无人机通信链路组网方案设计
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ABSTRACT
On account of the number of Unmanned Air Vehicles (UAVs) in the using field increase substantially, the probability of air collision becomes larger. Since UAVs have a remand of expand to a wider space, Federal Aviation Administration(FAA) provide that UAVs should discover the threats and avoid collision like human beings. Perception and avoidance system are the important ensure of UAVs’ real-time planning and this technology is the hot spot of the route planning research. Be aimed at avoiding the non-cooperating threat , this paper studies the real-time route planning to plan the feasible route .The main contributions are as follows:
本科毕业论文
题目：
中小型固定翼无人机组网通信链路方案设计
学员姓名：
易骁迪
学号：
仿真工程
培养类型：
合训类
专业：
200909012035
所属学院：
指挥军官基础教育学院
年级：
2008级
指导教员：
张代兵
职称：
副研究员
所属单位：
机电工程与自动化学院自动化研究所
国防科学技术大学训练部制
目 录
摘 要
无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种无人驾驶、动力驱动、可重复使用的飞行器，可以执行多种作战任务。随着作战理念和科学技术的发展，各国军队要求无人机具有更高的作战性能和执行更加多样化作战任务的能力，这对无人机通信组网技术提出了更高的要求，研制新的通信设备、设计新的通信组网方案，实现无人机群的编队自主化和通信网络化是十分有必要的。本文针对MANET无线自组网通信技术进行了研究，提出了战场无人机网络模型，并以此为依据进行了无人机组网通信链路方案的设计，具体工作包括：
（3）仿真实验。本文结合现有硬件Nano IP920电台进行了网络通信实验，完成了电台各拓扑结构在不同环境下的通信性能测试，并进行了简单的性能分析。实验测试了拓扑结构、传输距离、运动情况、网络节点数量和环境通视程度对数据传输性能的影响。结果验证了组网方案设计的正确性。
关键词：通信组网方案；MANET无线自组网；Nano IP920电台
2、无人驾驶飞机通信系统主体上还停留在解决单机与基地的通信问题的通信网络的阶段。
目前美国服现役的Link-16仅属于物理层网络技术，且传输速率较低(最高238Kbps)；。LINK-16数据链提供了一种抗干扰、安全的数字数据传输，采用标准的波形和数据格式，允许进行机动空中通信。但是Link-16的传输速率较低(最高238Khps)，不适应数据传输率要求较高的场合。例如2005年，美国主管F／A-22的机构认为：由于LINK-16的带宽有限，无法满足F／A-22向外传输大量数据的需求，因此准备转向为“猛禽”战斗机装备的基于“战术目标瞄准网络技术”。近年出现的TTNT网络采用Internet体系结构，并开始使用MANET技术组网，尽管技术尚未成熟，但应当引起我军重视，作为我国发展相关网络时的借鉴。
目前以美国为代表的无人机作战模式与无人机战术网络具有以下特点：
1、无人机作战模式仍以单机作战为主。
迄今为止，包括美国在内，世界各国的军用无人飞机的活动方式大都保留着单机执行任务方式，其通信方式还处在从通信线路网络向计算机网络发展的过渡过程之中，后方地面控制站直接对单架或多架无人机进行控制，即采用以后方指挥中心为核心的星形控制拓扑结构。换言之，各个无人机之间缺少直接通信、协调、合作的能力，而所有的行动只能通过指挥中心来完成。在这一模式下，后方地面控制站可能：
对无人机组网方案进行研究需要对两个链路进行设计，即机间链路和空地链路。所谓机间链路的设计，指的是空中各无人机之间的通信链路设计；而空地链路的设计，指的是各无人机与地面指挥控制站之间的通信链路设计。由于机间链路与空地链路各有特点，对数据传输的方法、格式、速率等的要求不同，故其采取的组网方案也有所区别。为应对未来战争的要求，智能化、自组织、抗干扰能力强的组网方案成为了研究的热点和难点。本文研究的具体内容就是基于现有硬件条件，使无人机编队能够快速进行自主的通信组网、拓扑变换及编队协调。
