提高無人機集群通信可靠性，這4種核心通訊網絡技術要掌握

前面我們講過一期，無人機所涉及到的核心技術包括：（集群控制算法、任務規劃技術、編隊控制技術、路徑規劃技術、控制算法與通訊技術的耦合、通信網絡設計）等，今天我們就核心技術中的通信網絡設計這塊來進行詳細分析。

隨著無人機應用對自主性、智能化、多任務等方面的要求越來越高，無人機單機作業效能和智能水平已逐漸無法滿足任務應用需求"。單機飛行，有限的能量供給限制了飛行距離、作業範圍，同時容易遭受各種網絡攻擊，通信可靠性不高。在此背景下,將多架無人機組成無人機集群通信網絡可有效提高無人機通信的可靠性，成為未來無人機通信的發展方向。

無人機集群主要是依賴於先進開放的通信網絡,無人機之間具備協同交互能力，整個系統呈現群體智能性，單節點具備可替代性。採用無人機集群技術，可以快速有效的完成任務,同時整個系統具備較強的抗毀性、功能分布化等優勢。

儘管無人機集群組網通信具有很大的發展潛力，但也存在著一些關鍵的具有挑戰性的問題。無人機集群組網通信有效解決傳統的蜂窩無線網絡覆蓋不足的問題，但是組網模式需要根據具體環境和作業條件進行選擇。無人機集群組網通信作業時，數據傳輸量劇增，靜態的頻譜分配效率不高，導致機群系統性能下降；在為了保證通信安全的條件下，一味增加發射功率可獲得一定的通信可靠性，但是竊聽者也會獲得高質量的竊聽信號，會降低通信的安全性。此外，機型多樣化小型化的趨勢下，本身能量受限的無人機將會受到更嚴峻的供能續航的挑戰，對多樣化任務長時間作業產生重要影響。以上存在的組網、頻譜分配、通信安全及能量供給等，都是值得深入研究的問題。

通過上面的分析，我們先來看看目前無人機集群組網通信技術的相關需求及組網模式：

無人機集群組網通信是實現無人機集群間實時信息傳輸的通信手段，特殊的應用環境要求通信網絡必須保證穩定可靠的信息交互，減少通信的延遲,保證信息交互的實時性。無人機集群在執行任務時，單機節點受到破壞，退出機群，使得無人機集群自組網網絡架構和拓撲發生變化，無人機集群自組網在滿足機群間正常通信需求的同時，還要完成無人機集群網絡的動態重構。在某些關鍵操作上，無人機集群通信網絡還必須保證地面操作員能夠對無人機任務進行授權和確認。

通信技術需求分析:

無人機集群在執行任務時，需要滿足無人機實時跟蹤定位、遙控遙測、實時任務規劃與協調和任務信息傳輸等功能,所有這些功能都需要穩定、可靠的通信網絡：

(1)實時跟蹤定位:對無人機實時連續的位置測量。

(2)遙控遙測:對無人機飛行狀態和設備狀態參數的控制及測量。

(3)實時任務規劃與協調:無人機需要根據任務規劃和變動，實時進行任務規劃信息傳輸,以及進行無人機間實時任務協同通信。

(4)任務信息傳輸:無人機任務載荷傳感器信息的傳輸。

通信組網模式如下：

無人機的通信方案，由單機控制的點對點地空通信方案，發展到一站多機的點對多點的地空通信組網方案，再到滿足無人機集群節點間各種任務信息協同協調自組網寬帶通信組網方案。無人機集群組網通信主要有以下三種組網模式：

(1)星型組網

星型組網是以地面中心站為中心基站，空中無人機通信終端為節點,所有節點直接連結到地面中心站,實現地面中心站與所有網絡節點間直，無人機間以地面站為中心進行交互通信。當無人機集群組網節點數目相對較少、無人機執行任務作業的覆蓋區域較小，且無人機任務作業相對簡單時,星型組網模式比較合適。星型網絡結構比較穩定，採用較簡單的路由算法，且規模較小，信息傳輸的時延小，能夠節省網絡信道資源,降低能源消耗。

