：

S101：启动地面节点与空中节点的通信载荷；

S102：对通信载荷进行初始化参数配置，组成天地一体通信网；

S103：在地面测控车上，申请构建虚拟测控网络；

S104：将无人机节点升入空中，拉开至相应的通信距离；

测控过程如下：

S201：在地面测控车上，通过测控系统访问空中节点B的无人机信息，记录配置信息；

S202：通过如权利要求1～8任一项所述的测控系统，调整节点B的测控参数；

S203：再次查询节点B的无人机信息，确定已经修改为步骤S202所设置参数；

S204：在地面测控车上，重复上述步骤S201～S203，分别控制空中节点C 至节点F，实现网络化分布式测控。

优选地，在所述的准备过程之后，所述的测控过程之前，还包括网络连通性检查过程：

所述的网络连通性检查过程如下：

S301：在地面测控车上，通过ping命令分别ping通空中节点B至节点F，确定天地一体通信网能够正常连通；

S302：通过地面测控车上的控制面软件能够监控全网网络资源状态。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本实施例提出利用通信网络进行测控信息的传输，通过在通信网络中逻辑上划分出一个虚拟测控网络，满足测控信息上下行传输对带宽和时延要求，通过平流层无人机的空中网络化组网，基于通信信道和测控信道融合，实现一个测控点对多个平流层无人机的测控，拓展测控节点对平流层无人机测控的范围，提高测控系统的可靠性，优化了资源利用效率，构建了通信与测控一体化的网络。

附图说明

图1是现有技术中平流层无人机测控方法的示意图。

图2是实施例1网络化-多信道联合测控组网的示意图。

图3是实施例1所述的测控系统的模块功能示意图。

图4是实施例2中测控方法的拓扑示意图。

图5是实施例网络化-基于测控信道上行跨节点测控流程图。

图6是实施例网络化-基于通信信道上行跨节点测控流程图。

图7是现有技术的网络化-基于通信信道上行本节点测控流程图。

图8是现有技术的网络化-基于测控信道上行本节点测控流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例将测控信道和网络信道都按照网络资源化的设计理念，统一看成可按需调度的业务承载传输的资源，将测控信息的传输看成一种业务，传输资源能够满足业务传输需求即可。

在实际应用中，可实现地空之间的所有链路，包括天通、C波段微波、L波段微波、HNR信道等统一看成地对空的传输资源，无线激光看成空空的传输资源。从这些传输资源从划分出一部分资源给测控信息传输使用，即可构建切片化的虚拟测控网络。

平流层无人机测控信息的传输主要表现在对时延和带宽的要求，传输时延小于20ms、传输带宽不小于19.2k的链路才能够满足对平流层无人机的测控要求。

目前，在平流层无人机与地面节点之间的测控信道包括C频段、L频段、S 波段，信道的带宽均大于2Mbps，信道时延小于5ms。在通信组网方面，平流层无人机与平流层无人机的空空节点组网采用无线激光通信组网，传输带宽 500Mbps，时延小于2ms；对地面通信节点的地空通信信道包括HNR(54Mbps) 等链路，传输带宽为54M，时延小于10ms。

在传统网络的传输业务下，如果当前网络中需要传输大量的业务，则信道带宽被大量占用，网络拥塞，业务传输时延会急剧增加，此时若使用通信链路则就难以保证测控信息的及时、可靠的送达。因此需要在当前通信信道中切出一部分传输资源，这部分传输资源不允许其他业务使用，专门用于保障测控信息传输。

因此，本实施例提供了一种适合平流层无人机的网络化测控系统，如图2、图3所示，包括设置在平流层的无人机节点、地面测控车；所述的地面测控车与无人机节点进行通信和测控，所述的地面测控车上部署有控制面模块，所述的无人机节点上部署有数据面模块；

所述的控制面模块，用于全网的网络资源感知，形成网络资源池，以及针对测控的业务传输需求基于网络资源池，进行网络资源需求计算，并给各平流层无人机节点的资源调度命令；

所述的数据面模块，用于向控制面模块汇报网络资源情况，以及接收控制面模块下发的资源调度策略，并执行；所述的数据面模块还提供通信网络和测控网络之间的信息联通，便于测控信道通过通信信道收发处理。功能组成图如图3所示。

在一个具体的实施例中，所述的网络资源包括通信资源、测控信道资源。

在一个具体的实施例中，所述的控制面模块包括网络资源感知子模块、网络资源池子模块、网络资源计算子模块、网络资源调度子模块和虚拟测控网络管理子模块；

所述的网络资源感知子模块，用于通过数据面模块的网络资源感知代理收集当前各平流层无人机节点的资源情况，本实施例采用集中式的策略进行收集；所述网络资源感知子模块监测到网络资源变化时，立刻进行汇报。