现有的遥控与组网技术已不能完全满足无人机实现高等级自主控制的需求，迫切需要研究面向无人机的自主实时行动的一套通信组网方案。无人机网络一般由无人机群和基站组成，采用MANET（移动自组网络）多跳无线网络通信技术，组成无人机通信MANET网络，实时控制无人机群和传输侦察信号，增强无人机的通信能力和抗毁伤能力，将极大增强无人机对战场信息的感知获取能力，提高无人机协同执行任务的能力，以适应未来战争的需求。单无人机作为侦察和监视的有效手段在军事领域的应用已经有较长的历史，但是对多无人机通信组网的研究刚开始不久。组建具有较强信息感知与获取能力、通信能力和健壮性的无人机MANET网络已经成为多无人机通信研究的热点。
（1）需求分析。本文分析了无人机通信网络的特点和要求进行了分析，介绍研究了MANET自组网技术和网络路由协议，对其通信性能进行了比较分析，并建立了无人机战场网络模型。
（2）方案设计。本文针对任务需求，基于组网技术和可能的组网模式，设计了无人机通信组网方案，并对组网方案内部的各组网模式使用条件、模式之间的变换准则进行了设计。
随着无人机微小型化使单机被击落后造成的经济损失较小，以及单机处理与应变能力的提高，以机群为基础的作战单元内单机间如果具有可替补性，从而使作战单元的可靠性可以大大提高。如果机群内与后方指挥中心的通信也具有多条途径，则以机群为基础作为执行任务的基本单元的工作模式将会越来越受到重视。显然，这一工作模式将使与后方指挥中心(或中继系统)的信息交换能力可靠性增加，也要可以提高机群执行任务的可靠性。
无人机型号
数据链
工作频率
RQ一l Predator
BLOS,LOS
Ku band，C—band
RQ一2B Pioneer
1.2.2
根据《美国无人驾驶飞机2005—2030年发展道路蓝图》(USA UAV Roadmap2005—2030)，美国现役的主要无人驾驶飞机所使用的通信技术如表1-1所示。从表1-1我们可以看出：迄今为止，美国现役UAV的通信技术仍然以单机间、单机与地面指挥中心间的数据链通信技术为主，集群式的组网通信技术尚未得到广泛的应用。
KEY WORDS:real-time planning, 3-D route planning, Rapidly-exploring Random Tree
第一章 绪 论
1.1
无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种无人驾驶、动力驱动、可重复使用的飞行器[]。目前，无人机可执行对空、对地（海）作战任务，广泛使用于情报侦察、通信中继、目标搜索与跟踪和对地攻击等各种战任务中，并发挥了重大作用。
在这种情况下，对无人机组网方案和组网技术的研究已迫在眉睫，以美国为首的世界各军事强国加快了对无人机通信理论和技术的研究，并取得了一系列成果。然而，由于无人机机身尺寸和载重量的限制，许多大型设备无法搭载到无人机上，致使无人机在智能化的集群行动方面一直进展不大。而设备的小型化暂时难以实现，因此中小型无人机尚无法实现自主编队等要求。所以，基于现有设备，设计新的通信组网方案，实现无人机的自主编队是十分有必要的。
（1）直接遥控一架或多架无人机：这一模式目前使用的较为普遍，相对成本也较低，但因为地球表面曲率问题，使其遥控距离受限；
（2）间接通过一架无人机作中继对多架无人机实现控制与信息交换：这一控制模式较容易克服距离受限问题，但当中继机被毁时可能影响全局，因此单点抗毁性不强。
上述两种控制模式依赖与后方基地的通信联系，对单机自处理能力和应变能力要求较低。但是其缺点是：单机系统一旦受创，或与后方指挥中心通信受干扰或中断将直接影响全系统的工作。
1.2
1.2.1
对于无人机群的组网方案，目前国内外的研究思路主要是构建无人机群组成的宽带互联网。在宽带互联网中，各个节点兼有主机和路由器两种功能。节点之间通过多跳无线链路来相互进行通信，每个节点在必要的时候都要充当路由器的角色来为其他节点转发数据包。而且，网络中的数据传输方式可以兼容多种数据链，如宽带高速数字多波束中继数据链、卫星中继数据链、通用战术数据链，以及无人机群的无线局域网等。对于超视距无人机群间、或超视距无人机群与地面测控站之间的测控通信方式，可以采用无人机群各子网间的多跳、无人机空中中继或卫星中继方式。卫星中继方式在无人机上的运用已相当成熟，并具有覆盖区域广、传输码速率高、系统简单可靠的优势，但其传输时延大、造价高，最致命的弱点是易受干扰，在和美国、俄国等强国对抗时卫星中继链路的可用度非常低。以中空、高空长航时无人机为空中中继平台的空中中继方式具有成本低、传输时延小的特点，而且可以根据不同的需要采用不同的数据链，因此具有操作灵活、通信快捷的优势，并在目前得到越来越广泛的重视。无人机群各子网之间的多跳传输主要用于传输少量的数据信息，而对于话音、图像等多媒体信息，由于其对带宽、时延、时延抖动的要求较高，QoS的设计将非常复杂，需要基于特定的网络和应用环境进行系统的跨层设计研究。
