CN214069930U

CN214069930U - 一种无人船系留无人机通信系统

Info

Publication number: CN214069930U
Application number: CN202023204177.3U
Authority: CN
Inventors: 杨妙; 张明辉; 舒赛斐; 郭金海; 李宝安
Original assignee: Hefei Innovation Research Institute of Beihang University
Current assignee: Hefei Innovation Research Institute of Beihang University
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2030-12-25

Abstract

本实用新型的一种无人船系留无人机通信系统，包括无线自组网通信、系留无人机。所述无线自组网通信系统为无中心、自组织、自愈型战术无线通信网。网内的所有节点均工作在同一个频点的宽带上，节省有限的频率资源。所述系留无人机是为多旋翼无人机的一种形式，使用通过系留线缆传输的船舶电源作为动力来源，本实用新型的无人船通信系统，可以实现那无人主船与岸基控制基站和无人子船之间的信息链接。本实用新型无线自组网内的所有节点均工作在同一个频点的宽带上，节省有限的频率资源。网络具有智能控制和管理功能，节点从加电到组网用时不超过5秒，可实现在应急突发现场的快速组网，也可以保证任意节点的快速接入和退出。

Description

一种无人船系留无人机通信系统

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无人船系留无人机通信系统。

背景技术

无人船是通过遥控模式或者自主模式在水面上航行，同步开展环境调查、人员搜救、货物运输以及军事行动等活动的智能化水面机器人。

无人船通信系统是实现无人船自主航行的关键部分，通过导航设备获取船舶位置、航向、速度和姿态等信息，并将这些状态信息提供给船舶控制系统，指引船舶按照规划的路径准确到达目的地。通过通信设备在无人船与岸端之间建立可靠的无线通信链路，实现信息的双向传输，既将采集到的数据实时回传至岸端，并对无人船实施及时有效的控制。然后，由于无人船所处的海面受海浪、湍流、裂流、涡流等恶劣的自然环境影响、无人船所在海面受障碍物场复杂度影响被其他船只或岛屿遮挡、无人船在深远海岛礁保障支持不足时，无人船的通信性能会衰减甚至中断，无法保障安全航行的需求，从而影响任务的执行。

因此，需要一种更为稳定、可靠的无人船通信方案。

实用新型内容

本实用新型提出的一种无人船系留无人机通信系统，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种无人船系留无人机通信系统，包括无线自组网通信和系留无人机；

无人主船、无人子船及系留无人机和岸基控制基站均部署一部便携式自组网电台，每一个都成为自组网的一个通信节点，由这些自组网电台形成一个自组自愈、智能路由的专网，自组网内的各节点可相互转发指控指令，交换感知态势、设备状态数据，自动连接建立起一个无线移动网络；

该网络中每个节点兼具收发器和路由器的功能，以多跳的方式把数据转发到更远的空域。

进一步的，所述无线自组网通信系统为无中心、自组织、自愈型战术无线通信网，网内的所有节点均工作在同一个频点的宽带上，无线自组网通信系统包括至少两个通信节点，无人主船、无人子船以及岸基控制站均部署一部无线自组网IP无线电台，每一个都成为自组网的一个通信节点，进行联网通信。

