CN110275548B - 面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，主要步骤为：1)生成无人机巡航路线；2)对无人机中继节点进行初定位；3)对无人机中继节点位置进行调整；4)对无人机中继节点位置进行跟踪和维持。本发明结合地面终端的实时位置和接收信号强度RSSI，提出一种面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，该定位方法可以程序方式部署于无人机控制模块中，借助通信模块支持，实现与地面终端信息交互，自动控制无人机定位并实施动态调整。

Description

面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法
技术领域
本发明涉及无人机节点定位领域，具体是面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法。
背景技术
当前无人机技术不断成熟和普及，基于无人机的中继通信(采用视距通信频段，如300Mhz～3000Ghz)和升空基站相对于地面基站在通信覆盖范围上具有明显优势，部署也较为灵活，特别是在应急通信领域形成了一定应用规模。在基于无人机的中继通信中，中继节点(升空基站)的位置对区域通信组网覆盖范围和通信质量影响较大。但是在实际应用过程中，中继节点(升空基站)位置一般通过经验判断或粗略估算，然后进行人工调整，且部署后遇有通信效果不佳时，调整位置困难，这些都影响了无人机升空通信组网的效果。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，主要包括以下步骤：
1)生成无人机巡航路线。
生成无人机巡航路线的主要步骤如下：
1.1)搭建无人机平台；所述无人机平台主要包括无人机控制模块和无人机通信模块。无人机控制模块获取无人机任务区域，并建立无人机任务区域边界位置点集合B＝{B1,B2,B3,…,Bm}。
记所有无人机任务区域边界位置点的几何平均位置为G，坐标PG如下所示：
Figure BDA0002062396780000011
式中，Pb为任意无人机任务区域边界位置点的二维坐标。length(B)为集合B中元素的个数。
1.2)取位置点G与集合B中任意元素的连线的中点，建立集合C＝{C1,C2,C3,…,Cm}。Cm为位置点G与位置点Bm连线的中点。
无人机控制模块对集合C元素进行顺序连线，得到无人机巡航路线，并通过无线网络发送至无人机；
3)无人机遥控设备的通信模块向无人机通信模块发送无人机初始高度设置指令；无人机通信模块接收到无人机初始高度设置指令后，发送给无人机控制模块，使无人机控制模块设置无人机距离地面的初始高度，记为h。
重设任务区域边界或出现地面终端越过预定的任务区域边界时，重新生成无人机巡航路线。
2)对无人机中继节点进行初定位。
对无人机中继节点进行初定位的主要步骤如下：
2.1)无人机依照巡航路线进行巡航。巡航过程中，无人机通信模块周期性地向地面终端发送下行hello报文。所述下行hello报文主要包括无人机基站标识和地面终端的接入信息。
所述地面终端接收到下行hello报文后，向无人机回复上行hello报文。所述上行hello报文主要包括地面终端ID号和地面终端位置坐标。
2.2)巡航过程中，无人机通信模块将接收到的所有上行hello报文输入无人机控制模块。
无人机控制模块提取上行hello报文的地面终端ID号和地面终端位置坐标，从而建立地面终端信息集合T＝{T1,T2,T3,…,Tn}。Tn包括第n个地面终端的ID号和位置坐标。
记所有地面终端位置点的几何平均位置为W，坐标PW如下所示：
Figure BDA0002062396780000021
式中，PW、
Figure BDA0002062396780000022
分别表示对应位置点的二维坐标值。n为地面终端总数。
2.3)将无人机中继节点设置在位置点W，距离地面的高度为h。所述无人机中继节点由无人机构成。
若无人机中继节点在巡航过程中收到同一个终端ID号的上行hello报文多次，以最后一次接收到的上行hello报文为准。
3)对无人机中继节点位置进行调整。
对无人机中继节点位置进行调整的主要步骤如下：
3.1)无人机中继节点设置在位置点W后，向所有地面终端发送下行hello报文。接收到下行hello报文的地面终端向无人机中继节点发送上行hello报文。
3.2)设定接收信号强度阈值ε。
无人机中继节点监测上行hello报文的接收信号强度RSSI。无人机中继节点提取所述上行hello报文的地面终端ID号。记提取的地面终端ID号总数为x。
无人机中继节点未提取出地面终端ID号的地面终端或上行hello报文接收信号强度RSSI小于阈值ε的地面终端记为无效地面终端。
若x＝n，且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε，则无人机中继节点位置不变，结束无人机中继节点位置调整。
