一种用于通信中继的无人机拓扑生成方法与流程

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种用于通信中继的无人机拓扑生成方法。

背景技术：

多无人机进行通信中继，是当前无人机群重要的应用场景之一。通信中继是为了解决在两点之间，由于遮挡距离的存在，导致双方无法直接进行通信的问题。如果采用无人机在空中进行转接就可以实现跨视距的两点进行通信。但是这些中继点究竟如何选取呢？尤其是在存在多个无人机，需要多个无人机相互配合，形成一个无人机构成的中继拓扑，由一组无人机来进行通信中继的时候如何控制协调这些无人机，如何让它们协作配合构成快速准确的通信中继链路。是利用无人机群实现通信中继亟待解决的问题。

通信中继的位置以及转接点的选取一直是无线中继的重要问题之一。在常规的基站或者是电台通信中继中，为了选取合适的通信点，一般采用理论计算、纯实际测量以及理论计算与实际测量相结合等多种方法。在纯理论计算中，设计者通过地图之间的相对距离以及收发电台的相对高度、电台的发射功率、天线增益等，并通过已知的损耗公式可以算出在特定区域距离上信号的大致损耗，在信号损耗可能会导致无法正确接收数据的点位上设置转发点。纯实际测量则是路测人员利用信号检测工具沿通信中继的路线朝远离信号发射源的方向运动，在信号降低到特定门限后，选取该点为信号转发点。而理论与实际相结合的方法则是先大致估算出理论的衰减距离，然后在通过理论计算选取的点周围用信号测量仪测量信号，然后选择合适的门限确定转发点。在无人机通信中继中，现有一些专利也有一些方法是采用理论计算，计算任意两点之间的理论路径损耗。并在理论路径损耗的合适点选取中继，以保证数据的中继收发。例如清华大学戴琼海等申请的发明专利《任务、通信和拓扑交织的无人机集群协同控制方法》(专利申请号：cn201310170260.9)，提出一种任务、通信和拓扑交织的无人机集群协同控制方法，包括以下步骤：建立无人机的任务、通信和拓扑的关联函数；建立无人机的交互通信数目策略集、任务信息矩阵策略集和交互通信无人机之间的相对距离策略集，并确定赢得矩阵及相关约束；获取交互通信数目策略集、任务信息矩阵策略集和交互通信无人机之间的相对距离策略集中满足预设需求的无人机交互通信数目、任务信息传输量和无人机之间的相对距离；以及根据满足预设需求的无人机交互通信数目、任务信息传输量和无人机之间的相对距离对无人机集群进行控制。该专利申请是通过理论计算来构建无人机之间的通信能力；合肥工业大学罗贺等申请的专利《基于最小树形图的无人机编队通信拓扑的获取方法及系统》(专利申请号cn201610384144.0)，提供了一种基于最小树形图的无人机编队通信拓扑的获取方法及系统，该方法包括：根据预设编队的队形构建编队通信图；计算所述编队通信图的最小树形图；判断所述最小树形图的根节点所属的无人机能否作为编队领航者，根据判断结果，获取最优通信拓扑。该方法根据预设编队的队形构建编队通信图，并通过计算编队通信图的最小树形图，再判断所述最小树形图的根节点所属的无人机能否作为编队领航者，根据判断结果，获取最优通信拓扑，保证了编队保持过程中整体的通信代价最小，该方法是基于编队来生成树形图。编队是已知的，并非为通信中继专门设计拓扑；符小卫等的学术论文《无人机协同中继过程中的路径规划与通信优化》(系统工程与电子技术)侧重理论研究，根据节点的理论通信距离布点；李妍文等的学术论文《基于googleearth的无人机中继布局优化软件》(现代电子技术)也是对无人机中继进行理论建模，推导出无人机在一定高度下的覆盖区域，从而设计静态优化配置转发点。

上述均属于采用理论模型布点，所布设的无人机实际通信效果难以确定，多无人机如何相互配合实现中继也缺乏具体的方法。传统无线中继时，如果按照理论模型布点，如果布点效果不够理想，可以再对布点位置加以调整，由于中继点都在地面，调整可能并不麻烦。而在空中无人中继时，尤其是在多点中继条件下，一个点位的调整可能会影响全网络的中继拓扑。例如，离源点最近的某中继点，按照理论值布点后，由于周围存在部分环境干扰，通信效果较差，此时需要将该中继点朝更靠近源点的位置移动，而该点移动后，该点与下一个中继点的距离又会拉长，从而导致第二跳中继恶化，而调整第二跳的位置又会影响第二跳和第三跳之间的距离等等。从而导致无人机中继链路尾部来回振荡。无人机本来留空时间就有限，这样的振荡很可能导致整个中继拓扑无法正常工作。

