CN115549784A - 一种无人机群陆空与空空通信系统及通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机群陆空与空空通信系统及通信方法，包括：僚机、随从机、地面基站，僚机与随从机之间形成空空通信链路，僚机与地面基站之间，形成陆空通信链路；空空通信链路采用紫外LED散射光通信；陆空通信链路采用紫外激光通信；在陆空通信链路中，地面基站与僚机结合陆空通信链路的闭环通信实现跟瞄功能。本发明可以建立稳定的陆空与空空通信链路，实现基站与僚机之间建立具有反馈机制的通信链路，而不会被非意向通信对象窃听，且空空通信链路采用紫外LED散射光通信，陆空通信链路及空空通信链路均使用紫外光进行链路通信，利用紫外光优良的保密性能，增强了无人机群陆空与空空通信系统保密性。

Description

一种无人机群陆空与空空通信系统及通信方法

技术领域

本发明涉及无人机群紫外光通信领域，尤其是涉及一种无人机群陆空与空空通信系统及通信方法。

背景技术

近些年来，紫外光通信因其独特的优势引起了越来越多的关注，紫外光通信是利用大气日盲区的紫外波段进行散射光通信，具备保密性好、背景噪声低、可以越过障碍物进行非视距通信、通信装置功耗较低、通信装置架设简便等优势。另一方面，传统的无线电通信的短板越来越明显，具体有：容易被窃听、频谱资源稀缺、易受障碍物的影响、通信装置功耗较大、通信装置架设困难等。

无人机群灵活性强、机动性强、便于组网通信，因此在军用、公用和民用等多个领域均有着广泛的应用。目前无人机群之间相互通信时仍采用传统无线电的方式，会导致原本稀缺的无线电频谱资源的进一步的拥挤，而且无线电通信信号容易被窃听，因此将紫外通信应用到无人机群上，可以有效避免上述问题。同时，借助无人机的机动性，可以将紫外组网通信的优势较好地发挥。在户外环境恶劣地区、需要高保密性通信等应用场景下，应用传统通信方式较为困难，无人机群紫外通信是较为理想的通信方式。

无人机群紫外通信具有非视距、保密性强、灵活性强、机动性强、便于组网通信等优势，因此在军用、公用和民用等多个领域均有着广阔的应用前景。僚机即领队机与地面基站之间的通信链路称为陆空通信链路，目前已有的无人机群紫外通信链路中，陆空通信链路有两种，一种是采用无线电等传统通信，这会导致陆空通信链路面临被窃听的风险；另一种是使用紫外LED进行通信，由于紫外LED的有效通信距离有限，使得这种通信模式不适用于远距离的陆空链路信息传输。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于解决无人机群陆空与空空通信容易被窃听的问题，提供一种无人机群陆空与空空通信系统及通信方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种无人机群陆空与空空通信系统，包括：僚机、随从机、地面基站，所述僚机与随从机之间形成空空通信链路，所述僚机与地面基站之间，形成陆空通信链路；所述空空通信链路采用紫外LED散射光通信；所述陆空通信链路采用紫外激光通信；

在所述陆空通信链路中，所述地面基站与僚机结合陆空通信链路的闭环通信实现跟瞄功能。

在一些实施例中，所述僚机上载有僚机紫外通信接收器、僚机紫外LED通信发射器、僚机紫外激光通信发射器；所述随从机上载有随从机紫外LED通信发射器、随从机紫外通信接收器；所述地面基站包括基站紫外通信接收器、基站紫外激光通信发射器。