若x<n，或存在小于阈值ε的接收信号强度RSSI，则跳转至步骤3。
3.3)若x＝n-1且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε，则跳转至步骤3.4。若x＝n且只有一个接收信号强度RSSI小于阈值ε，则跳转至步骤3.4。
若x<n-1或接收信号强度RSSI小于阈值ε的个数>1，则跳转至步骤3.5。
3.4)对无人机中继节点位置进行调整，主要步骤如下：
3.4.1)确定无效地面终端的ID号和位置D。
3.4.2)记录所有接收信号强度RSSI的和r0。
3.4.3)记无人机中继节点位置W为起点，位置D为目标点。
无人机控制模块控制无人机中继节点从位置W向目标点D移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε。其中，沿水平方向移动步长记为d1，沿垂直高度方向的移动步长记为h1。
若无人机中继节点移动j1次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整。j1＝1，2，3…。
3.5)对无人机中继节点位置进行调整，主要步骤如下：
3.5.1)判断所有无效地面终端是否位于无人机中继节点的一侧，若是，则转入步骤3.5.2，若否，则转入步骤3.5.3。
3.5.2)确定无人机中继节点和任意两个无效地面终端的最大夹角∠DuWDv。Du和Dv为无效地面终端的位置。
无人机控制模块控制无人机中继节点沿着最大夹角∠DuWDv的角平分线移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε。其中，沿水平方向移动步长记为d2，沿垂直高度方向的移动步长记为h2。
若无人机中继节点移动j2次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整。j2＝1，2，3…。
3.5.3)无人机控制模块控制无人机中继节点沿着垂直方向移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε。其中，沿垂直高度方向的移动步长记为h3。
若无人机中继节点移动j3次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整。j3＝1，2，3…。
4)对无人机中继节点位置进行跟踪和维持。
对无人机中继节点位置进行跟踪和维持的主要步骤如下：
4.1)设置无效地面终端数量门限Nth。无人机中继节点周期性地向地面终端发送下行hello报文。所述地面终端接收到下行hello报文后，向无人机回复上行hello报文。
4.2)基于上行hello报文，无人机中继节点对地面终端信息集合T进行更新，并监测所有上行hello报文的接收信号强度RSSI是否均大于等于阈值ε，若是，则维持无人机中继节点位置不变，若否，则继续判断失效地面终端数量变化率是否超过门限Nth。
若失效地面终端数量变化率大于门限Nth，则重新对无人机中继节点进行初定位。
若失效地面终端数量变化率小于等于门限Nth，则重新对无人机中继节点进行调整。
设置定时器Timer，若无人机中继节点处于跟踪和维持状态的时间达到Timer，则对无人机中继节点进行初定位。
本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明结合地面终端的实时位置和接收信号强度RSSI，提出一种面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，该定位方法可以程序方式部署于无人机控制模块中，借助通信模块支持，实现与地面终端信息交互，自动控制无人机定位并实施动态调整，特别适合于任务区域内地面终端为非高速移动状态。本发明可以更加合理地自动确定无人机中继节点位置，从而优化面向任务区域地面终端的通信覆盖效果。
附图说明
图1为无人机任务区域边界位置点及巡航路线；
图2为无人机位置调整水平方位图I；
图3为无人机位置调整水平方位图II；
图4为无人机位置调整立体图；
图5为位置调整流程图；
图6为中继节点自动定位流程；
图7为无人机模块示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图7，面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，主要包括以下步骤：
1)生成无人机巡航路线。
生成无人机巡航路线的主要步骤如下：
1.1)搭建无人机平台。所述无人机平台主要包括无人机、无人机控制模块和无人机通信模块。无人机控制模块进行无人机飞行和位置调整控制。无人机通信模块与地面无人机遥控设备交互过程指令、与地面终端交互信息。无人机遥控设备(依托设备中的通信模块)向无人机平台发送指令(平台中通信模块接收，并交由无人机控制模块处理),无人机遥控设备只在以下场合向无人机平台发送指令：(a)初始化参数设定，如区域边界、无人机初始高度和位置调整步长；(b)重设区域边界、重设无人机初始高度和位置调整步长。
