無人機組網技術在海洋觀測中的應用研究

目前無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)技術受到重點關注，具備有人機無法比擬的獨特優勢，可以在高危地區和極端條件下進行大比例尺抵近觀測，充分發揮其低成本、小風險、機動靈活、應急響應速度快、無需人員駕駛的特點，為高空遙感和衛星遙感提供重要的補充，越來越廣泛應用於航拍航測、權益維護、搶險救災等民用領域；在軍事領域，鑒於當前世界局勢的變化，未來戰爭的主要形式將是高技術條件下的局部戰爭，從而成就了無人機更廣闊的應用空間。

從無人機誕生之日起，對其的使用多數採取單飛單控的方式，這除了技術所限的原因之外，更多是由於沒有多機協同的迫切需求來驅動。

而當前日趨敏感的國際政治軍事形勢、逐漸升級海洋權益島礁的爭奪態勢、不斷嚴峻的海洋環境保護現狀，造成了觀測目標所在環境以及運動狀態的極大不確定性，單一無人機已不能勝任日益複雜的應用環境，利用多無人機協同觀測並跟蹤目標成為改善無人機執行飛行任務能力的一種有力手段。

與此同時，軍方對於多無人機組網通信的需求也同樣迫切，無人作戰飛機(Unmanned Tactical Aircraft，UTA)的提出和研究，要求現有的無人機單飛局勢必須改變，因為UTA如果成為未來戰場的主角，必須具備和有人戰鬥機一樣的性能，不僅自身有戰鬥能力，還要有編組和協同作戰的能力。

一、無人機組網通信的意義

無人機組網通信的主要目標是通過無線通信技術手段實時共享網路中每架無人機的數據信息，使單個無人機更好地利用所獲得的數據資源。由此，可以變相提高單個無人機處理信息的速度，完善對突發特殊情況的應急響應，增強無人機的工作效率和生存能力。

在無人機組網模式中，其通信方式與功能模塊與以往的單機工作存在很大差異，從而形成了截然不同的工作方式。二者的機構見圖1。

圖

1無人機單機(左)及組網(右)工作方式

由圖1可見，無人機組網通信的意義主要在於以下幾個方面：

⒈提高無人機飛行的任務維度和工作效率

通常，單無人機飛行只執行單任務，為執行下一任務需返回更換模塊或直接更換無人機。無人機組網完成後，可以同時起飛多架具備不同功能的無人機，形成一個多任務的有機整體，從而大大節省了飛行往返的時間，提高了工作效率。

⒉增強無人機的可控性和實時應變能力

無人機在傳統的方式中需要預先制定好航線，尤其是中遠程無人機更是因為通信技術的原因在一定的距離外就和基站失去聯繫，進入了所謂的盲區。從前此類問題並沒有較好的解決辦法，利用人造衛星等輔助通信手段也只能在一定程度上改善這一現狀，而如圖1所示，無人機組網通信之後，控制中心可以通過其他節點，對目標節點進行間接控制，極大程度上消除了盲區的存在空間，使全體無人機可以快速有效地應對各種突髮狀況,進一步提高了生命力。

⒊改善無人機的抗毀性和抗干擾性

如圖1所示，單機狀態下，無人機採用鏈狀通信模式，每一個節點的損壞都會造成系統的整體故障；而無人機組網之後,採取了網狀的通信結構，每一個節點對於整體而言都不是不可或缺的，其他節點可以經備用路由重新組網並彌補其功能，提高了系統的抗毀性；同樣，即使無人機因遭受干擾而無法直接獲取某項信息時(例如經緯度)，亦可由其他節點傳送數據進行補充，保證其穩定運行。

⒋擴展無人機的發展潛力

無人機組網通信之後，終端間的互聯互通帶來了一些額外的功能，可以拓寬無人機的應用範圍，例如可以將所得信息反饋給地面移動目標，為其提供中繼服務。

二、無人機組網通信技術現狀

⒈網路體系結構

主動網路又被稱為可編程網，它是一種新的網路體系結構，和傳統網路有著很大的不同,傳統網路僅負責在終端和系統之間轉發數據，並不改變其內容，而主動網路則加入了網路內部的計算和處理功能，交換設備通過定製化的程序可以對通過它的用戶數據進行分析計算，而不僅僅是被動地轉發，從而提高了網路的交互能力。

