CN112486195B - 一种无人机无线通信链路资源动态调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于无人机的无线通信链路资源动态调整方法，该系统方法根据无线信号链路状态参数和其它可能影响链路连接性能的数据，通过系统算法进行评估和计算，动态实时调整链路连接的相关参数，包括通信链路使用的压缩算法、组包大小、编码算法、调制模式、无人机和地面站的天线增益、发射功率、天线方向、无人机飞行高度、飞行速度、飞行姿态等参数，以确保无人机在飞行过程中通讯链路的稳定性和可靠性；当无人机飞行重复路径或遇到相似无线通信链路状态时，可根据存储在云服务器中以往的信息和数据，来做出更合理的链路资源预算和规划，以最小的运算量来保证通讯链路的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机无线通信链路资源动态调整方法。
背景技术
无人机作为一种技术含量高，使用性能好，发展前景广阔的空中飞行器，在各类应用领域使用广泛，能够完成包括防灾减灾的灾害评估、地质勘测航拍、警用高速公路巡查、森林防火、海事巡逻、大型外场演出航拍等多种任务。
无人机与地面导航控制站通过无线通信链路建立起紧密联系。地面站通过无线数据链路将飞行控制命令传输给无人机，该链路称为上行链路。无人机将实时采集的图像、视频信息，飞行姿态信息，机载设备工作状态信息，飞行速度和高度信息，卫星定位信息等数据发送至地面站称为下行链路。无人机数据链路中断，一方面将使地面站操作人员失去对飞行器的控制，另一方面地面站无法接收无人机对地发送的关键信息，致使无人机无法完成规定的飞行任务甚至导致飞行事故，可见无人机无线通信链路的可靠性对无人机系统至关重要。
影响无人机无线通信链路可靠性的因素很多，无人机无线通信链路时变信道特性是其中重要因素之一。一方面无人机在飞行过程中，地面站与无人机的之间传输的无线电波所经过的路径是时变的；另一方面，当无人机远离地面站时，地面站接收天线仰角降低，地表的电磁反射和散射对接收产生较大影响，即存在较严重的多径效应；最后由于飞行器相对地面站高速运动，信号衰落特性也会根据飞行器距离地面站的远近发生不同的变化，从而影响通信链路质量。
所以需要发明一种可靠性高的无人机无线通信链路资源动态调整方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可靠性高的无人机无线通信链路资源动态调整方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种无人机无线通信链路资源动态调整方法，包括以下步骤，
步骤一，无人机起飞之前，预先设定无人机飞行目的地和出发地位置，地面站处理中心根据目的地和出发地之间的三维地图，三维地形图进行飞行路径和飞行方案规划；
步骤二，根据步骤一中规划的完整飞行路径，设定不同飞行阶段的无线通信链路资源规划和分配；
步骤三，根据步骤二中设定的整个飞行过程中的无线通信链路资源分配方案和无人机飞行控制参数，地面站通过无线通信系统和天线系统分别进行配置和发送至无人机，无人机和地面站按照方案进行参数设定；
步骤四，无人机起飞后，在飞行过程中无人机机载端通过各种传感器收集当前环境相关信息，包括飞机所处的卫星定位信息、飞行速度信息、飞行高度信息、飞行姿态信息、飞行路径障碍物信息、无人机所处环境三维地图信息、无人机与地面站之间三维地形图信息和无人机天线系统相关参数，并通过机载端无线通信模块将这些机载数据发送至地面站；
步骤五，地面站接收上述机载数据，并根据接收信号的RSSI、SNR、LQI无线链路状态参数综合判断当前无人机通信链路状态；
步骤六，地面站的地面站处理中心对无人机相关飞行控制参数做出调整，包括对无人机飞行姿态、飞行速度、飞行高度和天线方向；并将做出的调整指令打包发送至无人机；同时地面站处理中心对地面站无线通信模块的发射功率、通信频率、调制模式和天线方向做出调整，将反馈信息发送给地面站无线通信模块和天线系统；
