利用移动自组织网络实现无人机集群通信的方法

本发明的是无人机的通信领域，尤其涉及一种利用移动自组织网络实现无人机集群通信的方法。

背景技术：

1、随着无人机应用的快速发展，已经有无人机布置了两套通信系统，一套是和地面站的通信系统，一套是无人机之间的自组织通信系统。尤其是在复杂的应用场景中，如军事、救援、监测等。

2、目前在无人机领域，尽管存在两套通信系统，但通常还是以分别使用的方式来部署它们。这主要是因为综合利用这两套系统涉及到技术和管理方面的复杂性，需要解决一些挑战，包括：

3、通信链路选择：确定何时使用哪一套通信系统以满足不同的通信需求可能需要智能决策和管理。

4、安全性：综合利用两套系统可能引入安全风险，因为攻击者可以试图入侵其中一个系统以获得对另一个系统的访问。

5、尽管综合利用两套通信系统可能具有潜在的好处，但实施这一方案需要解决这些技术和管理方面的挑战。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是提出一种利用移动自组织网络实现无人机集群通信的方法，能够综合利用两套通信系统，对通信链路能够进行合理高效的选择，并能保证通信安全性。

2、本发明提供了利用移动自组织网络实现无人机集群通信的方法，应用于无人机集群系统，包括一个地面站和多个无人机，地面站和无人机之间以第一通信协议来建立第一通信；无人机与无人机之间以第二通信协议来建立第二通信；第一通信优先于第二通信，第二通信协议是自组织通信协议；方法具体包括：步骤1)在无人机出发执行任务之前，地面站生成量子随机数，给每一个无人机分配不同的量子随机数，并在地面站保存有无人机id与所分配的量子随机数的对应关系；步骤2)无人机出发以后，每个无人机以第一周期通过第一通信协议与地面站之间通过第一心跳消息保持连接，每个无人机设置有第一心跳消息是否正常的标志位p；步骤3)每个无人机以第二周期通过第二通信协议与所有邻接无人机之间通过第二心跳消息保持连接；第二心跳消息中包括以下内容：无人机的经度x，纬度y，经度方向上的运动趋势x’，纬度方向上的运动趋势y’，无人机id，标志位p；步骤4)当某个无人机需要与地面站进行业务通信时，称该无人机为业务无人机，查询该业务无人机的标志位p，如果标志位指示第一心跳消息正常，则执行步骤5；否则，执行步骤6；步骤5)将业务数据以业务无人机的量子随机数作为密钥加密后，通过第一通信协议与地面站建立第一通信链路后发送给地面站；步骤6)业务无人机查询与它保持心跳消息连接的邻接无人机的心跳消息中的标志位p，如果存在标志位p置位的无人机，则执行步骤7；否则执行步骤8；步骤7)将标志位p置位的无人机设置为候选转接无人机，根据预测邻接无人机与业务无人机的距离，获得预测距离最近的无人机为转接无人机，由转接无人机进行数据转接来完成业务无人机与地面站的通信；步骤8)通过广度优先算法获得业务无人机与标志位p置位的无人机的最短路径，将标志位p置位的无人机设置为转接无人机，该并将该最短路径发送给业务无人机；步骤9)业务无人机用自己的量子随机数对传输数据明文进行加密生成第一密文，直接或通过最短路径将第一密文和业务无人机的标识发送给转接无人机，转接无人机用自己的量子随机数对第一密文和业务无人机的id进行加密生成第二密文，转接无人机通过第一通信协议将第二密文传输给地面站；步骤10)地面站接收到第二密文后，通过与转接无人机对应的量子随机数进行解密获得第一密文和业务无人机的id，根据业务无人机的id获得对应的业务无人机的量子随机数，对第一密文进行解密后获得传输数据明文。

3、优选的，步骤1具体为：步骤1.1生成真正的量子随机数：量子随机数的生成通常利用量子力学性质，例如光子的量子态来实现；步骤1.2为每个无人机分配不同的量子随机数：生成一组不同的量子随机数，其中每个随机数都与一个特定的无人机相关联；步骤1.3建立无人机id与量子随机数的对应关系：在地面站的数据库或密钥管理系统中，建立一个表格或记录，将无人机的唯一id与其分配的量子随机数关联起来。

4、优选的，步骤2具体为：步骤2.1确定第一周期：定义每个周期的时间长度，以确定心跳消息的频率。每个无人机需要以第一周期来维护与地面站的连接；步骤2.2初始化标志位p：每个无人机在出发执行任务之前，初始化标志位p，将其设置为0，表示尚未与地面站建立连接；步骤2.3与地面站建立连接：每个无人机按照第一通信协议的规定与地面站建立连接；步骤2.4发送心跳消息：在每个第一周期内，无人机会周期性地发送第一心跳消息给地面站；步骤2.5地面站接收心跳消息：地面站接收来自每个无人机的第一心跳消息，并验证消息的完整性以及发送者的身份；步骤2.6应答心跳消息：地面站对接收到的心跳消息进行应答；步骤2.7无人机接收应答：每个无人机接收来自地面站的应答消息，如果无人机成功收到应答，表示与地面站之间的连接正常，标志位p被置位为1；步骤2.8连接维护：无人机在接收到应答后，认为与地面站之间存在连接，标志位p被置位。如果无人机在规定的时间内未收到应答或收到不完整/错误的应答，标志位p不被置位，表明连接异常或中断，重复上述过程，以确保每个无人机定期发送心跳消息并维护与地面站之间的连接状态。