无人机控制模块获取无人机任务区域，并建立无人机任务区域边界位置点集合B＝{B1,B2,B3,…,Bm}。m>2。m为自然数。
记所有无人机任务区域边界位置点的几何平均位置为G，坐标PG如下所示：
Figure BDA0002062396780000061
式中，Pb为任意无人机任务区域边界位置点的二维坐标值。length(B)为集合B中元素的个数。B指代边界位置点集合B的任意元素。
1.2)取位置点G与集合B中任意元素的连线的中点，建立集合C＝{C1,C2,C3,…,Cm}。Cm为位置点G与位置点Bm连线的中点。
无人机控制模块对集合C元素进行顺序连线，得到无人机巡航路线，并通过无线网络发送至无人机；
3)无人机遥控设备的通信模块向无人机通信模块发送无人机初始高度设置指令；无人机通信模块接收到无人机初始高度设置指令后，发送给无人机控制模块，使无人机控制模块设置无人机距离地面的初始高度，记为h。
重设任务区域边界或出现地面终端越过预定的任务区域边界时，重新生成无人机巡航路线。
2)对无人机中继节点进行初定位。
对无人机中继节点进行初定位的主要步骤如下：
2.1)无人机依照巡航路线进行巡航。巡航过程中，无人机通信模块周期性地向地面终端发送下行hello报文。所述下行hello报文主要包括无人机基站标识和地面终端的接入信息。
所述地面终端接收到下行hello报文后，向无人机回复上行hello报文。所述上行hello报文主要包括地面终端ID号和地面终端位置坐标。
2.2)巡航过程中，无人机通信模块将接收到的所有上行hello报文输入无人机控制模块。
无人机控制模块提取上行hello报文的地面终端ID号和地面终端位置坐标，从而建立地面终端信息集合T＝{T1,T2,T3,…,Tn}。Tn包括第n个地面终端的ID号和位置坐标。
记所有地面终端位置点的几何平均位置为W，坐标PW如下所示：
Figure BDA0002062396780000071
式中，n为地面终端总数。PW、
Figure BDA0002062396780000072
分别表示对应位置点的二维坐标值。PW为几何平均位置W的二维坐标值。
Figure BDA0002062396780000073
为第i个地面终端所处位置点Ti的二维坐标值。
2.3)将无人机中继节点设置在位置点W，距离地面的高度为h。所述无人机中继节点由无人机构成。
若无人机中继节点在巡航过程中收到同一个终端ID号的上行hello报文多次，以最后一次接收到的上行hello报文为准。
3)对无人机中继节点位置进行调整。
对无人机中继节点位置进行调整的主要步骤如下：
3.1)无人机中继节点设置在位置点W后，向所有地面终端发送下行hello报文。接收到下行hello报文的地面终端向无人机中继节点发送上行hello报文。
3.2)设定接收信号强度阈值ε。
无人机中继节点监测上行hello报文的接收信号强度RSSI。无人机中继节点提取所述上行hello报文的地面终端ID号。记提取的地面终端ID号总数为x。
无人机中继节点未提取出地面终端ID号的地面终端或上行hello报文接收信号强度RSSI小于阈值ε的地面终端记为无效地面终端。
若x＝n，且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε，则无人机中继节点位置不变，结束无人机中继节点位置调整。
若x<n，或存在小于阈值ε的接收信号强度RSSI，则跳转至步骤3。
3.3)若x＝n-1且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε，则跳转至步骤3.4。若x＝n且只有一个接收信号强度RSSI小于阈值ε，则跳转至步骤3.4。
若x<n-1或接收信号强度RSSI小于阈值ε的个数>1，则跳转至步骤3.5。
3.4)对无人机中继节点位置进行调整，主要步骤如下：
3.4.1)确定无效地面终端的ID号和位置D。
3.4.2)记录所有接收信号强度RSSI的和r0。
3.4.3)记无人机中继节点位置W为起点，位置D为目标点。
无人机控制模块控制无人机中继节点从位置W向目标点D移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε。其中，沿水平方向移动步长记为d1，沿垂直高度方向的移动步长记为h1。
若无人机中继节点移动j1次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整。j1＝1，2，3…。
3.5)对无人机中继节点位置进行调整，主要步骤如下：
3.5.1)判断所有无效地面终端是否位于无人机中继节点的一侧，若是，则转入步骤3.5.2，若否，则转入步骤3.5.3。
3.5.2)确定无人机中继节点和任意两个无效地面终端的最大夹角∠DuWDv。Du和Dv为无效地面终端的位置。
