面向拒止環(huán)境的無人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化策略研究

張超琦，遲 凱

面向拒止環(huán)境的無人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化策略研究

張超琦，遲 凱

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

針對現(xiàn)有無人機(jī)集群在衛(wèi)導(dǎo)和通信拒止環(huán)境下，由于網(wǎng)絡(luò)連通性降效導(dǎo)致任務(wù)遂行能力嚴(yán)重降級的問題，分析了國內(nèi)外基于數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)降低拒止環(huán)境影響的最新研究現(xiàn)狀，提出了一種基于任務(wù)優(yōu)先級的動態(tài)優(yōu)化連接度拓?fù)渥赃m應(yīng)位置選擇策略，實現(xiàn)多個無人機(jī)集群在拒止環(huán)境下通過大區(qū)域拓?fù)溥B接獲取拒止區(qū)域外信息，從而降低或抵消拒止影響，有效提升了無人機(jī)集群生存能力和任務(wù)遂行能力。

集群數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)拓?fù)鋬?yōu)化；拒止環(huán)境

0 引言

隨著無人平臺技術(shù)高速發(fā)展，無人機(jī)集群在軍事領(lǐng)域作用愈發(fā)凸顯，如俄烏沖突中，俄軍在一次軍事行動中，曾使用約20架“柳葉刀”3和從伊朗進(jìn)口的“見證者”136自殺式無人機(jī)（巡飛彈），協(xié)同攻擊了烏軍第406旅第66炮兵營和8月剛從英國接收裝備回國的烏軍技術(shù)保障分隊，成功摧毀了烏軍的防控指揮所、警衛(wèi)連連部和燃料庫。通過數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)將多種功能不同的無人機(jī)聯(lián)合合作，最大程度地發(fā)揮作戰(zhàn)效能[1]，形成體系對抗優(yōu)勢。

相較于有人平臺，無人機(jī)集群具備多層次復(fù)雜防空系統(tǒng)且電磁域處于超負(fù)荷強(qiáng)對抗環(huán)境下的拒止環(huán)境區(qū)域時，由于其自身攜帶的導(dǎo)航定位以及與后方信息交互等通訊功能極易受到強(qiáng)烈干擾和多重誘騙，從而極大影響遂行任務(wù)能力。這時通過采用現(xiàn)有無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化管理中常用的功率控制技術(shù)手段、信道分配及骨干節(jié)點/休眠等技術(shù)手段，除了會對無人機(jī)自身能耗產(chǎn)生巨大消耗，增加被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險外，也無法合理發(fā)揮無人機(jī)平臺自身的能力優(yōu)勢。因此，在不斷提升抗干擾波形設(shè)計的同時，通過可靠靈活的數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)技術(shù)降低拒止區(qū)域影響也越發(fā)成為提升無人機(jī)集群遂行任務(wù)能力的關(guān)鍵。其中，網(wǎng)絡(luò)的高效拓?fù)淇刂埔廊皇亲钣型难芯繜狳c[2-3]。鑒于此，本文提出的一種基于任務(wù)優(yōu)先級的動態(tài)優(yōu)化連接度拓?fù)渥赃m應(yīng)位置選擇策略，為無人機(jī)集群在強(qiáng)拒止環(huán)境下的可靠任務(wù)遂行提供了一種思路和方法。

1 研究現(xiàn)狀

軍用方面，隨著美國的戰(zhàn)略重點由反恐向大國競爭轉(zhuǎn)變，美軍正積極推進(jìn)第三次抵消戰(zhàn)略，倡導(dǎo)應(yīng)用無人系統(tǒng)、人機(jī)協(xié)同、人工智能等顛覆性技術(shù)，應(yīng)對以彈道/巡航導(dǎo)彈、一體化防空系統(tǒng)、先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)以及各型艦艇為代表的由一大批先進(jìn)裝備組成的區(qū)域性強(qiáng)國的反介入/區(qū)域拒止（Anti-Access /Area-Denial，A2/AD）戰(zhàn)場的威脅。