無人機組網需採用主動網路以具備可編程定製的能力，同時還必須根據組網決策的不同確定基本網路結構圖，目前無線移動通信網通常可以分為4類：

⑴完全集中式組網

完全集中式網路以一個中心節點配備多個中繼節點和終端，由中心節點來進行路由選擇，終端只具備簡單接收和發送的功能。

⑵分層集中式組網

分層集中式網路由若干上一種組網方式的分層組成，某一分層的特定節點會作為下一級分層的中心控制節點。在以上兩種組網方式中，中心節點對於整個網路的運行不可替代，因此並不適合於需要很高網路抗毀性的無人機網路。

⑶完全分散式組網

在完全分散式的網路中，網路的控制由所有網路節點均勻地分擔，要求所有節點必須實現完全的同步才能有效地進行網路控制，造成了大量的附加開銷，對於網路聯通結構經常發生改變的無人機網路並不適合。

⑷分層分散式組網

在分層分散式的網路中，網路是分多層結構的，在同一層結構中所有節點的地位都相同。分層節點之間採用完全分散式的方式，這種方式的優點在於路由選擇只是由網路中的小部分節點來完成，於是一方面簡化了節點間互相傳送的組網信息，另一方面避免了在第一、第二種組網架構中過於集中的路由控制，非常適合無人機網路，其結構如圖2所示。

圖

2分層分散式分群網路結構圖

隨著無人機組網系統中節點的不斷移動和變化，建立的通信路徑也會不斷變化，如果網路中的源節點和目的節點之間存在著多條可用的通信路徑，就會存在路徑選擇的問題。主動網路可以選擇適當的路由來獲得較好的網路特性，在圖2中的虛線箭頭就表示的是網路在原來的通信路徑破壞後再選擇建立的通信路徑。

⒉通信鏈路模型

無人機組網通信之後，中繼平台是其鏈路模型中的重要內容，具有很強的現實意義和優勢。由於任務無人機和中繼無人機之間的信道，與中繼無人機和地面控制終端之間的信道截然不同，因此，有必要以非對稱雙向中繼信道(Two Way Relay Channel，TWRC)模型為以上三者構成的無線中繼鏈路建模。

從物理層開始進行網路編碼可以從根本上提高無線通信系統的性能，袁全盛等以非對稱雙向中繼信道模型為基礎，提出了非對稱多階相移鍵控物理層網路編碼方案，以理論表達式的形式表述了中斷概率、誤碼率等主要性能指標，全面評估了物理層網路編碼方案在無人機組網通信中的設計可行性。

隨著應用的深入和推廣，無人機的中繼通信模型，不僅可以為其本身開展目標觀測助力，還可以反過來讓無人機組網為地面移動節點提供中繼服務。移動自組網由於節點頻繁移動，山川河流等地形阻隔和覆蓋範圍廣大等因素，網路的互聯互通無法保障。此時以強大的空中中繼節點為移動的地面終端提供中繼通信，將有效改善地面節點間的通信情況。

目前，以具有無線通信組網能力的無人機組成中繼網路，對移動自組網通信提供支持的研究正處於起步階段，清華大學電子工程學院的徐贊新等，以經過試驗驗證的加權質心單無人機飛行模型為基礎，劃定各個空中節點管控範圍，對多無人機中繼網路開展飛行控制，研究並總結了跨域地面節點自身之間、地面節點與無人機之間以及無人機自身之間的連通率，對研究多無人機與地面移動自組網協同中繼通信的研究具有開創性的重要參考價值。