在一些实施例中，所述跟瞄功能的对准条件为保持收发端在彼此的视场角内。

在一些实施例中，所述基站紫外激光通信发射器包括激光三轴转台、紫外激光器，所述跟瞄功能的实现包括以下步骤：

S1、僚机通过僚机紫外激光通信发射器向地面基站报告自己的实时位置；

S2、地面基站通过控制激光三轴转台使紫外激光器在僚机所报告位置±5°的范围内进行扫描，同时通过紫外激光器发射包含地面基站位置的信息；

S3、如果僚机紫外通信接收器接收到了地面基站的信息，则通过僚机紫外激光通信发射器向地面基站发射成功接收的反馈信息，直至成功建立稳定的陆空通信链路。

在一些实施例中，所述僚机紫外激光通信发射器及基站紫外激光通信发射器的视场角为0-10°。

在一些实施例中，对于两个及两个以上的僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器同时接受信号的情况，所述僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器采用以下信号组合方法之一接收信号：最大比值合并、等增益合并、选择式合并。

在一些实施例中，所述最大比值合并信号组合方法包括对僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器的多个信道信号进行加权，该权值由各信道进行光电转换后的信号电流与噪声的比值决定；所述等增益合并信号组合方法包括求和基于相同权重的均质信号；所述选择式合并信号组合方法包括选择所有信道中信噪比最大的信号作为接收信号，即噪声方差最小的信号或根据实际应用场景设定想要选择的信号。

本发明还提供了一种无人机群陆空通信链路的通信方法，包括：

地面基站与僚机结合陆空通信链路的闭环通信进行跟瞄，所述跟瞄具体包括以下步骤：

S1、僚机通过僚机紫外激光通信发射器向地面基站报告自己的实时位置；

S2、地面基站通过控制基站紫外激光通信发射器中的激光三轴转台使基站紫外激光通信发射器中的紫外激光器在僚机所报告位置预设角度的范围内进行扫描，同时通过紫外激光器发射包含地面基站位置的信息；

S3、如果僚机紫外通信接收器接收到了地面基站的信息，则通过僚机紫外激光通信发射器向地面基站发射成功接收的反馈信息，直至成功建立稳定的陆空通信链路。

在一些实施例中，步骤S3包括以下步骤：

A1、如果僚机未接收到地面基站的信息，所述紫外激光器增加发射功率进行扫描；

A2、如果基站紫外通信接收器接收到所述成功接收的反馈信息，所述紫外激光器根据所述反馈信息自适应调节发射功率。

在一些实施例中，所述预设角度为±5°。

本发明具有如下有益效果：

本发明通过地面基站与僚机结合陆空通信链路的闭环通信实现跟瞄功能，可以建立稳定的空空通信链路，实现基站与僚机之间建立具有反馈机制的通信链路，而不会被非意向通信对象窃听，解决了现有的无人机群陆空通信中使用无线通信技术容易被窃听的问题，且空空通信链路采用紫外LED散射光通信，陆空通信链路及空空通信链路均使用紫外光进行链路通信，利用紫外光优良的保密性能，增强了无人机群陆空与空空通信系统保密性。