但由于各無人機(jī)自身攜帶的電子設(shè)備較多，無人機(jī)及其與指揮控制中心的通信主要依賴于通信電臺的聯(lián)絡(luò)，通過無線通信進(jìn)而實現(xiàn)偵察、監(jiān)視等情報信息和任務(wù)規(guī)劃、決策等指控信息的傳輸。這就要求其通信網(wǎng)絡(luò)和通信鏈路具有較強(qiáng)的抗干擾能力，以滿足實際作戰(zhàn)的需求。但實際作戰(zhàn)應(yīng)用中，無人機(jī)一旦遭受敵方的強(qiáng)電子干擾，極易出現(xiàn)信息傳輸錯誤甚至通信中斷問題，致使無人機(jī)無法正常完成作戰(zhàn)任務(wù)，甚至出現(xiàn)失控、墜毀和被俘獲等嚴(yán)重問題[4]。

鑒于此，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)辦公室（Tactical Technology Office，TTO）啟動了名為拒止環(huán)境協(xié)同作戰(zhàn)（Collaborative Operations in Denied Environment，CODE）的項目。該項目旨在研發(fā)先進(jìn)的自主協(xié)同算法和監(jiān)督控制技術(shù)以增強(qiáng)無人機(jī)（該項目無人機(jī)包括巡航導(dǎo)彈、誘餌無人機(jī)及其他無人機(jī)系統(tǒng)）在拒止環(huán)境的作戰(zhàn)能力[5]。通過CODE項目的研究，使美軍無人機(jī)集群能夠適應(yīng)并應(yīng)對通信帶寬受到限制或通信中斷情況的發(fā)生，幫助其在受到突發(fā)威脅導(dǎo)致部分無人機(jī)處于敵方通信和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）拒止環(huán)境下時，可以通過協(xié)同自主的通信技術(shù)將情況及時告知友方無人機(jī)，并可通過安全區(qū)域的無人機(jī)以中繼的方式將操作員最新的命令傳送給拒止環(huán)境下的無人機(jī)集群，從而有效避免了無人機(jī)操作員與無人機(jī)之間失去聯(lián)系致使無人機(jī)無法正常完成作戰(zhàn)任務(wù)等情況的發(fā)生。

2019年2月，在美國陸軍尤馬試驗場，6架裝有傳感器陣列的RQ-23“虎鯊”無人機(jī)以及14架虛擬RQ-23“虎鯊”無人機(jī)舉行了系列試驗。試驗無人機(jī)一開始通過與任務(wù)指揮官的互動執(zhí)行任務(wù)，在雙方之間通信降級直至被拒止后，它們?nèi)阅茏灾鲄f(xié)同導(dǎo)航、搜索、定位并打擊了受模擬一體化防空系統(tǒng)保護(hù)的預(yù)定及臨時出現(xiàn)的目標(biāo)。該試驗驗證了CODE無人機(jī)在通信降級或被拒止環(huán)境中適應(yīng)和響應(yīng)意外威脅的能力。

其后續(xù)啟動的“小精靈”項目（Gremlin），可視為CODE項目的延伸與強(qiáng)化，可在電子干擾、通信能力削弱和其他困難作戰(zhàn)條件下，完成無人機(jī)集群對敵的偵察監(jiān)視及打擊任務(wù)[6-7]。

