（计算机应用技术专业论文）面向新型无人机的高可用覆盖网模型的研究.pdf

一_莎#、 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y r e s e a r c ho nt h e h i g ha v a i l a b i l i t yo fo v e r l a y n e t w or k sf oran e w - - s t y l eu a v s y s t e m a t h e s i si n c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y w a n gj u n m i n a d v i s e db y y u a nj i a - b i n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 栅6肌0 唧75 2舢8川_哪y 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：瑙垒 日 期：丝垒二兰二13 1 蠢 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着无人机在军事、科技等领域发挥着越来越重要的作用，对无人机技术的发展和创新成 为目前各国研究人员关注的焦点。如何给未来无人机内部系统提供一个高可用的控制系统已成 为该领域急需解决的重要研究课题之一。 未来的无人机发展方向之一是采用分布在无人机内部的智能结构以协同工作的方式工作， 取代传统无人机以飞行控制模块为中心的集中化管控方式，这是因为传统的无人机内部控制系 统已无法适应新型无人机的技术要求。本文基于一个高可用覆盖网( o v e r l a yn e t w o r k s ) 构建新 型无人机内部各系统单元间的控制模型，保证无人机内部系统间的实时性、可靠性和安全性， 以适应新型无人机未来发展的需求。具体通过分析研究新型无人机特点和技术需求，从覆盖网 的拓扑结构、路由机制、自组织和自适应、安全机制方面出发，研究了一种适用于新型无人机 内部系统的覆盖网模型。使用二层排队网络思想对面向新型无人机的覆盖网模型进行了理论分 析，通过评价端到端时延和带宽占用这两个关键性能指标，建立了一个基于环形的覆盖网络结 构模型，并在此结构基础上进行了相应的优化，最后部署了路由机制、自组织和自适应机制。 该模型可以做为新型无人机内部系统的一种管控模型，保证新型无人机内部系统实时、可 靠、安全地工作。 关键词：新型无人机，覆盖网，排队网络，拓扑结构，高可用 面向新型无人机的高可用覆盖网模型的研究 a b s t r a c t c u r r e n t l yt h ed e v e l o p m e n ta n dc r e a t i o no ft h eu a v st e c h n o l o g yh a v eb e e nt h ef o c u si nt h ee y e s o fr e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l d , w i t hm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l eu a vh a sp l a y e di nt h ef i e l do f m i l i t a r y , s c i e n c e ，e t c h o wt os u p p l yt h ei n t e r i o rs y s t e mo ff u t u r eu a vw i t hah i i g h - a v a i l a b l ec o n t r o l s y s t e mh a sb e e no n eo f t h em o s te m e r g e n ta n dm a j o rr e s e a r c h i n gi s s u e si nt h o s ef i e l d s o n eo ft h ed i r e c t i o n sf o rt h ed e v e l o p m e n to ff u t u r eu a vi st h a td i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tm o d u l e si n t h eu a vc a nc o - o p t a t ew i t he a c ho t h e r , i