无人飞行器Ad Hoc网络中容错节点移动控制算法

针对无人飞行器Ad Hoc网络的容错设计需求,基于UAV节点的可控移动特性,提出了一种基于强化边启发的节点移动控制算法。首先采用文化基因算法对给定通信网络对应的拓扑图进行搜索,求解使图获取顶点2-连通属性所需新增的最小成本强化边组合。以强化边为启发,将连接的节点移动到彼此通信范围内来实现强化边,同时以这些节点为leader,采用基于一致性算法的leader-follower控制算法移动其他关联节点,使变化后的网络为顶点2-连通,从而实现网络容错。仿真实验结果表明算法的可行性与有效性,节点总的移动距离少于用于对比的块移动算法和紧缩算法。

无人飞行器Ad hoc网络中基于容错的中继节点配置

针对无人飞行器Ad hoc网络的容错设计需求,采用增加中继节点的方法实现。在二维平面同构网络中,将容错问题转化为边长受限条件下最少数量Steiner点的Steiner树问题。提出了两种基于最小成本子图的中继节点配置算法,以求解最少数量的中继节点及其位置,使改变后的网络拓扑图为顶点2-连通,实现容错。第一种为多项式时间的8-近似算法;第二种为随机近似算法,采用文化基因算法,搜索需要新增加的最小成本强化边组合。仿真结果表明了所提算法的有效性,当网络规模较小和中等时,随机近似算法得到的中继节点数量较少,平均情况下性能较优。

无人飞行器Ad Hoc网络仿真研究

针对无人飞行器Ad Hoc网络仿真研究中的不足,提出了一种基于多分辨率建模的分布交互式仿真方法,利用元建模技术拟合高分辨率模型的输入/输出关系,对得到的元模型族进行适当裁剪和组合构造低分辨率模型,满足了多分辨率模型间的行为层次一致性。采用HLA高层体系结构,以KD-RTI为运行支撑环境实现了仿真原型系统。在想定场景下进行了无人飞行器Ad Hoc网络性能优化,实验结果表明,多分辨率建模提高了仿真效率,满足仿真优化应用的需求。

一种用于编队协同的Ad Hoc网络MAC协议

结合无人机编队和卫星编队自组织分布协同应用场景,基于IEEE 802.11无线MAC协议,给出了MAC协议优化算法:S-DCF算法和最小竞争窗口调整算法。每个站点通过S-DCF算法估算当前网络中竞争站点的数目,然后根据最小竞争窗口调整公式调整最小竞争窗口。仿真结果表明,系统吞吐量得到明显提高,时延明显减小。该优化算法对提高和完善编队协同网络的通信性能具有一定意义。

基于Ad Hoc网络的无人机视频地面传输系统

针对目前无人机侦察视频地面传输存在的问题,在研究Adhoc网络的基础上,提出了一种新的适用于无人机侦察视频地面传输的无线网络方案,并对关键技术进行了分析。

含网关节点的高时隙复用率TDMA协议

针对网络收敛慢、拓扑表不完整时导致的信道冲突以及空闲时隙浪费问题,提出一种提高节点时隙利用率和网络可靠性的多跳时分多址接入协议。该协议提出3种新机制,使用时隙请求时期快速收敛机制,加快时隙请求时期的收敛;使用空闲时隙公平重用机制,消除中心节点调度时隙碰撞问题,提高空闲时隙利用率;使用一跳邻居多层次调度机制,降低数据重传的时延。仿真结果表明,在时隙请求时期收敛时间、数据传输平均时延及数据传输成功率方面,该协议较现有协议性能更优。

基于多目标跟踪FANET网络的UAV协同通信算法研究

针对无人飞行器(unmanned aerial vehicles, UAV)群在飞行过程中动态无线通信飞行自组织网络(flying ad-hoc network, FANET)参数和扰动不确定的问题,采用多UAV无线协作通信模型研究动态不确定性,提出一种基于递归神经网络(recursive neural network, RNN)的多目标跟踪自适应控制算法。带有接入点控制方法的FANET网络可以优化无人机的通信系统容量和覆盖范围以及获得更快的响应速度。仿真结果表明:通过确定无人飞行器的最佳覆盖区域,所需总功率将有所降低,最大程度地确保地面设备最大的吞吐量,提高了UAV协作通信控制的准确性和灵敏度。

