[发明专利]无人机中继广播通信系统航迹优化方法

摘要

一种无人机中继广播通信系统航迹优化方法。其包括建立无人机中继广播通信系统；建立三维直角坐标系；固定基站节点发射信号给无人机中继节点；无人机中继节点将信号广播至用户节点；用户节点接收广播信号；确定所有用户节点的中断概率；确定中断概率最大的用户节点的中断概率；建立基于最大‑最小化准则的无人机航迹优化模型，寻找到最佳航向角等步骤。本发明效果：本方法考虑了无人机至基站链路对系统性能的影响，具有更好的完整性。与无人机中继广播通信系统无人机位置优化方法相比，本发明利用固定翼无人机作为中继通信平台，中继无人机可随环境的变化动态调整无人机的位置，本发明具有更好的自适应性，应用范围更加广泛。

主权项

1.一种无人机中继广播通信系统航迹优化方法，所述的无人机中继广播通信系统航迹优化方法包括按顺序进行的下列步骤：1)建立无人机中继广播通信系统；2)建立上述无人机中继广播通信系统的三维直角坐标系；3)在信号传输的第一个时隙内，固定基站节点以某一功率ρ_B发射信号给无人机中继节点,无人机中继节点接收来自固定基站节点的信号；4)在第二个时隙内，无人机中继节点以功率ρ_U采用放大转发方式将接收到的信号广播至用户节点；5)在第二个时隙内，用户节点接收上述来自无人机中继节点的广播信号；6)确定T时刻无人机中继广播通信系统中用户节点u_i的中断概率近似表达式，并利用该表达式计算出无人机中继广播通信系统中所有用户节点的中断概率；7)确定T时刻上述所有用户节点中中断概率最大的用户节点的中断概率；8)根据上述中断概率最大的用户节点的中断概率建立基于最大‑最小化准则的无人机航迹优化模型，并利用该模型寻找到最佳航向角；其特征在于：在步骤4)中，所述的在第二个时隙内，无人机中继节点以功率ρ_U采用放大转发方式将接收到的信号广播至用户节点的方法为：无人机中继节点接收到来自固定基站节点的信号后，采用放大转发方式将接收信号y_U乘以一个增益因子G_U：并以功率ρ_U转发至各用户节点；在步骤6)中，所述的确定T时刻无人机中继广播通信系统中用户节点u_i的中断概率近似表达式，并利用该表达式计算出无人机中继广播通信系统中所有用户节点的中断概率的方法是：T时刻，用户节点u_i的中断概率定义为该用户节点接收机输入信号的瞬时信噪比低于某一信噪比门限值γ_th的概率，其中用户节点u_i接收机输入信号的瞬时信噪比根据该用户接收的信号计算得到，计算公式为：其中分别代表基站到无人机中继链路、无人机中继到用户节点链路不含路径损耗的瞬时信噪比；利用上述用户节点接收机输入信号的瞬时信噪比计算得到用户节点u_i的中断概率近似表达式为：其中，γ_th代表信噪比门限值，和分别代表γ₁与γ₂的均值；在上述三维直角坐标系中，考虑到无人机飞行高度始终为h，则T时刻，固定基站节点、无人机中继节点及用户节点u_i的三维坐标分别为b＝[R₀,0,0]^T，r_T＝[x_T,y_T,h]^T和利用上述各个节点的坐标能够计算得到固定基站节点到无人机中继节点间的距离d_B,U与无人机中继节点到用户节点u_i间的距离进一步整理得到T时刻用户节点u_i的中断概率近似表达式为：最后利用该表达式计算出无人机中继广播通信系统中所有用户节点的中断概率；在步骤7)中，所述的确定T时刻上述所有用户节点中中断概率最大的用户节点的中断概率的方法是：利用最小P乘法的思想，得到圆形服务区域内中断概率最大的用户节点的中断概率计算公式如下：其中，p为较大的正数；根据无人机的运动模型，T时刻无人机的位置坐标r_T由式(8)所示的T‑ΔT时刻无人机的位置坐标r_T‑ΔT＝[x_T‑ΔT,y_T‑ΔT,h]^T及其位置时间更新方程：得到；其中，ΔT代表无人机位置更新的周期，δ_T代表T时刻无人机的航向角，满足|δ_T‑δ_T‑ΔT|≤δ_max，其中δ_max代表无人机的最大航向角；进一步整理得到圆形服务区域内中断概率最大的用户节点的中断概率表达式为：其中，在步骤8)中，所述的根据上述中断概率最大的用户节点的中断概率建立基于最大‑最小化准则的无人机航迹优化模型，并利用该模型寻找到最佳航向角的方法是：根据上述中断概率最大的用户节点的中断概率建立基于最大‑最小化准则的无人机航迹优化模型为：最后，采用一维搜索法在[δ_T‑ΔT‑δ_max,δ_T‑ΔT+δ_max]区间内在上述无人机航迹优化模型中进行搜索即可寻找到最佳航向角。