附图说明

图1为本发明实施例中无人机群紫外光陆空与空空通信系统通信场景示意图；

图2为本发明实施例中无人机群紫外光陆空与空空通信系统结构组成示意图；

图3为本发明实施例中用于无人机群紫外光陆空与空空通信系统的最小通信单元的结构组成图；

图4为本发明实施例中用于无人机群紫外光陆空与空空通信系统的非视距散射光通信信道模型示意图；

图5为本发明实施例中用于无人机群紫外光陆空与空空通信系统的多收发端非视距散射光通信信道模型示意图；

图6为本发明实施例中用于无人机群紫外光陆空与空空通信系统的紫外激光视距通信场景下的通信模型示意图；

图7为本发明实施例中用于无人机群紫外光陆空与空空通信系统的陆空链路激光视距模型对准条件示意图；

图8为本发明实施例中无人机群紫外光陆空与空空通信系统陆空通信链路建立流程图；

图9为本发明实施例中无人机群紫外光陆空与空空通信系统陆空通信链路建立并自适应调整发射功率流程图；

图10为本发明实施例中紫外光通信与无线电通信范围比较数据图；

附图标记说明如下：

1-僚机，2-地面通信基站，3-随从机，101-僚机紫外通信接收器，102-僚机紫外LED通信发射器，103-僚机紫外激光通信发射器，201-基站紫外通信接收器，202-基站紫外激光通信发射器，301-随从机紫外通信接收器，302-随从机紫外LED通信发射器，3011-第一随从机紫外通信接收器，3021-第一随从机紫外LED通信发射器，3012-第二随从机紫外通信接收器，3022-第二随从机紫外LED通信发射器，3013-第三随从机紫外通信接收器，3023-第三随从机紫外LED通信发射器，1011-光电倍增管/雪崩二极管，1012-跨阻放大器，1013-数模转换器，1014-解调器，1015-解码器，1016-存储器，2021-基站编码器，2022-基站调制器，2023-激光器驱动，2024-紫外激光器，2025-激光三轴转台，2026-视场角调节装置，30201-随从机编码器，30202-随从机调制器，30203-LED驱动，30204-紫外LED。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例

本发明实施例提供的无人机群紫外光陆空与空空通信系统，以解决僚机与地面基站通信保密性差的问题。

本发明实施例提供的无人机群紫外光陆空与空空通信场景示意图如图1和图2所示，包括：僚机1、随从机3、地面通信基站2。

僚机上载有僚机紫外通信接收器101、僚机紫外LED通信发射器102、僚机紫外激光通信发射器103，本发明实施例中僚机1有两个僚机紫外通信接收器101。

随从机上载有随从机紫外LED通信发射器302、随从机紫外通信接收器301等；例如：第一随从机紫外通信接收器3011、第一随从机紫外LED通信发射器3021、第二随从机紫外通信接收器3012、第二随从机紫外LED通信发射器3022、第三随从机紫外通信接收器3013、第三随从机紫外LED通信发射器3023。

地面通信基站包括基站紫外通信接收器201、基站紫外激光通信发射器202。

本发明实施例中僚机1与随从机3之间通过LED进行散射光通信，构成了空空通信链路；僚机1与地面通信基站2之间通过紫外激光进行通信，构成了陆空通信链路。

对于空空通信链路、即僚机与随从机之间，采用紫外LED散射光通信；对于陆空通信链路、即僚机与地面基站之间，采用紫外激光通信。在户外环境恶劣地区、需要高保密性通信等应用场景下，应用传统通信方式较为困难，无人机群紫外通信是较为理想的通信方式，本发明实施例中基站紫外激光通信发射器中的激光三轴转台与紫外激光器可以结合陆空通信链路的闭环通信实现跟瞄功能，可以建立稳定的陆空与空空通信链路，本发明实施例的通信模式可以有效消除陆空通信链路被窃听的风险，既能保证空空与陆空通信链路的信息安全性，又能有效保证信息的传输质量。

本发明实施例中僚机紫外通信接收器101和随从机紫外通信接收器301以及基站紫外通信接收器201用于将接收到的紫外光信号转换为电信号，主要由光电倍增管或者雪崩二极管、跨阻放大器、数模转换器、解调器、解码器、存储器等构成。

本发明实施例中僚机紫外LED通信发射器和随从机紫外LED通信发射器用于将所要传输的信息通过LED发出，主要包括编码器、调制器、LED驱动、紫外LED等。

本发明实施例中僚机紫外激光通信发射器和基站紫外激光通信发射器用于将所要传输的信息通过激光形式发出，包括编码器、调制器、激光器驱动、紫外激光器、激光三轴转台、视场角调节装置等。

其中视场角调节装置由激光扩束器、凹透镜组、透镜位置移动装置等组成。

参阅图3，由随从机紫外LED通信发射器、基站紫外激光通信发射器和僚机紫外通信接收器组成的最小通信单元的结构组成图，此最小通信单元适用于随从机和地面通信基站同时向僚机发射信号的情形，包括随从机紫外LED通信发射器302、僚机紫外通信接收器101、基站紫外激光通信发射器202。

对于随从机紫外LED通信发射器302，按照信号处理的先后顺序，首先所要传输的信息先通过随从机编码器30201进行编码，然后信号转入随从机调制器30202采用OOK、PPM、OFDM等调制方式，之后调制后的信号输入LED驱动30203、由LED驱动30203控制紫外LED30204进行信号的发射。

