基于智能空间布局优化的系留低空应急通信系统设计及研究

第1章  绪论

1.1  研究背景和意义

目前国防科研及应用领域中，应急通信具有很大的应用前景。因为我国是自然灾害频发的国家之一，尤其是近年随着国民经济的快速发展，生产规模的持续扩大，灾害造成的各项损失也在逐年增长。然而，随着通信技术的不断发展，一旦出现灾害，有效的通信技术手段将能够起到在紧急情况下挽救生命、保证财产和降低损失的关键作用^[1-8]。

在灾害发生的情况下需要通信联络保持畅通，是国家对重大事件反应能力的标志，是综合国力的象征。在关键时刻如何保持国家、政府部门、企业、组织和个人之见的通信，也就是如何发展应急通信技术，已经引起了科研机构、相关企业及学者们越来越多的关注。

应急通信具有很大的综合性^[9-10]，涉及多个通信领域，涵盖卫星通信、无线集群、固定电话网络、移动通信网络、计算机网络、互联网、以及近年来兴起物联网，甚至包括广播、电视网络等。实际上，应急通信技术是以多个通信领域的技术为基础的，并在此基础上充分考虑应急通信的特殊性，建立和完善在各种应急场景下解决应急通信问题的科学理论和技术方法。最终，多种通信领域及相关领域的技术方法应用于应急通信，同时应急通信的发展也能够促进其它相关领域的发展，起到相互促进共同发展的作用。

在应急通信领域中空基通信信息平台是近年国内外的发展趋势，目前空基通信信息平台是我国信息化建设中的薄弱环节，其中超视距通信主要手段有短波通信和卫星通信。传统的短波通信手段受电离层不稳定影响，通信质量不高，且信道容量小，组网能力偏弱，数据通信受到限制。卫星通信目前还处于起步发展阶段，可用的卫星通信资源较少，同时采用卫星通信或飞机作为空中中继平台实现超视距通信的成本是很大的，并且也不可能在极短的时间内充分部署。因此，需要一种技术手段，能够做到在较低的成本下快速部署通信系统，成为了亟需解决的问题。

本论文所研究的系留气球作为浮空平台实现通信中继，可以在成本较低简单易行的条件下提供大范围、全天候、多功能的通信服务。其已是现代应急通信领域里较为先进的技术和目前的发展方向。

系留低空气球搭载超短波及微波通信设备作为浮空通信平台具有以下优点：

（1） 具有全天候工作、滞空时间长等特点，尤其适合为公共突发紧急事件提供应急通信保障；

（2）服务对象广，可灵活搭载各种通信资源，从而为突发事件的快速、有效的指挥协调，应急处理提供多种通信手段；

（3）高机动性，易于布置，该系统即可布置于城市也可以布置于偏远山区；

（4）采用短波及微波通信作为超视距通信手段，比短波通信稳定性高，受季节和昼夜变化的影响较小，通信质量比较短稳定；

（5）采用超短波通信，天线尺寸小，结构简单、增益较高，从而可用功率较小的发射机。

其上述优点，说明系留气球作为浮空平台是可行的，并且具有广泛应用的可能。

针对于应急通信领域需要快速部署，并要求成本最低的特点，随着近年智能技术的不断发展，其中近年来发展起来粒计算能够有效切快速的优化空间布局。本文将基于粒计算的基本理论和思想, 将空间中的各个系留低空气球进行粒化,以假想最优分布下的通信组合状态为目标序列,以系统优化空间布局计算条件下的通信组合状态为无限接近目标序列的函数序列,应用粒的相似度概念进行此函数序列与目标序列之间粒的相似度计算,确定出在实际中最能接近给定假想最优分配下的目标序列所对应的最优空间分布,从而为优化分配决策提供重要依据。

本研究借鉴国内外应急通信发展的经验，结合我国应急通信的实际需求，希望通过对应急通信平台、系留低空气球和基于粒计算的空间优化分配的研究，能够对空基通信信息平台提供积极的参考意见。

 

1.2  升空超视距及系留气球通信研究

1.2.1  升空通信的发展现状

升空通信平台与卫星等通信系统相比,具有灵活性较强、投资成本较少,安全可靠等优点,可应用于地震、洪涝之害等抢险救灾应急通信中,用于山谷、丛林及水域等复杂地形的通信保障以及作为大范围远距离的通信手段。

由于应急通信特有的临时性、快速性等要求，为满足其基本要求国内外提出了应急升空通信这一概念。其多采用系留无人直升机、飞艇、系留气球等近地空间的航空器作为载体，根据通信方式和用途将无线通信设备安装在载体上，从而可以在更为广阔的空间内实现无线通信的覆盖。也就是说，升空通信平台就是采用各种近地空间航空器将无线信号的天线升高达到电波的超视距通信，可以做到在空中中继或交换扩大通信区域的一种手段，从而可以满足应急通信的应用需要。

显然改变天线高度是解决无线通信覆盖范围的主要方法之一，尤其是在地形复杂的通信环境，可以改善受地形、地物和地球曲率的影响，从而减小电波在地形复杂的环境下的传播影响，显著的改善了通信链路质量。因此，利用近地航空器搭载无线通信载荷逐渐成为了当前国内外解决这一问题的主要研究思路和应用热点。

总的来说，我国在浮空器领域的发展起步较晚，在我国系留气球的研究20世纪80年代才开展，研究规模也不大，而系留无人直升机出现的则更晚。然而，随着科技的发展关键技术和理论的突破，人们逐渐发掘浮出空器的研究价值，尤其是在应急通信领域有着宽阔的应用前景。因此20世纪90年代不少工业发达国家进入了研制浮空器的高潮期，我国也是在这一背景下开始大量投入相关领域，并在近期产出了大量应用成果。

1.2.2  升空通信平台比较

从与空气质量对比的角度出发，近地航空器可以分为两类，重于空气质量的航空器和轻与空气质量的航空器。比如多翼系留直升机、系留无人机等就是重于空气质量的航空器，而轻与空气质量的航空器也叫浮空器，主要是气球和飞艇两类。 

由于系留无人机的结构简单且飞行性能良好，在设计、制造及运维的成本都较低，所以近年来也逐渐被应用于军用及民用领域。但在不少应用场景中由于电池的能力限制了其应用的范围，其最主要的问题就是载荷能力与电池容量的矛盾，因此这类航空器一般设计为结构小、质量轻竟可能载荷小的情况下增加其连续工作时间。

系留无人机作为通信系统的承载平台，具有可快速部署、灵活、轻便、起降环境要求低等特点，可以实现地面几十公里半径的覆盖区内快速部署保证可靠的带宽通信。但受限于其载荷能力、能源持续时间等因素，虽然其很早就在中继通信中起步，但早期只能选用中大型固定翼无人机或无人直升机作为通信平台。这样反而导致其体积大、地面保障系统复杂，回收成本高等问题，还引入了一些航空管制，飞行空域协调的问题。所以近几年，随着电机和电池技术的发展，直流无刷电机和高能锂电池、多旋翼协同控制等关键技术的突破，微小型的多翼无人直升机逐步被广泛应用。结合系留供电和通信信号，系留多翼无人直升机目前已经可以胜任一些专用领域的应用，包括应急通信平台的浮空系统。将系留微小型无人机作为中继通信系统的主要优势包括如下：

1）机动灵活，部署简易

其重量轻、体积小、便携性强，单人即可完成发射和回收作业，易于在野外环境下快速作业。由于其采用无线中继可以快速建立通信链路，易于控制升降，能够根据需求控制中继覆盖范围。

2）无地形限制

由于采用升空无线通信，因此无线通信的障碍物较少，通信质量更为可靠。

3）可靠性高、成本低

由于微小型飞机的结构简单，所以造假很低。因此，可以在一个区域内部署主备两套通信链路，某一套链路出现故障则自动唤醒另一套工作。

与系留直升机不同，系留气球则是一种自身不提供动力，依靠气球内填充比空气质量轻的气体，依靠浮力升空的浮空器。其具有滞空时间长、有效荷载大、部署简单灵活、造价低廉的特点。因此将其作为一种搭载平台，用于搭载通信设备的综合信息平台非常合适，因此其应用极为广泛，如：通信中继、防灾监控、电子干扰、灾情预警等公共安全和民用领域。

尤其在近年，材料科学、电子技术和氦气提纯技术等关键技术的突破，系留气球系统的价格和维护成本有着明显优势，在应急通信领域也得到了越来越多的青睐。根据需要，系留气球的体积可从几百立方米到几万立方米，升空高度从几十米到几千米。一般对于通信中继而言微小型机动式系留气球的体积一般在300~400立方米以下，升空高度大约400米以内，其主要具有操作简易、机动性强的特点。

作为升空通信平台浮空器主要采用系留浮空器，也就是由缆绳栓系固定住浮空器，依靠浮空器内部的比空气轻的气体，借助浮力、气动升力升空，升空后利用浮空器和载荷的整体重力以及缆绳的拉力处于动态平衡的状态，使其固定在特定空间高度长时间驻留。缆绳本身还可以设计成兼顾供电和信号传输的综合缆绳。

系留气球作为浮空平台其具有如下特点：

1）滞空时间长

其滞空时间一般是以天为单位计算，较飞行器以小时为单位远在不同数量级。其几乎不受其它因素的影响，只受故障维修、天气等因素的影响。

2）通信范围广

作为搭载通信中继的平台，其可以完成超视距的通信任务，在山区通信中可以让山脉两侧的通信人员无障碍通信。

3）可靠性高

由于其采用氦气作为升力气体，而氦气是一种惰性气体，不易燃危险性小。一般其气囊中会设计多个独立的小气室，并且填充压力较小，因此空中的可靠性高。另一方面，系留气球囊体的材料是无金属的软体结构，因此不受通信天线的形状和尺寸限制，且透波率高几乎不影响通信质量。

