CN116707624A - 一种多艇组网通导遥系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多艇组网通导遥系统及方法，包括临近空间信息节点，用户终端和运管中心，所述临近空间信息节点包括临近空间飞艇和通导遥一体化载荷，所述用户终端包括车载CPE终端、船载CPE终端、车载基站、船载基站和手持机，所述运管中心包括系统运维模块和规划调度模块。本发明采用上述的一种多艇组网通导遥系统及方法，可以降低用户使用成本，且实现对边缘区域的大范围、低成本覆盖，对现有的卫星通导遥系统提供辅助增强。

Description

一种多艇组网通导遥系统及方法

技术领域

本发明涉及临近空间飞艇组网应用技术领域，尤其是涉及一种多艇组网通导遥系统及方法。

背景技术

随着经济和社会的发展，信息在经济生活和生产活动中扮演的角色越来越重要，5G、物联网等技术起到了重要的催化剂作用。然而，受到地理条件的限制，在山区、沙漠、草原、深远海等区域，通信基础设施还没有形成很好的覆盖，存在建设困难、运营成本高等问题，卫星通信从资费、终端都存在成本过高的问题。遥感方面，普遍存在分辨率地、时效差的问题，且不能实现对区域的连续监视；导航方面，存在导航定位精度低，容易受到干扰等问题。

临近空间位于航空与航天的空间结合部，是跨接航空与航天的新领域，是继深空、深海、极地和网络空间之后的又一战略空间，临近空间飞艇作为一种可在该空间实现长期区域驻留的大载荷飞行平台，通过组网协同运行，可有效弥补现有空天地信息系统在空间和时间分辨率上的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种多艇组网通导遥系统及方法，可以降低用户使用成本，且实现对边缘区域的大范围、低成本覆盖，对现有的卫星通导遥系统提供辅助增强。

为实现上述目的，本发明提供了一种多艇组网通导遥系统，包括临近空间信息节点，用户终端和运管中心，所述临近空间信息节点包括临近空间飞艇和通导遥一体化载荷，所述用户终端包括车载CPE终端、船载CPE终端、车载基站、船载基站和手持机，所述运管中心包括系统运维模块和规划调度模块；

所述通导遥一体化载荷包括通信模块、导航模块和遥感模块，所述通信模块为5G一体化大功率基站；所述导航模块为信号型导航增强系统，并与现有GNSS信号进行联合定位；所述遥感模块采集覆盖区域的高精度遥感图像和用户关注区域的图像或视频；

所述系统运维模块用于临近空间飞艇信息节点运行状态的监测及管理；所述规划调度模块以用户需求为导向，以平台能源、抗风能力为约束，采用强化学习算法，在持续变化的临空环境中，规划多艇运行路径，实现对目标区域的多艇连续覆盖或编队覆盖。

优选的，所述临近空间飞艇以超视距链路作为测控链路，实现运管中心与飞艇之间的通联。

优选的，所述车载CPE终端和船载CPE终端通过具备动态伺服机构的定向天线，通过艇载通导遥一体化载荷构建信息链路，为用户提供Wifi接入服务；车载/船载基站为用户提供5G信号。

本发明还提供了一种多艇组网通导遥方法，包括以下步骤：

S1、区域规划场景构建

区域规划场景构建包括以下三个方面的内容：

一是飞艇数字模型，包括飞艇数字模型及载荷能力模型；飞艇数字模型描述飞艇的机动能力以及对载荷的能源供给能力；载荷能力模型以平台对载荷的供电为输入，描述通导遥载荷在不同功耗下的作业能力；

二是环境模型，综合实测、预测气象数据，构建临近空间大区域环境模型，作为飞艇运行的仿真环境；

三是任务模型，包括多艇连续覆盖、编队覆盖、区域持续覆盖；

多艇连续覆盖以最优编队路径完成任务周期内的动态覆盖任务，路径在满足最低能量限度时，充分提升覆盖效率；以最大化已覆盖面积和最小化更新等待期为第一目的，选出相同成本下更新区域更大、间隔更短的路径，并生成多艇动态覆盖决策流程图和多艇动态覆盖路径规划结果示意图；

