一种用于机载通信的自适应信道选择方法及装置与流程

本发明涉及机载无线通信，特别涉及一种用于机载通信的自适应信道选择方法及装置。

背景技术：

1、随着无人机、有人机等航空器平台在军事与民用领域的广泛应用，对超视距、高可靠、大容量的飞控信息传输与组网需求日益迫切。现有飞行器飞控信息的超视距传输，主要依赖卫星通信、地面4g/5g蜂窝网络中继、微波地面中继及空中中继等方式实现。然而，卫星通信受限于资源稀缺、终端昂贵及雨衰影响，难以大规模普及应用；地面蜂窝网络严重依赖基础设施覆盖，在海洋、山区等无网络区域存在盲区；微波中继易受遮挡且难以实现全向覆盖；空中中继则系统复杂、成本高昂且受制于飞行高度。更为关键的是，现有技术的组网架构多采用星型或链状等有中心或准中心结构，对关键节点依赖度高，抗毁性差，且网络节点容量有限，难以支持大规模、高动态的飞行器集群协同。在抗干扰方面，常规系统多采用通用加密手段，在复杂电磁环境下抗干扰、抗截获能力不足。

2、针对上述传输与组网瓶颈，业内开始探索利用超短波频段融合流星余迹、电离层散射及地波绕射等多种传输机制，以构建不依赖于外部基础设施的广域覆盖网络。但是，如何在实际机载动态环境中，针对这三种通信模式特性迥异、质量波动剧烈的传播机制，进行实时、智能、最优的选择与切换，成为实现可靠通信的核心难题。流星余迹通信具有突发性与随机性，适合低速率、非实时、远距离应用；电离层散射通信具有时变性与高度依赖性，适合中速率、非实时、远距离通信；地波绕射通信则实时性较好，适合较高速率通信，但受距离与视距局限影响明显。现有信道选择方法多基于静态门限或单一质量参数（如信号强度）进行判断，未能充分考虑飞行器自身的实时运动状态，如高速机动导致的姿态剧烈变化、高度快速改变等，也未充分考虑多样化的飞行任务阶段，如巡航、侦察、编队、着陆等，以及不同业务数据，如关键指令、遥测数据等的优先级差异。

3、更为重要的是，现有技术尚未将上述三种传播机制抽象为与机载多模通信设备射频参数配置相对应的逻辑信道，也未从信道连续性、通信距离、通信速率三个维度对三种通信模式进行综合评估。现有方法通常将流星余迹、电离层散射和地波绕射视为不可直接控制的无线传播信道，试图通过静态规则或简单门限进行选择，而没有认识到可以通过配置频段、带宽、发射功率、天线指向、极化方式、调制编码方式、时隙、扩频码等射频参数，使某种通信模式在发射时占主导或优先。由于缺乏对逻辑信道的明确定义和三维特征评估，也缺乏根据飞行任务阶段和业务优先级动态分配选择权重的机制，现有技术难以在高速、高动态的空中环境下实现真正自适应、智能化的信道选择，往往导致切换不及时、选择非最优、频繁乒乓切换等问题，严重制约了通信链路的可靠性与网络整体效能。

4、因此，迫切需要一种能够深度耦合飞行器实时状态、任务需求与三种通信模式特性，通过逻辑信道建模、连续性/距离/速率三维特征评估、任务阶段与业务优先级驱动的动态权重分配，以及射频参数配置使目标通信传播模式在发射时占主导或优先的自适应信道选择解决方案，以克服现有技术的上述不足。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的是提供一种用于机载通信的自适应信道选择方法及装置，通过将流星余迹、电离层散射和地波绕射三种通信模式分别抽象为与机载多模通信设备射频参数配置相对应的逻辑信道，基于信道连续性、通信距离和通信速率中的至少一种进行三维特征评估，并结合飞行任务阶段标识和业务优先级标识动态分配选择权重，经加权决策确定目标逻辑信道后，配置射频链路参数使对应通信传播模式在发射时占主导或优先，从而构建了从多源状态感知、逻辑信道建模、三维评估、动态权重到射频配置的自适应决策链，显著提高了复杂空域下飞控信息传输的实时性、可靠性与网络适应性，解决了现有静态门限方法在高速高动态环境中切换滞后、决策不准的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种用于机载通信的自适应信道选择方法，包括如下步骤：

3、获取飞行器的多源实时状态数据；

4、基于所述多源实时状态数据，分别计算流星余迹逻辑信道、电离层散射逻辑信道和地波绕射逻辑信道的特征评估参数，三种所述逻辑信道分别与流星余迹通信信道、电离层散射通信信道和地波绕射通信信道对应，逻辑信道是相应通信模式对应的一组射频参数配置的通信模式逻辑标识，与机载多模通信设备的射频参数配置相对应；

