一种用于激光通信组网的无人机捕获跟踪系统及方法

本发明属于激光通信，更具体地，涉及一种用于激光通信组网的无人机捕获跟踪系统及方法。

背景技术：

1、空间激光通信是一种以光波为信息传输载体的通信技术，具有传输速度快、通信容量大、保密性强等优点。然而，由于激光光束散角小，传统的空间激光通信采用点对点的通信模式，限制了对非视距目标的访问和传输。克服这一瓶颈的一种途径就是利用激光通信组网，通过组网中的中继单元来实现对非视距目标的通信。近年来，无人机作战系统的研究逐渐从理论走向实战，由于无人机群具有数量多、运动稳定的特点，因此适合用作为激光通信组网中的中继单元。

2、目前基于无人机的组网技术常采用射频通信的方式进行信息交换，或者采用基于图像的识别获取组网中的目标信息，但是在射频干扰、拦截的情况下，射频通信链路被阻断、通信信息泄露，无法使用射频通信；在远距离、夜晚情况下，小目标无人机的图像识别困难，无法区分目标身份，以上问题都制约着对目标的捕获跟踪，限制了组网的适用性，因此全光通信的空间激光通信组网是解决上述问题的关键。此外，无人机激光通信组网不同于卫星激光通信组网，卫星轨迹可以预测，链路切换路由可以提前预知链路节点位置信息，而无人机激光通信组网还需要解决链路切换的问题。

3、此外，要实现高效的无人机激光通信组网，还面临着一系列技术挑战。首先，现有技术中的信息节点主动性不足是一个突出问题，信息节点的被动性导致其无法主动扫描和获取组网中其他节点的信息，这在动态变化的无人机激光通信组网中，难以维持有效的链路切换和目标跟踪；其次，现有的组网技术在设备和方法上存在局限，如抛物面反射镜此类应用于激光通信组网技术复杂器件，不适合于小载荷无人机之间的通信。这限制了其在无人机激光通信组网中的应用范围和灵活性；再者，关于激光通信目标的捕获与跟踪，现有技术过于着重于光束的发送和接收，而忽视了对移动目标的实时跟踪；此外，尽管利用紫外光mimo通信可以一定程度上解决非视距通信和保密性问题，但紫外光的固有散射特性限制了通信距离，这对于追求远距离通信的无人机激光通信组网来说是一个不可忽视的短板。

技术实现思路

1、本发明通过提供一种用于激光通信组网的无人机捕获跟踪系统及方法，解决现有技术中空间激光通信组网捕获跟踪目标受环境、距离限制的问题。

2、本发明提供一种用于激光通信组网的无人机捕获跟踪系统，包括：指向模块、信标光调制单元、姿态模块、信号处理模块和控制模块；

3、所述指向模块用于在自身无人机的所述控制模块的控制下发射信标光信号至激光通信组网中的作为全方位扫描目标的多个目标无人机，用于接收来自目标无人机的调制光信号并将所述调制光信号传输至自身无人机的所述信号处理模块，以及在自身无人机的所述控制模块的控制下，根据方位信息对激光通信组网中选定的需要建立通信链路的无人机所在的不确定区域进行扫描，以实现对无人机目标的捕获跟踪；

4、所述信标光调制单元用于对接收到的信标光信号进行调制得到所述调制光信号，并将所述调制光信号沿原光路反射；

5、所述姿态模块用于获取自身无人机的姿态信息，并将自身无人机的所述姿态信息传输至自身无人机的所述信号处理模块；

6、所述信号处理模块用于将目标无人机的所述调制光信号转换为电信号，获取目标无人机的身份信息和当前的坐标信息，并解析得到目标无人机的特性信息；用于根据目标无人机的所述身份信息、所述当前的坐标信息和所述特性信息得到目标无人机的目标跟踪信息，所述目标跟踪信息包含跟踪的坐标信息和与之匹配的身份信息；以及用于根据选定的需要建立通信链路的无人机的所述跟踪的坐标信息和自身无人机的所述姿态信息得到所述方位信息，并将所述方位信息传输至所述控制模块；