对于基站紫外激光通信发射器202，按照信号处理的先后顺序，首先所要传输的信息先通过基站编码器2021进行编码，然后信号转入基站调制器2022采用OOK(二进制振幅键控)、PPM(脉位调制)、DPPM(差分脉位调制)等调制方式，之后调制后的信号输入激光器驱动2023、由激光器驱动控制紫外激光器2024进行信号的发射，另外由激光三轴转台2025控制激光发射的方位角、进而实现基站紫外激光通信发射器对僚机的跟瞄；由视场角调节装置2026扩大紫外激光器发射光束的视场角，为保证陆空通信链路的保密性，视场角最大不超过10°，以保证僚机上的僚机紫外通信接收器可以有效接收到信息。

对于僚机紫外通信接收器101，按照信号处理的先后顺序，首先由光电倍增管/雪崩二极管1011将接收到的信号进行光电转换，输出信号为电流信号，之后通过跨阻放大器1012转换为电压信号并进行信号放大，随后电压信号通过数模转换器1013进行数字信号采样，之后信号依次经过解调器1014和解码器1015还原出原始信息，最后将还原出来的信息导入存储器1016进行存储，以便后续的信息处理。

参阅图4，对于非视距情况的紫外LED散射光通信，僚机紫外通信接收器和随从机紫外通信接收器接收到的光功率公式如下：

其中，P_t为发射端光功率，K_e为大气消光系数，K_e＝K_a+K_s，K_a为大气吸收系数，K_s为大气散射系数，A_r为接收区域，φ_R为接收端视场角，φ_T为发射端视场角，θ_R为接收端俯仰角，θ_T为发射端俯仰角，P_r为接收光功率，P_s是散射相函数，d为接收端与发射端之间的距离。

本发明实施例中无人机群紫外光陆空与空空通信系统的两组收发端非视距散射光通信信道模型如图5所示，图中T₁和T₂分别表示第一个和第二个发射端，R₁和R₂分别表示第一个和第二个接收端，θ_T1和θ_T2分别表示第一个和第二个发射端的视场角，θ_R1和θ_R2分别表示第一个和第二个接收端的视场角，α_T1和α_T2分别表示第一个和第二个发射端的俯仰角，α_R1和α_R2分别表示第一个和第二个接收端的俯仰角，对于同时具有多个收发端的紫外LED非视距散射光通信，在采用OOK的强度调制的情况下，每个僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器接收到的信号可以被写成：

其中，Z表示干扰项，η是光电转换系数，P_i是接收端接收到的第i个发射端的光功率，i∈[1,N]表示发射端的序号，s_i∈{0,1}表示OOK调制符号，N是发射端的数量，w是均值为零的加性高斯白噪声、其方差

f是载波频率，h是普朗克常量，R是通信系统的带宽；在此，由于紫外光的背景噪声可以忽略不计，而热噪声占主导地位，因此该噪声用高斯分布来描述。

对于两个及两个以上的僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器同时接受信号的情况，所述僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器采用以下信号组合方法之一接收信号：最大比合并、等增益合并、选择式合并。

对于两个僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器同时接受信号的情况，设其紫外通信接收器信号分别为y₁和y₂，噪声方差分别为

和

其接收信号可以采用三种不同的组合方法之一：最大比合并、等增益合并、选择式合并；

最大比值合并信号组合是对僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器的多个信道信号进行加权，该权值由各信道进行光电转换后的信号电流与噪声的比值决定。

