CN117240359B - 一种基于紫外光的无人机集群光电混合组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于紫外光的无人机集群光电混合组网方法，适用于无人机集群自组网网络的构建，解决无人机集群系统网络带宽不足、抗干扰能力不强的问题。该方法包括建立基于紫外光的光电混合组网架构、建立自由空间光链路和射频链路、光电网络切换、网络的中断与重构。本发明的突出优点是：通过结合射频通信信道稳定、传输距离远和紫外光通信带宽大、大气空间散射的特点，在不需要自由空间光通信指向跟踪系统（ATP）下，实现简单易行的无人机集群光电混合自组网系统，并具有网络容量大、通信带宽大、可靠性高的特点。
Description
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种无人机集群光电混合组网方法。
背景技术
目前随着无人技术和人工智能的发展，无人机集群由于其体积小、使用灵活、成本低的特点，逐渐在联合侦察、联合救援、边境巡逻、森林防火、遥感探测等领域得到应用，相比于单一无人机，无人机集群能够通过无人机间协同编队实现“1+1>2”的效果，单个无人机的故障或失效不影响整体集群系统。无人机集群自组网网络是无人机集群的基础，自组网网络的网络容量越大，无人机集群的规模越大，但每个无人机节点的通信带宽越小，另外网络规模、网络带宽的扩大使得无人机集群的通信抗干扰能力变弱，容易受到环境和地形中各类电磁信号的干扰。
当前无人机集群自组网多采用射频方式形成无中心或有中心网络，有中心网络一般利用地面无人机站作为中心节点，容易受到地形和环境影响，通信距离受限，无中心网络以节点间多跳实现网络维护，但由于各节点间通信距离和频谱资源的限制，容易形成隐藏节点和暴露节点，网络的通信可靠性较差。另外由于无人机的移动特性，自组网的网络拓扑时刻处于动态变化的过程中，导致基于无线光的组网通信难以适应无人机这类运动特性随机、运动变化快的场景。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于紫外光的无人机集群光电混合组网方法，适用于无人机集群自组网网络的构建，解决无人机集群系统网络带宽不足、抗干扰能力不强的问题。该方法包括建立基于紫外光的光电混合组网架构、建立自由空间光链路和射频链路、光电网络切换、网络的中断与重构。本发明的突出优点是：通过结合射频通信信道稳定、传输距离远和紫外光通信带宽大、大气空间散射的特点，在不需要自由空间光通信指向跟踪系统（ATP）下，实现简单易行的无人机集群光电混合自组网系统，并具有网络容量大、通信带宽大、可靠性高的特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1：建立基于紫外光的光电混合组网架构；
每个无人机的光电混合组网系统具包括一个紫外光天线、一个全向射频天线、一组PMT探测组件、一个射频前端和一个综合信息处理板；紫外光天线与PMT探测组件相连，全向射频天线与射频前端相连，PMT探测组件、射频前端均与综合信息处理板相连；
步骤2：建立自由空间光链路和射频链路；
每个无人机通过射频链路，建立无人机集群系统的自组网通信，发送分群信息、无人机编号信息、飞行速度、位置信息、航向信息，通过无人机分群信息，无人机子群内无人机构建紫外光通信链路；
步骤3：光电网络切换；
各子群内每个无人机的紫外光通信链路和射频通信链路都有一个链路度量值Rij，其中i、j表示子群内无人机编号，同时有关系式Rij=Rji；无人机传输业务信息前，根据业务信息类别，计算紫外光通信链路和射频通信链路的接收信号强度、带宽、延迟、网络抖动、信息丢失率、传输代价、业务权重的六维度QoS矩阵，比较无人机当前紫外光通信链路和射频通信链路的QoS归一化权重，选取权重值最大的链路传输相关信息；
步骤4：网络的中断与重构；
当无人机由于位置变化导致紫外光通信链路中断时，无人机将通过射频通信链路共享子群内紫外光通信中断情况，同时重新继续步骤2中紫外光通信链路构建；当无人机射频通信链路中断时，无人机将利用紫外光通信链路构建子群内紫外光组网，共享飞行姿态、位置信息、无人机编号信息，保持集群状态，并重新继续步骤2，构建新的光电混合组网。
优选地，所述紫外光通信链路为无人机子群内组网系统，借助紫外光具有大气空间漫反射的特性，无需建立光通信指向跟踪系统ATP。
优选地，所述无人机的业务信息均可通过紫外光通信链路和射频通信链路传输，传输前实时计算业务信息QoS保障最高的传输链路。
本发明的有益效果如下：
本发明能够实现无人机集群网络的网络规模和网络带宽同时提升，通过射频链路实现基本的自组网网络维护和管理，业务信息通过实时链路切换策略，实现最小延迟、最大通信带宽、最短多跳路径、最小网络抖动下的QoS保障，并且在无人机受到地形环境影响时，射频链路不稳定或失效时，紫外光组网链路能够形成群内无人机协同通信，保证无人机任务的正常执行，增大无人机集群组网可靠性和韧性。
附图说明
图1是本发明光电混合组网架构示意图。
图2是本发明方法流程图。
图3为本发明光电网络切换流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明要解决的技术问题是：传统无人机集群组网受网络规模、网络带宽、频谱资源的影响，难以满足无人机集群在多样化场景中大规模集群应用；传统无人机集群组网容易受地形和环境的影响；无人机飞行姿态和位置的动态变化，使得自由空间光通信组网的光捕获、跟踪和指向系统实现困难，难以在无人机上使用。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于紫外光的无人机集群光电混合组网方法，包括以下步骤：