综上所述，就应用与应急通信平台而言，系留微型机具有机动灵活、部署简易、无地形限制、可靠性高、成本低的优势，但也存在升空高度低、续航能力弱、对通信天线设计有要求的劣势，而系留气球在升空高度、续航能力和可靠性方面更能满足应急通信中的通信中继的要求，因此更具有在应急通信平台的应用前进。

就目前应用与应急通信的浮空平台主要包括系留气球、无人机、有人机和平流层飞艇等，其对比如表1。

项目     类型	系留气球	无人机	有人机	飞艇
升空高度	高	中	低	很高
续航能力	很强	一般	中	很强
天线要求	无	中	高	无
有效荷载	大	小	大	很大
成本造价	低	低	高	高

对比上述平台，系留气球有着较高的升空优势和很强的续航能力，同时对于中继天线的设计几乎无要求，其强大的荷载能力降低了通信设备的中要求，加上其低廉的造价，是建立应急通信的承载平台的最佳选择。

 

1.3  本文在应急通信中的研究范围

1.3.1  应急通信概述

应急就是在突发事件中必须立即处理的事件，那么相应的“应急通信”(Emergency communication)也就是针对突发事件的通信保障^[11-20]。一般而言，应急通信不仅仅是一种通信方式，而是一组支持不同应急需求、适应不同环境的通信保障方式。就应急功能结构而言，应急通信可根据通信层次不同、通信网络结构不同、应用对象不同分为多种应急通信网络系统。具体而言，应急通信网络包括公用网络、专用网络等，按专业可以划分为用户终端网络、接入网络、传输网络，骨干网络等，因此应急通信网络是多种通信网络的综合体现。

一般而言，应急通信主要发生在公用电信网络发生严重破坏，没有足够的网络资源的前提下采取的通信措施。本文主要针对在灾害发生的时候最为迫切需要的恢复的通信链路，用于保证救援的通信链路沟通以及民用链路的正常使用。如基础固定设施的通信系统以及供电系统破坏，甚至瘫痪导致现有通信措施无法工作所采用的应急通信。

本文所研究的浮空平台应急通信系统是将基站通过系留气球作为浮空载体，从空中向下覆盖目标区域的应急通信系统。浮空平台与地面之间的传输链路以微波为主，卫星通信为辅。其空中信号干扰小覆盖面积大，可以方便的与地面救灾人员进行语言、数据、文本和视频信息沟通。

1.3.2  保密通信与微波中继通信

一般而言，在应急救援中为了确保通信的隐秘性和提高抗干扰能力，需要采用跳频技术^[21-25]。其是相对于定频而言的，跳频本身是设置一个跳频规律，只要窃听者不知道这一规律很难截获信号。另一方面，采用跳频也可以提高抗干扰能力，因为即使有些频段被干扰，信号依然可以工作在其它频段。跳频通信一般用于窄带通信，因为其是瞬时窄带系统，并且其可以很好的兼容其它的窄带通信系统。 常规而言通信双方的跳频图案是协商一致的，同步的按照相同的跳频规律跳变。但是由于救援工作的特殊性，提出了自适应跳频，并增加相应的频率自适应和功率自适应。本论文主要采用350MHz的警用专用频段的跳频通信。

由于跳频主要满足窄带业务的需要，对于宽带业务则通过其它频段的微波传输。所谓微波通信是指利用波长在1m~1mm，频率从300MHz~300GHz的电磁波做信息载体的通信方式^[26-39]。由于其绕射能力弱，其容易被反射，所以通过浮空平台可以使其避开障碍物。由于其一般直线传播，所以在视距范围内传播，只有通过中继接力的方式可以使其成为超视距的传播。由于其频宽范围大，所以可以利用微波中继组件多媒体、影像、数据、文本的传输。

一般而言通过将天线及通信设备置于浮空平台升空到300~400米的空中，可以实现较远的传输距离，为了保证通信的可靠性，可以通过在间隔距离增加中继站，中继站接收天线把前一站传来的微波信号接收下来，加以变频和放大，再从另一天线转发到下一站，如此接力直到终端站，就组成了一个中继网络。那么合理部署中继网络也是一个对应急通信影响的关键因素，这就需要中继覆盖优化。

1.3.3  中继覆盖优化

应急通信中继网络能够实现快速部署的前提是有一套有效的部署方案，而如何保证方案可以通过最少的中继设备完成最大范围的覆盖问题，是部署优化所要解决的关键问题。

覆盖问题中最常见也是研究重点的是区域覆盖。目标区域中每一处都至少处在一个中继覆盖范围，这就是区域覆盖问题。研究区域覆盖的时候通常还会和连通性约束一起考虑。连通性是中继网络的通信基础，网络连通性是指网络中所有的中继站都与其它中继站通过多跳的方式进行通信。对于覆盖区域来说，连通性是必须要保证的，因为如果不连通或不完全连通就失去了中继的意义。因此，区域覆盖问题和连通问题被合并称为连通覆盖问题（connected coverage problem）。也是近些年很多文献主要讨论的连通覆盖优化问题^[40-50]。

本论文主要采用粒子群优化及其改进算法，借鉴Nor等人提出的利用Voronoi Diagram覆盖优化算法，提出自己的覆盖优化算法^[51-60]。在标准粒子群算法的基础之上，改进其再搜索高维函数时容易出现的容易陷入局部最优化的缺陷，并且在搜索局部最优的时间内，有充足的时间搜索出尽量多的局部最优值，而后使的改进后的PSO能在较短的时间内由进入全局最优，改进的PSO收敛速度以及搜索能力都得到提高。然后通过Java7开发语言实现基于离散二进制粒子群算法（BinaryPSO，BPSO）以到达优化中继布局的决策支持。

 

1.4  论文的研究内容和章节安排

本课题主要包括三个研究任务，即应急通信系统、系留低空控制系统和空间布局优化系统。其中应急通信与系留低空的结合目前的技术应用趋势，能够利用浮空平台扩大通信的覆盖范围，可以快速部署通信站满足应急这一特点。基于粒计算的空间布局优化，将智能算法应用于系留低空通信平台能够很好解决如何快速的优化部署浮空通信平台。通信系统和浮空控制系统重点在系统设计，而改进的粒计算优化重点在算法设计，最后通过仿真实验说明研究结论。

本论文的主要目的是研究应急通信系统、系留低空控制系统和空间布局优化系统三个主题上。具体章节划分如下：

第一章 绪论

第二章 突发事件现场应急通信技术

第三章 系留低空控制子系统设计

第四章 应急现场通信子系统设计

第五章 空间布局优化设计

第六章 总结与展望。

 

第2章  突发事件现场应急通信技术

2.1 系留低空通信平台系统定义

2.1.1  应急通信的应用场景分析

由于应急时间存在诸多不确定性，如发生时间、事件类型、发生地点等，这就需要针对应急通信的应用场景进行归纳总结做系统分析，通盘考虑并罗列如下设计重点问题：

（1）及时性

系统能够在紧急情况发生的情况下，立即做出相应，根据实际情况快速部署通信系统。因此，系统设计时需要考虑在成本可控的条件下如何快速部署一套通信链路，对通信系统起到很好的保障。

（2）可靠性及安全性

由于我国地理结构复杂的客观条件，灾害可能发生在任何区域，山区、平远、城市及城市周边、河流等都可能出现应急通信的需求。因此系统必须能够克服地形的复杂，保障通信质量和可靠性。还需要考虑一些救灾的特殊要求，例如信息的保密、信号的抗干扰能力的设计。

（3）信号覆盖广

信号的可靠性和通信质量都是建立在信号的覆盖广基础之上的。系统能够有能力给通信链路部署提供决策支持，以最小的代价最优的部署通信系统。

（4）操作简易

由于灾情是紧急事件，受灾地区又可能是在偏远地区或专业人员少的地区。那么系统需要设计成操作简易，可以快速培训迅速上手。因此需要系统功能应该简单化、模块化。

（5）造价低易维护

由于不能使成本成为应急通信的制约，必须在系统设计时就考虑设计出结构简单实现可靠的系统。其主要系统制造成本在浮空器上，所以浮空器的选型和设计是降低造价的关键。系统的维护主要就是系留气球和通信站，所以其必须模块化和结构化，便于维护和更换。

2.1.2  系统定义

以浮空系留气球作为空中中继平台，转发电磁波信号，在多个地面站之间中继转发，可以克服障碍物的阻隔和电磁波的反射所带来多径效应，减小通信阴影。显然浮空平台搭载超短波和微波通信其的高度越高，通信覆盖范围越大，传输距离越远。升空高度和通信距离的关系如下近似公式（2.1）表示：

（2.1）

其中R为A、B两地之间的近似视距即服务半径，h为升空高度。考虑大气的折射时，标准大气压的情况可以通过公式（2.2）表示。

（2.2）

由式（2.2）可知，当平台高度在300米左右，其覆盖半径大约为71千米。 由此可以推测出浮空中继通信的范围和部署策略。

据此，系统可以定义为三个部分构成：系留气球平台部分、载荷通信设备部分以及覆盖优化决策支持部分。系留气球平台部分包括系留气球、系留缆绳和地面保障设施等构成。载荷通信设备部分包括超短波跳频电台、窄带滤波器、超短波天线、微波中继设备以及根据任务需求的其它通信载荷设备等。覆盖优化决策支持部分则通过改进后的粒计算算法对中继设备的覆盖给出优化的决策支持。