7、所述控制模块用于对自身无人机的所述指向模块进行控制。

8、优选的，所述指向模块包括激光器、光学天线、光纤耦合模块和伺服机构；

9、所述激光器用于产生激光光束，所述激光光束经所述光学天线后作为扫描激光发射；所述光学天线用于接收所述调制光信号，所述调制光信号耦合进所述光纤耦合模块，通过所述光纤耦合模块传输至所述信号处理模块；所述伺服机构用于改变激光光束的指向位置，实现对无人机的扫描和对准。

10、优选的，所述指向模块的数量为多个，多个所述指向模块用于分别对不同的区域范围进行扫描。

11、优选的，所述信标光调制单元包括调制器和回射镜结构；所述回射镜结构采用角反射镜、mems振镜或猫眼反射镜。

12、优选的，所述姿态模块包括姿态传感器；所述姿态信息包括横滚角、俯仰角、航向角中的多个或全部信息。

13、优选的，所述信号处理模块将目标无人机的所述身份信息、所述当前的坐标信息和所述特性信息作为改进的deep sort多目标跟踪算法的输入，将目标无人机的目标跟踪信息作为改进的deep sort多目标跟踪算法的输出；所述改进的deep sort多目标跟踪算法采用基于雅可比矩阵进行状态转移的扩展卡尔曼滤波代替原有算法的卡尔曼滤波；所述特性信息为频域特性和/或偏振特征，所述特性信息代替原有算法中预训练的深度cnn特征向量。

14、优选的，所述信号处理模块利用激光通信组网中所有无人机的目标跟踪信息构建并维持信息网络的拓扑结构。

15、优选的，所述信号处理模块首先根据自身无人机的姿态信息确定自身无人机对空间的朝向，确定自身无人机的指向模块中的伺服机构的坐标系；然后分别根据目标无人机的跟踪的坐标信息将目标无人机的坐标变换到自身无人机的坐标系下，通过向量运算或旋转矩阵得到目标无人机相对于自身无人机的伺服机构的方位角或方向向量，最终得到确定自身无人机中的伺服机构指向的方位信息。

16、优选的，所述控制模块还用于进行人机交互，所述控制模块与上位机进行数据传输，获取或查阅激光通信组网中无人机的信息。

17、另一方面，本发明还提供一种用于激光通信组网的无人机捕获跟踪方法，激光通信组网包含多个无人机，多个无人机中作为主无人机和从无人机的所有无人机均包含上述的用于激光通信组网的无人机捕获跟踪系统，所述用于激光通信组网的无人机捕获跟踪方法包括：

18、s1、主无人机利用自身的控制模块对自身的指向模块进行控制，使所述主无人机的指向模块发射信标光信号，对所述激光通信组网中的多个从无人机进行全方位扫描；

19、s2、多个从无人机利用各自的信标光调制单元，对来自所述主无人机的信标光信号进行调制后将得到的调制光信号沿原光路反射；所述主无人机接收来自多个从无人机的调制光信号并将所述调制光信号传输至自身的信号处理模块；

20、s3、所述主无人机利用自身的姿态模块获取所述主无人机的姿态信息，并将所述姿态信息传输至自身的信号处理模块；

21、s4、所述主无人机利用自身的信号处理模块，将多个从无人机的调制光信号转换为电信号，获取多个从无人机的身份信息和当前的坐标信息，并解析得到多个从无人机的特性信息；所述主无人机利用自身的信号处理模块，根据多个从无人机的身份信息、当前的坐标信息和特性信息得到多个从无人机的目标跟踪信息，所述目标跟踪信息包含跟踪的坐标信息和与之匹配的身份信息；

