無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)通信方式及其發(fā)展趨勢(shì)探究

李 翔

（中電華鴻科技有限公司，河北 石家莊 050081）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，近年來(lái)無(wú)人機(jī)類(lèi)型越來(lái)越多，功能不斷增多，性能更加優(yōu)良，促使無(wú)人機(jī)集群發(fā)展取得了巨大進(jìn)步。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)本身體積較小，所以無(wú)法攜帶大重量物體作業(yè)，一定程度上限制了無(wú)人機(jī)的精度和使用范圍。隨著時(shí)代的發(fā)展，無(wú)人機(jī)技術(shù)變得越來(lái)越智能化和自主化，導(dǎo)致傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求，出現(xiàn)了無(wú)人機(jī)集群的概念。無(wú)人機(jī)集群主要的運(yùn)作方式是通過(guò)一定數(shù)量的無(wú)人機(jī)進(jìn)行共同作業(yè)，從而提升作業(yè)范圍，依靠攜帶不同的物體提升無(wú)人機(jī)集群的精度[1]。通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行信息中繼是如今無(wú)人機(jī)集群遙感觀(guān)測(cè)的主要作用，該方法存在操作不靈活和依賴(lài)性較強(qiáng)的缺點(diǎn)。但是，通過(guò)無(wú)人機(jī)集群的方式代替先前通信中繼無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)，便可克服原有的缺點(diǎn)，提升信息傳輸距離。如果是單機(jī)飛行，那么能量的供給會(huì)限制無(wú)人機(jī)的操作范圍和飛行距離，但無(wú)人機(jī)集群可以增加通信效率及其可靠度。因此，未來(lái)無(wú)人機(jī)的發(fā)展方向是無(wú)人機(jī)集群[2]。

通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行是無(wú)人機(jī)集群正常工作的保障。無(wú)人機(jī)集群顯示的智能性，源于無(wú)人機(jī)之間有效的協(xié)同能力。因此，要更加快速有效地完成任務(wù)，必須使用無(wú)人機(jī)集群技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的完善性。

1 國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向是無(wú)人機(jī)集群。自然界生物集群的發(fā)展是無(wú)人機(jī)集群發(fā)展的基礎(chǔ)。2000年，美國(guó)國(guó)防部已經(jīng)開(kāi)始部署無(wú)人機(jī)集群的研究計(jì)劃，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制，這源于科學(xué)家對(duì)螞蟻信息素的研究與探索。美國(guó)在2002年對(duì)無(wú)人機(jī)集群的戰(zhàn)略舒適度和戰(zhàn)斗速度進(jìn)行了綜合研究，任務(wù)對(duì)于較為簡(jiǎn)單的作戰(zhàn)內(nèi)容，單個(gè)無(wú)人機(jī)的效率較高，但單個(gè)無(wú)人機(jī)無(wú)法完成較為復(fù)雜和任務(wù)量較大的任務(wù)。例如，如果僅依靠單個(gè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行搜索和偵查，則很難完成任務(wù)。美國(guó)的許多軍隊(duì)依靠生物進(jìn)化論對(duì)無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行了深入研究，并且進(jìn)行了一系列仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)將每個(gè)無(wú)人機(jī)比作生物個(gè)體，無(wú)人機(jī)個(gè)體之間存在優(yōu)勝劣汰的生物演替規(guī)則，促進(jìn)了無(wú)人機(jī)群體的不斷進(jìn)化與演替，直到無(wú)人機(jī)群體可以完全適應(yīng)當(dāng)前的環(huán)境。

在完成無(wú)人機(jī)集群理論研究后，美國(guó)逐漸從理論研究向應(yīng)用實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)編隊(duì)操縱。早在2008年，16～20架的小型無(wú)人機(jī)在美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)室內(nèi)進(jìn)行編隊(duì)飛行。這些飛機(jī)不僅可以編成隊(duì)伍，還可以通過(guò)改變隊(duì)伍形狀實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的各種功能，如協(xié)同飛行、躲避障礙以及航跡規(guī)劃等。在室內(nèi)完成飛行任務(wù)的編排后，研究人員將室內(nèi)無(wú)人機(jī)研究轉(zhuǎn)變?yōu)槭彝鉄o(wú)人機(jī)研究。