5、优选的，步骤5具体为：步骤5.1选择加密算法：选择适合的加密算法。对于量子随机数作为密钥的加密，通常使用对称密钥加密算法，如aes(高级加密标准)；步骤5.2获取业务数据：准备要传输的业务数据，这可能是想要与地面站共享的任何信息或消息；步骤5.3加密业务数据：根据所选择的加密算法利用量子随机数作为密钥对业务数据进行加密形成密文数据；步骤5.4传输加密数据：将加密后的业务数据传输到地面站；步骤5.5地面站接收和解密数据：地面站接收来自业务无人机的加密数据，使用保存的关联表中与该无人机相关联的量子随机数生成相应的密钥。

6、优选的，步骤7中的具体计算方法为：假设有两个无人机a和b，它们的初始位置分别为(x_a,y_a)和(x_b,y_b)，速度分别为(x'_a,y'_a)和(x'_b,y'_b)，希望在时间t后预测它们的位置；

7、预测无人机a的位置：

8、无人机a在时间t后的经度位置x_a_t可以使用以下公式计算：x_a_t＝x_a+x'_a*t。

9、同样，无人机a在时间t后的纬度位置y_a_t可以使用以下公式计算：y_a_t＝y_a+y'_a*t；

10、预测无人机b的位置：

11、无人机b在时间t后的经度位置x_b_t可以使用以下公式计算：x_b_t＝x_b+x'_b*t。

12、同样，无人机b在时间t后的纬度位置y_b_t可以使用以下公式计算：y_b_t＝y_b+y'_b*t；

13、计算无人机a和无人机b的距离：

14、使用haversine公式计算无人机a和无人机b的大圆距离。这需要使用无人机a和无人机b的纬度(y_a_t和y_b_t)以及经度(x_a_t和x_b_t)的坐标；

15、haversine公式的一种表示方式如下：

16、a＝sin2(δφ/2)+cos(φ1)*cos(φ2)*sin2(δλ/2)；

17、c＝2*atan2(sqrt(a),sqrt(1-a))；

18、d＝r*c；

19、其中，d是大圆距离，δφ是两点纬度之差，δλ是两点经度之差，r是地球的半径；

20、将计算得到的距离d用适当的单位表示，以得到无人机a和无人机b之间的距离。

21、优选的，步骤9具体为：步骤9.1业务无人机生成第一密文：业务无人机使用自己的量子随机数作为密钥，对要传输的数据明文进行加密；步骤9.2传输第一密文和标识给转接无人机：业务无人机将生成的第一密文和自己的标识(id)一起发送给选定的转接无人机；步骤9.3转接无人机接收第一密文和标识：转接无人机接收来自业务无人机的第一密文和标识；步骤9.4转接无人机生成第二密文：转接无人机使用自己的量子随机数作为密钥，对第一密文和业务无人机id进行加密生成第二密文；步骤9.5传输第二密文给地面站：转接无人机通过第一通信协议将生成的第二密文传输给地面站。

22、优选的，步骤10具体为：步骤10.1地面站接收第二密文：地面站接收来自转接无人机的第二密文，这通常是通过第一通信协议进行传输的；步骤10.2与转接无人机对应的量子随机数的获取和解密：地面站使用与转接无人机对应的量子随机数(在步骤1中分配给每个无人机并与其id关联)作为相应的密钥；步骤10.3第二密文的解密：地面站使用生成的密钥对第二密文进行解密，将其还原为原始的第一密文和业务无人机的id；步骤10.4业务无人机的id提取：地面站从解密的数据中提取业务无人机的id；步骤10.5业务无人机的量子随机数的获取：地面站使用业务无人机的id查询保存在地面站中的关联表，以获取与业务无人机相关联的量子随机数；步骤10.6业务无人机的量子随机数用于解密：地面站使用业务无人机的量子随机数作为密钥，对第一密文进行解密。这将还原传输数据明文；步骤10.7数据处理：地面站可以对解密后的数据进行处理，执行相应的操作，或将数据传递给相关的部门或应用程序，以满足通信需求。

23、本发明的发明点：

24、量子随机数的使用：这个发明强调了使用量子随机数来加密通信数据，以提高通信的安全性。量子随机数通常具有较高的随机性和安全性，使得数据更难以破解。

25、两种通信协议：该发明涉及两种不同的通信协议，第一通信协议用于与地面站建立连接和传输业务数据，第二通信协议用于无人机之间的自组织通信。这种双重通信协议的结合可以提供更多的通信选项。

26、预测位置的接近度：如果业务无人机的邻接无人机中有标志位置置位的无人机，首先应该考虑预测位置的接近度。这可以通过比较邻接无人机的经度、纬度和运动趋势信息来确定。具体来说，可以计算每个标志位置置位的无人机与业务无人机的当前位置之间的距离或预测位置之间的距离。选择离业务无人机更近的标志位置置位的无人机，因为这将减少数据传输的时延和能量消耗。

27、跳数的数量：在多跳传输的情况下，跳数表示了数据在从业务无人机到标志位置置位的无人机之间经过多少个中间节点。通常情况下，选择跳数较少的路径将减少数据传输的复杂性和时延，因为数据不需要经过太多的中间节点。

28、本发明的技术效果和优点：

29、安全性增强：使用量子随机数作为密钥来加密通信数据，提高了通信的安全性，减少了未经授权的访问和数据泄露的风险。

30、通信链路的选择：业务无人机可以通过综合考虑位置接近度和跳数的数量来选择最佳的数据转接无人机，从而优化了数据传输性能。