无人机控制模块控制无人机中继节点沿着最大夹角∠DuWDv的角平分线移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε。其中，沿水平方向移动步长记为d2，沿垂直高度方向的移动步长记为h2。
若无人机中继节点移动j2次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整。j2＝1，2，3…。
3.5.3)无人机控制模块控制无人机中继节点沿着垂直方向移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε。其中，沿垂直高度方向的移动步长记为h3。
若无人机中继节点移动j3次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整。j3＝1，2，3…。
若无人机中继节点在自动调整位置的过程中，遇上障碍物，则在移动时，附加临时高程增量Δh和水平位移增量Δd，从而在移动时避开障碍物。
4)对无人机中继节点位置进行跟踪和维持。
对无人机中继节点位置进行跟踪和维持的主要步骤如下：
4.1)设置无效地面终端数量门限Nth。无人机中继节点周期性地向地面终端发送下行hello报文。所述地面终端接收到下行hello报文后，向无人机回复上行hello报文。
4.2)基于上行hello报文，无人机中继节点对地面终端信息集合T进行更新，并监测所有上行hello报文的接收信号强度RSSI是否均大于等于阈值ε，若是，则维持无人机中继节点位置不变，若否，则继续判断失效地面终端数量变化率是否超过门限Nth。
若失效地面终端数量变化率大于门限Nth，则重新对无人机中继节点进行初定位。
若失效地面终端数量变化率小于等于门限Nth，则重新对无人机中继节点进行调整。
设置定时器Timer，若无人机中继节点处于跟踪和维持状态的时间达到Timer，则对无人机中继节点进行初定位。
实施例2：
面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，主要包括以下步骤：
1)生成无人机巡航路线。
生成无人机巡航路线的主要步骤如下：
1.1)无人机控制模块获取无人机任务区域，并建立无人机任务区域边界位置点集合B＝{B1,B2,B3,B4,B5}。根据边界位置点坐标构成多边形，如图1最外层虚线所示。
记所有无人机任务区域边界位置点的几何平均位置为G，坐标PG如下所示：
Figure BDA0002062396780000101
式中，Pb为任意无人机任务区域边界位置点的坐标二维。length(B)为集合B中元素的个数。
1.2)取位置点G与集合B中任意元素的连线的中点，建立集合C＝{C1,C2,C3,C4,C5}。C1、C2、C3、C4、C5分别为连线GB1、GB2、GB3、GB4、GB5的中点。
无人机控制模块对集合C元素进行顺序连线，得到连线C1C2、C2C3、C3C4、C4C5和C5C1，即为无人机巡航路线。该巡航路线是无人机上控制模块根据设定的边界点位置，在本地生成的。
1.3)无人机控制模块设置无人机距离地面的初始高度，记为h。根据地形设置初始值h，如平坦地形和中等起伏地形可设置为100m～200m，复杂山地环境可设置为200m～500m。h的值可以预先设定，也可以通过无人机控制模块进行远程实时设定。
重设任务区域边界或出现地面终端越过预定的任务区域边界时，重新生成无人机巡航路线。
2)对无人机中继节点进行初定位。
对无人机中继节点进行初定位的主要步骤如下：
2.1)无人机依照巡航路线进行巡航。巡航过程中，无人机周期性地向地面终端发送下行hello报文。所述下行hello报文主要包括无人机基站标识和地面终端的接入信息。
所述地面终端接收到下行hello报文后，向无人机回复上行hello报文。所述上行hello报文主要包括地面终端ID号和地面终端位置坐标。
2.2)巡航过程中，无人机通信模块将接收到的所有上行hello报文输入无人机控制模块。
无人机控制模块提取上行hello报文的地面终端ID号和地面终端位置坐标，从而建立地面终端信息集合T＝{T1,T2,T3,…,Tn}。Tn包括第n个地面终端的ID号和位置坐标。
记所有地面终端位置点的几何平均位置为W，坐标PW如下所示：
Figure BDA0002062396780000111
式中，PW、
Figure BDA0002062396780000112
分别表示对应位置点的二维坐标值。n为地面终端总数。
2.3)将无人机中继节点设置在位置点W，距离地面的高度为h。所述无人机中继节点由无人机构成。
若无人机中继节点在巡航过程中收到同一个终端ID号的上行hello报文多次，以最后一次接收到的上行hello报文为准。
3)参见图5和图6，对无人机中继节点位置进行调整。
对无人机中继节点位置进行调整的主要步骤如下：
3.1)无人机中继节点设置在位置点W后，向所有地面终端发送下行hello报文。接收到下行hello报文的地面终端向无人机中继节点发送上行hello报文。
