CN104571131A - 无人机编队分布式协作***及其抗干扰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机编队分布式协作***及其抗干扰方法，而无人机编队分布式协作***包括多台无人机及用于管理前述多台无人机的基站，每架无人机都配备相同的天线结构单元，所述基站内设置有自检***，该自检***能完成基站自身硬件运行在基站上软件的自检工作，还能完成能被该基站控制的无人机的硬件及运行在前述无人机上软件的自检工作；前述多台无人机根据基站的派遣指令执行飞行及既定分编任务，从而使前述多台无人机协同完成同一既定目标任务，该既定目标任务即为前述多台无人机完成的既定分编任务的融合，执行飞行及既定分编任务的多台无人机在飞行期间，选择排列成直线阵列或圆形阵列或矩形阵列进行列队飞行，该***抗干扰能力较强。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及无人机编队协作技术，更进一步涉及到一种无人机编队分布式协作联合处理以提高抗干扰能力的方法，可用于现代军事战争中作战编队协同抗干扰。
背景技术
无人机作为现代高科技装备之一，其在军事和民用中的独特作用已经越来越受到重视，而无人机相关的技术在经历了几十年的发展和积累，也日趋成熟。但是，单体无人机作为小型设备由于受到体积、自身供给以及飞行环境等等因素的限制，功能和效用始终存在一定的瓶颈，为了满足未来复杂任务和恶劣环境带来的挑战，无人机编队飞行作为无人机合作化发展方向的一个重要内容就被越来越多的研究与探讨。
无人机编队飞行，即多架无人机为适应任务要求而进行的某种队形排列和任务分配的组织模式。相比单机***，无人机编队能够更好的发挥多个无人机的优势，任务处理的能力也更强。但是不管是无人机单机执勤还是多机编队，都需要无人机***有一定强度的抗干扰性能，由于无人机上可装配的设备有限，单机的抗干扰性能经常会难以满足需求，因此研究如何发挥多机编队情况下的***抗干扰优势就有着重大意义。
现有的通信抗干扰思路，主要包括增强通信***的处理增益、发射功率以及天线增益这三种情况。其中前两者分别是通过实现扩频技术和信源与信道编码技术来达到抗干扰的目的，这类方法已经比较成熟，但其处理过程在很大程度上增加了通信***的运算强度。而无人机***由于具备小型化的特点，硬件条件的瓶颈使其在运算能力上有限，短期内难以很好的实现这些方法，所以并不是现阶段应该着重考虑的方向。而对于无人机***的天线设计，一般均采用固定天线阵列的设计方式，虽然设计难度不高，但是天线适应性不强，对不同通信环境很难做出调整。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种抗干扰能力较强的无人机编队分布式协作***。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种无人机编队分布式协作***的抗干扰方法。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：该无人机编队分布式协作***，其特征在于：包括多台无人机及用于管理前述多台无人机的基站，每架无人机都配备相同的天线结构单元，所述基站内设置有自检***，该自检***能完成基站自身硬件运行在基站上软件的自检工作，还能完成能被该基站控制的无人机的硬件及运行在前述无人机上软件的自检工作；前述多台无人机根据基站的派遣指令执行飞行及既定分编任务，从而使前述多台无人机协同完成同一既定目标任务，该既定目标任务即为前述多台无人机完成的既定分编任务的融合，执行飞行及既定分编任务的多台无人机在飞行期间，选择排列成直线阵列或圆形阵列或矩形阵列进行列队飞行。
作为改进，如果执行飞行及既定分编任务的无人机数目小于等于3台时，则执行飞行及既定分编任务的无人机排列成直线阵列进行列队飞行；如果执行飞行及既定分编任务的无人机数目大于等于4时，则执行飞行及既定分编任务的无人机首选排列成圆形阵列进行列队飞行，如果出现干扰源大于预定数目，则执行飞行及既定分编任务的无人机排列成矩形阵列进行列队飞行。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种无人机编队分布式协作***的抗干扰方法，其特征在于：首先构建一个无人机编队分布式协作***，该无人机编队分布式协作***包括：包括多个无人机及用于管理前述多个无人机的基站，每架无人机都配备相同的天线结构单元，所述基站内设置有自检***，该自检***能完成基站自身硬件运行在基站上软件的自检工作，还能完成能被该基站控制的无人机的硬件及运行在前述无人机上软件的自检工作，前述无人机编队分布式协作抗干扰方法通过如下步骤实现：