三、特殊場景下對無人機組網通信的需求

⒈軍用無人機對組網通信的需求

⑴迅速自組網能力

由於戰場態勢的變化會導致網路拓撲結構的迅速調整，軍用無人機系統需要具備短期自組網的能力，可以重新配置路由來保證數據鏈路的實時通信，具備高度的自主性和自適應能力。

⑵極低的路由開銷

戰場的時間就是生命，過多的路由開銷會佔據無線信道，嚴重影響網路速率，需具備相較於民用場景更多的節點數目，並開發高性能低開銷的路由協議。

⑶良好的數據格式

網路傳輸的數據量是制約無人機戰場反應速度的關鍵因素，需開發良好的數據格式，以最低的數據量存儲最多的信息，實現快速的數據交換。

⑷健壯性

戰時對抗極為激烈，不能因單一節點的損毀破壞整個系統，需具備分散式的網路結構和節點冗餘，使其他節點可以迅速填補特定節點的空白，維護網路的魯棒性和生存性。

⑸安全及保密

軍用無人機網路一旦採用無線信道，極易受到竊聽和干擾，所以必須對傳輸信息進行加密，並不定期更換密鑰，對全部節點進行通信檢查，識別篩選敵人偽裝節點，預防來自各方的攻擊。

⒉搜救無人機組網通信需求

野外遠程搜救是無人機組網通信應用的特殊場景，楊潤豐等提出了一種適用於無人搜救機組的移動中繼通信模型，經分析論證和現場模擬，驗證了該模型以一架或多架無人機作為中繼節點空中懸停或作規律性移動的方式，可以有效減輕抵近觀測的搜救節點與地面基站進行通信的壓力，令其將自身資源專用於現場搜救，不定期向中繼節點回傳結果即可，極大地提高了搜救機組的靈活性和效率，該方案可以使移動中繼通信更廣泛地應用於環境監測和災害應急響應等方面。下一步可根據測試獲得的任務無人機與中繼無人機的數量關係，研究同步通信的閾值，改進通信及數據運算模塊，提高並發連接中繼的節點數量。

四、多無人機海洋觀測實驗驗證與問題分析

近年來，隨著國內無人機技術的快速發展，無人機遙感監測已在民用技術領域得到廣泛的應用並取得了良好的應用效果。在海洋環境監測方面，無人機作為一種新的遙感監測平台，成為空間數據獲取的重要手段，與衛星航天遙感、有人機航空遙感、海面船舶調查形成有機補充，形成對海洋環境的全方位、立體化監測。同時隨著無人機技術的不斷成熟，能夠搭載多種不同的海洋環境探測任務載荷，對各類海洋動力環境要素、海洋環境現象和海上目標進行探測。

海面浩瀚無垠，缺乏參照，識別度較低，這是海洋觀測中面臨的主要問題。為了更好地確定邊界和基準點，傾向於從海岸等有參照物的區域開始延伸連續觀測，以便降低後期圖像配准和拼接的難度；多機協同觀測所獲取的海面圖像，類似於單機多架次圖像拼接，需要互相知曉彼此區域的精確坐標，這在理想化的試驗中可以預先在陸地設置固定航線，而一旦有實際應變需求或突發情況，臨時變更區域不可避免，就迫切需要無人機之間具備組網通信的能力；此外，在海洋觀測應用中，還需要考慮覆蓋範圍較廣、光線反射強烈、空氣中水汽成分和鹽度較高、海上風力較大等因素，給無線通信帶來的阻力。

北海技術中心聯合山東省儀器儀錶研究所，依託海洋公益性行業專項「海洋高光譜儀和機載激光測量系統產品化關鍵技術研究及應用示範」，在青島金沙灘附近海域，開展了無人機載高光譜組網觀測實驗。實驗獲取了良好的實驗數據，包括高光譜立方體數據、慣導姿態數據/GPS位置數據各兩套。

高光譜遙感是20世紀80年代發展起來的一種具有重大突破的遙感技術，可以保證遙感信息的定量化分析與應用，並已廣泛應用於地質、生態、水文和海洋等領域。無人機載高光譜有兩個優勢：高光譜解析度和高空間解析度。高光譜解析度可以用於辨清地物的材質，識別偽裝後的島礁及附近船舶；高空間解析度有利於消除高光譜圖像中的混合像元效應，將每個像元與每一種地物的光譜相對應，提高識別地物類型的效率。