3.2)设定接收信号强度阈值ε。
无人机中继节点监测上行hello报文的接收信号强度RSSI。无人机中继节点提取所述上行hello报文的地面终端ID号。记提取的地面终端ID号总数为x。
无人机中继节点未提取出地面终端ID号的地面终端或上行hello报文接收信号强度RSSI小于阈值ε的地面终端记为无效地面终端。
若x＝n，且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε，则无人机中继节点位置不变，结束无人机中继节点位置调整。
若x<n，或存在小于阈值ε的接收信号强度RSSI，则跳转至步骤3。
3.3)若x＝n-1且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε，则跳转至步骤3.4。若x＝n且只有一个接收信号强度RSSI小于阈值ε，则跳转至步骤3.4。
若x<n-1或接收信号强度RSSI小于阈值ε的个数>1，则跳转至步骤3.5。
3.4)对无人机中继节点位置进行调整，主要步骤如下：
3.4.1)确定无效地面终端的ID号和位置D。
3.4.2)记录所有接收信号强度RSSI的和r0。
3.4.3)记无人机中继节点位置W为起点，位置D为目标点。
参见图2，无人机控制模块控制无人机中继节点从位置W向目标点D移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε。其中，沿水平方向移动步长记为d1，沿垂直高度方向的移动步长记为h1。d1＝100m，h1＝30m。
d1、h1、d2、h2、h3的值可以预先设定，也可以通过无人机控制模块进行远程实时设定。
若无人机中继节点移动3次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整。
3.5)对无人机中继节点位置进行调整，主要步骤如下：
3.5.1)判断所有无效地面终端是否位于无人机中继节点的一侧，若是，则转入步骤3.5.2，若否，则转入步骤3.5.3。
3.5.2)参见图3，确定无人机中继节点和任意两个无效地面终端的最大夹角∠DuWDv。Du和Dv为无效地面终端的位置。
无人机控制模块控制无人机中继节点沿着最大夹角∠DuWDv的角平分线移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε。其中，沿水平方向移动步长记为d2，沿垂直高度方向的移动步长记为h2。d2＝100m，h2＝30m。
若无人机中继节点移动3次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整。
3.5.3)参见图4，无人机控制模块控制无人机中继节点沿着垂直方向移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε。其中，沿垂直高度方向的移动步长记为h3。h3＝30m。
若无人机中继节点移动3次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整。
4)对无人机中继节点位置进行跟踪和维持。
对无人机中继节点位置进行跟踪和维持的主要步骤如下：
4.1)设置无效地面终端数量门限Nth。无人机中继节点周期性地向地面终端发送下行hello报文。所述地面终端接收到下行hello报文后，向无人机回复上行hello报文。
4.2)基于上行hello报文，无人机中继节点对地面终端信息集合T进行更新，将原来在集合T中的，但关机或暂时处于无法通联位置的地面终端剔除，将后开机、后注册、偏僻位置后入网等加入的终端纳入集合T，并监测所有上行hello报文的接收信号强度RSSI是否均大于等于阈值ε，若是，则维持无人机中继节点位置不变，若否，则继续判断失效地面终端数量变化率是否超过门限Nth。
若失效地面终端数量变化率大于门限Nth，则重新对无人机中继节点进行初定位。Nth＝10％。
若失效地面终端数量变化率小于等于门限Nth，则重新对无人机中继节点进行调整。
设置定时器Timer，若无人机中继节点处于跟踪和维持状态的时间达到Timer，则对无人机中继节点进行初定位。

Claims (7)

1.面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)生成无人机巡航路线；
2)对无人机中继节点进行初定位；
3)对无人机中继节点位置进行调整；
对无人机中继节点位置进行调整的主要步骤如下：
3.1)无人机中继节点设置在位置点W后，向所有地面终端发送下行hello报文；接收到下行hello报文的地面终端向无人机中继节点发送上行hello报文；
3.2)设定接收信号强度阈值ε；
无人机中继节点监测上行hello报文的接收信号强度RSSI；无人机中继节点提取所述上行hello报文的地面终端ID号；记提取的地面终端ID号总数为x；
无人机中继节点未提取出地面终端ID号的地面终端或上行hello报文接收信号强度RSSI小于阈值ε的地面终端记为无效地面终端；
