CN117440347A - 一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统，属于蓝牙MESH网络领域及无人机测控技术领域；其在无人机节点上布置机载数据终端设备和蓝牙MESH通信模块，采用了数据链通信组网技术和蓝牙MESH组网技术结合的方法。蓝牙MESH通信模块分别与机载数据终端和飞控模块进行通讯，多架无人机中有各别无人机机间数据链链路通信质量较差时，飞控模块启动路径优选策略采用蓝牙MESH通信模块进行数据交互。数据链采用时分多址方式，蓝牙MESH通信模块对应不同飞机节点建立相对应的元素、发布和订阅模型，两种通信技术的结合，提升了无人机机间通信信号质量，最大程度上提高了无人机机间协同感应、协同干扰、定时攻击和协同攻击等作战能力。

Description

一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统
技术领域
本发明涉及蓝牙MESH网络领域及无人机测控技术领域，特别是指一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统。
背景技术
目前，随着军事斗争环境的日益复杂，多架无人机协同完成任务已成为现在战争中的重要手段。单架无人机在侦查任务时，若中途出现故障，必然会导致任务失败。因此，多无人机协同作战在作战性能、作战范围和摧毁能力体现出巨大优势。然而，多架无人机机间编队分组、协同感应、协同干扰、定时攻击和协同攻击需要信号质量较好的通信链路作为支撑，当多架无人机在进行编队过程中受天线阻挡、障碍物和飞行环境等不确定因素影响，机间通信信号质量将会大大折扣。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统，其能够满足提高多架飞机机间通信质量、提升集群无人机机间协同作战能力的需求。
基于上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统，包括无人机和地面控制站；所述地面控制站包括地面数据终端和指挥控制中心；无人机上设置有机载数据终端、蓝牙MESH通信模块以及飞控模块，机载数据终端以异步串口通讯形式与蓝牙MESH通信模块和飞控模块相连接，蓝牙MESH通信模块同以异步串口通讯形式与飞控模块相连接；
地面数据终端和机载数据终端组成数据链，数据链采用TDMA时分多址接入体制，信道传输采用OFDM调制体制。
进一步的，时分网络的链路资源采用动态分配方式，获得时隙资源的节点通过时分方式进行组网数据传输；全时分网络时隙资源共63个，包含1个时钟同步时隙、1个地面站占用时隙、58架无人机占用时隙、2个随机时隙和1个频谱感知时隙；全网采用竞争网络中心模式，节点占用随机时隙用于广播中心竞争通告帧，来告知全网节点本节点作为此次网络的中心节点，频谱感知时隙进行频谱感知，因此全时分网络能力共支持59个节点同时进行工作，包含1个地面站节点和58个无人机节点。
进一步的，所述蓝牙MESH通信模块采用支持PB-ADV承载层方式的静态配网器进行网络配置，配置过程包含以下阶段：
阶段一、Beaconing阶段
无人机节点的未配网设备会持续一定时间以某个频率向外广播未配网设备的信标Beacon，配网器收到该信标后，建立连接；信标中包含了各无人机节点蓝牙MESH通信模块设备各自的UUID；
阶段二、Invitation阶段
配网器对无人机节点的未配网设备发出入网邀请，无人机节点的未配网设备则将自己的配网能力发送给配网器，配网能力包含了该配网设备的元素个数、配网算法、公钥类型以及OOB内容；
阶段三、Exchange Pubilc Keys阶段
MESH网络先采用非对称密钥方式计算出对称的加密密钥，然后用计算出的对称密钥对消息进行加密、解密；配网器将配网公钥发送给无人机节点的待配网设备，交互流程结束后，配网器和无人机节点的待配网设备均验证收到的公钥有效性；
阶段四、Authentication阶段
采用静态OOB认证方式，认证配网器和无人机节点的待配网设备；
阶段五、Distribution Of Provisioning Data阶段
