CN115347941A - 一种大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，包括：配置大型高空全网应急通信无人机对地覆盖模型；构建约束条件；构建效用评价函数；按照约束条件，利用粒子群优化算法求解效用评价函数最大值，找到最大值时的参数最优解；基于参数最优解，计算应定向宽波束天线安装面与天顶的夹角；无人机围绕所述覆盖模型的覆盖区域中心点盘旋，并实时获取无人机姿态信息，并结合应定向宽波束天线安装面与天顶的夹角，计算定向宽波束天线修正角。本发明能够通过实时获取无人机姿态信息，动态调整定向宽波束天线指向，实现对目标区域的稳定覆盖，解决当前无人机应急通信搭载空中基站天线布局以及扇区设计存在的覆盖性不足的问题。

Description

一种大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法

技术领域

本发明涉及应急通信无人机技术领域，具体而言，涉及一种大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法。

背景技术

灾后72小时是抢险的黄金救援时间，阻碍救助被困人员的因素有很多，主要是交通、电力和通信的阻断。公众通信网络作为应急救援管理部门与民众的最大的公约数，其恢复过程亦是一场与“生命赛跑”的过程。重大自然灾害应急救援体系的建设，尤其是在“断路、断电、断讯”三断情形下快速恢复公众通信网络公网，以及为救援指挥提供实时通信保障等实际应用方面，具有极强的实战价值。

小型系留式多旋翼无人机基站近年来在应急通信保障领域得到广泛应用，但小型无人机仍存在部署受限、机动能力差、滞空时间短、搭载能力弱、覆盖范围有限等短板。

高空长航时大型无人机具有滞空时间长，载重量大，航程远等特点，具备加装多种通信、侦察载荷能力，具备地空/空空组网通信、侦察监视、通信中继以及地空/空空任务协同等多种应用模式，大量应用于战场情报侦察、通信中继、协同攻击、森林消防监测、应急管理预警、气象灾害检测等军事、政府公共服务场景,是军事、民用信息化装备体系的重要组成部分。

结合近期频繁开展的灾区“公网恢复”、“灾情普查”和“应急投送”等多项的高空长航时大型无人机实际应用与试验过程，大型高端无人机在国家应急救援体系建设和运行过程中将逐步发挥不可替代的作用。

高空长航时大型高空全网应急通信无人机搭载空中基站典型应用场景如图1所示。高空长航时大型高空全网应急通信无人机搭载全网基础电信运营商基站；利用机载数据链系统传输基础电信运营商基站业务数据，精准稳定覆盖“断路、断电、断网”区域，提供全天候、及时、高效、稳定的应急通信保障，实时恢复受灾区域通信功能。高空长航时大型高空全网应急通信无人机搭载空中基站网络架构如图2所示。

小型系留式多旋翼无人机搭载基站在恢复公网通信过程中，通常采用定点悬停方式，达到稳定工作高度后基本不发生高度、位置、姿态的变化，覆盖特性与铁塔基站类似，需覆盖区域超过其工作范围后，需将小型系留式多旋翼无人机收纳后，移动至需覆盖区域后再展开部署。

高空长航时大型无人机具备基础电信运营商全网基站的搭载能力，由于其运动特性，在飞行过程中高度、位置、姿态都在实时动态变化。当前大型无人机应急通信搭载的空中基站主要采用全向+定向天线组合或者定向+定向天线组合，利用多副天线形成多个扇区实现对目标区域的覆盖，覆盖区域内空中基站多个扇区功率分配不线性，存在用户终端RSRP (Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率)起伏波动；无人机高度、倾角的变化使得多个扇区覆盖边缘存在“黑洞”的可能；无人机对目标区域盘旋覆盖方式也会导致目标区域内用户终端频繁扇区切换造成通话中断，影响用户体感。

发明内容

本发明旨在提供一种大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，以解决当前无人机应急通信搭载空中基站天线布局以及扇区设计存在的覆盖性不足的问题。