若x＝n，且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε，则无人机中继节点位置不变，结束无人机中继节点位置调整；n为地面终端总数；
若x<n，或存在小于阈值ε的接收信号强度RSSI，则跳转至步骤3.3)；
3.3)若x＝n-1且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε，则跳转至步骤3.4)；若x＝n且只有一个接收信号强度RSSI小于阈值ε，则跳转至步骤3.4)；
若x<n-1或接收信号强度RSSI小于阈值ε的个数>1，则跳转至步骤3.5)；
3.4)对无人机中继节点位置进行调整，主要步骤如下：
3.4.1)确定无效地面终端的ID号和位置D；
3.4.2)记录所有接收信号强度RSSI的和r0；
3.4.3)记无人机中继节点位置W为起点，位置D为目标点；
无人机控制模块控制无人机中继节点从位置W向目标点D移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε；其中，沿水平方向移动步长记为d1，沿垂直高度方向的移动步长记为h1；
若无人机中继节点移动j1次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整；j1＝1，2，3…；
3.5)对无人机中继节点位置进行调整，主要步骤如下：
3.5.1)判断所有无效地面终端是否位于无人机中继节点的一侧，若是，则转入步骤3.5.2)，若否，则转入步骤3.5.3)；
3.5.2)确定无人机中继节点和任意两个无效地面终端的最大夹角∠DuWDv；Du和Dv为无效地面终端的位置；
无人机控制模块控制无人机中继节点沿着最大夹角∠DuWDv的角平分线移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε；其中，沿水平方向移动步长记为d2，沿垂直高度方向的移动步长记为h2；
若无人机中继节点移动j2次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整；j2＝1，2，3…；
3.5.3)无人机控制模块控制无人机中继节点沿着垂直方向移动，直至无人机中继节点接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε；其中，沿垂直高度方向的移动步长记为h3；
若无人机中继节点移动j3次后，仍无法满足接收到所有地面终端的上行hello报文且所有接收信号强度RSSI均大于等于阈值ε的要求，则以接收到地面终端的上行hello报文数量最多且所有接收信号强度RSSI之和最大的位置点为无人机中继节点的最终位置，并结束位置调整；j3＝1，2，3…；
4)对无人机中继节点位置进行跟踪和维持。
2.根据权利要求1所述的面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，其特征在于，生成无人机巡航路线的主要步骤如下：
1)搭建无人机平台；所述无人机平台主要包括无人机控制模块和无人机通信模块；无人机控制模块获取无人机任务区域，并建立无人机任务区域边界位置点集合B＝{B1,B2,B3,…,Bm}；
记所有无人机任务区域边界位置点的几何平均位置为G，坐标PG如下所示：
Figure FDA0003466533120000031
式中，Pb为任意无人机任务区域边界位置点的二维坐标值；length(B)为集合B中元素的个数；
2)取位置点G与集合B中任意元素的连线的中点，建立集合C＝{C1,C2,C3,…,Cm}；Cm为位置点G与位置点Bm连线的中点；
无人机控制模块对集合C元素进行顺序连线，得到无人机巡航路线，并通过无线网络发送至无人机；
3)无人机遥控设备的通信模块向无人机通信模块发送无人机初始高度设置指令；无人机通信模块接收到无人机初始高度设置指令后，发送给无人机控制模块，使无人机控制模块设置无人机距离地面的初始高度，记为h。
3.根据权利要求2所述的面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，其特征在于，重设任务区域边界或出现地面终端越过预定的任务区域边界时，重新生成无人机巡航路线。
4.根据权利要求1或2所述的面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，其特征在于，对无人机中继节点进行初定位的主要步骤如下：
1)无人机依照巡航路线进行巡航；巡航过程中，无人机通信模块周期性地向地面终端发送下行hello报文；所述下行hello报文主要包括无人机基站标识和地面终端的接入信息；
所述地面终端接收到下行hello报文后，向无人机通信模块回复上行hello报文；所述上行hello报文主要包括地面终端ID号和地面终端位置坐标；
2)巡航过程中，无人机通信模块将接收到的所有上行hello报文输入无人机控制模块；