步骤七，无人机接收到地面站发出的对无人机相关飞行控制参数的调整指令后，由无人机的飞行控制单元对飞行控制参数做出调整；同时地面站无线通信模块和天线装置对反馈信息做出调整；
步骤八，地面处理中心和地面站云服务器实时进行数据交互，存储当前链路状态下的链路资源动态调整方案，并调取过往链路资源动态调整方案的历史数据，以小计算量来实现无线通信链路资源的动态调整；
步骤九，在无人机飞行的过程中，实时循环进行步骤四至步骤八的操作，来保证无人机通信链路始终能够得到有效调整，保证通信链路的高可靠性；
其中，RSSI(Received Signal Strength Indication)表示接收信号的强度指示；SNR(Signal Noise Ratio)为接收信号的信噪比，即接收到的信号功率与噪声功率之比；LQI(Link Quality Indicator)为无线链路质量的度量，由接收器通过接收到的信号和理想信号之间的错误累计值计算。
进一步地，所述无人机内装载有卫星定位模块、飞行高度测量模块、飞行速度测量模块、飞机姿态检测模块、无人机图像采集模块、无人机雷达系统、温度传感器，湿度传感器。
进一步地，所述卫星定位模块包括GPS模块、北斗模块、GALILEO模块和GLONASS模块；所述飞行高度测量模块包括气压传感器、加速度传感器、超声波传感器和卡尔曼滤波器；所述飞行速度测量模块包括惯性传感器和加速度传感器；所述飞机姿态检测模块包括陀螺仪、磁罗盘和加速度传感器；所述无人机图像采集模块包括高清摄像头、稳定云台和吊舱；所述无人机雷达系统包括红外雷达、毫米波雷达、激光雷达和相控阵雷达。
进一步地，所述飞行控制单元包括动力电机、机翼、转向机和天线方向控制器。
进一步地，所述地面站内设置有云服务器；所述云服务器内存储有三维地图和三维地形图数据库；所述云服务器与国家地理信息数据库、住建部房屋建筑信息数据库、国家电网和工信部的机构数据库实时通讯对接。
进一步地，在步骤五中，关于无人机通信链路状态，需要处理的数据和做出的评估包括：
(1)无人机当前飞行姿态(滚转角度Roll、俯仰角度Pitch、航向角度Yaw)，飞行高度H，飞行速度Vf，爬升速度Vc对当前无线通信链路的影响；
其中：
Qf为无人机飞行姿态对通信链路质量影响的函数，AR为飞行姿态对通信链路质量的函数；HH，VF，VC为飞行高度，飞行速度，爬升速度对通信链路质量的函数；
为飞机当前滚转角度，俯仰角度，航向角度；h，vf，vc为飞机当前飞行的海拔高度，飞行速度，飞机的爬升速度；
(2)无人机当前地理位置(Px，Py)，飞行路径障碍物信息，飞机实时三维坐标图，飞机周边环境的三维地形图对无线通信链路的影响；
Qp＝GP(Px，Py)+GO(Px，Py，Ph)+GD(Px，Py，Ph)+GS(Px，Py，Ph)
其中：
QP为无人机位置信息对通信链路质量影响的函数，GP，GO，GD，GS分别为无人机当前地理位置信息，飞行路径障碍物信息，实时三维坐标图信息，飞行周边环境信息对无线通信链路的影响；Px，Py，Ph分别为飞机地理坐标的三维数据；
(3)无人机当前气压气候条件对无线通信链路的影响；
QT，QP，
为当前飞机所处环境温度，大气压和相对湿度对无线通信链路的影响；
(4)无人机和地面站天线系统主要参数(主瓣宽度、旁瓣电平、前后比、方向系数、发射增益Gtx、接收增益Grx)对无线通信链路的影响；
下行链路和上行链路计算方法一致，以下行链路为例，无人机和地面站天线系统主要参数对无线通信链路质量影响的函数为：
QDownlink＝QAb·QAs·QF/D·QD·QGtx·QGrx
或者为：
(QDownlink)dB＝(QAb)dB+(QAs)dB+(QF/D)dB+(QD)dB+(QGtx)dB+(QGrx)dB
其中QAb，QAs，QF/D，QD分别为天线系统主瓣宽度，旁瓣电平，前后比和方向系数对无线通信链路的影响；QGtx和QGrx为下行链路天线系统的发射和接收增益；
