CN114662125A - 一种无人船异构链路多尺度数据安全重构系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，包括无人水面艇和地面移动指控中心，无人水面艇和地面移动指控中心通过通信设备搭建起的通信链路进行船岸信息的交互。该系统通过北斗系统、公众移动通信系统4G/5G信号的切换、900MHz跳频电台通信、自组网电台等系统，将船端的状态信息、音频信息、图像信息、视频信息传输到岸端；将岸端的控制指令、音频信息等传输到船端，实现船岸信息的交互；使用多链路异构通信，彼此相互独立，判断信道质量，利用负载均衡算法给定信道优先级进行通信；利用内插外推法，将传感器采样数据进行时间配准，做到时间的一致性。利用DES和MD5混合加密方法对船岸交互信息进行数据重构和安全加密，实现数据可靠和安全交互。

Description

一种无人船异构链路多尺度数据安全重构系统

技术领域

本发明涉及无人水面艇技术领域，具体而言，尤其涉及一种无人船异构链路多尺度数据安全重构系统。

背景技术

随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新理念、新技术的突飞猛进，船舶自动化水平不断提高，无人驾驶船舶的实现有了科技支撑，使得无人驾驶船舶航行于全球有了实现的可能性。

从目前调研结果来看，无人机、无人车、电力系统等在无人系统、远程监控、信息交互、多链路异构融合等方向都有着很好的发展。对于电力系统中异构网络的多链路并行传输可以自动选择最优网络数据进行数据的传输，保障了电力系统不间断的工作。在无人机无人车系统中，多传感器的融合为无人机无人车的定位与建图提供了可靠性，能获取到周围的环境信息，进行合理的避障与行驶。

无人水面艇相较于其他无人系统发展滞后，不过无人系统在很多层面上，尤其是在自动化学科领域有很多共通点，因此无人水面艇可在其他无人系统研究成果的基础上，根据所面临的特殊挑战(如海洋环境、船体模型等)进行开创性研究。在美国和以色列这两个当今世界上无人水面艇技术最先进的国家,无人水面艇的发展在很大程度上得益于其无人机、无人地面车辆和无人潜航器等无人系统上的优势。

无人驾驶船舶的关键技术之一是船岸信息交互的准确性、可靠性、实时性、安全性和低成本。为应对复杂多变的海上环境，无人驾驶船舶对海上通信系统的高宽带、高可靠性，低延时、低成本等提出了更高要求。无人水面艇要通过自身所携带的导航设备与船载传感器实现自主导航，目前，对于如何实现无人水面艇多种通信信息的分类，实现导航设备的时间一致性的多尺度信息融合，如何实现船岸信息交互，如何保障船岸之间的交互信息能够安全有效实时的传输，是无人艇开发设计的重点和难点。

从目前调研情况来看，对于如何解决无人水面艇在远程监控、信息交互等方面的问题，有人提出了利用GPS定位系统提供状态信息，利用TCP/IP网络通信技术与云服务器等进行数据通信与数据的存储，设计了一整套全自动无人船的远程实时智能监控系统，在确保硬件功能模块能够满足系统需求的前提下，对整个远程监控系统进行了联合试验，结果表明，该系统能够实时、有效地对无人船进行远程监测和控制。但存在的不足是：1.单一的一套定位系统容易发生故障而导致无人船状态信息丢失2.单一的通信链路不能保障传输的可靠性。

也有人对船岸信息交互设计了一套多网融合和数据通信的方案，主要针对4G与北斗短报文各自的优缺点进行分析，进行通信链路的垂直切换，经试验达到了预期的效果，该系统能够通过无线通信的方式将无人艇的各种数据实时传回岸基，并可以响应岸基工作人员的实时控制指令，实现岸基与无人艇的远程信息交互。存在的不足是：北斗短报文传输信息有一分钟只能传输78个字节的特性，因此传输数据具有局限性，不能很好的解决负载均衡问题。

目前技术存在的缺陷：

(1)在军工领域，对于船岸之间控制指令的传输要求高保密性、高安全性、高可靠性和防劫持等特点，但目前船岸通信网络配置的防火墙等安全防护措施十分容易被破解，这导致船岸交互的通信系统时刻面临着被攻击的危险。