基于指纹库更新补偿的波束跟踪算法研究

针对拒止、复杂电磁环境下,高动态无人节点定向通信面临的坐标信息不精确、飞行姿态和轨迹变化剧烈等问题,为保持可靠的波束对准与跟踪,提出了一种基于卡尔曼滤波的指纹库更新补偿算法;利用卡尔曼滤波算法对自身姿态进行预测更新,建立载体坐标系;采用改进的算法对波束指向进行预测更新,并利用指纹库对状态向量进行更新补偿,调节采样比例,并将新的数据存入指纹库对数据更新,进行二次状态信息预测,完成最终波束指向;整体设计的波束跟踪算法流程更加符合实际应用场景,满足通信需求;仿真结果表明,在半波束宽度为3°,100个通信时隙中,维持正常通信的成功率有92%以上,相比传统跟踪算法提高了8%,具有更加稳定的通信质量。

Development of Bionic UAVs Cluster Technology

With the wider use of UAV in various fields,the raising task complexity and the increasing environmental uncertainties,the higher requirements for UAV technology are put forward.The bionic UAV cluster system has the potential advantages of good stealth performance,strong environmental adaptability,wide expansion of task and high operational efficiency.It has excellent prospects in future information warfare,electronic warfare and conventional combat field.By reviewing the development of bionic UAV cluster technology,this paper summarizes and analyzes the latest research progresses of the key technologies such as aerodynamic mechanism and aerodynamic configuration design,driving mechanism design,autonomous flight control,adaptive networking and cluster control of bionic aircrafts.

软件定义无人机自组网快速一致性更新机制

为了解决软件定义无人机自组网(Software-defined Unmanned Aerial Vehicle Ad Hoc Network,SDUANET)中转发黑洞和更新轮次问题,提出了一种软件定义无人机自组网快速一致性更新机制(Software-defined Unmanned Aerial Vehicle Ad Hoc Network Fast Consistent Update Mechanism,SDUANET-FCU)。新机制首先对节点进行分类操作,对可能会导致转发黑洞的发送操作进行约束;其次,针对含有两个规则的节点提出一种基于混合规则的两轮一致性更新策略;最后,将计算得出的Flow-mod发送顺序整合到两轮更新顺序中。仿真结果表明,在软件定义无人机自组网场景下,相比于现有的软件定义网络(Software Defined Network,SDN)更新方法,SDUANET-FCU降低了转发黑洞的概率和控制消息的数量,减少了平均更新轮次。

系留无人机空中自组网应急通信系统部署与测试

当重大灾害发生后,尤其是地震灾害,受灾地区的常规通信设施遭到破坏。救援队伍的应急通信系统能够灵活并正常运转与救援队伍的救援能力息息相关。目前我国系留无人机发展相对成熟,通信自组网技术和设备也相对成熟,本文主要阐述利用自组网技术与系留无人机平台结合的系留无人机空中自组网应急通信系统,实现空中自主多链路组网并向下覆盖的通信网络系统的设想,该系统可以克服高大建筑物对信号的遮挡,能够实现10千米到100千米以上的网络通信,使救援现场与救援行动基地保持实时的无资费通信。

基于协作的定向无人机自组网内潜在邻居发现算法

针对无卫导辅助定向天线无人机自组网(UAV Ad Hoc Network,UANET)初始化过程中邻居发现较慢的问题,将波束推断算法和基于扫描的定向邻居发现算法(Scan Based Algorithm-Directional,SBA-D)结合,提出了一种基于协作的网内潜在邻居发现算法(DC-NDA)。该算法可以通过中继节点提供的邻节点信息推断潜在邻居可能位置,加速发现过程。将该算法整合到定向天线UANET多路访问控制(MAC)协议中,并对改进后的协议初始化阶段进行仿真验证。仿真发现扇区数为60和108的情况下,改进后的协议较协议中原邻居发现算法,完成网内潜在邻居发现所需时隙数分别平均减少了39.92%和58.27%,有效提高了网络初始化速度。

无人机自组网低时延改进OLSR协议

无人机自组网路由协议OLSR(Optimized Link State Routing)在一些网络拓扑变化频繁的场景下,链路容易中断导致通信失败,数据包丢失,进而致使通信时延较高,影响网络性能。针对此问题,研究通过优化TC消息的数据包格式维护链路稳定性,以及将最短路径的路由算法进行改进,以提高数据传输成功率,进而降低总时延。仿真结果表明,相较于OLSR协议,改进协议提高了发包成功率,降低了端到端时延。

面向蜂群无人机自组网接入协议的多优先级动态阈值算法

针对蜂群无人机自组网中存在的数据传输低可靠性以及高时延等问题,提出了面向蜂群无人机自组网接入协议的多优先级动态阈值算法。首先,分析数据帧在无线信道中的传输过程,利用各优先级的数据发送概率求得各优先级的数据传输成功率;其次,提出了一种改进的信道满载阈值计算方法,当信道环境发生变化时能够稳定数据的传输并降低时延;最后,通过依次调整各优先级阈值,维持整体信道处在满载阈值水平,保证了最高优先级队列的高传输成功率与低传输时延,有效地提高了整体蜂群无人机自组网的性能。仿真结果表明:在不同业务量接入的情况下,所提协议能够保持各优先级数据的高传输成功率、低时延和高吞吐量传输,传输成功率比基于业务量统计的多优先级接入协议提升了14.2%,并在最高优先级数据传输成功率、端到端时延以及吞吐量等方面具有较大的优势。