随着无人机系统技术的不断发展，众多功能各异的无人机被广泛应用于各种军事和非军事行动中。无人机先后在美国越战、以色列中东战争、伊拉克战争、阿富汗战争以及当前利比亚“奥德赛黎明”行动等局部战争中大显神威，进一步检验和验证了无人机系统的实战效能。然而随着现代战争对无人机在自主性、智能化、多任务等方面的要求越来越高，原有的无人机的通信组网方式已不能满足现实需要，无人机的作战效能和智能水平已逐渐无法满足军事行动的要求。
(1) Problem analysis . After analysing the UAVs’ real-time route planning , I build the project model . Then we studies several algorithms and provide a contrast .
(2) Algorithm design . After studying Rapidly-exploring Random Tree’s theory , a modified RRT-based UAV route planning algorithm is proposed . The key point is decreasing the planning randomness and keeping the real-time at the same time . Then I realize the algorithm using Matlab .
(3) Simulation experiment . Compare the modified RRT with the former RRT . On condition of the simulation of the air collision , I build the model of threat and flight route . The result comes that the modified RRT can satisfy the problem’s requirement.
On account of the number of Unmanned Air Vehicles (UAVs) in the using field increase substantially, the probability of air collision becomes larger. Since UAVs have a remand of expand to a wider space, Federal Aviation Administration(FAA) provide that UAVs should discover the threats and avoid collision like human beings. Perception and avoidance system are the important ensure of UAVs’ real-time planning and this technology is the hot spot of the route planning research. Be aimed at avoiding the non-cooperating threat , this paper studies the real-time route planning to plan the feasible route .The main contributions are as follows:
本科毕业论文
题目：
中小型固定翼无人机组网通信链路方案设计
学员姓名：
易骁迪
学号：
仿真工程
培养类型：
合训类
专业：
200909012035
所属学院：
指挥军官基础教育学院
年级：
2008级
指导教员：
张代兵
职称：
副研究员
所属单位：
机电工程与自动化学院自动化研究所
国防科学技术大学训练部制
目 录
摘 要
无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种无人驾驶、动力驱动、可重复使用的飞行器，可以执行多种作战任务。随着作战理念和科学技术的发展，各国军队要求无人机具有更高的作战性能和执行更加多样化作战任务的能力，这对无人机通信组网技术提出了更高的要求，研制新的通信设备、设计新的通信组网方案，实现无人机群的编队自主化和通信网络化是十分有必要的。本文针对MANET无线自组网通信技术进行了研究，提出了战场无人机网络模型，并以此为依据进行了无人机组网通信链路方案的设计，具体工作包括：