无人机控制模块提取上行hello报文的地面终端ID号和地面终端位置坐标，从而建立地面终端信息集合T＝{T1,T2,T3,…,Tn}；Tn包括第n个地面终端的ID号和位置坐标；
记所有地面终端位置点的几何平均位置为W，坐标PW如下所示：
Figure FDA0003466533120000041
式中，n为地面终端总数；PW、
Figure FDA0003466533120000042
分别表示对应位置点的二维坐标值；
3)将无人机中继节点设置在位置点W，距离地面的高度为h；所述无人机中继节点由无人机构成。
5.根据权利要求4所述的面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，其特征在于，若无人机中继节点在巡航过程中收到同一个终端ID号的上行hello报文多次，以最后一次接收到的上行hello报文为准。
6.根据权利要求1所述的面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，其特征在于，对无人机中继节点位置进行跟踪和维持的主要步骤如下：
1)设置无效地面终端数量门限Nth；无人机中继节点周期性地向地面终端发送下行hello报文；所述地面终端接收到下行hello报文后，向无人机回复上行hello报文；
2)基于上行hello报文，无人机中继节点对地面终端信息集合T进行更新，并监测所有上行hello报文的接收信号强度RSSI是否均大于等于阈值ε，若是，则维持无人机中继节点位置不变，若否，则继续判断失效地面终端数量变化率是否超过门限Nth；
若失效地面终端数量变化率大于门限Nth，则重新对无人机中继节点进行初定位；
若失效地面终端数量变化率小于等于门限Nth，则重新对无人机中继节点进行调整。
7.根据权利要求6所述的面向区域通信覆盖优化的无人机中继节点自动定位方法，其特征在于，设置定时器Timer，若无人机中继节点处于跟踪和维持状态的时间达到Timer，则对无人机中继节点进行初定位。
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111352444A (zh) * 2020-04-23 2020-06-30 上海交通大学 基于无线导航的无人机室外移动平台自主降落方法及系统
CN112468974B (zh) * 2020-11-20 2022-08-30 南京在信通信技术有限公司 无人机中继通信方法
CN113225746B (zh) * 2021-05-07 2022-06-21 怀化学院 一种多uav快速部署的通信系统及计算机存储介质
CN113783603B (zh) * 2021-09-06 2023-09-29 北京京东乾石科技有限公司 一种无人机定位方法、装置及系统
CN115066003B (zh) * 2022-08-18 2022-11-04 香港中文大学（深圳） 一种避免通信感知路径被遮挡的空间节点位置确定方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105071852A (zh) * 2015-08-27 2015-11-18 杨珊珊 一种利用无人机实现的智能中继系统及方法
CN109104235A (zh) * 2018-07-10 2018-12-28 东南大学 一种基于自适应的无人机群长距离通信方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019028356A1 (en) * 2017-08-04 2019-02-07 Walmart Apollo, Llc SYSTEMS, DEVICES AND METHODS FOR GENERATING ROUTES IN LIMITED LIMITS

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105071852A (zh) * 2015-08-27 2015-11-18 杨珊珊 一种利用无人机实现的智能中继系统及方法
CN109104235A (zh) * 2018-07-10 2018-12-28 东南大学 一种基于自适应的无人机群长距离通信方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
一种支持移动自组网通信的多无人机中继网络;徐赞新等;《清华大学学报(自然科学版)》;20110215;第51卷(第02期);第150-155页 *
中继通信无人机天线自动跟踪平台设计;袁征等;《现代雷达》;20170115;第39卷(第01期);第60-64页 *
基于模式融合的中继通信无人机定向天线对准;胡京林等;《计算机仿真》;20150815;第32卷(第08期);第225-229页 *

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