(2)一种定位模块若失灵，则状态信息会丢失，无法保障信息的可靠性，因此应利用多种导航设备，包括惯导、卫导、雷达等，保障状态信息的实时可靠。

(3)多源导航设备在时间空间都会存在一定的误差，因此考虑多时空数据的配准问题。

(4)只采用4G与北斗短报文作为通信链路，因为其各自传输数据类型的不同具有一定的局限性，不能很好的保障数据实时有效的传输，因此应该采用更多的通信模块作为通信链路，并且信道应该进行合理的分配。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种无人船异构链路多尺度数据安全重构系统。本发明系统包括北斗系统、公众移动通信系统4G/5G信号的切换、900MHz跳频电台通信、自组网电台等通信系统，能够将船端的状态信息、音频信息、图像信息、视频信息传输到岸端；将岸端的控制指令、音频信息等传输到船端，实现船岸信息的交互，使用多链路异构通信，彼此相互独立，判断信道质量，利用负载均衡算法给定信道优先级进行通信，利用内插外推法，将各个传感器采样数据进行时间配准，做到时间的一致性。利用DES和MD5混合加密方法对船岸交互信息进行数据重构和安全加密，实现数据可靠和安全的交互。

本发明采用的技术手段如下：

一种无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，包括：

多个无人水面艇和地面移动指控中心，无人水面艇上搭载传感器设备，用于获取船舶的状态信息、视频信息、图像信息；其中，状态信息包括经度、纬度、航速、航向角、俯仰角、高度、横滚角；视频信息包括摄像头拍摄到的无人水面艇周围的环境信息；图像信息包括雷达图像；每个无人水面艇和地面移动指控中心通过通信设备搭建起通信链路，进行船岸信息的交互。

进一步地，所述无人水面艇包括导航设备、控制设备、通信设备，其中：

导航设备包括：RTK移动站、北斗定位模块、组合导航、摄像头、雷达；

控制设备包括：下位机与上位机；

通信设备包括：900MHz跳频电台、北斗短报文、4G/5G、自组网电台。

进一步地，所述无人水面艇端发送图像信息的过程如下：

将已经保存到无人水面艇本地的雷达图像发送到地面移动指控中心，若船岸二者距离很近，处于同一片局域网，那么二者通过UDP方式，对应各自的IP地址和端口号进行直接传输；若二者距离很远，不处于同一片局域网，需要远距离传输时，通过4G/5G网络和自组网电台进行数据传输，若有4G/5G网络，通过4G/5G DTU发送数据，设置每隔1s进行一次判断，判断是否有新的图片在本地保存，若有，则进行数据库的存储，保存到数据库的图片的格式为LongBlob类型。

进一步地，所述无人水面艇接收控制指令的过程如下：

无人水面艇作为接收端，通过4G/5G DTU的信道切换来选择最优信道对数据库中数据进行提取；

首先，对接收到的数据按位进行解析，提取到密文位，对密文生成CRC校验值，若发送端与接收端CRC校验值相等，证明传输无误；

其次，对密文进行解密，得到明文；若两次CRC校验值不相等，则直接对此组数据进行舍弃，表明传输过程中发生丢包误包问题，传输错误；

此外，所有传输的数据均通过DES和MD5混合加密算法进行加密处理，包括视频图像、状态信息、任务指令，最大程度保障无人船信息安全，保障数据的安全可靠。

进一步地，所述地面移动指控中心装有显示终端、工控机、数据交互设备、用于发送控制指令的摇杆，通过无线网络，登录远程桌面连接云服务器对数据进行存取，外架天线收发信号；具体的：

地面移动指控中心用于监测无人水面艇的状态，发送控制指令对其进行控制，利用DES和MD5混合加密算法，对船岸交互数据进行加密处理，将加密后的信息通过多链路信道进行负载均衡处理给定信道优先级，达到信道最大利用率，保障发送的可靠性，在无人水面艇端通过下位机接收到控制指令，经过加密算法解算后，给到无人水面艇进行船端的舵机控制。