步骤一、基站及无人机初始化：
(1a)、基站通过自检***，完成基站自身及无人机自检工作，同时完成无人机与基站之间的通信检测，以保证无人机与基站之间的通信状态畅通；
(1b)、基站采集外界实时信息，将包含有地理位置和空域的环境信息加以分析，根据每台无人机的燃料和电能的供给限制，确定每台无人机的飞行约束条件；
步骤二、无人机编队调整及链路建立：
(2a)、基站先派遣第一架无人机，并让其作为临时群首担任临时链路中心，然后基站根据既定目标任务及无人机与基站之间的通信状态给一定数目剩余的无人机发出预派遣指示；
(2b)、接收到预派遣的无人机根据与基站及与临时群首之间的通信状态选择加入或退离编队操作，基站或临时群首则根据接收到预派遣的无人机选择加入或退离编队操作，以及既定目标任务的执行环境，进行编队数目调整；
(2c)、机组数目调整完毕后，选择加入编队的无人机则根据基站的派遣指令开始执行飞行及既定分编任务，前述既定目标任务即为前述加入编队的多台无人机的既定分编任务的融合，此时，临时群首作为核心节点，构建加入编队的所有无人机之间的临时通信链路；
步骤三、无人机编队群首的确立和调整：
(3a)、临时通信链路确立后，加入编队的所有无人机内部发起群首选举，加入编队的所有的无人机都作为一个信息传输节点，进行编队内部的信息传输过程；
(3b)、加入编队的所有无人机都参与信息传输后，进行横向比较，根据对包括信息处理速度、时延信息的比较，选取出性能最佳的无人机作为群首；
(3c)、群首确立后，临时群首由既有的临时通信链路将群首确认信息发送给其余无人机及基站，再通过群首构建的新的通信中心节点，调整新的通信链路并确立所有加入编队的无人机之间的通信协议；
(3d)、群首将新的通信链路及所有加入编队的无人机之间的通信协议先发送给基站，基站则通过与群首通信来下达指令，若出现群首故障或性能不足，则所有加入编队的无人机内部重新选举群首进行调整；
步骤四、无人机飞行阵型的初始确定及变换：
(4a)、加入编队的无人机在进行信息传输前，要确定阵型来保证无人机天线增益，若加入编队的无人机数目小于等于3台，则所有加入编队的无人机排列成直线阵列为初始阵列进行列队飞行；若加入编队的无人机数目大于等于4台，则所有加入编队的无人机排列成圆形阵列为初始阵列进行列队飞行；
(4b)、若加入编队的无人机数目小于等于3台，且加入编队的无人机在信息传输过程中，若出现干扰源数目大于预定数目，则所有加入编队的无人机排列变换成圆形阵列进行列队飞行，若干扰信号的方向能精确地估计，则所有加入编队的无人机排列再变换成直线阵列进行列队飞行；若加入编队的无人机数目大于等于4台，且出现干扰源数目大于预定数目，则所有加入编队的无人机变换成矩形阵列进行列队飞行。
作为改进，加入编队的无人机在收到基站或其他无人机发来的信息时，通过星历解算或惯导算法，得到信息的来源方向；加入编队的无人机在进行空域处理时，采用线性约束最小方差准则，群首根据接收到的信息的来源方向计算出该信息的最佳权向量w，然后其余无人机将自身接收到的信息与该信息对应的最佳权向量w乘积，完成加权处理，从而实现空域抗干扰。
群首实时测量其余加入编队的无人机的飞行速度信息，并且群首还将自身导航信息及速度信息发送给加入编队的其余无人机；加入编队的其余无人机通过参照群首的定位与速度信息，实时获取自身在整个编队中的位置。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的无人机编队分布式协作***，无人机在执行任务过程中，飞行阵列为可变阵列，包括圆形阵列、直线阵列和矩形阵列。无人机组可以通过飞行阵型的调整来改变机组接收天线的阵型，这样既发挥了圆阵方位角全向覆盖的特点，也利用了线阵和面阵单向高增益的优势，极大提高了抗干扰能力，同时很大程度上减少了***因为精度不足直接调遣无人机的情况。
附图说明