除美國(guó)外，許多國(guó)家也對(duì)無(wú)人機(jī)集群進(jìn)行了相應(yīng)研究。例如，2014年匈牙利研究人員通過(guò)使臨近無(wú)人機(jī)與四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行信息交換，使得10架無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)了自主飛行。

我國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)也有著深入探索，且對(duì)無(wú)人機(jī)集群的研究獲得了較大進(jìn)展。在2016年的珠江航展上，中國(guó)電子科技集團(tuán)發(fā)布了67架無(wú)人機(jī)集群的飛行原理測(cè)試，2017年出現(xiàn)了多達(dá)119架無(wú)人機(jī)的集體飛行。2018年5月，1 374架無(wú)人機(jī)集群在西安起飛，但在空中表演燈光秀的過(guò)程中出現(xiàn)了問(wèn)題?，F(xiàn)階段，我國(guó)的無(wú)人機(jī)集群發(fā)展還存在許多問(wèn)題，尚未達(dá)到可實(shí)際應(yīng)用的地步。

無(wú)人機(jī)集群的發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒?，且其?yīng)用面臨著巨大挑戰(zhàn)。無(wú)人機(jī)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題給出了很好的解決辦法，根據(jù)條件和環(huán)境的不同選擇相應(yīng)的組網(wǎng)模式。數(shù)據(jù)傳輸速率較低和頻譜分配率不高，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)性能下降，是無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)通信作業(yè)時(shí)的一大難題。在保證通信安全的情況下，要增加通信的可靠性，可以增加發(fā)射功率，但是竊聽(tīng)者會(huì)得到竊聽(tīng)信號(hào)，導(dǎo)致安全性較低。在當(dāng)今無(wú)人機(jī)機(jī)型小型化和多樣化趨勢(shì)下，無(wú)人機(jī)的續(xù)航問(wèn)題將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。以上種種問(wèn)題，值得深入研究和思考。

2 無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)通信模式

使用無(wú)人機(jī)群組網(wǎng)通信，可以更好地實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)群之間的信息傳遞。在特殊環(huán)境下，通過(guò)穩(wěn)定可靠的信息交換網(wǎng)絡(luò)減少信息延遲，保障無(wú)人機(jī)之間的通信[3]。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，如果無(wú)人機(jī)集群中有1個(gè)無(wú)人機(jī)受到破壞退出，便會(huì)改變無(wú)人機(jī)集群自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)框架，即無(wú)人機(jī)在滿(mǎn)足正常通信的同時(shí)能夠完成其自身的動(dòng)態(tài)重組，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)的認(rèn)證中準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)地接收并執(zhí)行指令。

2.1 星網(wǎng)組圖

星形組網(wǎng)方式是以無(wú)人機(jī)衛(wèi)星地面中心站終端節(jié)點(diǎn)為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心基站，所有無(wú)人機(jī)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)直接互相交叉鏈接或數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)剿袩o(wú)人機(jī)地面中心站，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星地面中心站節(jié)點(diǎn)之間與空中所有無(wú)線(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)終端間無(wú)縫直通交叉連接通信，以及多臺(tái)無(wú)人機(jī)地面站點(diǎn)以單個(gè)無(wú)人機(jī)地面站節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)交換中心終端并進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)交互數(shù)據(jù)通信[4]。當(dāng)多個(gè)大型地面無(wú)人機(jī)群組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目規(guī)模及相對(duì)終端數(shù)量較少時(shí)，無(wú)人機(jī)集群可執(zhí)行的主要任務(wù)與作業(yè)區(qū)域相對(duì)可覆蓋的區(qū)域面積較小。當(dāng)單個(gè)無(wú)人機(jī)任務(wù)或作業(yè)任務(wù)流程結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜時(shí)，星形無(wú)人機(jī)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)模式選擇比較靈活。當(dāng)星形網(wǎng)絡(luò)有較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)時(shí)，采用比較簡(jiǎn)單的算法，規(guī)模較小，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)信道的資源，降低能耗。