进一步地，所述无人水面艇端发送状态信息的过程如下：

首先，利用DES和MD5混合加密算法对接收的数据信息进行处理，将密钥通过MD5算法加密生成密文密钥，利用加密后的密钥对信息再次进行DES数据加密，将加密后的数据生成一个CRC校验码；

其次，根据给定的负载均衡算法进行信道的分配与选取，若通过公共移动通信，则需要考虑5G信号是否良好，进行4G/5G信道的切换，并将通过该信道发送的数据以特定的帧格式存储到云服务器，若通过电台发送，则直接给定帧格式进行数据发送。

进一步地，所述地面移动指控中心接收状态指令的过程如下：

所述地面移动指控中心获取到数据后，先根据报文头判断该数据是否从电台获取；若不是，则登录云服务器数据库获取通过4G/5G发送的数据；

再对数据进行解析，得到起始符与CRC校验位，比较接收和发送的CRC校验位，若相同，则表示数据无误，若不同，则传输过程中发生错误，丢弃该包数据；

将获取到的密文进行算法解密后，根据不同发送的数据，进行再一次的NMEA0183格式数据解析，得到无人水面艇的经纬度、航速、航向状态信息，卡尔曼滤波后，调用百度地图API接口，描点连线在地图上实时显示船舶运行轨迹。

进一步地，所述地面移动指控中心接收状态指令的过程如下：

首先需要先判断无人水面艇与地面移动指控中心是否处于同一片局域网，若二者处于同一片局域网，那么对应各自的IP地址和端口号进行直接传输，进行显示即可；若不处于同一片局域网，通过自组网电台或者通过登录数据库读取图片，防止船端因为4G/5G信号中断而导致图像信息无法传输。

进一步地，所述地面移动指控中心根据无人水面艇的状态信息，在地面移动指控中心发送控制指令，通过加密算法得到密文，通过电台传输和云服务器进行数据存储后，给定不同的起始符，分别为#0x01和#0x02，对接收到的数据加以区分，用于标定来自不同信道的数据，同时给定一个发送端的时间戳，对发送的数据生成一个CRC校验值，最后给定结束符COMMAND$，表示传输完成。

进一步地，所述地面移动指控中心传输视频的过程如下：

通过配置IP地址和端口号，将视频信息实时显示在综合控制系统界面中监控画面区域，如果最终未能正常显示，则重新检查IP和端口号是否正确，直至成功为止。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，利用云服务器监控数据，为解决数据的安全性问题，提出利用DES和MD5混合加密算法对数据进行加密处理。

2、本发明提供的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，通过多个导航设备提供无人船状态信息，保障无人船状态信息的可靠性，设备包括：RTK、北斗定位系统、组合导航、雷达等。

3、本发明提供的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，为解决多源导航设备在时间空间的不一致性问题，时间上提出内插外推方法，对其各导航数据的时间；空间上针对雷达与导航设备坐标系不同，统一坐标系，调用API接口做地图显示，实现信息融合。

4、本发明提供的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，搭建异构通信链路，包括：北斗短报文、4G/5G、900MHz跳频电台、自组网电台，为保障数据传输的实时性与可靠性，提出4G/5G信道切换技术，通信信道的负载均衡算法给定信道的优先级，保障了通信链路可靠性，实现了信息的融合与数据的重构。

5、本发明提供的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，能够提高了对无人水面艇的有效控制，实现船岸信息的有效交互。将无人水面艇和地面移动指控中心这两个独立运行的个体融合成为了一个整体，能够解决船岸信息交互滞后、管理分化的问题，使船岸之间的联系更加密切，实现对船舶的实时监控，提高了地面移动指控中心对船舶的管理、调度、经营和决策能力，能很好的实现船岸异构链路多尺度数据的信息融合、数据重构与安全加密。