编队覆盖分为静态覆盖和动态覆盖，静态覆盖即编队成员的相对位置和绝对位置基本不变，即算法的结果是输出各个飞行器的最优位置点；动态覆盖即各个飞行器由于主客观因素的影响，在保持持续移动飞行中，保持相对位置基本不变；编队覆盖规划一条可行的飞行路线或最优位置点，既满足飞行器动力学要求，又保持阵型的相对稳定；

区域持续覆盖以最优路径完成任务区域和周期内的持续覆盖任务；路径在满足最低能量限度和飞行器动力学特性要求的基础上，以最大化多艇对任务区域的覆盖面积和覆盖时间为目标，给出合理的运动路径；

S2、目标规划与路径规划

采用强化学习技术构建规划调度功能，分为目标规划层与路径规划层，路径规划层为单艇抵达目标点提供最优路径规划；目标规划层综合考虑任务整体需求及全局环境态势，为单艇分配最佳目标点；

目标规划层利用深度强化强化学习选出适应飞艇能力并满足用户需求的目标点，再通过单艇路径规划到达目标点，定期监测任务区域的各目标点的状态，寻找满足任务需求的飞艇编队的路径信息，飞行过程中飞艇编队协同完成未监测区域和待更新区域的状态信息更新；

路径规划层以目标规划层输出的目标点为目标，结合区域环境态势，规划单艇运行作业路径；多艇动态覆盖是以连续覆盖目标区域，持续更新区域内测绘目标状态，实现对区域的实时监测；

S3、评估调整

根据多艇动态覆盖路径规划结果示意图进行判别，若目标点不合理可重新进行目标点选取或人工进行选点重新进行路径规划；若路径不合理可重新判别，进行新路径的选取。

因此，本发明采用上述一种多艇组网通导遥系统及方法，其技术效果如下：

（1）可以解决偏远地区低成本通信覆盖问题。

（2）进一步提高导航定位精度，或在导航星座收到干扰/摧毁时，对系统覆盖范围内的终端提供导航定位覆盖；

（3）通过获取高精度遥感图像，实现区域连续监视。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种多艇组网通导遥系统及方法整体结构图；

图2为本发明一种多艇组网通导遥系统及方法中单艇组网架构图；

图3为本发明一种多艇组网通导遥系统及方法中多艇组网架构图；

图4为本发明一种多艇组网通导遥系统及方法中飞艇能源构成情况组成图；

图5为本发明一种多艇组网通导遥系统及方法中多艇动态覆盖决策流程图；

图6为本发明一种多艇组网通导遥系统及方法中多艇动态覆盖路径规划结果示意图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

实施例一

图1为本发明一种多艇组网通导遥系统及方法整体结构图。包括临近空间信息节点，用户终端和运管中心，临近空间信息节点包括临近空间飞艇和通导遥一体化载荷，用户终端包括车载CPE终端、船载CPE终端、车载基站、船载基站和手持机，运管中心包括系统运维模块和规划调度模块。

临近空间飞艇以超视距链路作为测控链路，实现运管中心与飞艇之间的通联。如实现飞艇状态监控、飞行任务规划等。

通导遥一体化载荷包括通信模块、导航模块和遥感模块，通信模块为5G一体化大功率基站，有效覆盖范围为300km，为覆盖区域范围内的用户提供5g服务。导航模块为信号型导航增强系统，并与现有GNSS信号进行联合定位，提升导航服务的可靠性、连续性和可用性；遥感模块采集覆盖区域的高精度遥感图像和用户关注区域的图像或视频。

车载CPE终端和船载CPE终端通过具备动态伺服机构的定向天线，通过艇载通导遥一体化载荷构建信息链路，为用户提供Wifi接入服务；车载/船载基站为用户提供5G信号；在飞艇正下方的区域，用户可以通过手持机直接接入多艇组网通导遥系统，获取通信、导航、遥感服务。

系统运维模块用于临近空间飞艇信息节点运行状态的监测及管理；规划调度模块以用户需求为导向，以平台能源、抗风能力为约束，采用强化学习算法，在持续变化的临空环境中，规划多艇运行路径，实现对目标区域的连续覆盖或编队覆盖。

