基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统

1.本发明涉及通信技术领域。


背景技术：

2.近年来近海和陆地的移动通信技术快速发展，其通信的带宽、数据传输速率、稳定性以及覆盖范围都有了显著提高，然而大多移动通信技术都是为陆基通信而设计的，因此这些高质量通信服务网络绝大部分都被设置在陆地尤其是城市环境中。就海上通信而言，其覆盖范围相对较小且依赖地面基站的特点极大地限制了它在远洋通信上的应用。
3.目前保障全球各类海洋活动最主要的通信方式是海上卫星通信技术，其中国际海事卫星系统和铱星系统应用最为广泛。但是相当一部分对用户的收发设备有较高的要求，存在高成本、高延迟和低通信速率的问题。最新的第五代海事卫星系统，最高支持100mbit/s的下行速率和5mbit/s的上行速率，其信道容量对于海上移动网络庞大的数据量而言依然过小。此外，已有的卫星通信系统不能实现对全海域全天时的信号覆盖。
4.岸基通信技术和海上卫星通信技术不能很好满足远洋地区通信需求，这意味着广袤的大海中人类仍旧没有绝对可靠的通信手段。鉴于绝大多数贸易均依赖于海上运输的现状以及当今维护海洋权益的迫切性，急需可靠且覆盖范围广的通信网络。


