[发明专利]机群编队的组网拓扑结构和组合多址体制设计方法

摘要

本发明涉及一种机群编队的组网拓扑结构和组合多址体制设计方法，属于航空数据链、无线电导航、飞行器自主技术领域。本发明提供了提出适用于机群编队组网通信与测量的多址体制和组网拓扑结构，满足机群编队对动目标的无源探测定位和协同打击任务。本发明提供了一种能够在机群链路终端机的中频信号处理电路板上的数字信号处理器DSP、FPGA器件和射频通道上实现本发明提出的组合多址体制并支持本发明提出的机群编队组网拓扑结构。本发明提出两种新型通信拓扑构形的多址接入体制：基于交叉链路组网拓扑的机群编队CDMA/FDMA组合多址通信体制；基于树型拓扑的机群编队分级递阶多址通信体制。前者能够支持全网覆盖的单跳接入模式，后者提供全网覆盖的多跳接入模式。

主权项

一种机群编队的组网拓扑结构和组合多址体制设计方法，适用于机群编队组网通信与测量的多址体制和组网拓扑结构，满足机群编队对动目标的无源探测定位和协同打击任务；可以认为任何一种任务都要求机群编队的成员节点具备以下三种功能：①机群编队成员节点组网形成覆盖所有成员节点的全网通信体系，任意两成员节点之间能够建立单跳的、无延迟的、对其他成员透明的、异步全双工的通信链路，满足机群编队通信网内的任意成员节点信息的全网实时共享需求，也提供多跳通信和路由业务，机群编队通信网可以是有中心节点或无中心节点的模式；②机群编队任意两成员节点之间能够精密地实时测定两者之间的几何距离用于编队组网的拓扑结构控制，并作为动目标无源探测定位和协同打击体制的基线测量值用于干涉测量和分布式数据处理；③机群编队全网成员的时间同步，这一点在非常多的多基地无源探测定位和协同打击任务中体现的尤为突出，迫切需要机群编队网内所有成员的时间同步以实现编队组网拓扑构型实施控制，以及实现空间多点联合干涉式探测任务；实现动目标无源探测定位和协同打击任务的机群编队需要建立一种网内成员节点多址通信、全双工异步数据交互、具备任意两点精密测距、全网实现时间同步的通信、测距与时间同步体制；所述的一种机群编队的组网拓扑结构和组合多址体制设计方法，可以在机群链路终端机的中频信号处理电路板上的数字信号处理器DSP、FPGA器件和射频通道上实现；其特征在于：所述的机群编队的组网拓扑结构和组合多址体制设计方法，提出两种通信拓扑构形的多址接入体制：基于交叉链路组网拓扑的机群编队CDMA/FDMA组合多址通信体制；基于树型拓扑的机群编队分级递阶多址通信体制；前者能够支持全网覆盖的单跳接入模式，后者提供全网覆盖的多跳接入模式；一、机间链路全双工异步通信信道的数据链路层结构多数任务中机群编队组网的拓扑构形一般尺度为几公里～几十公里范围以内，任意两成员飞机最远距离一般在几十公里左右，因此在本发明中机群组网节点间空间通信链路仿照CCSDS Proximity-1近程空间链路通信协议蓝皮书建议，参考Version-3的传输帧结构设计出用于机群通信/基线测量综合体制的数据链路层传输帧，包括：24bit的帧同步码ASM(0xFAF320)、32bit的结构固定数据帧导头header、长度小于16344bit的数据域、32bit的CRC校验码；该传输帧支持异步/同步综合传输、等时/非等时综合传输、多路虚拟信道统计时分复用传输；数据域前部定义为勤务段，嵌入对应链路标识符、本地钟面时编码和本地伪距编码向对方发送；帧长选择固定，帧频为整数赫兹，一般在1Hz～20Hz，可根据测量刷新率需求而定；将本体制中的机群内机间通信/基线测量综合链路设备称为：异步通信/测距终端即ACRU，假定机群网内的任意成员飞机均配置了ACRU；以两