S1：建立基于紫外光的光电混合组网架构；每个无人机的光电混合组网系统具有一个紫外光天线、一个全向射频天线、一组PMT探测组件、一个射频前端和一个综合信息处理板，紫外光天线与PMT探测组件相连，全向射频天线与射频前端相连，PMT探测组件和射频前端和综合信息处理板相连；
S2；建立自由空间光链路和射频链路:每个无人机通过射频链路，建立无人机集群系统的自组网通信，发送分群信息、无人机编号信息、飞行速度、位置信息、航向信息等，通过无人机分群信息，无人机子群内无人机构建紫外光组网链路；
S3：光电网络切换；各子群内每个无人机的紫外光通信链路和射频通信链路都有一个链路度量值Rij，其中i、j表示子群内无人机编号，同时有关系式Rij=Rji，无人机传输业务信息前，根据业务信息类别，计算射频网络和紫外光网络的接收信号强度、带宽、延迟、网络抖动、信息丢失率、传输代价、业务权重的六维度QoS矩阵，比较无人机当前射频链路和紫外光通信链路的QoS归一化权重，选取权重值最大的链路传输相关信息；
S4：网络的中断与重构：当无人机由于位置变化导致紫外光链路中断时，无人机将通过射频链路共享子群内紫外光通信中断情况，同时重新继续S2中紫外光链路构建；当无人机射频链路中断时，无人机将利用紫外光链路构建子群内紫外光组网，共享飞行姿态、位置信息、无人机编号等信息，保持集群状态，并重新继续步骤S2，构建新的光电混合组网。
实施例：
如图2所示，本发明的一种基于紫外光的无人机集群光电混合组网方法包括以下步骤：
S1：建立基于紫外光的光电混合组网架构；每个无人机的光电混合组网系统具有一个紫外光天线、一个全向射频天线、一组PMT探测组件、一个射频前端和一个综合信息处理板，紫外光天线与PMT探测组件相连，全向射频天线与射频前端相连，PMT探测组件和射频前端和综合信息处理板相连；
S2；建立自由空间光链路和射频链路:每个无人机通过射频链路，建立无人机集群系统的自组网通信，发送分群信息、无人机编号信息、飞行速度、位置信息、航向信息等，通过无人机分群信息，无人机子群内无人机构建紫外光组网链路；
S3：光电网络切换；各子群内每个无人机的紫外光通信链路和射频通信链路都有一个链路度量值Rij，其中i、j表示子群内无人机编号，同时有关系式Rij=Rji，无人机传输业务信息前，根据业务信息类别，计算射频网络和紫外光网络的接收信号强度、带宽、延迟、网络抖动、信息丢失率、传输代价、业务权重的六维度QoS矩阵，比较无人机当前射频链路和紫外光通信链路的QoS归一化权重，选取权重值最大的链路传输相关信息；
S4：网络的中断与重构：当无人机由于位置变化导致紫外光链路中断时，无人机将通过射频链路共享子群内紫外光通信中断情况，同时重新继续S2中紫外光链路构建；当无人机射频链路中断时，无人机将利用紫外光链路构建子群内紫外光组网，共享飞行姿态、位置信息、无人机编号等信息，保持集群状态，并重新继续步骤S2，构建新的光电混合组网。
根据图3所示，无人机在传输业务信息时，首先针对业务信息类型，计算存储在无人机中的信息类型QoS矩阵，QoS矩阵包括接收信号强度、带宽、延迟、网络抖动、信息丢失率、传输代价、业务权重共六个维度，通过实时对比射频链路和紫外光链路的信息传输权重值，选取权重最大的链路传输当前业务信息。
Claims (2)
1.一种基于紫外光的无人机集群光电混合组网方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立基于紫外光的光电混合组网架构；
每个无人机的光电混合组网系统具包括一个紫外光天线、一个全向射频天线、一组PMT探测组件、一个射频前端和一个综合信息处理板；紫外光天线与PMT探测组件相连，全向射频天线与射频前端相连，PMT探测组件、射频前端均与综合信息处理板相连；
步骤2：建立自由空间光链路和射频链路；
每个无人机通过射频链路，建立无人机集群系统的自组网通信，发送分群信息、无人机编号信息、飞行速度、位置信息、航向信息，通过无人机分群信息，无人机子群内无人机构建紫外光通信链路；
所述紫外光通信链路为无人机子群内组网系统，借助紫外光具有大气空间漫反射的特性，无需建立光通信指向跟踪系统ATP；
步骤3：光电网络切换；
各子群内每个无人机的紫外光通信链路和射频通信链路都有一个链路度量值Rij，其中i、j表示子群内无人机编号，同时有关系式Rij＝Rji；无人机传输业务信息前，根据业务信息类别，计算紫外光通信链路和射频通信链路的接收信号强度、带宽、延迟、网络抖动、信息丢失率、传输代价、业务权重的六维度QoS矩阵，比较无人机当前紫外光通信链路和射频通信链路的QoS归一化权重，选取权重值最大的链路传输相关信息；
步骤4：网络的中断与重构；
当无人机由于位置变化导致紫外光通信链路中断时，无人机将通过射频通信链路共享子群内紫外光通信中断情况，同时重新继续步骤2中紫外光通信链路构建；当无人机射频通信链路中断时，无人机将利用紫外光通信链路构建子群内紫外光组网，共享飞行姿态、位置信息、无人机编号信息，保持集群状态，并重新继续步骤2，构建新的光电混合组网。
2.根据权利要求1所述的一种基于紫外光的无人机集群光电混合组网方法，其特征在于，所述无人机的业务信息均可通过紫外光通信链路和射频通信链路传输，传输前实时计算业务信息QoS保障最高的传输链路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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