基于上述理由本发明可在无人水面艇等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统整体框图。

图2为本发明实施例提供的信息分类表。

图3为本发明无人水面艇的信息处理系统框图。

图4为本发明无人水面艇与地面移动指控中心能够进行信息交互而搭建的通信链路。

图5为本发明无人水面艇端发送状态信息流程图。

图6为本发明DES和MD5混合加密算法流程图。

图7为本发明实施例提供的导航数据帧格式。

图8为本发明无人水面艇端图像发送流程图。

图9为本发明无人水面艇端控制指令发送流程图。

图10为本发明地面移动指控中心框图。

图11为本发明地面移动指控中心接收状态信息流程图。

图12为本发明地面移动指控中心接收图像信息流程图。

图13为本发明地面移动指控中心控制指令加密流程图。

图14为本发明实施例提供的指令加密后帧格式。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，包括：多个无人水面艇和地面移动指控中心，每个无人水面艇和地面移动指控中心通过通信设备搭建起通信链路，进行船岸信息的交互。具体的：首先应该先对船岸间需要交互的信息进行分类操作，将信息按照数据类型、数据量、传输频率等因素进行分类，按照分类将不同的信息通过不同的传输链路进行船岸间数据的传输，如图2所示。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述无人水面艇上搭载传感器设备，用于获取船舶的状态信息、视频信息、图像信息；其中：

状态信息包括经度、纬度、航速、航向角、俯仰角、高度、横滚角；

视频信息包括摄像头拍摄到的无人水面艇周围的环境信息；

图像信息包括雷达图像。

具体的：上述信息将传输到地面移动指控中心进行实时的监控，而地面移动指控中心根据无人水面艇航行的实时状态等，需要对其发送控制指令，包括：舵角指令、油门开度、推进器速度、航速、启停等，对无人水面艇进行远程遥控，二者以此达到信息的交互。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，所述无人水面艇包括导航设备、控制设备、通信设备，其中：

导航设备包括：RTK移动站、北斗定位模块、组合导航、摄像头、雷达；RTK移动站采用K726 OEM板卡，用于实时进行位置的解算，达到厘米级精度；组合导航采用高精度北斗定位测姿系统，将卫星定位与惯性测量相结合；具有全天候、全球覆盖、高精度、快速省时高效率、应用广泛等优点。摄像头采用智能高清红外夜视车顶云台摄像机，用于提供船舶航行的环境视频信息；雷达采用SIMRAD 4G雷达，用于提供船舶航行的雷达图片；

控制设备包括：下位机与上位机；下位机嵌入式控制器采用stm32开发板；

通信设备包括：900MHz跳频电台、北斗短报文、4G/5G、自组网电台。通信链路分为多路，其中，北斗短报文因为依靠卫星通信，相较于其余两种通信链路，更为可靠，因此可以做关键决策，但由于其一分钟只能传输78个字节的特性，因此只能传输重要且数据量小的信息，如发送时间、控制指令等。其他数据量较大，传输速率较快的数据可以通过4G/5G、900MHz跳频电台、自组网电台等传输，如经纬度、航速航向、横滚角、俯仰角等，。摄像头拍摄到的船周围环境的视频与雷达图像可以通过4G/5G、自组网电台进行传输。

如图4所示，为无人水面艇与地面移动指控中心能够进行信息交互而搭建的通信链路，其中可以通过配置900MHz跳频电台的主从机直接进行信息的收发，可以通过北斗短报文通信机制直接收发信息，配置自组网电台可以收发图像和文本信息，也可以通过在无人水面艇上装载4G/5G模块，通过DTU模块写入或者读取云服务器的数据，4G采用的是USR-G780 V2，支持移动，联通，电信4G和移动，联通3G和2G网络制式，以“透传”作为功能核心，有高度易用性。5G采用的是高性能32位处理器MR800工业级5G DTU。北斗采用的是北斗RDSS单模模块，通过外接SIM卡和无源天线即可实现北斗RDSS的短报文通信功能和卫星定位功能。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述无人水面艇端发送状态信息的过程如下：

首先，如图5所示，需要接收数据，利用DES和MD5混合加密算法对接收的数据信息进行处理，如图6所示，将密钥通过MD5算法加密生成密文密钥，利用加密后的密钥对信息再次进行DES数据加密，单一算法安全性低，混合加密算法可以更好的保证数据的安全。将加密后的数据生成一个CRC校验码；