架飞机A、B为研究对象，ACRU_A、ACRU_B各自独立地向对方发送传输帧，两终端之间的发射载波及发送码时钟均互不相参；飞机A和飞机B的ACRU_A、ACRU_B分别于本地传输帧同步码前沿或者后沿的发送时刻采样本地时钟计数器、接收通道码跟踪环路的历元计数器，从当前接收对方传输帧的勤务段提取出对方帧同步码前沿发送时刻，并计算出历元形式的本地伪距值；ACRU_A、ACRU_B各自独立地利用本地测量伪距、本地钟面时、接收到对方经传输帧发来的对方本地伪距、对方本地钟面时，计算出机间距离、同步误差、两终端采样时间间隔，进行时间同步调整；本发明提出机间全双工通信链路实现异步数据交互和双向非相干测距、测速、钟差测量、频偏测量，这种通信/基线测量综合链路体制具有如下四个特点：①两机载终端的数据交互与基线测量在单载波统一信道内综合实现，不额外配置专用基线测量设备，工作在异步全双工扩频模式，任意两架飞机之间通信/基线测量过程对其他节点透明；②两机载终端相互独立地向对方发送结构相同的传输帧，本地基带数据发送码时钟、发射载波频率由本地频率综合器产生，不与对方相参，发送方与接收方之间无频率、相位关系约束；③两机载终端相互独立地提取本地接收单元码跟踪环的历元计数器锁存值和本地时频基准标称值计算出历元形式的本地伪距，将其嵌入本地传输帧向对方发送；④两机载终端利用本地测量伪距和接收到对方经传输帧发来的伪距通过计算获得机间基线测量值和两飞机本地钟差，并实现时间同步调整；机载终端在取样时刻提取的发送帧历元时与接收帧历元时代数差定义为本地伪距，包含此时刻两架飞机之间的几何距离和本地钟面时偏差，二者需通过算法实现解耦；二、机群编队组网的拓扑构形设计机群编队拓扑构形会根据任务的不同模式改变，通信组网的拓扑构形往往与编队空间拓扑构形相关，因此往往也将随之发生改变；而且，机群通信组网的成员节点可以是同类飞机，也可以是非同类飞机，即：多种成员节点异构组网；一般情况下，机群编队采用的机间通信网拓扑构形包括：①星型拓扑：存在中心节点，其他节点与之存在通信链路，且非中心节点之间无通信链路；②总线型拓扑：也称为树型拓扑，由星型拓扑递阶构成，具有分层结构，星型拓扑可看作单层总线型拓扑；③环型拓扑：依次相联形成一个封闭的环形；④链型拓扑：环形拓扑在某处断开即退化为链式拓扑；⑤交叉链路拓扑：任意两节点间存在通信链路；⑥混合型拓扑：前五种拓扑的某种组合；机群通信网拓扑构形⑤交叉链路拓扑构形能够提供覆盖全网任意成员节点的点-点单跳通信链路，结构最简单，路径最多，可靠性最高，但性能未必最好；交叉链路拓扑构形支持机群全网覆盖的机间距离、速度等基线测量和精密时间同步，测量信息最为丰富，这一性质更利于机群的节点间基线测量、相对运动参数测量与时间同步过程获得更高的性能；这几类通信网拓扑构形都可能在某一个机群编队任务中出现，拓扑构形的定义和变换遵循的原则也可分为几类：①指令控制方式：根据指令控制强制定义为某一拓扑构形；②基于规则方式：依据相对位置、信道带宽等参数遵循某一优化指标定义为某一拓扑构形；③Ad hoc方式：采用自组织模式动态实施拓扑构形的定义；三、适用于机群组网通信与测量的多址体制实现动目标无源探测定位和协同打击任务的机群编队需要建立一种网内成员节点多址通信、全双工异步数据交互、具备任意两点精密测距、全网实现时间同步的通信、测距与时间同步体制；本发明提出两种新型通信拓扑构形的多址接入体制：基于交叉链路组网拓扑的机群编队CDMA/FDMA组合多址通信体制；基于树型拓扑的机群分级递阶多址通信体制；前者能够支持全网覆盖的单跳接入模式，后者能够提供全网覆盖的多跳接入模式；1、基于交叉