⒈技術指標

此次實驗中，無人機平台選用的是經緯M600PRO無人機。該無人機最大起飛質量15.5kg；最大可承受風速8m/s；最大水平飛行速度65km/h(無風環境)；工作環境溫度–10℃至40℃。無人機搭載高光譜設備參數如表1所示。

表1機載高光譜設備參數

⒉實驗流程

本次實驗採用兩架六旋翼無人機進行組網觀測初級階段嘗試，兩個架次同時升空，分別進行海面觀測和陸地植被觀測，並於陸地接收端搭建區域網，形成數據間的互聯互通，共享成果，溝通進度，從而大大節省了無人機覆蓋特定觀測海域的時間，提高了試驗的效果和任務的維度，使單個無人機節點可以掌控更多海域信息，並於後期將所得數據成像進行拼接。

⒊組網通信

在此次實驗中，初次嘗試採用廣播級一體化高清圖傳的方式，向陸地接收端實時傳送機載電腦光譜數據成像過程，最高支持解析度1080p/60fps，配備USB、3G-SDI、mini-HDMI、介面、集成遙控器，實現遠距離、低延時高清實時影像與控制信號傳輸，並配有GPS，可同時記錄位置信息。

整套網路系統實行三級架構，第一級是岸基的集成指揮中心、第二級架構節點是無人機平台、第三級是底層數據採集設備。一二級之間的物理鏈路使用無線網路(3G/4G、無線圖傳)；二三級之間的物理鏈路使用有線直連(串口、USB、HDMI等設備自帶協議)；底層採集高光譜原始數據,後期進行數據成像拼接、信息提取和分析，如圖3所示。

圖

3拼接後所得海面圖像

⒋問題分析

此次實驗明確了下一步多無人機協同海洋觀測需要解決的問題：

①實時傳送的數據僅為機載電腦畫面，需要拓展無人機數據介面，研發滿足特定需求的專用數據模塊，實時傳送更多數據格式的數據，並根據所需獲取不同的數據內容，定製程序演算法，提取關鍵信息，減輕數據鏈路的通信壓力；

②此次組網觀測需由不同終端接收觀測數據，再完成終端間的組網通信，具有延時性和半自動性，需完成統一終端的搭建，形成完備的數據集成平台；

③此次組網僅在陸地完成，未來可考慮設計機載無線通訊模塊，實現無人機空中組網通信，設置通用的數據格式，消除因飛機型號不同，採用的地圖數據不同等帶來的通信障礙，實現無人機之間自動收髮指令，智能通信，進一步提高無人機的應變能力和工作效率，真正達到實時組網通信；

④此次組網無人機架次太少，今後需考慮搭建分層分散式無線網路體系，實現多架無人機協同組網觀測，並進一步擴展無人機組網通信在海洋觀測中的應用潛力，完成為海面移動自組網節點提供中繼通信平台等高階試驗，如圖4所示。

圖

4多無人機與海面移動自組網協同中繼通信

五、總結

作者通過對比無人機單機作業和組網通信的具體形式，分析了無人機快速機動組網的意義，研究了現階段圍繞無人機組網體系架構和通信鏈路模型的技術進展，並關注了在軍方和搜救等特殊場景的應用研究，最後以多機協同海洋觀測的應用實驗為例，探討了無人機組網通信技術的成果和不足，為未來進行深化和高階的研究提供了依據和參考。

【作者簡介】文/徐棟楊敏王新勝孫昕雨，分別來自國家海洋局北海海洋技術保障中心和哈爾濱工業大學(威海)。第一作者徐棟，1987年出生，男，山東青島人，碩士，國家海洋局北海海洋技術保障中心，工程師，主要從事遙感與地理信息、組網通信、海洋環境保護等方面研究。本文來自《海洋科學》（2018年1期），參考文獻略，用於學習與交流，版權歸作者及出版社共同擁有。

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