通过上述三个部分，可以起到合理的部署中继设备的同时，通过升空平台提高中继天线，从而达到在应急情况的通信可以覆盖更宽阔的通信范围的作用。

 

2.2 应急通信技术分析

2.2.1  应急通信与现场信息

就我国地形地貌的实际情况而言，应急通信系统的建设复杂性不言而喻。一般一个完整的应急通信系统，一方面要解决应急专网与公网的融合，采用各种通信手段，无线通信与有线通信相融合，本地通信与远程通信相融合。另一方面要使全网指挥统揽全局，并在基层考虑机动性、灵活性和抗干扰性等要素。

显然，应急通信的综合性要求很高，涉及的通信专业和领域也很多。主要涵盖短波通信、卫星通信、移动通信、无线集群、固话网络、计算机网络、互联网、广播广电网络等。从应急现场处理的主要信息而言，主要是音频、图像和视频信息以及其它位置信息，这些都是构成应急响应信息的基础数据。

音频信息一般都是以数字信息处理对模拟音频信号采样，常用的有8位、12位、16位等量化位数，其质量也是依次递增，其需要传输的信息量也越大。如果既要保证音频的质量又要保证其传输的效率，一般采用压缩算法。常用的压缩算法包括G.7XX系列和MPEG-X等系列标准。

对于视频信息的数字化处理一般包括两种方式即复合数字化和分量数字化。同音频信号类似，其一般为8位、10位和12位量化，目前为保证信号质量常采用12位量化。为处理实时视频通信ITU定义了以H.26X命名的一系列标准，其中比较适合应急通信具有较高的抗误码性能的标准是H.264。

就本平台而言，主要处理的信息是音频、图像、视频信息和文本等信息。因此平台的设计主要在这几类信息的处理上。

2.2.2  应急现场无线通信技术

应急通信就是要尽快建立一套通信系统，将现场的信息通过通信接口对接传送到远端或指挥中心，由后方指挥统一部署统筹安排。由于其环境复杂这一特点决定了一般采用无线通信技术作为主要通信手段。目前，常见的无线通信手段包括：无线自组网网络、Mesh网络、宽带无线接入系统、集群移动通信系统、微波中继通信系统和浮空平台。

无线自组网是一种不需要固定基础设施也能自动组建的网络，也叫Ad hoc网络。Ad hoc实质是省去了无线中介设备而建立的对等网络结构，相当于无线双绞线的作用，因此其网络一般处在应急通信网络系统的末端位置。

Mesh网络的结构呈现于网状分布的无线接入点间的相互协作，其可以动态组网、自动配置、自己维护。其由两类节点构成，Mesh路由器和Mesh终端。Mesh路由器具有中继、网关及Mesh间路由的功能。由于Mesh路由器具有多种无线接口，所以其终端的形式可以是多样的，所以一般Mesh网络用于终端接入。

宽带无线接入系统，主要是一种传送技术。目前比较成熟的系统有：LMDS、MMDS、WiMAX、MiWAVE、McWiLL以及无线光接入系统等。其中无线光接入系统，可以理解为无需光纤的光通信系统。典型的FSO能够支持155Mb/s ~ 10Gb/s的传输速率，传输距离在2~4km之间。

集群移动通信系统一般是一种资源共享型、费用共同分摊、共用信道设备及服务的多用户、多用途、高效能的无线专用调度通信系统。

微波中继通信系统，是以微波作为通信介质，并通过中继设备接力的方式在地面上进行无线电通信。其可以通过调节天线控制方向提高增益，由于其频带宽因此其抗干扰能力强。一般根据天线高度其地面距离已在30~40km范围进行中继，可以跨越湖泊、江河、高山、沼泽等特殊的地理环境

浮空平台具有灵活性较强、投资成本较少,安全可靠等优点,可应用于地震、洪涝之害等抢险救灾应急通信中,用于山谷、丛林及水域等复杂地形的通信保障以及作为大范围远距离的通信手段。

本文主要研究的范围是超视距的通信中继及其应用场景，而微波中继和浮空平台更加符合本文所讨论的应用场景。因此，本论文所主要集中研究的方面在微波中继通信系统与浮空平台的结合。

 

2.3 系留低空通信平台技术

根据上述系统定义，本系统设计主要包括升空平台、平台搭载的通信站和覆盖优化决策支持。其中升空平台包括包括系留气球空中部分和地面锚泊部分。系留气球还包括气囊、高度计、空速传感器、加速度传感器、飞行控制电路和控制信号处理电路等。其中平台搭载的通信站则包括350MHz的自适应跳频通信设备和微波中继通信设备。覆盖优化决策支持则通过改进后的粒计算算法对中继设备的覆盖给出优化的决策支持。

本文根据应急通信的基本需求及通信部署灵活简便，能够第一时间构建并回复灾害发生地的通信链路的要求。主要解决超视距的微波中继，并通过浮空平台升高天线减少投入成本快速应急，再通过空间布局优对部署决策提供有效支撑。因此，提出设计三个子系统，即应系留低空控制子系统、急现场通信子系统和空间布局优化子系统。

应急现场通信子系统，主要处理的信息是音频、图像、视频信息和文本等信息。一方面，中继链路采用多套超短波电台构成，电台设置相同的工作参数保持通信。另一方面，系留地面站与系留球系统之间的控制通信也是采用网络通信方式，本系统采用双备份的通信联络，及有线的综合线缆光纤通信和在光纤出现故障时的无线通信链路。

系留低空控制子系统，主要由空中部分和地面锚泊系统构成。空中部分搭载通信系统完成中继及控制浮空飞行等工作；地面部分主要由绞车控制其升空高度、回收等工作。另外，地面与空中的链接所采用的系留缆绳为系留缆、通信光纤和电缆三合一的设计。即能够控制系留气球的高度及空中姿态，还能够提供能源并和防雷装置配合起到避雷作用，同时还可以为系留球的其他模块相互通信提供控制通信支持。

空间布局优化子系统，主要采用粒子群优化及其改进算法，借鉴Nor等人提出的利用Voronoi Diagram覆盖优化算法，提出自己的覆盖优化算法。在标准粒子群算法的基础之上，改进其再搜索高维函数时容易出现的容易陷入局部最优化的缺陷，并且在搜索局部最优的时间内，有充足的时间搜索出尽量多的局部最优值，而后使的改进后的PSO能在较短的时间内由进入全局最优，改进的PSO收敛速度以及搜索能力都得到提高。结合以无线中继网络为基础的适应度函数，计算出最优覆盖方案。通过将Voronoi图和PSO算法结合的覆盖，提出混合无线中继网的覆盖优化策略。并在传统的求解最大覆盖率的方法上，把最大化问题通过适应函数转化为最小化问题，间接的求解全局的最优覆盖。

 

2.4 本章小结

本章分析了应急通信的主要特点：及时性、可靠性及安全性、信号覆盖广、操作简易及造价低易维护等特点。基于这些特点系统集中研究的方面在微波中继通信系统与浮空平台的结合。利用浮空平台，当平台高度在300米左右，其覆盖半径大约为71千米。 由此可以推测出浮空中继通信的范围和部署策略。并利用覆盖优化决策支持则通过改进后的粒计算算法对中继设备的覆盖给出优化的决策支持。

系统主要解决超视距的微波中继，并通过浮空平台升高天线减少投入成本快速应急，再通过空间布局优对部署决策提供有效支撑。因此，提出设计三个子系统，即应系留低空控制子系统、急现场通信子系统和空间布局优化子系统。后续章节将对这三个子系统逐一细化及设计。

 

 

第3章  系留低空控制子系统设计 

3.1 系留低空控制子系统设计概述

根据前面章节的分析及论述，系留气球是一种比较理想的空中通信平台，应用于应急通信有着较好的效果。随着系留气球的发展其需求也变得越来越多，倒置其复杂性越来越大其中最为复杂的是控制系统，其也决定了系留气球的稳定性和精度。

以往的硬件及软件结构，多采用单任务、直接控制硬件中断的方式完成一些相对简单的工作。而近年的现实需求，逐步往多任务，任务调度复杂的需求靠拢，这就使得传统方式无法满足实时要求、多任务并行调度、多IO等复杂的应用场景的需求。

随着相关技术的发展，实时多任务操作系统（RTOS）已经逐步成为了嵌入式应用的基础系统运行平台和开发平台，其能够管理CPU、分配存储、分配CPU的执行时间、管理I/O、控制中断、执行定时器任务等软件抽象，控制硬件打包成一个整体对应用提供服务。通常操作系统会给应用提供标准的API即应用程序接口，供应用于操作系统通信，使用操作系统提供的服务及资源。对于系留气球的控制系统，则可以通过实时操作系统根据优先级，分配不同的任务使用CPU的执行时间片，管理各个任务的独立或协作运行。

作为浮空平台系留气球，一般具备滞空时间长、能耗低、覆盖面广、易于使用、机动性强、维护成本低、安全可靠等特点。其一般由两个部分构成地面锚泊系统和浮空部分。

地面锚泊系统包括系留及停泊装置、能源模块、地面通信模块和监视控制系统等几个部分构成。系留及停泊装置控制其升空高度、回收等工作。能源模块通过系留缆、通信光纤和电缆三合一设计的系留缆绳将能源模块的电能传输给浮空部分。浮空部分与地面锚泊系统通信是通过两端通信模块完成相互通信，其中地面通信模块由地面锚泊系统管理。监视控制系统是用于地面控制站控制浮空部分以及监视浮空的系统的运行故障等信息。