技术实现要素：

5.本发明是为了解决现有海上通信存在可靠性差、覆盖范围小的问题，现提供了一种基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统。
6.本发明所述的基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统，包括：多个无人机、海上通信单元、无人机任务监测单元、通信数据处理单元和指挥控制平台；
7.所述无人机包括自动控制系统，所述自动控制系统用于接收无人机飞行控制信号，自动控制飞行姿态和航向；
8.无人机用于承载海上通信单元，所述海上通信单元通过卫星或与其连接的海上通信单元中继与陆地移动网络建立通信连接，将信息传输至指挥控制平台，所述海上通信单元还用于为所覆盖的海域提供无线网络；
9.无人机任务监测单元，设置在无人机上，用于实时采集无人机的位置、姿态及飞行状态；将采集的信号实时传输至指挥控制平台；同时接收指挥控制平台发送的无人机飞行控制信号发送至无人机的自动控制系统；
10.指挥控制平台，根据接收无人机的位置、姿态及飞行状态对所有无人机飞行路线进行规划，对所有无人机的滞空地点及时间进行设置；利用海上通信单元在目标海域上搭载ais系统，获取用户海上坐标以及移动方向，分析通信需求及网络负载，动态调整无人机部署策略，向无人机任务监测单元发无人机飞行控制信号；
11.通信数据处理单元，用于对海上通信单元传输的数据与陆地移动网络的数据进行通信协议转换，同时根据信息传输类型、通信质量实时调整无人机通信设备的参数，使通信
链路保持稳定。
12.进一步地，本发明中，还包括陆地通信基站，所述陆地通信基站用于建立海上通信单元或卫星与指挥控制平台之间的通信连接。
13.进一步地，本发明中，所述海上通信单元包括收发天线、路由器、网络协议栈单元和移动网络覆盖单元；
14.收发天线用于发送或接收信号；
15.移动网络覆盖单元通过收发天线为海上用户提供移动网络；
16.路由器，用于与通信范围内的海上通信单元无线连接，根据实时传输的数据和网络状况动态选择和调整数据传输路径；
17.移动网络覆盖单元，还采用自适应节点连接机制，根据连接节点的动态变化，自动建立、断开或重新调节节点之间的连接，保持网络的连通性和覆盖；所述节点为海上通信单元、陆地基站或卫星；
18.网络协议栈单元对网络协议进行转换，使不同的网络信号能够与海上通信单元的移动网络进行互相传输并解析。
19.进一步地，本发明中，海上通信单元还包括卫星通信终端，所述卫星通信终端(65)在卫星作为中继时与卫星进行通信。
20.进一步地，本发明中，无人机上设置有太阳能续航模块，太阳能续航模块用于为无人机、高通量卫星接收模块、网络协议栈单元和移动网络覆盖单元供电。
21.进一步地，本发明中，无人机任务监测单元包括：陀螺仪、高度计和卫星定位模块；
22.所述陀螺仪用于监测无人机的飞行姿态，并将检测的飞行姿态通过海上通信单元传输至陆地监测单元；
23.高度计用于采集无人机的飞行高度，并将检测的飞行高度通过海上通信单元传输至陆地监测单元；
24.卫星定位模块用于对无人机进行定位，并将定位信息通过海上通信单元传输至指挥控制平台；
25.指挥控制平台判断无人机飞行距离、飞行高度超过设定警戒值，若是，则显示警示信息，向无人机的自动控制系统发送飞行姿态调整信号。
26.本发明所述系统与现有远海通信技术相比，本发明所能适应海洋通信分布稀疏、局部高密度的特点，提供了针对式的信息通信服务，可实现远海信息通信网络的快速布设。相较于岸基通信技术，通信覆盖范围广，布设快速机动；相较于传统卫星通信系统，设备简便，通信容量大，且可提供更长时间通信服务。
附图说明
27.图1是本发明所述系统示意图；
28.图2是无人机作为中继时海域通信示意图；
29.图3是无人机作为中继时海上通信单元的框图；
30.图4是卫星作为中继时海域通信示意图；
31.图5是卫星作为中继时海上通信单元的框图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
33.具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统，包括：多个无人机1、海上通信单元、无人机任务监测单元、通信数据处理单元5和指挥控制平台4；
34.所述无人机1包括自动控制系统，所述自动控制系统用于接收无人机飞行控制信号，自动控制飞行姿态和航向；
35.无人机1用于承载海上通信单元，所述海上通信单元通过卫星或与其连接的海上通信单元中继与陆地移动网络建立通信连接，将信息传输至指挥控制平台4，所述海上通信单元还用于为所覆盖的海域提供无线网络；
36.无人机任务监测单元，设置在无人机1上，用于实时采集无人机1的位置、姿态及飞行状态；将采集的信号实时传输至指挥控制平台4；同时接收指挥控制平台4发送的无人机飞行控制信号发送至无人机1的自动控制系统；
37.指挥控制平台4，根据接收无人机1的位置、姿态及飞行状态对所有无人机1飞行路线进行规划，对所有无人机1的滞空地点及时间进行设置；利用海上通信单元在目标海域上搭载ais系统，获取用户海上坐标以及移动方向，分析通信需求及网络负载，动态调整无人机1部署策略，向无人机任务监测单元发无人机飞行控制信号；
38.通信数据处理单元5，用于对海上通信单元传输的数据与陆地移动网络的数据进行通信协议转换，同时根据信息传输类型、通信质量实时调整无人机1通信设备的参数，使通信链路保持稳定。
