CN114070806B - 一种基于可变消息格式数据链的无人机系统及通信方法 - Google Patents

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CN114070806B CN202111468241.5A CN202111468241A CN114070806B CN 114070806 B CN114070806 B CN 114070806B CN 202111468241 A CN202111468241 A CN 202111468241A CN 114070806 B CN114070806 B CN 114070806B
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Abstract

本发明属于无人机通信领域，涉及一种基于可变消息格式数据链的无人机系统及通信方法，系统包括人机交互模块、报文生成模块、分段/重组模块、发送模块、接收模块及报文解析模块，本发明通过对需要发送的消息进行数据元素提取，查询数据元素字典，从而获得消息所属功能域、消息编号及消息内容，根据消息所属功能域、消息编号及消息内容生成二进制报文，使报文的长度随有用信息的大小而改变，减小数据的发送量，节约有限的带宽资源；此外采用UDP协议进行传输，加入分段/重组机制和确认重传机制，来保证传输的可靠性。

Description

一种基于可变消息格式数据链的无人机系统及通信方法
技术领域
本发明属于无人机通信领域，涉及一种基于可变消息格式数据链的无人机系统及通信方法。
背景技术
随着科技的发展，生活水平的提高，无人机逐渐从军用扩展到民用，在生活中越来越常见。与军用无人机不同的是，由于无线电频段及通信设备的限制，大多数民用无人机是利用专用的遥控器来进行飞行控制，控制方法单一且距离有限，无人机飞行过程中的通信质量也容易受到房屋、树木的影响。除此之外，当不同平台的无人机进行通信时，由于消息格式的不同，会产生无法正确读取对方消息的情况；因此双方如果要进行通信，首先要统一消息格式，一个方案是互发消息格式，让对方学习到自己的消息格式，再进行通信；另一个方案则是在通信前双方约定相同的消息格式，再进行通信。这两个方案都会增加机器互联的难度，并影响消息的准确性与实时性。故为提高各系统的协同工作能力，统一消息格式这一工作迫在眉睫，对实现机器互联互通、减小操作员工作量有着重要意义。
关于消息格式在无人机通信方面的研究，大部分都侧重于军用领域，在民用领域的研究目前仍处于起步阶段，已授权专利“一种无人机4G融合链路传输系统”(公开号:CN112469002A)，公开了一种无人机4G融合链路传输系统，该系统主要针对无人机数据链路调制频率，将多个无人机的传输链路集成于一个4G传输模块中，消除了多个频率之间的互相干扰，但并未从应用层及消息格式上说明如何生成无人机传输消息及出现接受错误后如何解决。已授权专利“控制无人机接入网络的方法和装置”(公开号：CN108702203A)，公开了一种控制无人机接入网络的方法和装置，主要包括两个通信模块，第一通信模块用于获取待传输信息，第二通信模块将待传输信息发送至信息接收端，该专利中只是设计了一个大致网络架构，介绍如何将无人机接入网络中，针对接入网络后的相关通信并未提及。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于可变消息格式数据链的无人机通信系统，包括人机交互模块、报文生成模块、分段/重组模块、发送模块、接收模块及报文解析模块：
人机交互模块，用于输入需要发送的消息及目的无人机编号，并显示目的无人机返回的消息；
报文生成模块包括消息提取单元和报文生成单元：
消息提取单元，用于根据消息输入单元输入的消息查询数据元素字典得到该消息的编号，获得消息必要发送部分：消息所属功能域，消息编号及消息内容；
