無人機(jī)編隊(duì)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(jī)編隊(duì)協(xié)作技術(shù)，更進(jìn)一步涉及到一種無人 機(jī)編隊(duì)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(duì)協(xié) 同抗干擾。
【背景技術(shù)】
[0002] 無人機(jī)作為現(xiàn)代高科技裝備之一，其在軍事和民用中的獨(dú)特作用已經(jīng)越來越受到 重視，而無人機(jī)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(jī) 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(fù)雜任務(wù)和惡劣環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，無人機(jī)編隊(duì)飛行作為無人 機(jī)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(jī)編隊(duì)飛行，即多架無人機(jī)為適應(yīng)任務(wù)要求而進(jìn)行的某種隊(duì)形排列和任務(wù)分 配的組織模式。相比單機(jī)系統(tǒng)，無人機(jī)編隊(duì)能夠更好的發(fā)揮多個無人機(jī)的優(yōu)勢，任務(wù)處理的 能力也更強(qiáng)。但是不管是無人機(jī)單機(jī)執(zhí)勤還是多機(jī)編隊(duì)，都需要無人機(jī)系統(tǒng)有一定強(qiáng)度的 抗干擾性能，由于無人機(jī)上可裝配的設(shè)備有限，單機(jī)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(jī)編隊(duì)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻技術(shù)和信源與信道編碼技術(shù)來達(dá)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(yùn)算 強(qiáng)度。而無人機(jī)系統(tǒng)由于具備小型化的特點(diǎn)，硬件條件的瓶頸使其在運(yùn)算能力上有限，短期 內(nèi)難以很好的實(shí)現(xiàn)這些方法，所以并不是現(xiàn)階段應(yīng)該著重考慮的方向。而對于無人機(jī)系統(tǒng) 的天線設(shè)計(jì)，一般均采用固定天線陣列的設(shè)計(jì)方式，雖然設(shè)計(jì)難度不高，但是天線適應(yīng)性不 強(qiáng)，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(qiáng)的無人機(jī)編隊(duì)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(jī)編隊(duì)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(jī)編隊(duì)分布式協(xié)作 系統(tǒng)，其特征在于：包括多臺無人機(jī)及用于管理前述多臺無人機(jī)的基站，每架無人機(jī)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(yùn)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(jī)的硬件及運(yùn)行在前述無人機(jī) 上軟件的自檢工作；前述多臺無人機(jī)根據(jù)基站的派遣指令執(zhí)行飛行及既定分編任務(wù)，從而 使前述多臺無人機(jī)協(xié)同完成同一既定目標(biāo)任務(wù)，該既定目標(biāo)任務(wù)即為前述多臺無人機(jī)完成 的既定分編任務(wù)的融合，執(zhí)行飛行及既定分編任務(wù)的多臺無人機(jī)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(jìn)行列隊(duì)飛行。
[0008] 作為改進(jìn)，如果執(zhí)行飛行及既定分編任務(wù)的無人機(jī)數(shù)目小于等于3臺時，則執(zhí)行 飛行及既定分編任務(wù)的無人機(jī)排列成直線陣列進(jìn)行列隊(duì)飛行；如果執(zhí)行飛行及既定分編任 務(wù)的無人機(jī)數(shù)目大于等于4時，則執(zhí)行飛行及既定分編任務(wù)的無人機(jī)首選排列成圓形陣列 進(jìn)行列隊(duì)飛行，如果出現(xiàn)干擾源大于預(yù)定數(shù)目，則執(zhí)行飛行及既定分編任務(wù)的無人機(jī)排列 成矩形陣列進(jìn)行列隊(duì)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(jī)編隊(duì)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(jī)編隊(duì)分布式協(xié)作系統(tǒng)，該無人機(jī)編 隊(duì)分布式協(xié)作系統(tǒng)包括：包括多個無人機(jī)及用于管理前述多個無人機(jī)的基站，每架無人機(jī) 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(yùn)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(jī)的硬件及運(yùn)行在前述 無人機(jī)上軟件的自檢工作，前述無人機(jī)編隊(duì)分布式協(xié)作抗干擾方法通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0010] 步驟一、基站及無人機(jī)初始化：
[0011] (la)、基站通過自檢系統(tǒng)，完成基站自身及無人機(jī)自檢工作，同時完成無人機(jī)與基 站之間的通信檢測，以保證無人機(jī)與基站之間的通信狀態(tài)暢通；
[0012] (lb)、基站采集外界實(shí)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(jī)的燃料和電能的供給限制，確定每臺無人機(jī)的飛行約束條件；
[0013] 步驟二、無人機(jī)編隊(duì)調(diào)整及鏈路建立：
[0014] (2a)、基站先派遣第一架無人機(jī)，并讓其作為臨時群首擔(dān)任臨時鏈路中心，然后基 站根據(jù)既定目標(biāo)任務(wù)及無人機(jī)與基站之間的通信狀態(tài)給一定數(shù)目剩余的無人機(jī)發(fā)出預(yù)派 遣指示；
[0015] (2b)、接收到預(yù)派遣的無人機(jī)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(duì)操作，基站或臨時群首則根據(jù)接收到預(yù)派遣的無人機(jī)選擇加入或退離編隊(duì)操 作，以及既定目標(biāo)任務(wù)的執(zhí)行環(huán)境，進(jìn)行編隊(duì)數(shù)目調(diào)整；
[0016] (2c)、機(jī)組數(shù)目調(diào)整完畢后，選擇加入編隊(duì)的無人機(jī)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(wù)，前述既定目標(biāo)任務(wù)即為前述加入編隊(duì)的多臺無人機(jī)的既定分編 任務(wù)的融合，此時，臨時群首作為核心節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建加入編隊(duì)的所有無人機(jī)之間的臨時通信鏈 路；