浮空部分则包括：结构部分、浮空通信模块、能源控制模块、测控系统、避雷装置和照明系统。结构部分又包括系留缆绳、头锥、骨架、气囊、尾翼和整流罩。浮空通信模块与地面通信模块是对应的，一般会设计主备两套系统，保持地面对空中的通信和控制。能源控制模块是对地面传输上来的电源进线适配，以及备用电池等部分构成。测控系统主要包括：飞控计算模块、双机切换模块、压力调节模块、姿态方位模块、差压检测模块和GPS模块等。

显然，目前的系留气球平台的功能已经十分复杂，设计如此多的模块需要模块间相互协作并行作业。所以选择何种是操作系统是其运行及开发应用的关键，同时针对性的设计合理的硬件及软件结构是对上述功能的有效支撑。

 

3.2 实时操作系统

根据前面的概述，系留低空控制子系统需要支持多任务的程序开发模式，因此选择一套合适的嵌入式系统非常重要。目前适用于嵌入式系统开发的实时操作系统主要有VxWorks、uClinux、μC／OS-II和eCos四种操作系统。需要分析这四种操作系统的适用面，来判断适合系留低空控制子系统的是哪一种实时操作系统。

VxWorks是美国WindRiver公司推出的实时操作系统，其由400多个相对独立模块组成，用户可根据需求进行合理裁剪和配置。VxWorks的特点是提供任务间同步与通信、基于优先级的任务调度、定时器、中断处理以及内存管理等功能，开发人员通过简明易懂的编程接口可以在系统上开发符合要求的应用，在系统内核方面合理裁剪最小微缩到8 KB左右。

uClinux是一种嵌入式Linux版本，其全称是micro-control Linux，其是一款优秀的微控制Linux适用于开源的嵌入式领域。uClinux同标准Linux相比其内核非常小，并取消了MMU内存管理单元。但其保留了Linux操作系统中主要特性，包括良好的稳定性和移植性、优秀的文件系统支持、强大的网络功能、标准丰富的编程接口等。但是在实现多任务的编程中，由于没有MMU其编程技巧要求较高，且代码维护难度大。

μC／OS-II是美国嵌入式领域专家Jean J．Labrosse用C语言在μC-OS的基础上构建起来的，其结构小巧采用抢占式的多任务实时内核。μC／OS-II最多能管理64个任务，并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。

 eCos全称是embedded Configurable operating system，即嵌入式可配置操作系统。同uClinux一样其也是一款开源的可移植和可配置的面向深度嵌入式应用的实时操作系统。其采用模块化设计因此配置非常灵活，系统内核组件化，包括运行内核、底层运行包和C语言库等。包括系统内核在内的所有组件均可以配置，eCos还提供丰富的配置工具使得配置非常简便，用户完全可以根据自身需求进行配置使用。

系留低空控制子系统主要会使用实时操作系统的任务管理、任务间互斥及同步、中断、内存管理、文件系统等软件功能，还必须考虑系统支持的硬件环境。同时在软件工程的角度，还需考虑其后期可移植性和可维护性。

任务管理是实时操作系统选型的关键，其决定了系统性能。其需要考虑任务的优先级设置、多任务的调度协调和时间的确定性。上述四种系统中VxWorks和uCLinux比较符合系统的需要。VxWorks可以给任务分配最多256个优先级，支持两种调度模式即优先级抢占式和时间片轮转式，且时间的确定性也是最好的。uCLinux其类似于Linux的任务处理方式，将进程分为普通进程和实时进程，实时进程采用优先级抢占式，普通进程采用时间片轮转式，但未对所有的嵌入式CPU进行优化，倒置其受到一些局限。

任务间互斥及同步是让多任务在使用共享资源和操作次序能够协调控制，让应用能够更好的工作在并行任务中。上述四种系统都可以很好的支持同步通信、信号量、互斥锁和消息队列等机制，保证同步和互斥。

中断是考量系统和外部系统的交互能力，主要包括中断处理机制，中断嵌套和中断延迟等。对于中断而言也是有优先级策略和减少延迟的算法。四种系统在这方面均采用了不同的策略，对于嵌套中断主要是考虑中断堆栈的管理和溢出策略。

内存管理主要是内存分配和内存保护，内存分配主要是静态或动态分配内存，内存保护起到了进程间使用的内存是不会干扰的。VxWorks在四个系统中是做的最好的，其支持静态分配的Partition方式，也指出Region方式的动态分配方式。

文件系统是对文件的管理，而文件一个逻辑概念一般包括文件的存储和文件的索引。VxWorks系统支持多种标准操作系统的文件系统，如：MS-DOS、RT-11、RFS、RAW和CD-ROM等；uCLinux则从Linux继承了优良的文件系统支持能力几乎可以支持所有Linux支持的文件系统；μC／OS-II和eCos则可以通过用户配置完成支持不同的文件系统。

VxWorks、uClinux、μC／OS-II和eCos四个系统基本支持大多数主流嵌入式CPU。除μC／OS-II意外均支持从16位到64位CPU，而μC／OS-II则可以支持8位到32位的体系结构。VxWorks和uClinux要求的内存和flash均比较大，μC／OS-II和eCos根据配置可以非常小。

考虑到其应用特点，和系统平台需要支持的功能和服务，VxWorks由于在军事、通信及航空等领域均有应用，并积累了大量的可二次开发的应用程序接口相比其他系统具有更好的优势。虽然，本系统中通信系统的比重比较大，uClinux也具有较好的优势，但是对于浮空平台的控制VxWorks则更胜一筹。最终，本系统选择已经成熟应用于航天、航空和导弹领域的VxWorks作为平台的实时操作系统。

 

3.3 系留低空控制系统硬件平台设计

系留低空控制系统硬件平台设计由两个部分构成，即地面锚泊系统和浮空部分。地面锚泊系统包括系留及停泊装置、能源模块、地面通信模块和监视控制系统等几个部分构成。浮空部分则包括：结构部分、浮空通信模块、能源控制模块、测控系统、避雷装置和照明系统。

其中最为复杂的几个部分分别是上下两个通信模块、空中的测控系统及地面的监视控制系统。其设计结构如下图所示：

上图中主要包括球上和地面两个部分。球上部分主要是用于供电、动力、传感、网络、GPS和计算主机的设计；地面控制部分主要对风速风向的监控、地面监控及网络。

球上部分的设计要充分考虑到空中的情况比较复杂，因此计算和通信两个重点部分均需要考虑备用设备，如果主用设备或线路出现故障，那么可以切换到备用设备或线路上。因此提供了两套球控计算机连接到双机切换板上，如果主用出现故障双机切换板负责切换到备用上工作，满足一般应急场景。双机切换板对外提供控制信号给强驱动输出模块，由强驱动输出模块控制应急中继通信系统的载荷电源、系留气球的阀门及风机。球控计算机的设计采用体积和重量均较小的符合PC104工业控制计算机总线标准的计算机设备。

球上部分的网络交换机相当于一个网络总线，姿态方位、压力调节控制、压差检查、风速风向等各传感器通过网络交换机将信息传递给主备两台球控计算机，球控计算机可以根据信息作出合理控制，发出信号控制气球的飞行及姿态及对载荷设备的控制等。另一方面，球上和地面的控制通信，在球上也设计了两套通信模式即有线的光纤通信模式和无线的电台信号通信模式，有线的光纤通信模式主要是通过光端机与地面站通过光纤通信，无线的电台信号通信模式则是通过球上和地面站之间的同频无线信号通信。

球下地面部分的网络通信部分和球上设计类似，也是两套模式对接。用于接收球上的状态，以及发送地面站的控制信号。其信息通过网络交换机传递给地面的监视控制计算机，地面可以将风速风向仪检测到的信息通过网络传递给球上部分。选用在较为严苛环境下的工控计算机作为硬件实现。监视控制计算机通过良好的人机接口设计，地面操作人员可以非常直观的观察到球上和地面设备及传感器的状态、传感信息、控制荷载设备、监控运行状态等功能。当设备或空中状态出现异常或故障的时候，能够通过声光电等信息即时提醒操作人员，由操作人员人工干预保证系统的正常运行。

由于应急通信系统的外部环境比较复杂极端且恶劣，所以对于系统的可靠性设计是设计的关键。对空中系留气球的球控计算和地面的通信是关键，因此均提供了冗余设计。同时对于操作人员的用户侧也通过监控系统以声光电的形式通知操作人员即时处理异常或故障。系统可靠性主要通过三个方面保障，即球控计算的可靠性设计、控制通信可靠性设计和故障通知设计进行保障。

球控计算的可靠性设计通过三重冗余设计保障。对于空中系留气球的球控计算实际上有三套独立的系统进行控制及收集信息，每套系统中都有自己独立的软件，因此这是三重冗余设计。其中包括两套独立的球控计算机，任意一套计算机出现了故障，可以由双机切换板根据预设值自动切换，也可以人工干预由地面控制系统发送信号人工切换。如果两套球控计算机均出现了故障，地面监控系统可以接管计算控制，依然可以由双机切换板发送控制信号给传感器、强驱动输出系统及荷载控制信号。这三套系统均是独立的系统，其控制信号同时只会有一个信号通过双机切换板发送出去，因此可以保障球控计算的可靠性。

控制通信可靠性设计通过有线和无线两套独立的通信系统保障。由于系留线缆是含通信、供电和系留的三合一设计，有线主要是通过光纤传输信号，因此在球上和地面站均设有光端机用于控制信号的接收和发送。如果光纤出现故障，或者光端机出现故障时，则系统切换到无线保护链路，进而保障了控制通信可靠性。