民用方面，柯林斯宇航公司為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提出了一種被稱為韌性自治組網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）的框架架構(gòu)，該架構(gòu)將異構(gòu)組網(wǎng)的問題空間劃分為多個能力層，該框架通過利用從數(shù)據(jù)流中獲取的信息來訓(xùn)練并推斷出的學(xué)習(xí)技術(shù)和啟發(fā)方法，監(jiān)控底層服務(wù)的運行狀態(tài)，以選擇并構(gòu)建最優(yōu)和韌性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以供數(shù)據(jù)傳輸。卓翼智能科技有限公司下屬的飛思實驗室在無人機(jī)集群組網(wǎng)與協(xié)同方面，成功實現(xiàn)最大30架無人機(jī)集群飛行控制，通過其分布式控制方案，可實現(xiàn)機(jī)間星形、網(wǎng)狀和鏈?zhǔn)降炔煌木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M網(wǎng)方式，實現(xiàn)去中心化，并且當(dāng)任意一架飛機(jī)脫離集群后，區(qū)域無人機(jī)可快速形成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滏溄?，具備一定抗毀能力?/p>

另外，在無人機(jī)集群間數(shù)據(jù)通信傳輸中所遇到的易受干擾、穩(wěn)定性差和實時性能低下的問題，國內(nèi)外不少公司有的通過將Turbo迭代處理技術(shù)應(yīng)用于接收機(jī)中的解碼譯碼角度，實現(xiàn)了接收系統(tǒng)解調(diào)、均衡與譯碼的聯(lián)合優(yōu)化[8]。有的公司從擴(kuò)頻角度研究了基于變換域通信（Transform Domain Communication，TDC）的無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)，并在抗窄帶干擾方面效果顯著[9]。有的從隱蔽通信的角度來考慮提升機(jī)間信息的傳輸安全性[10]，還有的從波形及鏈路路由選擇等方向提出關(guān)于如何提高無人機(jī)集群間的數(shù)據(jù)鏈通信可靠性方面的研究。

從以上研究現(xiàn)狀可以看出，民用領(lǐng)域?qū)τ跓o人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拒止環(huán)境下的通信研究還不夠全面，并鮮有涉及大規(guī)模集群網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化方面的研究，至于涉及到復(fù)雜動態(tài)戰(zhàn)場環(huán)境下的無人機(jī)集群組網(wǎng)敏捷性和可重構(gòu)性等的相關(guān)技術(shù)研究[11]也少之又少。

2 拓?fù)鋬?yōu)化策略

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫侵妇W(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點及鏈路所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂凭褪窃跐M足集群連通度前提下，通過功率控制或者骨干節(jié)點/休眠選擇等技術(shù)，構(gòu)建必要的通信鏈路，用于形成一個優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[12]。

無人機(jī)集群在遂行任務(wù)時，往往由于電磁環(huán)境惡劣或者惡意干擾而無法依賴基礎(chǔ)設(shè)施（如衛(wèi)星）進(jìn)行連通性保持。這種情況下，集群易產(chǎn)生網(wǎng)裂問題，即在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分解為多個獨立的子網(wǎng)，由于無法保持連通，嚴(yán)重影響集群協(xié)作效能，最終導(dǎo)致任務(wù)降效。因此，考慮不依賴基礎(chǔ)設(shè)施的集群網(wǎng)絡(luò)連通性優(yōu)化，對任務(wù)區(qū)域的無人機(jī)集群進(jìn)行動態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化控制以保證網(wǎng)絡(luò)的連通質(zhì)量，尤其是末端集群與后方操作人員保持連通，能夠有效抵消或降低網(wǎng)裂問題的影響，提升無人節(jié)點協(xié)同效能，最終提升任務(wù)的執(zhí)行效果。

綜上所述，為了保證在拒止區(qū)域內(nèi)的無人機(jī)集群依然能夠與視距之外的操作員建立通信，避免網(wǎng)裂情況的發(fā)生，可在仍處于安全區(qū)域內(nèi)的集群節(jié)點中，依據(jù)通信需要選擇一至多個節(jié)點充當(dāng)拒止區(qū)域與操作員之間的中繼節(jié)點，實現(xiàn)的多跳通信如圖1所示。