n s t e a do f t r a d i t i o n a lc e n t r a lc o n t r o lm e t h o dt h a tm u s tr e l yo n j u s to n ef l i g h tc o n t r o lm o d u l e ，f o rt h er e a s o nt h a tt r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mi nt h eu a vc a nn o tf i ti n t h en e e d so fn e w - s y t l eu a v i nt h i sp a p e r , ip r o p o s e dah i g h - a v a i l a b l eo v e r l a yn e t w o r kt oa f f o r d c o n t r o lm o d e lt ot h ei n t e r o rs y s t e m so fu a v i tc a nm a i n t a i nt h er e a l - t i m e ，r e l i a b i l i t y , s e c u r i t yo ft h e u a w si n t e r i o rs y s t e m sf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h en e w - s t y l eu a v b a s e do nt h ea n a l y s i sa n d s t u d yo n t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h en e w - s t y l eu a v , id i s c u s s e da no v e r l a yn e t w o r k m o d e lf o rt h en e w - s t y l eu a v si n t e r i o rs y s t e m sf r o mt h ea s p e c t so fo v e r l a y s t o p o l o g y , r o u t i n g , s e l f - o r g a n i z i n g , s e l f - a d a p t a b i l i t ya n ds e c u r i t y a n dt w o - l a y e r sq u e u e i n gn e t w o k st h e o r yi su s e df o r t h et h e o r e t i ca n a l y s i so ft h en e w - s t y l eu a v o v e r l a yn e t w o r k s a no v e r l a yn e t w o r km o d e lb a s e do n r i n gt o p o l o g yi se s t a b l i s h e db ya c c e s s i n gt w oc r i t i c a lc a p a b i l i t i e s ：e n d - t o - e n dt r a n s f e rd e l a ya n d b a n d w i d t ho c c u p a n c y f u r t h e r m o r e ，o p t i m i z a t i o ni sd o n ei nt h i sr i n gt o p o l o g yo fn e w - s t y l eu a v s o v e r l a y f i n a l l ys o m em e c h a n i s m so fr o u t i n ga n ds e l f - o r g a n i z i n ga n ds e l f - a d a p t a t i o na r ed e p l o y e di n t h i so v e r l a y t h eo v e r l a ym o d e lc a r lb es e r v e da sac o n t r o la n dm a n a g e m e n tm o d e lf o rt h en e w - s t y l eu a v t o m a k et h ei n t e r i o rs y