用于多無人機環(huán)境下建立安全通信鏈路的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，涉及動態(tài)組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，特別是指在無人機系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不固定，節(jié)點間采用無線鏈路的網(wǎng)絡(luò)體系，可用于航空飛行設(shè)備之間安全通信鏈路的建立。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，其在電子對抗、通信中繼等應(yīng)用領(lǐng)域需求廣泛。目前，無人機執(zhí)行任務(wù)仍然單機工作為主。世界各國，無人機執(zhí)行任務(wù)，一般采用后方地面控制站直接對單架或者多架無人機遙控的方式，是一種以后方控制中心為中心的星形控制拓撲結(jié)構(gòu);然而，隨著時代變迀，無人機所承擔(dān)的任務(wù)越來越復(fù)雜，單架無人機已經(jīng)無法獨自完成搜索偵察、情報、監(jiān)視等任務(wù)，多無人機協(xié)同工作效果將大大提升，但是引入多無人機協(xié)同工作，勢必帶來了通信問題，這一直限制無人機協(xié)同工作投入使用的難點，也是現(xiàn)在無人機研究的熱點。
[0003]無人機網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通常會處于移動狀態(tài)，并且隨機地離開或加入網(wǎng)絡(luò)，這就導(dǎo)致節(jié)點間相互干擾關(guān)系的改變，也就是節(jié)點使用信道是否沖突的關(guān)系改變。同時，網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)負載也在不斷變化，無人機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)適應(yīng)這些動態(tài)變化動態(tài)改變路由，以提高通信性能。迄今為止，無人機通信模式大都采用以后方指揮中心為核心的星形控制結(jié)構(gòu)，在這一模式下，后方指揮中心可能直接操控一架或多架無人機或者間接通過若干無人機作為中繼對多架無人機進行操控。前者雖然實現(xiàn)成本較低，但受距離限制較大，而后者抗毀性不強，若中繼機被毀則影響全局。這兩種方式均依賴與后方通信基地的聯(lián)系，并且無人機之間缺少直接通信、協(xié)同與合作的能力。如今，單機處理與應(yīng)變能力提高，以機群為基礎(chǔ)的工作單元內(nèi)單機間如果具有可替補性，從而使作戰(zhàn)單元的可靠性可以大大提高。如果機群內(nèi)與后方指揮中心的通信也具有多條途徑，使用以機群為基礎(chǔ)作為執(zhí)行任務(wù)的基本單元的工作模式將自然有利于任務(wù)的執(zhí)行。顯然，這一工作模式將使與后方指揮中心或中繼系統(tǒng)的信息交換能力可靠性增加，也因此提高了機群執(zhí)行任務(wù)的可靠性。
[0004]多無人機協(xié)同工作已經(jīng)成為無人機技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也成為拓展無人機應(yīng)用的重要一環(huán)，近年來該領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。
[0005]申請?zhí)枮?01110237061.6的“無人機集群的協(xié)作交互方法及無人機的可視導(dǎo)航系統(tǒng)”中提出了一種無人機集群的協(xié)作交互方法，集群中的無人機根據(jù)滿足條件構(gòu)成無人機協(xié)作組，然后確定組內(nèi)路由，再根據(jù)路由的鏈路狀態(tài)分配任務(wù)，無人機協(xié)作組中的多架無人機的運動狀態(tài)評估所述鏈路狀態(tài)，并根據(jù)評估結(jié)果更新所述無人機協(xié)作組的無人機及每架無人機的協(xié)作任務(wù)。該方法能根據(jù)無人機的運動狀態(tài)評估其鏈路狀態(tài)，并根據(jù)鏈路狀態(tài)確定機間路由，但是該方法僅限于無人機集群密集且連通性較好，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境安全的情況，且未考慮通信過程中存在的安全性問題，同時也未對節(jié)點受損、遭到捕獲等情況進行考慮。[000?] 在專利申請?zhí)枮?01510246514.X的一種多無人機環(huán)境下協(xié)同安全通信方法中提出了一種通過調(diào)整信號強度，即網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍從而保證通信范圍達到最小以達到安全通信的目的。此方法所述安全通信與通信過程中的數(shù)據(jù)加密無關(guān)，僅考慮了通過控制通信功率在連通性與覆蓋范圍之間取得一個較好的平衡，并未真正解決安全問題，亦不能保證無人機之間的連通。