以海洋通讯为例，多艇组网通导遥系统的实施方式如下：

（一）单艇系统架构

图2为单艇组网架构图。

通过临近空间飞艇搭载专用通信载荷，构建海上普通用户和互联网之间的通信中继链路，为半径超过200km范围内的海上普通用户提供联网通信服务。

海上普通用户：手机、PC等

船载CPE终端：提供2.4G/5GWIFI信号，同时，通过定向天线与临近空间飞艇进行数据交换（动中通），作用距离不低于200km。

临近空间飞艇：一是搭载广域多用户接入设备，满足覆盖范围内船载WIFI基站设备接入需求；二是搭载艇地网络互连设备，可根据应用模式，选配搭载视距宽带通信终端或高通量卫星通信终端。

广域多用户接入设备：重量、功耗、尺寸待定，并发接入终端数量不低于1000个，峰值下载速率不低于100Mbps，上传速率不低于10Mbps，作用距离不低于200km。

视距宽带链路：回传10Mbps（互联网端接收），上载100Mbps（艇载端接收），作用距离不低于300km。

高通量卫星链路：回传10Mbps（互联网端接收），下载（艇载端接收）100Mbps

（二）多艇组网架构

图3为多艇组网架构图。

通过临近空间飞艇搭载区域通信覆盖、艇间通信和艇地通信等载荷，构建海上普通用户和互联网之间的通信中继链路，单艇覆盖范围为直径200km，艇间通信采用定向微波通信，实现300Mbps的高速通信，艇地链路采用定向微波通信300Mbps。

可部分临近空间飞艇搭载效性核心网设备，实现海上用户之间的通信互联，每个临空艇搭配3组艇间通信设备，骨干临近空间飞艇不搭载通信覆盖设备，替换为艇地链路载荷，实现与地面站的交互。

船载CPE终端：提供2.4G/5GWIFI信号，同时，通过定向天线与临近空间飞艇进行数据交换（动中通），作用距离不低于200km。

船载基站：提供2.4G/5GWIFI信号共用户接入，采用移动网络（LTE、5G）方式作为UE对接艇载RRU单元，同时，通过定向天线与临近空间飞艇进行数据交换（动中通），作用距离不低100km。

艇间通信：采用定向微波设备（X、Ku、Ka、E等波段）或激光通信链路，采用窄带通信设备（U频段）进行实时握手后，调节定向天线进行对准通信，作用距离不低于500km，通信速率300Mbps。

艇地通信：采用定向微波设备（X、C等波段），采用窄带通信设备（U频段）进行实时握手后，调节定向天线进行对准通信，作用距离不低于200km，通信速率1Gbps。

（三）骨干网络通信

1.艇地宽带

艇地宽带通信链路为临近空间骨干通信网络业务数据落地提供高可靠、低成本信道。考虑到用户的使用模式，不同于常规视距宽带通信链路，艇地宽带通信链路上传速率通常远高于下载速率，满足艇地双向以Gbps为单位的高速通信需求。

2.艇间宽带组网

通过多艇组网、协同作业，构建临近空间骨干通信网络，有效提升临近空间飞艇组网通信系统对海覆盖范围，形成对深远海通信保障能力。艇间宽带组网技术以激光通信为核心，构建信息速率不低于300Mbps的艇间通信链路，通过搭载多组小型化激光通信终端，形成通信组网、随遇接入能力，保障业务数据在艇间的高速可靠传输。

3.艇载宽带卫通终端

天基通信是艇地宽带通信的备用信道。在临近空间飞艇骨干通信网络建设的初始阶段，当临近空间飞艇在深远海部署时，尤其需要天基通信为用户业务数据的传输提供保障。艇载宽带卫通终端是天基通信的关键设备。