s t e m so f n e w - s t y l eu a vm o r er e a l - t i m e ，r e l i a b l ea n ds a f e k e y w o r d s ：n e w - s t y l eu a v , o v e r l a yn e t w o r k s ，q u e u e i n gn e t w o r k s ，t o p o l o g y , h i g h - a v a i l a b i l i t y 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景k l 1 1 1 无人机概述l 1 1 2 无人机的系统组成和特点。l 1 1 3 无人机的发展趋势2 1 1 4 新型无人机概述3 1 1 5 新型无人机相关研究现状5 1 2 研究内容5 1 3 论文结构及章节安排6 第二章新型无人机内部系统的工作机制分析7 2 1 新型无人机系统的特点。7 2 2 新型无人机系统工作需考虑的问题。7 2 3 新型无人机内部系统工作机制的主要思路8 2 3 1 基于网络基础设施的控制模型。8 2 - 3 2 不依赖网络基础设施的控制模型l o 2 3 3 两种新型无人机系统工作机制方法的比较1 0 2 4 新型无人机内部系统工作机制的选择1 l 2 5 采用覆盖网应用于新型无人机系统的关键点1 2 2 6 本章小结1 3 第三章覆盖网络相关技术概述1 4 3 1 覆盖网络的基本概念1 4 3 1 1 覆盖网络的设计目标1 5 3 1 2 覆盖网络的应用领域1 6 3 1 3 覆盖网络的研究现状1 8 3 2 覆盖网的关键性能指标l8 3 3 覆盖网的拓扑结构1 9 3 3 1 混合型覆盖网拓扑结构1 9 3 3 2 无结构型覆盖网拓扑结构2 0 3 3 3 结构化型覆盖网拓扑结构2 0 面向新型无人机的高可用覆盖网模型的研究 3 4 覆盖网的路由机制2 l 3 5 覆盖网的自适应机制2 2 3 6 覆盖网的安全问题2 3 3 7 本章小结2 5 第四章面向新型无人机的覆盖网模型构建2 6 4 1 概述2 6 4 2 排队系统理论2 6 4 2 1 排队理论。2 6 4 2 2 排队网络2 8 4 2 3 马尔可夫链2 9 4 - 3 应用排队理论对覆盖网络的研究情况3 0 4 4 覆盖网络模型分析3 l 4 4 1 二层排队网络理论3 l 4 4 2 二层排队网络的路由分析3 2 4 4 3 使用二层排队网络理论分析覆盖网模型3 2 4 5 新型无人机覆盖网络几种可能的拓扑结构3 4 4 6 新型无人机的覆盖网络拓扑端到端时延比较3 7 4 6 1 物理拓扑为l i n e 对覆盖网逻辑拓扑端到端时延分析3 7 4 6 2 物理拓扑为s t a r 对覆盖网逻辑拓扑端到端时延分析4 l 4 6 3 物理拓扑为r i n g 对覆盖网逻辑拓扑端到端时延分析4 2 4 6 4 物理拓扑为f u l l - m e s h 对覆盖网逻辑拓扑端到端时延分析4 3 4 7 新型无人机覆盖网络拓扑的带宽占用4 4 4 8 新型无人机覆盖网络的拓扑选择4 4 4 9 面向新型无人机的覆盖网路由机制4 5 4 1 0 面向新型无人机的覆盖网自组织、自适应机制4 7 4 1 0 1 节点的加入4 7 4 1 0 2 节点的失效和离开4 9 4 1 l 本章小结5 0 第五章总结与展望5 l 5 i 总结5l 5 2 未来工作与展望5 l 参考文献。5 3 南京航空航天大学硕士学位论文 致谢。5 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文。5 8 攻读硕士学位期间参加科研项目情况。5 8 面向新型无人机的高可用覆盖网模型的研究 图清单 图1 1 智能无人飞行器的基本结构。3 图2 1 主动网络层次结构示意图。9 图3 1 覆盖网络的结构1 5 图3 2 混合型覆盖网拓扑结构2 0 图3 3 无结构型覆盖网拓扑结构2 0 图3 4 结构型覆盖网拓扑结构2 1 图4 1 排队系统的组成。2 7 图4 2 一种排队网络示意图2 8 图4 - 3二层排队网络模型示意图31 图4 45 节点组网的典型拓扑结构。3 5 图4 55 节点组网的其他形状拓扑结构3 6 图4 65 节点组网的底层物理拓扑结构3 6 图4 7 上下层均为l i n e 形拓扑的二层排队网络。3 8 图4 8 下层为l i n e 形拓扑的二层排队网络4 0 图4 9 各逻辑拓扑下节点端到端传输时延对比( 物理拓扑为l i n e 形) 4 0 图4 1 0 下层为s t a r 形拓扑的二层排队网络。