CN110366102B - 一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无人机通信技术领域，公开了一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法，包括以下步骤：S1，搭建混合基站；S2，构建蜂窝通信网络；S3，无人机获取自身的经度、纬度、高度和时间戳；S4，无人机向混合基站发送遥测帧；S5，混合基站计算遥测距离；S6，在每个时间片内各个混合基站向其他混合基站泛洪发送距离统计帧；S7，混合基站接收距离统计帧进行滑动窗口累加距离，标记活动基站；S8，各个混合基站与标记的活动基站进行比较，并标记出当前活动基站；S9，进入下一个时间片进行下一轮滑动窗口累加距离。本发明通信范围广，使用成本低；利用滑动窗口累加距离的方式，解决了无人机对最合适基站的选择问题。

Description

一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法
技术领域
本发明属于无人机通信技术领域，具体涉及一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法。
背景技术
随着无人机技术的发展，无人机不再简单应用于影视拍摄、微型自拍等方面，在农业、物流、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检等领域均有应用，中远距离无人机测控问题也越发得到关注。
受制于通信体制的限制，地面通信网络(如4G、WiFi等)无法适用于无人机测控领域。目前用于无人机测控的信道模式有卫星通信模式和电台通信模式。市场上大多数无人机都采用电台通信模式，无人机通过无线电台与控制台连接，其缺点是通信距离受限，一般不超过50公里，不能满足中远距离无人机的测控。少部分无人机采用卫星通信模式，无人机携带卫星终端，通过卫星信道直接连接控制台，其缺点是需要无人机本身携带卫星终端，成本高昂。另外，大部分卫星终端体积大、重量大，需占用无人机的有限载荷量；极少数卫星终端虽然体积较小，但是其码速率低，不能满足图传需求。现阶段没有单位和个人对无人机使用混合基站蜂窝通信，与其相对应的利用位置信息和分布式距离统计方法选择基站的方式也没有出现过。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法，利用混合基站蜂窝通信，解决了电台通信模式下无人机测控范围过小的问题，解决了卫星通信模式下卫星终端成本高昂的问题；同时使无人机在飞行过程中能够选择最合适的基站进行通信。
本发明所采用的技术方案为：一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法，包括以下步骤：
S1，搭建混合基站；
S2，利用混合基站构建蜂窝通信网络；
S3，在每个时间片Δt内，各个无人机获取自身的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和时间戳t1；
S4，各个无人机向通信范围内的各个混合基站发送遥测帧，所述遥测帧包括无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv、时间戳t1、无人机编号Num和无人机遥测数据；
S5，各个混合基站根据所述遥测帧计算无人机与该混合基站之间的遥测距离L；
S6，在每个时间片Δt内，各个混合基站向其他混合基站泛洪发送不同无人机的距离统计帧，所述距离统计帧包括无人机编号Num、基站编号num、时间戳t2和遥测距离L；
S7，每个混合基站接收其他混合基站发送的距离统计帧，针对同一无人机在不同混合基站的距离统计帧进行滑动窗口累加距离，标记出该无人机的活动基站；
S8，各个混合基站与S7中标记的活动基站进行比较，如果二者是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的当前活动基站；如果二者不是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的非活动基站；
S9，进入下一个时间片Δt，进行下一轮滑动窗口累加距离。
作为优选方式，在S5中，计算无人机与该混合基站之间的遥测距离L具体为：以地心为原点建立三维直角坐标系，再将无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和混合基站的经度LngB、纬度LatB、高度hx分别转换为三维直角坐标系下的坐标，得到无人机的坐标点A(Xv，Yv，Zv)和混合基站的坐标点B(XB，YB，ZB)，然后计算出坐标点A和坐标点B之间的距离，即为遥测距离L，遥测距离
Figure BDA0002147845120000031
作为优选方式，在S7中，所述滑动窗口累加距离具体为：根据混合基站总数m设计m个滑动窗口单元格队列，每个混合基站对应一个滑动窗口单元格队列，每个滑动窗口单元格队列包括若干个滑动窗口单元格，每个滑动窗口单元格包括无人机编号Num、基站编号num、时间戳t2和遥测距离L；每个混合基站根据时间戳t2的顺序构建滑动窗口单元格队列，每个混合基站每接收一距离统计帧时，该混合基站的滑动窗口单元格队列中增加1个滑动窗口单元格，若存在有延迟信息则进行插入操作，使滑动窗口单元格根据时间戳t2排序；每个滑动窗口单元格队列中第i个滑动窗口单元格用gi表示，第i个滑动窗口单元格gi中的遥测距离用Li表示；定义时间窗口τ，其中，τ＝n*Δt,n为滑动窗口单元格的数量，n≥1；将第i-n+1个滑动窗口单元格gi-n+1至第i个滑动窗口单元格gi中的遥测距离L进行累加，计算累加总遥测距离sumLi，其中，累加总遥测距离sumLi＝Li-n+1+…+Li；标记所有滑动窗口单元格队列中累加总遥测距离sumLi最小的队列所对应的混合基站为活动基站，并保存该活动基站的基站编号num。