（3）仿真实验。本文结合现有硬件Nano IP920电台进行了网络通信实验，完成了电台各拓扑结构在不同环境下的通信性能测试，并进行了简单的性能分析。实验测试了拓扑结构、传输距离、运动情况、网络节点数量和环境通视程度对数据传输性能的影响。结果验证了组网方案设计的正确性。
关键词：通信组网方案；MANET无线自组网；Nano IP920电台
2、无人驾驶飞机通信系统主体上还停留在解决单机与基地的通信问题的通信网络的阶段。
目前美国服现役的Link-16仅属于物理层网络技术，且传输速率较低(最高238Kbps)；。LINK-16数据链提供了一种抗干扰、安全的数字数据传输，采用标准的波形和数据格式，允许进行机动空中通信。但是Link-16的传输速率较低(最高238Khps)，不适应数据传输率要求较高的场合。例如2005年，美国主管F／A-22的机构认为：由于LINK-16的带宽有限，无法满足F／A-22向外传输大量数据的需求，因此准备转向为“猛禽”战斗机装备的基于“战术目标瞄准网络技术”。近年出现的TTNT网络采用Internet体系结构，并开始使用MANET技术组网，尽管技术尚未成熟，但应当引起我军重视，作为我国发展相关网络时的借鉴。
目前以美国为代表的无人机作战模式与无人机战术网络具有以下特点：
1、无人机作战模式仍以单机作战为主。
迄今为止，包括美国在内，世界各国的军用无人飞机的活动方式大都保留着单机执行任务方式，其通信方式还处在从通信线路网络向计算机网络发展的过渡过程之中，后方地面控制站直接对单架或多架无人机进行控制，即采用以后方指挥中心为核心的星形控制拓扑结构。换言之，各个无人机之间缺少直接通信、协调、合作的能力，而所有的行动只能通过指挥中心来完成。在这一模式下，后方地面控制站可能：
对无人机组网方案进行研究需要对两个链路进行设计，即机间链路和空地链路。所谓机间链路的设计，指的是空中各无人机之间的通信链路设计；而空地链路的设计，指的是各无人机与地面指挥控制站之间的通信链路设计。由于机间链路与空地链路各有特点，对数据传输的方法、格式、速率等的要求不同，故其采取的组网方案也有所区别。为应对未来战争的要求，智能化、自组织、抗干扰能力强的组网方案成为了研究的热点和难点。本文研究的具体内容就是基于现有硬件条件，使无人机编队能够快速进行自主的通信组网、拓扑变换及编队协调。
现有的遥控与组网技术已不能完全满足无人机实现高等级自主控制的需求，迫切需要研究面向无人机的自主实时行动的一套通信组网方案。无人机网络一般由无人机群和基站组成，采用MANET（移动自组网络）多跳无线网络通信技术，组成无人机通信MANET网络，实时控制无人机群和传输侦察信号，增强无人机的通信能力和抗毁伤能力，将极大增强无人机对战场信息的感知获取能力，提高无人机协同执行任务的能力，以适应未来战争的需求。单无人机作为侦察和监视的有效手段在军事领域的应用已经有较长的历史，但是对多无人机通信组网的研究刚开始不久。组建具有较强信息感知与获取能力、通信能力和健壮性的无人机MANET网络已经成为多无人机通信研究的热点。
（1）需求分析。本文分析了无人机通信网络的特点和要求进行了分析，介绍研究了MANET自组网技术和网络路由协议，对其通信性能进行了比较分析，并建立了无人机战场网络模型。
（2）方案设计。本文针对任务需求，基于组网技术和可能的组网模式，设计了无人机通信组网方案，并对组网方案内部的各组网模式使用条件、模式之间的变换准则进行了设计。
随着无人机微小型化使单机被击落后造成的经济损失较小，以及单机处理与应变能力的提高，以机群为基础的作战单元内单机间如果具有可替补性，从而使作战单元的可靠性可以大大提高。如果机群内与后方指挥中心的通信也具有多条途径，则以机群为基础作为执行任务的基本单元的工作模式将会越来越受到重视。显然，这一工作模式将使与后方指挥中心(或中继系统)的信息交换能力可靠性增加，也要可以提高机群执行任务的可靠性。
无人机型号
数据链
工作频率
RQ一l Predator
BLOS,LOS
Ku band，C—band
RQ一2B Pioneer
1.2.2
根据《美国无人驾驶飞机2005—2030年发展道路蓝图》(USA UAV Roadmap2005—2030)，美国现役的主要无人驾驶飞机所使用的通信技术如表1-1所示。从表1-1我们可以看出：迄今为止，美国现役UAV的通信技术仍然以单机间、单机与地面指挥中心间的数据链通信技术为主，集群式的组网通信技术尚未得到广泛的应用。
KEY WORDS:real-time planning, 3-D route planning, Rapidly-exploring Random Tree