4 l 图4 1 1 各逻辑拓扑下节点端到端时延对比( 物理拓扑为s t a r 形) 。4 l 图4 1 2 下层为r i n g 形拓扑的二层排队网络4 2 图4 1 3 各逻辑拓扑下节点端到端时延对比( 物理拓扑为r i n g 形) 4 2 图4 1 4 下层为f u l l m e s h 形拓扑的二层排队网络4 3 o 图4 1 5 各逻辑拓扑下节点端到端时延对比( 物理拓扑为f u l l m e s h 形) 4 3 图4 1 6 带弦环结构图各节点的路由表4 6 南京航空航天大学硕士学位论文 表清单 表1 1 智能无人机与传统无人机的比较。4 表2 1 两种新型无人机内部系统工作机制的比较l l 表3 1 覆盖网的典型应用_ 。1 6 表3 2 覆盖网3 种类型拓扑结构对比2 1 表4 1 各逻辑拓扑下平均网络吞吐量对比( 物理拓扑为f u l l m e s h 形) 4 4 表4 2 带弦环结构覆盖网节点的路由表各项属性及定义4 6 面向新型无人机的高可用覆盖网模型的研究 u 斟 u a s l s r g p s g i g a n m n e t e e a a q o s i e t f d h t c d n p 2 p r o n a l m d v m r p c b t b g p d e s m a c m d d o s f c f s n 注释表 u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e u n m a n n e da i r c r a f ts y s t e m i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ，r e c o n n a i s s a n c e g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m g l o b a li n f o r m a t i o ng r i d w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s m o b i l ea d - h o cn e t w o r k s e x e c u t i o ne n v i r o n m e n t a c t i v ea p p l i c a t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e t h ei n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e d i s t r i b u t e dh a s ht i 出l e s c o n t e n t - d e l i v e r y - c a c h i n gn e t w o r k s p e e r - t o - p e e r r e s i l i e n to v e r l a yn e t w o r k s a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t d i s t a n c e v e c t o rm u l t i c a s tr o u t i n gp r o t o c o l c o r e b a s e dt r e e b r o d e rg a t e w a yp r o t o c o l d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d m e s s a g ea u t h e n t i c a t i o nc o d e m e s s a g ed i g e s t d e n i a lo fs e r v i c e f i r s tc o m ef i r s ts e r v e 无人机 无人飞机器系统 情报、监视与侦察 全球定位系统 全球信息网格 无线局域网络 移动自组织网络 可执行环境 主动应用 服务质量 互联网工程任务组 分布式散列表 内容传送缓存网络 对等网络 弹性覆盖网 应用层多播 距离向量多播选路协议 基于核心的树 边界网关协议 对称加密算法 报文鉴别码 报文摘要 拒绝服务 先到先服务 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 无人机概述 第一章绪论 无人机( u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e 。