5、结合所述飞行器的当前飞行任务阶段标识和业务优先级标识，确定与当前通信场景匹配的信道选择策略，并基于所述信道选择策略为三种逻辑信道动态分配选择权重；

6、基于所述特征评估参数与动态分配的选择权重，通过加权决策函数分别计算每一逻辑信道的综合得分；

7、基于三种逻辑信道的综合得分，并根据预设得分阈值和切换条件，从三种逻辑信道中确定目标逻辑信道，并将机载多模通信设备的射频链路配置为与所述目标逻辑信道对应的射频参数，使所述目标逻辑信道对应的通信传播模式在发射时占主导或优先。

8、进一步地，所述多源实时状态数据至少包括所述飞行器的飞行姿态数据、飞行高度数据和地理坐标数据；所述特征评估参数包括信道连续性参数、通信距离参数和通信速率参数中的至少一种；所述信道连续性参数用于表征对应通信模式的实时性和链路连续能力，所述通信距离参数用于表征对应通信模式的可达距离或有效覆盖范围，所述通信速率参数用于表征对应通信模式支持的业务传输速率；

9、所述基于所述多源实时状态数据，分别计算三种逻辑信道的特征评估参数，包括：

10、基于所述地理坐标数据、所述飞行高度数据以及当前时间信息，从流星余迹统计数据库中获取对应的统计值，并依据所述统计值计算所述流星余迹逻辑信道的出现概率，作为所述流星余迹逻辑信道的信道连续性参数；

11、基于所述地理坐标数据和所述飞行高度数据，计算所述飞行器与目标通信节点之间针对电离层散射路径的电波入射角，并基于所述当前时间信息与所述地理坐标数据获取电离层临界频率参数，依据所述电波入射角与所述电离层临界频率参数，确定所述电离层散射逻辑信道的信号传播质量参数，作为所述电离层散射逻辑信道的信道连续性参数和通信速率参数中的至少一个；

12、基于所述飞行高度数据，计算所述地波绕射逻辑信道的理论最大覆盖半径，并依据所述飞行姿态数据确定所述飞行器机载天线的主瓣指向与目标通信节点方向之间的夹角，对所述理论最大覆盖半径进行修正，得到有效覆盖半径，作为所述地波绕射逻辑信道的通信距离参数。

13、进一步地，所述信道选择策略至少根据所述业务优先级标识所指示的、当前业务在信道连续性、通信距离和通信速率三个维度上的性能需求，确定各逻辑信道的选择权重；所述性能需求包括需求等级、需求权重、优先级排序或预设映射关系中的至少一种；

14、所述结合所述飞行器的当前飞行任务阶段标识和业务优先级标识，确定与当前通信场景匹配的信道选择策略，包括：

15、从预置的信道选择策略库中，查询与所述当前飞行任务阶段标识对应的基础策略模板，所述基础策略模板定义了不同业务优先级标识所关联的初始信道权重偏好与决策偏好；

16、根据所述当前飞行任务阶段标识所表征的飞行器预期机动特性，以及所述多源实时状态数据中的飞行姿态数据，判断当前是否处于高动态飞行状态；

17、若处于高动态飞行状态，则对所述基础策略模板中的初始信道权重偏好进行调整，提高当前使用逻辑信道的权重并降低其他逻辑信道的权重，同时提高所述预设得分阈值中的信道切换得分差值门限，形成第一调整后策略；

18、若未处于高动态飞行状态，则根据所述当前飞行任务阶段标识和所述业务优先级标识，从所述三种逻辑信道中确定首选逻辑信道，并对所述基础策略模板中的初始信道权重偏好进行调整，以提升所述首选逻辑信道的权重，形成第二调整后策略；

19、将形成的所述第一调整后策略或所述第二调整后策略，确定为与当前通信场景匹配的所述信道选择策略。

20、进一步地，所述基于所述信道选择策略为所述三种逻辑信道动态分配选择权重，包括：

21、从确定的所述信道选择策略中提取所述三种逻辑信道的初始信道权重偏好，作为基础权重值；

22、根据所述多源实时状态数据中的飞行姿态数据，计算表征飞行器机动强度的动态变化率参数；

23、依据所述动态变化率参数，对所述流星余迹逻辑信道的基础权重值进行负向修正，降低所述流星余迹逻辑信道在高速机动下的最终分配权重；

24、依据所述动态变化率参数与所述飞行高度数据，对所述电离层散射逻辑信道的基础权重值进行修正，当所述飞行高度高于预设高度阈值且所述动态变化率参数低于预设动态阈值时，提高所述电离层散射逻辑信道的最终分配权重；