（四）业务网络通信

1、窄带移动通信（LORA）

搭载窄带移动通信设备，实现广域的数据收割，通过飞艇巡航实现海上浮漂等信息的回传，可采用LORA等物联网技术体制。

2、宽带移动通信（LTE、5G等）

搭载LTE或5G的RRU和BBU设备，可增加UPF作为专网的核心网，实现区域的覆盖和内部互联。

3、集群通信

临近空间飞艇搭载集群通信终端，利用IPT集群通信体制实现区域的集群通信，并通过视距链路回传到核心公网，实现与互联网的互联互通。

（五）多艇组网通导遥系统方法

规划调度功能采用强化学习技术构建，共分为目标规划与路径规划两层。目标规划层以用户需求为导向，综合考虑临近空间环境及可达性，选择满足任务目标的合适区域，实现对目标区域的多艇动态覆盖或编队覆盖，满足用户在通信、导航、遥感等领域的需求。路径规划层以目标规划层输出的目标点为目标，规划单艇运行作业路径，作为单艇飞行控制的依据。多艇动态覆盖是以连续覆盖目标区域，持续更新区域内测绘目标状态，实现对区域的近似实时监测。

场景构建：

一是飞艇数字模型，包括飞艇数字模型及载荷能力模型；飞艇数字模型主要描述飞艇的机动能力以及对载荷的能源供给能力；载荷能力模型以平台对载荷的供电为输入，描述通导遥载荷在不同功耗下的作业能力；

二是环境模型，综合实测、预测等气象数据，构建临近空间大区域环境模型，作为飞艇运行的仿真环境；

三是任务模型，包括多艇连续覆盖、编队覆盖、区域持续覆盖等；

多艇连续覆盖以最优编队路径完成任务周期内的动态覆盖任务，路径在满足最低能量限度时，充分提升覆盖效率；以最大化已覆盖面积和最小化更新等待期为第一目的，选出相同成本下更新区域更大、间隔更短的路径，并生成多艇动态覆盖决策流程图和多艇动态覆盖路径规划结果示意图；

编队覆盖分为静态覆盖和动态覆盖，静态覆盖即编队成员的相对位置和绝对位置基本不变，故算法的结果是输出各个飞行器的最优位置点；动态覆盖即各个飞行器由于主客观因素的影响，在保持持续移动飞行中，保持相对位置基本不变；编队覆盖就要求规划出一条可行的飞行路线或最优位置点，既满足飞行器动力学要求，又保持阵型的相对稳定；

区域持续覆盖以最优路径完成任务区域和周期内的持续覆盖任务；路径在满足最低能量限度和飞行器动力学特性要求的基础上，以最大化多艇对任务区域的覆盖面积和覆盖时间为目标，给出合理的运动路径。

图4为飞艇能源构成情况组成图。以飞艇当前坐标作为初始点，当前时间作为初始时间，当前能量作为初始能量，目标规划及路径规划均基于此。

目标规划与路径规划：

采用强化学习技术构建规划调度功能，分为目标规划层与路径规划层，路径规划层为单艇抵达目标点提供最优路径规划；目标规划层综合考虑任务整体需求及全局环境态势，为单艇分配最佳目标点；

目标规划层利用深度强化强化学习选出适应飞艇能力并满足用户需求的目标点，再通过单艇路径规划到达目标点，定期（3天）监测任务区域的各目标点的状态，寻找满足任务需求的飞艇编队的路径信息，飞行过程中飞艇编队协同完成未监测区域和待更新区域的状态信息更新；

路径规划层以目标规划层输出的目标点为目标，结合区域环境态势，规划单艇运行作业路径；多艇动态覆盖是以连续覆盖目标区域，持续更新区域内测绘目标状态，实现对区域的实时监测；图5为多艇动态覆盖决策流程图。

图6为多艇动态覆盖路径规划结果示意图（五角星为起始点，实心圆为目标点，外围圆圈为动态覆盖任务区域边界）

评估调整：

参与飞艇飞行控制的人员可根据路径规划生成的结果图进行合理性判别。如遇目标点不合理可重新进行目标点选取或人工进行选点重新进行路径规划。如遇路径不合理可重新判别，进行新路径的选取。

