无人机通信链路退化保护与断联风险预测

本项目面向低空无人机任务中的无线链路退化问题。模块综合接收信号强度、端到端延迟、丢包率、遥测陈旧度和 RSSI 趋势，输出 HEALTHY → DEGRADED → HOLD → RETURN → LINK_LOST 保护状态以及任务建议。

与仓库已有任务安全模块的区别：

  • uav_mission_safety_manager 关注航点、返航、降落和遥测超时；
  • 本模块聚焦无线链路从“还能用”到“即将不可用”的连续退化过程；
  • 输出包含指数平滑质量、RSSI 回归斜率和到达风险阈值的预计时间，可用于提前降速或返航。

1. 风险计算

单项风险经过归一化后加权：

状态阈值默认为：

状态 风险条件 建议
HEALTHY R < 0.35 正常继续
DEGRADED 0.35 ≤ R < 0.62 降低任务速率
HOLD 0.62 ≤ R < 0.78 原地保持并重试
RETURN R ≥ 0.78 或丢包率 ≥ 0.55 返回安全点
LINK_LOST RSSI ≤ -93 dBm、延迟 ≥ 600 ms、丢包 ≥ 0.80 或遥测年龄 ≥ 1.6 s 交由飞控故障保护

除 LINK_LOST 外的状态需要连续 3 帧确认，降低阈值附近的抖动。

2. ROS 2 接口

话题 类型 方向 说明
/uav_link/quality std_msgs/String 输入 原始 RSSI、延迟、丢包和遥测年龄 JSON
/uav_link/assessment std_msgs/String 输出 风险、EWMA、趋势和预计到达风险阈值时间
/uav_link/advice std_msgs/String 输出 任务级建议

模块只做链路评估，不直接向飞控发送返航或降落命令。实际系统必须把建议接入经过独立验证的任务管理与飞控故障保护。

3. 构建与运行

source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build --symlink-install --packages-select uav_link_outage_guard
source install/setup.bash
ros2 launch uav_link_outage_guard main.launch.py duration:=18

查看：

ros2 topic list | grep uav_link
ros2 topic echo /uav_link/assessment
ros2 topic echo /uav_link/advice

CSV 默认写入 /tmp/uav_link_outage_runtime.csv。

4. Humble 虚拟机实测

2026-11-10 在 Ubuntu 22.04.5 / ROS 2 Humble 的 VMware 虚拟机中完成：

Starting >>> uav_link_outage_guard
Finished <<< uav_link_outage_guard [0.64s]
Summary: 1 package finished [0.81s]

VM 内 8 项 unittest 全部通过。ros2 launch 启动 uav_link_quality_sim 和 uav_link_outage_guard 两个节点，连续运行 18 秒，记录 180 条有效 CSV 状态。

实际观测到的状态变化：

HEALTHY → DEGRADED → LINK_LOST → RETURN → HOLD → DEGRADED → HEALTHY

其中故障段最大风险约 0.91，恢复段风险逐步降至 0.06 以下。LINK_LOST 会立即触发；恢复过程经连续帧确认后逐级回到健康状态。

ROS 2 Humble 实际链路风险与 RSSI 曲线

5. 限制

  1. 场景中的 RSSI、延迟和丢包由确定性仿真生成，不是现场无线电实测。
  2. 权重和阈值是工程默认值，没有针对具体数传电台、频段和天线进行标定。
  3. RSSI 趋势只使用短期线性回归，突变遮挡仍依赖绝对质量阈值处理。
  4. 没有模拟多径、切换基站、卫星链路中断和飞控侧故障保护延迟。
  5. LINK_LOST 是软件评估状态，不代表真实飞行器已经自动执行故障保护。

6. 大模型使用声明

使用 OpenAI Codex 辅助完成代码、测试、文档和运行图生成；作者已逐项复核代码、参数和结果，并对提交内容、数据真实性和后续维护负责。