报文生成单元，用于接收消息提取单元发送的消息的必要发送部分，并根据消息所属功能域，消息编号及消息内容，将其生成二进制报文；
分段/重组模块包括分段单元和重组单元：
分段单元，用于根据分段阈值对报文生成单元生成的二进制报文进行分段生成报文段，并在每个报文段头部添加分段协议报头；
重组单元，用于根据报文段的分段协议报头重组报文；
发送模块包括发送单元和第一定时器单元：
发送单元，用于接收报文段，并根据报文段携带的目的无人机编号发送消息给目的无人机；
第一定时器单元，用于根据报文段的分段协议报头携带的末段号，和控制端到目的无人机端的通信时延设置定时器，并根据收到的确认报文及定时器状态对分段报文进行重传或结束发送；
接收模块包括接收单元和第二定时器单元：
接收单元，用于接收发送单元发送的所有报文段，并将所有报文段缓存到本地；
第二定时器单元，用于根据报文段的分段报文协议报头携带的末段号，和控制端到无人机端的通信时延来启动定时器；
报文解析模块包括报文解析单元，报文解析单元用于根据重组报文的消息编号查询数据元素字典，根据数据元素字典对重组报文进行解析，并将解析内容传递给目的无人机。
进一步的，分段协议报头包括源端口号、目的端口号、报文类型、报文头长度、报文序列号、端到端确认标识、当前段号、末端号。
进一步的，分段单元根据各层协议标准中报头长度确定分段阈值MSSvmf，分段阈值的计算公式为：
MSSvmf＝MMTU-(SH+UDP+IP)
其中，MMTU是Internet上的标准MTU值，为576字节，SH是分组协议头部长度，UDP是UDP包首部长度，IP是IP报文首部长度。
一种基于可变消息格式数据链的无人机通信方法，采用上述系统，具体包括：
S1、程序初始化，创建入口主线程及线程池，接收无人机入网注册请求，为无人机分配唯一识别编号，完成无人机在控制端的注册；
S2、监听无人机注册消息，通过消息输入单元将目的无人机编号及需要发送的消息传给报文生成模块，并利用消息展示单元显示目的无人机反馈的消息；
S3、报文生成模块根据可变消息格式生成报文，然后将生成的报文交给分段/重组模块；
S4、分段/重组模块根据分段阈值对报文进行分段，给每段报文添加分段协议报头并交给发送模块；
S5、发送模块将所有添加分段协议报头的报文段发送给接收模块；
S6、接收模块将所有报文段发送给重组单元，重组单元根据分段协议报头重组报文并发送给报文解析模块；
S7、报文解析模块解析重组后的报文并将解析内容传递给目的无人机。
进一步的，在步骤S5中所有报文段发送完毕后设置第一时间阈值，，并采用确认重传机制重新发送丢失的报文段，包括以下步骤：
若在第一时间阈值内，发送模块收到接收模块的部分确认消息，查询本地缓存的所有报文段找到未发送成功的报文段，重新发送未发送成功的报文段；
若超过第一时间阈值时，发送模块未收到接收模块的确认消息，则发送模块对接收模块发送请求确认消息，请求接收模块发送确认消息，若发送五次请求确认消息后都未收到确认消息，则放弃本次发送；
其中，第一时间阈值Tclock为Tclock＝2×端到端时延。
进一步的，在步骤S6中设置第二时间阈值，接收模块接收到第一个报文段后开始计时进行以下操作：
若在第二时间阈值内接收到发送模块的确认请求时，接收模块并未接收所有报文段，则接收模块给发送模块发送一个部分确认消息，并请求发送模块发送丢失的报文段；
若超过第二时间阈值时，接收模块并未接收所有所有报文段，则接收模块给发送模块发送一个部分确认消息，并请求发送模块发送丢失的报文段；
其中，第二时间阈值为Tclock1＝(N+1)×端到端时延，其中N为末段号。
进一步的，端到端时延为控制端到无人机端的通信时延，获取通信时延的过程为将无人机的唯一识别编号与无人机IP绑定存储到本地哈希表中，根据注册信息时间戳计算当前无人机端与控制端的通信时延，将唯一识别编号与通信时延绑定存储到本地哈希表中，然后将唯一识别编号与通信时延返回给当前无人机。
进一步的，报文生成模块生成报文的具体过程为：