其中QGtx＝QGrx＝η(πD/λ)2，其中η为效率因子，取值范围为0.5-0.6；D为天线直径，λ为路径损耗参数；
上行链路Quplink和下行链路QDownlink同理；
(5)无人机和地面站无线通信模块动态设定的压缩算法、数据组包大小、信道编码方式和编码率、星座图调制方式、发射频率、发射功率对无线通信链路的影响；
通信编码和调制解调算法对通信质量影响的函数为：
QMCS＝QCa·QCp·QDe·QDr·QDm·Qf·Qp
其中QCa，QCp，QDe，QDr，QDm，分别为压缩算法，组包数据大小，信道编码方式，编码率，星座图调制方式对无线通信链路的影响；Qf，Qp分比为发射频率和发射功率对无线通信链路的影响；
其中，压缩算法包括但不限于H.264/265，霍夫曼编码压缩算法，Lempel-Ziv，以及各种有损或无损压缩算法；
信道编码方式包括但不限于LDPC，QC-LDPC，Polar，Turbo；
编码率包括但不限于1/2,2/3,3/4,5/6；
星座图调制方式包括但不限于BPSK，QPSK，16QAM，64Qm，128QAM，256QAM；
进一步地，地面站处理中心对接收到的无人机数据进行加权构成：
Q＝αQf+βQp+γQA+δQDownlink·QUplink+εQMCS
当其中一项或者几项发生变化时，若Q下降到某个阈值以下，则需要对以上5个方面的系统参数进行调整，以保障无线通信链路质量Q保持设定的阈值之上，同时对应的RSSI，SNR，LQI等通信链路信息也能保持在正常水平。
有益效果：本发明的一种应用于无人机的无线通信链路资源动态调整系统。该系统根据无线信号链路状态参数(RSSI，SNR，LQI)，结合无人机卫星定位信息、无人机高度信息、无人机飞行速度信息、无人机飞行姿态信息、飞行路径障碍物信息、无人机所处环境三维地图信息、无人机与地面站之间三维地形图信息、无人机天线参数等可能影响链路连接性能的数据，通过系统算法进行评估和计算，动态实时调整链路连接的相关参数、包括通信链路使用的压缩算法、组包大小、编码算法、调制模式、无人机和地面站的天线增益、发射功率、天线方向、无人机飞行高度、飞行速度、飞行姿态等参数，以确保无人机在飞行过程中通讯链路的稳定性和可靠性；当无人机飞行重复路径或遇到相似无线通信链路状态时，可根据存储在云服务器中以往的信息和数据，来做出更合理的链路资源预算和规划，以最小的运算量来保证通讯链路的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为无人机无线通信链路资源动态调整系统起飞前工作流程图；
图2为无人机无线通信链路资源动态调整系统飞行中工作流程图；
图3为无人机无线通信链路资源动态调整系统组成示意图；
图4为无人机机载端系统结构图；
图5为无人机机载端传感系统结构图；
图6为无人机机载端工作流程图；
图7为无人机无线通信链路传输流程图；
图8为无人机地面站系统结构图；
图9为无人机地面站工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种无人机无线通信链路资源动态调整方法，包括以下步骤，
步骤一，无人机起飞之前，预先设定无人机飞行目的地和出发地位置，地面站处理中心根据目的地和出发地之间的三维地图，三维地形图进行飞行路径和飞行方案规划；
步骤二，根据步骤一中规划的完整飞行路径，设定不同飞行阶段的无线通信链路资源规划和分配；
步骤三，根据步骤二中设定的整个飞行过程中的无线通信链路资源分配方案和无人机飞行控制参数，地面站通过无线通信系统和天线系统分别进行配置和发送至无人机，无人机和地面站按照方案进行参数设定；
步骤四，无人机起飞后，在飞行过程中无人机机载端通过各种传感器收集当前环境相关信息，包括飞机所处的卫星定位信息、飞行速度信息、飞行高度信息、飞行姿态信息、飞行路径障碍物信息、无人机所处环境三维地图信息、无人机与地面站之间三维地形图信息和无人机天线系统相关参数，并通过机载端无线通信模块将这些机载数据发送至地面站；
步骤五，地面站接收上述机载数据，并根据接收信号的RSSI、SNR、LQI无线链路状态参数综合判断当前无人机通信链路状态；