而在无线中继选点过程中，现有无线中继点的选取一般是路测人员一站一站通过实际测量或通过理论计算获得的。需要消耗大量的人力物力。在无人机群实现通信中继过程中，多个无人机之间应该是一个什么样的关系，如何能做到多无人机相互之间协同，自动的选举中继转发点？并且在通信中继点选取的过程中不会出现无人机运动的振荡现象呢？这些问题在现有技术方案中都没有提及。

技术实现要素：

本发明提出一种用于通信中继的无人机拓扑生成方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于通信中继的无人机拓扑生成方法，若干无人机汇聚到源点s；各无人机以及源点s和目的点d均为通信节点；第一架无人机由源点s出发后在源点s和目的点d之间飞行以寻找其中继点位置，如果第一架无人机能够为源点s和目的点d建立通信中继，则中继拓扑生成结束；如果第一架无人机不能为源点s和目的点d建立通信中继，则第一架无人机先与源点s建立直接通信，然后第二架无人机由源点s出发并在第一架无人机与目的点d之间飞行以寻找其中继点位置，如果第二架无人机能够在第一架无人机与目的点d之间建立通信中继，则中继拓扑生成结束；如果第二架无人机不能在第一架无人机与目的点d之间建立通信中继，则第三架无人机按照前述过程寻找其中继点位置，直至使用若干架无人机作为中继节点建立通信链路。

进一步，各无人机在寻找中继点位置以建立通信链路过程中，无人机每飞行一段距离m，测量其前一通信节点的发射信号以及当前无线信号强度rssi，当飞到某一点，无人机检测不到所述前一通信节点的发射信号时，停止飞行，记录当前无线信号强度rssi为ks11，然后开始返回飞行，每飞行一段距离m，测量当前无线信号强度rssi为ks12；当ks12-ks11>t1时，t为门限，则无人机停止飞行，当前位置即为其中继点位置；此时，如果无人机能够检测到下一通信节点的发射信号，且该信号强度较底噪超过门限t2时，则对应路段中继拓扑生成结束；否则，该无人机通过利用已有通信链路告知后续无人机继续寻找下一中继点。

进一步，无人机在飞行过程中，其前一邻居节点重复发送同一组分组数据，无人机测量接收的分组数据的正确率，当正确率低于某一门限时，则选取当前位置作为该无人机的中继点位置

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明所提出的无人机通信中继的拓扑生成方法，可以在不需要理论计算布点以及不需要人工介入的情况下，根据预定设定的程序和规则，多个无人机相互配合，先后形成一条动态的中继转发链路；同时，该中继转发链路是逐步形成的，在形成拓扑的过程中也考虑了信号的实际质量以及衰耗的余量，因此避免了网络时通时断，同时避免了无人机因为无线信号通信能力的变化而导致的通信距离不断变化，从而引发中继链路两端的无人机反复振荡运动，无法形成稳定的中继转发拓扑的问题。

附图说明

图1是无人机通信中继拓扑生成示意图。

图2是无人机中继点选取流程图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明用于通信中继的无人机拓扑生成方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

本发明所涉及到的方法涉及多个无人机实现通信中继，前提是每个无人机都携带有确定自身位置的定位系统，如gps、北斗等。同时，无人机也具有相互通信的能力，并且所有无人机节点已事先知道了源点s和目的点d以及s和d点对应的位置信息。本发明所涉及到的多个实现通信中继的无人机起飞后都升空到固定高度h，这个高度h应大于源点s和目的点d之间的障碍物高度，每个无人机都有检测无线信号强度rssi(radiosignalstrengthindication，包括发射信号和噪声信号的强度)的能力。

除源点和目的点外，实现通信的无人机都按照顺序编号，设为1到n。所有实现通信中继的无人机先后开机，开机后汇聚到源点s附近。旋翼无人机悬停，固定翼无人机以某点为圆心绕飞。中继拓扑生成从1号无人机开始。首先编号为1的无人机从源点s附近出发，沿sd路线朝d点方向飞行，每飞行一段距离m，测量当前的源点s发射信号以及无线信号强度rssi。当飞到某一点检测不到源点s的发射信号时，记录当前无线信号强度rssi为k11。无人机1停止飞行，并开始向s点方向返回飞行，同样每飞行一段距离m则测量当前的实时无线信号强度rssi，令其为k12。当测量到的k12比k11超过信号门限t，即k12-k11>t时，则1号无人机停止飞行，并设当前无人机位置为1号无人机的中继点位置，设为a1。如果在旋翼无人机，则该飞机悬停在此点。如果是固定翼飞机，则该飞机围绕此点作为圆心绕圈飞行。此时，如果1号无人机