所接收到的信号y可以表示为：

等增益合并信号组合方法是求和基于相同权重的均质信号。所接收到的信号可以表示为：

y＝(y₁+y₂)/2

选择式合并可以是选择所有信道中信噪比最大的信号作为接收信号，即噪声方差最小的信号，也可以根据实际应用场景设定想要选择的信号。

本发明实施例中紫外激光视距通信场景下的通信模型示意图如图6所示，β_t为发射端的光束半角，ξ是接收端与发射端之间的距离，β为光子传输方向与y轴正方向的夹角，σ为接收端的光束半角，τ_t是发射端到接收面所在平面的距离，τ_r是接收端到接收面所在平面的距离，∈是二次散射时光子传输方向与y轴正方向的夹角，θ是光子二次散射方向与一次散射方向之间的夹角，β_R为接收端的光束半角。到达接收器的光子分为两类：一类为直接到达光子；第二类为经过一次散射后到达的光子，根据光子类型，可以分别推导其能量。直接接收到的光能量：假设圆形接收器有效面积为A_r，则直接接收到的光束半角σ＝tan^-1[(A_r/π)^1/2/ξ]，其中ξ为发射端到接收端的距离。

将接收器划分为同心环形。根据紫外光传播理论，环形微元面内接收到的光能量为：

其中E_t是发射端发射的光能量，k_e为消光系数，是散射系数k_s和吸收系数k_a之和。β为光子传输方向与y轴正方向的夹角。ω_t＝2π(1-cosβ_t)为发射端的实心锥角；β_t为发射端的光束半角，ξ是接收端与发射端之间的距离。面积微元ds＝2π(ξtanβ)d(ξtanβ)＝2πξ²tanβsec²βdβ。

在接收面的整个面积内对接收到能量微元进行积分，就可以得到直接接收到的光能量：

散射接收到的光能量：假设光子经过一次散射到达接收器。微元体积内未被吸收的光子能量为：

其中τ_t是发射端到接收面所在平面的距离，τ_r是接收端到接收面所在平面的距离。

由微元体积发出被接收器接收到的光能量为：

其中τ_r是接收端到接收面所在平面的距离，k_s是紫外光的大气散射系数，

是相散函数，β_max是光子传输方向与y轴正方向夹角的最大值，∈是二次散射时光子传输方向与y轴正方向的夹角。

相散函数

为瑞利散射和米氏散射相位函数的加权和：

其中

为瑞利散射系数，

是瑞利散射相位函数，

是米氏散射相位函数，

为米氏散射系数，且有

γ，g，f为模型参数，一般情况下取γ＝0.017，f＝0.5，g＝0.72。

最终接收端所接收到的能量为直接接收能量与一次散射接收能量之和。路径损耗可由接收能量与发射能量的比值得到。

本发明实施例中陆空链路激光视距模型跟瞄功能的对准条件如图7所示，在实际无人机紫外通信系统中，由于视距传输的路径损耗较小，因此只需要保持收发端在彼此的视场角内，而不需要将收发端严格对齐。根据如图7所示的几何关系可以推导出，LOS(视距)通信模式的对准条件为：

σ_T＝arccos(cosθ_Tcosα_T)<β_T

σ_R＝arccos(cosθ_Rcosα_R)<β_R

其中σ_T为发射器视场轴线与收发端连线之间的夹角，σ_R为接收器视场轴线与收发端连线之间的夹角，θ_T为发射器视场轴线与发射端轴线在XOY平面投影线之间的夹角，θ_R为接收器视场轴线与接收端轴线在XOY平面投影线之间的夹角，α_T为发射端轴线在XOY平面投影线与收发端连线之间的夹角，α_R为接收端轴线在XOY平面投影线与收发端连线之间的夹角，β_T为发射端的光束半角，β_R为接收端的光束半角。该对准条件可用于基于激光视距通信的陆空通信链路的收发端几何结构配置。

本发明实施例中无人机群紫外光陆空与空空通信系统的陆空通信链路建立流程图如图8，所示首先僚机通过僚机紫外激光通信发射器向地面基站报告自己的实时位置，然后地面基站通过控制激光三轴转台使紫外激光器在僚机所报告位置预设角度的范围内进行扫描，本实施例中，预设角度为±5°，同时通过紫外激光器发射包含地面基站位置的信息，如果僚机紫外通信接收器接收到了地面基站的信息，则通过僚机上的僚机紫外激光通信发射器向地面基站发射成功接收的反馈信息，直至成功建立稳定的陆空通信链路。结合上述流程，所述激光三轴转台可以结合陆空通信链路的闭环通信实现跟瞄功能。