步骤六，地面站的地面站处理中心对无人机相关飞行控制参数做出调整，包括对无人机飞行姿态、飞行速度、飞行高度和天线方向；并将做出的调整指令打包发送至无人机；同时地面站处理中心对地面站无线通信模块的发射功率、通信频率、调制模式和天线方向做出调整，将反馈信息发送给地面站无线通信模块和天线系统；
步骤七，无人机接收到地面站发出的对无人机相关飞行控制参数的调整指令后，由无人机的飞行控制单元对飞行控制参数做出调整；同时地面站无线通信模块和天线装置对反馈信息做出调整；
步骤八，地面处理中心和地面站云服务器实时进行数据交互，存储当前链路状态下的链路资源动态调整方案，并调取过往链路资源动态调整方案的历史数据，以小计算量来实现无线通信链路资源的动态调整；
步骤九，在无人机飞行的过程中，实时循环进行步骤四至步骤八的操作，来保证无人机通信链路始终能够得到有效调整，保证通信链路的高可靠性；
其中，RSSI(Received Signal Strength Indication)表示接收信号的强度指示；SNR(Signal Noise Ratio)为接收信号的信噪比，即接收到的信号功率与噪声功率之比；LQI(Link Quality Indicator)为无线链路质量的度量，由接收器通过接收到的信号和理想信号之间的错误累计值计算。
如图5所示为无人机内的各种机载端传感器设备。所述无人机内装载有卫星定位模块、飞行高度测量模块、飞行速度测量模块、飞机姿态检测模块、无人机图像采集模块、无人机雷达系统、温度传感器，湿度传感器。
所述卫星定位模块包括GPS模块、北斗模块、GALILEO模块和GLONASS模块；所述飞行高度测量模块包括气压传感器、加速度传感器、超声波传感器和卡尔曼滤波器；所述飞行速度测量模块包括惯性传感器和加速度传感器；所述飞机姿态检测模块包括陀螺仪、磁罗盘和加速度传感器；所述无人机图像采集模块包括高清摄像头、稳定云台和吊舱；所述无人机雷达系统包括红外雷达、毫米波雷达、激光雷达和相控阵雷达；其中，GPS为美国全球卫星定位系统；GALILEO为欧洲全球卫星定位系统；GLONASS为俄罗斯全球卫星定位系统。
无人机包含无线通信模块进行数据的压缩、打包、编码、调制和发射。无线通信模块支持双工模式，需要同时接收地面站发来的数据和控制指令。机载无线通信模块需保障足够的上行和下行链路带宽，足够低的传输延时以及保障传输足够远的距离。机载无线通信模块同时配备可灵活控制方向的天线系统。
无人机包含强大的信息处理系统和飞行控制系统，当接收到地面端发送来的调整控制信号后，能够快速处理接收到的信号，并解析出所要进行调整的操作指令，发送给飞行控制系统。所述飞行控制单元包括动力电机、机翼、转向机等无人机动力组成模块部分和天线方向控制器等部件对无人机进行调整。
地面站包含无线通信模块和天线系统。无线通信模块接收无人机发送的数据并进行解调、解包、解码、解压缩、解析出无人机发送的机载数据。同时无线通信模块需要将解析的机载数据和接收信号的RSSI，SNR，LQI等通信链路信息发送至地面站处理中心进行处理。地面站的无线通信模块支持双工模式，需要同时发送数据和控制指令至无人机。地面站天线系统配合无线通信模块，可进行灵活调整天线高度和转向。
地面站处理中心包含强大的运算处理能力，并运行无线通信链路资源动态调整算法。算法能够处理无线通信模块发送的机载数据，RSSI，SNR，LQI等通信链路信息，且根据当前通信链路状态，实时做出链路资源规划和调整，将做出的调整指令发送给地面站无线通信模块和地面站天线系统。地面站处理中心和地面站云服务器进行数据交互，一方面读取地面站云服务器存储的三维地图数据库，三维地形图数据库，以及过往其他路径规划时所进行相同或近似路径时的无线通信链路资源配置方案，为当前路径规划进行参考。另一方面将本次路径规划的方案和结果存储到地面站云服务器中。