所述的网络资源池子模块，用于根据网络资源感知子模块获取的各节点网络资源状态，汇聚成全网资源池；所述的全网资源池包括交换资源、传输资源；其中所述的交换资源包括节点IP、接口信息、基于邻居信道，用于在网络层形成全网的拓扑关系。所述的传输资源为链路层资源状态，其包括信道号、信道类型、时延、带宽、时隙划分。

所述的网络资源计算子模块，基于网络资源池子模块，通过蚂群算法算出所需要切出的调度资源；

所述的网络资源调度子模块，用于根据网络资源计算子模块算出需要调度资源，下发给各相关节点执行；每个相关节点均下发的信息包括业务传输五元组、调度资源；其中所述的业务传输五元组包括源IP、目的IP、协议类型、源端口、目的端口。所述的调度资源包括节点标识、信道号、切出带宽大小。

所述的虚拟测控网络管理子模块，用于完成虚拟测控网络的管理工作，所述的管理工作包括网络资源变化监控及快速调整，以适用网络动态变化需求。

在一个具体的实施例中，所述的数据面模块包括可编程转发子模块、测控信道传输代理子模块、网络资源调度代理子模块；

所述的可编程转发子模块：时业务转发执行面，当业务进入网络中，可编程转发子模块根据业务传输五元组(源IP、目的IP、协议类型、源端口、目的端口)匹配对应转发流表，将业务转发到对应的信道资源切片中；

所述的网络资源调度代理子模块，将网络资源调度子模块下发给控制信息下发到可编程转发面执行；

所述的测控信道传输代理子模块，用于提供通信网络和测控网络之间的信息传输通道，实现测控网络接收通信网络发送的测控信息，同时通信网络还将接收测控网络传输的测控信道通过网络转发到其他空中节点。

实施例2

基于以上所述的适合平流层无人机的网络化测控系统，本实施例还提供了一种测控方法，实例系统包括：地面节点1个(地面测控车A)，空中节点5个(无人机B至F)，组成了通信与测控合一的天地一体通信网，由地面测控节点控制空中节点，实例系统拓扑如图4所示。

所述的测控方法包括准备过程、测控过程；

所述的准备过程如下：

S101：启动地面节点与空中节点的通信载荷；

S102：对通信载荷进行初始化参数配置，组成天地一体通信网；

S103：在地面测控车上，申请构建虚拟测控网络；

S104：将无人机节点升入空中，拉开至相应的通信距离；

测控过程如下：

S201：在地面测控车上，通过测控系统访问空中节点B的无人机信息，记录配置信息；

S202：通过如权利要求1～8任一项所述的测控系统，调整节点B的测控参数；

S203：再次查询节点B的无人机信息，确定已经修改为步骤S202所设置参数；

S204：在地面测控车上，重复上述步骤S201～S203，分别控制空中节点C 至节点F，实现网络化分布式测控。

在一个具体的实施例中，在所述的准备过程之后，所述的测控过程之前，还包括网络连通性检查过程：

所述的网络连通性检查过程如下：

S301：在地面测控车上，通过ping命令分别ping通空中节点B至节点F，确定天地一体通信网能够正常连通；

S302：通过地面测控车上的控制面软件能够监控全网网络资源状态。

利用本实施例提供的测控系统及其测控方法，对比于基于传统测控链路方式进行平流层无人机测控存在明显优势，总结为以下4个方面：

1)提升了测控可靠性

除传统基于微波c波段和L波形测控、天通(大S)卫星测控链路的测控方式，本实施例所述的测控系统将通信网络用于传输测控信息，为传统测控方式提供了备份手段。利用通信网络传递测控信息，保障了多种通信手段，在一种通信手段失效时能够切换到其它通信方式，继续进行空中节点的遥测和遥控，提高了测控系统的可靠性。

2)扩大了测控范围

在通信网络中，每个节点之间都是能够经过一跳至多跳能够到达网络中的每一个节点，形成了通信与测控一体化的网络，地面测控中心只需接入到通信网络中，即可由原来只能控制一个空中节点，转变为控制整个通信网络中的空中节点，大幅增加了测控范围，提升了可管可控的能力，如图5、图6、图7、图8所示。

3)更低的部署成本

针对原来一对一的测控节点可以缩减为一对多的测控中心，提高了管理效率，降低了部署成本。

4)增强空中节点稳定性

通过通信、测控统一化，基于通信网络传输测控信息，可减少装备上装数量，减少平流层无人机上的载荷数量和重量，提升飞机稳定性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适合平流层无人机的网络化测控系统，包括设置在平流层的无人机节点、地面测控车；所述的地面测控车与无人机节点进行通信和测控，其特征在于：所述的地面测控车上部署有控制面模块，所述的无人机节点上部署有数据面模块；