S11、消息提取单元根据消息输入单元输入的消息查询数据元素字典，得到该消息的报文类型编号和消息必要发送部分：消息所属功能域，消息编号及消息内容；
S12、报文生成单元根据报文类型在模板库中查找对应消息模板，将二进制的消息功能域编号，消息编号及消息内容填充进对应消息模板，完成报文的二进制编码；
S13、将完成二进制编码的报文交给分段/重组模块。
进一步的，控制端给每次传输的报文分配一个序列号，若当前报文长度超过分段阈值MSSvmf，则对其进行分段，分段后的每段报文与第一段报文序列号保持一致，每个报文的段号依次增加，若报文长度没有超过分段阈值，则分段数为1。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于可变消息格式数据链的无人机通信系统，通过对需要发送的消息进行数据元素提取，查询数据元素字典，对提取后的报文形成模板，根据要发送报文的类型和子类型确定发送报文的编号，使报文的长度随有用信息的大小而改变，减小数据的发送量，节约有限的带宽资源；考虑到无线链路易受干扰、时变等特点，容易出现丢包现象，使用TCP协议传输会造成不断调用慢启动算法，导致实时性无法满足，因此这里选择UDP协议进行传输。由于UDP协议是不可靠传输，无法保证传输的可靠性，因此在应用层加入分段/重组机制和确认重传机制，来保证传输的可靠性，更具体的：
采用统一、标准的消息格式及报文编号允许用户只发送包含必要信息的数据，使报文的长度随有效信息的大小而改变，减小发送的数据量。
无人机端在接收到控制端发送的消息后，智能的进行消息的解析，实现对无人机的控制；
基于UDP的分段/重组与重传协议，克服了TCP传输协议在无线链路下速度慢的缺点，保证了无人机通信系统的实时性和可靠性。
附图说明
图1为本发明无人机通信系统的网络分层通信模型；
图2为本发明无人机通信系统的模块流程示意图；
图3为本发明无人机通信系统的分段重组协议报头；
图4为本发明无人机通信系统的控制端发送消息的流程图；
图5为本发明无人机通信系统的无人机端接收报文的流程图。
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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明提供了一种基于可变消息格式数据链的无人机通信系统，如图2所示，该系统包括人机交互模块、报文生成模块、分段/重组模块、发送模块、接收模块及报文解析模块，其中：
人机交互模块包括消息输入单元和消息展示单元：消息输入单元，用于输入需要发送的消息及目的无人机编号；消息展示单元，用于显示目的无人机返回的消息。
报文生成模块包括消息提取单元和报文生成单元：消息提取单元，用于根据消息输入单元输入的消息查询数据元素字典得到该消息的编号，并提取出消息中的必要发送部分；报文生成单元，用于接收消息提取单元发送的消息的必要发送部分，并根据可变消息格式将其生成二进制报文。
分段/重组模块包括分段单元和重组单元：分段单元，用于根据分段阈值对报文生成单元生成的二进制报文进行分段生成报文段，并在每个报文段头部添加分段协议报头；重组单元，用于根据报文段的分段协议报头重组报文。
发送模块包括发送单元和第一定时器单元：发送单元，用于接收报文段，并根据报文段携带的目的无人机编号发送消息给目的无人机；第一定时器单元，用于根据报文段的分段协议报头携带的末段号，和控制端到目的无人机端的通信时延设置定时器，并根据收到的确认报文及定时器状态对分段报文进行重传或结束发送。
接收模块包括接收单元和第二定时器单元：接收单元，用于接收发送单元发送的所有报文段，并将所有报文段缓存到本地；第二定时器单元，用于根据报文段的分段报文协议报头携带的末段号，和控制端到无人机端的通信时延来启动定时器。
报文解析模块包括报文解析单元，报文解析单元用于根据重组报文的消息编号查询数据元素字典，根据数据元素字典对重组报文进行解析，并将解析内容传递给目的无人机。