所述地面站内设置有云服务器；所述云服务器内存储有三维地图和三维地形图数据库，以备日常使用过程中能快速调取；所述云服务器与国家地理信息数据库、住建部房屋建筑信息数据库、国家电网和工信部的机构数据库实时通讯对接，同步进行更新。
如图3所示，无人机和地面站通过发送和接收无线电波进行通信，无人机发往地面站的传播途径称为下行链路，地面站发往无人机的传播途径称为上行链路。整个通信系统为全双工模式。而无人机无线通信链路资源动态调整方法的起飞前阶段和飞行中阶段分别如图1和图2所示。无人机系统组成结构如图4所示，包括无人机机载传感系统，机载无线通信模块，无人机飞控系统，无人机动力组成模块，无人机天线系统。
无人机具体工作流程如图6所示，步骤包括：
1)机载端传感器系统将获取的部分数据发送至无人机飞控系统，用来判断当前飞行状态是否需要调整，改变飞控电机参数。当飞控系统判断需要调整电机运行参数时，飞控系统对无人机动力组成模块发出相对应的指令，调整当前的飞行状态；当飞控系统判断当前不需要调整电机运行参数时，无需对电机动力组成模块做出调整指令。同时无人机飞控系统获得机载端无线通信模块发送的有关发送和接收的无线链路参数，协助飞控系统做出判断。
2)机载端传感器系统将所有数据发送至机载端无线通信模块。如图7所示，机载无线通信模块结合当前无线通信链路的链接状态，选择合适的压缩算法，数据组包大小，信道编码方式和编码率，星座图调制方式，并在射频端设定相应的发射功率，发射频率。同时结合无人机飞控系统反馈的当前飞机状态参数，对天线系统进行调整，调整方向系数，发射增益等参数。最终将数据通过无线电波发射出去。
3)机载端通过天线系统接收地面站发送的无线电波，将接收到的数据发送至机载端无线通信模块，进行数据的解调、解码、解包、解压，整个过程根据当前链路情况进行动态调整，过程如图7所示。最终对得到的数据和指令进行判断，按照实际情况判断是否需要对天线系统进行调整。
地面站系统组成结构图如图8所示，包含地面站天线系统，地面站无线通信模块，地面站处理中心和地面站云服务器。其中地面站处理中心主要包含中央处理单元CPU，图像处理单元GPU和数字信号处理单元DSP。地面站云服务器为大数据存储中心。
地面站系统具体工作流程如图9所示，步骤包括：
1)通过地面站天线系统接收无人机发送的无线电波数据，并发送至地面站无线通信模块。
2)地面站无线通信模块对接收到的数据进行解调，解码，解包，解压，整个过程根据当前链路情况进行动态调整，过程如图7所示。同时按照实际情况对天线系统进行调整，包括方向系数，发射增益等参数。
3)地面站无线通信模块将处理好后的数据发送至地面站处理中心。地面站处理中心根据不同的数据类型，通过内部CPU、GPU、DSP分别或共同进行进一步处理。需要处理的数据和做出的评估包括：
(1)无人机当前飞行姿态(滚转角度Roll、俯仰角度Pitch、航向角度Yaw)，飞行高度H，飞行速度Vf，爬升速度Vc对当前无线通信链路的影响；
其中：
Qf为无人机飞行姿态对通信链路质量影响的函数，AR为飞行姿态对通信链路质量的函数，可通过现有飞行数据拟合得到，不同机型的函数不相同；HH，VF，VC为飞行高度，飞行速度，爬升速度对通信链路质量的函数；
为飞机当前滚转角度，俯仰角度，航向角度；h，vf，vc为飞机当前飞行的海拔高度，飞行速度，飞机的爬升速度；
(2)无人机当前地理位置(Px，Py)，飞行路径障碍物信息，飞机实时三维坐标图，飞机周边环境的三维地形图对无线通信链路的影响；
Qp＝GP(Px，Py)+GO(Px，Py，Ph)+GD(Px，Py，Ph)+GS(Px，Py，Ph)
其中：
Qp为无人机位置信息对通信链路质量影响的函数，GP，GO，GD，GS分别为无人机当前地理位置信息，飞行路径障碍物信息，实时三维坐标图信息，飞行周边环境信息对无线通信链路的影响；Px，Py，Ph分别为飞机地理坐标的三维数据；
(3)无人机当前气压气候条件对无线通信链路的影响；
QT，QP，
为当前飞机所处环境温度，大气压和相对湿度对无线通信链路的影响；
(4)无人机和地面站天线系统主要参数(主瓣宽度、旁瓣电平、前后比、方向系数、发射增益Gtx、接收增益Grx)对无线通信链路的影响；