本发明提供的一种大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，包括如下步骤：

S1，配置大型高空全网应急通信无人机对地覆盖模型；

S2，构建约束条件；

S3，构建效用评价函数；

S4，按照约束条件，利用粒子群优化算法求解效用评价函数最大值，找到效用评价函数最大值时的参数最优解；

S5，基于效用评价函数最大值时的参数最优解，计算应定向宽波束天线安装面与天顶的夹角；

S6，无人机围绕所述覆盖模型的覆盖区域中心点盘旋，并实时获取无人机姿态信息，并结合所述应定向宽波束天线安装面与天顶的夹角，计算定向宽波束天线修正角。

进一步地，步骤S2中构建的约束条件包括：

约束条件一：覆盖区域中心点C点经度La_c、纬度La_c和高度H_c；

约束条件二：应急通信无人机机下点G与定向宽波束天线半功率波束长边AO的夹角∠AOG；

约束条件三：应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖半径R_t与应急通信无人机盘旋半径R_j之间的差值GB；

约束条件四：应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖半径R_t、无人机飞行盘旋半径R_j；

约束条件五：大型高空全网应急通信无人机特性对覆盖方法的约束。

进一步地，所述约束条件二表示为：

其中：

L_c表示应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖长边；

L_d表示应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖短边；

H表示应急通信无人机相对于地面的高度；

∠AOB表示应急通信无人机空中基站定向宽波束天线半功率波束角；

AO_3dBmax为选用的空中基站定向宽波束天线最远通信距离。

进一步地，约束条件三表示为：

其中，∠GOB为∠AOB与∠AOG之差。

进一步地，约束条件三中：

GB≥0表示应急通信无人机盘旋圆为同心圆内圆，应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖圆为同心圆外圆；

GB≤0表示应急通信无人机盘旋圆为同心圆外圆，应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖圆为同心圆内圆。

进一步地，约束条件四表示为：

进一步地，约束条件五表示为：

其中：V_j表示飞行速度， H_j表示飞行海高；ω表示飞行速度V_j与飞行盘旋半径R_j之间负相关的转换系数；R_j-min表示飞行最小半径， V_max表示飞行最大速度， V_min表示飞行最小速度， H_min表示飞行最小安全海高， H_max表示飞行最大安全海高。

进一步地，步骤S3中构建的效用评价函数表示为：

其中，α和β为无人机安全性权重因子，γ为空中基站信号稳定度权重因子，δ为空中基站覆盖性权重因子，α+β+γ+δ=1，γ<α<β<δ。

进一步地，步骤S5中计算应定向宽波束天线安装面与天顶的夹角∠DOE的方法为：

进一步地，步骤S6中计算定向宽波束天线修正角∠DOE_d的方法为：

∠DOE_d =∠DOE_d -ϒ

其中，ϒ表示实时获取的无人机姿态信息中的横滚角。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明基于全网应急空中基站单站址单扇区定向宽波束天线布局方式，结合高空长航时大型无人机运动特性，设计了一种大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，通过实时获取无人机姿态信息，动态调整定向宽波束天线指向，实现对目标区域的稳定覆盖，目标区域内用户终端RSRP波动范围小，满足稳定接入需求；避免了由于无人机运动特性带来用户终端频繁扇区切换，保障了无人机应急通信空中基站覆盖性、接通率等要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为高空长航时大型高空全网应急通信无人机搭载空中基站典型应用场景示意图。

图2为高空长航时大型高空全网应急通信无人机搭载空中基站网络架构图。

图3为本发明实施例中大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法的流程图。

图4为大型高空全网应急通信无人机平台对地覆盖模型后视示意图。

图5为大型高空全网应急通信无人机平台对地覆盖模型顶视示意图。

图6为本发明实施例中粒子群优化算法求解的流程图。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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

如图3所示，本实施例提出一种大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，包括如下步骤：

S1，配置大型高空全网应急通信无人机对地覆盖模型；

如图4、图5所示，本实施例中配置无人机空中基站定向宽波束天线垂直面半功率波束宽度与水平面半功率波束宽度基本相同，无人机盘旋圆与应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖圆为近似同心圆；定向宽波束天线与无人机同质心，安装面垂直投影与无人机航向垂直。其中：

O点表示应急通信无人机的质心，定向宽波束天线与无人机同质心；

G点表示应急通信无人机的机下点；

线段OG表示应急通信无人机相对于地面的高度H；

线段AO表示应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖长边L_c，此限制条件按照移动通信COST-231Hata模型建立链路运算公式得到空中基站定向宽波束天线最远通信距离；基站定向宽波束天线最远通信距离可以考虑使用AO_3dBmax，保障用户端RSRP接收值不低于-105dBm，手机信号强度3~4格；也可考虑使用AO_6dBmax值，保障用户端RSRP接收值不低于-110dBm，手机信号强度2~3格，优先保障4G VOLTE模式；