2.2 網(wǎng)狀自組網(wǎng)

無(wú)人機(jī)的分層組合式或分層混合式系統(tǒng)一般采用以地面站為主體星形的網(wǎng)絡(luò)中心站。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)及其地面機(jī)載自動(dòng)導(dǎo)航與通信等網(wǎng)絡(luò)終端均應(yīng)當(dāng)具備衛(wèi)星定位系統(tǒng)，與無(wú)人機(jī)地面中心站之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組網(wǎng)。當(dāng)大型無(wú)人機(jī)集群面臨特種作業(yè)或者執(zhí)行的任務(wù)情況復(fù)雜多變時(shí)，執(zhí)行特定任務(wù)需要的大型無(wú)人機(jī)數(shù)量相當(dāng)龐大，網(wǎng)絡(luò)空間拓?fù)浣M織形式多變，無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)成員之間的通信方式相對(duì)更加頻繁且信息量密度更大，節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組織緊湊靈活，更適合采用分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5]。當(dāng)遇到要執(zhí)行大型無(wú)人機(jī)作業(yè)任務(wù)而使用的大型無(wú)人機(jī)數(shù)量突然發(fā)生變化時(shí)，分層拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提出的無(wú)人機(jī)分層拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有助于系統(tǒng)快速自動(dòng)調(diào)整的無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)的自動(dòng)進(jìn)退，實(shí)現(xiàn)整個(gè)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自動(dòng)重構(gòu)，維護(hù)無(wú)人機(jī)節(jié)點(diǎn)的路由表，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

3 無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 認(rèn)知無(wú)人機(jī)通信技術(shù)

認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的重點(diǎn)內(nèi)容。無(wú)人機(jī)集群節(jié)點(diǎn)可以自行檢測(cè)周?chē)h(huán)境的變化，根據(jù)環(huán)境條件升級(jí)無(wú)人機(jī)周?chē)臒o(wú)線(xiàn)頻譜資源?？焖俟蚕頍o(wú)線(xiàn)認(rèn)知頻譜，能夠更好地解決露頭無(wú)線(xiàn)電中斷資源等有關(guān)問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)可重構(gòu)性評(píng)估功能，在無(wú)線(xiàn)組合環(huán)境毫無(wú)變化時(shí)直接重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地共享網(wǎng)絡(luò)頻譜信息，為功率密度受限時(shí)的無(wú)人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)可用的高無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)容量和較寬的系統(tǒng)覆蓋范圍[6]。

3.2 大規(guī)模高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)組網(wǎng)路由技術(shù)

無(wú)人機(jī)集群的高速移動(dòng)性，使組網(wǎng)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)多變。單個(gè)集群的無(wú)人機(jī)往往難以隨意自由切換網(wǎng)絡(luò)接入的方式或難以隨意退出通信子網(wǎng)，因大規(guī)模和頻繁的無(wú)人機(jī)組網(wǎng)設(shè)計(jì)活動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷波動(dòng)，為現(xiàn)有無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)技術(shù)研究帶來(lái)了更高的社會(huì)發(fā)展理念要求和挑戰(zhàn)[7]。傳統(tǒng)針對(duì)無(wú)線(xiàn)固定終端組網(wǎng)路由、移動(dòng)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)路由、小型無(wú)線(xiàn)機(jī)動(dòng)以及無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型的方法，難以做到全面有效地滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)當(dāng)今各大規(guī)模和高動(dòng)態(tài)無(wú)人機(jī)組網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)需求。在移動(dòng)無(wú)人機(jī)組網(wǎng)中，路由節(jié)點(diǎn)選擇的系統(tǒng)拓?fù)浞桨冈O(shè)計(jì)能夠有效克服無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、移動(dòng)無(wú)人機(jī)組網(wǎng)路由速度快、多節(jié)點(diǎn)跳遠(yuǎn)及多段距離內(nèi)無(wú)線(xiàn)信道傳輸互相干擾問(wèn)題等問(wèn)題，迅速適應(yīng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境的亟劇變化等情況，支撐移動(dòng)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)完成各種多樣化的應(yīng)用和任務(wù)，效果顯著。