下行链路和上行链路计算方法一致，以下行链路为例，无人机和地面站天线系统主要参数对无线通信链路质量影响的函数为：
QDownlink＝QAb·QAs·QF/D·QD·QGtx·QGrx
或者为：
(QDownlink)dB＝(QAb)dB+(QAs)dB+(QF/D)dB+(QD)dB+(QGtx)dB+(QGrx)dB
其中QAb，QAs，QF/D，QD分别为天线系统主瓣宽度，旁瓣电平，前后比和方向系数对无线通信链路的影响；QGtx和QGrx为下行链路天线系统的发射和接收增益；
其中QGtx＝QGrx＝η(πD/λ)2，其中η为效率因子，取值范围为0.5-0.6；D为天线直径，λ为路径损耗参数；
上行链路Quplink和下行链路QDownlink同理；
(5)无人机和地面站无线通信模块动态设定的压缩算法、数据组包大小、信道编码方式和编码率、星座图调制方式、发射频率、发射功率对无线通信链路的影响；
通信编码和调制解调算法对通信质量影响的函数为：
QMCS＝QCa·QCp·QDe·QDr·QDm·Qf·Qp
其中QCa，QCp，QDe，QDr，QDm，分别为压缩算法，组包数据大小，信道编码方式，编码率，星座图调制方式对无线通信链路的影响；Qf，Qp分比为发射频率和发射功率对无线通信链路的影响；
其中，压缩算法包括但不限于H.264/265，霍夫曼编码压缩算法，Lempel-Ziv，以及各种有损或无损压缩算法；
信道编码方式包括但不限于LDPC，QC-LDPC，Polar，Turbo；
编码率包括但不限于1/2,2/3,3/4,5/6；
星座图调制方式包括但不限于BPSK，QPSK，16QAM，64Qm，128QAM，256QAM。
4)地面站处理中心综合以上5点的数据处理和评估结果，对当前的无线通信链路资源做出调整，需要反馈给无人机端的则通过地面站无线通信模块，将相应调整指令发送至天空端；需要反馈至地面站的，则发送至地面站无线通信模块和地面站天线系统，地面站相应部件做出调整，整个过程如图9所示。
无线通信链路质量由上述5个方面加权构成:
Q＝αQf+βQp+γQA+δQDownlink·QUplink+εQMCS
当其中一项或者几项发生变化时，若Q下降到某个阈值以下，则需要对以上5个方面的系统参数进行调整，以保障无线通信链路质量Q保持设定的阈值之上，同时对应的RSSI，SNR，LQI等通信链路信息也能保持在正常水平。
举例说明，当无人机飞行过程中遇到障碍物或者周围遮挡物较多时，当前地理位置信息对无线通信链路质量的影响Qp会造成负影响，当造成无线通信链路质量Q的数值下降超过设定的阈值时，通过调整无人机飞行状态参数，即通过调整飞行姿态、飞行高度和爬升速度躲避当前障碍物或者离开遮挡物，提高Qf即补偿无线通信链路质量Q，以使得Q保持在阈值以上。
5)地面站天线系统根据实际情况进行天线角度旋转、天线高度升降等。
6)无人机天线系统根据实际情况进行天线切换、天线角度旋转、天线替换等操作。
7)地面站处理中心将无人机每次行程的无线通信链路资源动态调整方案实时存储到地面站云服务器，同时也调取地面站云服务器中过往的动态调整方案。若遇到相同或类似的飞行路径，飞行环境，可直接调取过往存储无线通信链路资源动态调整方案，辅助或直接进行方案布置。
此外，起飞前，使用者通过地面站处理中心设定飞行目的地和出发地，地面站处理中心根据目的地和出发地之间的三维地图，三维地形图进行飞行路径规划和设定飞行方案，应满足以下要求：
要求1：在保证合理的飞行距离的前提下，计算和判断无人机起飞、爬升、巡航、返航、降落等各个阶段的具体路径，以及在不同阶段无人机应当设定的飞行速度、飞行高度及无人机飞行姿态。
要求2：在路径规划时，评估整个路径过程中，无人机和地面站之间的无线通信环境，做到：
1.尽量避免或减少建筑物，高大植物等的遮挡，远离高大金属建筑物(电力铁塔，通信铁塔等)，减少对无线信号能量的损耗。
2.远离高压电网，大型直流电机，大型无线收发基站，高频电子设备密集区域等有可能产生复杂电磁环境的区域。