25、依据所述地波绕射逻辑信道的有效覆盖半径与所述飞行器和目标通信节点之间的实际距离的比较结果，对所述地波绕射逻辑信道的基础权重值进行修正，当所述实际距离小于所述有效覆盖半径时，提高所述地波绕射逻辑信道的最终分配权重；

26、将经过修正后得到的所述流星余迹逻辑信道、所述电离层散射逻辑信道及所述地波绕射逻辑信道的最终分配权重，作为为所述三种逻辑信道动态分配的选择权重。

27、进一步地，所述基于所述特征评估参数与动态分配的选择权重，通过加权决策函数分别计算每一逻辑信道的综合得分，包括：

28、对于所述流星余迹逻辑信道，基于所述特征评估参数中的出现概率、动态分配的选择权重，并结合所述多源实时状态数据中的飞行姿态数据对得分进行修正，计算得到所述流星余迹逻辑信道的综合得分；

29、对于所述电离层散射逻辑信道，基于所述特征评估参数中的信号传播质量参数和动态分配的选择权重，得到所述电离层散射逻辑信道的综合得分，结合所述多源实时状态数据中的飞行高度数据，按照预设比例值对所述综合得分进行正向补偿；

30、对于所述地波绕射逻辑信道，基于所述特征评估参数中的有效覆盖半径与动态分配的选择权重，结合所述飞行器与目标通信节点之间的实际距离确定距离覆盖符合度，计算得到所述地波绕射逻辑信道的综合得分。

31、进一步地，所述对于所述流星余迹逻辑信道，基于所述特征评估参数中的出现概率、动态分配的选择权重，并结合所述多源实时状态数据中的飞行姿态数据对得分进行修正，计算得到所述流星余迹逻辑信道的综合得分，包括：

32、基于所述飞行姿态数据，计算所述飞行器在预设时间窗口内的姿态角变化率的均方根值；

33、将所述姿态角变化率的均方根值输入预设衰减函数，得到瞬时姿态稳定度系数；

34、基于所述特征评估参数中的出现概率与动态分配的选择权重，计算得到流星余迹初始得分；

35、基于所述流星余迹初始得分与所述瞬时姿态稳定度系数，计算得到所述流星余迹逻辑信道的综合得分。

36、进一步地，所述对于所述地波绕射逻辑信道，基于所述特征评估参数中的有效覆盖半径与动态分配的选择权重，结合所述飞行器与目标通信节点之间的实际距离确定距离覆盖符合度，计算得到所述地波绕射逻辑信道的综合得分，包括：

37、获取所述飞行器与目标通信节点之间的实际距离，计算所述实际距离与所述特征评估参数中的有效覆盖半径的比值；

38、将所述比值输入预设非线性映射函数，得到距离覆盖符合度，其中所述非线性映射函数被配置为：当所述比值小于1时，输出大于0且小于1的数值，且所述比值越小，输出的所述距离覆盖符合度越大；

39、基于所述特征评估参数中的有效覆盖半径与动态分配的选择权重相乘，计算得到地波初始得分；

40、基于所述地波初始得分和所述距离覆盖符合度，计算得到所述地波绕射逻辑信道的综合得分。

41、进一步地，在所述基于三种逻辑信道的综合得分，并根据预设得分阈值和切换条件，从三种逻辑信道中确定目标逻辑信道之前，所述方法还包括：

42、获取所述飞行器所属通信网络内至少一个邻近飞行器节点的信道选择信息，所述信道选择信息至少包括所述邻近飞行器节点当前使用的逻辑信道标识和信道质量评估值；所述邻近飞行器节点为与所述飞行器属于同一通信网络、且与所述飞行器直接通信的飞行器节点；

43、基于所述信道选择信息，判断是否存在所述邻近飞行器节点与所述飞行器当前具备相同通信需求，所述相同通信需求是指业务优先级标识相同和/或目标通信节点相同；

44、若存在所述邻近飞行器节点与所述飞行器当前具备相同通信需求，则基于所述邻近飞行器节点的信道选择信息与信道质量评估值，对所述飞行器计算得到的所述三种逻辑信道的综合得分进行协同增益补偿；

45、所述基于三种逻辑信道的综合得分，并根据预设得分阈值和切换条件，从三种逻辑信道中确定目标逻辑信道，包括：基于经协同增益补偿后的综合得分，并根据所述预设得分阈值和切换条件，从所述三种逻辑信道中确定目标逻辑信道，并将机载多模通信设备的射频链路配置为与所述目标逻辑信道对应的射频参数，通过配置频段、带宽、发射功率、天线指向、极化方式、调制编码方式、时隙、扩频码中的至少一种射频参数，使所述目标逻辑信道对应的通信传播模式在发射时占主导或优先。

