CN109991998B - 一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法，针对无人机通信领域中无人机中继航迹优化问题，在未知地面节点位置的情况下，利用接收信号强度对位置未知并且处于移动状态的各个地面终端节点进行大致定位，在此基础上，计算最优航向角并实现无人机航向角的快速调整，以航迹最小化为准则实现无人机中继航迹优化。该发明使得无人机能够更加直接的进行航迹规划，在搜寻路径更短的情况下完成通信任务；由于搜寻路径更短，无人机能耗大幅降低，达到了无人机能耗优化的目标。该发明适用于地面节点不停移动变化的场景，算法中每个符号周期都会对全局最差通信节点位置进行更新，不依赖于上一次计算的节点位置，拥有良好的环境适应性。

Description

一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法

技术领域

本发明涉及无人机无线通信技术领域，具体涉及一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法。

背景技术

目前无人机已被广泛应用于众多行业。利用无人机作为通信中继是无人机的重要应用领域。与传统的固定中继相比较，无人机中继的建立不依赖于长期的基础设施建设，具有机动性高、构建高效迅速等特点，特别适合于紧急突发情况和危险环境下的临时通信网络搭建。此外，无人机在通信过程中可以根据环境动态调整自身的位置，可有效改善通信质量；面对远距离、多阻隔、无法直接通信的环境如山区等，无人机特有的移动性使其可以有效扩大通信覆盖范围。

由于无人机本身的体积有限，能携带的能源受限，如何有效地提升无人机中继的通信效率、降低能耗是无人机通信领域的一大挑战。无人机的大部分能耗是在自身的飞行耗能上，航迹优化是降低无人机能耗的重要技术手段；同时航迹优化可以使得以直射信号通信为主的无人机飞行到更优的通信位置，实现通信效率的提升。

目前，已经有部分研究提出关于无人机中继航迹优化的方法。公开号为CN107017940A，公开日为2017年8月4日的发明专利“无人机中继广播通信系统航迹优化方法”，提供了一种针对固定翼无人机中继广播通信、基于用户节点平均中断概率最小化准则的无人机航向角优化方法，但该方法仅适用于地面终端节点分布均匀且位置已知的情形。Yong Zeng和RuiZhang发表在IEEE Transactions on Communications的论文“ThroughputMaximization for UAV-Enabled Mobile Relaying Systems”提出了一种基于连续凸优化算法、在每个时间间隔迭代更新无人机轨迹的通信路径优化方法，但仅考虑已知基站和终端节点位置情况下的点对点通信。Dae Hyung Choi发表在Proceedings of the 2014IEEESymposium on Computers and Communication的论文“Low-complexity ManeuveringControl of a UAV-based Relay without Location Information of Mobile GroundNodes”提出了一种地面节点位置未知、基于接收信号强度的航迹优化方法，但该方法的初始航向角随机设定，飞行过程中的航向角调整缓慢，航迹优化的效果严重受制于初始化航向角的方向，不能很好地实现航迹的优化。

综上所述，现有的无人机中继航迹优化主要针对位置固定且已知的终端节点，或者飞行过程中的航向角调整速度缓慢，在实际情况下都有性能缺陷，无人机航迹优化算法还有待改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法，利用接收信号强度对位置未知并且处于移动状态的各个地面终端节点进行大致定位，在此基础上，计算最优航向角并实现无人机航向角的快速调整，以航迹最小化为准则实现无人机中继航迹优化。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法，所述的无人机中继航迹优化方法包括下列步骤：

S1、无人机中继自基站处起飞，起飞时的垂直航向角为最大飞行仰角，水平航向角为u₀，其中u₀为在[0,2π]上服从均匀分布的随机变量，到达距地面高度为h的空中后，无人机中继在飞行过程中保持高度不变水平飞行，飞行速度为固定值v；

S2、地面的n个终端节点向无人机中继周期性地发送预定义信号，第i个终端节点记为N_i，N_i在第t个符号周期发送的预定义信号为X_i,t，其中，i＝1,…,n，t的初始值为1，考虑地面终端节点慢速移动的情形，地面终端节点的移动速度为V_N，其中

假设在连续两个符号周期内，地面终端节点的位置保持不变，即(x_i,t,y_i,t)＝(x_i,t+1,y_i,t+1)，其中(x_i,t,y_i,t)是N_i在符号周期t的实时水平坐标；

