一种无人机组网通信系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机组网通信系统。

背景技术

随着无人机的快速发展，国家对无人机的需求也逐步增加，工业、农业、军事、物流等各个方面都离不开无人机的身影。多无人机的高效协同，使得传统的无人机通信方式逐渐变得受限，要想获取空中目标通信内容，因此对无人机组网通信变得迫在眉睫，也尤为重要；快速、准确、高效的获取空中目标的位置信息、状态信息、对了解战场战术决策、部署具有重要作用。

现有技术中，无人机单链路通信较为普遍，组网通信不够灵活，依赖性较强，对通信链路中不同链路的无人机不能有效进行管控，缺乏多链路融合通信技术的应用；人机协同数据链组网普遍中心化特点，系统扩展性不高。

传统的多跳传输技术采用的路由算法主要在固定基础设施的场景下，实现的网络拓扑通信。而在自组网条件下，网络拓扑动态变化，节点频繁入退网，导致路由路径的可取性和有效性也处于变化中，传统路由算法无法适应频繁的拓扑变化。

而且，现有的无人机对流媒体通信协议单一化、灵活度不高，无法快速精确地作出解析来完成推送或播放。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种无人机组网通信系统，用以解决现有无人机组网缺乏多链路融合通信及流媒体解析不灵活的问题。

本发明实施例提供了一种无人机组网通信系统，包括：无人机节点和地面节点，其中地面节点包括：手持终端、协同数据链端机和天线；手持终端中部署有数据链管控单元，与协同数据链端机进行双向交互通信；

数据链管控单元包括链路管理模块和流媒体管理模块；链路管理模块，用于管理窄带和宽带链路的无人机节点，根据路由算法构建窄带和宽带链路中的无人机网络；根据时间基准等级同步无人机网络中的节点时间；根据参数配置模式发送参数配置命令；

流媒体管理模块，用于将手持终端中实时采集的音视频通过协同数据链端机推送给目标，及，在手持终端播放拉取的音视频。

基于上述系统的进一步改进，链路管理模块，根据路由算法构建窄带和宽带链路中的无人机网络，包括：根据泛洪算法和DSDV路由算法，构建窄带链路中的无人机网络；根据泛洪算法和链路状态路由算法，构建宽带链路中的无人机网络。

基于上述系统的进一步改进，无人机网络中每个无人机节点对应一个路由表，其中路由表中的目标序列号为偶数时，表示目标节点可达；目标序列号为奇数时，表示目标节点不可达，且跳数设置为无穷大。

基于上述系统的进一步改进，协同数据链端机管控一个或多个无人机网络，并跟踪无人机网络中已经泛洪过的数据包。

基于上述系统的进一步改进，链路管理模块，根据时间基准等级同步无人机网络中的节点时间，包括：

计算无人机网络中各节点距离主控节点的跳数，作为初始的本地时间基准等级，其中主控节点的时间基准等级最高，为0级；

主控节点开机发送第一时间基准信息，包括节点ID、时间基准等级、时帧、时元和时隙，无人机网络中非主控节点根据接收到的第一时间基准信息，更新本地节点时间；

无人机网络中非控节点发送第二时间基准信息，各节点在接收到多个第二时间基准信息后，根据其中高于本地时间基准等级的第二时间基准信息，更新本地节点时间。

基于上述系统的进一步改进，协同数据链端机预先加载多个时隙表，根据接收到的数据链管控单元发送的数据流量，计算出无人机节点的任务速率；各个无人机节点将任务速率汇总到主控节点，由主控节点计算出各个无人机节点的任务速率比值，与每个时隙表中对应无人机节点的任务速率比值进行相减，选择差值最小的时隙表，并下发给非主控节点。

基于上述系统的进一步改进，参数配置模式包括临时生效和永久生效，临时生效依次包括接收和执行两个阶段，配置的参数仅在当前上电状态下有效；永久生效依次包括接收、存储和执行三个阶段，配置的参数保存在存储器中；每个阶段中接收方接收到命令后立即进行反馈，发送方接收到反馈后再发送下阶段命令。

基于上述系统的进一步改进，流媒体管理模块，将手持终端中实时采集的音视频通过协同数据链端机推送给目标，包括：获取目标的推流地址，对采集的视频和音频进行预处理；创建推流线程，根据视频传输协议对音频和视频进行编码和封装，形成音视频流的报文消息，循环推送至目标的推流地址，直至无音视频流，结束推流线程。

基于上述系统的进一步改进，流媒体管理模块，在手持终端播放拉取的音视频，包括：选择播放音视频，当播放地址有效，获取音视频流的报文消息，创建播放线程，根据视频传输协议对报文消息进行解码，循环读取解码后的视频和音频，执行视频和音频同步后，分别传输至手持终端的播放设备，直至无视频和音频，结束播放线程。