SD-FANET下基于节点合作的低开销且可靠有效路由解决方案

针对分布式无人机网络初始建网时间过长、周期性组网开销过大、链路稳定性与可靠性低的问题,提出了软件定义飞行自组网下基于节点合作的低开销且可靠有效路由解决方案(Low-overhead,Reliable and Efficient Routing Solution Based on Node Cooperation,NC-SDN)。首先,通过普通节点局部感知和软件定义网络(Software Defined Network,SDN)控制器全局感知配合,缩短了初始建网时间并减少了周期性组网开销;其次,通过普通节点主动感知链路状态与周期性传递告警信息,减少了未过期无效路由带来的不可靠传输风险;最后,通过SDN控制器的预测与切换,降低了用户业务传输中断的风险。仿真表明,NC-SDN在初始建网时间、周期性组网开销和丢包率等方面性能优于现有的SDN、优化链路状态路由和无线自组网按需平面距离向量路由。

自组网通信模块对北斗信号接收性能的影响分析

无人机载体体积小、载重轻,设备安装的空间有限,采用的螺旋天线抗干扰能力较差,且集群所需的自组网通信模块天线和北斗天线距离较近,若安装不当易干扰北斗信号。首先介绍了无人机集群北斗高精度相对定位和自组网通信,并在理论上根据自组网通信模块的信号发送方式分析了其对北斗信号的干扰原因;然后测试了多种安装方式对北斗信号质量的影响,并统计了可用卫星数、信噪比等指标;最后根据理论分析和实际测试结果,提出自组网通信模块天线最佳安装方式。结果表明,自组网通信模块安装方式对信号(特别是北斗GEO卫星)的影响较大。

基于链路质量与节点负载估计的Q学习UANET路由协议

针对无人机自组网(UANET)网络拓扑变化频繁,传统路由协议建立链路的稳定性较差,而导致的链路断裂、高负载情况下的业务丢失等问题,提出了基于链路质量与节点负载估计的Q学习UANET路由协议,该协议在最优链路状态路由(OLSR)协议的基础上,使用Q-learning算法,将跳数、链路质量和节点负载作为路由决策的奖励函数,以加权的综合评价指标作为路由的决策准则。实验结果表明,改进后的协议更加适用于无人机自组网中高动态、高负载的网络环境。

无人机自组网的动态双簇首分簇算法研究

无人机自组织网络的动态拓扑特性给分簇路由协议的设计带来一定的挑战,如何建立有效稳定的分簇机制至关重要。针对局部网络中弹性的无人机自组网单一分簇算法分簇不合理以及单簇首结构抗毁性低的问题,根据局部节点间链路过期时间生成的拓扑结构,设计动态双簇首的分簇算法。该算法允许在不同的局部网络形成不同的网络结构,同时双簇首设计保证了簇结构的高抗毁性。

无人集群组网系统相对定位技术研究

针对大规模无人集群在卫星导航拒止环境下的相对定位需求,研究一种基于无人集群自组网数据链测距的相对定位技术,通过集群组网测距信息构建广义距离平方阵,经过双中心处理化和特征值分解后即得到相对定位结果,最后通过仿真评估了该方法在不同测距误差和不同集群规模下的定位精度。结果表明:测距误差是影响定位性能的最主要误差来源,当节点数大于30时定位误差受节点个数影响较小。

基于SL-MPR选择算法的M-OLSR路由协议

近年来,随着多无人机系统在抗灾救险、环境勘测、军事作战等场景中的广泛应用,高效、灵活的无人机群组网研究已成为当下热点之一。现阶段无人机自组网存在拓扑变化频繁,网络开销增大和能量有限等特点,对OLSR(Optimized Link State Rout⁃ing)路由协议进行了分析研究。分析发现现阶段OLSR协议存在HELLO和TC消息包冗余或不能及时更新路由信息等问题,为此提出了一种基于SL-MPR选择算法的M-OLSR路由协议。首先综合考虑节点移动性、链路的变化情况等因素反映网络的拓扑变化情况,通过拓扑的变化控制节点HELLO消息的广播周期;其次提出一种新的MPR选择算法,考虑链路稳定问题和节点剩余能量(生存时间)因素,根据MPR集的更新频繁程度控制TC消息的洪泛周期。通过NS2仿真实验表明,相比传统的OLSR协议,M-OLSR在数据传输率方面提高了1%以上,能量消耗和网络开销均降低了10%左右。