故障通知设计是系统故障时的人机接口，通过声光电的形式提醒操作人员系统工作异常，如压力异常、通信链路故障或球控计算机故障等。系统提供丰富的通知形式，用户也可以根据自身需求进行设置。

系统通过上述三种保障，从球控计算、控制通信和人机交互三个方面保障了系统的可靠性，使得系统能够更好的在应急场景可靠运行。

 

3.4 系留低空控制系统软件平台设计

根据上述应急设计，其软件一方面是在球控计算机上的嵌入式软件，另一方面是在地面站上的控制软件。球控计算机上的嵌入式软件的操作系统根据上面章节的选型，选择VxWorks作为实时操作系统平台以保证多任务、实时性等系统需求，而其主要应用功能包括对阀门、风机、载荷设备的控制；对传感器数据的信息收集解析及传感器的控制；与地面通信站的实时通信。地面站上的控制软件以通用Linux作为操作系统平台，利用跨平台、移植性好的Java作为基础控制开发软件，其有着良好的人机交互界面，目前Java7已经有了丰富的应用程序接口以及丰富的人机交互接口，对并行任务的支持和图形化操作界面均提供良好的支持。而地面监视控制系统的数据库采用稳定且开源的Mysql作为数据库系统存储应用数据，其有着良好的事务控制能力和在标准SQL支持的前提下提供了丰富的扩展应用程序接口。

系统的主要流程，按照发起点可以分为两个流程，一个是由嵌入式应用的球控计算程序发起的球控流程，另一个是由地面监视控制系统发起的操控流程。

其中球控流程主要是由球控计算程序接收来自诸如风力风向、姿态方位、压力控制等传感器通过IP交换网络发送过来的传感信息。然后解析这些信息，判断当前系留气球的状态，并将状态或分析出的故障通过控制通信网络（光端机或无线信道）上报给地面监视控制系统。再根据其状态产生控制命令通过强驱动输出控制闸门、风机或外部荷载电源等。这一套流程主要是在嵌入式应用中体现，在VxWorks平台进行开发。

其中操控流程主要是由地面监视控制系统发起，首先其通过控制通信网络接收来自球上或地面传感器的信息，然后通过解析信息，如果是故障则以声光电的形式通知操作人员。操作人员可以根据当前系留气球的状态由人工操作或已设置的程序通过控制通信网络发送控制命令远程控制系留气球及球控计算程序本身。

根据上述主要操作流程，可以将系统主体模块设计为如下图所示的结构。

根据上图所示，其虚线及剪头主要表达了信息的从一个模块到另一个模块的流向，方框表示了模块本身。上图中重点模块主要是球控计算模块和地面监控模块。

球控计算机上的嵌入式软件分别部署在两套独立的球控计算机上做冗余配置。嵌入式实时操作系统采用VxWorks，由信息采集、球控计算、任务控制和控制输出四个模块构成，每个模块都是一个独立的进程。VxWorks采用优先级抢占式使用CPU，如果优先级相同则通过时间片轮询，系统优先级从高到底可以从0到255共256个优先级使用。其中控制输出是优先级最高的为40，因为要保证控制命令的实时性；其次是信息采集为55，因为其接收来自传感器或其它网络信息不能让对端等待太久保证信息的时效性；再次是任务控制模块为80，其主要是定期轮询各个传感器、网络设备、看门狗等设备定期采集或发送心跳喂食等；优先级最低的是球控计算，其主要是从信息采集模块的缓冲区中获取信息，根据各种状态进行逻辑处理，再将处理结果写入命令缓冲区。

地面站上的控制软件系统是基于Java7实现的，数据库采用Mysql作为数据库平台。其由通信交互模块、信息解析模块、控制模块、状态故障处理模块和用户交互模块构成。

通信交互模块是双向的通信模块，其即负责接收来自球上系统的信息，如球上传感器信息，获取来自球控系统处理后的信息。也用于发送地面站上的控制软件系统发给球上系统的控制信号。

信息解析模块用于解析来自球上传感器信息，以及来自球控系统处理后的信息，解析后以消息形式发送给控制模块。如解析气囊压力传感器的压力信息、解析球上风速风向信息、解析气球姿态信息、解析故障告警等信息。

控制模块接收来自信息解析模块解析后的信息，根据该信息的不同类型做不同的处理，如果是故障信息则交给状态故障处理模块处理，否则由其自身处理。如对气球姿态信息在对比预设参数后进行调整并输出给用户交互模块展示给用户。

状态故障处理模块接收来自控制模块接收到的故障信息，其可以处理如球上或地面系统工作异常、气囊压力异常、通信链路故障或球控计算机故障等故障，以告警形式输出到用户交互模块。一般告警有优先级、告警级别、告警源、告警原因和处理意见等信息。

用户交互模块，可根据不同的类型的信息以图形化方式展示给用户，如气球的3D虚拟姿态图像，各个设备的工作状态定位等信息。当接收到告警，则根据告警级别，告警源定位到气球上不同的位置，以不同的颜色和声音通知给操作用户。

 

3.5 本章小结

本章先从现实系统需求出发，分析了以往系统多采用单任务、直接控制硬件中断的方式完成一些相对简单的工作的特点。而近年的现实需求，逐步往多任务，任务调度复杂的需求靠拢，这就使得传统方式无法满足要求，这就需要所选实时操作系统能够支持任务管理、任务间互斥及同步、中断、内存管理、文件系统等软件功能，还必须考虑系统支持的硬件环境。同时在软件工程的角度，还需考虑其后期可移植性和可维护性。最终，本系统选择已经成熟应用于航天、航空和导弹领域的VxWorks作为平台的实时操作系统。

系留低空控制系统硬件平台设计由两个部分构成，即地面锚泊系统和浮空部分。地面锚泊系统包括系留及停泊装置、能源模块、地面通信模块和监视控制系统等几个部分构成。浮空部分则包括：结构部分、浮空通信模块、能源控制模块、测控系统、避雷装置和照明系统。系统设计主要从硬件和软件两个方面进行，硬件设计主要集中在上下两个通信模块、空中的测控系统及地面的监视控制系统；软件设计主要包括两个方面一方面是在球控计算机上的嵌入式软件，另一方面是在地面站上的控制软件。

由于应急通信系统的外部环境比较复杂极端且恶劣，所以对于系统的可靠性设计是设计的关键，在硬件的设计上通信和计算两个部分均采用了不同形式的冗余方案保障可靠性。球控计算机通过双机切换板保证了两套球控计算机可以在故障的时候及时切换，即使两套球控计算机均出现故障也可以通过地面控制保障球控的三重冗余设计；有线和无线两套通信方式保证了系统通信出现故障的时候依旧可以有效完成信息的采集及控制信号的传输。

球控计算机上以VxWorks作为实时操作系统平台以保证多任务、实时性等系统需求，而其主要应用功能包括对阀门、风机、载荷设备的控制；对传感器数据的信息收集解析及传感器的控制；与地面通信站的实时通信。地面站上的控制软件以通用Linux作为系统平台，利用跨平台、移植性好的Java作为基础控制开发软件，其有着良好的人机交互界面，并采用稳定且开源的Mysql作为数据库系统存储应用数据。最终，系统根据由嵌入式应用的球控计算程序发起的球控流程和由地面监视控制系统发起的操控流程完成对整个系留低空控制系统的控制。

借助系留气球将中继通信荷载升空后，重点设计就是中继通信本身，下一章将重点放在平台的荷载及浮空平台本身的通信控制上，即应急中继通信系统和系留气球通信控制系统。

 

第4章  应急现场通信子系统设计

4.1 应急系统概述

根据上文系统定义中，本系统的应急现场通信子系统，主要处理的信息是音频、图像、视频信息和文本等信息。系统为满足超视距的通信应用场景，采用浮空平台作为载体通过中继通信的方式完成整个应急通信系统。上一章节中已经完成了浮空平台的设计，本章着重于浮空平台的载荷任务即通信中继系统的设计。

上述信息中语音通话业务是最为基础也最为重要的一个通信业务，其要求通信的实时性、可靠性和保密性，因此采用窄带传输更为合适。而图像、视频信息和文本等信息对于信息的延时和可靠性相对较低，但是信息量较大，所以采用宽带传输更为合适。

对于窄带传输，在应急救援中为了确保通信的隐秘性和提高抗干扰能力，需要采用跳频技术。其是相对于定频而言的，跳频本身是设置一个跳频规律，只要窃听者不知道这一规律很难截获信号。另一方面，采用跳频也可以提高抗干扰能力，因为即使有些频段被干扰，信号依然可以工作在其它频段。跳频通信一般用于窄带通信，因为其是瞬时窄带系统，并且其可以很好的兼容其它的窄带通信系统。 常规而言通信双方的跳频图案是协商一致的，同步的按照相同的跳频规律跳变。但是由于救援工作的特殊性，提出了自适应跳频，并增加相应的频率自适应和功率自适应。本论文主要采用350MHz的警用专用频段的跳频通信。

由于跳频主要满足窄带业务的需要，对于宽带业务则通过其它频段的微波传输。所谓微波通信是指利用波长在1m~1mm，频率从300MHz~300GHz的电磁波做信息载体的通信方式。由于其绕射能力弱，其容易被反射，所以通过浮空平台可以使其避开障碍物。由于其一般直线传播，所以在视距范围内传播，只有通过中继接力的方式可以使其成为超视距的传播。由于其频宽范围大，所以可以利用微波中继组件多媒体、影像、数据、文本的传输。目前主要应用于系留气球进行无线通信频段是UHF，这也是由于系留气球和无线电传播原来决定的。本文也主要采用UHF作为主要通信频段进行设计。