(2)網狀自組網

無人機集群網狀自組網以地面控制站和空中無人機節點組成，所有節點設備功能相同,都具備終端節點和路由功能。空中無人機節點不能一跳連接到地面中心站時，通過多跳路由到中心站，實現全網所有節點的互聯互通。當作戰任務較為複雜,無人機集群規模比較大,網絡拓撲多變,任務複雜，機間協調通信頻繁、作業半徑大,自主協同完成任務為主時,適合採用網狀自組網。由於無人機集群網絡較複雜，節點間相互通信較為頻繁,路由時延要求很小，在遠距離節點間進行通信時採用按需路由技術,能有效降低路由維護開銷,提高網絡魯棒性。

(3)分層混合組網

分層組網採用地面站為星型網絡中心站，無人機機載通信終端，具備與地面中心站直通和無人機間自組網功能。當無人機集群作業任務非常複雜時，執行任務的無人機數量龐大，網絡拓撲多變，無人機節點之間通信頻繁、信息量大，此時比較適合採用分層網絡結構。當執行作業任務的無人機數量發生變化時，分層結構的網絡拓撲結構快速完成無人機節點的退出或增加，快速實現網絡重構，無人機節點維護的路由表相對簡單，提高網絡的穩定性。

了解完它的需求及通信組網模式，關於無人機集群組網通信相關的核心技術我們也一定要知曉：

(1)認知無人機通信技術

無人機集群組網作業時，高速的移動性和任務實時的變化，無人機集群內部和外部之間通信鏈路和質量會發生劇烈變化，需要解決隱藏、暴露終端和協調多節點有限頻譜共享的問題。認知無線電就是頻譜共享的關鍵技術之一，無人機集群可自我學習周圍無線電環境，感知並利用周圍空閒的頻譜資源，節點間認知信息的共享可以有效解決隱藏、暴露終端的問題。同時，認知無線電本身具有可重構性的功能，在組網環境發生變化的條件下,可進行系統重構,動態的頻譜共享為功率受限的無人機集群網絡提供更高的系統容量，更寬的覆蓋範圍。

(2)大規模高動態無人機組網路由技術

在大規模無人機集群應用中，由於無人機節點的高速移動造成了網絡拓撲高動態變化、鏈路質量頻繁波動,這都對組網路由技術提出了更高的要求和挑戰。傳統針對固定和機動通信網絡設計的組網路由技術難以滿足大規模、高動態無人機組網需求，在組網路由的設計方面需要克服網絡節點多、移動速度快、多跳遠距離傳輸等造成的不利影響，能適應拓撲劇烈變化、鏈路壽命短暫等問題」,建立具有快速組網、抗摧毀、自癒合、安全可靠等特點的路由機制，這對有效支撐無人機多樣化任務起到了關鍵作用。

(3)物理層安全傳輸技術

無線信道的開放性及衰落特性，容易受到不利的影響，無人機通信安全受到威脅。目前用於改善物理層安全的常見方法主要包括多輸入多輸出技術、人工噪聲技術及中繼協同技術」。這些方法比較成熟，可以有效運用到無人機集群組網通信中去。

(4)能量有效通信技術

無人機的能量主要供給是依靠自身攜帶的電池，儘管在過去一段時間內電池技術有了明顯的增長，但無法解決能量受限的問題。為此，採用能量有效通信技術提高能量使用效率，其主要包括兩種方法:優化功率分配及能量採集技術。在系統硬體組成大部分採用輕量化、低功耗設計的條件下,在無人機間節點間選擇最佳的數據傳輸軌跡進行合理地功率分配，在節點設備功率一定和高信噪比情況下，通過協調源節點和中繼路由節點的發射功率，使得系統性能提升的方案。另外能量採集可以緩解無人機能量供給緊張的問題，能量的來源可以是太陽能、風能或周圍無線電信號中的能量。