图1为本发明实施例中无人机编队分布式协作***的***流程图；
图2为本发明实施例中直线阵列排布示意图；
图3为本发明实施例中圆形阵列排布示意图；
图4为本发明实施例中矩形阵列排布示意图；
图5为本发明实施例中无人机编队流程框图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例提供了一种无人机编队分布式协作***，其包括多台无人机及用于管理前述多台无人机的基站，每架无人机都配备相同的天线结构单元，阵元1-2个，所述基站内设置有自检***，该自检***能完成基站自身硬件运行在基站上软件的自检工作，还能完成能被该基站控制的无人机的硬件及运行在前述无人机上软件的自检工作；前述多台无人机根据基站的派遣指令执行飞行及既定分编任务，从而使前述多台无人机协同完成同一既定目标任务，该既定目标任务即为前述多台无人机完成的既定分编任务的融合，执行飞行及既定分编任务的多台无人机在飞行期间，选择排列成直线阵列或圆形阵列或矩形阵列进行列队飞行。
无人机编队分布式协作抗干扰方法通过如下步骤实现，同时参看图5所示：
步骤一、基站及无人机初始化：
(1a)、基站通过自检***，完成基站自身及无人机自检工作，同时完成无人机与基站之间的通信检测，以保证无人机与基站之间的通信状态畅通；
(1b)、基站采集外界实时信息，将包含有地理位置和空域的环境信息加以分析，根据每台无人机的燃料和电能的供给限制，确定每台无人机的飞行约束条件，这里的飞行约束条件包括无人机的飞行时间、飞行位置、和飞行速度；
步骤二、无人机编队调整及链路建立：
(2a)、基站先派遣第一架无人机，该无人机应完成前述自检工作，并与基站之间的通信状态畅通，让其作为临时群首担任临时链路中心，然后基站根据既定目标任务及无人机与基站之间的通信状态给一定数目剩余的无人机发出预派遣指示；
(2b)、接收到预派遣的无人机根据与基站及与临时群首之间的通信状态选择加入或退离编队操作，基站或临时群首则根据接收到预派遣的无人机选择加入或退离编队操作，以及既定目标任务的执行环境，进行编队数目调整；
(2c)、机组数目调整完毕后，选择加入编队的无人机则根据基站的派遣指令开始执行飞行及既定分编任务，前述既定目标任务即为前述加入编队的多台无人机的既定分编任务的融合，此时，临时群首作为核心节点，构建加入编队的所有无人机之间的临时通信链路；
步骤三、无人机编队群首的确立和调整：
(3a)、临时通信链路确立后，加入编队的所有无人机内部发起群首选举，加入编队的所有的无人机都作为一个信息传输节点，进行编队内部的信息传输过程；
(3b)、加入编队的所有无人机都参与信息传输后，进行横向比较，根据对包括信息处理速度、时延信息的比较，选取出性能最佳的无人机作为群首，担任群首的无人机为主机，其余加入编队的无人机作为从机；参见图1所示；
(3c)、群首确立后，临时群首由既有的临时通信链路将群首确认信息发送给其余无人机及基站，再通过群首构建的新的通信中心节点，调整新的通信链路并确立所有加入编队的无人机之间的通信协议；
(3d)、群首将新的通信链路及所有加入编队的无人机之间的通信协议先发送给基站，基站则通过与群首通信来下达指令，若出现群首故障或性能不足，则所有加入编队的无人机内部重新选举群首进行调整；
步骤四、无人机飞行阵型的初始确定及变换：
(4a)、加入编队的无人机在进行信息传输前，要确定阵型来保证无人机天线增益，若加入编队的无人机数目小于等于3台，则所有加入编队的无人机排列成直线阵列为初始阵列进行列队飞行，参见图2所示，若加入编队的无人机数目大于等于4台，则所有加入编队的无人机排列成圆形阵列为初始阵列进行列队飞行，参见图3所示；
(4b)、若加入编队的无人机数目小于等于3台，且加入编队的无人机在信息传输过程中，若出现干扰源数目大于预定数目，则所有加入编队的无人机排列变换成圆形阵列进行列队飞行，若干扰信号的方向能精确地估计，则所有加入编队的无人机排列再变换成直线阵列进行列队飞行；若加入编队的无人机数目大于等于4台，且出现干扰源数目大于预定数目，则所有加入编队的无人机变换成矩形阵列进行列队飞行，参见图4所示。