进一步的，所述系留无人机是为多旋翼无人机的一种，使用通过系留线缆传输的船舶电源作为动力来源。

进一步的，所述无线自组网通信系统包括船端通信系统和岸端通信系统；

所述船端通信系统包括数据存储、船载控制中心、各类船载信息子系统、自组网节点；

所述岸端通信系统包括数据存储、岸基控制中心、显示输出、自组网节点。

进一步的，所述自组网节点包括调制解调控制模块、变频器模块、功率放大模块和视频编码模块；

所述调制解调控制模块是无线自组网电台的核心模块，可实现对用户数据的调制解调、转发和路由功能，以及其他与无线自组网电台的自组织控制管理功能；

所述视频编码模块是对需要发射的IP数据进行后台分装和加密；

所述变频器模块是将天线接收到的射频信号进行下变频，下变频至 135MHz的中频信号，将该中频信号转发至调制解调控制模块，进行解调和处理；

所述功率放大模块对无线网格网电台的发射信号进行功率放大。

进一步的，自组网节点采用TDD时分双工机制，该功放模块具备快速开关电路，可由调制解调模块对其进行高速开关切换，确保发射信号不会对接收到的信号产生干扰。

进一步的，所述网内的所有节点均工作在同一个频点的宽带上，所述频点为最高6MHz的宽带或最低2.5MHz的窄带。

由上述技术方案可知，本实用新型的无人船系留无人机通信系统，可实现无人船集群指挥通信，适于与其它无人船或岸端建立可靠的无线通信链路，实现信息的双向传输，所述无人船系留无人机通信系统，系统组成包括无线自组网通信、系留无人机。无人主船、无人子船、系留无人机以及岸基控制基站均部署一部便携式自组网电台，每一个都成为自组网的一个通信节点，由这些自组网电台可以形成一个自组自愈、智能路由、灵活多变、抗毁性强、安全性高的专网，自组网内的各节点可相互转发指控指令，交换感知态势、设备状态等数据，自动连接建立起一个无线移动网络。该网络中每个节点兼具收发器和路由器的功能，以多跳的方式把数据转发到更远的空域。

本实用新型同现有技术方案相比，具有如下优点：

1.无线自组网内的所有节点均工作在同一个频点的宽带上，节省有限的频率资源。网络具有智能控制和管理功能，节点从加电到组网用时不超过5秒，可实现在应急突发现场的快速组网，也可以保证任意节点的快速接入和退出。由于网内不存在中心节点或关键节点，因此任意节点的接入和退出对其他节点的正常通信不会造成影响。

2.无线自组网通信系统可实现最高6MHz宽带，并实现节点之间最高 9Mbps的数据速率，可充分满足多路高清或标清视频与音频、数据等信息的同时传输。或最低2.5MHz的窄带，实现优秀的非视距传输能力，满足在海面恶劣的自然环境下的通信。带宽在节点之间实现按需实时动态分配共享，满足多路音视频和数据的实时调度需求。

3.无线自组网内节点之间的无线传输采用COFDM调制技术，可实现视距最高50-70公里的单点传输距离或非视距1-5公里的单点传输距离。基于 COFDM的调制技术也可以有效对抗多径衰落、多普勒频移等效应，保证真正的移动中通信，保证如飞机和船舶等搭载平台可在300公里以上时速移动中进行实时双向通信。节点之间均采用自适应调制编码技术，可根据节点之间的链路质量自动选择可用的最高调制编码方式，实现在当前链路质量条件下的最高吞吐速率。

4.无线自组网内的节点均具备自动多跳接力功能，可实现由16个节点组成的链状网络进行15跳接力传输，扩展传输距离。任意两个节点之间需要进行的信息传输，在节点之间因距离地形等因素限制的情况下，无法直接传输时，均可通过其他节点进行接力中继传输。并具有路径自由选择、路由自动管理等功能，保证信息通过最短路径进行传输，并根据节点之间的实时连接状态选择是否进行接力中继传输和最优接力中继路径。

5.该无线自组网为IP无线局域专网，每个节点都可以为用户提供两路有线IP接口、无线WIFI接口和串口，用于用户的视频、音频和数据等多种应用信息的接入和输出。并可以通过IP接口与卫星通信、短波、超短波、3G/4G 或地面网络等其他网络形式对接，实现网络融合和现场音视频数据向其他网络的传递。

6.利用无人船载系留无人机作为通信设备承载平台，携带无线自组网IP 无线电台，做为宽带无线自组网的一个节点，可大大增加通信网络覆盖范围。

7.采用系留无人机对任务目标观察可以比常规无人船观察目标更远。

8.采用系留无人机侦查目标时，被雷达发现几率是常规无人船的2.56％，从而极大的提高无人船存活能力。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图及其拓扑图；

图2是本实用新型无中心自组织网络拓扑图；

图3是实施例二的无人船通信系统及其对应的岸端通信系统的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1、图2及图3所示，本实施例所述的无人船系留无人机通信系统，可实现无人船集群指挥通信，适于与其它无人船或岸端建立可靠的无线通信链路，实现信息的双向传输，所述无人船系留无人机通信系统，系统组成包括无线自组网通信、系留无人机。无人主船、无人子船、系留无人机以及岸基控制基站均部署一部便携式自组网电台，每一个都成为自组网的一个通信节点，由这些自组网电台可以形成一个自组自愈、智能路由、灵活多变、抗毁性强、安全性高的专网，自组网内的各节点可相互转发指控指令，交换感知态势、设备状态等数据，自动连接建立起一个无线移动网络。该网络中每个节点兼具收发器和路由器的功能，以多跳的方式把数据转发到更远的空域。

