一种飞行自组织网网络拓扑确定方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例提供了一种飞行自组织网网络拓扑确定方法及系统，其中，所述方法考虑路由机制、安全约束条件通信约束条件和确定对飞行自组织网的网络性能进行评估的度量函数，使用粒子群优化算法，得到所述中继无人机的初始最佳部署位置，以完成对所述中继无人机的当前位置进行优化，确定出飞行自组织网的初始网络拓扑。这样使得飞行自组织网的初始网络拓扑无需受到预先给定飞行自组网初始网络拓扑的约束，得到的飞行自组织网的初始网络拓扑更符合实际飞行自组网需求，具有普适性和可行性。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行自组织网网络拓扑确定方法及系统
本专利技术涉及无线通信
，特别是涉及一种飞行自组织网网络拓扑确定方法及系统。
技术介绍
飞行自组织网络可以轻松快速地部署无人机来应对节点故障，在保障网络拓扑稳定性和健壮性的同时实现网络覆盖范围的扩大。这就要求飞行自组织网络构建起良好的通信拓扑结构，确保每个执行任务的无人机和其相应任务指挥者所处的地面控制站之间建立起可靠的通信链路。由于任务无人机的移动性必须高度依赖于给定的任务，其移动模型多由任务目的与任务性质所确定，因而需要通过控制中继无人机来实现飞行自组织网络的动态网络拓扑管理，提高网络的整体性能。一般任务无人机刚开始未执行任务时，并未组建出飞行自组网，各无人机散在空中，没有形成飞行自组网的网络拓扑。在需要任务无人机执行任务时，相关技术会预先给定飞行自组网初始网络拓扑，按照预先给定飞行自组网初始网络拓扑进行执行任务。但是，飞行自组网网络性能高度依赖于预先给定的飞行自组网初始网络拓扑，后续只能在飞行自组网初始网络拓扑上进行调整。而，预先给定的飞行自组网初始网络拓扑会不符合实际飞行自组网需求。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种飞行自组织网网络拓扑确定方法及系统，用以飞行自组网初始网络拓扑符合实际飞行自组网需求。具体技术方案如下：第一方面，本专利技术实施例提供了一种飞行自组织网网络拓扑确定方法，所述方法包括：获取无人机系统中各节点端到端之间的安全约束条件和通信约束条件；所述安全约束条件为每个路由路径中各节点处于有效通信范围内，所述通信约束条件为各节点的间距大于或等于最小安全距离；获取各无人机，与各无人机相对应的地面控制站之间路由路径的路由机制；基于所述路由机制中所有路由路径的链路之间的最长链路距离，确定对飞行自组织网的网络性能进行评估的度量函数；其中，所述飞行自组网是根据所述无人机系统中各无人机的位置、数量以及任务，按照所述路由机制，对所述无人机系统中各无人机形成的；通过所述安全约束条件、所述通信约束条件和性能度量函数，构建飞行自组网网络拓扑的优化问题；基于所述中继无人机的当前位置，和所述任务无人机的当前位置及无人机飞行数据，通过粒子群优化算法，求解所述飞行自组网网络拓扑的优化问题，得到所述中继无人机的初始最佳部署位置，以完成对所述中继无人机的当前位置进行优化，确定出飞行自组织网的初始网络拓扑。第二方面，本专利技术实施例提供了飞行自组织网网络拓扑确定系统，所述系统包括：第一获取模块，用于获取无人机系统中各节点端到端之间的安全约束条件和通信约束条件；所述安全约束条件为每个路由路径中各节点处于有效通信范围内，所述通信约束条件为各节点的间距大于或等于最小安全距离；第二获取模块，用于获取各无人机，与各无人机相对应的地面控制站之间路由路径的路由机制；第一处理模块，用于基于所述路由机制中所有路由路径的链路之间的最长链路距离，确定对飞行自组织网的网络性能进行评估的度量函数；其中，所述飞行自组网是根据所述无人机系统中各无人机的位置、数量以及任务，按照所述路由机制，对所述无人机系统中各无人机形成的；构建模块，用于通过所述安全约束条件、所述通信约束条件和性能度量函数，构建飞行自组网网络拓扑的优化问题；第二处理模块，用于基于所述中继无人机的当前位置，和所述任务无人机的当前位置及无人机飞行数据，通过粒子群优化算法，求解所述飞行自组网网络拓扑的优化问题，得到所述中继无人机的初始最佳部署位置，以完成对所述中继无人机的当前位置进行优化，确定出飞行自组织网的初始网络拓扑。本专利技术实施例有益效果：本专利技术实施例提供的一种飞行自组织网网络拓扑确定方法及系统，考虑路由机制、安全约束条件通信约束条件和确定对飞行自组织网的网络性能进行评估的度量函数，使用粒子群优化算法，得到所述中继无人机的初始最佳部署位置，以完成对所述中继无人机的当前位置进行优化，确定出飞行自组织网的初始网络拓扑。这样使得飞行自组织网的初始网络拓扑无需受到预先给定飞行自组网初始网络拓扑的约束，得到的飞行自组织网的初始网络拓扑更符合实际飞行自组网需求，具有普适性和可行性。当然，实施本专利技术的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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的附图。图1为本专利技术实施例提供的飞行自组织网网络拓扑确定方法的第一流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的飞行自组织网网络拓扑确定方法的第二流程示意图；图3为本专利技术实施例提供的飞行自组织网网络拓扑确定方法中的拓扑构建方法实现流程示意图；图4为本专利技术实施例提供的飞行自组织网网络拓扑确定方法中的拓扑调整方法实现流程示意图；图5为本专利技术实施例提供的飞行自组织网网络拓扑确定方法中的综合拓扑管理方法实现流程示意图；图6(a)为应用本专利技术图3所示的实施例提供的拓扑构建方法与应用现有技术中的拓扑构建方法进行拓扑构建时的性能指标值对比图；图6(b)为应用本专利技术图3所示的实施例提供的拓扑构建方法与应用现有技术中的拓扑构建方法进行拓扑构建时所有活跃路由路径中最长链接距离对比图；图6(c)为应用本专利技术图3所示的实施例提供的拓扑构建方法与应用现有技术中的拓扑构建方法进行拓扑构建时的最短无人机间距离对比图；图7(a)为应用本专利技术图5所示的实施例提供的飞行自组织网络中的综合拓扑管理方法与应用现有技术中的综合拓扑管理方法进行拓扑管理时的性能指标值的比率直方图；图7(b)为应用本专利技术图5所示的实施例提供的飞行自组织网络中的综合拓扑管理方法与应用现有技术中的综合拓扑管理方法进行拓扑管理时的最长链接距离的比率直方图；图7(c)为应用本专利技术图5所示的实施例提供的飞行自组织网络中的综合拓扑管理方法与应用现有技术中的综合拓扑管理方法进行拓扑管理时的最短无人机间距离的比率直方图；图8为应用本专利技术图5所示的实施例提供的飞行自组织网络中的综合拓扑管理方法与应用现有技术中的综合拓扑管理方法进行拓扑管理时的时间开销对比图；图9为本专利技术实施例提供的飞行自组织网网络拓扑确定系统的结构示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。首先，为了方便理解本专利技术实施例，在此先介绍一下本专利技术实施例中下文的使用术语。本文中的任务无人机为执行某些预定任务比如探测和救援、监视和巡防等的无人机。在任务无人机执行完预定任务，获取到信息以后，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行自组织网网络拓扑确定方法，其特征在于，所述方法包括：/n获取无人机系统中各节点端到端之间的安全约束条件和通信约束条件；所述安全约束条件为每个路由路径中各节点处于有效通信范围内，所述通信约束条件为各节点的间距大于或等于最小安全距离；/n获取各无人机，与各无人机相对应的地面控制站之间路由路径的路由机制；/n基于所述路由机制中所有路由路径的链路之间的最长链路距离，确定对飞行自组织网的网络性能进行评估的度量函数；其中，所述飞行自组网是根据所述无人机系统中各无人机的位置、数量以及任务，按照所述路由机制，对所述无人机系统中各无人机形成的；/n通过所述安全约束条件、所述通信约束条件和性能度量函数，构建飞行自组网网络拓扑的优化问题；/n基于所述中继无人机的当前位置，和所述任务无人机的当前位置及无人机飞行数据，通过粒子群优化算法，求解所述飞行自组网网络拓扑的优化问题，得到所述中继无人机的初始最佳部署位置，以完成对所述中继无人机的当前位置进行优化，确定出飞行自组织网的初始网络拓扑。/n