S3、无人机中继获取来自各终端节点预定义信号的接收信号强度，其中，无人机中继在符号周期t接收到的来自N_i的接收信号的强度记为S_i,t，令S_min,t＝min{S_1,t,…,S_n,t}为所述的接收信号强度的最小值，S_min,t所对应的终端节点记作N_min,t，无人机中继在符号周期t的实时水平航向角记为u_t；

S4、无人机中继在符号周期t+1跟踪终端节点N_min,t发送的预定义信号，此时水平航向角u_t+1＝u_t，获取的接收信号强度为S_min,t+1；

S5、无人机中继根据所述的S_min,t与S_min,t+1，利用接收信号强度计算公式S_i,t＝P_i+10log₁₀G-10αlog₁₀d_i,t+w₁+w₂，分别计算得到无人机中继与终端节点N_min,t在符号周期t的实时距离d_min,t与符号周期t+1的实时距离d_min,t+1，其中，P_i是X_i,t的功率，G是无人机中继的天线增益，α是路径衰落因子，w₁是代表阴影衰落的随机变量，w₂是反映多径衰落影响的随机变量，d_i,t是在符号周期t内，无人机中继与终端节点N_i之间的实时距离；

S6、根据所述的d_min,t与d_min,t+1，利用距离计算公式

计算得到(x_min,t,y_min,t)的两组可能取值

其中，(x_t,y_t)与(x_min,t,y_min,t)分别是无人机中继与终端节点N_min,t在符号周期t的实时水平坐标；

S7、选取

作为N_min,t在符号周期t的实时水平坐标，即

S8、将无人机中继的水平坐标(x_t+1,y_t+1)与终端节点的水平坐标N_min,t(x_min,t,y_min,t)代入航向角计算公式

中，求得无人机中继在符号周期t+2的最优水平航向角u_t+2,opt；

S9、根据所述的最优水平航向角u_t+2,opt，利用航向角调整公式

计算得到无人机中继在符号周期t+2的水平航向角u_t+2，其中，u_t是无人机中继在符号周期t的实时水平航向角，u_max是无人机航向角的最大变化范围；

S10、无人机中继在符号周期t+2跟踪N_min,t发送的预定义信号，获取的接收信号强度为S_min,t+2；

S11、比较所述的S_min,t+2与S_min,t+1的大小，若S_min,t+2≥S_min,t+1，执行步骤S12；否则令

t＝t+1，返回步骤S8；

S12、若S_min,t+2≥S_th，S_th是接收信号强度阈值，说明此时无人机已经接近最优通信位置，执行步骤S13；否则，令t＝t+3，返回步骤S3；

其中，接收信号强度阈值S_th是满足正常通信的无人机中继接收信号强度门限值，由系统设定，S_th越大则通信性能越好；S_min,t+2≥S_th表明此时无人机已经接近最优通信位置。

S13、无人机开始盘旋飞行，直至完成通信任务。

进一步地，所述的无人机是固定翼无人机，无人机的飞行速度v由无人机自身飞行性能决定，无人机的飞行高度h由地形决定，且必须大于障碍物的高度。

进一步地，所述的步骤S6中，N_min,t在符号周期t的水平坐标(x_min,t,y_min,t)的两组可能取值

通过解以下联立方程组获得：

其中P_min是N_min,t发送的预定义信号的功率。

进一步地，所述的无人机航向角的最大变化范围u_max是在一个符号周期内无人机可以实现的最大转向角，由无人机自身性能决定。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明针对无人机通信领域中的无人机中继航迹优化问题，在未知地面节点位置的情况下，使用接收信号强度来对地面节点的位置进行定位，使得无人机能够更加直接的进行航迹规划，在搜寻路径更短的情况下完成通信任务；由于搜寻路径更短，无人机能耗大幅降低，达到了无人机能耗优化的目标。

2、本发明适用于地面节点不停移动变化的场景，算法中每个符号周期都会对全局最差通信节点位置进行更新，不依赖于上一次计算的节点位置，拥有良好的环境适应性。

3、本发明提出的方法基于接收信号强度，过程简单，没有复杂的数学解析过程，易于实际操作。

附图说明

图1是本发明中无人机中继通信系统示意图；

图2是本发明中使用接收信号强度估算地面节点位置后进行航向角的调整以实现航迹优化方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