优选地，分段单元对报文进行分段后生成报文段，每个报文段头部都添加了分段协议报头，如图3所示，分段协议报头包括16bit的源端口号、16bit的目的端口号、3bit的报文类型、12bit的报文头长度、16bit报文序列号、1bit的端到端确认标识、16bit的当前段号、16bit的末端号。
在一实施例中，一种基于可变消息格式数据链的无人机通信方法，如图2箭头流向所示，包括以下步骤：
S1、程序初始化，创建入口主线程及线程池，接收无人机入网注册请求，为无人机分配唯一识别编号，完成无人机在控制端的注册；
S2、监听无人机注册消息，通过消息输入单元将目的无人机编号及需要发送的消息传给报文生成模块，并利用消息展示单元显示目的无人机反馈的消息；
S3、报文生成模块根据可变消息格式数据链语法生成报文，并将生成的报文交给分段/重组模块；
S4、分段/重组模块根据分段阈值对报文进行分段，给每段报文添加分段协议报头并交给发送模块；
S5、发送模块将所有添加分段协议报头的报文段发送给接收模块，发送完毕后根据报文段总数设置定时器，并根据确认重传机制重新发送丢失的报文段；
S6、接收模块将所有报文段发送给重组单元，重组单元根据分段协议报头重组报文并发送给报文解析模块；
S7、报文解析模块解析重组后的报文并将解析内容传递给目的无人机。
在一实施例中，步骤S1包括：
创建一个主线程和一个线程池，主线程监听人机交互界面的输入和无人机注册消息的接收情况，线程池创建线程并将其挂起，创建的线程用于后续生成格式化消息和对接收的消息进行解析；
控制端接收无人机的入网注册请求后，为无人机分配唯一识别编号，每个无人机的唯一识别编号按从小到大依次递增的顺序进行分配，将唯一识别编号与对应无人机IP绑定存储到本地哈希表中，并根据注册信息时间戳计算无人机端到控制端的通信时延，然后将唯一识别编号与通信时延绑定存储到本地哈希表中，再将唯一识别编号与通信时延返回给无人机端。
在另一实施例中，报文生成模块生成报文的具体过程为：
S11、消息提取单元根据消息输入单元输入的消息查询数据元素字典，得到该消息的报文类型编号和消息必要发送部分，即消息所属功能域，消息编号及消息内容；
S12、报文生成单元根据报文类型编号在模板库中查找对应模板，将消息所属功能域，消息编号及消息内容填充进对应消息模板，完成报文的二进制编码；
S13、将完成二进制编码的报文交给分段/重组模块。
其中，消息格式有规定的二进制消息模板，将功能域、消息编号、消息内容填充进消息模板中，就完成二进制编码。
优选地，设置定时器并采用确认重传机制重新发送丢失的报文段，包括以下步骤：
S21：根据报文中的目的端口号，获取目的无人机的IP地址及通信时延，通过网络套接字将报文段发送给目的无人机；
S22：所有报文段发送完毕后，设置定时器时长Tclock＝2×端到端时延，端到端时延为控制端到目的无人机的通信时延；
S23：判断报文段发送状况，若在定时器超时前收到部分确认消息，执行步骤S24，若未收到确认消息，执行步骤S25，若收到完全确认消息，则完成本次消息发送；
S24：接收部分确认消息后，查询本地缓存的所有报文段找到未发送成功的报文段，重新发送未发送成功的报文段，并返回步骤S22；
S25：发送模块对接收模块发送请求确认消息，请求接收模块发送确认消息，若发送五次请求确认消息后都未收到确认消息，则放弃本次发送。
优选地，分段单元根据各层协议中报头长度确定分段阈值MSSvmf，分段阈值的计算公式为：
MSSvmf＝MMTU-(SH+UDP+IP)
其中，MMTU是Internet上的标准MTU值，为576字节，SH是分组协议头部长度，UDP是UDP包首部长度，IP是IP报文首部长度；
具体地，控制端给每次传输的报文分配一个序列号，若当前报文长度超过分段阈值MSSvmf，则对其进行分段，分段后的每段报文与第一段报文序列号保持一致，每个报文的段号从1开始依次增加，若报文长度没有超过分段阈值，则分段数为1。
