无人机集群网络故障注入方法及系统

本发明涉及无人机通信，尤其涉及一种无人机集群网络故障注入方法及系统。

背景技术：

1、无人机集群具有低成本、大规模、高自主等特点，在军事和民用领域都有广泛应用，但是真实的无人机集群实验不仅成本高昂而且实施困难的。为降低无人机集群实验的成本和难度，采用仿真的方法研究无人机集群是可行的，但是依靠软件仿真，可信度不高，无法很好体现无人机的物理特性，比如电机子系统、飞控子系统等。为降低无人机集群研究成本和提高可信度，通过在仿真中引入物理硬件的方式，实现无人机集群的半实物仿真是非常有必要的。

2、无人机集群网络是无人机集群中无人机通信的桥梁，是集群生命的关键。由于无人机集群的自组网特性，每个无人机不仅是网络中的主机，也要充当路由器的角色，两台不相邻的无人机需要通过中间的无人机转发；并且由于无人机的高机动性，网络拓扑动态变化，无人机集群网络具有典型的高速ad-hoc 网络的特点。目前，对无人机集群组网的研究多集中于组网协议的设计，对其中的网络故障、网络健康的关注较少。由于无人机集群组网实现难度大，且当无人机集群中的无人机发生故障后，大概率会导致无人坠毁，导致无人机集群网络故障数据难以收集，以至于对无人机集群组网的故障和健康研究，缺乏无人机集群网络故障数据；此外，由于无人机集群组网的实现成本高，要对基于集群组网的上层应用程序进行验证，一般需要搭建真实的无人机集群，其中的成本对普通研究者来说太大，因此想要研究无人机集群网络通信中的上层应用也变得困难。

技术实现思路

1、本发明提供了一种无人机集群网络故障注入方法及系统，以解决无人机集群网络故障实验成本高且故障数据难以收集的问题。

2、第一方面，提供了一种无人机集群网络故障注入方法，包括：

3、基于无人机集群半实物仿真平台和网络仿真平台构建无人机集群网络故障注入平台；

4、基于故障类型和故障等级生成单网络故障用例集；

5、基于单网络故障用例集生成多网络故障同时注入用例和多网络故障分时注入用例；

6、选择单网络故障用例或多网络故障同时注入用例或多网络故障分时注入用例注入到无人机集群网络故障注入平台，进行无人机集群网络故障模拟；

7、对无人机集群网络故障注入平台故障数据进行监测。

8、根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述无人机集群网络故障注入平台通过如下方法构建：

9、构建包括多个无人机半实物仿真节点、三维环境仿真平台、地面控制站和数据汇总转发模块的无人机集群半实物仿真平台；所述无人机半实物仿真节点包括依次连接的无人机模拟平台、自驾仪和机载计算机构成；

10、在网络仿真平台中建立与多个无人机半实物仿真节点一一映射的网络节点，并完成网络节点间的网络配置，构建集群仿真网络，并构建数据同步模块、网络故障用例注入模块、故障数据收集模块；数据同步模块用于实现无人机集群半实物仿真平台与集群仿真网络的数据同步，网络故障用例注入模块用于实现网络故障用例注入，故障数据收集模块用于对集群仿真网络进行全局状态信息监测；

11、将无人机集群半实物仿真平台与网络仿真平台进行连接，得到无人机集群网络故障注入平台。

12、根据第一方面，在一种可能的实现方式中，还包括基于虚拟数据收发方法进行无人机上层应用程序验证，具体包括：

13、网络仿真平台截获运行在机载计算机中的应用层发送的数据；

14、将截获的数据在集群仿真网络中完成数据转发；

15、最终接收数据的网络节点将接收的数据同步给对应的机载计算机。

16、根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述基于故障类型和故障等级生成单网络故障用例集，包括：

17、故障类型包括硬件故障、链路层故障、网络层故障、传输层故障、应用层故障；

18、对各类故障类型的故障按故障程度进行故障等级划分；

19、生成包括各类故障类型及其对应的各故障等级的单网络故障用例集。

20、根据第一方面，在一种可能的实现方式中，所述基于单网络故障用例集生成多网络故障同时注入用例和多网络故障分时注入用例，包括：

21、基于正交表的方式对多个单网络故障用例进行组合，生成多网络故障同时注入用例；

22、基于正交表的方式对多个单网络故障用例及其注入时间进行组合，生成多网络故障分时注入用例。

23、根据第一方面，在一种可能的实现方式中，生成多网络故障同时注入用例时，正交表记为；其中，l表示正交表；n为正交表的行数，即多网络故障同时注入用例的个数；k为表的列数，即需要注入的单网络故障用例个数；m为每种故障类型包含的故障等级数；