其次，根据给定的负载均衡算法进行信道的分配与选取，若通过公共移动通信，则需要考虑5G信号是否良好，进行4G/5G信道的切换，并将通过该信道发送的数据以特定的帧格式存储到云服务器，若通过电台发送，则直接给定帧格式进行数据发送。

给定发送数据包格式，例如通过RTK设备得到的状态信息再通过4G发送的出去的包格式会如图7所示：

其中起始符为#RTKSIG，需要传输的数据是：$GPGGA,122751.00,3851.9613621,N,12131.2943775,E,1,08,1.5,37.4348,M,8.100,M,,0004*5E$GPVTG,290.640,T,290.640,M,0.259,N,0.479,K,A*27#HEADINGA,COM1,0,60.0,FINESTEERING,2155,131289.000,00000000,0000,1114；SOL_COMPUTED,SINGLE,0.000000000,0.000000000,0.000000000,0.000000000,180.000000000,90.000000000,“0004”,8,8,8,8,0,0,0,25*20438a9c，经过NMEA0183格式进行解析后，可以得到船舶实时航行的状态信息，包括：经度、纬度、航速、航向等。

生成的发送端的电脑系统时间戳为20210426203450278，对传输的数据生成的CRC校验码为5A2F，RTK数据的结束符是RTK$，以“！”符号进行数据的分割，判断数据是否传输完全。

异构链路冗余处理是搭载了4G/5G、900MHz跳频电台、北斗短报文、自组网电台等多条传输链路，通过对不同数据类型进行分析，可以通过不同的数据链路进行发送，考虑负载均衡问题，需要给定通信链路的优先级，保障最大利用率；对于4G/5G部分，需要进行链路切换，防止5G因信号没有全覆盖而导致数据丢失。

多时空数据尺度一致性，分为时间一致性与空间一致性，时间一致性表现为将多个传感器数据接收后，保留正确的数据，利用NMEA0183协议对数据进行解析，取出时间戳，统一为UTC格式后，利用内插外推法将各个传感器采样数据进行时间配准，得到融合后数据，内插外推法应用较为广泛，能很好的解决各传感器时间不同步的问题。空间一致性表现为首先将雷达的极坐标系转换为直角坐标系，再与导航设备一同统一为WGS84坐标系，最后将WGS84坐标系转换为可以进行百度地图显示的BD09坐标系。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述无人水面艇端发送图像信息的过程如下：

如图8所示，将已经保存到无人水面艇本地的雷达图像发送到地面移动指控中心，若船岸二者距离很近，处于同一片局域网，那么二者通过UDP方式，对应各自的IP地址和端口号进行直接传输；若二者距离很远，不处于同一片局域网，需要远距离传输时，通过4G/5G网络和自组网电台进行数据传输，若有4G/5G网络，通过4G/5G DTU发送数据，设置每隔1s进行一次判断，判断是否有新的图片在本地保存，若有，则进行数据库的存储，保存到数据库的图片的格式为LongBlob类型。图8为地面移动指控中心框图，其中工控机将各种数据信息显示到显示终端，工控机接收摇杆信息后会给无人水面艇发送控制指令，地面移动指控中心还搭载了通信模块，包括：900MHz跳频电台模块、自组网电台、北斗短报文模块、4G/5G模块，实现与无人水面艇进行信息的交互。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述无人水面艇接收控制指令的过程如下：

如图9所示，无人水面艇作为接收端，通过4G/5G DTU的信道切换来选择最优信道对数据库中数据进行提取；

首先，对接收到的数据按位进行解析，提取到密文位，对密文生成CRC校验值，若发送端与接收端CRC校验值相等，证明传输无误；

其次，对密文进行解密，得到明文；若两次CRC校验值不相等，则直接对此组数据进行舍弃，表明传输过程中发生丢包误包问题，传输错误；

此外，所有传输的数据均通过DES和MD5混合加密算法进行加密处理，包括视频图像、状态信息、任务指令，最大程度保障无人船信息安全，保障数据的安全可靠。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述地面移动指控中心装有显示终端、工控机、数据交互设备、用于发送控制指令的摇杆，通过无线网络，登录远程桌面连接云服务器对数据进行存取，外架天线收发信号；具体的：