無人機通信技術，主要是單機飛行的點對點通信已經有了多年的研究積累，但是無人機集群通信網絡的研究還處於起步階段，無人機集群通信網絡將成為無人機和無線通信領域的研究熱點，那麼在接下來的無人機集群通信研究過程中也一定要把握以下幾點：

(1)安全化

無人機集群組網規模越來越大、業務數據越來越重要,通過利用物理信道的物理特徵，有望從根本上解決無人機通信過程中遭受非法攻擊的問題。

(2)小型化低功耗

無人機因其作業需要,會採用外形尺寸較小的機體,限制了自身攜帶能量，採用能量有效的通信方式可以有效緩解功耗問題，為機群續航和功能多樣化提供保障。

(3)通用化和標準化

無人機集群需要統一協調控制和作業載荷多樣化，需要無人機具備統一的標準化接口和兼容的系統體制，降低系統複雜度,提高通用性。

(4)智能化

無人機集群引入認知通信技術，在機群系統協同作戰的能力大大增強，認知周圍複雜環境能力的構建,增強系統的自適應、及抗毀性能力。在測控通信一體化上,通信組網能融合多種類型、多種功能的傳輸手段，合理分配網絡資源，形成一體化、綜合性的信息處理體系，實現一體化協同作業系統的目標。

無人機集群通信系統架構發展趨勢

無人機集群通信技術，作為無人機集群研究的核心技術之一，只是我們無人機集群研究過程中的冰山一角，整個無人機智能集群研究的道路上，它所涉相關知識的廣度，深度不言而喻。

俗話說，做事情要學會抓重點，把有效的時間完全放在集群研究開發上，將搭建底層開發平臺的事情，交給專業的人來做。現在企業所研發出的集群開發平臺，不僅簡單實用，還可根據還可根據用戶的實際需求定製整個系統平臺，並提供相應的技術支撐和詳細的例程和說明書指導。滿足用戶的個性化和差異化需求，使平臺更加契合用戶的使用特點和習慣，提升體驗感和交互率，減少用戶熟悉平臺的時間成本，大大提高用戶的開發效率和體驗。

就開發環境而言，開發環境多元化，支持C、C++、Python、ROS、Matlab/Simulink等多種編程環境，可提供完善的二次開發接口。而且平臺接口豐富、開放性強，用戶不需要掌握太多的底層編程技術即可完成算法的修改和驗證。

還可提供當下比較流行的無人機編隊隊形例程，如（飛圓形、空間8字、空間螺旋，隊形變換，從跟隨、空地協同）等。而例程完全開源。並配有多種視頻教程和相應的配套例程代碼，方便用戶快速掌握、理解。

在集群通信系統支持方面，可支持WIFI、數傳、等多種集群通訊方式。

定位系統兼容豐富，涵蓋目前主流的室內外定位方式。可提供光學定位系統、UWB定位系統、雷射定位系統、GPS、RTK等多種定位平臺，定位系統覆蓋面積，可根據用戶要求定製。

可提供豐富多樣的室內無人機控制平臺，並根據需求集成光流、雷射定高，差分GPS等傳感器，實現在室內和室外的精確定位，導航和控制。

已經開發好的集群研發平臺，所有的例程都可以在仿真平臺中模擬仿真。包括軟體在環仿真，硬體在環仿真，實現仿真和實物開發有機結合。可以在實測之前通過仿真測試驗證算法的可靠性和有效性，然後無縫切換到本集群研發平臺。大大提高研發效率。

最後奉上此平臺針對多機編隊可進行的飛行實驗：

❉多無人機協同搜索區域分割與覆蓋算法仿真

❉多無人機任務分配策略實驗

❉多機編隊隊形設計、保持、變換和防撞實驗；

❉多無人機任務航跡規劃實驗

❉多無人機通信組網實驗

未來,無人機集群通信網絡系統架構會形成以地面基站、空中無，人機節點、衛星鏈路等立體寬帶通信體系，兼容公共網絡、無線通信專網和衛星通信網絡，實現空天一體化,滿足未來無人機集群組網通信需求。