CN116938363A - 基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法 - Google Patents

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罗浩
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Abstract

本发明公开了一种基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法,包括如下步骤:步骤1:初始化整个海‑空通信系统,获取船舶当前晃动角度、信道相干时间、海面反射损失;步骤2:根据信道相干时间、海面反射损失计算海况信道综合评判参数;步骤3:根据海况信道综合评判参数实时选择通信信道。本发明通过海上舰船陀螺仪获取船舶晃动数据、获取通信接收端信道数据,根据海面反射损失构建综合的信道状态方式,同时结合在舰船持续抖动幅度超过一定角度且无人机与舰船之间的通信信道相干时间持续低于某一阈值时进行信道切换,可以达到高信道容量与信道稳定性的平衡。

Description

基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法
技术领域
本发明涉及无人机无线通信技术领域,具体涉及一种基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法。
背景技术
随着人类在海洋上的各种活动增多,对无线通信的需求不断增加。目前,用于近海水域的常规通信系统主要包括海上无线电通信、海上卫星通信和基于陆地蜂窝网络的岸基移动通信。无人机在敏捷通信方面已经显示出相当大的前景,基于无人机的无线通信系统也作为提供高数据速率无线通信服务的一种有希望且有效的方法受到了广泛的关注,
其中,本发明发明人在实现基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信智能信道切换策略中发现,如何解决海-空无线通信中由于舰船的随机抖动而导致的收发天线失配问题是无人机海-空通信的关键。对于无人机无线通信信道,当信道载频较高时,无论是发射端还是接收端的随机抖动可能会严重恶化无线通信信道质量,因为随机抖动引起的路径变化比波长的变化更为关键。尽管这些工作解决了毫米波波段信道与无人机抖动相关的关键问题,但如何具体量化其对毫米波无线通信信道的影响,以及如何给出减少影响的方法,仍然值得研究。
同时,在动态环境中,由于数据速率、路径损耗等参数之间的权衡,仅使用一个频谱是低效的。对于较高的频率,吞吐量较高,但损失较大,而对于较低的频率则相反。最好的方法就是采用频谱交换的策略,可以充分利用了每个频谱带的特性,其主要思想是在整个频段最优化地利用数据速率、吞吐量和路径损耗等属性的变化。现有方法中通常使用发射端与接收端之间的距离,或信噪比作为信道切换的阈值参数,但对于多径效应非常严重的海-空通信环境中,无论是基于距离的还是基于信噪比的信道切换策略,都无法达到最优的效果。
发明内容
本发明提供了一种基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法,以解决现有技术中信道切换效率低,切换阈值参数不够合理等问题。
本发明提供了一种基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法,包括如下步骤:
步骤1:初始化整个海-空通信系统,获取船舶当前晃动角度、信道相干时间、海面反射损失;
步骤2:根据信道相干时间、海面反射损失计算海况信道综合评判参数,具体计算公式如下:
M=(TC-α)-[1+log(β-L)]
式中,TC为信道相干时间;L为海面反射损失;α,β设定为常数;
步骤3:根据海况信道综合评判参数实时选择通信信道,具体为:
当海况信道综合评判参数小于零时,选择30GHz频段进行通信;
当海况信道综合评判参数大于等于零,且船舶当前晃动角度在5°~10°范围内时,选择10GHz频段进行通信;
当海况信道综合评判参数大于等于零,且船舶当前晃动角度在10°~15°范围内时,选择6GHz频段进行通信;
当海况信道综合评判参数大于等于零,且船舶当前晃动角度大于15°时,选择2.4GHz频段进行通信。
进一步地,所述信道相干时间的计算公式如下:
进一步地,所述海面反射损失的计算公式为:
L=10logR(dB)
式中,R为反射系数。
进一步地,所述信道相干时间的计算公式中γ为0.5。
进一步地,所述海况信道综合评判参数的计算公式中,α=10,β=-2。
本发明的有益效果:
本发明通过海上舰船陀螺仪获取船舶晃动数据、获取通信接收端信道数据,根据海面反射损失构建综合的信道状态方式,同时结合在舰船持续抖动幅度超过一定角度且无人机与舰船之间的通信信道相干时间持续低于某一阈值时进行信道切换,可以达到高信道容量与信道稳定性的平衡。
本发明在海上无线通信智能信道切换过程中引入信道相干时间作为切换阈值参数,依据这种机制可使整个海上无线通信信道切换过程更加适合多反射路径的海上无线通信环境,获得更高的信道切换效率。
上述两种效果分别解决了现有基于距离或基于信噪比的信道切换技术中,存在的信道切换效率低,切换阈值参数不适合海上无线通信等问题。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点,附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制,在附图中:
图1为本发明具体实施例流程图;
图2为本发明具体实施例所描述无人机在环境中的通信信道示意图;
图3为本发明具体实施例所描述舰船随机抖动示意图;
图4为本发明具体实施例所描述信道智能信道切换示意图;
图5为本发明具体实施例所描述的海况等级表示意图;
图6为本发明具体实施例所描述的不同海况级数对应反射系数和反射损失。
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,本领域技术人员在没有作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。
如图1-4所示,本发明实施例提供一种基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法,包括如下步骤:
步骤1:初始化整个海-空通信系统,获取船舶当前晃动角度、信道相干时间、海面反射损失;