配网器生成配网数据并分发到无人机节点的未配网设备，配网数据包括“NetworkKey”的安全密钥和“Unicast Address”重要数据项，无人机节点的未配网设备在获知了Unicast Address和Network Key之后，转化为网络中的通信节点。
进一步的，所述蓝牙MESH通信模块的网络数据交互是通过元素和模型实现的，每个元素提供一个单播地址，数据流的交互在模型中实现；本地无人机节点蓝牙MESH网络中共创建58个元素，对应58个飞机节点的MAC入口地址；
MESH网络采用去中心化的形式，采用控制端模型，即服务端模型和客户端模型相结合；模型结构采用Model ID、Opcode和Message结合的方式，服务端模型对应的操作码回调函数处理接收到的其他飞机节点上的蓝牙MESH通信模块发送过来的飞控数据，客户端模型对应的操作码函数用来发送本地飞机节点上机载数据终端发送过来的飞控数据。
进一步的，MESH网络采用数据链和蓝牙MESH组网技术结合的方式，在无人机节点上分别布置蓝牙MESH通信模块，机载数据终端分别与飞控模块和本地蓝牙MESH通信模块以串口的形式连接，蓝牙MESH通信模块直接和飞控模块以串口形式连接，当无人机的操作信号导致机间数据链信号质量较差时，飞控模块切换到蓝牙MESH通信模块发送过来的飞控数据，蓝牙MESH通信模块飞控数据是由机载数据终端发送过来。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明在时分系统数据链中采用动态分配时隙的方式，时隙占用无需与地面节点MAC和飞机节点MAC进行绑定，占用流程简单易行。
2、进一步的，本发明采用蓝牙MESH组网技术，蓝牙MESH网络配网流程简单、网络可扩展性强和功耗低。
3、进一步的，本发明蓝牙MESH组网技术具有多路径和自动路由的能力，数据传输过程中具有更高可靠性，有效避免信息丢帧现象。
4、进一步的，本发明采用数据链组网技术和蓝牙MESH组网技术相结合的方法，蓝牙MESH组网技术弥补了数据链组网技术在不确定因素引起的信号质量差的问题，大大提升了集群无人机机间通信能力。
附图说明
图1是本发明实施例中的系统结构示意图。
图2是本发明实施例中机载设备通讯接口示意图。
图3是本发明实施例中时帧结构示意图。
图4是MESH网络数据传输示意图。
图5是系统路径优选策略示意图。
具体实施方式
在下面的说明中，公知的功能或结构将不再详细说明，以避免与本发明的内容存在不必要的混淆。
本实施例的一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统，包括一个地面控制站和多架无人机，所述地面控制站包括地面数据终端、全向天线和指挥控制中心，无人机上设置有机载数据终端、全向天线、蓝牙MESH通信模块和IPEX外置天线，机载数据终端以异步串口通讯形式与蓝牙MESH通信模块和飞控模块相连接，蓝牙MESH通信模块同样以异步串口通讯形式与飞控模块相连接；
数据链由地面数据终端和机载数据终端组成，该链路设计采用TDMA时分多址接入体制，信道传输采用OFDM调制体制。地面控制站控制多架无人机同时工作，无人机机间相互通信，进行多无人机协同编队，各自执行不同的任务；
时分网络的链路资源采用动态分配方式，获得时隙资源的节点通过时分方式进行组网数据传输；全时分网络时隙资源共63个，包含1个时钟同步时隙、1个地面站占用时隙、58架无人机占用时隙、2个随机时隙和1个频谱感知时隙；全网采用竞争网络中心模式，节点占用随机时隙用于广播中心竞争通告帧，来告知全网节点本节点作为此次网络的中心节点，频谱感知时隙进行频谱感知，因此全时分网络能力共支持59个节点同时进行工作，包含1个地面站节点和58个无人机节点；
蓝牙MESH通信模块网络配置方式采用支持PB-ADV承载层方式的静态配网器进行网络配置；
蓝牙MESH通信模块网络数据交互是通过元素和模型实现的，每个元素提供一个单播地址，数据流的交互在模型中实现；本地飞机节点蓝牙MESH通信模块网络中共创建58个元素，对应58个飞机节点的MAC入口地址；MESH网络采用去中心化的形式，采用控制端模型，即服务端模型和客户端模型相结合；模型结构采用Model ID、Opcode和Message结合的方式，服务端模型对应的操作码回调函数处理接收到的其他飞机节点上的蓝牙模块发送过来的飞控数据，客户端模型对应的操作码函数用来发送本地飞机节点上机载数据终端发送过来的飞控数据；