地面移动指控中心用于监测无人水面艇的状态，发送控制指令对其进行控制，利用DES和MD5混合加密算法，对船岸交互数据进行加密处理，将加密后的信息通过多链路信道如900MHz跳频电台、4G/5G DTU、北斗短报文等进行负载均衡处理给定信道优先级，达到信道最大利用率，保障发送的可靠性，如图10所示，在无人水面艇端通过下位机接收到控制指令，经过加密算法解算后，给到无人水面艇进行船端的舵机控制。地面移动指控中心因为有无线网络，因此也可以通过登录到云服务器对数据进行存取操作，进行数据的交互。采用异构通信链路，实现负载均衡给定信道优先级，可以最大程度的保障信息传输的可靠性与实时性，实现信息融合与数据重构。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述地面移动指控中心接收状态指令的过程如下：

如图11所示，所述地面移动指控中心获取到数据后，先根据报文头判断该数据是否从电台获取；若不是，则登录云服务器数据库获取通过4G/5G发送的数据；

再对数据进行解析，得到起始符与CRC校验位，比较接收和发送的CRC校验位，若相同，则表示数据无误，若不同，则传输过程中发生错误，丢弃该包数据；

将获取到的密文进行算法解密后，根据不同发送的数据，进行再一次的NMEA0183格式数据解析，得到无人水面艇的经纬度、航速、航向状态信息，卡尔曼滤波后，调用百度地图API接口，描点连线在地图上实时显示船舶运行轨迹。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述地面移动指控中心接收状态指令的过程如下：

如图12所示，首先需要先判断无人水面艇与地面移动指控中心是否处于同一片局域网，若二者处于同一片局域网，那么对应各自的IP地址和端口号进行直接传输，进行显示即可；若不处于同一片局域网，通过自组网电台或者通过登录数据库读取图片，防止船端因为4G/5G信号中断而导致图像信息无法传输。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述地面移动指控中心根据无人水面艇的状态信息，在地面移动指控中心发送控制指令，如图13所示，通过加密算法得到密文，通过电台传输和云服务器进行数据存储后，给定不同的起始符，分别为#0x01和#0x02，对接收到的数据加以区分，用于标定来自不同信道的数据，同时给定一个发送端的时间戳，对发送的数据生成一个CRC校验值，最后给定结束符COMMAND$，表示传输完成，包格式如图14所示。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述地面移动指控中心传输视频的过程如下：

通过配置IP地址和端口号，将视频信息实时显示在综合控制系统界面中监控画面区域，如果最终未能正常显示，则重新检查IP和端口号是否正确，直至成功为止。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，其特征在于，包括：

多个无人水面艇和地面移动指控中心，无人水面艇上搭载传感器设备，用于获取船舶的状态信息、视频信息、图像信息；其中，状态信息包括经度、纬度、航速、航向角、俯仰角、高度、横滚角；视频信息包括摄像头拍摄到的无人水面艇周围的环境信息；图像信息包括雷达图像；每个无人水面艇和地面移动指控中心通过通信设备搭建起通信链路，进行船岸信息的交互。

2.根据权利要求1所述的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，其特征在于，所述无人水面艇包括导航设备、控制设备、通信设备，其中：

导航设备包括：RTK移动站、北斗定位模块、组合导航、摄像头、雷达；

控制设备包括：下位机与上位机；

通信设备包括：900MHz跳频电台、北斗短报文、4G/5G、自组网电台。

3.根据权利要求2所述的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，其特征在于，所述无人水面艇端发送状态信息的过程如下：

首先，利用DES和MD5混合加密算法对接收的数据信息进行处理，将密钥通过MD5算法加密生成密文密钥，利用加密后的密钥对信息再次进行DES数据加密，将加密后的数据生成一个CRC校验码；

其次，根据给定的负载均衡算法进行信道的分配与选取，若通过公共移动通信，则需要考虑5G信号是否良好，进行4G/5G信道的切换，并将通过该信道发送的数据以特定的帧格式存储到云服务器，若通过电台发送，则直接给定帧格式进行数据发送。