24、生成多网络故障分时注入用例时，正交表中的每一列包含单网络故障用例及其注入时间。

25、根据第一方面，在一种可能的实现方式中，还包括：

26、当无人机集群网络故障注入平台接收到用户临时选择的网络故障用例时，优先执行该网络故障用例，并覆盖预先定时的网络故障用例。

27、第二方面，提供了一种无人机集群网络故障注入系统，包括无人机集群模拟子系统及集群网络故障注入子系统；

28、所述无人机集群模拟子系统用于实现无人机集群的半实物仿真；

29、所述集群网络故障注入子系统用于实现无人机集群的组网仿真，以及网络故障用例注入和故障数据监测；

30、所述无人机集群模拟子系统与所述集群网络故障注入子系统之间进行数据同步；

31、所述网络故障用例包括单网络故障用例、多网络故障同时注入用例、多网络故障分时注入用例，三类网络故障用例通过如下方法得到：基于故障类型和故障等级生成单网络故障用例集，基于单网络故障用例集生成多网络故障同时注入用例和多网络故障分时注入用例。

32、根据第二方面，在一种可能的实现方式中，所述无人机集群模拟子系统包括多个无人机半实物仿真节点构成的无人机集群，以及三维环境仿真模块、地面控制站模块和数据汇总转发模块；

33、所述无人机半实物仿真节点包括依次连接的无人机模拟平台、自驾仪和机载计算机，用于实现无人机半实物仿真；所述三维环境仿真模块用于提供无人机集群环境配置，并对无人机集群进行动态展示；所述地面控制站模块用于模拟真实地面控制站；所述数据汇总转发模块用于将无人机集群的状态数据转发到集群网络故障注入子系统；

34、所述集群网络故障注入子系统包括数据同步模块、集群网络配置模块、网络故障用例生成及注入模块、集群网络模拟模块和故障数据收集模块；

35、所述数据同步模块用于接收所述数据汇总转发模块发送的无人机集群的状态数据同步到集群网络配置模块；所述集群网络配置模块用于根据无人机集群的状态数据，配置网络节点的位置、速度，根据无人机集群组网的物理网络配置，生成集群仿真网络的配置参数和网络设备；所述网络故障用例生成及注入模块用于选择单网络故障用例或多网络故障同时注入用例或多网络故障分时注入用例及注入时间；所述集群网络模拟模块实现集群仿真网络的全状态模拟；所述故障数据收集模块用于对集群仿真网络进行全局状态信息监测。

36、根据第二方面，在一种可能的实现方式中，所述数据同步模块还用于截获运行在机载计算机中的应用层发送的数据，并将截获的数据发送至集群网络模拟模块完成数据转发，最终接收数据的网络节点将接收的数据通过数据同步模块同步给对应的机载计算机。

37、根据第二方面，在一种可能的实现方式中，所述网络故障用例生成及注入模块还用于实现用户临时选择的网络故障用例注入，且优先执行该网络故障用例，并覆盖预先定时的网络故障用例。

38、本发明提出了一种无人机集群网络故障注入方法及系统，具有如下有益效果：

39、1、成本低。在无人机集群组网中，需要多个无人机、需要无人机操控者进行控制、需要场地等，这些的花费都非常高。而本发明能够很好地通过模拟工具实现无人机集群的半实物仿真和网络故障注入，摆脱物理设备、无人机操控者和场地的限制，大大节约了成本。

40、2、数据易收集。由于无人机集群组网出故障的可能性较低，若出故障，会是毁灭性的，导致无人集群组网的故障数据难以收集，本发明通过网络故障注入实现故障模拟和故障数据收集能够很好的解决上述问题，实现故障按时按需注入，数据及时收集。

41、3、可信度高。本发明的组网仿真方式是半实物仿真，网络故障注入后收集的故障数据可信度高。

42、4、故障注入的全面性，本发明不仅考虑到了单个网络故障的注入，还考虑到多个网络故障同时注入共同作用对网络性能的影响，此外还通过多个网络故障分时注入将故障发生的时序性纳入考虑范围。