链路组网拓扑的机群编队CDMA/FDMA组合多址通信体制考虑到支持机群任意成员的机间测量与单跳通信应当优先选用交叉链路拓扑构形，本发明提出采用码分+频分组合多址体制组合多址体制实现机群全网覆盖、任意节点之间透明无延迟传输数据、任意节点数据的全网实时共享、高可靠性的多址通信与异步测距，能够满足交叉链路拓扑构形(也适用于§2.2节的任意拓扑构形)；CDMA/FDMA组网体制能够提供机群通信网的各级业务需求，特别是保证了任意两成员之间存在通信链路，能够实现任意两点之间的精密测距和全网时间同步；机群内有n架成员飞机，每个成员节点分配一个X/Ku/Ka波段频点和一个用于在此频点上扩频调制的扩频码，整网为n架成员飞机共分配了n个频点+n个扩频码；机群通信网内可建立n(n-1)/2条双向异步通信链路；图16示例中n＝5，可建立10条双向链路；机群每个通信节点(成员)可以利用分配给自身的一个特定频点和扩频码实现扩频调制向其他节点发送信息，这一过程是广播式的，实现了单点→多点的多址发送；机群全网内各节点都能收到本发明点发送的信息，保证了全网通信覆盖性；如果需要向特定节点发送，则在数据链路层的传输帧结构中定义目的地址即可；机群每个通信节点能够利用分配给自身的n-1个接收通道对应的n-1个频点与n-1个扩频码——分配给机群通信网内其他成员的，在机间通信终端的接收单元配置n-1个接收通道的解扩/解调单元，每个通道将本通道对应的频点下变频到标称的中频中心频点上进行载波跟踪，用本通道对应的本地再生扩频码实现解扩/解调；n-1个接收通道分别独立地对应来自机群通信网内其他n-1个节点的通信信号实现解扩/解调和数据接收，以及异步测距与/时间同步；每架成员都能同时接收其他n-1架成员飞机发送的信号并解码数据帧，各通道的处理过程相互独立互不干扰，实现了多点→单点的多址接收；任意节点能够同时接收分别来自机群通信网内其他n-1个节点的信息而互不影响、向机群通信网内其他n-1个节点发送信息，发送、接收过程相互独立为异步过程；机群通信网内任意两架成员之间均存在直接异步通信链路，能够相互交互数据和进行机间测距/时间同步；另外，也支持Ad Hoc自组织多跳路由模式，采用距离路由算法，但考虑到机群通信网内任意节点间的测距/时间同步过程必须要求单点-单点单跳模式，因此多跳模式在机群组网通信中意义不大，仅提供此通信功能；交叉链路拓扑构形优点很多，但对于节点较多的编队机群，成员数N＞8个，或者有新成员加入机群编队，则会引起组合爆炸，给机载终端设计实现造成较大困难；另外，往往任务决定了编队拓扑构形节点之间距离远近差距较大，而且在任务周期内编队拓扑构形会发生变化，因此节点间通信链路状态差异过大、距离随着轨道运动动态变化，提供的传输能力、信道质量、服务质量差异很大，不利于通信网的稳定、可靠运行，机间测量一致性不理想；因此，为保障机群编队节点间数据传输、机间测量精度满足任务需要，而且无需明显提高发射单元功率及接收单元灵敏度、天线增益和指向性，采用多跳链路实现机群网机间空-空数据传输和机间测量是必要的，这种多跳链路往往需要定义多跳路由规则，且随着机群编队拓扑构形的变化而随之改变；因此需要选择一种合适的编队拓扑构形，同时满足机间通信数传的性能又能提供精密、充分的机间测量信息，而且不至于增加机载通信与测量终端、天线系统、发射端功率放大单元、接收端信号放大单元等组件的工程设计难度；一种基于树型拓扑的机群编队分级递阶通信体制，具有自组织组网能力，支持拓扑构形动态变化和扩频码、频点的动态再分配；某一时刻机群编队处于某一拓扑构形，空-空/空-地通信跟踪任务为某种模式下，基于Ad