一种空地协同无人机多制式无线通信协议自适应切换系统的制作方法

本发明提供一种空地协同无人机多制式无线通信协议自适应切换系统，属于无人机空地协同通信。

背景技术：

1、随着无人机空地协同作业技术的快速发展，无人机已广泛应用于电力巡检、环境监测、应急救援、航拍测绘等诸多领域。无人机空地协同作业的核心保障为空地无线通信链路，通信的稳定性、实时性、带宽适配性直接决定无人机作业的安全性与作业效率。

2、目前传统无人机空地通信系统大多采用单一通信协议或固定切换逻辑的多协议通信方式，普遍存在诸多技术缺陷。其一，通信制式适配性差，现有通信模组多仅支持单一4g/5g、wifi或lora通信，无法兼顾近距离高速传输、远距离低功耗通信、极端场景应急通信等多元作业需求；其二，协议切换机制僵化，多采用固定阈值、固定权重的评估方式，无法根据无人机飞行姿态、空域电磁干扰、终端负载、业务类型的动态变化自适应调整，极易出现通信链路卡顿、丢包、时延抖动过大等问题；其三，切换可靠性低，传统硬切换方式易导致通信链路短暂中断，造成业务数据丢失、传输时序错乱，无法满足低时延控制、高清图像传输等高可靠业务需求；其四，无闭环优化机制，无法基于实时链路运行数据迭代优化评估模型与切换策略，场景适配能力持续较差，在高速机动、强电磁干扰、超远距离作业场景下通信失效风险极高。同时，现有技术普遍采用固定频率的参数采集机制，无法根据作业距离、飞行高度、电磁干扰强度进行动态适配，易出现数据采集冗余或关键状态信息缺失的问题，导致通信质量评估结果失真、协议切换决策滞后。此外，现有切换策略多仅关注通信链路单一指标，未对业务类型、任务优先级进行差异化适配，高优先级控制业务易被低优先级传输业务挤占通信资源，整体空地协同通信的可靠性与针对性不足，难以适配复杂多变的无人机规模化协同作业场景。同时，现有技术在通信状态参数采集中多采用固定采集频率，无法匹配无人机远近、高低、复杂干扰等差异化作业场景，导致采集数据冗余或关键状态缺失，进一步降低协议评估与切换的精准度。且常规通信切换策略仅单一考量链路通信指标，未结合无人机作业任务优先级与业务属性差异化适配，极易出现高优先级任务通信资源被挤占、低优先级业务过度占用带宽的问题，严重影响空地协同作业整体可靠性。

3、针对现有技术存在的上述缺陷，亟需设计一种可多参数动态评估、智能决策、无缝切换且具备闭环迭代优化能力的空地协同无人机多制式无线通信协议自适应切换系统，以适配全场景无人机空地协同通信需求。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有无人机空地通信协议切换僵化、场景适配性差、切换可靠性低、无自适应优化能力的技术问题，提供一种空地协同无人机多制式无线通信协议自适应切换系统，实现多制式通信协议的智能评估、精准决策、无缝切换与闭环优化，全面提升无人机空地协同通信的稳定性、实时性与场景适配性。

2、本发明为了解决上述问题，所提出的技术方案为：一种空地协同无人机多制式无线通信协议自适应切换方法，应用于空地协同通信系统，所述空地协同通信系统包括地面管控终端、若干架协同无人机节点以及多制式无线通信模组，所述多制式无线通信模组至少兼容4g/5g、wifi、lora、北斗短报文四种无线通信协议；所述方法包括如下步骤：

3、s1、参数实时采集：实时采集空地协同通信链路的多维状态参数，所述多维状态参数包括通信链路信噪比、信号衰减值、通信带宽余量、时延抖动值、丢包率、无人机飞行位置姿态参数及地面终端通信负载参数；

4、s2、通信质量量化评估：构建多协议通信质量评估模型，对采集的多维状态参数进行归一化预处理并剔除异常干扰数据，基于加权熵权法对各状态参数动态分配权重，实时计算各备选无线通信协议对应的综合通信质量评分；

5、s3、最优协议智能决策：根据无人机空地协同作业任务优先级、实时数据传输业务类型及当前空域电磁干扰场景，自适应生成通信协议切换决策阈值区间，将各备选无线通信协议的综合通信质量评分与所述切换决策阈值区间进行匹配，筛选得到当前场景下的最优适配通信协议；

6、s4、分级自适应链路切换：判断当前工作通信协议与所述最优适配通信协议是否一致，若一致，则维持当前空地通信链路正常工作；若不一致，则优先执行无缝软切换流程，完成通信协议参数重配置、链路握手验证及数据缓存续传，实现空地通信链路无间断切换；

7、s5、闭环迭代优化调控：完成协议切换后，持续监测新通信链路的实时运行状态，根据链路运行反馈数据动态迭代更新多协议通信质量评估模型的参数权重及切换决策阈值，形成场景自适应闭环调控机制。

8、进一步的，步骤s1中，所述无人机飞行位置姿态参数包括无人机实时飞行高度、飞行速度、相对地面终端水平偏移距离、俯仰角及横滚角；所述地面终端通信负载参数包括终端实时信道占用率、并发连接数量及数据转发时延；

9、根据不同空域作业场景配置差异化参数采集频率，其中，近距离低空协同作业场景的参数采集频率设置为100hz-200hz，远距离高空作业场景及复杂强电磁干扰场景的参数采集频率设置为300hz-500hz。