在另一些实施例中，无人机群紫外光陆空与空空通信系统的陆空通信链路建立并自适应调整发射功率流程图如图9所示，首先僚机通过僚机紫外激光通信发射器向地面基站报告自己的实时位置，然后地面基站通过控制激光三轴转台使紫外激光器在僚机所报告位置预设角度±5°的范围内进行扫描，同时通过紫外激光器发射包含地面基站位置的信息，如果僚机接收到了地面基站的信息，则通过僚机上的僚机紫外激光通信发射器向地面基站发射成功接收的反馈信息，反馈信息包括发射功率值；如果僚机没有接收到地面基站的信息，则地面基站的紫外激光器增加发射功率，地面基站再次通过控制激光三轴转台使紫外激光器在僚机所报告位置±5°的范围内进行扫描，同时通过紫外激光器发射包含地面基站位置的信息；如果僚机接收到了地面基站的信息，则通过僚机上的僚机紫外激光通信发射器向地面基站发射成功接收的反馈信息(反馈信息包括发射功率值)。如果地面基站的基站紫外通信接收器没有接受到反馈信息，则僚机上的僚机紫外激光通信发射器继续向地面基站发射接受到成功接收反馈信息；如果地面基站的基站紫外通信接收器接受到了反馈信息，则地面基站的紫外激光器根据反馈信息自适应调节发射功率，直至成功建立稳定的陆空通信链路。其中紫外激光器输出功率范围为1mW-1000mW，通过输出功率控制模块可以实现输出功率的线性调整。僚机与地面基站的激光器发光功率初始值20mW。

无人机群紫外通信有特定的应用场景，即要求保密性，本发明实施例的有益效果主要是陆空通信链路的保密性，对于本发明实施例中有益效果的证明，其中将紫外光通信与无线电通信范围的仿真结果比较如图10所示。对于电磁波通信，自由空间中两个理想点源天线之间的传输损耗PL_EMW为：

PL_EMW＝32.45+20lg f+20lg d

其中f为所用无线电的频率，在仿真中取800Mhz；d为通信距离。

对于紫外光通信的路径损耗采用蒙特卡洛模拟的方法仿真，仿真光子数选择一百万，光子散射次数为单次散射，通信距离一万米，收发端的俯仰角和离轴均为0°，视场角为60°，其余仿真需要的参数均与本发明实施例上文提到的参数相同。仿真结果如图10所示，路径损耗超过100dB视为通信质量则特别差，可以得出紫外光通信的有效通信距离约为57米，而无线电通信的距离为3000米，故紫外光通信的通信保密性优于无线电通信。紫外LED光通信由于LED发出的光为朗伯分布，故可实现小范围的空空链路保密通信。

国内外已有较多研究团队成功实现激光的远距离通信，在已公布的研究成果中，成功实现的最远的激光通信链路为40000km，成功实现的最远的紫外激光通信链路为50km。同理，在本发明实施例中，对于需要远距离通信的陆空通信链路，对于紫外光通信通信路径损耗较大的问题，可以通过增大发射功率的方式来提高接收端接收到的信号强度，紫外激光器的功率较紫外LED大，另外由于激光具有良好的准直性，紫外激光器的视场角比紫外LED小得多，其发出的能量较多集中在紫外激光器的视场范围内。

本发明实施例将基站紫外激光通信发射器和僚机紫外激光通信发射器视场角控制在0-10°范围内，故可以使较大的发射能量集中在较小的视场范围内，从而实现远距离的陆空链路通信，由于紫外激光通信光子多为视距传播，接收端视场角在紫外激光器的视场角内才可以实现有效通信。

结合本发明实施例的激光三轴转台跟瞄功能，可实现基站紫外激光通信发射器与僚机之间建立具有反馈机制的通信链路，而不会被非意向通信对象窃听，故本发明实施例可实现更佳的远距离的陆空链路保密通信。