u a v ) ，也称无人飞机器系统( u n m a n n e da i r c r a f ts y s t e m ， u a s ) ，指的是不需驾驶员在机内驾驶的飞机。无人飞行器系统借由遥控或自动驾驶技术，实施 科学观测、战场侦查及对地攻击等任务。与传统有人飞机相比，无人机具有体积小、重量轻、 机动性好、飞行时间长、成本低、便于隐蔽、无需机场跑道、可多次回收重复使用等优点【1 1 。 无人机诞生于2 0 世纪5 0 年代，进入2 1 世纪以来，无人机技术取得了巨大的发展。在近几 年一些局部战争，如伊拉克战争、阿富汗反恐战争中，无人机被大量使用，并发挥了显著的效 用，已成为世界各军事大国武器装备发展的重点。 2 0 0 8 年6 月7 日，一架美军无人机在阿富汗用一枚“宝石路”激光制导炸弹击中了一辆行 进中的基地组织车辆，该无人机从发现目标到击毁目标总计用时不到6 分钟。这次成功的作战 行动被视为无人机主要功能从执行情报、监视与侦察( i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ，r e c o n n a i s s a n c e ， i s r ) 任务扩展到执行多种作战任务的标志性事件。 2 0 0 9 年1 0 月1 日，在我国国庆6 0 周年阅兵仪式中，我国无人机方队首次公开亮相，这标 志着无人机这一新型作战力量已经成为中国人民解放军作战力量的一部分，显示出我国在信息 控制系统、精确测量控制系统以及计算机信息处理等领域取得了长足的进步。 无人机做为一项尖端高科技研究邻域吸引着全球各国研究人员的注意力，面向无人机相关 问题的研究和对无人机技术的发展成为目前研究人员关注的焦点，所以开展面向无人机相关技 术的研究和发展，尤其是对未来无人机系统的设计和展望，具有十分重要的时代背景和实际意 义。 1 1 2 无人机的系统组成和特点 无入机主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等，这些内 部系统可以提供无线通信、g p s 及导航、任务调度、姿态控制、动力控制等功能。 其中飞控系统又称为飞行管理与控制系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机 的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作 用；数据链系统可以保证对遥控指令的准确传输，以及无人机接收、发送信息的实时性和可靠 性，以保证信息反馈的及时有效性和顺利、准确的完成任务。 无人机主要具有以下几个特点1 2 ： 面向新型无人机的高可用覆盖网模型的研究 1 、机体灵活性好，体积小、重量轻。由于无人机的设计不用考虑驾驶员的部分，机身可以 设计得很小，同时使用较轻的材料以减轻机身重量，提高生存能力和飞行速度。 2 、无人机具有极强的自主控制能力，可以在地面站的操作人员控制下进行遥控飞行，也可 根据预编程序进行自主控制飞行，同时能与指挥中心进行实时通信。 3 、自主控制能力强。无人机最大的特点就是机上无人驾驶，使其可以完成许多有人机无法 执行的特殊、危险且艰巨的任务。 1 1 3 无人机的发展趋势 现阶段无人机技术日趋成熟，性能不断完善，逐步向小型化、智能化、隐身方向发展，在 通信、气象、灾害监测等方面得到了广泛的应用，并在一定程度上反映了各国航空航天和智能 控制领域的实力和水平，世界主要大国如美国、英国、中国等都针对这一领域投入了相当大的 人力、物力和财力。以美国为例，美国国防部近年来对无人机的研制和使用的投入一直在持续 增加。2 0 0 0 年，美国国防部只有不到5 0 架无人机，但到2 0 0 8 年5 月，其总数已经超过6 0 0 0 架。美国国防部在2 0 0 9 至2 0 1 3 财年还计划投资1 7 0 亿美元用于“无人机系统”的研究和发展。 无人机的发展趋势主要有以下几个方面【2 l ： l 、智能化成为发展的必由之路。为减少人为控制指挥与伤亡，无人机的智能化发展是一个 必然的趋势。其将根据预编程序实时判断当前状态，并选择最佳模式进行控制飞行：可主动搜 索寻找攻击目标，并在危机时刻像“人”一样进行“思考”、“判断”，做出决策。 2 、更远距离、超大容量、数字化的传输体系。随着无人机的广泛应用，各国对于全球性、 全天候的执行任务有了更高要求。这就要求无人机在远距离、大容量、精确传输上有进一步的 突破。光纤通信、微波通信、卫星中继将在无人机上得到广泛应用，作战指挥、信息分析、效 能评估等任务将实现网络化，不同类别的侦测信息将应用到各个部门，实现信息共享。 