基于上述系统的进一步改进，报文消息中增加报文同步码字段，用于存放视频传输协议。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：通过时间同步和时隙资源分配，实现窄带和宽带链路融合通信；对窄带和宽带采用不同的动态路由算法，支撑任意节点间的互联互通，并在节点入退网等情况下，快速更新路由；通过多阶段多次握手协议提升参数配置的可靠性；支持多种协议自适应处理，提高音视频解析效率；通过手持终端对无人机协同数据链中各节点发送接收数据进行管理，实现高效、便捷的无人机组网通信系统。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中一种无人机组网通信系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种无人机组网通信系统，如图1所示，包括：无人机节点和地面节点，其中地面节点包括：手持终端、协同数据链端机和天线；手持终端中部署有数据链管控单元，与协同数据链端机进行双向交互通信；

数据链管控单元包括链路管理模块和流媒体管理模块；链路管理模块，用于管理窄带和宽带链路的无人机节点，根据路由算法构建窄带和宽带链路中的无人机网络；根据时间基准等级同步无人机网络中的节点时间；根据参数配置模式发送参数配置命令；

流媒体管理模块，用于将手持终端中实时采集的音视频通过协同数据链端机推送给目标，及，在手持终端播放拉取的音视频。

实施时，搭载手持终端，高效、便捷地对无人机协同数据链中各节点发送和接收的数据进行管理，有效地保障各节点对窄带控制数据、宽带图像数据传输的基本需求，使无人机之间进行组网完成机间通信。

需要说明的是，手持终端中部署的数据链管控单元，通过网口或串口，或采用无线连接方式，与协同数据链端机的基带处理模块，及其FPGA芯片内部驻留的链路接入与管理软件进行双向交互通信。链路接入与管理软件是完成协同数据链端机处理模块底层驱动的加载及配置。

手持终端还可以与其它控制设备进行网络互联，比如网络摄像头、外置GPS等。

与现有技术相比，本实施例中的系统独立维护窄带和宽带两张网络，通过链路管理模块管理窄带和宽带链路的无人机节点，可以根据实际需求，调整无人机节点所处网络，实现多链路融合通信。示例性地，如果要将地面视频传输至无人机节点A，但它属于窄带网络，数据传输资源受限，则将无人机A调整到宽带网络中，接收视频后再换回窄带网络。

当无人机节点入网和退网，或者节点故障或失效时，更新网络中各节点的多跳传输路径，继续维持全网通信。具体来说，根据泛洪算法和DSDV(destination-sequenceddistance-vector，目的序列距离矢量路由协议)路由算法，构建窄带链路中的无人机网络；根据泛洪算法和链路状态路由算法，构建宽带链路中的无人机网络。协同数据链端机管控一个或多个无人机网络。

在构建的无人机网络中，每个无人机节点对应一个路由表，包括所有可用的目标节点序列号、到达目标节点的下一跳节点序列号、到达目标节点的跳数。当有新的无人机节点加入组网时，会向周围邻居节点广播本无人机节点信息。邻居节点收到后，会更新路由表，重新计算本无人机节点可达节点的路径及跳数。路由表中的目标节点序列号为偶数时，表示目标节点可达；目标序列号为奇数时，表示目标节点不可达，且跳数设置为无穷大。任何一个无人机节点一旦路由表有更新，均会向周围节点广播，以将整个无人机网络的路由状态进行更新。路由表由底层链路进行发送转发，再由网络层进行解算。

为了避免无人机网络中产生大量重复的数据包，对泛洪过程进行了必要抑制。协同数据链端机跟踪所管控的无人机网络中已经泛洪过的数据包，避免重复发送。

进一步地，由于无人机节点的入退网，需要解决多链路的时间同步问题。在链路管理模块，根据时间基准等级同步无人机网络中的节点时间，包括：

计算无人机网络中各节点距离主控节点的跳数，作为初始的本地时间基准等级，其中主控节点的时间基准等级最高，为0级；即：与主控节点距离越远的无人机节点的时间基准等级越低；

主控节点开机后发送第一时间基准信息，包括节点ID、时间基准等级、时帧、时元和时隙，无人机网络中非主控节点根据接收到的第一时间基准信息，更新本地节点时间；

无人机网络中非控节点发送第二时间基准信息，各节点在接收到多个第二时间基准信息后，选择高于本地时间基准等级且最高的第二时间基准信息，更新本地节点时间。

进一步地，对窄带和宽带链路分别设置有多种时隙分配方案和时隙表，包括：节点平均分配、资源池动态分配和人工分配。示例性地，窄带链路主要用于地面节点和无人机网络之间控制信息交互和任务协同，在窄带模式下，地面节点和7个空中无人机节点共享120kbps数据带宽，则各节点平均分配方案下，各节点占用15Kbps发送带宽。在人工分配方案下，根据数据类型选择时隙表：当传输图像和视频数据时，选择占用较高的时隙表，当传输控制参数数据时，选择占用较低的时隙表。