46、进一步地，在所述基于所述特征评估参数与动态分配的选择权重，通过加权决策函数分别计算每一逻辑信道的综合得分之前，所述方法还包括：

47、获取所述三种逻辑信道的实时信道质量参数，所述实时信道质量参数至少包括当前逻辑信道的瞬时信噪比和当前逻辑信道的历史误码率统计值；

48、根据所述实时信道质量参数，计算针对所述三种逻辑信道的实时质量评估权重调整量；

49、将所述实时质量评估权重调整量与所述最终分配权重按照预设融合规则进行融合，生成融合后选择权重，所述预设融合规则包括加权求和、相乘或加权平均中的至少一种；

50、所述基于所述特征评估参数与动态分配的选择权重，通过加权决策函数分别计算每一逻辑信道的综合得分，包括：基于所述特征评估参数与所述融合后选择权重，通过加权决策函数分别计算每一逻辑信道的综合得分。

51、相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种用于机载通信的自适应信道选择装置，基于上述用于机载通信的自适应信道选择方法进行信道选择，包括：

52、实时数据获取模块，用于获取飞行器的多源实时状态数据；

53、信道特征计算模块，用于基于所述多源实时状态数据，分别计算流星余迹逻辑信道、电离层散射逻辑信道和地波绕射逻辑信道的特征评估参数，三种所述逻辑信道分别与流星余迹通信信道、电离层散射通信信道和地波绕射通信信道对应，逻辑信道是相应通信模式对应的一组射频参数配置的通信模式逻辑标识，与机载多模通信设备的射频参数配置相对应；

54、信道策略选择模块，用于结合所述飞行器的当前飞行任务阶段标识和业务优先级标识，确定与当前通信场景匹配的信道选择策略，并基于所述信道选择策略为三种逻辑信道动态分配选择权重；

55、信道得分计算模块，用于基于所述特征评估参数与动态分配的选择权重，通过加权决策函数分别计算每一逻辑信道的综合得分；

56、最优信道选择模块，用于基于三种逻辑信道的综合得分，并根据预设得分阈值和切换条件，从三种逻辑信道中确定目标逻辑信道，并将机载多模通信设备的射频链路配置为与所述目标逻辑信道对应的射频参数，使所述目标逻辑信道对应的通信传播模式在发射时占主导或优先。

57、相应地，本发明实施例的第三方面提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述用于机载通信的自适应信道选择方法。

58、相应地，本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现上述用于机载通信的自适应信道选择方法。

59、本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

60、1. 将流星余迹、电离层散射和地波绕射三种通信模式分别抽象为与机载多模通信设备射频参数配置相对应的逻辑信道，不再试图直接选择不可控的无线传播信道，而是通过配置频段、带宽、发射功率、天线指向、极化方式、调制编码方式、时隙和扩频码等射频参数，使目标逻辑信道对应的通信传播模式在发射时占主导或优先，从而在物理传播机制不可绝对选择的前提下实现了通信模式的可控选择与切换，显著提升了机载通信设备在复杂电磁环境下的可实施性与灵活性；

61、2. 基于信道连续性参数、通信距离参数和通信速率参数中的至少一种，对三种逻辑信道进行三维特征评估，并结合飞行器的当前飞行任务阶段标识和业务优先级标识动态分配选择权重，通过加权决策函数计算综合得分，从而将飞行任务需求、业务性能需求与三种通信模式的固有特性深度耦合，使信道选择不再依赖静态门限或单一质量参数，而是能够根据任务阶段和业务优先级自适应地平衡实时性、通信距离与传输速率，有效提高了复杂空域环境下飞控信息传输的实时性、可靠性与网络适应性；

62、3. 针对流星余迹、电离层散射和地波绕射三种通信模式各自的物理特性，分别依据飞行姿态数据、飞行高度数据和实际距离与有效覆盖半径的比较结果对基础权重进行差异化修正，并进一步引入实时信道质量参数反馈和邻近飞行器节点的协同增益补偿，形成从多源状态感知、三维特征评估、动态权重修正、实时质量闭环到群体协同优化的完整自适应决策链，不仅增强了信道突发劣化或瞬时干扰的快速响应能力，还促进了空域内信道资源的自组织协调与负载均衡，从而大幅提升了整个飞行器网络的整体吞吐量、抗毁性及在复杂电磁环境下的鲁棒生存能力。