由于应急通信存在其环境的复杂性和特殊性，在设计上窄带设备和宽带设备是分离的，他们具有独立的供电系统、独立的电路板和接口，可以说是两套完全分离的设备。

 

 

4.3  宽带通信系统 

在系统设计上宽带通信需要考虑适用性和有效性方面来考虑，基于这三点VHF/UHF均能符合。就适用性而言，目前大多数系留气球的无线通信都采用VHF/UHF频段作为宽带传输。这是由于浮空平台将通信设备带到高空，而VHF/UHF以近似于直射波的形式传播，到了一定高度其受地球曲率和地形的影响就很小了。由公式（2.2）可知，设备天线越高则其覆盖范围就越大，那么作为中继的两端如果都上升到一定高度时，其相应的传播距离也就更远。根据这一物理特性决定了VHF/UHF是非常适用于浮空平台的宽带中继的。

通信距离和质量是衡量有效性的参考指标，在设计上需要考虑发射机辐射功率、天线效率、接收机性能等诸多因素。根据公式（2.2）可知，当平台高度在300米左右，其覆盖半径大约为71千米，覆盖面积约为3.1万平方公里左右。相比卫星的覆盖面积，虽然系留低空的覆盖面积要小，但是若以卫星的高度其信号强度要达到系留低空相同的效果则需要数万倍的发射功率。因此，采用系留低空其发射功率相对较低，通过中继通信可以在应急场景达到卫星类似的效果，但是价格非常低廉。相比地面微波通信中继系统，其距离更远覆盖面积更大，当升空至300米左右相当于2座地面站的效果。

就中继需求而言，主要集中如下方面：

1）设备供电通过浮空平台荷载适配电源供电，设备输出功率不大于3W；

2）所用VHF/UHF频段在2.4GHz的实时宽带信号转发；

3）由于升空需求灵敏度可达-138dBm以保障2.4GHz传输条件下71km左右的远距离通信需求；

4）其动态范围不低于-60dB以保障在转发带宽范围即时出现强信号的时候也能正常工作；

5）对系留气球设备无电磁干扰，保证电磁兼容；

6）满足浮空平台的荷载要求，即重量轻、体积小、功耗低。

中继的转发过程是首先被系留气球荷载中继通信设备接收被转发信号然后变频再转发给地面接收设备，地面设备接收后做信号还原，最后功分输出多路信号解调制，因此设计时会设计空中中继接收和地面还原多路调制两套系统。系留气球上的空中中继转发设备作用是接收中继VHF/UHF信号，再还原成N波段信号通过转发天线发射给地面设备。地面接收设备的作用是接收被转发的N波段信号，将其变频为VHF/UHF信号，然后通过功分器输出多路信号交由解调制处理。

空中中继转发设备的供电部分由系留低空控制系统进行控制，其由四个模块构成：低噪放模块、中频处理模块、变频模块和功率放大模块。如下空中中继转发设备结构框图所示：

 

低噪放模块负责接收VHF/UHF信号并放大输出给中频处理模块，这一级为信号预放大对整个系统起到关键作用，选用合适的放大芯片是解决噪声系数的关键。

中频处理模块对信号继续放大，起到二级放大的作用和滤波的作用。其中滤波采用了多路电调滤波，可以将多个窄带并行传输以避免强干扰信号对整个频带的功率压制。

变频模块是将VHF/UHF信号转变为N波段信号。本模块的关键是选用符合2.4GHz带宽要求的芯片。

功率放大模块将N波段信号继续放大，起到第三级放到的作用以提高射频信号的增益，满足输出功率需要。

地面接收设备由噪声放大器、变频、中频处理器、2.4GHz的本振及电源模块构成。此外，所用放大器、衰减器、功分器均为符合2.4GHz宽带器件。地面接收设备框图如下所示：

 

根据设计需求设备输出功率不大于3W，地面设备距离系留气球约为300~400米的距离，加之存在N波段的高频载波信号，因此到达地面接收端可能存在信号迅速衰减的现象，这就要求信噪比在25dB。

通过升空实验检验系统设计的效果基本符合预期。实验过程是首先设立一个距离地面终端约70km左右的发射源，发射功率为20W。当系留气球停泊地面是信噪比在[0~1]dB范围，随后系留气球荷载中继设备逐步攀升至离地约400米左右的空中，通过频谱分析仪对地面设备的信噪比和电平进行检测。其信噪比结果如下图：

 

如上图所示，随着系留气球的攀升，中继转发能力也逐步提高，基本符合预期结果。因此，本系统设计基本可以达到设计预期，满足设计需求能够应用于应急通信的中继需求。

 

4.4  本章小结 

本章主要介绍了应急现场通信子系统的设计，其主要是以中继方式完成超视距的信息传输。由于系统主要传输的信息是音频、图像、视频信息和文本等信息。为满足上述信息的中继传输需求，分别采用了窄带和宽带两种传输手段。窄带通过350MHz的警用专用频段的跳频通信，主要中继语音通话业务。多媒体及文本信息采用VHF/UHF频段的无线通信技术作为中继载体。

采用350MHz的警用专用频段的跳频通信，即通信双方的跳频图案是协商一致的，同步的按照相同的跳频规律跳变。但是由于救援工作的特殊性，提出了自适应跳频，并增加相应的频率自适应和功率自适应。最终开发出XN2500HTD系列自适应跳频网络电台，经过测试系统达到设计要求，满足应急通信对自适应跳频网络电台的需求。

将宽带设计为满足设备供电通过浮空平台荷载适配电源供电，设备输出功率不大于3W；所用VHF/UHF频段在2.4GHz的实时宽带信号转发；由于升空需求灵敏度可达-138dBm以保障2.4GHz传输条件下71km左右的远距离通信需求；其动态范围不低于-60dB以保障在转发带宽范围即时出现强信号的时候也能正常工作；对系留气球设备无电磁干扰，保证电磁兼容；满足浮空平台的荷载要求，即重量轻、体积小、功耗低。

从信号的收发过程考虑，设计了两套系统即空中中继接收和地面还原多路调制。空中中继转发设备的供电部分由系留低空控制系统进行控制，其由四个模块构成：低噪放模块、中频处理模块、变频模块和功率放大模块。地面接收设备由噪声放大器、变频、中频处理器、2.4GHz的本振及电源模块构成。最后通过试验，设计基本可以达到设计预期，满足设计需求能够应用于应急通信的中继需求。

到目前位置已经完成了系留气球及控制部分和中继通信荷载的设计，那么将其升空后，如何优化部署能够保障最大化覆盖率问题将是下一个设计重点。下一章将重点浮空通信平台的位置优化部署上，即要找到一个能够有效的部署以提高网络的覆盖范围和服务质量的方法。

 

第5章  部署优化设计

5.1.浮空平台位置部署问题分析

5.1.1问题分析

中继网络的部署优化问题，就是要找到一个可以有效的部署方法提高网络的覆盖范围和服务质量。就目前的关于中继网络部署的理论研究主要集中在两类场景，即设备覆盖范围固定的情况和设备覆盖范围不固定，且收到资源配置限制因素。

设备覆盖范围固定，是指每个设备覆盖的范围是以设备为圆心半径为Rs的圆，两个通信距离在Rc范围以内。

通常在运营商的中继网络中，每种设备有着不固定的覆盖范围，且受到功能控制、设备配置和系统性能等因素的限制。在每个给定目标区域的情况下，要给出一个系统最优的设备部署。

就本论文讨论的范围而言主要集中在设备覆盖范围固定的应用场景。一般而言，在系统性能固定的情况下，考虑设备部署覆盖范围最大化是最优的结果。而信道容量和中断概率是衡量系统性能的两个常用指标。其中，中断概率是指接收端信噪比低于给定门限的概率即传输失败的概率；而信道容量则是指发端通信链路所能达到的数据速率的上限。

目前学术界主要采用规则图样或者非规则图样两种方式部署设备。规则图样适用于规则平面或无界，而非规则图样相反适用于有限且不规则的平面。

当采用规则图样部署设备时，平面被划分为规则的部署图样。设备被部署在图样的顶点处。最优的部署图样部署最少的设备为平面提供p覆盖q连通。在p覆盖约束下，平面上任意一点至少p个设备的距离不大于Rs。在q连通约束下，每个设备至少在q个距离不大于Rc的相邻设备。

典型的移动通信架构蜂窝网络，在每格区域设置一个基站，其形状类似于“蜂窝”的结构。正三角形为1覆盖0连通约束下的最优部署图样，以设备为中心其覆盖区域为6个正三角形，构成一个正六边形。其结论是以相同半径的圆形覆盖平面，当圆心处于正六边形的中心，那么所用圆的数量最少。即投入最少的设备，保证了覆盖率。

但是，一般的p覆盖q连通约束下的最优部署图样依然是个开放性问题。应急通信中地形一般不是规则的平面，且通信也是也是有限范围内的。而非规则图样采用数值仿真算法获得设备部署点，通过数值仿真算法考虑目标区域的形状、障碍物等因素。显然，应急通信的中继网络部署优化，是需要通过非规则图样方式优化部署的。