[0017] 步驟三、無人機(jī)編隊(duì)群首的確立和調(diào)整：
[0018] (3a)、臨時通信鏈路確立后，加入編隊(duì)的所有無人機(jī)內(nèi)部發(fā)起群首選舉，加入編隊(duì) 的所有的無人機(jī)都作為一個信息傳輸節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行編隊(duì)內(nèi)部的信息傳輸過程；
[0019] (3b)、加入編隊(duì)的所有無人機(jī)都參與信息傳輸后，進(jìn)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(jī)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(rèn)信息發(fā)送給其余 無人機(jī)及基站，再通過群首構(gòu)建的新的通信中心節(jié)點(diǎn)，調(diào)整新的通信鏈路并確立所有加入 編隊(duì)的無人機(jī)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(duì)的無人機(jī)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(dá)指令，若出現(xiàn)群首故障或性能不足，則所有加入編隊(duì)的無 人機(jī)內(nèi)部重新選舉群首進(jìn)行調(diào)整；
[0022] 步驟四、無人機(jī)飛行陣型的初始確定及變換：
[0023] (4a)、加入編隊(duì)的無人機(jī)在進(jìn)行信息傳輸前，要確定陣型來保證無人機(jī)天線增益， 若加入編隊(duì)的無人機(jī)數(shù)目小于等于3臺，則所有加入編隊(duì)的無人機(jī)排列成直線陣列為初始 陣列進(jìn)行列隊(duì)飛行；若加入編隊(duì)的無人機(jī)數(shù)目大于等于4臺，則所有加入編隊(duì)的無人機(jī)排 列成圓形陣列為初始陣列進(jìn)行列隊(duì)飛行；
[0024] (4b)、若加入編隊(duì)的無人機(jī)數(shù)目小于等于3臺，且加入編隊(duì)的無人機(jī)在信息傳輸 過程中，若出現(xiàn)干擾源數(shù)目大于預(yù)定數(shù)目，則所有加入編隊(duì)的無人機(jī)排列變換成圓形陣列 進(jìn)行列隊(duì)飛行，若干擾信號的方向能精確地估計(jì)，則所有加入編隊(duì)的無人機(jī)排列再變換成 直線陣列進(jìn)行列隊(duì)飛行；若加入編隊(duì)的無人機(jī)數(shù)目大于等于4臺，且出現(xiàn)干擾源數(shù)目大于 預(yù)定數(shù)目，則所有加入編隊(duì)的無人機(jī)變換成矩形陣列進(jìn)行列隊(duì)飛行。
[0025] 作為改進(jìn)，加入編隊(duì)的無人機(jī)在收到基站或其他無人機(jī)發(fā)來的信息時，通過星歷 解算或慣導(dǎo)算法，得到信息的來源方向；加入編隊(duì)的無人機(jī)在進(jìn)行空域處理時，采用線性約 束最小方差準(zhǔn)則，群首根據(jù)接收到的信息的來源方向計(jì)算出該信息的最佳權(quán)向量w，然后其 余無人機(jī)將自身接收到的信息與該信息對應(yīng)的最佳權(quán)向量w乘積，完成加權(quán)處理，從而實(shí) 現(xiàn)空域抗干擾。
[0026] 群首實(shí)時測量其余加入編隊(duì)的無人機(jī)的飛行速度信息，并且群首還將自身導(dǎo)航信 息及速度信息發(fā)送給加入編隊(duì)的其余無人機(jī)；加入編隊(duì)的其余無人機(jī)通過參照群首的定位 與速度信息，實(shí)時獲取自身在整個編隊(duì)中的位置。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明的無人機(jī)編隊(duì)分布式協(xié)作系統(tǒng)，無人 機(jī)在執(zhí)行任務(wù)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(jī) 組可以通過飛行陣型的調(diào)整來改變機(jī)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(diǎn)，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?yàn)榫炔蛔阒苯诱{(diào)遣無人機(jī)的情況。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中無人機(jī)編隊(duì)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(shí)施例中直線陣列排布示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中圓形陣列排布示意圖；
[0031] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中矩形陣列排布示意圖；
[0032] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中無人機(jī)編隊(duì)流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 以下結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0034] 本實(shí)施例提供了一種無人機(jī)編隊(duì)分布式協(xié)作系統(tǒng)，其包括多臺無人機(jī)及用于管理 前述多臺無人機(jī)的基站，每架無人機(jī)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(yùn)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(jī)的硬件及運(yùn)行在前述無人機(jī)上軟件的自檢工作；前述多臺無人 機(jī)根據(jù)基站的派遣指令執(zhí)行飛行及既定分編任務(wù)，從而使前述多臺無人機(jī)協(xié)同完成同一既 定目標(biāo)任務(wù)，該既定目標(biāo)任務(wù)即為前述多臺無人機(jī)完成的既定分編任務(wù)的融合，執(zhí)行飛行 及既定分編任務(wù)的多臺無人機(jī)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(jìn) 行列隊(duì)飛行。
[0035] 無人機(jī)編隊(duì)分布式協(xié)作抗干擾方法通過如下步驟實(shí)現(xiàn)，同時參看圖5所示：
[0036] 步驟一、基站及無人機(jī)初始化：
[0037](la)、基站通過自檢系統(tǒng)，完成基站自身及無人機(jī)自檢工作，同時完成無人機(jī)與基 站之間的通信檢測，以保證無人機(jī)與基站之間的通信狀態(tài)暢通；
[0038] (lb)、基站采集外界實(shí)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(jī)的燃料和電能的供給限制，確定每臺無人機(jī)的飛行約束條件，這里的飛行約 束條件包括無人機(jī)的飛行時間、飛行位置、和飛行速度；
[0039] 步驟二、