22、s5、所述主无人机利用自身的信号处理模块，根据选定的需要建立通信链路的从无人机的所述跟踪的坐标信息和所述主无人机的所述姿态信息得到方位信息，并将所述方位信息传输至自身的控制模块；所述主无人机利用自身的控制模块对自身的指向模块进行控制，使指向模块根据所述方位信息对激光通信组网中选定的需要建立通信链路的从无人机所在的不确定区域进行扫描，实现对无人机目标的捕获跟踪。

23、本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

24、本发明首先提供了一种激光通信组网的无人机捕获跟踪系统，包括指向模块、信标光调制单元、姿态模块、信号处理模块和控制模块，激光通信组网包含多个无人机，多个无人机中作为主无人机和从无人机的所有无人机均包含上述的用于激光通信组网的无人机捕获跟踪系统，进而本发明还提供了一种用于激光通信组网的无人机捕获跟踪方法。本发明利用从无人机中的信标光调制单元能够对接收到的信标光信号进行调制得到调制光信号，并将调制光信号沿原光路反射；本发明利用主无人机中的信号处理模块能够将从无人机的调制光信号转换为电信号，获取从无人机的身份信息和当前的坐标信息，并解析得到从无人机的特性信息，能够根据从无人机的身份信息、当前的坐标信息和特性信息得到从无人机的目标跟踪信息(包含跟踪的坐标信息和与之匹配的身份信息)，在此基础上，能够根据选定的需要建立通信链路的从无人机的跟踪的坐标信息和主无人机的姿态信息得到方位信息，并将方位信息传输至主无人机的控制模块；进而主无人机能够在控制模块的控制下对激光通信组网中选定的需要建立通信链路的从无人机所在的不确定区域进行扫描，实现对无人机目标的捕获跟踪。

25、本发明在主无人机捕获的全方位扫描阶段使用信标光信号对其他从无人机进行扫描时，被扫描到的从无人机利用信标光调制单元使得发起扫描的主无人机能够自主获取从无人机的身份信息与坐标信息，本发明以低速的、低带宽的信息传输模式产生无人机系统的信息网络的拓扑结构，在主无人机对任意某从无人机的指定不确定区域扫描并与之建立通信链路后，可以向其传输信息网络的拓扑结构，使得该从无人机在与其余的从无人机建立通信链路时不必通过主无人机进行信息转发，也能够得到全部无人机的信息网络的拓扑结构，本发明充分利用了空间激光通信传输速度快、通信容量大、保密性强等的优势，解决了现有技术中空间激光通信组网捕获跟踪目标受环境、距离限制的问题，能够在无法应用射频通信的射频干扰、截断等情况下，仍然能够完成多目标建链、组网，能够实现全光链路间任意节点之间的坐标信息、身份信息的获取，能够实现对目标的捕获跟踪。

26、本发明利用信标光调制单元能够使得主无人机自主获取组网中从无人机的身份信息与坐标信息，并且利用改进的deep sort目标跟踪算法对从无人机进行目标跟踪，得到包括跟踪的坐标信息和与之匹配的身份信息的目标跟踪信息，与基于图像的组网捕获跟踪系统相比，本发明能够更有效地对组网中的无人机进行身份信息的匹配，能够解决传统基于图像的信息获取方法易受环境噪声光的影响而无法准确识别目标身份的难题，本发明能够实现中短时间内的无人机目标跟踪信息的更新获取以及信息网络的拓扑结构的维持，以快速进行多无人机目标间链路的切换，为未来的全光通信激光通信无人机建链组网提供条件。

27、本发明中的信号处理模块采用改进的deep sort目标跟踪算法，由于本发明中的信标光调制单元能够使调制后的信标光束携带多种特性信息，改进的deep sort算法采用无人机系统的特性信息替代原有的外观信息，避免了使用复杂的检测网络进行特征提取，减轻了对系统的硬件要求，同时解决了传统deep sort算法对外观相似目标、丢失又重现目标的身份重定义的问题，使得本发明具有更好的鲁棒性和稳健性。