3.评估飞行路径区域的气候环境和气候温度，根据环境湿度和空气温度对射频端的发送和接收功率，对射频端进行参数调整。
4.评估整个规划路径中，无人机飞行速度，飞行高度和飞行姿态，合理设定地面站无线通信设备的天线系统架设高度和天线方向。
要求3：和地面站云服务器进行数据交互，一方面读取地面站云服务器存储的三维地图数据库，三维地形图数据库，以及过往其他路径规划时所进行相同或近似路径时的无线通信链路资源配置方案为当前路径规划进行参考。另一方面将本次路径规划的方案和结果存储到地面站云服务器中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种无人机无线通信链路资源动态调整方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一，无人机起飞之前，预先设定无人机飞行目的地和出发地位置，地面站处理中心根据目的地和出发地之间的三维地图，三维地形图进行飞行路径和飞行方案规划；
步骤二，根据步骤一中规划的完整飞行路径，设定不同飞行阶段的无线通信链路资源规划和分配；
步骤三，根据步骤二中设定的整个飞行过程中的无线通信链路资源分配方案和无人机飞行控制参数，地面站通过无线通信系统和天线系统分别进行配置并发送至无人机，无人机和地面站按照方案进行参数设定；
步骤四，无人机起飞后，在飞行过程中无人机机载端通过各种传感器收集当前环境相关信息，包括飞机所处的卫星定位信息、飞行速度信息、飞行高度信息、飞行姿态信息、飞行路径障碍物信息、无人机所处环境三维地图信息、无人机与地面站之间三维地形图信息和无人机天线系统相关参数，并通过机载端无线通信模块将这些机载数据发送至地面站；
步骤五，地面站接收上述机载数据，并根据接收信号的RSSI、SNR、LQI无线链路状态参数综合判断当前无人机通信链路状态；
步骤六，地面站的地面站处理中心对无人机相关飞行控制参数做出调整，包括对无人机飞行姿态、飞行速度、飞行高度和天线方向并将做出的调整指令打包发送至无人机；同时地面站处理中心对地面站无线通信模块的发射功率、通信频率、调制模式和天线方向做出调整，将反馈信息发送给地面站无线通信模块和天线系统；
步骤七，无人机接收到地面站发出的对无人机相关飞行控制参数的调整指令后，由无人机的飞行控制单元对飞行控制参数做出调整；同时地面站无线通信模块和天线装置对反馈信息做出调整；
步骤八，地面站处理中心和地面站云服务器实时进行数据交互，存储当前链路状态下的链路资源动态调整方案，并调取过往链路资源动态调整方案的历史数据，以小计算量来实现无线通信链路资源的动态调整；
步骤九，在无人机飞行的过程中，实时循环进行步骤四至步骤八的操作，以保证无人机通信链路始终能够得到有效调整，保证通信链路的高可靠性；
其中，RSSI表示接收信号的强度指示；SNR为接收信号的信噪比，即接收到的信号功率与噪声功率之比；LQI为无线链路质量的度量，由接收器通过接收到的信号和理想信号之间的错误累计值计算；
在步骤五中，关于无人机通信链路状态，需要处理的数据和做出的评估包括：
(1)无人机当前飞行姿态对当前无线通信链路的影响，无人机当前飞行姿态包括滚转角度Roll、俯仰角度Pitch、航向角度Yaw、飞行高度H、飞行速度Vf和爬升速度Vc；
其中：
Qf为无人机飞行姿态对通信链路质量影响的函数，AR为飞行姿态对通信链路质量的函数；HH，VF，VC为飞行高度，飞行速度，爬升速度对通信链路质量的函数；
为飞机当前滚转角度，俯仰角度，航向角度；h，vf，vc为飞机当前飞行的海拔高度，飞行速度，飞机的爬升速度；
(2)无人机当前地理位置(Px，Py)，飞行路径障碍物信息，飞机实时三维坐标图，飞机周边环境的三维地形图对无线通信链路的影响；
Qp＝GP(Px，Py)+GO(Px，Py，Ph)+GD(Px，Py，Ph)+GS(Px，Py，Ph)
其中：
Qp为无人机位置信息对通信链路质量影响的函数，GP，GO，GD，GS分别为无人机当前地理位置信息，飞行路径障碍物信息，实时三维坐标图信息，飞行周边环境信息对无线通信链路的影响；Px，Py，Ph分别为飞机地理坐标的三维数据；