[0007]由于無人機網(wǎng)絡(luò)通信的開放性，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點很容易遭受到各種類型的攻擊，因此需要建立合適的安全機制以保證無人機的通信安全。其固有的開放網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，航天設(shè)備天然具有暴露性，節(jié)點之間通信采用無線鏈路，導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)容易被攻擊者截獲、刪除甚至篡改，此外合法的節(jié)點容易受到非法節(jié)點的偽裝攻擊。無人機之間的數(shù)據(jù)鏈路擔(dān)負著各種數(shù)據(jù)的安全監(jiān)測與任務(wù)分發(fā)等重任，正是無人機網(wǎng)絡(luò)得以持續(xù)、安全運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在。為無人機之間的通信建立一個安全可靠的數(shù)據(jù)鏈路是非常必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于針對無人機通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)頻繁的發(fā)生變化，通信數(shù)據(jù)容易被第三方抓取、刪除甚至篡改的情況，提出一種用于多無人機環(huán)境下建立安全通信鏈路的方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，保證無人機之間的安全可靠通信。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下:
[0010](1)密鑰分配:
[0011]地面站通過上行鏈路為各個衛(wèi)星G之間分配各自的密鑰KGaGb(a，be [1，Ng])，Ng表示衛(wèi)星的數(shù)量，為每個衛(wèi)星和每個預(yù)警機P間分配各自的密鑰KGaPi(i e [ 1，Np])，NP表示預(yù)警機的數(shù)量，為無人機之間兩兩分配密鑰10^叫(1，7[[1，況])，況表示無人機的數(shù)量，同時為無人機U和預(yù)警機P之間亦分配各自的密鑰KPiUx，并發(fā)布公共密鑰Kc;
[0012]預(yù)警機搜索周圍的無人機并注冊構(gòu)成機群，并把機群信息交送給該區(qū)域的管理衛(wèi)星；
[0013](2)鏈路查找
[0014]假定在周期時間片[1\，1\+1]內(nèi)衛(wèi)星覆蓋下的各個機群相對位置保持不變，無人機在[Tt，Tt+1]時間間隔內(nèi)的第一次通信需要查找到目的節(jié)點的路徑，建立安全的通信鏈路；
[0015](3)路徑存儲
[0016]從周期時間片[Tt，Tt+1]起始，源無人機通過步驟(2)建立的安全通信鏈路到達目的節(jié)點，并將該通信鏈路存入到路由表中，如果在該周期[1\，1\+1]之內(nèi)沒有節(jié)點失效或鏈路擁塞的情況，則路由表保持不變，否則，對路由表進行更新，由源無人機節(jié)點重新執(zhí)行步驟⑵，建立起新的路由表，直至下個周期；
[0017](4)故障處理
[0018]當(dāng)通過(2)建立的鏈路出現(xiàn)節(jié)點損壞，或者由于擁塞導(dǎo)致鏈路狀態(tài)不可用的情況時，由管理衛(wèi)星向地面站發(fā)送故障報告，同時根據(jù)受損情況做出相應(yīng)處理:
[0019]對于無人機節(jié)點的受損的情況，管理衛(wèi)星直接在受損節(jié)點近鄰尋找替代節(jié)點，將其加入機群繼續(xù)工作；
[0020]對于預(yù)警機節(jié)點受損的情況，管理衛(wèi)星向其下屬其他預(yù)警機節(jié)點發(fā)布消息，收回該受損節(jié)點與其它節(jié)點共享的密鑰，并對該預(yù)警機所管理機群內(nèi)的無人機節(jié)點下達指令，命令它們加入近鄰機群或者返航。
[0021]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0022]1.本發(fā)明在多無人機通信中引入預(yù)警機及衛(wèi)星等作為中繼的通信方式，使通信鏈路更加穩(wěn)定、可靠；
[0023]2.本發(fā)明在建立通信鏈路中使用的交互協(xié)議可以防止假的通信請求和應(yīng)答，阻止惡意飛行器節(jié)點對鏈路信息的非法篡改，且數(shù)據(jù)均通過系統(tǒng)初始化時由地面控制站分別分配的密鑰進行加密，保障了消息的安全；
[0024]3.本發(fā)明對設(shè)備故障或失靈采取了對應(yīng)的應(yīng)對方法，使得發(fā)生飛行器失效或鏈路擁塞等情況時會觸發(fā)鏈路更新的處理機制，繞開故障節(jié)點，重新發(fā)起鏈路查找，建立新的鏈路，提高了系統(tǒng)應(yīng)對緊急情況的能力，增強了系統(tǒng)的抗毀性等特殊需求；
[0025]4.本發(fā)明利用機群體系良好的解決了無人機協(xié)同工作中存在的通信問題，既避開了集中式體系對于網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點的通信及計算能力的要求，又解決了分布式結(jié)構(gòu)應(yīng)用時由于無人機核載較輕，單機計算能力有限的問題；
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明使用的場景結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖2是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；
[0028]圖3是本發(fā)明中鏈路查找的子流程圖。
【具體實施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述:
[0030]本發(fā)明使用的場景結(jié)構(gòu)圖如圖1