该组网技术采用数据链和蓝牙MESH组网技术结合的方法，在58架飞机节点上分别布置蓝牙MESH通信模块，机载数据终端分别与飞控模块和蓝牙MESH通信模块以异步串口的形式连接，蓝牙MESH通信模块直接和飞控模块以异步串口形式连接，当飞机在空中俯仰、转弯等操作信号导致机间数据链信号质量较差时，飞控模块切换到接收蓝牙MESH通信模块发送过来的飞控数据，蓝牙MESH通信模块飞控数据是由机载数据终端发送过来。
蓝牙MESH通信模块网络配置方式采用支持PB-ADV承载层方式的静态配网器进行网络配置；具体包括以下过程：
阶段一、Beaconing阶段
飞机节点1未配网设备会持续一定时间以某个频率向外广播未配网设备的信标(Beacon)，配网器收到该信标后，建立连接。而信标中包含了不同飞机节点MESH通信模块设备各自的UUID，各个节点以此作为区分。
阶段二、Invitation阶段
配网器对飞机节点1未配网设备发出入网邀请，飞机节点1未配网设备则将自己的配网能力发送给配网器，配网能力包含了该设备的元素个数、配网算法、公钥类型以及OOB等内容。
阶段三、Exchange Pubilc Keys阶段
蓝牙MESH网络中先采用非对称密钥方式计算出对称的加密密钥，然后用计算出的对称密钥对消息进行加密、解密。配网器将配网公钥发送给飞机节点1待配网设备，交互流程结束后，配网器和飞机节点1待配网设备均验证收到的公钥有效性。双方会根据自己对应的私钥与收到的公钥计算ECDH密钥，ECDH密钥算法为P-256，ECC椭圆曲线公式如下：
y2＝x3+ax+b(modρ)
若计算出的密钥在ECC椭圆曲线上，则进行下一步配网流程，若不在则退出配网流程。
阶段四、Authentication阶段
采用静态OOB认证方式，则在认证时易被配网器和飞机节点1待配网设备发现，此配网方式比较友好。
阶段五、Distribution Of Provisioning Data阶段
配网器生成配网数据并分发到飞机节点1未配网设备，配网数据包括“NetworkKey(网络密钥)”的安全密钥，以及“Unicast Address(设备地址)”等重要数据项，飞机节点1未配网设备在获知了Unicast Address和Network Key之后，转化为网络中的通信节点。其他57架飞机节点蓝牙MESH通信模块配网方式与飞机节点1相同。上述飞机节点1配网完成，依次对剩下的蓝牙MESH通信模块进行网络配置。
如图1所示，一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统，包括一个地面控制站、多架无人机和指挥控制中心。地面控制站包括地面数据终端和全向天线，多架无人机上设置有机载数据终端、全向天线、蓝牙MESH通信模块和IPEX外置天线。为了增强多架无人机上蓝牙MESH通信模块之间的通信距离，本发明采用了IPEX外置天线，足以保证多架无人机在执行协同任务时机间的通信距离。如图2所示，机载数据终端以异步串口形式分别与蓝牙MESH通信模块和飞控模块进行通讯，同时蓝牙MESH通信模块同样以异步串口形式和飞控模块进行通讯。
该系统数据链由地面数据终端和机载数据终端组成，链路设计采用TDMA时分多址接入体制，信道传输采用OFDM调制体制，时帧结构如图3所示，全时分网络时隙资源共63个，包含1个时钟同步时隙、1个地面站占用时隙、58架无人机占用时隙、2个随机时隙和1个频谱感知时隙；地面站节点和多架无人机节点采用动态分配方式获得时隙资源，进行组网数据传输，数据传输类型包含有链路控制数据、上行飞控数据、上行载荷数据、下行链路遥测数据、下行飞控遥测数据和下行载荷数据等，由于全网采用网络竞争中心模式，在中心节点确定前，需要某一节点占用随机时隙广播中心竞争通告帧，来告知全网节点本节点作为此次网络的中心节点，同时需要在时隙1进行全网时隙对齐，同时频谱感知时隙进行频谱感知，由此可知本系统全时分网络能力共支持59个节点同时工作，包含1个地面控制站节点和58个无人机节点。具体来说，时帧结构参数如下表所示：
时隙 OFDM符号 备注
1 xx 时钟同步(入网前后占用)
