一种无人机多数据链智能切换方法与流程

本发明涉及一种无人机与地面站之间多种通信数据链的智能切换方法，尤其是能够在其中一种或多种数据链断联的情况下的处置与恢复机制。
背景技术：
：目前，无人机与地面站之间的通信数据链主要有数传电台、移动通信与北斗短报文等方式，其中数传电台实时性好，但传输距离短；移动通信指使用电信运营商提供的数据传输通道，包括gsm、3g、4g以及即将商业化运行的5g，信号覆盖范围广，但存在信号盲区，同时高度受限；北斗短报文基于卫星通信，可实现全空域通信，但通信容量低，达不到实时性要求，只能用作应急通信。单一数据链通信存在风险，往往采取多数据链通信，其中往往以数传电台与移动通信作为主通信链路，北斗短报文作为监视与应急通信链路。当前的无人机多数据链通信方法，往往聚焦于各通信链路的传输质量，并据此机械式地进行相关链路的切换，没有充分利用无人机位置、高度、状态结合可索引的地形地貌、移动信号分布等信息进行综合智能判断与决策。专利《用于无人机的通信方法》(申请号：cn201410841718.3)周期性检测移动通信链路的信号强度来选择使用移动通信或北斗短报文通信；专利《无线通信方法、装置、无人机以及无人机控制系统》(申请号：cn201910672651.8)在确定第一通信链路，即移动通信链路断开的情况下切换到第二通信链路，即北斗短报文通信链路；专利《基于北斗卫星的无人机监控方法及系统》(授权号：cn103499975b)对北斗短报文在无人机上的应用做了专门阐述，包括基于北斗短报文无人机下传定位与姿态信息，地面站上传控制信息，但一方面是北斗短报文单数据链，没有涉及到多数据链操作，另一方面对如何由定位信息与姿态信息生成无人机控制指令没有进行说明与相关权利要求。技术实现要素：为了克服现有的无人机多链路通信中在数传电台、移动通信等主通信链路断联的情况下机械预设式决策的不足，本发明提供一种无人机多数据链智能切换方法，该方法能够利用北斗短报文通信综合评估决策出飞行控制指令实现无人机主通信链路恢复。本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：无人机端选择数传电台与移动通信作为主通信链路，通过主通信链路维护模块进行链路监测与切换；无人机端在主通信链路全断联的情况下，构建失联信息报文，通过北斗短报文传输至地面站端；地面站端构建数传电台与移动通信的信号分布三维图；地面站端接收失联信息报文，恢复无人机失联前的飞行动态，结合信号分布三维图，分析无人机失联原因，构建禁飞区域，生成飞行计划；地面站端根据飞行计划生成无人机操作指令，并通过北斗短报文发送至无人机端；无人机端执行所述的无人机操作指令，并每间隔一个北斗短报文发送周期重复进行构建失联信息报文和通过北斗短报文传输至地面站端的操作，直至主通信链路恢复。作为本发明的优选方案，所述的失联信息报文包括失联前飞行航迹信息、飞行状态信息、飞行动作信息。作为本发明的优选方案，所述的飞行状态信息至少包括电池/燃油量信息、飞行模式信息、飞行姿态信息、飞行速度信息。作为本发明的优选方案，考虑到民用北斗卡通信频度和通信量受限，失联信息报文在通过北斗短报文传输至地面站端之前，还包括对失联信息报文的压缩步骤。作为本发明的优选方案，所述的地面站端构建数传电台与移动通信的信号分布三维图具体为：地面站端基于gis，结合移动通信基站分布数据、山区地形高程数据、城镇分布数据，构建基于基站分布的信号三维图和基于居民区分布区分布的信号三维图，叠加组合得到数传电台与移动通信信号分布三维图。作为本发明的优选方案，所述的生成飞行计划为根据地理高程信息、建筑物信息以及禁飞区域生成障碍物信息；根据无人机型号、负载、当前电池/燃油量信息生成无人机剩余续航里程；根据信号分布情况与飞行任务点生成飞行轨迹。更进一步的，飞行轨迹的生成原则如下：完全避开障碍物，并且离障碍物越近，代价越大；尽量在信号分布区域飞行，信号置信度越差，代价越大；尽量缩短飞行路径，飞行路径越长，代价越大，且飞行路径在接近剩余续航里程时急剧变大。本发明的有益效果是，数传电台与移动通信等主通信链路断联的情况下，不仅能够恢复无人机失联前的飞行动态，而且能够智能在信号覆盖区内生成飞行路径恢复主通信链路。附图说明图1为本发明方法的实现框图；图2为信号三维分布图构建流程图；图3为单基站信号三维分布图；图4为水平置信度计算原理图；图5为含优选参数安装点高度的垂直置信度计算原理图；图6为不含优选参数安装点高度的垂直置信度计算原理图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。