本实施例公开了一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法，该方法基于如图1所示的无人机通信场景进行实施，使用接收信号强度估算地面节点位置后进行航向角的调整以实现航迹优化，优化的流程步骤如图2所示，该航迹优化方法的实现步骤如下：

步骤T1、采用固定翼无人机作为通信中继，无人机自基站起飞后到达坐标(-4000m，-2000m，500m)的位置，保持飞行高度h＝500m，无人机中继在飞行过程中保持高度不变水平飞行，飞行速度v＝20m/s，飞行水平航向角为u₀，其中u₀为在[0,2π]上服从均匀分布的随机变量，航向角最大变化范围为[-u_max,u_max]，u_max＝π/3。

步骤T2、假设地面终端节点数n＝8，8个终端节点随机分布在中心为(0,0)，半径为2000m的圆内，终端节点向无人机中继周期性地发送预定义全1信号。每个终端节点配备单天线，第i个终端节点记为N_i，N_i在第t个符号周期发送的预定义信号为X_i,t，其中i＝1,…,8，t的初始值为1，一个符号周期表示0.5s，每条地面节点与无人机之间的链路信号是频率正交信号，各个信号之间不存在干扰。

本发明考虑地面终端节点慢速移动的情形V_N＝1m/s，在连续两个符号周期内，地面终端节点的位置保持不变，即(x_i,t,y_i,t)＝(x_i,+t1,y_i,+t1)，其中(x_i,t,y_i,t)是N_i在符号周期t的实时水平坐标。

步骤T3、无人机中继获取来自各终端节点预定义信号的接收信号强度。其中，无人机中继在符号周期t接收到的来自N_i的接收信号的强度记为S_i,t。令S_min,t＝min{S_1,t,…,S_8,t}为所述的接收信号强度的最小值，S_min,t所对应的终端节点记作N_min,t。无人机中继在符号周期t的实时水平航向角记为u_t。

步骤T4、无人机中继在符号周期t+1跟踪N_min,t发送的预定义信号，此时的水平航向角u_t+1＝u_t，获取的接收信号强度为S_min,t+1。

步骤T5、无人机中继根据所述的S_min,t与S_min,t+1，利用接收信号强度计算公式S_i,t＝P_i+10log₁₀G-10αlog₁₀d_i,t+w₁+w₂，得到联立方程组：

分别计算得到无人机中继与终端节点N_min,t在符号周期t的实时距离d_min,t与符号周期t+1的实时距离d_min,t+1。其中，其中P_min＝10mW是N_min,t发送的预定义信号的功率，无人机中继的天线增益G＝＝-60dB，路径衰落因子α＝3，反映阴影衰落的随机变量w₁和反映多径衰落影响的随机变量w₂忽略不计。d_i,t是在符号周期t内，无人机中继与终端节点N_i之间的实时距离。

步骤T6、根据所述的d_min,t与d_min,t+1，利用距离计算公式

计算得到(x_min,t,y_min,t)的两组可能取值

其中，(x_t,y_t)与(x_min,t,y_min,t)分别是无人机中继与终端节点N_min,t在符号周期t的实时水平坐标。

步骤T7、选取

作为N_min,t在符号周期t的实时水平坐标，即

步骤T8、将无人机中继的水平坐标(x_t+1,y_t+1)与终端节点的水平坐标N_min,t(x_min,t,y_min,t)代入航向角计算公式

中，求得无人机中继在符号周期t+2的最优水平航向角u_t+2,opt。

步骤T9、根据所述的u_t+2,opt，利用航向角调整公式

计算得到无人机中继在符号周期t+2的水平航向角u_t+2，其中，u_t是无人机中继在符号周期t的实时水平航向角，

是无人机航向角的最大变化范围。

步骤T10、无人机中继在符号周期t+2跟踪N_min,t发送的预定义信号，获取的接收信号强度为S_min,t+2。

步骤T11、比较所述的S_min,t+2与S_min,t+1的大小，若S_min,t+2≥S_min,t+1，执行步骤T12；否则令

t＝t+1，返回步骤T8。

步骤T12、设置S_th＝-180dB，若S_min,t+2≥S_th，说明此时无人机已经接近最优通信位置，执行步骤T13；否则，令t＝t+3，返回步骤T3。

步骤T13、无人机开始盘旋飞行，直至完成通信任务。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法，其特征在于，所述的无人机中继航迹优化方法包括下列步骤：