对于无线电通信方式，其通信信号会遍布在较大的范围内，只要窃听方在此范围内，通信信号就会被窃听，而激光的准直性较好，采用紫外激光进行陆空通信信号不会遍布在较大范围，接收端视场角在紫外激光器的视场角内才可以实现有效通信，本发明实施例基站紫外激光通信发射器和僚机紫外激光通信发射器视场角可调，为保证陆空通信链路的保密性，基站紫外激光通信发射器和僚机紫外激光通信发射器视场角控制在0-10°范围内。所以相比无线电通信，本发明实施例的保密性优于无线电通信，适用于保密通信、户外多障碍物环境，应急通信等领域。

在保密通信、应急通信领域，相比无线电通信方式，具有如下的有益效果：

1)本发明实施例可以在户外环境恶劣地区实现保密应急通信，传统的无线电通信的短板较为明显，具体有：容易被窃听、频谱资源稀缺、易受障碍物的影响、通信装置功耗较大、通信装置架设困难等，而无人机群紫外通信手段可以弥补这些缺陷。

2)本发明实施例可以越过障碍物实现非视距通信，同时可以保证陆空与空空通信链路的安全性与数据传输的实用性，紫外光通信是利用大气日盲区的紫外波段进行散射光通信，具备保密性好、背景噪声低、可以越过障碍物进行非视距通信、通信装置功耗较低、通行装置架设简便等优势。

在户外环境恶劣地区、需要高保密性通信等应用场景下，应用传统通信方式较为困难，无人机群紫外通信是较为理想的通信方式。本发明实施例具体非视距、保密性好、通信链路稳定等独特优势，在某些领域不可替代。

本发明实施例提供的方法属于无人机群紫外光通信领域，该领域要求通信方式具有高安全性，针对目前的无人机群紫外通信系统陆空通信链路面临被窃听风险的问题，提出一种无人机群陆空与空空通信系统。

本实施例的方法相较于已有同类方法，可以有效消除陆空通信链路被窃听的风险，既能保证空空与陆空通信链路的信息安全性，又能有效保证信息的传输质量。可以为紫外通信技术在无人系统上应用打下坚实的基础。

所解决的痛点问题如下：

目前的无人机群紫外通信系统，僚机，即领队机与地面基站之间的通信仍采用无线电通信，这会导致陆空通信链路面临被窃听的风险。本实施例的方法结合LED散射光通信与激光视距通信，可以有效解决陆空通信链路通信安全性的问题。

本发明实施例的通信模式可以有效消除陆空通信链路被窃听的风险，既能保证空空与陆空通信链路的信息安全性，又能有效保证信息的传输质量。

本发明实施例结合激光三轴转台可以结合陆空通信链路的闭环通信实现跟瞄功能，可以建立稳定的陆空与空空通信链路。

具体应用场景如下：

可以实现具有高保密性的无人机群紫外通信，可以提供给科研院所、研发机构，商业公司、政府机构等科研项目或实际应用，例如：户外活动保密通信手段，地形复杂地区应急通信，强散射恶劣天气应急通信，山区、沙漠等不支持射频通信地区的保密应急通信。

本实施例的方法拥有巨大的应用前景，对于保密通信、应急通信领域有以下市场价值：

1)本实施例的方法可以在户外环境恶劣地区实现保密应急通信，传统的无线电通信的短板较为明显，具体有：容易被窃听、频谱资源稀缺、易受障碍物的影响、通信装置功耗较大、通信装置架设困难等，而无人机群紫外通信手段可以弥补这些缺陷。

2)本实施例的方法可以越过障碍物实现非视距通信，同时可以保证陆空与空空通信链路的安全性与数据传输的实用性，紫外光通信是利用大气日盲区的紫外波段进行散射光通信，具备保密性好、背景噪声低、可以越过障碍物进行非视距通信、通信装置功耗较低、通行装置架设简便等优势。

