無人機編隊分布式協(xié)作系統(tǒng)及其抗干擾方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及無人機編隊協(xié)作技術(shù)，更進一步涉及到一種無人 機編隊分布式協(xié)作聯(lián)合處理以提高抗干擾能力的方法，可用于現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中作戰(zhàn)編隊協(xié) 同抗干擾。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人機作為現(xiàn)代高科技裝備之一，其在軍事和民用中的獨特作用已經(jīng)越來越受到 重視，而無人機相關(guān)的技術(shù)在經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展和積累，也日趨成熟。但是，單體無人機 作為小型設(shè)備由于受到體積、自身供給以及飛行環(huán)境等等因素的限制，功能和效用始終存 在一定的瓶頸，為了滿足未來復雜任務和惡劣環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，無人機編隊飛行作為無人 機合作化發(fā)展方向的一個重要內(nèi)容就被越來越多的研宄與探討。
[0003] 無人機編隊飛行，即多架無人機為適應任務要求而進行的某種隊形排列和任務分 配的組織模式。相比單機系統(tǒng)，無人機編隊能夠更好的發(fā)揮多個無人機的優(yōu)勢，任務處理的 能力也更強。但是不管是無人機單機執(zhí)勤還是多機編隊，都需要無人機系統(tǒng)有一定強度的 抗干擾性能，由于無人機上可裝配的設(shè)備有限，單機的抗干擾性能經(jīng)常會難以滿足需求，因 此研宄如何發(fā)揮多機編隊情況下的系統(tǒng)抗干擾優(yōu)勢就有著重大意義。
[0004] 現(xiàn)有的通信抗干擾思路，主要包括增強通信系統(tǒng)的處理增益、發(fā)射功率以及天線 增益這三種情況。其中前兩者分別是通過實現(xiàn)擴頻技術(shù)和信源與信道編碼技術(shù)來達到抗 干擾的目的，這類方法已經(jīng)比較成熟，但其處理過程在很大程度上增加了通信系統(tǒng)的運算 強度。而無人機系統(tǒng)由于具備小型化的特點，硬件條件的瓶頸使其在運算能力上有限，短期 內(nèi)難以很好的實現(xiàn)這些方法，所以并不是現(xiàn)階段應該著重考慮的方向。而對于無人機系統(tǒng) 的天線設(shè)計，一般均采用固定天線陣列的設(shè)計方式，雖然設(shè)計難度不高，但是天線適應性不 強，對不同通信環(huán)境很難做出調(diào)整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的第一個技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種抗干擾能力較 強的無人機編隊分布式協(xié)作系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種無人機編隊分 布式協(xié)作系統(tǒng)的抗干擾方法。
[0007] 本發(fā)明解決上述第一個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：該無人機編隊分布式協(xié)作 系統(tǒng)，其特征在于：包括多臺無人機及用于管理前述多臺無人機的基站，每架無人機都配備 相同的天線結(jié)構(gòu)單元，所述基站內(nèi)設(shè)置有自檢系統(tǒng)，該自檢系統(tǒng)能完成基站自身硬件運行 在基站上軟件的自檢工作，還能完成能被該基站控制的無人機的硬件及運行在前述無人機 上軟件的自檢工作；前述多臺無人機根據(jù)基站的派遣指令執(zhí)行飛行及既定分編任務，從而 使前述多臺無人機協(xié)同完成同一既定目標任務，該既定目標任務即為前述多臺無人機完成 的既定分編任務的融合，執(zhí)行飛行及既定分編任務的多臺無人機在飛行期間，選擇排列成 直線陣列或圓形陣列或矩形陣列進行列隊飛行。