。 3 、分布式和可扩展性越来越强。美国空军在其2 0 0 9 - - 2 0 4 7 年的无人飞机系统发展计划中， 指出该计划的远景是美国空军能够驾驿越来越自动化、模块化、全球连通和可持续进行多任务 的无人机系统。该计划的思想是构建一个通用的飞机架构，适用于无人机家族多个系列机型， 彼此可以共同使用，能够即插即用模块化装备，可以提供标准接口，以专门满足美国空军的关 键功能需求。该计划包括建立标准u a s 数据接口，提供面向服务的开放系统架构，并在此架构 上开发新的指挥和控制系统。该系统将是分布式的，可扩展规模和安全的，可以提供满意的服 务，可联合、协同地进行战术信息交换。它包括但不局限于人机接口、软件应用和接口、网络 传输、信息服务和硬件，以及组成一个完整系统的一系列接口。它做为一个独立的小战斗子网， 可互相连接，并接入全球信息网格g i g ( g l o b a li n f o r m a t i o ng r i d ) ，使得无人机在传递信息的同 时，也可以共享全球范围内的实时信息。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 4 新型无人机概述 无人飞行器系统中飞行控制与管理系统是无人机的关键系统之一，是无人机完成起飞( 发 射) 、空中飞行、执行任务、返场着陆( 回收) 等整个飞行过程的核心系统，对无人机实现全权 限控制与管理，因此对无人机的功能和性能起到关键、决定性的作用。没有飞行控制系统，现 代无人机就不可能完成各种任务。传统的飞行控制系统采用集中式的控制系统，因此具有结构 简单，便于管理控制简单的优点，但同时其缺点也很明显：可靠性较低，对突发状况的反应 速度也较慢，容易错过修复的最佳时机；资源共享能力也较差。 未来的无人机发展方向要求无人飞行器更加智能，自动处理空中突发状况，自我修复，实 现自主飞行；多无人机之间资源、信息共享，实现多机协同执行任务。 智能无人机与传统的无人机最大的区别是分布在无人机各个部分的智能结构以协同方式工 作，取代传统的以飞行控制模块为中心的集中化工作方式，其飞行过程是一种由各个系统模块 间相互协同的飞行过程。智能无人机的组成结构如下图1 1 所示： 图1 1 智能无人飞行器的基本结构 智能无人机的控制系统是一个层次结构系统，由协同飞行核心与分布在各个子单元的智能 结构组成，协同飞行核心与各个子模块的智能结构之间均通过高速光纤互联，同时相关智能结 构之间也通过光纤互联，以保证通信链路的冗余和可靠。这些智能结构与原有的无人飞行器的 模块功能相同，但每个智能结构均由较强计算能力的实时嵌入式智能系统组成。在无人飞行器 执行任务过程中，各个智能结构分别独立完成自身模块的固有功能，如动力控制、姿态控制、 3 面向新型无人机的高可用覆盖网模型的研究 g p s 及导航以及航迹规划等等。各智能单元通过高速光纤进行通信，实时与协同飞行核心反馈 信息并接收其下达的指令；协同飞行核心单元主要是对各个子单元的要素进行协同，根据内置 固有策略对飞行过程中突发的各种问题如航迹偏离等进行处理等；通过内置的无线模块与友机 共享资源、数据，协同完成下达的任务等。 从飞行控制的层面看，协同飞行系统与集中飞行控制系统相比，控制粒度更细，精度更高， 响应更快。以无人飞行器在空中转弯为例，飞行控制系统根据飞控方程得出各个姿态参量，并 将其发送到各个相关的舵机，舵机在动力系统驱动下，完成规定转向动作。随着机体的体积越 来越大，机体的惯性会越来越大，控制率也难以上升。而采用协同飞行方式，则重点关注协同 度。协同飞行核心首先将在整个转向过程中的各个模块的参量进行分解( 如按照三维坐标分解) ， 然后传送到各个子模块，由于每个子模块处理的量与飞行控制系统相比要少得多，且每个子模 块都是一个智能单元，因此与飞行控制系统相比能够获得更加细粒度、更加快速的控制。同理， 当无人飞行器检测到航迹偏离时，航迹的修复过程也类似：当检测到发生航迹偏移时，协同飞 行核心根据自身的反馈，将各个修正后的参量发送到各个子智能结构；各个智能结构具有自反 馈，根据从协同飞行核心传输的参量与自反馈所得参量进行修正。对比飞行控制系统与协同飞 行系统，我们可以用一个多能的乐手和一个交响乐团做一个形象的比喻：飞行控制系统类似于 一个乐手要同时吹号和弹钢琴演奏一首乐曲；而一个乐团的指挥( 类似与协同飞行核心) 不需 要亲自演奏，只需要协同各个乐手如小提琴手，钢琴手等等来完成一个乐曲的演奏。 本文研究所面向的新型无人机对象就是设想的一种分布嵌入式智能结构的智能无人飞行 器。 基于分布嵌入式智能结构的无人飞行器各个模块协同工作，资源共享，具有网络自编织的 特点，维护便利，可靠性高。