圖1 多跳通信

2.1 場景描述

圖2 任務(wù)場景

圖2中，操作員可以通過我方戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星向我方無人機(jī)集群子群和分別發(fā)送作戰(zhàn)指令，但由于此時我方無人機(jī)集群子群進(jìn)入到紅色圓圈所包圍的敵方高拒止區(qū)域，導(dǎo)致戰(zhàn)術(shù)通信衛(wèi)星無法將操作員的指令傳達(dá)給無人機(jī)集群子群，同時由于子群之間的距離過大無法將消息從無人機(jī)集群子群通過一跳直接傳送給子群。因此，通過在子群中間的子群區(qū)域中尋找合適位置放置一個或多個無人機(jī)，充當(dāng)子群與子群的中繼節(jié)點，繼而實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星與子群的通信。

集群內(nèi)每個無人機(jī)節(jié)點的通信半徑R和感知半徑一致，集合中的位置坐標(biāo)為（X,Y），=1,2,…,?？蓪⒆尤簠^(qū)域中繼節(jié)點無人機(jī)的通信范圍視為半徑為R的圓形區(qū)域，故可將在子群區(qū)域中尋找合適位置放置無人機(jī)的問題轉(zhuǎn)換成尋找在子群區(qū)域中，將中繼節(jié)點放置在何處可保證子群和子群連通的前提下，所連節(jié)點中包含盡可能多的高權(quán)值節(jié)點的動態(tài)優(yōu)化連接度拓?fù)渥赃m應(yīng)位置選擇問題。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化模型

設(shè)無人機(jī)節(jié)點Z位置坐標(biāo)為Z=（X,Y），目標(biāo)點T位置坐標(biāo)為（X,Y），則節(jié)點與目標(biāo)點間的距離如式（1）所示

無人機(jī)節(jié)點被目標(biāo)點感知的概率（Z,T）為

為了在子群區(qū)域中得到中繼節(jié)點能夠放置的最優(yōu)位置，不僅要能夠同時與子群和子群建立通信關(guān)系，更重要的是，其能夠與子群和子群中優(yōu)先級權(quán)重較高的節(jié)點能連盡連，從而保證面向任務(wù)的高連通性與高效性。因此拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)函數(shù)Fits()可表示為

式中：weight表示與節(jié)點通信的節(jié)點自身的優(yōu)先級權(quán)值；node_size表示中繼節(jié)點可鏈接子群和子群中節(jié)點的最大數(shù)量；relay_node表示子群中節(jié)點個數(shù)。

子群和子群中的節(jié)點在式（3）中，每次只能與一個極點相鏈接，即在每一輪計算中，每一個與子群中1節(jié)點相鏈接過的節(jié)點在下一輪計算中將不能夠與新的節(jié)點=2相鏈接。最終，得到子群中每個節(jié)點的函數(shù)value值，按照從大到小的順序排列，其中函數(shù)value值最大的一個或前幾個節(jié)點其對應(yīng)的坐標(biāo)位置（X,Y）即為符合基于任務(wù)優(yōu)先級的動態(tài)優(yōu)化連接度拓?fù)渥顑?yōu)部署位置。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化過程

為了得到最終優(yōu)化后的拓?fù)湮恢?，首先，需要一次找到待鏈接無人機(jī)集群子群中每兩個集群中心連線的中點位置（CX,CY）；然后，分別在這兩個子群中尋找離中點最近的兩個節(jié)點和；接著分別以和為圓心，R為半徑畫圓，得到兩圓相交區(qū)域；最后在相交區(qū)域中利用迭代優(yōu)化方法尋找到符合目標(biāo)函數(shù)Fits()的可用來鏈接這兩個集群子群的一個或多個最優(yōu)部署位置position_best（X,Y）。

優(yōu)化流程如圖3所示。

圖3 優(yōu)化流程

3 仿真案例

在電腦上利用仿真軟件進(jìn)行算法驗證。其中，無人機(jī)集群仿真場景分別由兩個數(shù)量為25的無人節(jié)點構(gòu)成，如圖4所示，任務(wù)仿真場景區(qū)域為320×320 km的區(qū)域，節(jié)點通信距離約為30 km，藍(lán)色星形圖案為集群幾何中心，紅色實心圖形是權(quán)值為10的高權(quán)值節(jié)點，黑色圖形是權(quán)值為1的低權(quán)值節(jié)點，全網(wǎng)形成扁平化多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖4 仿真場景