[0008] 作為改進，如果執(zhí)行飛行及既定分編任務的無人機數(shù)目小于等于3臺時，則執(zhí)行 飛行及既定分編任務的無人機排列成直線陣列進行列隊飛行；如果執(zhí)行飛行及既定分編任 務的無人機數(shù)目大于等于4時，則執(zhí)行飛行及既定分編任務的無人機首選排列成圓形陣列 進行列隊飛行，如果出現(xiàn)干擾源大于預定數(shù)目，則執(zhí)行飛行及既定分編任務的無人機排列 成矩形陣列進行列隊飛行。
[0009] 本發(fā)明解決上述第二個技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種無人機編隊分布式協(xié) 作系統(tǒng)的抗干擾方法，其特征在于：首先構(gòu)建一個無人機編隊分布式協(xié)作系統(tǒng)，該無人機編 隊分布式協(xié)作系統(tǒng)包括：包括多個無人機及用于管理前述多個無人機的基站，每架無人機 都配備相同的天線結(jié)構(gòu)單元，所述基站內(nèi)設(shè)置有自檢系統(tǒng)，該自檢系統(tǒng)能完成基站自身硬 件運行在基站上軟件的自檢工作，還能完成能被該基站控制的無人機的硬件及運行在前述 無人機上軟件的自檢工作，前述無人機編隊分布式協(xié)作抗干擾方法通過如下步驟實現(xiàn)：
[0010] 步驟一、基站及無人機初始化：
[0011] (la)、基站通過自檢系統(tǒng)，完成基站自身及無人機自檢工作，同時完成無人機與基 站之間的通信檢測，以保證無人機與基站之間的通信狀態(tài)暢通；
[0012] (lb)、基站采集外界實時信息，將包含有地理位置和空域的環(huán)境信息加以分析，根 據(jù)每臺無人機的燃料和電能的供給限制，確定每臺無人機的飛行約束條件；
[0013] 步驟二、無人機編隊調(diào)整及鏈路建立：
[0014] (2a)、基站先派遣第一架無人機，并讓其作為臨時群首擔任臨時鏈路中心，然后基 站根據(jù)既定目標任務及無人機與基站之間的通信狀態(tài)給一定數(shù)目剩余的無人機發(fā)出預派 遣指示；
[0015] (2b)、接收到預派遣的無人機根據(jù)與基站及與臨時群首之間的通信狀態(tài)選擇加入 或退離編隊操作，基站或臨時群首則根據(jù)接收到預派遣的無人機選擇加入或退離編隊操 作，以及既定目標任務的執(zhí)行環(huán)境，進行編隊數(shù)目調(diào)整；
[0016] (2c)、機組數(shù)目調(diào)整完畢后，選擇加入編隊的無人機則根據(jù)基站的派遣指令開始 執(zhí)行飛行及既定分編任務，前述既定目標任務即為前述加入編隊的多臺無人機的既定分編 任務的融合，此時，臨時群首作為核心節(jié)點，構(gòu)建加入編隊的所有無人機之間的臨時通信鏈 路；
[0017] 步驟三、無人機編隊群首的確立和調(diào)整：
[0018] (3a)、臨時通信鏈路確立后，加入編隊的所有無人機內(nèi)部發(fā)起群首選舉，加入編隊 的所有的無人機都作為一個信息傳輸節(jié)點，進行編隊內(nèi)部的信息傳輸過程；
[0019] (3b)、加入編隊的所有無人機都參與信息傳輸后，進行橫向比較，根據(jù)對包括信息 處理速度、時延信息的比較，選取出性能最佳的無人機作為群首；
[0020] (3c)、群首確立后，臨時群首由既有的臨時通信鏈路將群首確認信息發(fā)送給其余 無人機及基站，再通過群首構(gòu)建的新的通信中心節(jié)點，調(diào)整新的通信鏈路并確立所有加入 編隊的無人機之間的通信協(xié)議；
[0021] (3d)、群首將新的通信鏈路及所有加入編隊的無人機之間的通信協(xié)議先發(fā)送給基 站，基站則通過與群首通信來下達指令，若出現(xiàn)群首故障或性能不足，則所有加入編隊的無 人機內(nèi)部重新選舉群首進行調(diào)整；
[0022] 步驟四、無人機飛行陣型的初始確定及變換：
[0023] (4a)、加入編隊的無人機在進行信息傳輸前，要確定陣型來保證無人機天線增益， 若加入編隊的無人機數(shù)目小于等于3臺，則所有加入編隊的無人機排列成直線陣列為初始 陣列進行列隊飛行；若加入編隊的無人機數(shù)目大于等于4臺，則所有加入編隊的無人機排 列成圓形陣列為初始陣列進行列隊飛行；
