一種無人機編隊分布式協(xié)作通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線通信方法，具體涉及一種無人機編隊分布式協(xié)作通信方法，屬于通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]無人機用途廣泛，成本低，效費比好，并且其無人員傷亡風(fēng)險，再加上生存能力強，機動性好，使用方便，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中有極其重要的作用，在民用領(lǐng)域也有非常廣闊的前景。
[0003]無人機的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用是在海灣戰(zhàn)爭后，以美國為首的西方國家充分認(rèn)識到無人機在戰(zhàn)爭中的作用，競相把高新技術(shù)應(yīng)用到無人機的研制與發(fā)展上，例如采用先進(jìn)的信號處理與通信技術(shù)提高了無人機的圖像傳遞速度和數(shù)字化傳輸速度。
[0004]為了適應(yīng)未來的挑戰(zhàn)，除了提高單機的功能和效用外，還需要考慮如何以現(xiàn)有的技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)展更加有效的無人機管理組織和管理模式以實現(xiàn)高速率和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，無人機編隊是近年來提出的無人機合作化發(fā)展方向中的一個核心概念。如今無人機同樣廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如邊境巡邏、航空攝影、航空探礦、災(zāi)情監(jiān)視、交通巡邏、治安監(jiān)控等。
[0005]我們知道MMO技術(shù)通過多副發(fā)送天線和多副接收天線取得更多的通信自由度，利用分集方式可以有效地減小信道衰落對通信帶來的影響，提高鏈路的可靠性，利用復(fù)用方式可以在不提高發(fā)送功率和帶寬的條件下成倍地提高無線鏈路的通信容量。
[0006]協(xié)作通信作為一種新型的通信模式，可通過多個用戶的天線構(gòu)造虛擬多天線陣列，形成虛擬的MIMO信道，并通過分布式處理產(chǎn)生協(xié)作來獲得一定的空間分集增益和復(fù)用增益，從而降低無線鏈路的衰落和不穩(wěn)定性帶來的影響、提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和傳輸速率以及擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，因此成為當(dāng)前的研宄熱點之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種無人機編隊分布式協(xié)作通信方法，該通信方法不僅能夠提高無人機編隊無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率以及時變信道的傳輸可靠性，而且能夠擴大無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和覆蓋范圍。
[0008]為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0009]一種無人機編隊分布式協(xié)作通信方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0010](I)無人機組成編隊并建立通信機制；
[0011](2)無人機編隊在飛行時保持陣形不變，利用北斗與慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)和機載設(shè)備系統(tǒng)分別獲得導(dǎo)航信息和目標(biāo)信息；
[0012](3)當(dāng)無人機編隊與地面移動接收站的距離小于L時，無人機編隊構(gòu)成一個虛擬的多天線陣列，無人機編隊與地面移動接收站利用虛擬MMO技術(shù)進(jìn)行通信；
[0013](4)當(dāng)無人機編隊與地面移動接收站的距離大于L時，無人機編隊構(gòu)成一個虛擬的多天線陣列進(jìn)行協(xié)作通信，共享所獲取的導(dǎo)航信息和目標(biāo)信息，無人機編隊采用波束成形技術(shù)向地面移動接收站發(fā)送信息。
[0014]前述的無人機編隊分布式協(xié)作通信方法，其特征在于，前述步驟(I)的具體過程為:
[0015](Ia)無人機UAVi進(jìn)行初始化并發(fā)出建立通信鏈路的請求，其余無人機接收到請求并進(jìn)行信息處理，最后進(jìn)行決策是否加入該編隊，如果沒能加入該編隊則重新進(jìn)行信息處理直至加入該編隊，其中i = 1，2，…，K;
[0016](Ib)無人機UAVi進(jìn)行決策是否發(fā)送群首節(jié)點請求，如果被否決則重新發(fā)起建立通信鏈路的請求，其余無人機收到請求后對接收信息處理并進(jìn)行決策是否將UAVi設(shè)為群首，如果否決則重新對接收信息進(jìn)行處理直至決策同意；
[0017](Ic)確認(rèn)無人機UAVi為群首后，無人機UAV i發(fā)出通信協(xié)議請求，其余無人機進(jìn)行決策是否與無人機匸々\建立通信鏈路，如果否定則其它無人機重新進(jìn)行接收信息處理直至建立通信鏈路；
[0018](Id)如果無人機UAVi通信中斷且其余無人機之間有能夠通信的則開始進(jìn)行群首變換處理，如果無人機UAVi通信沒有中斷則繼續(xù)保持通信。
[0019]前述的無人機編隊分布式協(xié)作通信方法，其特征在于，前述步驟(2)的具體過程為:
[0020](2a)在群首無人機的指令下，無人機編隊在飛行時保持陣型不變；
[0021](2b)通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機與慣導(dǎo)系統(tǒng)相互輔助的無人機導(dǎo)航系統(tǒng)獲取精確的無人機編隊導(dǎo)航?目息；
[0022](2c)將基準(zhǔn)站采集的差分校正量發(fā)送給無人機編隊進(jìn)行求差解算出來更為精確的坐標(biāo)n(t)；
[0023](2d)無人機編隊利用機載設(shè)備系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)命令分別獲取所需的目標(biāo)信息Hii (t), Ini (t)為編號為UAVj^無人機所獲取的目標(biāo)信息，i = 1，2，…，K。
[0024]前述的無人機編隊分布式協(xié)作通信方法，其特征在于，前述步驟(3)的具體過程為:
[0025](3a)無人機編隊監(jiān)測到與地面移動接收站的距離小于L ;
[0026](3b)無人機編隊采用分布式控制組網(wǎng)，構(gòu)成一個無中心、多跳的無線數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò);
[0027](3c)地面移動接收站調(diào)度器根據(jù)所有無人機用戶的信道狀況從這K個無人機用戶中選出N個用戶與基站共同組成N發(fā)N收的虛擬MMO信道；
[0028](3d)地面移動接收站調(diào)度器選出的N個無人機用戶在同一個時隙和同一個頻段分別向地面移動接收站發(fā)送N路相互獨立的數(shù)據(jù)流；
[0029](3e)地面移動接收站通過多副天線和接收機來區(qū)分來自不同無人機用戶的信號。
[0030]前述的無人機編隊分布式協(xié)作通信方法，其特征在于，前述步驟(4)的具體過程為:
[0031](4a)無人機編隊監(jiān)測到與地面移動接收站的距離大于L ;
[0032](4b)無人機編隊采用分布式控制組網(wǎng)，構(gòu)成一個無中心、多跳的無線數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò);
[0033](4c)無人機網(wǎng)絡(luò)中的無人機UAVi將導(dǎo)航信息n(t)和自己所偵察到的目標(biāo)信息Ini (t)發(fā)送給相鄰的無人機UAVg、UAVi+1，并由它們轉(zhuǎn)發(fā)給其下一個節(jié)點的無人機直至無人機編隊共享此信息，其中i = 1，2，…，K，約定UAVK+1= UAV ^UAVk= UAV 0；
[0034](4d)無人機編隊確認(rèn)編隊中的所有無人機都已共享導(dǎo)航信息n(t)和目標(biāo)信息
IIli ⑴;
[0035](4e)地面移動接收站向無人機編隊發(fā)送報告信號，無人機編隊共享該信息，然后通過波束成形系統(tǒng)估計地面移動接收站的到達(dá)方向；
[0036](4f)無人機編隊根據(jù)估計出的到達(dá)方向動態(tài)地調(diào)整天線陣列中每個組件的天線權(quán)重，將波束引向地面移動接收站；
[0037](4g)地面移動接收站將收到的信號進(jìn)行相干合并，從而提取出最完整的接收信號。
[0038]本發(fā)明的有益之處在于:
[0039](I)當(dāng)無人機編隊距離地面移動接收站較近時，通過采用虛擬MMO技術(shù)使得無人機編隊與地面移動接收站進(jìn)行通信，這樣每架無人機不用安裝大量的天線就可以實現(xiàn)多天線的傳輸，并且可以減小無人機的負(fù)載，因此，在不提高發(fā)送功率和帶寬的條件下就能夠成倍地增大系統(tǒng)的通信容量數(shù)據(jù)吞吐量，并能夠極大地提高頻譜利用率。
[0040](2)無人機編隊利用無線網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點信道的獨立性以及無線信道的廣播特性，通過通信節(jié)點共享資源信息、協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)來獲得分集增益，同時大幅地增加發(fā)送距離和擴大了通信范圍，能夠有效地減少信道衰落對通信帶來的影響，提高無人機編隊無線通信系統(tǒng)地可靠性。
[0041](3)當(dāng)無人機編隊距離地面移動接收站較遠(yuǎn)時，基于無人機編隊的協(xié)作方式虛擬多天線系統(tǒng)采用波束成形技術(shù)動態(tài)地形成N個定向強波束分別指向N個地面移動接收站，從而可以在地面移動接收站較遠(yuǎn)時，也能有效地抑制多址干擾，使其獲得良好的信號質(zhì)量，同時減小系統(tǒng)總的輸出功率。
【附圖說明】
[0042]圖1是本發(fā)明的通信方法的流程圖；
[0043]圖2是本發(fā)明的通信方法中無人機編隊形成及建立通信機制的流程圖；
[0044]圖3是本發(fā)明的通信方法中虛擬MMO復(fù)用方式示意圖；
[0045]圖4是本發(fā)明的通信方法中無人機編隊共享信息示意圖；
[0046]圖5是本發(fā)明的通信方法中無人機編隊波束成形方式示意圖。
【具體實施方式】
[0047]在本發(fā)明的通信方法中，我們通過利用協(xié)作通信技術(shù)，使得無人機編隊與地面移動接收站形成虛擬MMO系統(tǒng)，并結(jié)合多種方法從而滿足更高的通信要求。
[0048]在這里，我們將具有單天線的多架無人機組合起來形成編隊，在同一資源塊中形成虛擬的MIMO信道，聯(lián)合向具有多天線的基站發(fā)送數(shù)據(jù)。由于單無人機搭載的設(shè)備有限，所以要完成一件比較復(fù)雜的任務(wù)時，就必須多次出動，而編隊作業(yè)的無人機組可以分散搭載設(shè)備，將一個復(fù)雜的任務(wù)拆分為幾個簡單的任務(wù)，分配給編隊中的不同無人機，使任務(wù)能夠一次完成。在完成任務(wù)獲得信息以后，無人機編隊要將所獲信息發(fā)送給地面移動接收站。當(dāng)無人機距離地面移動接收站較遠(yuǎn)時，為了能獲得較好的信號質(zhì)量，我們也可以利用多架無人機組成編隊采用波束成形技術(shù)用于定向傳輸。
[0049]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的通信方法作具體的介紹。
[0050]參照圖1，本發(fā)明的通信方法包括以下步驟:
[0051 ] 步驟I，無人機組成編隊并建立通信機制。
[0052]參照圖2，該步驟具體的過程為:
[0053]首先，無人機UAVi進(jìn)行初始化并發(fā)出建立通信鏈路的請求，其余無人機接收到請求并進(jìn)行信息處理，最后進(jìn)行決策是否加入該編隊，如果沒能加入該編隊則重新進(jìn)行信息處理直至加入該編隊，其中i = 1，2，...，Κ。
[0054]其次，無人機UAVi進(jìn)行決策是否發(fā)送群首節(jié)點請求，如果被否決則重新發(fā)起建立通信鏈路的請求，其余無人機收到請求后對接收信息處理并進(jìn)行決策是否將UAVi設(shè)為群首，如果否決則重新對接收信息進(jìn)行處理直至決策同意。
[0055]然后，確認(rèn)無人機UAVi為群首后，無人機UAVi發(fā)出通信協(xié)議請求，其余無人機進(jìn)行決策是否與無人機匸々\建立通信鏈路，如果否定則其它無人機重新進(jìn)行接收信息處理直至建立通信鏈路。
[0056]最后，如果無人機UAVi通信中斷且其余無人機之間有能夠通信的則開始進(jìn)行群首變換處理，如果無人機UAVi通信沒有中斷則繼續(xù)保持通信。
[0057]步驟2，無人機編隊在飛行時保持陣形不變，利用北斗與慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)和機載設(shè)備系統(tǒng)分別獲得導(dǎo)航信息和目標(biāo)信息。
[0058]該步驟具體的過程為:
[0059]首先，在群首無人機的指令下