多无人机编队通信网络设计与实现

编队通信网络

空间移动网（SMN）
推进当前空间网和近地网的发展
集群通信网络是无人机编队飞行的核心子系统

1. 无人机集群编队方面（实物演示）
2. 无人机编队通信方面（具体技术）

目前无线通信框架主要涵盖基础网和自组网两类

• 基础网：有固定通信设施的框架，由无线接入点(AP)创建，多个终端(STA)连入构建而成的无线网络
• 无线组组网(MANET)：并不依赖任何预先存在的网络架构，是一种动态自组织网络系统。它的特性如下：

1. 独立性
2. 分布性
3. 多跳性
4. 移动性
   采用分层分布式的通信网络架构。地面控制站和有人机形成上层自组网，有人机和无人机形成下层自组网，彼此独立，占用不同的信道。

2.2 通信网络平台设计
10架有人机、110架无人机（本文以3架四旋翼无人机为通信载体）
2.2.1 无人机系统设计
2.2.2 无线通信

• 基于自组网体系架构，搭建无人机编队通信网络，没有主从机之分。具备分布式自组网性能的数传电台。
• 采用美国DIGI公司生产的Xbee Pro S3B模块。
• 通信方式：透传、API两种工作形式
• 数传模块基于内置协议构建DigiMesh网络，每个网络包含一个10位的标识符（PAN ID）
  3.1 无线自组网关键技术概述
  不同于传统通信网络，无线自组网的关键技术主要涉及MAC层和网络层。
  3.1.1 无线自组网的MAC层协议
  采用NS-3网络模拟软件，Linux开发环境下使用C++编程设计的通信软件
  目前信道介入策略主要分为两种：竞争类策略、分配类策略，军用上一般采用分配类MAC协议，保证信息传输的可靠性。
  分配类策略：

1. FDMA（频分多址），早期的移动通信系统采用的技术；
2. TDMA（时分多址），现在的移动通信系统多数采用的技术；
3. CDMA（码分复用）， 目前已经普遍应用无线通讯网络。

在ubuntu14.04系统借助NS3网络模拟器对有人/无人直升机通信网络进行仿真分析：

- 路由协议模拟分析（TDMA > CSMA）
- MAC协议模拟分析（OLSR > AODV）
反应式路由协议

4.1 通信平台总体框架

1. 飞行控制器mavlink协议：是以个简易的、开源的基于C/C++或者Pyton语言用来解析飞行数据的小型飞行器通信协议。
   数据包分析：位置数据、姿态数据、状态数据
   下行数据：无人机的状态、姿态、位置信息；
   上行数据：控制指令、期望航迹。
2. 自组网电台mesh协议；
3. 协议嵌套：将整个mavlink飞行数据包充当mesh协议里的有效数据，地面站端通过编写相应的打包函数与解包函数实现，无人机端则额外搭载一块小型开发板，主要负责协议嵌套工作。本文选用Arduino UNO R3开发板，将mavlink数据包封装成可以直接传输的mesh数据包，最终完成协议的完美开发。
   协议嵌套示意图
   4个自组网通信模块
   各Xbee模块地址
   数据链路示意图

4.4编队地面控制站开发

基于Linux操作系统进行开发，利用Qt编译环境设计上位机图形化操控界面