(3)无人机当前气压气候条件对无线通信链路的影响；
QT，QP，
为当前飞机所处环境温度，大气压和相对湿度对无线通信链路的影响；
(4)无人机和地面站天线系统对无线通信链路的影响，无人机和地面站天线系统的主要参数包括主瓣宽度、旁瓣电平、前后比、方向系数、发射增益Gtx和接收增益Grx；
下行链路和上行链路计算方法一致，以下行链路为例，无人机和地面站天线系统主要参数对无线通信链路质量影响的函数为：
QDownlink＝QAb·QAs·QF/D·QD·QGtx·Qarx
或者为：
(QDownlink)dB＝(QAb)dB+(QAs)dB+(QF/D)dB+(QD)dB+(QGtx)dB+(QGrx)dB
其中QAb，QAs，QF/D，QD分别为天线系统主瓣宽度，旁瓣电平，前后比和方向系数对无线通信链路的影响；QGtx和QGrx为下行链路天线系统的发射和接收增益；
其中QGtx＝QGrx＝η(πD/λ)2，其中η为效率因子，取值范围为0.5-0.6；D为天线直径，λ为路径损耗参数；
上行链路Quplink和下行链路QDownlink同理；
(5)无人机和地面站无线通信模块动态设定的压缩算法、数据组包大小、信道编码方式和编码率、星座图调制方式、发射频率、发射功率对无线通信链路的影响；
通信编码和调制解调算法对通信质量影响的函数为：
QMCS＝QCa·QCp·QDe·QDr·QDm·Qf·QD
其中QCa，QCp，QDe，QDr，QDm，分别为压缩算法，组包数据大小，信道编码方式，编码率，星座图调制方式对无线通信链路的影响；Qf，Qp分比为发射频率和发射功率对无线通信链路的影响；
其中，压缩算法包括但不限于H.264/265，霍夫曼编码压缩算法，Lempel-Ziv，以及各种有损或无损压缩算法；
信道编码方式包括但不限于LDPC，QC-LDPC，Polar，Turbo；
编码率包括但不限于1/2,2/3,3/4,5/6；
星座图调制方式包括但不限于BPSK，QPSK，16QAM，64Qm，128QAM，256QAM。
2.根据权利要求1所述的无人机无线通信链路资源动态调整方法，其特征在于：所述无人机内装载有卫星定位模块、飞行高度测量模块、飞行速度测量模块、飞机姿态检测模块、无人机图像采集模块、无人机雷达系统、温度传感器，湿度传感器。
3.根据权利要求2所述的无人机无线通信链路资源动态调整方法，其特征在于：所述卫星定位模块包括GPS模块、北斗模块、GALILEO模块和GLONASS模块；所述飞行高度测量模块包括气压传感器、加速度传感器、超声波传感器和卡尔曼滤波器；所述飞行速度测量模块包括惯性传感器和加速度传感器；所述飞机姿态检测模块包括陀螺仪、磁罗盘和加速度传感器；所述无人机图像采集模块包括高清摄像头、稳定云台和吊舱；所述无人机雷达系统包括红外雷达、毫米波雷达、激光雷达和相控阵雷达。
4.根据权利要求1所述的无人机无线通信链路资源动态调整方法，其特征在于：所述飞行控制单元包括动力电机、机翼、转向机和天线方向控制器。
5.根据权利要求1所述的无人机无线通信链路资源动态调整方法，其特征在于：所述地面站内设置有云服务器；所述云服务器内存储有三维地图和三维地形图数据库；所述云服务器与国家地理信息数据库、住建部房屋建筑信息数据库、国家电网和工信部的机构数据库实时通讯对接。
6.根据权利要求1所述的无人机无线通信链路资源动态调整方法，其特征在于：地面站处理中心对接收到的无人机数据进行加权构成：
Q＝αQf+βQp+γQA+δQDownlink·QUplink+εQMCS
当其中一项或者几项发生变化时，若Q下降到某个阈值以下，则需要对5个方面的系统参数进行调整，以保障无线通信链路质量Q保持设定的阈值之上，同时对应的RSSI，SNR，LQI通信链路信息也能保持在正常水平。
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