图1是本发明的原理图，无人机端优先选择数传电台与移动通信作为主通信链路，设计主通信链路维护模块，负责机械式的链路监测与切换，这点与现有方法一致；无人机端在链路全断联的情况下，考虑到北斗短报文民用级别30秒～60秒通信一次的频率限制，设计“单端一次传输”方案，无人机端构建包括失联前飞行航迹、飞行状态、飞行动作等在内的失联信息报文，通过北斗短报文传输至地面站端；地面站端基于gis，结合移动通信基站分布数据、山区地形高程数据、城镇分布数据等，构建数传电台与移动通信信号分布三维图；地面站端接收失联信息报文，恢复无人机失联前的飞行动态，结合信号分布三维图，分析无人机失联原因，生成受限于地形、空域、续航等因素的飞行计划，并使飞行计划航路尽量分布在信号区域内，促进主通信链路的尽快恢复；地面站端根据飞行计划生成无人机操作指令，并通过北斗短报文发送至无人机端；无人机端执行指令。并每间隔一个北斗短报文发送周期重复进行上述操作，直至主通信链路恢复。一、失联信息报文构建无人机端在检测到数传电台、移动通信等主通信链路全部断联的情况下，构建失联信息报文，通过北斗短报文传输至地面站端。失联信息报文应包括无人机标号、飞行状态、飞行航迹、飞行任务点、时间、校验等要素构成，其中飞行状态至少应包括电池/燃油量、飞行模式、飞行姿态、飞行速度等信息。北斗短报文通信频度和通信量依据北斗卡的级别而定，通信频度最高可达1秒/次，通信量最高可达240字节/次。级别较高的北斗卡往往为军用，民用北斗卡通信频度和通信量受限，必须进行压缩。以实践中较容易获得的某类北斗卡为例，其通信频度30秒/次，通讯量78字节/次，进行失联信息报文构建与压缩方法说明。失联信息报文总结构设计如表1所示，由无人机标号、飞行状态、飞行航迹、飞行任务点、时间、校验组成，下面进行分别说明：表1失联信息报文总结构无人机标号：2字节，uint16类型，范围0～65535，唯一标识，采用预先分配模式确定。飞行状态：20字节，表示当前最新状态值，组成结构如表2所示，其中ned坐标系指3轴分别指向正北、正东、地球球心的直角坐标系：表2飞行状态结构飞行航迹：41字节，组成结构如表3所示：飞行任务点：11字节，预设飞行计划里下一要到达的任务点，与飞行航迹里当前最新坐标表示方法一致。时间：2字节，uint16类型，当前最新值时间，从无人机启动时间算起，单位为秒，65535秒(约18小时)后重新计时。效验：2字节，对前76字节的报文信息进行crc校验，保留最后校验结果的最后2字节。二、信号三维分布图构建信号三维分布图构建主要分为地理高程数据绘制、移动基站信号三维图绘制等步骤。地理高程数据绘制参照专利《一种建立三维地形有限元模型的方法》(申请号：cn201810199452.5)、《一种基于高程瓦片数据的地形显示系统》(申请号：cn201711304727.9)等方法进行。移动基站信号三维图绘制过程如图2所示，主要由基于基站分布的信号三维图构建和基于居民区分布区分布的信号三维图构建2种相对独立的过程叠加组合而成。基于基站分布的信号三维图构建依赖移动基站大数据。如图3所示，单基站主要数据为安装点经度lon、安装点纬度lat、覆盖范围半径r，优选数据还应包括安装点高度hi、覆盖范围高度hc。如图2所示，基于基站分布的信号三维图构建，直接考虑基站所带来的信号分布，包括s301信号覆盖圆生成、s302信号覆盖高度计算、s303遮挡区域计算、s306区域叠加4个过程组成。s301：通过经度lon、纬度lat以及高程数据可以获得该点海拔高度alt，在[lon,lat,alt]生成半径为r的圆。s302：考虑到当前基站数据往往不存在覆盖范围高度hc这一优选参数，更欠缺覆盖范围高度hc精确评估所需的安装点高度hi、基站功率、俯仰角等数据，因此只能进行模糊评估。针对模糊评估的不确定性，增加置信度p这一参数，表示该区域信号覆盖的可能性大小。若存在优选数据，即覆盖范围高度hc参数，则在[lon,lat,alt]生成高度为hc的圆柱，且该区域信号存在置信度p为1；若不存在，则进行覆盖高度评估，设置可信高度比α，则在圆心[lon,lat,alt]、半径r的圆形区域上高度为h的区域，置信度p计算方法如下：h在可信高度rα以下，置信度p为1；h在rα～2rα范围，置信度p为h在2rα之上，可信度p为0。可信高度比α需要根据通信制式等进行设置，以4g城区基站为例，α可设置为0.4。