S1、无人机中继自基站处起飞，起飞时的垂直航向角为最大飞行仰角，水平航向角为u₀，其中u₀为在[0,2π]上服从均匀分布的随机变量，到达距地面高度为h的空中后，无人机中继在飞行过程中保持高度不变水平飞行，飞行速度为固定值v；

S2、地面的n个终端节点向无人机中继周期性地发送预定义信号，第i个终端节点记为N_i，N_i在第t个符号周期发送的预定义信号为X_i,t，其中，i＝1,…,n…，t的初始值为1，考虑地面终端节点慢速移动的情形，地面终端节点的移动速度为V_N，其中

假设在连续两个符号周期内，地面终端节点的位置保持不变，即(x_i,t,y_i,t)＝(x_i,t+1,y_i,t+1)，其中(x_i,t,y_i,t)是N_i在符号周期t的实时水平坐标；

S3、无人机中继获取来自各终端节点预定义信号的接收信号强度，其中，无人机中继在符号周期t接收到的来自N_i的接收信号的强度记为S_i,t，令S_min,t＝min{S_1,t,…,S_n,t}为所述的接收信号强度的最小值，S_min,t所对应的终端节点记作N_min,t，无人机中继在符号周期t的实时水平航向角记为u_t；

S4、无人机中继在符号周期t+1跟踪终端节点N_min,t发送的预定义信号，此时水平航向角u_t+1＝u_t，获取的接收信号强度为S_min,t+1；

S5、无人机中继根据所述的S_min,t与S_min,t+1，利用接收信号强度计算公式S_i,_t＝P_i+10log₁₀G-10αlog₁₀d_i,t+w₁+w₂，分别计算得到无人机中继与终端节点N_min,t在符号周期t的实时距离d_min,t与符号周期t+1的实时距离d_min,t+1，其中，P_i是X_i,t的功率，G是无人机中继的天线增益，α是路径衰落因子，w₁是代表阴影衰落的随机变量，w₂是反映多径衰落影响的随机变量，d_i,t是在符号周期t内，无人机中继与终端节点N_i之间的实时距离；

S6、根据所述的d_min,t与d_min,t+1，利用距离计算公式

计算得到(x_min,t,y_min,t)的两组可能取值

其中，(x_t,y_t)与(x_min,t,y_min,t)分别是无人机中继与终端节点N_min,t在符号周期t的实时水平坐标；

S7、选取

作为N_min,t在符号周期t的实时水平坐标，即

S8、将无人机中继的水平坐标(x_t+1,y_t+1)与终端节点的水平坐标N_min,t(x_min,t,y_min,t)代入航向角计算公式

中，求得无人机中继在符号周期t+2的最优水平航向角u_t+2,opt；

S9、根据所述的最优水平航向角u_t+2,opt，利用航向角调整公式

计算得到无人机中继在符号周期t+2的水平航向角u_t+2，其中，u_t是无人机中继在符号周期t的实时水平航向角，u_max是无人机航向角的最大变化范围；

S10、无人机中继在符号周期t+2跟踪N_min,t发送的预定义信号，获取的接收信号强度为S_min,t+2；

S11、比较所述的S_min,t+2与S_min,t+1的大小，若S_min,t+2≥S_min,t+1，执行步骤S12；否则令

返回步骤S8；

S12、若S_min,t+2≥S_th，S_th是接收信号强度阈值，说明此时无人机已经接近最优通信位置，执行步骤S13；否则，令t＝t+3，返回步骤S3；

S13、无人机开始盘旋飞行，直至完成通信任务。

2.根据权利要求1所述的一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法，其特征在于，所述的无人机是固定翼无人机，无人机的飞行速度v由无人机自身飞行性能决定，无人机的飞行高度h由地形决定，且必须大于障碍物的高度。

3.根据权利要求1所述的一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法，其特征在于，所述的步骤S6中，N_min,t在符号周期t的水平坐标(x_min,t,y_min,t)的两组可能取值

通过解以下联立方程组获得：

其中P_min是N_min,t发送的预定义信号的功率。

4.根据权利要求1所述的一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法，其特征在于，所述的无人机航向角的最大变化范围u_max是在一个符号周期内无人机可以实现的最大转向角，由无人机自身性能决定。

5.根据权利要求1所述的一种基于接收信号强度的无人机中继航迹优化方法，其特征在于，所述的接收信号强度阈值S_th是满足正常通信的无人机中继接收信号强度门限值，由系统设定，S_th越大则通信性能越好。

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