[0024] (4b)、若加入編隊的無人機數(shù)目小于等于3臺，且加入編隊的無人機在信息傳輸 過程中，若出現(xiàn)干擾源數(shù)目大于預定數(shù)目，則所有加入編隊的無人機排列變換成圓形陣列 進行列隊飛行，若干擾信號的方向能精確地估計，則所有加入編隊的無人機排列再變換成 直線陣列進行列隊飛行；若加入編隊的無人機數(shù)目大于等于4臺，且出現(xiàn)干擾源數(shù)目大于 預定數(shù)目，則所有加入編隊的無人機變換成矩形陣列進行列隊飛行。
[0025] 作為改進，加入編隊的無人機在收到基站或其他無人機發(fā)來的信息時，通過星歷 解算或慣導算法，得到信息的來源方向；加入編隊的無人機在進行空域處理時，采用線性約 束最小方差準則，群首根據(jù)接收到的信息的來源方向計算出該信息的最佳權(quán)向量w，然后其 余無人機將自身接收到的信息與該信息對應的最佳權(quán)向量w乘積，完成加權(quán)處理，從而實 現(xiàn)空域抗干擾。
[0026] 群首實時測量其余加入編隊的無人機的飛行速度信息，并且群首還將自身導航信 息及速度信息發(fā)送給加入編隊的其余無人機；加入編隊的其余無人機通過參照群首的定位 與速度信息，實時獲取自身在整個編隊中的位置。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明的無人機編隊分布式協(xié)作系統(tǒng)，無人 機在執(zhí)行任務過程中，飛行陣列為可變陣列，包括圓形陣列、直線陣列和矩形陣列。無人機 組可以通過飛行陣型的調(diào)整來改變機組接收天線的陣型，這樣既發(fā)揮了圓陣方位角全向覆 蓋的特點，也利用了線陣和面陣單向高增益的優(yōu)勢，極大提高了抗干擾能力，同時很大程度 上減少了系統(tǒng)因為精度不足直接調(diào)遣無人機的情況。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實施例中無人機編隊分布式協(xié)作系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明實施例中直線陣列排布示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明實施例中圓形陣列排布示意圖；
[0031] 圖4為本發(fā)明實施例中矩形陣列排布示意圖；
[0032] 圖5為本發(fā)明實施例中無人機編隊流程框圖。
【具體實施方式】
[0033] 以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0034] 本實施例提供了一種無人機編隊分布式協(xié)作系統(tǒng)，其包括多臺無人機及用于管理 前述多臺無人機的基站，每架無人機都配備相同的天線結(jié)構(gòu)單元，陣元1-2個，所述基站內(nèi) 設(shè)置有自檢系統(tǒng)，該自檢系統(tǒng)能完成基站自身硬件運行在基站上軟件的自檢工作，還能完 成能被該基站控制的無人機的硬件及運行在前述無人機上軟件的自檢工作；前述多臺無人 機根據(jù)基站的派遣指令執(zhí)行飛行及既定分編任務，從而使前述多臺無人機協(xié)同完成同一既 定目標任務，該既定目標任務即為前述多臺無人機完成的既定分編任務的融合，執(zhí)行飛行 及既定分編任務的多臺無人機在飛行期間，選擇排列成直線陣列或圓形陣列或矩形陣列進 行列隊飛行。
[0035] 無人機編隊分布式協(xié)作抗干擾方法通過如下步驟實現(xiàn)，同時參看圖5所示：
[0036] 步驟一、基站及無人機初始化：
[0037](la)、基站通過自檢系統(tǒng)，完成基站自身及無人機自檢工作，同時完成無人機與基 站之間的通信檢測，以保證無人機與基站之間的通信狀態(tài)暢通；
[0038] (lb)、基站采集外界實時信息，將包含有地理位置和空域的環(huán)境信息加以分析，根 據(jù)每臺無人機的燃料和電能的供給限制，確定每臺無人機的飛行約束條件，這里的飛行約 束條件包括無人機的飛行時間、飛行位置、和飛行速度；
[0039] 步驟二、