5.1.2非规则图样

非规则图样一般采用数值仿真算法，其算法主要包括粒子群优化算法、遗传优化算法、计算几何算法和虚拟势场算法等。简而言之，非规则图样算法，无法通过多项式时间内求解，即是一个NP问题。实际场景中中继网络覆盖优化，很早就已经被证明了在很多场景下是一个NP完全问题，这个问题是由于实际应用中部署环境差异、网络配置以及覆盖目标等特性导致的。所以覆盖只能达到近似最优解，并且存在误差，且执行效率无法保障，因此所用算法主要是考虑如何降低误差，且控制执行精度的前提下提升执行效率。

计算几何算法主要兴起于1970年左右，计算几何算法基于几何图形，求解实际的优化问题。在设备部署领域，计算几何算法采用的几何图形主要为Voronoi图和Delaunay图。当采用Voronoi图时，平面被Voronoi图分为若干多边形区域，每个区域包含一个设备作为节点。区域内任意一点到该区域中的相邻设备部署点构成Delaunay图。即Voronoi图的多边形区域代表设备的覆盖范围，Delaunay图的顶点代表设备的部署点。

粒子群优化算法是1995年，Russell Eberhart和James Kennedy提出的，该算法通过一群粒子的随机移动搜索优化问题的最优解。基于评价准则，记录已经搜索的粒子中的最优粒子。当前时刻，粒子的移动方向取决于记录的最优粒子和随机扰动。

将应急通信的中继网络优化目标定义为最大化覆盖率范围问题，其评价准则就是最大化平面的覆盖率。平面的覆盖率可以通过将平面划分成若干个区域，所覆盖的区域占平面划分的区域总数的比值表示。不同的中继设备可以理解为多个在平面上有区别的点，若按最邻居关系划分平面，且每个设备与他Rc范围的区域关联，那么就构成了一个中继网络的Voronoi图，覆盖率就通过其覆盖Voronoi连接点数的比率。可以利用改进粒子群优化算法，中继设备的个数通过粒子群的个数表达，每个粒子群中的粒子代表一个设备的位置信息，粒子的降维操作可以有效降低算法的复杂度。

遗传优化算法是上世纪70年代有John Holland提出的，其思想基于达尔文的进化论，其本质就是通过遗传机制和自然选择进行择优搜索。其过程是，首先初始化多个候选解作为父代；根据遗传、突变产生子代；最后根据优化目标从父代和子代中选择优良品种形成新的候选。经过若干次迭代直到最终结果。可以将不同的中继设备的不同覆盖范围作为候选，优化目标设置为最少设备最大覆盖范围，进行迭代优化。

虚拟势场算法是1986年Oussama Khatib提出的，在设备部署领域，根据优化目标、障碍物、设备间距离等因素，构建虚拟势场。根据虚拟势场构建力场。力场包括引力场和斥力场。引力场使得设备向提高系统性能的方向移动。斥力场使得设备与障碍物和相邻设备保持一定的距离。但是采用该算法的设备主要为移动设备，所以不适用于本文所探讨的中继网络。

本论文主要采用粒子群优化及其改进算法，借鉴Nor等人提出的利用Voronoi Diagram覆盖优化算法，提出自己的覆盖优化算法。在标准粒子群算法的基础之上，改进其再搜索高维函数时容易出现的容易陷入局部最优化的缺陷，并且在搜索局部最优的时间内，有充足的时间搜索出尽量多的局部最优值，而后使的改进后的PSO能在较短的时间内由进入全局最优，改进的PSO收敛速度以及搜索能力都得到提高。结合以无线中继网络为基础的适应度函数，计算出最优覆盖方案。通过将Voronoi图和PSO算法结合的覆盖，提出混合无线中继网的覆盖优化策略。并在传统的求解最大覆盖率的方法上，把最大化问题通过适应函数转化为最小化问题，间接的求解全局的最优覆盖。

 

5.1.3 算法性能的主要指标

应急中继网络的服务质量与可靠性，都与其部署策略及覆盖优化算法有很大关系。而应急系统除了要求部署覆盖率高还要求及时，因此一个好的评价标准对于分析连通覆盖问题起着关键作用。一般来说通过下述指标能够较好的评价算法的优劣。

1）覆盖能力：中继网络是以网络中继转发控制为主要目标，因此它对其通信覆盖能力有要求。

2）系统性能：中继网络最终还是一个通信网络，因此其网络节点间的连通性、网络服务质量、信道容量和中断概率是衡量系统性能常用指标

3）网络生存时间：由于采用系留气球作为浮空平台，且是在发生灾难的前提下部署的应急通信中继网络，其外部环境比较恶劣，如综合缆绳故障导致控制和供电问题，天线损毁导致通信问题。因此，算法必须考虑这类约束。

4）算法精度：由于应急通信中继网络已经被证明是一个NP完全问题，所以所采用的数值优化搜索算法，比如会产生误差，如何减小误差提高算法精度，这是算法选择和优化的关键内容之一。

5）算法复杂性：由于同一个算法，其实现的不同可能导致其算法的复杂性差异。算法复杂度一般可以转化为时间复杂度、实现复杂度和通信复杂度来综合考虑。

除了上述讨论的指标，现实情况还需针对环境、成本、网络动态性和可扩性等考虑，同时网络协议有效包、控制报文等也是要综合考虑的。

 

5.2.基于改进粒子群优化算法的浮空平台位置部署方法

5.2.1 标准粒子群优化算法

粒子群算法与遗传、蚁群等算法相近，都是通过对“群体”与“进化”这种相同概念加以利用，算法在每次迭代过程中根据对个体通过适应度函数数值评估其进化结果选择下一代，反复迭代快速收敛。但是微粒子群算法又与以往的进化算法有差异，其将每个粒子个体理想化为在多维搜索空间中没有重量没有体积的一个粒子，并在设定的多维搜索空间中以相应的速度移动，粒子个体以往的移动数据以及群体历史移动数据都和每个个体当前的移动速度紧密联系，个体移动必须依据此来做出动态调整。当前的所有关于粒子群算法的理论都是基于在带惯性权重的粒子群算法的研究基础之上的，只在其上进行一定的扩展或改进，试图研究出变异粒子群算法以适合某个特定的应用领域。为此，国际上定义了一种标准粒子群算法（BPSO）。

最早1995年Kennedy和Eberhart提出的算法参数是固定的，而且速度更新公式里没有引入惯性权重这个参数，虽然他们所提出的算法在很多方面性能比其它进化算法都具有一定的优势，但对于某些领域的实际应用归纳出来的特殊优化函数角度比较差。随着粒子群的研究发展，各种新思维的出现，粒子群算法的创始人Shi和Eberhart在深入研究及改善算法的工作中，受到各种启发而提出惯性因子w线性递减的改进算法，惯性权重的引入，粒子群算法在各个性能均得到了改善。随着粒子群算法的推广，更多领域的研究人员加入进来试图把粒子群引入相应的领域，更多的粒子群算法被开发出来应用与不同的领域。随着越来越多的理论及实际应用研究的进行，国际上逐渐形成了一致的做法，就是把惯性因子的粒子群算法为标准粒子群算法。

粒子群算法需要综合考虑搜索空间的维数、粒子群的个体数目等因素进行迭代进化。每次迭代其算法都会根据以下(5.1)和(5.2)公式更新粒子的移动速度和位置。

  (5.1)

(5.2)

 

其中i=1,2……，m，d=1，2，……D。m为粒子群的个体数目，D表示搜索空间的维度，k为当前进化次数。v表示粒子的移动速度。则表示第i个粒子的第d个维度的下一代粒子的移动速度。w表示惯性权值，由公式(5.3)表示。那么就是要参考当前代的移动速度并结合惯性权值。r₁和r₂为[0,1]之间的随机数，c₁和c₂是加速因子，z表示粒子个体在D维搜索空间中的矢连位置。p_i和p_g分别为第i个粒子个体在截止本代的最优值和整个粒子群在截止本代的最优值。那么公式(5.1)表述的就是第i个粒子的第d个维度的下一代粒子的移动速度,是由当前代的移动速度并结合惯性权值，并考虑上两组随机值固定的加速因子与个体最优及群体最优下的位移。所以其即考虑了个体因素又考虑了群体因素，并且还加入了惯性权值的概念。(5.2)表示下一代位置的调整是由下一代的速度与本次的位置和决定的。

其中，惯性权值公式如下：

(5.3)

其中w_max、w_min、iter_max分别为当前最大惯性权值、当前最小惯性权值和最大进化次数，k表示第k次进化。显然，惯性权值的引入对算法的影响比较大。因此，目前诸多研究中，都在对此项加以调整以适应自身领域的应用，换句话说改进粒子群算法的主要工作就是调整该权值项。

 

5.2.2改进粒子群算法

随着粒子群算法的发展，研究者提出在公式中引入一些参数可以提高算法的搜索能力，因此惯性权值就被引入到粒子群算法以达到此目的。创始人Shi和Eberhart将惯性权值引入是开拓性的，这给粒子群算法在不同领域的应用优化带来了极大的适应能力。

对于本文的应急中继网络覆盖优化问题上，粒子群的适应度函数是一个高维函数，如果采用标准的粒子群算法对高维函数进行搜索，那么搜索结果必然出现失真。为此，基于相关研究成果对高维函数的改进，根据目前的应用需求结合线性代数对算法进行定量分析，对惯性权值公式（5.3）改进得出如下公式：

   （5.4）

对比公式（5.3）与公式（5.4），若设Wmin=0，Wmax=1很明显公式（5.4）的惯性权值w随着迭代次数的增加会出现更为显著的线性向下的收敛。公式（5.4）所得函数呈现一条曲线，而公式（5.3）则呈现一条直线，这就说明了新的公式可以对高维度适应函数的规律在粒子群算法执行过程中动态分配时间，而不是简单的线性均匀分配时间。从而也就是说明了改进的公式（5.4）能够更好的应用于应急中继网络覆盖优化问题上。