协同数据链端机启动后预先加载多个时隙表，当设置了资源池动态分配时，协同数据链端机根据接收到的数据链管控单元发送的数据流量，计算出无人机节点的任务速率；各个无人机节点将任务速率汇总到主控节点，由主控节点计算出各个无人机节点的任务速率比值，与每个时隙表中对应无人机节点的任务速率比值进行相减，选择差值最小的时隙表，并下发给非主控节点。

需要说明的是，上述时隙分配方案通过数据链管控单元中的参数配置模块进行配置。该模块配置的参数包括：网络参数、射频参数和接口参数，其中网络参数包括本地或远端设备的设备工作模式、工作频率、节点号、时隙表号和占用时隙号；射频参数包括本地或远端设备的设备发射功率等射频参数；接口参数包括本地或远端设备的网口和串口参数。

需要说明的是，远端设备是通过无线链路进行远程交互，包括邻居节点和多跳邻居节点。由于无线信道自身的变化可能导致偶发丢包，且无人机平台设备参数不易通过有线方式进行维护，本实施例在窄带模式、以及同时存在窄带和宽带的混合模式下，优先采用窄带数传信道进行参数配置命令传输，提供比宽带链路更高的可靠性。

进一步地，参数配置模式包括临时生效和永久生效，其中，临时生效依次包括接收和执行两个阶段，配置的参数仅在当前上电状态下有效；永久生效依次包括接收、存储和执行三个阶段，配置的参数保存在存储器中。需要注意的是，每个阶段中接收方接收到命令后立即进行反馈，发送方接收到反馈后再发送下阶段命令，即每个阶段基于两次握手协议，临时生效时，共四次握手，永久生效时，共六次握手。

优选地，通过设置参数复位，实现节点的状态恢复。

需要说明的是，系统中的流媒体管理模块，主要负责音视频处理，采用了FFmpeg音视频技术，涵盖了基于H264协议、RTSP协议、RTMP协议和RTP协议的视频传输，实现了音视频的编码、解码、转码、播放等功能。

具体来说，流媒体管理模块，将手持终端中实时采集的音视频通过协同数据链端机推送给目标，包括：获取目标的推流地址，对采集的视频和音频进行预处理；创建推流线程，根据视频传输协议对音频和视频进行编码和封装，形成音视频流的报文消息，循环推送至目标的推流地址，直至无音视频流，结束推流线程。

流媒体管理模块，在手持终端播放拉取的音视频，包括：选择播放音视频，当播放地址有效，获取音视频流的报文消息，创建播放线程，根据视频传输协议对报文消息进行解码，循环读取解码后的视频和音频，执行视频和音频同步后，分别传输至手持终端的播放设备，直至无视频和音频，结束播放线程。

在视频推送或播放的传输过程中，在报文消息中增加报文同步码字段，用于存放视频传输协议，便于快速精确地作出解析来完成推送或播放。

基于流媒体管理模块，实现地空宽带图传通信和空空宽带图传通信。具体来说，地空宽带图传通信包括：将地面节点视频推送至空中无人机节点，再利用卫星通信传输至后方指控站；空中无人机节点可在2个地面节点间中继视频，或将其它空中无人机节点视频中继传输至地面节点进行监视，通过多跳中继实现远距离视频监视。示例性地，当进行抢险救灾时，通过将地面节点采集的现场视频推送给无人机节点，再由无人机节点传回后方指控站。

空空宽带图传通信包括：多个空中的无人机节点间共享视频，并利用搭载卫星通讯设备的节点，将指定视频回传至后方指控站或有人机进行监视。

需要说明的是，协同数据链端机中的链路接入与管理软件收集通信链路中硬件设备的运行状态信息，上报给数据链管控单元，数据链管控单元还包括状态监视模块，其负责对协同任务数据链的状态进行监视，包括：设备工作状态、态势展示、网络拓扑、自检结果。

具体来说，设备工作状态监视硬件设备的工作模式、工作状态(电压、电流、温度)、宽(窄)带链路速率等信息；态势展示结合地图展示地面节点、无人机节点的节点位置、节点轨迹、节点标签、路径规划等信息；网络拓扑对网络中的设备节点进行概览；自检结果是展示本地和远端设备的电压、温度、基带模块的AD/DA状态、存储器状态、射频模块过流状态和驻波状态。

与现有技术相比，本实施例通过时间同步和时隙资源分配，实现窄带和宽带链路融合通信；对窄带和宽带采用不同的动态路由算法，支撑任意节点间的互联互通，并在节点入退网等情况下，快速更新路由；通过多阶段多次握手协议提升参数配置的可靠性；支持多种协议自适应处理，提高音视频解析效率；通过手持终端对无人机协同数据链中各节点发送接收数据进行管理，实现高效、便捷的无人机组网通信系统。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。