[發明專利]無人機自組網中基于航跡關系的中繼選擇方法、無人機

有效

• 申請號: 201910588296.6
• 申請日: 2019-07-02
• 公開（公告）號: CN110475205B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 蔣毅;張若南;李彬;何亦昕;唐曉;周德云
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H04W4/024
• 分類號: H04W4/024;H04W4/40;H04W24/06;H04W40/20;H04W40/22;H04W84/18
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

1.一種無人機自組網中基于航跡關系的中繼選擇方法，其特征在于，所述無人機自組網中基于航跡關系的中繼選擇方法包括：

第一步，構建一個無人機自組織網絡模型，該模型包含一個無人機或基站，G個地面基站節點GS和N個無人機節點；

第二步，基于無人機自組織網絡模型，構建通信節點之間的信息傳輸方案，并定義航跡信息；

第三步，基于通信節點之間的信息傳輸方案以及航跡信息，計算通信節點之間的航跡方向和傳遞概率；

第四步，基于通信節點之間的位置關系和傳遞概率，建立基于航跡關系的中繼選擇方法；具體包括；

(1)|ζ|＜π/2且α≥π/2且β≥π/2，或|ζ|＜π/2且α＜π/2且β≥π/2，選擇無人機作為中繼節點，源節點發送SI信息給中繼無人機，并由中繼無人機回復ACK信息給源節點；ζ是通信節點A和B飛行方向之間的夾角，α是與之間的矢量夾角，β是和之間的矢量夾角；是通信節點A在三維空間中的速度矢量；飛行速度矢量為是從節點A到自組織網絡通常由地面站GS的距離矢量，是從C到GS的距離矢量；

(2)|ζ|≥π/2且α＜π/2且β＜π/2，選擇基站作為中繼節點，源節點發送SI信息給中繼基站，并由中繼基站回復ACK信息給源節點；

(3)|ζ|＜π/2且α＜π/2且β＜π/2，或|ζ|＜π/2且α≥π/2且β＜π/2，將根據傳輸概率對中繼節點進行選擇，選擇方案如下：

P_GS,B≥P_A,B，選擇基站作為中繼節點，源節點發送SI信息給中繼基站，并由中繼基站回復ACK信息給源節點；P_A,B為預測的通信節點A和B的傳輸概率；SI是源節點需轉發給其他無人機或基站的信息；

P_GS,B＜P_A,B，選擇無人機作為中繼節點，因此源節點發送SI信息給中繼無人機，并由中繼無人機回復ACK信息給源節點；

(4)其他情況下，源節點將繼續持有SI信息而不進行轉發。

2.如權利要求1所述的無人機自組網中基于航跡關系的中繼選擇方法，其特征在于，所述第一步的無人機自組織網絡包含1+G+N個通信節點，地面基站與無人機進行信息雙向傳輸，網絡中任一節點均可作為中繼節點進行選擇。

3.如權利要求1所述的無人機自組網中基于航跡關系的中繼選擇方法，其特征在于，所述第二步的基于無人機自組織網絡模型，構建通信節點之間的信息傳輸方案，并定義航跡信息具體包括：

(1)采用機會式信息傳輸方案，采用存儲、攜帶、轉發機制進行信息傳輸：

1)源節點選擇無人機作為中繼，無人機將信息在本地予以存儲，在之后的飛行過程中攜帶此信息，并將信息轉發給合適的通信節點；

2)源節點選擇基站作為中繼，基站將信息在本地予以存儲，并將信息轉發給合適的無人機；

(2)每個通信節點都發送自身產生的航跡信息SI，SI是源節點需轉發給其他無人機或基站的信息，信息包含Vector、Position、Source、TTL、Message五部分；

其中，Vector是一個矢量信息，包含無人機的飛行方向與飛行速度兩方面信息；Position表示位置信息，通過GPS獲取；Source表示SI信息源的信息；TTL表示剩余信息有效時間；Message表示信息的具體內容；

(3)中繼節點或目的節點收到SI信息后會給發送SI信息的通信節點發送ACK信息予以回復，該信息包含Vector-A、Position-A、Number三部分；

其中，Vector-A表示回饋信息的通信節點速度矢量；Position-A回饋信息的通信節點位置；Number表示接收過SI信息的次數。

4.如權利要求1所述的無人機自組網中基于航跡關系的中繼選擇方法，其特征在于，所述第三步的基于通信節點之間的信息傳輸方案以及航跡信息，計算通信節點之間的航跡方向和傳遞概率具體包括：

(1)計算兩通信節點之間的相對飛行方向；

通信節點A需要發送消息，并且通信節點B是通信節點A的鄰居節點并且是潛在的目的或中繼節點；根據發送的SI信息與回復的ACK信息，計算兩通信節點之間的相對飛行方向，計算方式如下：

其中，和是通信節點A和B在三維空間中的速度矢量；A_VX是在X軸方向的分量，A_VY是在Y軸方向的分量，B_VX是在X軸方向的分量，B_VY是在Y軸方向的分量，ζ是通信節點A和B飛行方向之間的夾角；若兩通信節點之間中存在基站，則認為該節點的速度矢量為0；

根據計算結果，如果|ζ|＜π/2則認為通信節點A和B飛行方向相同，若|ζ|≥π/2則認為通信節點A和B飛行方向相反；

(2)計算兩無人機與單基站之間的相對飛行方向

無人機自組網中，基站是源節點、中繼節點或是目的節點；無人機和基站的兩種相對狀態：朝向基站飛行或背向基站飛行，該方向通過以下計算予以獲得；

無人機A為源節點，飛行速度矢量為無人機C為目的節點，飛行速度矢量為是從節點A到自組織網絡通常由地面站GS的距離矢量，是從C到GS的距離矢量，AS_Y是在X軸方向的分量，AS_X是在Y軸方向的分量，CS_X是在X軸方向的分量，CS_Y是在Y軸方向的分量，A_VX是在X軸方向的分量，A_VY是在Y軸方向的分量，B_VX是在X軸方向的分量，B_VY是在Y軸方向的分量，α是與之間的矢量夾角，β是和之間的矢量夾角；

α和β根據下式進行計算，α，β∈(0,π)：

α＝tan^-1(AS_Y/AS_X)-tan^-1(A_VY/A_VX)；

β＝tan^-1(CS_Y/CS_X)-tan^-1(C_VY/C_VX)；

根據計算結果可得下列4種：

1)如果α＜π/2，則表示源節點飛向基站；

2)如果α≥π/2，則表示源節點背向基站；

3)如果β＜π/2，則表示目的節點飛向基站；

4)如果β≥π/2，則表示目的節點背向基站；

(3)計算各通信節點之間的傳遞概率

當兩通信節點A和B相遇時，傳輸概率根據下式進行預測：

其中P_A,B為預測的通信節點A和B的傳輸概率，為上一時間單元老化預測的通信節點A和B的傳輸概率，P_init為時間單元，若一個時間單元內兩通信節點未能相遇，則傳輸概率會進行下降，下降公式如下：

其中，ξ為初始化常數，為[0,1]中任意值；

預測的傳遞轉移概率計算為：

其中，P_A,C為預測的通信節點A和C的傳輸概率，為上一時間單元老化預測的通信節點A和C的傳輸概率，P_B,C為預測的通信節點B和C的傳輸概率，λ為初始化常數，選為[0,1]中任意值。