加入编队的无人机，包括主机和所有从机，以下均称为无人机组，无人机组对接收的信号进行信息处理，以增强***的抗干扰性能，保证通信质量。由于天线的增益有限，所以每个无人机都必须有信息处理模块以满足干扰抑制的目的。而空时自适应处理(Space-Time Adaptive Process)在抗干扰方面的应用尤其广泛，本发明就以空时自适应处理作为无人机信息处理过程的主要思路：首先，无人机组通过常见的星历解算的方式，或是通过在无人机上安装捷联惯导，然后进行信息估算的方式，得到信号的来波方向DOA；其次，无人机组内部根据约定的波束赋形准则，获得最优波束赋形权值，从而补偿空间损耗及多径效应等因素产生的信号衰落与失真。本发明采用线性约束最小方差准则，准则及约束条件表达式如下：
其中w即为空域处理波束赋形的权值；f为约束相应的向量，由于空域处理并不对信号产生增益，所以f为全1向量；Rx为E{xxH}，是接收信号的自相关矩阵，它包含了卫星信号的全部信息；为信号来波方向矢量矩阵。群首根据DOA信息和确定的波束赋形准则，解算出某一信息的最佳权向量w，然后其余无人机将自身接收到的信息与该信息对应的最佳权向量w乘积，从而完成加权处理，从而实现空域抗干扰；
再次，在时域处理阶段，无人机组通过相应算法(如RLS算法等)对滤波器参数进行设定，确定代价函数，然后，接收信息的无人机通过使代价函数最小，解算得到时域权值l的迭代关系；最后，无人机通过不断的用训练序列对权值进行更新，使得算法的学习曲线不断降低，当低于某个临界值时此时算法就趋于稳定，***输出的信号就是经过了天线的分布式干扰抑制和空时处理的最终接收信号。
接收信息的无人机对信号进行解算，通过群首的定位信息完成整个编队的定位、速度、测距信息确定；首先，虽然处理后的信息抑制了大部分干扰，减少了噪声，但本身的信号信息经过了调制，基站或无人机无法识别，并且此时具有较宽带宽的数字中频信号与部分噪声是一同存在的，所以接收信息的无人机机应对信号进行解扩操作，即接收的信号与接收机复制码相乘，然后经过滤波得到无人机可识别的原始信号；其次，群首对经过处理的原始信号解算，得到编队所需的定位信息，然后无人机组内部根据接收的定位信息进行测距操作，再通过多普勒测速方式得到无人机飞行速度，群首经过上述处理过程后，得到了自身完整的信息，将其发送给编队其余成员；最后，其余子机通过参照主机的信息，结合自身的情况完成自身的导航信息确定，最终得到整个编队完整的定位、速度、测距解算信息。
另外，无人机编队内部还会进行周期检测，并对问题机进行适当调整：首先，整个无人机编队协同***在构建了临时的内部链路后，始终都应该保证整个***的通信畅通，所以***必须周期性的进行内部通信检测，编队的群首机每过一个固定时钟TS，就发送一个状态确认信息给各子机进行通信联络；其次，各编队子机在接收到群首发送的实时信息后应及时更新状态信息并回复，一旦有通信障碍，则编队内部通过通信链路第一时间共享故障无人机情况和信息，并进行统计；群首统计出未回馈信息的子机数量，子机之间也进行信息更新，确定出未接收主机信息的子机数量；再次，编队***确立故障判决门限，根据未接受到检测信息的子机数量等故障信息，对故障问题进行判断和甄别，确定故障类型为群首机产生还是子机产生；若为群首故障，则编队根据各子机的信息时延情况，选出时延最短的子机重新确立为群首，并将该信息发送基站；若为子机故障时，群首直接向基站发送信息；最终，基站根据故障情况及环境，结合编队已有的故障措施，做出增援决策和故障机的处理决定。
Claims (5)
1.无人机编队分布式协作***，其特征在于：包括多台无人机及用于管理前述多台无人机的基站，每架无人机都配备相同的天线结构单元，所述基站内设置有自检***，该自检***能完成基站自身硬件运行在基站上软件的自检工作，还能完成能被该基站控制的无人机的硬件及运行在前述无人机上软件的自检工作；前述多台无人机根据基站的派遣指令执行飞行及既定分编任务，从而使前述多台无人机协同完成同一既定目标任务，该既定目标任务即为前述多台无人机完成的既定分编任务的融合，执行飞行及既定分编任务的多台无人机在飞行期间，选择排列成直线阵列或圆形阵列或矩形阵列进行列队飞行。
2.根据权利要求1所述的无人机编队分布式协作***，其特征在于：如果执行飞行及既定分编任务的无人机数目小于等于3台时，则执行飞行及既定分编任务的无人机排列成直线阵列进行列队飞行；如果执行飞行及既定分编任务的无人机数目大于等于4时，则执行飞行及既定分编任务的无人机首选排列成圆形阵列进行列队飞行，如果出现干扰源大于预定数目，则执行飞行及既定分编任务的无人机排列成矩形阵列进行列队飞行。