39.进一步地，本实施方式中，还包括陆地通信基站，所述陆地通信基站用于建立海上通信单元或卫星与指挥控制平台4之间的通信连接。
40.进一步地，本实施方式中，所述海上通信单元包括收发天线61、路由器64、网络协议栈单元62和移动网络覆盖单元63；
41.收发天线61用于发送或接收信号；
42.移动网络覆盖单元63通过收发天线61为海上用户提供移动网络；
43.路由器64，用于与通信范围内的海上通信单元无线连接，根据实时传输的数据和网络状况动态选择和调整数据传输路径；
44.移动网络覆盖单元63，还采用自适应节点连接机制，根据连接节点的动态变化，自动建立、断开或重新调节节点之间的连接，保持网络的连通性和覆盖；所述节点为海上通信单元、陆地基站或卫星；
45.网络协议栈单元62对网络协议进行转换，使不同的网络信号能够与海上通信单元的移动网络进行互相传输并解析。
46.本实施方式中所述的移动网络覆盖单元采用数传电台实现。
47.进一步地，本实施方式中，海上通信单元还包括卫星通信终端65，所述卫星通信终
端65在卫星作为中继时与卫星进行通信。
48.进一步地，本实施方式中，无人机1上设置有太阳能续航模块，太阳能续航模块用于为无人机1、高通量卫星接收模块、网络协议栈单元62和移动网络覆盖单元63供电。
49.进一步地，本实施方式中，无人机任务监测单元包括：陀螺仪、高度计和卫星定位模块；
50.所述陀螺仪用于监测无人机1的飞行姿态，并将检测的飞行姿态通过海上通信单元传输至陆地监测单元；
51.高度计用于采集无人机1的飞行高度，并将检测的飞行高度通过海上通信单元传输至陆地监测单元；
52.卫星定位模块用于对无人机1进行定位，并将定位信息通过海上通信单元传输至指挥控制平台4；
53.指挥控制平台4判断无人机1飞行距离、飞行高度超过设定警戒值，若是，则显示警示信息，向无人机1的自动控制系统发送飞行姿态调整信号。
54.本实施方式通过无人机任务监测单元回传至指挥控制平台4，从而实现对无人机飞行姿态的规划。当无人机飞行距离、飞行高度超过设定警戒值，无人机监测软件发送警示信息并强制调整无人机飞行姿态。
55.本发明所述系统基于长续航无人机搭载通信设备飞行至特定海域，实现海上移动网络的广域延伸。通过无人机在固定海域内的滞空来提供持久的海上通信服务，快速建立覆盖目标海域的通信网络；无人机任务监测单元(采用软件实现)负责对无人机进行任务下达、链路判断之后进行位置修正等；通信数据处理单元(采用软件即可实现)负责传输通信协议转化、通信质量监测等。本发明可快速制造常态化免维护的移动通信网络，将移动通信网络延伸覆盖至目标海域，为海上目标提供长时间的可靠移动通信网络，也可以对特定区域进行通信增强/覆盖、与其他海上网络进行融合。
56.无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统组成如图1所示，指挥控制平台4接收到特定海域通信覆盖任务，通过任务监测单元获取向无人机下达飞行命令，指引其飞行至特定海域执行通信任务，无人机按照规划路线从基地起飞，根据任务检测软件航迹规划飞行至指定海域，通过机载通信设备搭建岸基通信基站与海上目标或海上目标与高通量卫星之间通信链路，完成指定任务。
57.为了满足处于不同海域海上目标通信需求，设计两种通信方案应对实际应用需求，包括：中距离海域目标通信需求以及远海目标通信需求两种场景。
58.为中距离海上用户提供移动网络服务，利用无人机中继实现移动网络的广域延伸；无人机执行中距离海域通信覆盖场景示意图如图2所示：采用“陆地基站+无人机中继延伸+终端移动网络”的网络覆盖方式，通过采用多架无人机作为通信中继，实现对距海岸线相对较近但仍不在岸基移动通信网络覆盖范围内的水域网络覆盖。
59.在基于无人机中继的移动通信网络延伸方案中，无人机所携带的通信设备是该系统的核心组成，如图3所示，其主要包括：集成收发天线61、路由器64、移动网络覆盖单元63、网络协议栈单元62等部分。移动网络覆盖单元63直接对海上用户提供移动网络，其性能决定了无人机所延伸的移动网络的覆盖范围，网络协议栈单元62将不同形式的网络融合进移动通信延伸网络之中。由于此方案基于多架无人机进行中继，路由器64为用户数据的传输
提供了线路选择。
60.为远海用户提供移动网络服务，利用卫星中继实现移动网络的广域延伸，无人机执行远距离海域通信覆盖场景示意图如图4所示：搭建陆地基站
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高通量卫星-无人机-海上目标之间的通信链路，利用高通量卫星与无人机共同作为中继实现信息回传，岸基向远海目标发送信息时：地面传输基站发送信息至高通量卫星，高通量卫星将信息转发给携带了卫星接收设备的无人机，由无人机实现对相关海域的网络覆盖；远海目标向岸基回传信息过程与此过程相反。
61.在基于高通量卫星中继的移动通信网络延伸方案中，无人机所携带的通信设备是延伸网络的核心，其组成如图5所示，包括：集成收发天线61、路由器64、移动网络覆盖单元63、网络协议栈单元62、卫星通信终端65等部分。卫星通信终端让无人机有能力接入高通量卫星通信网中，借助高通量卫星系统的大带宽数据服务来中转移动网络数据；网络协议栈单元62将移动通信网络与卫星通讯网络相沟通融合；移动网络覆盖单元63完成对目标海域的网络覆盖，最终实现对移动通信网络的对外延伸。
62.无人机执行完任务后按照任务规划航线返航，在预定地点降落。
63.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