之所以这样改进，其本质就是由于算法执行早期改进后w变化缓慢，这就可以让算法可以在成千上万的适应度函数值中仔细搜索，尽可能把局部最优值都搜索出来，保证了局部搜索最优解。而算法执行到中期，斜率变化就非常迅速了，迭代次数的增长依旧但是搜索范围很快减小，搜索算法也就不会陷入局部最优。而到了末期，情况与早期搜索类似就利于在高维适应度函数中找到全局最优解。

将公式（5.4）带入到公式（5.1）可以得到如下公式（5.5）形成优化后的粒子群算法。

  （5.5）

假设中继网络区域为二位平面定义为A区域，在A区域内投放若干浮空中继节点，若每个中继节点间电波发射/接受半径R和中继通信覆盖半径r相同，部署N个中继节点，则中继节点集合Z={z1,z2,z3,z4……,zn}，其中zi=，其中（Xi,Yi）表示中继节点在A区域中的坐标，r为检测半径，则以（Xi,Yi）坐标为圆心，r为半径的圆就是zi的覆盖范围。

为方便处理可以将区域A栅格化为m * n的点阵，点阵上的任意点I的坐标可以表示为（X,Y），点I是否被覆盖可以理解为点I到中继节点的距离是否小于等于r。距离可以通过如下公式（5.6）表达：

 （5.6）

判断任意点I是否被覆盖，可以通过如下公式（5.7）表达

   （5.7）

即在距离范围内就是被覆盖，否则没有，其取值只能是1或0。如果中继节点足够多，那么完全可能出现一个点被多个中继节点覆盖。若Z^’为Z的子集，若A(Z^’)为A中被Z^’覆盖的点，则覆盖率可以定义为公式（5.8）：

   （5.8）

若在区域A栅格化后有m个坐标点，若随机分布D个中继通信设备，则整个粒子群有m个粒子，每个粒子有D个维度。综合考量多种版本的粒子群算法，本文采用基于离散二进制实现的粒子群算法（BinaryPSO，BPSO），因为其具有良好的性能，且实现合理。离散二进制就是将D个维度以二进制0或1串的形式表示，即第i个粒子Xi=……,dn>,其中dn∈[0,1]。对于0或1的选择，通过sigmoid函数返回p，再在(0,1)范围生成随机实数r，若r则di=1否则di=0。sigmoid函数通过公式（5.9）表示：

  （5.9）

可按如下流程实现BPSO，具体流程如下：

1）根据栅格化给定m个粒子，及迭代次数和预期覆盖率

2）在给定一个速度范围，然后根据速度范围随机生成初始速度；

3）结合公式（5.9）初始化每个粒子的D维序列；

4）根据公式（5.7）和（5.8）计算覆盖率Yi，即每个粒子中各个维度的覆盖率序列；

5）根据公式（5.5）更新粒子的速度，根据公式（5.9）跟新粒子的位置；

6）重新计算每个粒子的区域覆盖率，然后与pi比较，如果新的覆盖率高，则重置pi；

7）根据公式（5.8）重新计算所有区域的覆盖率，与pg比较如果新的值高则更新pg；

8）判断是否达到迭代次数或已经满足预期覆盖率，如果是就退出，否则就返回3）继续。

根据上述程序流程通过Java7开发语言，进行模块化设计，实现粒群子类、迭代模式类、算法流程控制类，在设计数据接口。程序可以自动提取地理信息系统的区域栅格数据，读取程序的默认初始化，然后自动粒子群化，通过BPSO计算出最优结果以报表形式展示最终用户。最后，将此中继覆盖率优化算法变成服务接口，供地面控制中心访问输出浮空平台的优化决策支持建议。

 

5.3仿真实验与分析

在Linux内核2.6下搭建Java7的运行环境，硬件由主频为2.2GHz双核CPU、4G内存、硬盘为320G组成。部署开发后的应用程序，从地理信息系统中读取20*20的栅格数据，模拟部署20个浮空中继设备，设中继设备间的通信半径为3个单位，覆盖半径为6个单位，且每个中继的效果一致，将初始化参数配置到预配置文件中，Vmin=0，Vmax=6，Wmin=0，Wmax=1，iter=2000。

运行仿真程序，得到如下图所示的效果：

如上图所示，覆盖率接近78%，所部署的浮空中继只需要9套，且每套浮空中继的见还可以继续中继传递。最终，算法设计通过仿真实验与分析，根据分析结果证明了算法设计基本符合预期设计，能够很好的优化应急通信的中继网络覆盖率。虽然算法在中继规模较大的场景下，覆盖率的性能不是非常理性，但是基本可以满足实际应用。并且其算法实现简单可靠，易于后期维护，切收敛速度非常快，因此算法的实际应用价值较高。

 

5.4本章小结

本章在前述章节的基础上，主要研究系留气球浮空平台载荷中继通信设备的中继网络覆盖优化问题。中继网络的部署优化问题，就是要找到一个可以有效的部署方法提高网络的覆盖范围和服务质量。主要采用粒子群优化及其改进算法，借鉴Nor等人提出的利用Voronoi Diagram覆盖优化算法，提出自己的覆盖优化算法。

覆盖优化算法主要是以惯性权值为切入点，对原始公式进行改进以满足应急中继网络覆盖优化问题。然后通过Java7开发语言实现基于离散二进制粒子群算法（BinaryPSO，BPSO）。通过模块化设计，实现粒群子类、迭代模式类、算法流程控制类，在设计数据接口。程序可以自动提取地理信息系统的区域栅格数据，读取程序的默认初始化，然后自动粒子群化，通过BPSO计算出最优结果以报表形式展示最终用户。最后，将此中继覆盖率优化算法变成服务接口，供地面控制中心访问输出浮空平台的优化决策支持建议。

最终，算法设计通过仿真实验与分析，根据分析结果证明了算法设计基本符合预期设计，能够很好的优化应急通信的中继网络覆盖率。虽然算法在中继规模较大的场景下，覆盖率的性能不是非常理性，但是基本可以满足实际应用。并且其算法实现简单可靠，易于后期维护，切收敛速度非常快，因此算法的实际应用价值较高。

 

第6章  总结与展望

我国是自然灾害多发国，近年来应急通信的发展逐步成为主流趋势。在应急通信领域中空基通信信息平台是近年国内外的发展趋势，目前空基通信信息平台是我国信息化建设中的薄弱环节，其中超视距通信主要手段有短波通信和卫星通信。本文采用将浮空平台与中继通信相结合的设计思想，结合粒计算的部署优化策略，以填补这方面的应用不足。截止本章，基于智能空间布局优化的系留低空应急通信系统设计已经基本完成。

本文根据应急通信的基本需求及通信部署灵活简便，能够第一时间构建并回复灾害发生地的通信链路的要求。主要解决超视距的微波中继，并通过浮空平台升高天线减少投入成本快速应急，再通过空间布局优对部署决策提供有效支撑。因此，提出设计三个子系统，即应系留低空控制子系统、急现场通信子系统和空间布局优化子系统。

应急现场通信子系统，主要处理的信息是音频、图像、视频信息和文本等信息。一方面，中继链路采用多套超短波电台构成，电台设置相同的工作参数保持通信。另一方面，系留地面站与系留球系统之间的控制通信也是采用网络通信方式，本系统采用双备份的通信联络，及有线的综合线缆光纤通信和在光纤出现故障时的无线通信链路。

系留低空控制子系统，主要由空中部分和地面锚泊系统构成。空中部分搭载通信系统完成中继及控制浮空飞行等工作；地面部分主要由绞车控制其升空高度、回收等工作。另外，地面与空中的链接所采用的系留缆绳为系留缆、通信光纤和电缆三合一的设计。即能够控制系留气球的高度及空中姿态，还能够提供能源并和防雷装置配合起到避雷作用，同时还可以为系留球的其他模块相互通信提供控制通信支持。

空间布局优化子系统，主要采用粒子群优化及其改进算法，借鉴Nor等人提出的利用Voronoi Diagram覆盖优化算法，提出自己的覆盖优化算法。在标准粒子群算法的基础之上，改进其再搜索高维函数时容易出现的容易陷入局部最优化的缺陷，并且在搜索局部最优的时间内，有充足的时间搜索出尽量多的局部最优值，而后使的改进后的PSO能在较短的时间内由进入全局最优，改进的PSO收敛速度以及搜索能力都得到提高。覆盖优化算法主要是以惯性权值为切入点，对原始公式进行改进以满足应急中继网络覆盖优化问题。然后通过Java7开发语言实现基于离散二进制粒子群算法（BinaryPSO，BPSO）。通过模块化设计，实现粒群子类、迭代模式类、算法流程控制类，在设计数据接口。程序可以自动提取地理信息系统的区域栅格数据，读取程序的默认初始化，然后自动粒子群化，通过BPSO计算出最优结果以报表形式展示最终用户。最后，将此中继覆盖率优化算法变成服务接口，供地面控制中心访问输出浮空平台的优化决策支持建议。

同时本文在一些设计上也存在一些不足，主要在如下几个方面：

1）在天线设计上存在一些不足，如可以在中继系统的地面部分增加天线伺服跟踪分系统与系留气球的姿态结合以跟踪发射天线，以提高信号功率和质量。

2）算法在中继规模较大的场景下，覆盖率的性能不是非常理性，同时收敛速度仍有待提高。

后续本系统还将持续开发，在实际环境接受检验，由实际环境及用户提出更多的宝贵意见，逐步完善次序改进。