线段OB表示应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖短边L_d，其限制条件与L_c的限制条件相同；

线段AB表示应急通信无人机空中基站定向宽波束天线半功率波束覆盖区域垂直切面与地面水平面交汇线；

C点为线段AB的中点，即覆盖区域中心点，其经度La_c、纬度Lo_c、高度H_c；

线段OE为∠AOB的角平分线，∠AOB=∠EOB，线段OE是空中基站天线安装面的法向；

线段AC为应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖半径R_t；

线段CG为应急通信无人机飞行盘旋半径R_j；

∠AOB表示应急通信无人机空中基站定向宽波束天线半功率波束角；

∠DOE表示空中基站定向宽波束天线安装面与天顶的夹角。

S2，构建约束条件；

约束条件一：覆盖区域中心点C点经度La_c、纬度La_c和高度H_c；

约束条件二：应急通信无人机机下点G与定向宽波束天线半功率波束长边AO的夹角∠AOG，表示为：

约束条件三：应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖半径R_t与应急通信无人机盘旋半径R_j之间的差值GB：

其中：

GB≥0表示应急通信无人机盘旋圆为同心圆内圆，应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖圆为同心圆外圆；

GB≤0表示应急通信无人机盘旋圆为同心圆外圆，应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖圆为同心圆内圆。

约束条件四：应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖半径R_t、无人机飞行盘旋半径R_j：

约束条件五：大型高空全网应急通信无人机特性对覆盖方法的约束，表示为：

大型高空全网应急通信无人机特性包含的参数为：飞行盘旋半径R_j，飞行速度V_j，飞行海高H_j；

飞行盘旋半径R_j越小，飞行速度V_j越大，无人机安全系数越低，空中基站与终端用户的多普勒频偏越大（在空中基站定向宽波束天线最远通信距离AO_3dBmax内，飞行速度V_j与飞行盘旋半径R_j负相关，ω表示飞行速度V_j与飞行盘旋半径R_j之间负相关的转换系数）；

飞行海高H_j越大，对地相对高度越高，安全系数越大。

飞行最小半径R_j-min，飞行最大速度V_max，飞行最小速度V_min，飞行最小安全海高H_min，飞行最大安全海高H_max。

S3，构建效用评价函数；

在保障无人机安全性的情况下，结合空中基站参数，使大型高空全网应急通信具有较大的覆盖面积。

M表示大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法评价函数，由飞行速度V_j，飞行海高H_j，空中基站定向宽波束天线覆盖半径R_t、空中基站定向宽波束天线覆盖长边L_c、空中基站定向宽波束天线覆盖短边L_d等参数构成，表示为：

其中，α和β为无人机安全性权重因子，γ为空中基站信号稳定度权重因子，δ为空中基站覆盖性权重因子，α+β+γ+δ=1，γ<α<β<δ。M≤1，M值越大，表明大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法安全性越高，对地覆盖面积越大；M值越小，表明大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法安全性越低，对地覆盖面积越小。

S4，按照约束条件，利用粒子群优化算法求解效用评价函数最大值，找到效用评价函数最大值时的参数最优解；如图6所示，具体包括：

S41，初始化群体规模 N，（N取值范围为20～50之间），每个粒子的随机位置和速度；

S42，根据适应度函数，对每个粒子的适应度进行评价；

S43，对每个粒子，将其当前的适应值与其个体历史最佳位置pbest对应的适应值作比较，如果当前的适应值更高，则将用当前的位置更新历史最佳位置pbest；

S44，对每个粒子，将其当前适应值与全局最佳位置gbest对应的适应值作比较，如果当前适应值更高，则将当前粒子的位置更新全局最佳位置gbest；

S45，根据粒子群优化算法更新每个粒子的速度和位置；

S46，如未满足结束条件，返回步骤S42；达到最大迭代次数G_max或者最佳适应度值的增量小于某个给定得阈值时算法停止；

S47，得到效用评价函数最大值时的参数H_j和L_c最优解，即最佳的无人机相对于地面的高度H=H_j-H_c和空中基站定向宽波束天线覆盖长边L_c。

S5，基于效用评价函数最大值时的参数最优解，计算应定向宽波束天线安装面与天顶的夹角∠DOE；计算方法为：

S6，无人机围绕覆盖区域中心点C盘旋，并实时获取无人机姿态信息，并结合所述应定向宽波束天线安装面与天顶的夹角∠DOE，计算定向宽波束天线修正角∠DOE_d。

本实施例中，实时获取的无人机姿态信息包含航向角φ、俯仰角θ和横滚角ϒ；其中：

应急通信无人机盘旋圆与应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖圆为同心圆，天线安装面垂直投影与无人机航向垂直，航向角φ不作为修正数据。