下表给出了传统无人机和新型无人机相关方面的比较。 4 表1 1 智能无人机与传统无人机的比较 对比方面传统无人机新型无人机 飞控系统 集中式分布式 系统处理能力弱嵌入式智能结构 可靠性弱强 结构简单较复杂 管理方式单点集中 协同共享 响应速度慢快 互联网络串口高速光纤 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 5 新型无人机相关研究现状 目前针对新型无人机系统进行研究主要是从两个层面进行考虑。 1 ) 无人机机群层面 主要从无人机机群之间的组网及协同机制角度出发，在此基础上构建相应的控制及管理模 型。例如提出无人机系统构成是以无人机为中心的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k s ， w l a n ) ，无人机系统中无人机机群构成的局域网由于可能负责不同任务，各节点可能是异质的， 并提出采用主动网络思想分层分布式组网，以选择适当的路由来获得较好的网络特性，包括取 得较高的吞吐量，较小的时间延迟和较高的网络可靠性 4 1 。另一个观点是，常规的网络技术难 以满足无人机组网的需求，因此选择移动自组织网络( m o b i l ea d h o en e t w o r k s ，m a n e t ) ，以 满足无人机组网的需要。在现有无人机的通信基础上，对通信设备进行相应改造，添加相应的 移动通信协议，以利用移动自组网技术来对飞行器组网1 5 】。以上观点均是把从无人机机群角度 进行分析，将其看成是一个无线网络系统进行研究。 2 ) 无人机内部系统层面 主要指无人机内部系统单元之间工作机制的研究。文献【3 】在无人机内部系统层面提出了相 应的无人机安全监控与健康管理思路。文献1 5 】分析了无人机系统中各个子系统工作原理，建立 了飞行控制系统的数学模型。但现阶段，还没有具体的研究方法讨论这个层面的控制与系统组 织方式。按照传统无人机的工作方式，无人机内部系统，尤其是飞控系统仍然使用传统的电子 电路方式进行集中化的组织和控制【7 】，而新型无人机内部单元结构以及单元间的物理通道均有 了质的改变，所以对新型无人机内部单元组织与控制机制的研究就具有十分显著的意义。与此 同时，也对无人机之间的协同工作有着举足轻重的影响。 本论文内容就是从新型无人机内部系统的层面，即各分布嵌入式智能模块间如何协同工作 出发，讨论如何构建一个保证新型u a v 高性能的控制模型。 1 2 研究内容 未来无人机的架构应是面向服务的，新型无人机的发展对通信基础设施的稳定性提出了新 的要求，对内部系统问协同工作的可靠性、实时性、安全性要求更高。 本文研究的目的是通过构建一个高可用覆盖网( o v e r l a yn e t w o r k s ) 的方式来做为新型无人 机内部各系统单元间的通信与控制模型，保证新型无人机内部系统间的可靠性、实时性和安全 性，以适应新型无人机未来发展需求。 本文主要研究工作为： l 、分析新型无人机的特点，以及新型无人机内部系统工作机制所需注意的关键因素，并阐 述使用覆盖网技术建立新型无人机内部系统控制模型的必要性和合理性，明确该覆盖网的工作 5 面向新型无人机的高可用覆盖网模型的研究 目标。 2 、讨论面向新型无人机的高可用覆盖网的拓扑结构。使用排队理论( q u e u e i n g n e t w o r k s ) 来对覆盖网模型进行理论分析和相关性能指标的评价。 3 、部署面向新型无人机覆盖网模型的相关系统机制。主要通过路由定位机制、自组织和自 适应机制方面出发，讨论新型无人机各内部系统单元的协同策略、容错机制等。 1 3 论文结构及章节安排 本文共分五章，论文结构及章节安排如下： 第一章，绪论。本章主要介绍无人机的一些相关背景知识、研究现状，同时指出本文的主 要工作与内容安排。 第二章，新型无人机内部系统的工作机制分析。本章描述了无人机系统的组成、特点以及 新型无人机内部系统工作机制需考虑的问题。 第三章，覆盖网络相关技术概述。本章主要针对新型无人机内部系统工作机制的关键点， 详细说明了覆盖网的评价指标、拓扑结构分类及比较、路由机制、自适应、安全性问题及对策。 第四章，面向新型无人机的覆盖网模型构建。使用二层排队网络对覆盖网模型进行了理论 分析，并评价新型无人机的覆盖网络模型的拓扑结构，通过对关键性能的比较和分析，完成面 向新型无人机内部系统的覆盖网拓扑结构的选择，并在此基础上，讨论了新型无人机覆盖网的 路由机制、自组织和自适应问题。 第五章，总结与展望。对本文工作进行总结，提出存在的不足和需要改进的内容，并指出 下一步工作的方向。 