【技术特征摘要】
1.一种飞行自组织网网络拓扑确定方法，其特征在于，所述方法包括：
获取无人机系统中各节点端到端之间的安全约束条件和通信约束条件；所述安全约束条件为每个路由路径中各节点处于有效通信范围内，所述通信约束条件为各节点的间距大于或等于最小安全距离；
获取各无人机，与各无人机相对应的地面控制站之间路由路径的路由机制；
基于所述路由机制中所有路由路径的链路之间的最长链路距离，确定对飞行自组织网的网络性能进行评估的度量函数；其中，所述飞行自组网是根据所述无人机系统中各无人机的位置、数量以及任务，按照所述路由机制，对所述无人机系统中各无人机形成的；
通过所述安全约束条件、所述通信约束条件和性能度量函数，构建飞行自组网网络拓扑的优化问题；
基于所述中继无人机的当前位置，和所述任务无人机的当前位置及无人机飞行数据，通过粒子群优化算法，求解所述飞行自组网网络拓扑的优化问题，得到所述中继无人机的初始最佳部署位置，以完成对所述中继无人机的当前位置进行优化，确定出飞行自组织网的初始网络拓扑。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取各无人机，与各无人机相对应的地面控制站之间路由路径的路由机制，包括：
获取各无人机以及地面控制站的当前位置，采用如下协议表达式，获取各无人机，与各无人机相对应的地面控制站之间路由路径的路由机制；其中，所述协议表达式为：