所述无线自组网通信系统为无中心、自组织、自愈型战术无线通信网。网内的所有节点均工作在同一个频点的宽带(最高6MHz或最低2.5MHz的窄带)上，节省有限的频率资源。无线自组网通信系统包括至少两个通信节点，无人主船、无人子船以及岸基控制站均部署一部无线自组网IP无线电台，每一个都成为自组网的一个通信节点，进行联网通信。

所述系留无人机是为多旋翼无人机的一种特殊形式，使用通过系留线缆传输的船舶电源作为动力来源，由于它具有工作时间长，在空中视野宽阔特点，克服了无人船上通讯不畅、船上对前方目标侦察距离短等瓶颈，是无人船通信系统中重要的组成部分。

所述无线自组网通信系统包括船端通信系统和岸端通信系统；所述船端通信系统包括数据存储、船载控制中心、各类船载信息子系统、自组网节点。所述岸端通信系统包括数据存储、岸基控制中心、显示输出、自组网节点。

所述自组网节点组成包括调制解调控制模块、变频器模块、功率放大模块和视频编码模块。所述调制解调控制模块是无线自组网电台的核心模块，可实现对用户数据的调制解调、转发和路由功能，以及其他与无线自组网电台的自组织控制管理功能。所述视频编码模块的主要功能是对需要发射的IP数据进行后台分装和加密。所述变频器模块是将天线接收到的射频信号进行下变频，下变频至135MHz的中频信号，将该中频信号转发至调制解调控制模块，进行解调和处理。所述功率放大模块对无线网格网电台的发射信号进行功率放大。无线自组网节点采用TDD时分双工机制，该功放模块具备快速开关电路，可由调制解调模块对其进行高速开关切换，确保发射信号不会对接收到的信号产生干扰。

本实施例的一种无人船通信系统利用无线自组网实现无人船集群指挥通信，可满足一个岸基控制站、一个无人主船在执行任务时的可靠宽带通信需求。根据当前通信技术发展现状和通信产品应用情况，本系统根据实际需求拟用无线自组网IP无线电台，它抗干扰能力及性能强，满足系统指挥要求，能够有效实现岸基控制站与无人主船之间以及无人船集群内部的可靠宽带通信，使各任务单元之间达成视频、控制指令和数据等多种信息的快速准确传递。

因为无线宽带通信系统的通信距离与天线架设的高度密切相关，增加一个通信的制高增强覆盖节点，即利用无人船载系留无人机作为自组网通信节点的承载平台，大幅度增加岸基控制站与无人船，以及无人主船与无人子船之间的通信距离，有效增强体系的覆盖能力。

根据一种实施例，无人船系留无人机通信系统通信距离公式

其中S，通信距离(公里)；n1，岸基控制站天线高度(米)；n2,系留无人机高度(米)。

当岸基控制站天线高度15米，无人机升空高度达到100米时，通信半径可以达到50公里。以当无人子船天线高度为1米，无人主船与无人子船的通信距离可达40公里。综上可知，此时，岸无人船集群与控制基站通信距离能达到90公里。

因此使用系留无人机可以使得无人船系统的通讯距离大为扩展，无人船通信瓶颈消除。

表1传统通信模式与加入系留无人机之后的对比

根据一种实施例，对于任务目标的观察，需要目标进入视距范围之内后再进行图像和数据分析。根据海上理论视距公式

其中De为理论视距，单位为海里；e为观测者高度，单位为米。

常规无人船的摄像头高度约为3米，其海上理论视距为3.62海里(6.7公里)，能够看清RCS＝1m²有效观察距离仅有2公里左右。采用系留无人机进行观察，在升空100米时的理论视距为20.9海里(38.6公里)，有效观察距离约为5公里(受限于光电平台)。因此采用系留无人机可以比常规无人船观察目标更远。

根据一种实施例，系留无人机在超远距离侦查目标时，其被发现的几率也相应降低。

根据雷达原理公式E＝[P×G×RCS×L×T]/(4×π^3×R^4)

E，接收能量；P，发射机功率；G，雷达天线增益；RCS，目标雷达截面积；L,信号波长；T，目标被照射时间；R，到目标的距离。

无人船被雷达发现的几率与它和雷达之间的距离的四次方成反比，因此无人船采用系留无人机侦查目标时(有效观察距离5公里)被雷达发现几率是常规无人船(有效观察距离2公里)的2.56％，从而极大的提高无人船存活能力。