最后，本文在附录部分列举了本人攻读硕士学位期间撰写论文、参加科研的情况。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章新型无人机内部系统的工作机制分析 2 1 新型无人机系统的特点 根据目前国内外对无人机研究的状况，结合无人机的系统结构，以及新型无人机对更高性 能的要求，对新型无人机系统特点总结如下内容： l 、新型无人机系统在网络中的不同终端可以具有不同的功能，可以完成更多任务的需要， 同时达到信息共享、协同工作的目的。在新型无人机系统中，内部各系统单元具备分布式协作 功能，可以更快、更有效的完成任务。 ，2 、新型无人机系统具有较强的抗毁能力。在战场上，无人机可能面临各种威胁中，最主要 的威胁来自于无人机通信系统所遭到的攻击。传统无人机在工作时，由于其工作形式是集中式 管理结构，很可能由于单点故障( s i n g l ep o i n to f f a l i u r e ) 直接导致整个系统出现故障。另外无 人机系统易受大风、降雨等恶劣气象条件的影响，其内部系统也可能会受干扰而出现异常或失 效，曾经一架美军“捕食者无人机因失去联络数小时，最终因燃料耗尽而坠毁。那么新型无 人机系统一样将面临非常复杂的情况，这就要求当内部网络中的节点或通信链路发生故障时， 要能够保持通信。 3 、新型无人机系统具有更广的适用范围。新型无入机系统的巡航范围和能力较之以前有较 大提升，信息的共享范围越来越广、信息传递的有效性和及时性要求越来越强，新型通信介质 如光纤等将取代传统低速的通信电缆成为无人机内部系统互联通道。 4 、新型无人机系统内部单元也将进行升级与发展。无人机系统各计算单元或模块将越来越 多的采用低功率、轻重量和高性能计算机，这些单元将是大容量、紧凑储存装置以及传感器开 拓算法的集中体现，这样内部各处理单元之间异构性差别将越来越小。美国洛克希德马丁公司 在2 0 0 5 年就开始开发传感器技术，使它们具有更小的体积、更高的灵活性和更强的性能，以满 足对无人机智能、监视和侦察系统的不断需求，为作战人员提供特有的实时战术数据。 2 2 新型无人机系统工作需考虑的问题 新型无人机系统的特点使得未来的无人机系统将是一个多通道的网络综合系统，是具有自 组织能力的临时性自治系统1 4 1 。要保证建立的新型无人机可以满足实际使用的要求，就必须从 多个方面考虑，包括信道容量大小、通信安全、完整性、系统一体化性能、网络和数据结构、 系统工作效率等方面的问题。主要考虑以下几个问题： l 、为实现全天候和避免单一故障导致系统失效，新型无人机系统的信息传送可以是多路的， 并且具有自动选择最优路径的能力。当无人机网络受到攻击使某些节点出现故障或是某些链路 发生阻塞而失去功能，新型无人机系统可以自动地选择一条可靠的路径保障信息的传输，以此 7 面向新型无人机的高可用覆盖网模型的研究 提高网络的可靠性和抗毁能力。 2 、新型无人机内部系统之间的协作问题。新型无人机内部系统进行协同工作，可能使得无 人机在完成同样的任务时获得比传统工作方式更好的效果。这样无人机在目标地区一次进行数 小时飞行和搜集数据时，它执行任务的这种多观察、多传感器性质就能够被充分拓展。无人机 系统内各单元可担负着不同的角色，有不同的分工和能力，可以适应多重任务的需求。 3 、新型无人机应具有更及时有效的信息传输能力。无人机单机工作时，对自身获得的信 号要直接发送给地面基站，当工作距离较大无法直接通信时，必须通过信号中继站来完成。当 信号中继站出现信道阻塞或故障时，所获取的信息将无法及时地发送给地面基站，因此就无法 保证信息的及时性和有效性。 4 、新型无人机系统的安全性问题。传统的无人机由于历史原因，在系统构建时往往忽视了 安全性的考虑，留下了安全隐患。例如“掠夺者”无人侦察机是美国空军最先进的无人机之一， 然而据美英媒体2 0 0 9 年1 2 月报道称，伊拉克和阿富汗的武装份子仅依靠2 6 美元的电脑软件就 潜入了该无人机的视频系统，获取了美军的重要军事情报，设想如果武装份子控制无人机来攻 击美军的海外基地则是多么可怕的一件事。该事件表面，现有无人机的通信系统仍然比较脆弱， 易于受到外界的攻击。虽然美军已经意识到无人机安全问题的严重性，并着手对无人机通信系 统安全漏洞进行修补，但这绝非容易的事情。首先该无人机通信网络使用超过1 0 年，加密不只 是增添设备那么简单，此前老的设备可能无法适应现有的加密系统，许多部件需要升级或替换； 另外对硬件的改造必然造成无人机价格的上升。除此之外，有人担心对无人机通信系统的安全 加密可能导致无人机反应速度的下降，甚至担心安全性的提高会使得难以迅速分享时