作为优选方式，在S8中，标记出当前活动基站和非活动基站后，该无人机的前一活动基站在延迟一个时间片Δt后，自动切换为非活动基站。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法，通过混合基站蜂窝通信，解决了电台通信模式下无人机测控范围过小的问题，同时解决了卫星通信模式下卫星终端成本高昂的问题，由于无需携带卫星终端，相对增加了无人机可用载荷量。本发明利用混合基站泛洪发送距离统计帧，同时应用滑动窗口累加距离的方式，利用无人机的位置信息和分布式距离统计方法对混合基站进行选择，标记出无人机的活动基站和非活动基站，解决了无人机飞行过程中基站的选择及切换问题，大大提高了无人机的测控质量；同时，为无人机选择一个活动基站可以防止混合基站向控制台重复传输大量无效信息，避免了卫星传输流量的浪费，避免了无效信息传输，提高卫星的合理利用率和无人机的信息传输效率。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法的流程图；
图2是本发明提供的一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法中混合基站蜂窝通信的拓扑图；
图3是本发明提供的一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法中距离统计帧的格式说明图；
图4是本发明提供的一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法中滑动窗口单元格的具体说明图；
图5是本发明提供的一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法中滑动窗口单元格队列的具体说明图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本实施例提供了一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法，包括以下步骤：
S1，搭建混合基站，实现混合基站与无人机之间的通信，同时实现混合基站与中继卫星之间的通信，进而解决无人机与控制台之间的通信。
S2，利用混合基站构建蜂窝通信网络。如图2所示，在蜂窝通信网络中，以单个混合基站为圆心，单个混合基站可覆盖半径为10～250公里的圆形区域，通过合理布局使多个混合基站覆盖更大的区域，为了防止某些区域未覆盖，混合基站之间的覆盖区域有交叉。利用混合基站蜂窝通信，其信号覆盖面积广，提高无人机的可测控范围。
S3，在每个时间片Δt内，各个无人机获取自身的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和时间戳t1。其中，各个无人机上均搭载定位模块，如GPS定位模块、北斗定位模块、GALILEO定位模块或GLONASS定位模块，无人机在每个Δt时间片内向定位模块获取一次经度Lngv、纬度Latv、高度hv和时间戳t1。
S4，各个无人机向通信范围内的各个混合基站发送遥测帧，所述遥测帧包括无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv、时间戳t1、无人机编号Num和无人机遥测数据。
S5，各个混合基站根据所述遥测帧计算无人机与该混合基站之间的遥测距离L。其中，计算无人机与该混合基站之间的遥测距离L具体为：以地心为原点建立三维直角坐标系，再将无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和混合基站的经度LngB、纬度LatB、高度hB分别转换为三维直角坐标系下的坐标，得到无人机的坐标点A(Xv，Yv，Zv)和混合基站的坐标点B(XB，YB，ZB)，然后计算出坐标点A和坐标点B之间的距离，即为遥测距离L，遥测距离
Figure BDA0002147845120000051
S6，在每个时间片Δt内，各个混合基站向其他混合基站泛洪发送不同无人机的距离统计帧，所述距离统计帧包括无人机编号Num、基站编号num、时间戳t2和无人机与该混合基站之间的遥测距离L。距离统计帧的具体格式如图3所示，混合基站中的少量混合基站与控制台进行通信，避免了重复传输大量无效信息造成的流量浪费，提高了信息传输的效率。
S7，每个混合基站通过接收其他混合基站发送的距离统计帧，针对同一无人机在不同混合基站的距离统计帧进行滑动窗口累加距离，标记出该无人机的活动基站。由于无人机在飞行过程中途经多个混合基站，所以会存在最合适的混合基站的切换问题，通过使用滑动窗口累加距离的方式，能够解决无人机在飞行过程中对混合基站的选择问题，保证无人机能够顺利进行测控。
其中，所述滑动窗口累加距离具体为：如图4图5所示，针对同一无人机，根据混合基站总数m设计m个滑动窗口单元格队列，每个混合基站对应一个滑动窗口单元格队列，每个滑动窗口单元格队列包括若干个滑动窗口单元格，每个滑动窗口单元格包括无人机编号Num、基站编号num、时间戳t2和遥测距离L；每个混合基站根据时间戳t2的顺序构建滑动窗口单元格队列，每个混合基站每接收一距离统计帧时，该混合基站的滑动窗口单元格队列中增加1个滑动窗口单元格，若存在有延迟信息则进行插入操作，使滑动窗口单元格根据时间戳t2排序；每个滑动窗口单元格队列中第i个滑动窗口单元格用gi表示，第i个滑动窗口单元格gi中的遥测距离用Li表示；定义时间窗口τ，其中，τ＝n*Δt,n为滑动窗口单元格的数量；将第i-n+1个滑动窗口单元格gi-n+1至第i个滑动窗口单元格gi中的遥测距离L进行累加，计算累加总遥测距离sumLi，其中，累加总遥测距离sumLi＝Li-n+1+…+Li；标记所有滑动窗口单元格队列中累加总遥测距离sumLi最小的队列所对应的混合基站为活动基站，并保存该活动基站的基站编号num。