其中，ρ为任务无人机与所述任务无人机相对应地面控制站之间的路由路径，{.}为节点集合，xG为地面控制站的三维位置表示，G为地面控制站的节点集合，xM为任务无人机的三维位置表示，M为任务无人机的节点集合，xR为中继无人机的三维位置表示，R为中继无人机的节点集合，为映射关系的符号表示，为一组有序节点的集合，表示第k个任务无人机mk和任务无人机mk相对应地面控制站g(m)之间的路由路径，m为任务无人机，一组有序节点由各无人机与地面控制站组成，在集合中，路由路径中的第k个元素表示为且集合中第一个元素必须为mk，最后一个元素必须为其余元素为中继无人机，表示为其中|.|为集合的基数。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述路由机制中所有路由路径的链路之间的最长链路距离，确定对飞行自组织网的网络性能进行评估的度量函数包括：
基于所述路由机制中所有路由路径的链路之间的最长链路距离，采用如下度量函数的表达式：

确定对飞行自组织网的网络性能进行评估的度量函数；
其中，f为度量函数，xG为地面控制站的三维位置表示，G为地面控制站的节点集合，xM为任务无人机的三维位置表示，M为任务无人机的节点集合，xR为中继无人机的三维位置表示，R为中继无人机的节点集合，为一组有序节点的集合，表示第k个任务无人机mk和任务无人机mk相对应地面控制站g(m)之间的路由路径，m为任务无人机，一组有序节点由各无人机与地面控制站组成，在集合中，路由路径中的第k个元素表示为且集合中第一个元素必须为mk，最后一个元素必须为其余元素为中继无人机，表示为其中为任务无人机mk和地面控制站之间的路由路径的第q个节点，为任务无人机mk和地面控制站之间的路由路径的第q+1个节点，|.|为集合的基数。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述安全约束条件、所述通信约束条件和性能度量函数，采用如下公式，构建飞行自组网网络拓扑的优化问题：



其中，minimize为通过改变中继无人机的三维位置坐标xR的最小化惩罚性能指标函数，S为无人机的三维部署空间，为预设的惩罚性能指标函数：



其中，xG为地面控制站的三维位置表示，G为地面控制站的节点集合，xM为任务无人机的三维位置表示，M为任务无人机的节点集合，xR为中继无人机的三维位置表示，R为中级无人机的节点集合，ρ为各任务无人机与各任务无人机对应的地面控制站之间的路由路径，为任务无人机mk所在路由路径的节点数目，|.|为节点集合的基数，为任务无人机mk所在路由路径，k为任务无人机与地面控制站之间的路由路径的节点序号，δ为节点间的几何距离，为任务无人机mk和地面控制站之间的路由路径的第q个节点，为任务无人机mk和地面控制站之间的路由路径的第q+1个节点，dcm为无人机间有效通信的距离阈值，仅当节点间距离小于该值时，发送方与接收方之间才可以保持良好通信，cm为无人机间有效通信的距离阈值的下角标，[.]+＝max{0，·}，物理含义为选取二者之间较大的一个，μ为安全约束条件的惩罚参数，dsf为可避免无人机间碰撞的最小安全距离，且安全距离远小于端到端通信距离，sf为可避免无人机间碰撞的最小安全距离符号的下角标，u为节点u，v为节点v，{λm}m∈M为通信约束条件的惩罚参数。


5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过粒子群优化算法，求解所述飞行自组网网络拓扑的优化问题，得到所述中继无人机的初始最佳部署位置，包括：
将所述中继无人机作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：田辉，王雯，崔雅娟，范绍帅，聂高峰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11