[發(fā)明專利]無人機中繼廣播通信系統(tǒng)航跡優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710276186.7
• 申請日: 2017-04-25
• 公開（公告）號: CN107017940B
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李冬霞;李春鳴;趙文強;劉海濤
• 申請（專利權(quán)）人: 中國民航大學
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185;H04W24/02
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 龐學欣

1.一種無人機中繼廣播通信系統(tǒng)航跡優(yōu)化方法，所述的無人機中繼廣播通信系統(tǒng)航跡優(yōu)化方法包括按順序進行的下列步驟：

1)建立無人機中繼廣播通信系統(tǒng)；

2)建立上述無人機中繼廣播通信系統(tǒng)的三維直角坐標系；

3)在信號傳輸?shù)牡谝粋€時隙內(nèi)，固定基站節(jié)點以某一功率ρ_B發(fā)射信號給無人機中繼節(jié)點,無人機中繼節(jié)點接收來自固定基站節(jié)點的信號；

4)在第二個時隙內(nèi)，無人機中繼節(jié)點以功率ρ_U采用放大轉(zhuǎn)發(fā)方式將接收到的信號廣播至用戶節(jié)點；

5)在第二個時隙內(nèi)，用戶節(jié)點接收上述來自無人機中繼節(jié)點的廣播信號；

6)確定T時刻無人機中繼廣播通信系統(tǒng)中用戶節(jié)點u_i的中斷概率近似表達式，并利用該表達式計算出無人機中繼廣播通信系統(tǒng)中所有用戶節(jié)點的中斷概率；

7)確定T時刻上述所有用戶節(jié)點中中斷概率最大的用戶節(jié)點的中斷概率；

8)根據(jù)上述中斷概率最大的用戶節(jié)點的中斷概率建立基于最大-最小化準則的無人機航跡優(yōu)化模型，并利用該模型尋找到最佳航向角；

其特征在于：在步驟4)中，所述的在第二個時隙內(nèi)，無人機中繼節(jié)點以功率ρ_U采用放大轉(zhuǎn)發(fā)方式將接收到的信號廣播至用戶節(jié)點的方法為：

無人機中繼節(jié)點接收到來自固定基站節(jié)點的信號后，采用放大轉(zhuǎn)發(fā)方式將接收信號y_U乘以一個增益因子G_U：

并以功率ρ_U轉(zhuǎn)發(fā)至各用戶節(jié)點；

在步驟6)中，所述的確定T時刻無人機中繼廣播通信系統(tǒng)中用戶節(jié)點u_i的中斷概率近似表達式，并利用該表達式計算出無人機中繼廣播通信系統(tǒng)中所有用戶節(jié)點的中斷概率的方法是：

T時刻，用戶節(jié)點u_i的中斷概率定義為該用戶節(jié)點接收機輸入信號的瞬時信噪比低于某一信噪比門限值γ_th的概率，其中用戶節(jié)點u_i接收機輸入信號的瞬時信噪比根據(jù)該用戶接收的信號計算得到，計算公式為：

其中分別代表基站到無人機中繼鏈路、無人機中繼到用戶節(jié)點鏈路不含路徑損耗的瞬時信噪比；

利用上述用戶節(jié)點接收機輸入信號的瞬時信噪比計算得到用戶節(jié)點u_i的中斷概率近似表達式為：

其中，γ_th代表信噪比門限值，和分別代表γ₁與γ₂的均值；

在上述三維直角坐標系中，考慮到無人機飛行高度始終為h，則T時刻，固定基站節(jié)點、無人機中繼節(jié)點及用戶節(jié)點u_i的三維坐標分別為b＝[R₀,0,0]^T，r_T＝[x_T,y_T,h]^T和利用上述各個節(jié)點的坐標能夠計算得到固定基站節(jié)點到無人機中繼節(jié)點間的距離d_B,U與無人機中繼節(jié)點到用戶節(jié)點u_i間的距離進一步整理得到T時刻用戶節(jié)點u_i的中斷概率近似表達式為：

最后利用該表達式計算出無人機中繼廣播通信系統(tǒng)中所有用戶節(jié)點的中斷概率；

在步驟7)中，所述的確定T時刻上述所有用戶節(jié)點中中斷概率最大的用戶節(jié)點的中斷概率的方法是：

利用最小P乘法的思想，得到圓形服務(wù)區(qū)域內(nèi)中斷概率最大的用戶節(jié)點的中斷概率計算公式如下：

其中，p為較大的正數(shù)；

根據(jù)無人機的運動模型，T時刻無人機的位置坐標r_T由式(8)所示的T-ΔT時刻無人機的位置坐標r_T-ΔT＝[x_T-ΔT,y_T-ΔT,h]^T及其位置時間更新方程：

得到；其中，ΔT代表無人機位置更新的周期，δ_T代表T時刻無人機的航向角，滿足|δ_T-δ_T-ΔT|≤δ_max，其中δ_max代表無人機的最大航向角；進一步整理得到圓形服務(wù)區(qū)域內(nèi)中斷概率最大的用戶節(jié)點的中斷概率表達式為：

其中，

在步驟8)中，所述的根據(jù)上述中斷概率最大的用戶節(jié)點的中斷概率建立基于最大-最小化準則的無人機航跡優(yōu)化模型，并利用該模型尋找到最佳航向角的方法是：

根據(jù)上述中斷概率最大的用戶節(jié)點的中斷概率建立基于最大-最小化準則的無人機航跡優(yōu)化模型為：

最后，采用一維搜索法在[δ_T-ΔT-δ_max,δ_T-ΔT+δ_max]區(qū)間內(nèi)在上述無人機航跡優(yōu)化模型中進行搜索即可尋找到最佳航向角。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無人機中繼廣播通信系統(tǒng)航跡優(yōu)化方法，其特征在于：在步驟5)中，所述的在第二個時隙內(nèi)，用戶節(jié)點接收上述來自無人機中繼節(jié)點的廣播信號的方法是：

在第二個時隙內(nèi)，圓形服務(wù)區(qū)域內(nèi)第i個用戶節(jié)點u_i接收的信號為：

其中，ρ_U代表無人機中繼節(jié)點發(fā)射信號的功率；代表無人機中繼節(jié)點到用戶節(jié)點u_i的距離；代表無人機中繼節(jié)點與用戶節(jié)點u_i之間信道的小尺度衰落系數(shù)，其建模為均值為零、方差為1的復高斯隨機變量；代表用戶節(jié)點u_i輸入的復高斯白噪聲，其建模為均值為零、方差為的復高斯白噪聲。