技术特征：
1.基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统，其特征在于，包括：多个无人机(1)、海上通信单元、无人机任务监测单元、通信数据处理单元(5)和指挥控制平台(4)；所述无人机(1)包括自动控制系统，所述自动控制系统用于接收无人机飞行控制信号，自动控制飞行姿态和航向；无人机(1)用于承载海上通信单元，所述海上通信单元通过卫星或与其连接的海上通信单元中继与陆地移动网络建立通信连接，将信息传输至指挥控制平台(4)，所述海上通信单元还用于为所覆盖的海域提供无线网络；无人机任务监测单元，设置在无人机(1)上，用于实时采集无人机(1)的位置、姿态及飞行状态；将采集的信号实时传输至指挥控制平台(4)；同时接收指挥控制平台(4)发送的无人机飞行控制信号发送至无人机(1)的自动控制系统；指挥控制平台(4)，根据接收无人机(1)的位置、姿态及飞行状态对所有无人机(1)飞行路线进行规划，对所有无人机(1)的滞空地点及时间进行设置；利用海上通信单元在目标海域上搭载ais系统，获取用户海上坐标以及移动方向，分析通信需求及网络负载，动态调整无人机(1)部署策略，向无人机任务监测单元发无人机飞行控制信号；通信数据处理单元(5)，用于对海上通信单元传输的数据与陆地移动网络的数据进行通信协议转换，同时根据信息传输类型、通信质量实时调整无人机(1)通信设备的参数，使通信链路保持稳定。2.根据权利要求1所述的基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统，其特征在于，还包括陆地通信基站，所述陆地通信基站用于建立海上通信单元或卫星与指挥控制平台(4)之间的通信连接。3.根据权利要求1所述的基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统，其特征在于，所述海上通信单元包括收发天线(61)、路由器(64)、网络协议栈单元(62)和移动网络覆盖单元(63)；收发天线(61)用于发送或接收信号；移动网络覆盖单元(63)通过收发天线(61)为海上用户提供移动网络；路由器(64)，用于与通信范围内的海上通信单元无线连接，根据实时传输的数据和网络状况动态选择和调整数据传输路径；移动网络覆盖单元(63)，还采用自适应节点连接机制，根据连接节点的动态变化，自动建立、断开或重新调节节点之间的连接，保持网络的连通性和覆盖；所述节点为海上通信单元、陆地基站或卫星；网络协议栈单元(62)对网络协议进行转换，使不同的网络信号能够与海上通信单元的移动网络进行互相传输并解析。4.根据权利要求3所述的基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统，其特征在于，海上通信单元还包括卫星通信终端(65)，所述卫星通信终端(65)在卫星作为中继时与卫星进行通信。5.根据权利要求3、3或4所述的基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统，其特征在于，无人机(1)上设置有太阳能续航模块，太阳能续航模块用于为无人机(1)、高通量卫星接收模块、网络协议栈单元(62)和移动网络覆盖单元(63)供电。6.根据权利要求1所述的基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统，其特征在于，
无人机任务监测单元包括：陀螺仪、高度计和卫星定位模块；所述陀螺仪用于监测无人机(1)的飞行姿态，并将检测的飞行姿态通过海上通信单元传输至陆地监测单元；高度计用于采集无人机(1)的飞行高度，并将检测的飞行高度通过海上通信单元传输至陆地监测单元；卫星定位模块用于对无人机(1)进行定位，并将定位信息通过海上通信单元传输至指挥控制平台(4)；指挥控制平台(4)判断无人机(1)飞行距离、飞行高度超过设定警戒值，若是，则显示警示信息，向无人机(1)的自动控制系统发送飞行姿态调整信号。

技术总结
基于无人机通信的海上移动网络广域覆盖系统，涉及通信技术领域。本发明是为了解决现有海上通信存在可靠性差、覆盖范围小的问题。本发明所述的无人机用于承载海上通信单元，海上通信单元通过卫星或与其连接的海上通信单元中继与陆地移动网络建立通信连接，将信息传输至指挥控制平台，所述海上通信单元还用于为所覆盖的海域提供无线网络；无人机任务监测单元，用于实时采集无人机的位置、姿态及飞行状态；指挥控制平台根据接收无人机的位置、姿态及飞行状态对所有无人机飞行路线进行规划，对所有无人机的滞空地点及时间进行设置，获取用户海上坐标及移动方向，分析通信需求及网络负载，动态调整无人机部署策略。本发明适用于海上移动网络广域覆盖。上移动网络广域覆盖。上移动网络广域覆盖。


技术研发人员：商志刚 乔钢 孙思博 连晋生 门燕欢
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.08.25
技术公布日：2023/10/20