本实施例的方法具体非视距、保密性好、通信链路稳定等独特优势，在某些领域不可替代。

本实施例的方法未来可应用至多种需要保密通信的户外环境当中，在民用、公用、军事等领域都有着巨大的应用前景。未来该技术会继续进行原型设计、并不断丰富技术理论，尽快推进无人机群紫外通信技术在我国多个领域应用，提升我国保密通信与应急通信的技术水平。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种无人机群陆空与空空通信系统，其特征在于，包括：僚机、随从机、地面基站，所述僚机与随从机之间形成空空通信链路，所述僚机与地面基站之间，形成陆空通信链路；所述空空通信链路采用紫外LED散射光通信；所述陆空通信链路采用紫外激光通信；

在所述陆空通信链路中，所述地面基站与僚机结合陆空通信链路的闭环通信实现跟瞄功能。

2.根据权利要求1所述的无人机群陆空与空空通信系统，其特征在于，所述僚机上载有僚机紫外通信接收器、僚机紫外LED通信发射器、僚机紫外激光通信发射器；所述随从机上载有随从机紫外LED通信发射器、随从机紫外通信接收器；所述地面基站包括基站紫外通信接收器、基站紫外激光通信发射器。

3.根据权利要求1所述的无人机群陆空与空空通信系统，其特征在于，所述跟瞄功能的对准条件为保持收发端在彼此的视场角内。

4.根据权利要求2所述的一种无人机群陆空与空空通信系统，所述基站紫外激光通信发射器包括激光三轴转台、紫外激光器，其特征在于，所述跟瞄功能的实现包括以下步骤：

S1、僚机通过僚机紫外激光通信发射器向地面基站报告自己的实时位置；

S2、地面基站通过控制激光三轴转台使紫外激光器在僚机所报告位置±5°的范围内进行扫描，同时通过紫外激光器发射包含地面基站位置的信息；

S3、如果僚机紫外通信接收器接收到了地面基站的信息，则通过僚机紫外激光通信发射器向地面基站发射成功接收的反馈信息，直至成功建立稳定的陆空通信链路。

5.根据权利要求2所述的无人机群陆空与空空通信系统，其特征在于，所述僚机紫外激光通信发射器及基站紫外激光通信发射器的视场角为0-10°。

6.根据权利要求2所述的无人机群陆空与空空通信系统，其特征在于，对于两个及两个以上的僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器同时接受信号的情况，所述僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器采用以下信号组合方法之一接收信号：最大比值合并、等增益合并、选择式合并。

7.根据权利要求6所述的无人机群陆空与空空通信系统，其特征在于，所述最大比值合并信号组合方法包括对僚机紫外通信接收器、随从机紫外通信接收器或基站紫外通信接收器的多个信道信号进行加权，该权值由各信道进行光电转换后的信号电流与噪声的比值决定；所述等增益合并信号组合方法包括求和基于相同权重的均质信号；所述选择式合并信号组合方法包括选择所有信道中信噪比最大的信号作为接收信号，即噪声方差最小的信号或根据实际应用场景设定想要选择的信号。

8.一种无人机群陆空通信链路的通信方法，其特征在于，包括：

地面基站与僚机结合陆空通信链路的闭环通信进行跟瞄，所述跟瞄具体包括以下步骤：

S1、僚机通过僚机紫外激光通信发射器向地面基站报告自己的实时位置；

S2、地面基站通过控制基站紫外激光通信发射器中的激光三轴转台使基站紫外激光通信发射器中的紫外激光器在僚机所报告位置预设角度的范围内进行扫描，同时通过紫外激光器发射包含地面基站位置的信息；

S3、如果僚机紫外通信接收器接收到了地面基站的信息，则通过僚机紫外激光通信发射器向地面基站发射成功接收的反馈信息，直至成功建立稳定的陆空通信链路。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S3包括以下步骤：

A1、如果僚机未接收到地面基站的信息，所述紫外激光器增加发射功率进行扫描；

A2、如果基站紫外通信接收器接收到所述成功接收的反馈信息，所述紫外激光器根据所述反馈信息自适应调节发射功率。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预设角度为±5°。

Images