稳定覆盖过程中，无人机始终保持同一高度H飞行，俯仰角θ基本保持为0°，无需进行修正。

因此，步骤S6中仅采用横滚角ϒ计算定向宽波束天线修正角，计算方法为：

∠DOE_d =∠DOE_d -ϒ

由上可以看出，本发明基于全网应急空中基站单站址单扇区定向宽波束天线布局方式，结合高空长航时大型无人机运动特性，设计了一种大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，通过实时获取无人机姿态信息，动态调整定向宽波束天线指向，实现对目标区域的稳定覆盖，目标区域内用户终端RSRP波动范围小，满足稳定接入需求；避免了由于无人机运动特性带来用户终端频繁扇区切换，保障了无人机应急通信空中基站覆盖性、接通率等要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，配置大型高空全网应急通信无人机对地覆盖模型；

S2，构建约束条件；

S3，构建效用评价函数；

S4，按照约束条件，利用粒子群优化算法求解效用评价函数最大值，找到效用评价函数最大值时的参数最优解；

S5，基于效用评价函数最大值时的参数最优解，计算应定向宽波束天线安装面与天顶的夹角；

S6，无人机围绕所述覆盖模型的覆盖区域中心点盘旋，并实时获取无人机姿态信息，并结合所述应定向宽波束天线安装面与天顶的夹角，计算定向宽波束天线修正角。

2.根据权利要求1所述的大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，其特征在于，步骤S2中构建的约束条件包括：

约束条件一：覆盖区域中心点C点经度La_c、纬度La_c和高度H_c；

约束条件二：应急通信无人机机下点G与定向宽波束天线半功率波束长边AO的夹角∠AOG；

约束条件三：应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖半径R_t与应急通信无人机盘旋半径R_j之间的差值GB；

约束条件四：应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖半径R_t、无人机飞行盘旋半径R_j；

约束条件五：大型高空全网应急通信无人机特性对覆盖方法的约束。

3.根据权利要求2所述的大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，其特征在于，所述约束条件二表示为：

其中：

L_c表示应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖长边；

L_d表示应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖短边；

H表示应急通信无人机相对于地面的高度；

∠AOB表示应急通信无人机空中基站定向宽波束天线半功率波束角；

AO_3dBmax为选用的空中基站定向宽波束天线最远通信距离。

4.根据权利要求3所述的大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，其特征在于，约束条件三表示为：

其中，∠GOB为∠AOB与∠AOG之差。

5.根据权利要求4所述的大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，其特征在于，约束条件三中：

GB≥0表示应急通信无人机盘旋圆为同心圆内圆，应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖圆为同心圆外圆；

GB≤0表示应急通信无人机盘旋圆为同心圆外圆，应急通信无人机空中基站定向宽波束天线覆盖圆为同心圆内圆。

6.根据权利要求4所述的大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，其特征在于，约束条件四表示为：

。

7.根据权利要求6所述的大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，其特征在于，约束条件五表示为：

其中：V_j表示飞行速度，H_j表示飞行海高；ω表示飞行速度V_j与飞行盘旋半径R_j之间负相关的转换系数；R_j-min表示飞行最小半径， V_max表示飞行最大速度， V_min表示飞行最小速度，H_min表示飞行最小安全海高， H_max表示飞行最大安全海高。

8.根据权利要求7所述的大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，其特征在于，步骤S3中构建的效用评价函数表示为：

其中，α和β为无人机安全性权重因子，γ为空中基站信号稳定度权重因子，δ为空中基站覆盖性权重因子，α+β+γ+δ=1，γ<α<β<δ。

9.根据权利要求8所述的大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，其特征在于，步骤S5中计算应定向宽波束天线安装面与天顶的夹角∠DOE的方法为：

。

10.根据权利要求9所述的大型高空全网应急通信无人机对地覆盖方法，其特征在于，步骤S6中计算定向宽波束天线修正角∠DOE_d的方法为：

∠DOE_d =∠DOE_d -ϒ

其中，ϒ表示实时获取的无人机姿态信息中的横滚角。

Images