2～60 xx 地面站/飞机占用
61～62 xx 随机时隙
63 xx 频谱感知
该系统蓝牙MESH网信模块采用支持PB-ADV承载层方式的静态配网器进行网络配置，在蓝牙MESH网络中选用1个MESH网信模块作为配网器，58个MESH通信模块作为待配网飞机节点。在配置过程中，若58个待配网设备同时上电，则可能因数据包聚集而导致局部信道拥挤，从而使得设备无法即使完成启动配置，因此在MESH网络配置中，则采用每次配置1个待配网设备，然后下电，配置第2个待配网设备，依次类推。飞机节点1配置方法操作步骤如下：
(1)Beaconing阶段
飞机节点1未配网设备会持续一定时间以某个频率向外广播未配网设备的信标(Beacon)，配网器收到该信标后，建立连接。而信标中包含了不同飞机节点MESH通信模块设备各自的UUID，各个节点以此作为区分。
(2)Invitation阶段
配网器对飞机节点1未配网设备发出入网邀请，飞机节点1未配网设备则将自己的配网能力发送给配网器，配网能力包含了该设备的元素个数、配网算法、公钥类型以及OOB等内容。
(3)Exchange Pubilc Keys阶段
蓝牙MESH网络中先采用非对称密钥方式计算出对称的加密密钥，然后用计算出的对称密钥对消息进行加密、解密。配网器将配网公钥发送给飞机节点1待配网设备，交互流程结束后，配网器和飞机节点1待配网设备均验证收到的公钥有效性。双方会根据自己对应的私钥与收到的公钥计算ECDH密钥，ECDH密钥算法为P-256，ECC椭圆曲线公式如下：
y2＝x3+ax+b(modρ)
若计算出的密钥在ECC椭圆曲线上，则进行下一步配网流程，若不在则退出配网流程。
(4)Authentication阶段
采用静态OOB认证方式，则在认证时易被配网器和飞机节点1待配网设备发现，此配网方式比较友好。
(5)Distribution Of Provisioning Data阶段
配网器生成配网数据并分发到飞机节点1未配网设备，配网数据包括“NetworkKey(网络密钥)”的安全密钥，以及“Unicast Address(设备地址)”等重要数据项，飞机节点1未配网设备在获知了Unicast Address和Network Key之后，转化为网络中的通信节点。
上述飞机节点1配网完成，依次对剩下的蓝牙MESH通信模块进行网络配置。
网络配置完成后，蓝牙MESH通信模块的数据交互式通过元素和模型实现的，该系统中，每个飞机节点作为一个元素，每个元素提供一个单播地址，由于该系统支持58个飞机节点，因此MESH网络中共创建58个元素。具体来说，飞机节点对应入口单播地址如下表所示：
Mesh网络采用去中心化的方式，将传统客户端模型和服务器模型创建为客户端模型，即每个飞机节点MESH网络通信模块可发可收，发布模型的MAC地址分别为其余的飞机节点MAC地址，订阅模型地址为本机飞机节点的MAC地址，比如：飞机节点n的发布地址分别为0x0001、0x0002、0x0003、0x0004…0x003A(飞机节点n的MAC地址除外)，订阅地址为飞机节点n的MAC地址。
各飞机节点蓝牙MESH通信模块模型采用Model ID、Opcode和Message的结构形式，每个飞机节点对应有自己的操作码回调函数，回调函数将其他MESH网络节点传送过来的透传数据通过异步串口送至飞控模块，每个飞机节点具有中继功能，通过判别网络层数据包的目的地址可知该飞控数据是传送给哪个飞机节点模块，若不是本节点，则该数据继续转发，则各节点MESH网络数据传输示意图如图4所示。
该系统以数据链通信组网技术作为主链路，蓝牙MESH组网技术为辅助链路，在58架飞机节点上分别布置机载数据终端和蓝牙MESH通信模块。机载数据终端以异步串口形式分别与蓝牙MESH通信模块和飞控模块进行通讯，同时蓝牙MESH通信模块同样以异步串口形式和飞控模块进行通讯。飞控模块可通过接收到的数据链链路机载间链路遥测中的信号强度和信噪比SNR综合判定值值判断出主链路的信号质量，若信号强度低于设置阈值，则飞控模块会启动路径优选策略采用蓝牙MESH通信模块进行数据交互。系统路径优选策略示意图如图5所示。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统，其特征在于，包括无人机和地面控制站；所述地面控制站包括地面数据终端和指挥控制中心；无人机上设置有机载数据终端、蓝牙MESH通信模块以及飞控模块，机载数据终端以异步串口通讯形式与蓝牙MESH通信模块和飞控模块相连接，蓝牙MESH通信模块同以异步串口通讯形式与飞控模块相连接；