4.根据权利要求2所述的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，其特征在于，所述无人水面艇端发送图像信息的过程如下：

将已经保存到无人水面艇本地的雷达图像发送到地面移动指控中心，若船岸二者距离很近，处于同一片局域网，那么二者通过UDP方式，对应各自的IP地址和端口号进行直接传输；若二者距离很远，不处于同一片局域网，需要远距离传输时，通过4G/5G网络和自组网电台进行数据传输，若有4G/5G网络，通过4G/5G DTU发送数据，设置每隔1s进行一次判断，判断是否有新的图片在本地保存，若有，则进行数据库的存储，保存到数据库的图片的格式为LongBlob类型。

5.根据权利要求2所述的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，其特征在于，所述无人水面艇接收控制指令的过程如下：

无人水面艇作为接收端，通过4G/5G DTU的信道切换来选择最优信道对数据库中数据进行提取；

首先，对接收到的数据按位进行解析，提取到密文位，对密文生成CRC校验值，若发送端与接收端CRC校验值相等，证明传输无误；

其次，对密文进行解密，得到明文；若两次CRC校验值不相等，则直接对此组数据进行舍弃，表明传输过程中发生丢包误包问题，传输错误；

此外，所有传输的数据均通过DES和MD5混合加密算法进行加密处理，包括视频图像、状态信息、任务指令，最大程度保障无人船信息安全，保障数据的安全可靠。

6.根据权利要求1所述的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，其特征在于，所述地面移动指控中心装有显示终端、工控机、数据交互设备、用于发送控制指令的摇杆，通过无线网络，登录远程桌面连接云服务器对数据进行存取，外架天线收发信号；具体的：

地面移动指控中心用于监测无人水面艇的状态，发送控制指令对其进行控制，利用DES和MD5混合加密算法，对船岸交互数据进行加密处理，将加密后的信息通过多链路信道进行负载均衡处理给定信道优先级，达到信道最大利用率，保障发送的可靠性，在无人水面艇端通过下位机接收到控制指令，经过加密算法解算后，给到无人水面艇进行船端的舵机控制。

7.根据权利要求6所述的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，其特征在于，所述地面移动指控中心接收状态指令的过程如下：

所述地面移动指控中心获取到数据后，先根据报文头判断该数据是否从电台获取；若不是，则登录云服务器数据库获取通过4G/5G发送的数据；

再对数据进行解析，得到起始符与CRC校验位，比较接收和发送的CRC校验位，若相同，则表示数据无误，若不同，则传输过程中发生错误，丢弃该包数据；

将获取到的密文进行算法解密后，根据不同发送的数据，进行再一次的NMEA0183格式数据解析，得到无人水面艇的经纬度、航速、航向状态信息，卡尔曼滤波后，调用百度地图API接口，描点连线在地图上实时显示船舶运行轨迹。

8.根据权利要求7所述的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，其特征在于，所述地面移动指控中心接收状态指令的过程如下：

首先需要先判断无人水面艇与地面移动指控中心是否处于同一片局域网，若二者处于同一片局域网，那么对应各自的IP地址和端口号进行直接传输，进行显示即可；若不处于同一片局域网，通过自组网电台或者通过登录数据库读取图片，防止船端因为4G/5G信号中断而导致图像信息无法传输。

9.根据权利要求7所述的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，其特征在于，所述地面移动指控中心根据无人水面艇的状态信息，在地面移动指控中心发送控制指令，通过加密算法得到密文，通过电台传输和云服务器进行数据存储后，给定不同的起始符，分别为#0x01和#0x02，对接收到的数据加以区分，用于标定来自不同信道的数据，同时给定一个发送端的时间戳，对发送的数据生成一个CRC校验值，最后给定结束符COMMAND$，表示传输完成。

10.根据权利要求7所述的无人船异构链路多尺度数据安全重构系统，其特征在于，所述地面移动指控中心传输视频的过程如下：

通过配置IP地址和端口号，将视频信息实时显示在综合控制系统界面中监控画面区域，如果最终未能正常显示，则重新检查IP和端口号是否正确，直至成功为止。

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