根据一种实施例，当岸基控制站与无人主船距离在20公里之内，且无人主船与无人子船的距离小于10公里时，为了保持行动隐蔽性，可以在系留无人机不动作的情况下，利用基本通信方式达成对无人船集群的可靠宽带通信；当岸基控制站与无人船集群距离超过20公里时，或无人主船与无人子船的距离超过10公里时，则无人主船上的系留无人机升空，利用系留无人机的拓展性达成对无人艇集群的可靠宽带通信。

图2所示，本无人船系留无人机通信系统为无中心自组织网络结构，网络拓扑可根据执行任务的实际情况以及节点之间的实际位置，实时变化，自动组织。在该网络中，不存在中心节点或单点故障。任意节点的退出或再加入，不会对其他节点的正常通信造成影响。任意单个或多个节点在关闭、受到地形或其他因素影响脱离网络时，其他节点仍能保持正常连接和数据的正常通信。任意脱网节点均可以在影响因素消除后快速恢复网络连接和数据通信，恢复时间小于3秒。

网络内的节点均具备自动多跳接力功能，可实现由16个节点组成的链状网络进行15跳接力传输，扩展传输距离。任意两个节点之间需要进行的信息传输，在节点之间因距离地形等因素限制的情况下，无法直接传输时，均可通过其他节点进行接力中继传输。并具有路径自由选择、路由自动管理等功能，保证信息通过最短路径进行传输，并根据节点之间的实时连接状态选择是否进行接力中继传输和最优接力中继路径。

本无人船系留无人机通信系统可自动实现以下多种网络拓扑类型链状网络、星状网络、随机网络拓扑等，满足不同任务场景的需求。并且网络拓扑可实现随机动态实时变化，可实现固定节点和移动节点的混合组网，并保证在节点之间的相对位置随机变化时的正常双向通信以及中继接力自动选择和路径自动选择。

一条无人船可能以其他一条或多条无人船在任意多个不同频点的两个无线自组网络之间可通过有线、卫星等IP连接方式进行互联，实现网络融合和节点数量扩展，来实现与岸端的通信。

应当指出，在实际应用中，虽然图3中仅示出了一条无人船与岸端之间通信的情况，但是，本实用新型的技术方案同样适用于无人船与无人子船之间的通信，仅需将图3中的岸端通信系统替换成另一个无人子船通信系统即可。当然，岸端通信系统中的岸基控制中心变更成为无人子船控制中心。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种无人船系留无人机通信系统，包括无线自组网通信和系留无人机，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的无人船系留无人机通信系统，其特征在于：

所述无线自组网通信系统为无中心、自组织、自愈型战术无线通信网，网内的所有节点均工作在同一个频点的宽带上，无线自组网通信系统包括至少两个通信节点，无人主船、无人子船以及岸基控制站均部署一部无线自组网IP无线电台，进行联网通信。

3.根据权利要求1所述的无人船系留无人机通信系统，其特征在于：

所述系留无人机是为多旋翼无人机的一种，使用通过系留线缆传输的船舶电源作为动力来源。

4.根据权利要求2所述的无人船系留无人机通信系统，其特征在于：

所述无线自组网通信系统包括船端通信系统和岸端通信系统；

5.根据权利要求4所述的无人船系留无人机通信系统，其特征在于：

所述自组网节点包括调制解调控制模块、变频器模块、功率放大模块和视频编码模块；

所述调制解调控制模块是无线自组网电台的核心模块，可实现对用户数据的调制解调、转发和路由功能，以及与无线自组网电台的自组织控制管理功能；

所述变频器模块是将天线接收到的射频信号进行下变频，下变频至135MHz的中频信号，将该中频信号转发至调制解调控制模块，进行解调和处理；

6.根据权利要求4所述的无人船系留无人机通信系统，其特征在于：

自组网节点采用TDD时分双工机制，该功放模块具备快速开关电路，可由调制解调模块对其进行高速开关切换，确保发射信号不会对接收到的信号产生干扰。

7.根据权利要求2所述的无人船系留无人机通信系统，其特征在于：

所述网内的所有节点均工作在同一个频点的宽带上，所述频点为最高6MHz的宽带或最低2.5MHz的窄带。