所述的控制面模块，用于全网的网络资源感知，形成网络资源池，以及针对测控的业务传输需求基于网络资源池，进行网络资源需求计算，并给各平流层无人机节点的资源调度命令；

所述的数据面模块，用于向控制面模块汇报网络资源情况，以及接收控制面模块下发的资源调度策略，并执行；所述的数据面模块还提供通信网络和测控网络之间的信息联通，便于测控信道通过通信信道收发处理。

2.根据权利要求1所述的适合平流层无人机的网络化测控系统，其特征在于：所述的网络资源包括通信资源、测控信道资源。

3.根据权利要求2所述的适合平流层无人机的网络化测控系统，其特征在于：所述的控制面模块包括网络资源感知子模块、网络资源池子模块、网络资源计算子模块、网络资源调度子模块和虚拟测控网络管理子模块；

所述的网络资源感知子模块，用于通过数据面模块的网络资源感知代理收集当前各平流层无人机节点的资源情况；

所述的网络资源池子模块，用于根据网络资源感知子模块获取的各节点网络资源状态，汇聚成全网资源池；所述的全网资源池包括交换资源、传输资源；

所述的网络资源计算子模块，基于网络资源池子模块，通过蚂群算法算出所需要切出的调度资源；

所述的网络资源调度子模块，用于根据网络资源计算子模块算出需要调度资源，下发给各相关节点执行；每个相关节点均下发的信息包括业务传输五元组、调度资源；

所述的虚拟测控网络管理子模块，用于完成虚拟测控网络的管理工作，所述的管理工作包括网络资源变化监控及快速调整，以适用网络动态变化需求。

4.根据权利要求3所述的适合平流层无人机的网络化测控系统，其特征在于：所述的交换资源包括节点IP、接口信息、基于邻居信道，用于在网络层形成全网的拓扑关系。

5.根据权利要求4所述的适合平流层无人机的网络化测控系统，其特征在于：所述的传输资源为链路层资源状态，其包括信道号、信道类型、时延、带宽、时隙划分。

6.根据权利要求5所述的适合平流层无人机的网络化测控系统，其特征在于：所述的业务传输五元组包括源IP、目的IP、协议类型、源端口、目的端口。

7.根据权利要求6所述的适合平流层无人机的网络化测控系统，其特征在于：所述的调度资源包括节点标识、信道号、切出带宽大小。

8.根据权利要求7所述的适合平流层无人机的网络化测控系统，其特征在于：所述的数据面模块包括可编程转发子模块、测控信道传输代理子模块、网络资源调度代理子模块；

所述的可编程转发子模块：时业务转发执行面，当业务进入网络中，可编程转发子模块根据业务传输五元组匹配对应转发流表，将业务转发到对应的信道资源切片中；

所述的网络资源调度代理子模块，将网络资源调度子模块下发给控制信息下发到可编程转发面执行；

所述的测控信道传输代理子模块，用于提供通信网络和测控网络之间的信息传输通道，实现测控网络接收通信网络发送的测控信息，同时通信网络还将接收测控网络传输的测控信道通过网络转发到其他空中节点。

9.一种基于权利要求1～8任一项所述的适合平流层无人机的网络化测控系统的测控方法，其特征在于：所述的测控方法包括准备过程、测控过程；

所述的准备过程如下：

S101：启动地面节点与空中节点的通信载荷；

S102：对通信载荷进行初始化参数配置，组成天地一体通信网；

S103：在地面测控车上，申请构建虚拟测控网络；

S104：将无人机节点升入空中，拉开至相应的通信距离；

测控过程如下：

S201：在地面测控车上，通过测控系统访问空中节点B的无人机信息，记录配置信息；

S202：通过如权利要求1～8任一项所述的测控系统，调整节点B的测控参数；

S203：再次查询节点B的无人机信息，确定已经修改为步骤S202所设置参数；

S204：在地面测控车上，重复上述步骤S201～S203，分别控制空中节点C至节点F，实现网络化分布式测控。

10.根据权利要求9所述的测控方法，其特征在于：在所述的准备过程之后，所述的测控过程之前，还包括网络连通性检查过程：

所述的网络连通性检查过程如下：

S301：在地面测控车上，通过ping命令分别ping通空中节点B至节点F，确定天地一体通信网能够正常连通；

S302：通过地面测控车上的控制面软件能够监控全网网络资源状态。

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