地面数据终端和机载数据终端组成数据链，数据链采用TDMA时分多址接入体制，信道传输采用OFDM调制体制。
2.根据权利要求1所述的一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统，其特征在于，时分网络的链路资源采用动态分配方式，获得时隙资源的节点通过时分方式进行组网数据传输；全时分网络时隙资源共63个，包含1个时钟同步时隙、1个地面站占用时隙、58架无人机占用时隙、2个随机时隙和1个频谱感知时隙；全网采用竞争网络中心模式，节点占用随机时隙用于广播中心竞争通告帧，来告知全网节点本节点作为此次网络的中心节点，频谱感知时隙进行频谱感知，因此全时分网络能力共支持59个节点同时进行工作，包含1个地面站节点和58个无人机节点。
3.根据权利要求1所述的一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统，其特征在于，所述蓝牙MESH通信模块采用支持PB-ADV承载层方式的静态配网器进行网络配置，配置过程包含以下阶段：
阶段一、Beaconing阶段
无人机节点的未配网设备会持续一定时间以某个频率向外广播未配网设备的信标Beacon，配网器收到该信标后，建立连接；信标中包含了各无人机节点蓝牙MESH通信模块设备各自的UUID；
阶段二、Invitation阶段
配网器对无人机节点的未配网设备发出入网邀请，无人机节点的未配网设备则将自己的配网能力发送给配网器，配网能力包含了该配网设备的元素个数、配网算法、公钥类型以及OOB内容；
阶段三、Exchange Pubilc Keys阶段
MESH网络先采用非对称密钥方式计算出对称的加密密钥，然后用计算出的对称密钥对消息进行加密、解密；配网器将配网公钥发送给无人机节点的待配网设备，交互流程结束后，配网器和无人机节点的待配网设备均验证收到的公钥有效性；
阶段四、Authentication阶段
采用静态OOB认证方式，认证配网器和无人机节点的待配网设备；
阶段五、Distribution Of Provisioning Data阶段
配网器生成配网数据并分发到无人机节点的未配网设备，配网数据包括“NetworkKey”的安全密钥和“Unicast Address”重要数据项，无人机节点的未配网设备在获知了Unicast Address和Network Key之后，转化为网络中的通信节点。
4.根据权利要求1所述的一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统，其特征在于，
所述蓝牙MESH通信模块的网络数据交互是通过元素和模型实现的，每个元素提供一个单播地址，数据流的交互在模型中实现；本地无人机节点蓝牙MESH网络中共创建58个元素，对应58个飞机节点的MAC入口地址；
MESH网络采用去中心化的形式，采用控制端模型，即服务端模型和客户端模型相结合；模型结构采用Model ID、Opcode和Message结合的方式，服务端模型对应的操作码回调函数处理接收到的其他飞机节点上的蓝牙MESH通信模块发送过来的飞控数据，客户端模型对应的操作码函数用来发送本地飞机节点上机载数据终端发送过来的飞控数据。
5.根据权利要求1所述的一种提升集群无人机机间协同作战能力的组网系统，其特征在于，
MESH网络采用数据链和蓝牙MESH组网技术结合的方式，在无人机节点上分别布置蓝牙MESH通信模块，机载数据终端分别与飞控模块和本地蓝牙MESH通信模块以串口的形式连接，蓝牙MESH通信模块直接和飞控模块以串口形式连接，当无人机的操作信号导致机间数据链信号质量较差时，飞控模块切换到蓝牙MESH通信模块发送过来的飞控数据，蓝牙MESH通信模块飞控数据是由机载数据终端发送过来。
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