初始化任務(wù)場景后，隨機(jī)選擇左邊紅色圓圈包圍的集群子群模擬進(jìn)入到敵方強(qiáng)拒止環(huán)境中無法與外界通信的情況，而右邊黑色圓圈包圍的區(qū)域即為安全區(qū)域，紅色拒止區(qū)域與黑色安全區(qū)域邊界最近處距離為31 km。

隨后，在子群和子群中尋找放置中繼節(jié)點的合適位置。并進(jìn)行三次仿真試驗，第一次按照2.3節(jié)拓?fù)鋬?yōu)化過程中尋找符合目標(biāo)函數(shù)Fits()的拓?fù)渥顑?yōu)位置節(jié)點，其結(jié)果如圖5所示，后兩次均不以目標(biāo)函數(shù)Fits()作為指引，隨機(jī)生成如圖6和圖7所示的結(jié)果。

圖5 仿真結(jié)果1

圖6 仿真結(jié)果2

圖7 仿真結(jié)果3

可以看出，根據(jù)Fits()函數(shù)，圖5中繼節(jié)點所包含子群和子群的高權(quán)值節(jié)點數(shù)量總共為3，其目標(biāo)函數(shù)值為value=3×10+3=33；圖6中繼節(jié)點所包含子群和子群的高權(quán)值節(jié)點數(shù)量總共為2，其目標(biāo)函數(shù)值為value=2×10+4=24；圖7中繼節(jié)點所包含子群和子群的高權(quán)值節(jié)點數(shù)量總共為1，其目標(biāo)函數(shù)值為value=1×10+4=14。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在采用基于任務(wù)優(yōu)先級的動態(tài)優(yōu)化連接度拓?fù)渥顑?yōu)位置自適應(yīng)放置策略后，所放置的中繼節(jié)點位置最為合理。

4 結(jié)語

無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)具有變革突防戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法，牽引集群裝備發(fā)展的重要意義，對抗環(huán)境下集群作戰(zhàn)，對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥m變性提出了很高的要求，在保證網(wǎng)絡(luò)可靠性與魯棒性的同時，要能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢和遂行任務(wù)情況，靈活自適應(yīng)重構(gòu)?；跀?shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大規(guī)模無人機(jī)集群拓?fù)淇刂?，能夠有效提升動態(tài)場景下網(wǎng)絡(luò)效能，支撐未來無人機(jī)集群體系對抗。

本研究設(shè)計的面向無人機(jī)集群數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)拒止環(huán)境下拓?fù)鋬?yōu)化策略，通過搭建仿真驗證環(huán)境，在典型場景下對拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行了驗證。相關(guān)技術(shù)可為后續(xù)大規(guī)模無人機(jī)集群協(xié)同作戰(zhàn)提供支撐。

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Research on Topology Optimization Strategy of Unmanned Cluster Data Link Network for Denial Environment

ZHANG Chaoqi, CHI Kai

Aiming at the problem of serious degradation of task execution ability due to network connectivity effect of existing UAV clusters in the environment where navigation and communication are denied, the latest research status at home and abroad is based on data link network to reduce the impact of denied environment, and a dynamic optimization connectivity topological adaptive location selection strategy is proposed based on task priority. In the denial environment, multiple UAV clusters can obtain information outside the denial area through large area topology connection, thereby reducing or counteracting the denial impact, and effectively improving the survivability and mission fulfillment ability of UAV clusters.

Cluster Data Link Network; Adaptive Topology Optimization; Denial Environment

TP393

A

1674-7976-(2023)-06-446-05

2023-08-28。

張超琦（1996.01—），陜西西安人，碩士，主要研究方向為數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)。