S8，各个混合基站与S7中标记的活动基站进行比较，如果二者是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的当前活动基站；如果二者不是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的非活动基站。具体地，各个混合基站根据基站编号num与S7中标记的活动基站的基站编号num进行比较。优选地，为了避免遥测数据的丢失，标记出当前活动基站和非活动基站后，该无人机的前一活动基站在延迟一个时间片Δt后，自动切换为非活动基站。
对于下一个无人机编号Num，重复S7-S8，直至找到所有无人机的当前活动基站。
S9，进入下一个时间片Δt，滑动窗口向前移动一个滑动窗口单元格，进行下一轮滑动窗口累加距离，使无人机在飞行过程中能够选择最合适的混合基站进行通信。
本发明通过混合基站蜂窝通信，解决了电台通信模式下无人机测控范围过小的问题，同时解决了卫星通信模式下卫星终端成本高昂的问题，由于无需携带卫星终端，相对增加了无人机可用载荷量。本发明利用混合基站泛洪发送距离统计帧，同时应用滑动窗口累加距离的方式，利用无人机的位置信息和分布式距离统计方法对混合基站进行选择，标记出无人机的活动基站和非活动基站，解决了无人机飞行过程中基站的选择及切换问题，大大提高了无人机的测控质量；同时，为无人机选择一个活动基站可以防止混合基站向控制台重复传输大量无效信息，避免了卫星传输流量的浪费，避免了无效信息传输，提高卫星的合理利用率和无人机的信息传输效率。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (3)

1.一种基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，搭建混合基站；
S2，利用混合基站构建蜂窝通信网络；
S3，在每个时间片Δt内，各个无人机获取自身的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和时间戳t1；
S4，各个无人机向通信范围内的各个混合基站发送遥测帧，所述遥测帧包括无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv、时间戳t1、无人机编号Num和无人机遥测数据；
S5，各个混合基站根据所述遥测帧计算无人机与该混合基站之间的遥测距离L；
S6，在每个时间片Δt内，各个混合基站向其他混合基站泛洪发送不同无人机的距离统计帧，所述距离统计帧包括无人机编号Num、基站编号num、时间戳t2和遥测距离L；
S7，每个混合基站接收其他混合基站发送的距离统计帧，针对同一无人机在不同混合基站的距离统计帧进行滑动窗口累加距离，标记出该无人机的活动基站；所述滑动窗口累加距离具体为：针对同一无人机，根据混合基站总数m设计m个滑动窗口单元格队列，每个混合基站对应一个滑动窗口单元格队列，每个滑动窗口单元格队列包括若干个滑动窗口单元格，每个滑动窗口单元格包括无人机编号Num、基站编号num、时间戳t2和遥测距离L；每个混合基站根据时间戳t2的顺序构建滑动窗口单元格队列，每个混合基站每接收一距离统计帧时，该混合基站的滑动窗口单元格队列中增加1个滑动窗口单元格，若存在有延迟信息则进行插入操作，使滑动窗口单元格根据时间戳t2排序；每个滑动窗口单元格队列中第i个滑动窗口单元格用gi表示，第i个滑动窗口单元格gi中的遥测距离用Li表示；定义时间窗口τ，其中，τ＝n*Δt,n为滑动窗口单元格的数量，n≥1；将第i-n+1个滑动窗口单元格gi-n+1至第i个滑动窗口单元格gi中的遥测距离L进行累加，计算累加总遥测距离sumLi，其中，累加总遥测距离sumLi＝Li-n+1+…+Li；标记所有滑动窗口单元格队列中累加总遥测距离sumLi最小的队列所对应的混合基站为活动基站，并保存该活动基站的基站编号num；
S8，各个混合基站与S7中标记的活动基站进行比较，如果二者是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的当前活动基站；如果二者不是同一个混合基站，则该混合基站标记自己为该无人机的非活动基站；
S9，进入下一个时间片Δt，进行下一轮滑动窗口累加距离。
2.根据权利要求1所述的基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法，其特征在于，在S5中，计算无人机与该混合基站之间的遥测距离L具体为：以地心为原点建立三维直角坐标系，再将无人机的经度Lngv、纬度Latv、高度hv和混合基站的经度LngB、纬度LatB、高度hB分别转换为三维直角坐标系下的坐标，得到无人机的坐标点A(Xv，Yv，Zv)和混合基站的坐标点B(XB，YB，ZB)，然后计算出坐标点A和坐标点B之间的距离，即为遥测距离L，遥测距离
Figure FDA0002811621910000021
3.根据权利要求1所述的基于位置信息的无人机蜂窝通信分布式基站选择方法，其特征在于，在S8中，标记出当前活动基站和非活动基站后，该无人机的前一活动基站在延迟一个时间片Δt后，自动切换为非活动基站。
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