无人机被认为是在其位置盘旋的旋转翼无人机。无人机与舰船都配备有多天线收发器,其中由于舰船随机摆动使其偏离其质心的距离为aD米。设定舰船平台位于xy平面内,无人机在空中保持静止状态,并且最初在高度h=zD处与xy平面平行。无人机信号发射端的初始位置假定为PD(0)=(0,0,zD),舰船信号接收端和第n散射点的位置分别由PU=(xU,yU,0)和PSn=(xSn,ySn,zSn)表示(按照惯例PS0≡PU)。本文分别用d0(t)、dn(t)和dSn,U表示时间t的无人机-舰船、无人机-散射点和散射点-舰船距离。x轴与连接原点与PSn投影到舰船所在平面的直线之间的角度用ωn表示,舰船在海面上随机晃动所产生的俯仰角用时间t的θ(t)表示。
舰船在航行过程中,海上风力状况会发生变化,海况级数是通过风力的变化来反应海面状况,具体海况等级表见图5。
根据Debye Equation公式:
其中ε0=8.854×10-12为自由空间介电常数;ε=4.9,ω=2πf为电磁波角频率。
且平静海面时海水盐度S为3.5%,海水水温T为16℃。经计算得平静海面的介电常数为εr=81.69-3.624j,然后根据菲涅尔反射公式进行计算,可以得到平静海面的反射系数为R0=0.6316。
由均方根波高公式、菲涅尔反射系数以及漫反射修正因子,可以计算得到:当海况级数为1时,反射系数为R1=0.6169,当海况级数为2时,反射系数为R2=0.6167,当海况级数为4时,反射系数为R3=0.6166,当海况级数为6时,反射系数为R4=0.6164,当海况级数为8时,反射系数为R5=0.6157当海况级数为10时,反射系数为R6=0.6137。
假设入射电波是圆极化的,那么反射损失表达式为:
L=10logR(dB)
计算可得海况级数越高,海面的起伏程度越大;相对于平静的海面,海面的起伏程度越大,反射信号强度的损失越多;在入射角不变时,海况级数增大时,反射系数不断变小,反射信号强度损失不断增大并且信号损耗更加严重。具体结果见图6不同海况级数对应反射系数和反射损失数值。
由图5海况等级表中的海况等级与对应舰船摆动角度表和图6不同海况级数对应反射系数和反射损失所示,本发明将信道切换的摆动角度阈值设定在5°、10°、15°,所对应的反射损失变化较大的海况等级,从而完成信道的智能切换保持较好的通信质量。
无人机与舰船间的海上无线通信使用一个多径信道模型,其中无人机和舰船之间有一条视线链路和N个散射点的多径分量。基带中时间t处的接收信号r(t)(约定)表示为:
其中λ=c/fc是接收信号的波长,c是光速,fc是载波频率,α0和αn分别是视距链路和第n个多径分量的振幅。
将信道的相干时间(TC)作为信道切换的主要指标。相干时间定义为信道脉冲响应几乎恒定的持续时间。将静止接收信号r(t)的信道自相关函数ACF写入定义信道相干时间的常用方法是当归一化ACF(R(τ)/maxR(τ))下降到某个阈值γ以下时的第一时间瞬间,即:
当接收到的信号是非平稳的时,信道ACF成为t和τ的函数,并将被表示为R(t,t+τ)。在这种情况下,可以首先从上式中获得TC(t),对所有t使用R(t,t+τ)而不是R(τ),然后确定TC=mintTC(t)。
步骤2:根据信道相干时间、海面反射损失计算海况信道综合评判参数,
综合海况与信道质量,本发明建立一个综合参数M,来对海况与信道进行综合评定,计算公式如下:
M=(TC-α)-[1+log(β-L)]
其中,TC为信道相干时间,L为海面反射损失,α,β设定为常数,分别为α=10,β=-2。海况信道综合评判参数M综合了反映海况的参数L以及反映信道质量的参数TC。当M<0时,海况较为平稳,信道相干时间处于阈值之上,信道质量较高,可保持当前信道;当M≥0时,海况出现波动,反射损失增大,同时信道相干时间骤降至阈值以下,信道质量下降明显,则立即发出指令进行信道的切换。
步骤3:根据海况信道综合评判参数实时选择通信信道,具体为:
当海况信道综合评判参数小于零时,选择30GHz频段进行通信;
当海况信道综合评判参数大于等于零,且船舶当前晃动角度在5°~10°范围内时,选择10GHz频段进行通信;
当海况信道综合评判参数大于等于零,且船舶当前晃动角度在10°~15°范围内时,选择6GHz频段进行通信;
当海况信道综合评判参数大于等于零,且船舶当前晃动角度大于15°时,选择2.4GHz频段进行通信。
虽然结合附图描述了本发明的实施例,但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型,这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法,包括如下步骤:
步骤1:初始化整个海-空通信系统,获取船舶当前晃动角度、信道相干时间、海面反射损失;
步骤2:根据信道相干时间、海面反射损失计算海况信道综合评判参数,具体计算公式如下:
M=(TC-α)-[1+log(β-L)]
式中,TC为信道相干时间;L为海面反射损失;α,β设定为常数;
步骤3:根据海况信道综合评判参数实时选择通信信道,具体为:
当海况信道综合评判参数小于零时,选择30GHz频段进行通信;
当海况信道综合评判参数大于等于零,且船舶当前晃动角度在5°~10°范围内时,选择10GHz频段进行通信;
当海况信道综合评判参数大于等于零,且船舶当前晃动角度在10°~15°范围内时,选择6GHz频段进行通信;
当海况信道综合评判参数大于等于零,且船舶当前晃动角度大于15°时,选择2.4GHz频段进行通信。
2.如权利要求1所述的基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法,其特征在于,所述信道相干时间的计算公式如下:
3.如权利要求1所述的基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法,其特征在于,所述海面反射损失的计算公式为:
L=10log R(dB)
式中,R为反射系数。
4.如权利要求2所述的基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法,其特征在于,所述信道相干时间的计算公式中γ为0.5。
5.如权利要求1所述的基于抖动检测与相干时间的无人机对船通信信道切换方法,其特征在于,所述海况信道综合评判参数的计算公式中,α=10,β=-2。
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