10、进一步的，步骤s2中，所述对采集的多维状态参数进行归一化预处理并剔除异常干扰数据，具体包括：

11、采用极差标准化算法将不同量纲、不同数量级的多维状态参数统一映射至[0,1]标准数值区间，实现参数标准化处理；通过3σ粗大误差判别准则识别并剔除因空域电磁干扰、通信模组瞬时故障、传感器采集异常产生的无效数据，保障输入多协议通信质量评估模型的参数有效性与准确性；

12、所述基于加权熵权法对各状态参数动态分配权重，具体包括：基于各状态参数的实时数据变异程度计算对应信息熵，参数信息熵值越小，表征该参数对当前通信质量的影响程度越高，对应分配的权重系数越大，实时动态更新各参数权重，消除固定权重评估方式存在的场景适配性差、评估精度低的缺陷。

13、进一步的，步骤s3中，所述实时数据传输业务类型划分为低时延控制类业务、大带宽图像传输业务、长距离应急通信业务及低功耗巡检业务；

14、针对不同业务类型预设并自适应微调专属切换决策阈值区间，其中，低时延控制类业务优先匹配链路时延、时延抖动参数阈值；大带宽图像传输业务优先匹配通信带宽、丢包率参数阈值；长距离应急通信业务优先匹配信号覆盖强度、链路稳定性参数阈值；低功耗巡检业务优先匹配模组功耗、信号衰减参数阈值。

15、进一步的，步骤s4中，所述无缝软切换流程具体包括：

16、在未断开当前通信链路的前提下，预激活最优适配通信协议对应的通信模组，完成目标信道预扫描、通信密钥预校验及链路参数预配置，构建新旧通信链路并行数据缓存通道；切换过程中，将空地交互的实时业务数据缓存至所述并行数据缓存通道，待新通信链路握手建立完成后，接续传输缓存数据；同步校准无人机节点与地面管控终端的通信时钟，消除协议切换产生的时延偏差，规避数据丢包、业务中断及数据时序错乱问题。

17、进一步的，步骤s4还配置有应急硬切换机制，所述应急硬切换机制包括：实时监测当前通信链路运行状态，当检测到通信链路突发中断、信号衰减超出预设极限阈值或遭遇全域强电磁干扰导致软切换失效时，立即终止无缝软切换流程，触发预设应急通信协议快速切换逻辑，极速重构空地通信链路，保障极端场景下空地协同通信的连续性。

18、进一步的，步骤s5中，所述闭环迭代优化调控机制具体包括：

19、定时采集协议切换完成后稳定运行阶段的通信链路数据，对比切换前后链路的时延、带宽、丢包率、稳定性核心指标差异，基于梯度下降算法迭代优化多协议通信质量评估模型的权重分配系数及场景切换决策阈值；建立包含复杂空域、强电磁干扰、无人机高速机动、超远距离传输的多场景参数数据库，基于场景匹配实现不同作业环境下通信协议的精准自适应切换。

20、一种空地协同无人机多制式无线通信协议自适应切换系统，用于执行上述所述的一种空地协同无人机多制式无线通信协议自适应切换方法，所述系统包括：

21、参数采集模块，用于实时采集空地协同通信链路的多维状态参数、无人机飞行姿态位置参数及地面终端通信负载参数；

22、质量评估模块，内置多协议通信质量评估模型，用于对采集的多维参数进行标准化预处理、异常数据剔除、动态权重分配及各通信协议综合质量评分计算；

23、决策研判模块，用于根据作业任务优先级、业务传输类型及空域干扰场景，自适应生成切换决策阈值区间，匹配筛选最优适配通信协议；

24、链路切换模块，分别连接所述质量评估模块与所述决策研判模块，用于执行无缝软切换及极端场景应急硬切换操作，实现空地通信协议无间断、高可靠切换；

25、迭代调控模块，用于实时监测切换后通信链路的运行状态，基于链路反馈数据闭环迭代优化模型参数与切换决策阈值，实现场景自适应优化。

26、进一步的，所述多制式无线通信模组集成4g/5g宽带通信、wifi短距高速通信、lora低功耗远距通信、北斗短报文应急通信功能，能够根据所述决策研判模块的控制指令，自动完成多通信协议的参数配置、信道适配、链路建立及快速切换。

27、进一步的，所述系统还包括数据缓存同步模块，所述数据缓存同步模块与所述链路切换模块通信连接，用于在通信协议切换过程中临时缓存空地实时交互业务数据，同步校准无人机与地面管控终端的通信时序，杜绝切换过程中的数据丢失、传输卡顿及时序偏移故障。

28、由于采用了上述技术方案，本发明一种空地协同无人机多制式无线通信协议自适应切换系统的有益效果为：

29、1、多参数动态采集与精准评估：本发明采集通信链路、无人机姿态、地面终端负载多维参数，结合差异化采集频率，通过极差标准化与3σ误差剔除算法保障数据有效性，采用加权熵权法动态分配参数权重，解决了传统固定权重评估精度低、场景适配性差的问题，大幅提升通信质量评估准确性。

30、2、场景化智能决策适配：针对四类主流无人机传输业务配置专属阈值区间，结合任务优先级与电磁干扰场景自适应调整决策标准，可精准匹配wifi、4g/5g、lora、北斗短报文的适配场景，实现协议切换的个性化、智能化决策。

31、3、分级切换高可靠保障：采用无缝软切换为主、应急硬切换为辅的分级切换机制，通过并行数据缓存、时钟同步实现常规场景零中断切换，通过应急硬切换机制解决极端干扰、链路突发中断的通信失效问题，全方位保障空地通信连续性。

32、4、闭环迭代自适应优化：基于梯度下降算法持续迭代优化模型参数与切换阈值，构建多场景数据库，实现系统性能的自主迭代升级，可适配无人机高速机动、超远距离、强电磁干扰等复杂动态场景，长期运行稳定性持续提升。