4 無(wú)人機(jī)集群通信與網(wǎng)絡(luò)及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)研究

無(wú)線(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)移動(dòng)通信領(lǐng)域中的無(wú)人機(jī)通信技術(shù)，針對(duì)單機(jī)編隊(duì)飛行目標(biāo)已經(jīng)有了大量研究積累，但無(wú)人機(jī)集群的通信及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的技術(shù)研究仍處于探索階段。無(wú)線(xiàn)集群通信系統(tǒng)將是無(wú)人機(jī)移動(dòng)通信領(lǐng)域中的重要研究點(diǎn)。

4.1 小型化高速發(fā)展態(tài)勢(shì)和低功耗趨勢(shì)

無(wú)人機(jī)用戶(hù)通常因兼顧各種特殊無(wú)人機(jī)作業(yè)及功能需要，會(huì)傾向選擇外形尺寸較小和緊湊設(shè)計(jì)的輕型機(jī)體，一定程度上限制了它們自身攜帶的巨大能量。采用較低攜帶能量和低成本傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)通信方式，能夠緩解無(wú)人機(jī)功耗問(wèn)題，更好地保障無(wú)人機(jī)集群的功能[8]。

4.2 智能化趨勢(shì)

無(wú)人機(jī)集群中引入認(rèn)知與通信一體化技術(shù)，在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)協(xié)同通信，大大提升了指揮能力，可逐步構(gòu)建認(rèn)知系統(tǒng)周?chē)芰蚣埽岣哒J(rèn)知系統(tǒng)整體的自適應(yīng)性能和抗毀碎性能。在實(shí)現(xiàn)智能測(cè)控自動(dòng)化通信網(wǎng)的分體化結(jié)構(gòu)前提上，通信組網(wǎng)技術(shù)通過(guò)集成融合多種業(yè)務(wù)類(lèi)型的技術(shù)手段，可實(shí)現(xiàn)多種方式結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)通信傳輸，合理分配現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)資源，形成多一體化、綜合性以及可應(yīng)用發(fā)展的新型智能信息傳輸交換體系和網(wǎng)絡(luò)傳輸支撐體系，實(shí)現(xiàn)全面構(gòu)建一體化智能測(cè)控協(xié)同和自動(dòng)化調(diào)度綜合指揮系統(tǒng)方案框架的目標(biāo)[9-11]。

4.3 無(wú)人機(jī)集群通信系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)，無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)群寬帶無(wú)線(xiàn)通信體系及相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，將形成一種可以完整覆蓋現(xiàn)有地面基站、空中無(wú)人機(jī)基站節(jié)點(diǎn)以及衛(wèi)星通信鏈路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)的分布式互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)設(shè)施，兼容空中公共移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)寬帶移動(dòng)通信的骨干專(zhuān)網(wǎng)線(xiàn)路節(jié)點(diǎn)以及其他衛(wèi)星球?qū)Ш酵ㄐ艂鬏斁W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)地空天一體化，滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)未來(lái)用戶(hù)的多層次無(wú)人機(jī)集群組物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航通信系統(tǒng)的發(fā)展需求。

5 結(jié) 論

解析我國(guó)當(dāng)前主流無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)模式特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述各部分間的應(yīng)用與關(guān)鍵的數(shù)據(jù)通信技術(shù)問(wèn)題，分析與討論現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外主流無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，為促進(jìn)國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)集群組網(wǎng)事業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供參考。