hoc自组织规则，动态定义的树型通信网拓扑构形的组织形式；任何时刻，地面C4IR指挥控制中心仅与机群编队中被定义为空-地链路空间端的飞机存在唯一的通信链路；这样一来，地面C4IR指控中心站无需与机群编队内其他节点建立链路，使得地面通信指挥任务复杂度和任务量大为降低；同时，机群编队内任意节点被定义为M叉树节点，包括三条完全相同的全双工异步通信链路，支持与父节点——与自身联接的上一层节点和两个子节点——与自身联接的下一层节点；二叉树型拓扑把20个节点分成了6层，形成分级递阶结构，每个节点只与自身的父节点和子节点存在通信链路，每个节点的复杂度和通信量比较简单；这里给出如下命题：【命题1】机群编队网内任何成员节点的通信性能、体制完全相同，抽象为二叉树的节点；【命题2】根据近世代数、离散数学理论和计算机网络理论、数据结构理论可以得出结论：三维空间N个节点均可用二叉树相联接，且通过深度遍历和广度遍历实现任意两节点的信息交互；【命题3】机群编队网内任何成员节点自组织组网的原则基于当前各节点的通信量、各节点间的空间分布几何距离，Ad hoc自组网规则将基于某种受约束条件的目标函数进行优化，且通信组网拓扑构形可根据任务的变化而动态改变并能切换到任意其他拓扑构形；机群编队网内任何成员节点具有三套相互独立、物理隔离的全双工异步通信终端及定向天线，与通信协议处理器存在接口，在数据链路层、网络层、传输层、应用层发生相互关联；CDMA/FDMA组合多址策略不适用于节点数过多的情况，因此基于树型拓扑的机群编队分级递阶通信体制中，提出CDMA+双频多址接入的模式；这种模式下，终端发射/接收提供两种频点fA、fB由机群编队组网时根据拓扑构形分别分配给发射通道、接收通道使用，则：二叉树结构的奇数层节点发射/接收分别占用频点fA/fB，二叉树结构的偶数层节点发射/接收分别占用频点fB/fA，此时二叉树结构的奇数层节点和偶数层节点分配的扩频码可以重复，但层内节点不能分配相同的扩频码；这种CDMA+双频多址接入的模式利于优选扩频码和采用短码扩频；对于机间空-空高速通信业务，扩频体制无法提供多址高速通信数传业务，此时利用前向扩频链路逐级分发信道调度控制信息，以TDMA时分复用信道规则控制各节点返向链路高速通信数传；或者利用前向扩频链路逐级分发频点分配信息，以FDMA频分多址规则实现各节点返向链路高速通信数传，这种模式既可根据每个节点的数据量所需占用的通信带宽分配频点，也可根据机群编队分级递阶结构的层数M分配频点，层内采用时分复用接入通信链路，对于二叉树型拓扑可以看作一种节点的深度遍历过程或者广度遍历过程；在本发明的多址体制中，每个成员节点地位平等，均能被定义为空间端任意一层的父节点；这样，机群编队成员节点的通信设备能够标准化通用化，支持下一节将要提出的机间空-空通信与测量综合信道体制，且可靠性很高，即使某架成员节点有一套通信终端彻底损坏，仍然能够作为机间通信网节点正常工作实现机间路由功能和对地通信功能；基于树型拓扑的机群编队分级递阶多址体制也采用码分+频分组合多址体制，支持任意通信链路两终端的基线测量、相对运动测量和时间同步，但链路为N-1条，比交叉链路拓扑的N(N-1)/2少许多，测量信息不如交叉链路拓扑丰富，这对于一大部分机群编队任务已能满足要求，能够为单地面C4IR指控站对机群编队直接指控、利用机间测量信息作为约束量阻尼INS算法的发散、机群编队整网时间同步等，也能支持机群编队整网对单地面C4IR指控站的单链路高速数据下行和单地面C4IR指控站对机群编队整网各成员节点的指控命令上行，无需各成员节点对地面的时分或者码分接入，更不必多地面站参与空-地指挥通信。