第一章 绪 论
1.1
无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种无人驾驶、动力驱动、可重复使用的飞行器[]。目前，无人机可执行对空、对地（海）作战任务，广泛使用于情报侦察、通信中继、目标搜索与跟踪和对地攻击等各种战任务中，并发挥了重大作用。
在这种情况下，对无人机组网方案和组网技术的研究已迫在眉睫，以美国为首的世界各军事强国加快了对无人机通信理论和技术的研究，并取得了一系列成果。然而，由于无人机机身尺寸和载重量的限制，许多大型设备无法搭载到无人机上，致使无人机在智能化的集群行动方面一直进展不大。而设备的小型化暂时难以实现，因此中小型无人机尚无法实现自主编队等要求。所以，基于现有设备，设计新的通信组网方案，实现无人机的自主编队是十分有必要的。
（1）直接遥控一架或多架无人机：这一模式目前使用的较为普遍，相对成本也较低，但因为地球表面曲率问题，使其遥控距离受限；
（2）间接通过一架无人机作中继对多架无人机实现控制与信息交换：这一控制模式较容易克服距离受限问题，但当中继机被毁时可能影响全局，因此单点抗毁性不强。
上述两种控制模式依赖与后方基地的通信联系，对单机自处理能力和应变能力要求较低。但是其缺点是：单机系统一旦受创，或与后方指挥中心通信受干扰或中断将直接影响全系统的工作。
1.2
1.2.1
对于无人机群的组网方案，目前国内外的研究思路主要是构建无人机群组成的宽带互联网。在宽带互联网中，各个节点兼有主机和路由器两种功能。节点之间通过多跳无线链路来相互进行通信，每个节点在必要的时候都要充当路由器的角色来为其他节点转发数据包。而且，网络中的数据传输方式可以兼容多种数据链，如宽带高速数字多波束中继数据链、卫星中继数据链、通用战术数据链，以及无人机群的无线局域网等。对于超视距无人机群间、或超视距无人机群与地面测控站之间的测控通信方式，可以采用无人机群各子网间的多跳、无人机空中中继或卫星中继方式。卫星中继方式在无人机上的运用已相当成熟，并具有覆盖区域广、传输码速率高、系统简单可靠的优势，但其传输时延大、造价高，最致命的弱点是易受干扰，在和美国、俄国等强国对抗时卫星中继链路的可用度非常低。以中空、高空长航时无人机为空中中继平台的空中中继方式具有成本低、传输时延小的特点，而且可以根据不同的需要采用不同的数据链，因此具有操作灵活、通信快捷的优势，并在目前得到越来越广泛的重视。无人机群各子网之间的多跳传输主要用于传输少量的数据信息，而对于话音、图像等多媒体信息，由于其对带宽、时延、时延抖动的要求较高，QoS的设计将非常复杂，需要基于特定的网络和应用环境进行系统的跨层设计研究。
随着无人机系统技术的不断发展，众多功能各异的无人机被广泛应用于各种军事和非军事行动中。无人机先后在美国越战、以色列中东战争、伊拉克战争、阿富汗战争以及当前利比亚“奥德赛黎明”行动等局部战争中大显神威，进一步检验和验证了无人机系统的实战效能。然而随着现代战争对无人机在自主性、智能化、多任务等方面的要求越来越高，原有的无人机的通信组网方式已不能满足现实需要，无人机的作战效能和智能水平已逐渐无法满足军事行动的要求。
(1) Problem analysis . After analysing the UAVs’ real-time route planning , I build the project model . Then we studies several algorithms and provide a contrast .
(2) Algorithm design . After studying Rapidly-exploring Random Tree’s theory , a modified RRT-based UAV route planning algorithm is proposed . The key point is decreasing the planning randomness and keeping the real-time at the same time . Then I realize the algorithm using Matlab .
(3) Simulation experiment . Compare the modified RRT with the former RRT . On condition of the simulation of the air collision , I build the model of threat and flight route . The result comes that the modified RRT can satisfy the problem’s requirement.