因此，本发明采用上述一种多艇组网通导遥系统及方法，可以解决偏远地区低成本通信覆盖问题；进一步提高导航定位精度，或在导航星座收到干扰/摧毁时，对系统覆盖范围内的终端提供导航定位覆盖；通过获取高精度遥感图像，实现区域连续监视。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种多艇组网通导遥系统，其特征在于：包括临近空间信息节点，用户终端和运管中心，所述临近空间信息节点包括临近空间飞艇和通导遥一体化载荷，所述用户终端包括车载CPE终端、船载CPE终端、车载基站、船载基站和手持机，所述运管中心包括系统运维模块和规划调度模块；

所述通导遥一体化载荷包括通信模块、导航模块和遥感模块，所述通信模块为5G一体化大功率基站；所述导航模块为信号型导航增强系统，并与现有GNSS信号进行联合定位；所述遥感模块采集覆盖区域的高精度遥感图像和用户关注区域的图像或视频；

所述系统运维模块用于临近空间飞艇信息节点运行状态的监测及管理；所述规划调度模块以用户需求为导向，以平台能源、抗风能力为约束，采用强化学习算法，在持续变化的临空环境中，规划多艇运行路径，实现对目标区域的多艇连续覆盖或编队覆盖。

2.根据权利要求1所述的一种多艇组网通导遥系统，其特征在于，所述临近空间飞艇以超视距链路作为测控链路，实现运管中心与飞艇之间的通联。

3.根据权利要求1所述的一种多艇组网通导遥系统，其特征在于，所述车载CPE终端和船载CPE终端通过具备动态伺服机构的定向天线，通过艇载通导遥一体化载荷构建信息链路，为用户提供Wifi接入服务；车载/船载基站为用户提供5G信号。

4.一种多艇组网通导遥方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、区域规划场景构建

区域规划场景构建包括以下三个方面的内容：

一是飞艇数字模型，包括飞艇数字模型及载荷能力模型；飞艇数字模型描述飞艇的机动能力以及对载荷的能源供给能力；载荷能力模型以平台对载荷的供电为输入，描述通导遥载荷在不同功耗下的作业能力；

二是环境模型，综合实测、预测气象数据，构建临近空间大区域环境模型，作为飞艇运行的仿真环境；

三是任务模型，包括多艇连续覆盖、编队覆盖、区域持续覆盖；

多艇连续覆盖以最优编队路径完成任务周期内的动态覆盖任务，路径在满足最低能量限度时，充分提升覆盖效率；以最大化已覆盖面积和最小化更新等待期为第一目的，选出相同成本下更新区域更大、间隔更短的路径，并生成多艇动态覆盖决策流程图和多艇动态覆盖路径规划结果示意图；

编队覆盖分为静态覆盖和动态覆盖，静态覆盖即编队成员的相对位置和绝对位置基本不变，即算法的结果是输出各个飞行器的最优位置点；动态覆盖即各个飞行器由于主客观因素的影响，在保持持续移动飞行中，保持相对位置基本不变；编队覆盖规划一条可行的飞行路线或最优位置点，既满足飞行器动力学要求，又保持阵型的相对稳定；

区域持续覆盖以最优路径完成任务区域和周期内的持续覆盖任务；路径在满足最低能量限度和飞行器动力学特性要求的基础上，以最大化多艇对任务区域的覆盖面积和覆盖时间为目标，给出合理的运动路径；

S2、目标规划与路径规划

采用强化学习技术构建规划调度功能，分为目标规划层与路径规划层，路径规划层为单艇抵达目标点提供最优路径规划；目标规划层综合考虑任务整体需求及全局环境态势，为单艇分配最佳目标点；

目标规划层利用深度强化学习选出适应飞艇能力并满足用户需求的目标点，再通过单艇路径规划到达目标点，定期监测任务区域的各目标点的状态，寻找满足任务需求的飞艇编队的路径信息，飞行过程中飞艇编队协同完成未监测区域和待更新区域的状态信息更新；

路径规划层以目标规划层输出的目标点为目标，结合区域环境态势，规划单艇运行作业路径；多艇动态覆盖是以连续覆盖目标区域，持续更新区域内测绘目标状态，实现对区域的实时监测；

S3、评估调整

根据多艇动态覆盖路径规划结果示意图进行判别，若目标点不合理可重新进行目标点选取或人工进行选点重新进行路径规划；若路径不合理可重新判别，进行新路径的选取。