3.一种无人机编队分布式协作***的抗干扰方法，其特征在于：首先构建一个无人机编队分布式协作***，该无人机编队分布式协作***包括：包括多个无人机及用于管理前述多个无人机的基站，每架无人机都配备相同的天线结构单元，所述基站内设置有自检***，该自检***能完成基站自身硬件运行在基站上软件的自检工作，还能完成能被该基站控制的无人机的硬件及运行在前述无人机上软件的自检工作，前述无人机编队分布式协作抗干扰方法通过如下步骤实现：
步骤一、基站及无人机初始化：
(1a)、基站通过自检***，完成基站自身及无人机自检工作，同时完成无人机与基站之间的通信检测，以保证无人机与基站之间的通信状态畅通；
(1b)、基站采集外界实时信息，将包含有地理位置和空域的环境信息加以分析，根据每台无人机的燃料和电能的供给限制，确定每台无人机的飞行约束条件；
步骤二、无人机编队调整及链路建立：
(2a)、基站先派遣第一架无人机，并让其作为临时群首担任临时链路中心，然后基站根据既定目标任务及无人机与基站之间的通信状态给一定数目剩余的无人机发出预派遣指示；
(2b)、接收到预派遣的无人机根据与基站及与临时群首之间的通信状态选择加入或退离编队操作，基站或临时群首则根据接收到预派遣的无人机选择加入或退离编队操作，以及既定目标任务的执行环境，进行编队数目调整；
(2c)、机组数目调整完毕后，选择加入编队的无人机则根据基站的派遣指令开始执行飞行及既定分编任务，前述既定目标任务即为前述加入编队的多台无人机的既定分编任务的融合，此时，临时群首作为核心节点，构建加入编队的所有无人机之间的临时通信链路；
步骤三、无人机编队群首的确立和调整：
(3a)、临时通信链路确立后，加入编队的所有无人机内部发起群首选举，加入编队的所有的无人机都作为一个信息传输节点，进行编队内部的信息传输过程；
(3b)、加入编队的所有无人机都参与信息传输后，进行横向比较，根据对包括信息处理速度、时延信息的比较，选取出性能最佳的无人机作为群首；
(3c)、群首确立后，临时群首由既有的临时通信链路将群首确认信息发送给其余无人机及基站，再通过群首构建的新的通信中心节点，调整新的通信链路并确立所有加入编队的无人机之间的通信协议；
(3d)、群首将新的通信链路及所有加入编队的无人机之间的通信协议先发送给基站，基站则通过与群首通信来下达指令，若出现群首故障或性能不足，则所有加入编队的无人机内部重新选举群首进行调整；
步骤四、无人机飞行阵型的初始确定及变换：
(4a)、加入编队的无人机在进行信息传输前，要确定阵型来保证无人机天线增益，若加入编队的无人机数目小于等于3台，则所有加入编队的无人机排列成直线阵列为初始阵列进行列队飞行；若加入编队的无人机数目大于等于4台，则所有加入编队的无人机排列成圆形阵列为初始阵列进行列队飞行；
(4b)、若加入编队的无人机数目小于等于3台，且加入编队的无人机在信息传输过程中，若出现干扰源数目大于预定数目，则所有加入编队的无人机排列变换成圆形阵列进行列队飞行，若干扰信号的方向能精确地估计，则所有加入编队的无人机排列再变换成直线阵列进行列队飞行；若加入编队的无人机数目大于等于4台，且出现干扰源数目大于预定数目，则所有加入编队的无人机变换成矩形阵列进行列队飞行。
4.根据权利要求3所述的抗干扰方法，其特征在于：加入编队的无人机在收到基站或其他无人机发来的信息时，通过星历解算或惯导算法，得到信息的来源方向；加入编队的无人机在进行空域处理时，采用线性约束最小方差准则，群首根据接收到的信息的来源方向计算出该信息的最佳权向量w，然后其余无人机将自身接收到的信息与该信息对应的最佳权向量w乘积，完成加权处理，从而实现空域抗干扰。
5.根据权利要求3所述的抗干扰方法，其特征在于：群首实时测量其余加入编队的无人机的飞行速度信息，并且群首还将自身导航信息及速度信息发送给加入编队的其余无人机；加入编队的其余无人机通过参照群首的定位与速度信息，实时获取自身在整个编队中的位置。
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Granted publication date: 20170905 Termination date: 20220120 |