[发明专利]基于太阳能无人机节能通讯系统的优化方法

权利要求书

1.一种基于太阳能无人机节能通讯系统的优化方法，其特征在于，首先，将太阳能无人机充当移动基站，为用户提供通讯服务，同时根据无人机与用户之间的位置关系，得到无人机与用户之间的系统模型；然后，根据系统模型，计算用户与无人机之间的距离，进而分别得到无人机的传输速率、无人机的能量消耗和无人机的能量吸收；最后，通过对无人机的飞行半径和飞行倾角，进行联合优化，得到最优的飞行路径和飞行倾角，从而得到最优能效，无人机节能通讯系统的优化方法的具体实施步骤如下：

S1、在地面基站被损坏的区域内，将太阳能无人机充当通讯移动基站，与地面基站被损坏区域内的用户进行数据链路连接，为用户提供通讯服务；

S2、根据步骤S1建立的数据链路连接关系，建立一个三维直角坐标系，通过分析用户和无人机相对坐标位置，得到无人机与用户之间的系统模型，从而计算用户与无人机之间的距离；

S3、结合无人机与用户之间的位置关系与系统模型，在根据香农定理，得到无人机的传输速率模型，最终，所述无人机的传输速率模型表达式为：

其中，C表示无人机的传输速率；B表示信道带宽；d为用户与无人机之间的距离；β₀表示为参考距离d₀＝1m处的信道功率；P_t为无人机的传输功率，视为常数；σ²表示在地面的用户接收信号情况下的高斯白噪声；log₂为以2为底的对数函数；进而求出无人机在执行任务过程中的吞吐量；

S4、考虑无人机在执行任务过程中，由于和地面基站被损坏区域内的用户数据传输所产生的传输能耗以及无人机在飞行所产生的推进能耗，进而计算无人机的能量消耗模型；无人机的能量消耗模型表达式为：

其中，表示无人机的能量消耗；P_tr为无人机的传输功率；c₁和c₂均为与无人机的重量、机翼面积和空气密度相关的能耗参数；v代表无人机飞行速度；r代表轨迹半径；g为重力加速度；T为传输时间；

S5、根据太阳能电池板吸收功率，当太阳光垂直照射时，计算出执行任务中的无人机吸收的能量，无人机的能量吸收模型表达式为：

E_in＝ηTP_sScosδ

其中，E_in为无人机的吸收能量；η为太阳能电池板的效率；P_s为太阳光谱密度；S为太阳能电池板的面积；δ为无人机的飞行倾角；T为传输时间，

再结合步骤S4，从而计算出无人机在传输任务过程中的全部能量消耗情况；

S6、基于步骤S3计算得到的无人机传输速率模型、步骤S4计算得到的无人机能量消耗模型和步骤S5计算得到的无人机能量吸收模型，从而建立无人机能效模型；所述的无人机能效模型表达式为：

其中，EE为无人机的能效；

S7、根据建立的无人机能效模型，得到无人机在执行任务过程中吞吐量与能耗的比值情况，并根据比值情况来衡量无人机执行任务的效率；

S8、将步骤S6中的无人机能效模型进行线性转化，同时考虑无人机飞行半径和无人机倾斜角度的影响，对步骤S6中的无人机能效模型进行飞行半径和倾角的联合优化，进而找到一个无人机的最优的飞行半径和倾角，得到无人机的最优的路径，从而得到无人机的最优能效。

2.根据权利要求1所述的基于太阳能无人机节能通讯系统的优化方法，其特征在于，所述系统模型，其包括链路传输速率模型、能量消耗模型和能量吸收模型。

3.根据权利要求1所述的基于太阳能无人机节能通讯系统的优化方法，其特征在于，步骤S3中，所计算的吞吐量等于传输速率与传输时间的乘积。

4.根据权利要求1所述的基于太阳能无人机节能通讯系统的优化方法，其特征在于，所述的传输过程中无人机的能量消耗等于无人机的传输能耗与无人机的推进能耗之和。

5.根据权利要求1所述的基于太阳能无人机节能通讯系统的优化方法，其特征在于，在无人机执行任务过程中，无人机的总能量消耗等于无人机的能量消耗与无人机的能量吸收之差，即无人机的总能量消耗＝无人机的传输能耗+无人机的推进能耗-无人机的吸收能量。

6.根据权利要求1所述的基于太阳能无人机节能通讯系统的优化方法，其特征在于，利用分式规划的性质，将分式规划转化为线性规划，考虑无人机的能量消耗和传输速率，对半径和倾角进行优化找到最优的飞行轨迹，使得此时的无人机能效最大。