本发明的通信系统分为控制端和无人极端，控制端在PC上，无人机端是无人机上的一个板载系统，PC与板载系统进行通信后，由板载系统将信息传给无人机。
在一个实施例中，控制端发送消息的具体流程如图4所示，包括：
S101、判断报文长度是否超过分段阈值，若是，则将报文根据分段阈值进行分段，并在每个报文段添加分段协议报头后进入步骤S102；若不是，则将报文看做一个报文段直接进入步骤S102；
S102、通过UDP传输协议将报文段发送给无人机端；
S103、判断报文段是否发送完毕，若是，则进入步骤S104，否则返回步骤S102；
S104、启动定时器；
S105、判断报文段发送时间是否超时，若定时器超时，则发送请求确认信息，否则进入步骤S106；
S106、确认报文段是否全部确认，若是，则结束流程，否则，返回步骤S102。
在一个实施例中，无人机端接收报文段的流程如图5所示，包括：
S201、无人机端接收第一个报文段，获取报文段携带的末段号和通信时延并启动接收定时器；
S202、判断接收定时器是否超时，若是，则发送部分确认消息给控制端并返回步骤S201，否则进入步骤S203；
S203、确认是否收到控制端的确认请求，若是，则发送部分确认消息给控制端并返回步骤S201，否则发送完全确认消息，并结束流程。
优选地，根据第一个报文段携带的报文总段数估计接受完所有报文段所需的时间，并设置接收定时器时长：
Tclock1＝(N+1)×端到端时延
其中N为末段号，端到端时延为控制端到无人机端的通信时延。
优选地，本发明采用的分段协议报文的报文类型字段编码如表1所示：
表1分段协议报文类型字段编码
优选地，本发明无人机通信系统的网络分层通信模型如图1所示：
VMF传输服务用户层主要是系统使用主体，此处主要是控制端及无人机板载系统；VMF传输服务层主要是由VMF接口操作程序按报文标准将报文转换成用户文件展现给用户，以及将用户要发送的数据按照报文标准转换成相应的二进制代码；应用层通过加入可靠传输和分段/重组机制，将数据封装成帧，实现UDP传输协议下的无连接可靠传输；根据无线链路错误突发(无线链路易受干扰，存在多径衰落)和信道时变，在传输层采用了UDP协议传输，在减少TCP连接建立的同时，可以有效降低通信时延；底层通信层主要包括网络层及物理层等协议，本发明中不涉及相关细节，此处不予讨论。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于可变消息格式数据链的无人机系统，其特征在于，该系统包括人机交互模块、报文生成模块、分段/重组模块、发送模块、接收模块及报文解析模块：
人机交互模块，用于输入需要发送的消息及目的无人机编号，并显示目的无人机返回的消息；
报文生成模块包括消息提取单元和报文生成单元：
消息提取单元，用于根据消息输入单元输入的消息查询数据元素字典得到该消息的编号，获得消息必要发送部分，即消息所属功能域，消息编号和消息内容；
报文生成单元，用于接收消息提取单元发送的消息的必要发送部分，并根据消息所属功能域，消息编号及消息内容，将其生成二进制报文；
分段/重组模块包括分段单元和重组单元：
分段单元，用于根据分段阈值对报文生成单元生成的二进制报文进行分段生成报文段，并在每个报文段头部添加分段协议报头；
分段单元根据各层协议标准中报头长度确定分段阈值MSSvmf，分段阈值的计算公式为：
MSSvmf＝MMTU-(SH+UDP+IP)
其中，MMTU是Internet上的标准MTU值，为576字节，SH是分组协议头部长度，UDP是UDP包首部长度，IP是IP报文首部长度；
重组单元，用于根据报文段的分段协议报头重组报文；
发送模块包括发送单元和第一定时器单元：
发送单元，用于接收报文段，并根据报文段携带的目的无人机编号发送消息给目的无人机；第一定时器单元，用于根据报文段的分段协议报头携带的末段号，和控制端到目的无人机端的通信时延设置定时器，并根据收到的确认报文及定时器状态对分段报文进行重传或结束发送；
所有报文段发送完毕后设置第一时间阈值，并采用确认重传机制重新发送丢失的报文段，包括以下步骤：