s303：计算基站信号因建筑物、地形遮挡形成的阴影区域，分为水平置信度ph计算和垂直置信度pv计算2部分。不考虑遮挡的情况下某空间点置信度为p，考虑遮挡情况下，该空间点新置信度pnew为：pnew＝p*ph*pv水平置信度ph计算原理如图4所示，阻挡物距离基站距离为rb，覆盖角度范围为θ1～θ2，建立极坐标系，则水平平面集合{(ρ,θ)|ρ∈[rb,r],θ∈[θ1,θ2]}为遮挡区域，水平置信度ph为0，其余为1。垂直置信度具体可根据是否包含优选参数安装点高度hi分为2种情况。如图5所示，含优选参数安装点高度hi的情况下，hi是一个明确值，提取遮挡物高度h1、遮挡物与基站水平距离l1，建立直角坐标系。在h1≥hi的情况下，遮挡物非基站侧，即集合{(x,y)|x∈[l1,r],y∈[0,2rα]}置信度为0，其余为1。否则，垂直面集合为遮挡区域，垂直置信度pv为0，其余为1。如图6所示，垂直置信度计算中不含优选参数安装点高度hi的情况下，需要进行安装点估计。依据基站类型与安装区域，确定基站安装高度范围[h1,h2]，以4g基站为例，基站高度安装范围如表3所示。提取遮挡物高度h1、遮挡物与基站水平距离l1，在h1≥h2的情况下，遮挡物非基站侧，即集合{(x,y)|x∈[l1,r],y∈[0,2rα]}置信度为0，其余为1。否则，更新基站安装高度下限h2＝max(h2,h1)，让低于遮挡物高度h1的基站无需计算；基站安装高度越低，受遮挡物影响越大，因此可以假设基站安装高度下限h2情况下无遮挡处始终无遮挡，基站安装高度上限h1受遮挡区域始终遮挡，中间情况按距基站安装上限h1、安装高度下限h2与遮挡物所形成的分界线的水平距离比值估算，具体如下：表3基站安装高度参照表区域最佳安装高度(米)安装范围(米)[h1,h2]密集城区2515-30一般城区及县城中心3025-35县城及乡镇中心3525-40农村等其他区域3525-45s306：全空间置信度初始化0，逐步遍历各基站对空间置信度的影响，每空间置信度保留最高值。基于居民区分布的信号三维图构建，针对居民区基本都进行了有效的信号覆盖这一现状实施，包括s303居民区生成、s304信号覆盖区域计算、s305区域叠加3个过程组成。s303:索引居民分布大数据，构建居民覆盖区域底图。s304:设置可信高度比α，在居民覆盖区域底图上，高度为h的区域，置信度p计算方法如下，其中β为居民区信号分布置信度最大值：相较于基于基站分布构建，基于居民区分布构建属于猜测性质，应相应调低置信度，调低系数为β(β≤1)，β可设置为0.5。l根据居民区类型取值，密集城区为400米、一般城区及县城中心为500米、县城与乡村等其他区域取600米。s305：逐步遍历各居民区对空间置信度的影响，每空间置信度保留最高值。s306：全空间置信度初始化0，逐步遍历各居民覆盖区对空间置信度的影响，每空间置信度保留最高值。三、基于gis的智能决策基于gis的智能决策，包括失联原因分析、禁飞区域构建以及综合智能决策等过程。失联原因分析，在无人机失联之后，地面站通过北斗短报文接收无人机失联信息报文，分析无人机失联原因，无人机失联原因简单可以分为无人机故障、链路受阻、地面站故障、主通信模块故障等4种，其中链路受阻与主通信模块故障需进一步判断，其中链路受阻又可分为高度过高、无基站覆盖、受遮挡、其他等4种。表4无人机失联原因分析根据失联原因决定下一步操作步骤。在无人机故障、地面站故障、主通信模块故障的情况下，根据最后失联坐标人工回收无人机。在链路受阻故障的情况下，进行链路恢复操作。禁飞区构建，基于现有禁飞区域、电子围栏等数据构建禁飞区域，同时将现有主要城区、县中心等也设置为禁飞区域。综合智能决策，综合前述的无人机状态、地理高程信息、建筑物信息、信号分布信息、飞行任务信息等进行综合智能决策。根据地理高程信息、建筑物信息以及禁飞区域生成障碍物信息；根据无人机型号、负载、当前电池/燃油量等信息生成无人机剩余续航里程；根据信号分布情况与飞行任务点生成飞行轨迹，生成原则如下：完全避开障碍物，并且离障碍物越近，代价越大；尽量在信号分布区域飞行，信号置信度越差，代价越大；尽量缩短飞行路径，飞行路径越长，代价越大，且飞行路径在接近剩余续航里程时应急剧变大；相关飞行路径规划算法可包括a*算法、dijkstra算法等。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12