此时，如果1号无人机能够检测到目的点d的发射信号，且该信号强度较底噪超过门限t时，则源点s和目的点d之间的中继拓扑生成结束。否则，1号无人机通过源点s，利用通信链路告知后续无人机可以继续起飞寻找中继，随后编号为2的无人机开始飞行，它首先飞到a1点，然后从a1开始，继续朝目的地d飞行。同时检测1号无人机的发射信号，直到检测到目的点d的发射信号且该信号强度超过门限t，或者1号无人机的发射信号弱到无法检测为止。

如果检测到目的点d的发射信号且该信号强度较底噪超过门限t，则中继拓扑生成结束。

如果是1号无人机的发射信号弱到无法检测，则记录当前无线信号强度rssi为k21，此时令编号为2的无人机朝源点s回飞。每飞行一段距离m测量当前无线信号强度为k22，直到测量的实时信号强度k22较k21超过特定门限t,即k22-k21>t，则2号无人机停止飞行，并设当前无人机位置为2号无人机的中继点位置，设为a2。如果此时还无法检测到目的点d的发射信号，则继续起飞编号为3的无人机，依此类推，直到检测到目的地d的发射信号，且该信号强度超过门限t。此时从源点到目的点以及中间多个无人机所串起来的多架无人机1，2，…n，所构成的无线中继链路就是用无人机实现的多跳中继拓扑。

实施例

本实施例提供了的一种构建无人机中继拓扑的示意如图2所示。图2中s是需要中继的源点，d是目的点。s和d之间的遮挡物不超过100米。此时可以将所有无人机的升空高度设置为100米。这样可以避免所有遮挡物的影响。首先，所有无人机起飞前通过控制站或通过配置获取源点s和目的地d及相关的坐标和高度信息(执行t101)。1号无人机起飞，当飞到100米高空后，它将首先根据坐标信息朝s点飞行。到达s点后，他接着朝d点所在的坐标方位,沿sd方向飞行，高度不变。每隔一定距离m测量s点的发射信号和无线信号强度rssi值(执行t102)。这个通信距离m一般可取电台传播距离的十分之一到五十分之一。例如电台的通信距离300米，则可取m＝10，即每飞行10米测量一次rssi信号值。如果对中继建链的时间要求较高，希望较快生成通信中继拓扑时，可采用m＝30，即每30米测量一次rssi值。测量间距小时测量更精确，而测量间距大时生成总拓扑耗时更短。当1号无人机朝d点飞行超过一定距离时，将无法再检测到源点s的发射信号，记录此时无线信号强度电平k11。随后，无人机在朝返回s点的方向运动。流程如图2所示。同样，每隔m米记录当前实时的rssi值k12(执行t103)。当新的rssi值k12-k11>t时，记录无人机此时的坐标a1(执行t104)。t是衰落余量。由于s和d点之间的信号需要多个通信中继转发，所以这个信号余量可以设的相对大一点，以确保较好的信道转发质量。比如可以设置为t＝20db。如果此时1号无人机能够检测到d点的发射信号，且该信号强度较检测不到信号(底噪)时的电平大于t(20db)时则设置中继拓扑生成结束(已能够实现s到d的中继转发)。否则1号无人机通过已建立的链路告知源点和其他各无人机，后续无人机可以继续起飞寻找中继点。此时令2号无人机升空，2号无人机先朝向坐标a1飞行。到达a1后，该无人机从a1沿a1d这条路线上飞行。每飞行m米，则测量一次1号无人机的发射信号和目的地d的发射信号。如果发现到目的地d的发射信号，且该强度超过门限t，则通信中继拓扑生成过程终止。否则2号无人机将继续延a1d路线飞行，直到无法接收到a1的发射信号。记录此时接收的信号电平k21，2号无人机开始回航，朝1号无人机方向飞行。每飞行m米测量一次rssi，令为k22，当新测量的信号电平k22-k21>t时，记录2号无人机此时的坐标a2。依此类推，直到无人机n检测到的目的地d的rssi大于门限t为止。此时由无人机1,2,…,n所构成的中继拓扑就是通信中继的生成拓扑。整个过程可以由无人机按照预先设定的程序和流程自动完成，而不需要人工参与。

用于实现通信中继的无人机可以从d点出发，朝s点运动。直到第n个节点检测到s点的rssi信息。除源、目的地相应调整外，其他流程可参考上述流程实施。无人机的节点编号可以按照各种规则设置，例如设备出厂号，标签等等。

本发明所提出的拓扑生成方法也可以用于无人车无人船艇进行通信中继的拓扑生成。在确定中继地点时，也可以不采用rssi信号门限，而采用数据收发正确率来确定转发点，具体实施方式是令邻居(如2号无人机在运动选点时，1号无人机就是其邻居，从源点出发探测拓扑，则源点是1号无人机的邻居)重复发送同一组分组数据，本机在运动过程中，测量正确接收的分组数据百分率，当正确率低于某一门限(如95％)时，则选取此时的无人机位置作为中继点。当然也可以将rssi信号门限与数据收发正确率门限相结合来选取中继点。