若在第一时间阈值内，发送模块收到接收模块的部分确认消息，查询本地缓存的所有报文段找到未发送成功的报文段，重新发送未发送成功的报文段；
若超过第一时间阈值时，发送模块未收到接收模块的确认消息，则发送模块对接收模块发送请求确认消息，请求接收模块发送确认消息，若发送五次请求确认消息后都未收到确认消息，则放弃本次发送；
其中，第一时间阈值Tclock为Tclock＝2×端到端时延；
接收模块包括接收单元和第二定时器单元：
接收单元，用于接收发送单元发送的所有报文段，并将所有报文段缓存到本地；
第二定时器单元，用于设置接收定时器，并根据报文段的分段报文协议报头携带的末段号，和控制端到无人机端的通信时延来启动接收定时器；
设置第二时间阈值，接收模块接收到第一个报文段后开始计时进行以下操作：
若在第二时间阈值内接收到发送模块的确认请求时，接收模块并未接收所有报文段，则接收模块给发送模块发送一个部分确认消息，并请求发送模块发送丢失的报文段；
若超过第二时间阈值时，接收模块并未接收所有所有报文段，则接收模块给发送模块发送一个部分确认消息，并请求发送模块发送丢失的报文段；
其中，第二时间阈值为Tclock1＝(N+1)×端到端时延，其中N为末段号；
报文解析模块包括报文解析单元，报文解析单元用于根据重组报文的消息编号查询数据元素字典，根据数据元素字典对重组报文进行解析，并将解析内容传递给目的无人机。
2.根据权利要求1所述的一种基于可变消息格式数据链的无人机系统，其特征在于，分段协议报头包括源端口号、目的端口号、报文类型、报文头长度、报文序列号、端到端确认标识、当前段号、末段号。
3.根据权利要求1所述的一种基于可变消息格式数据链的无人机通信方法，其特征在于，端到端时延为控制端到无人机端的通信时延，获取通信时延的过程为将无人机的唯一编识别号与无人机IP绑定存储到本地哈希表中，根据注册信息时间戳计算当前无人机与控制端的通信时延，将唯一编识别号与通信时延绑定存储到本地哈希表中，然后将唯一识别编号与通信时延返回给当前无人机。
4.一种利用如权利要求1所述系统实现的基于可变消息格式数据链的无人机通信方法，其特征在于，包括以下步骤如下：
S1、程序初始化，创建入口主线程及线程池，接收无人机入网注册请求，为无人机分配唯一识别编号，完成无人机在控制端的注册；
S2、监听无人机注册消息，通过消息输入单元将目的无人机编号及需要发送的消息传给报文生成模块，并利用消息展示单元显示目的无人机反馈的消息；
S3、报文生成模块根据可变消息格式生成报文，然后将生成的报文交给分段/重组模块；
S4、分段/重组模块根据分段阈值对报文进行分段，给每段报文添加分段协议报头并交给发送模块；
S5、发送模块将所有添加分段协议报头的报文段发送给接收模块；
S6、接收模块将所有报文段发送给重组单元，重组单元根据分段协议报头重组报文并发送给报文解析模块；
S7、报文解析模块解析重组后的报文并将解析内容传递给目的无人机。
5.根据权利要求4所述的一种基于可变消息格式数据链的无人机通信方法，其特征在于，报文生成模块生成报文的过程包括：
S11、消息提取单元根据消息输入单元输入的消息查询数据元素字典，得到该消息的报文类型编号和消息必要发送部分，即消息所属功能域，消息编号及消息内容；
S12、报文生成单元根据报文类型在模板库中查找对应消息模板，将消息所属功能域，消息编号及消息内容填充进对应消息模板，完成报文的二进制编码；
S13、将完成二进制编码的报文交给分段/重组模块。
6.根据权利要求4所述的一种基于可变消息格式数据链的无人机通信方法，其特征在于，控制端给每次传输的报文分配一个序列号，若当前报文长度超过分段阈值MSSvmf，则对其进行分段，分段后的每段报文与第一段报文序列号保持一致，每个报文的段号依次增加，若当前报文长度没有超过分段阈值，则分段数为1。
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