一种基于正交时频空调制的无人机路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于正交时频空调制的无人机路径规划方法，属于无线通信技术领域，包括以下步骤：S1：建立无人机能量消耗的数学模型；S2：建立无人机与地面基站通信系统的数学模型，并计算不同参数下基站对应的接收信号状态；S3：建立无人机遍历地面基站所需飞行距离的数学模型，寻找无人机遍历各个信号点之间的路程最短的顺序；S4：明确相关限制条件并建立对应的数学模型；S5：根据无人机与基站通信系统的遍历顺序与限制条件模型，明确无人机飞行距离的数学模型，并根据序列二次规划SQP算法寻找无人机遍历各个信号点之间的路程最短的顺序。的顺序。的顺序。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正交时频空调制的无人机路径规划方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种基于正交时频空调制的无人机路径规划方法。

技术介绍

[0002]根据现有研究结果表明，在移动通信时，正交频分复用(OFDM)调制方法会受到多普勒效应影响，使得子载波间正交性丧失，出现例如实现相同误比特率(BER)所需信噪比(SNR)增加等通信性能下降现象。
[0003]目前，无人机通信主要采用正交频分复用(OFDM)多载波调制方案，将通信数据流分散到多个正交子载波上，用来克服信道多径带来的符号间干扰。然而，无人机通信时通常处于移动状态，相对地面速度可达120千米每小时，导致通信链路遭受严重的多普勒频移影响。因此，无人机相对地面基站的无线信道具有快速时变性和频率选择性，OFDM调制方法无法适应这种情况，将遭遇严重的载波间串扰，与此同时，信道估计成本很高，通信链路可靠性严重受限。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于正交时频空调制的无人机路径规划方法，在考虑多普勒补偿的前提下，在误码率门限和最大传输速率的约束下，以能量消耗最小为目标对无人机轨迹规划进行优化。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于正交时频空调制的无人机路径规划方法，包括以下步骤：
[0007]S1：根据无人机飞行与状态参数，建立无人机能量消耗的数学模型；
[0008]S2：根据无人机信道状态参数，建立无人机与地面基站通信系统的数学模型，并计算不同参数下基站对应的接收信号状态；
[0009]S3：根据基站数量与位置参数，建立无人机遍历地面基站所需飞行距离的数学模型，并根据蚁群算法寻找无人机遍历各个信号点之间的路程最短的顺序；
[0010]S4：根据无人机与基站通信系统的要求，明确相关限制条件并建立对应的数学模型；
[0011]S5：根据无人机与基站通信系统的遍历顺序与限制条件模型，明确无人机飞行距离的数学模型，并根据序列二次规划SQP算法寻找无人机遍历各个信号点之间的路程最短的顺序。
[0012]进一步，步骤S1所述无人机能量消耗的数学模型为：
[0013][0014]式中，E为总的无人机能耗，E
fly
表示无人机飞行能耗，E
trans
表示无人机通信能耗，κ1、κ2表示无人机参数的常量，v表示无人机速度，d(τ
n
)为在时隙τ
n
中无人机移动距离，T为无人机总的移动时间，κ3为由无人机速度和其他参数决定的常量，d
all
是无人机总的移动距离。
[0015]进一步，步骤S2中所述无人机与地面基站通信系统的数学模型为：
[0016][0017]式中，x[k，l]，y[k，l]分别为OTFS系统的发送信号与接收信号，X[n，m]由x[k，l]经IFFFT得到，Y[n，m]由y[k，l]经FFFT变换得到，相当于OFDM系统的发送信号与接收信号，s(t)与r(t)相当于实际发送信号与接收信号，其中h(τ，v)是信道函数，表示噪声函数。
[0018]进一步，所述步骤S3具体包括以下步骤：
[0019]设P0为无人机飞行路径的起始点和结束点，设P
i
为第i个AP坐标，其中i∈[1，Q]，P
i
和第j个AP的差值点之间的距离为：D
ij
＝||P
i
P
j
||，两点间位置转移矩阵为P表示为：
[0020][0021]其中J
k
(i)表示本次遍历中无人机还未访问过且可以从P
i
点直接到到的AP集合，η(i，j)是一个启发式算法，用η(i，j)＝1/D
ij
计算，τ(i，j)表示P
i
和P
j
之间路径上信息素的量：
[0022][0023][0024]其中(C
k
)
‑1表示无人机在P
i
时已经历过的路径长度。
[0025]进一步，所述步骤S4具体包括以下步骤：
[0026]S41：根据接收信号BER门限和多普勒速度V
doppler
与对应的SNR值，求出无人机与各
个信号源通信的最大范围：
[0027][0028]其中P
source
表示无人机信号功率，P
range
表示BER门限对应的SNR值，其中β0表示增益系数，α为距离损失系数，G为瑞利衰落信道函数；
[0029]S42：无人机将在每个信号点范围内完成大小为M
Data
的通信量，将无人机轨迹分为信号范围内与信号范围外两部分，并设它在第i个信号范围内经过S个点，对应坐标为P
in
(i，s)，其中i∈[1，Q]，s∈[1，S]，即满足：
[0030]M
i
≥M
Data
[0031]其中M
i
为在第i个信号范围内总通信量，其传输速率遵循香农公式的限制，计算公式如下：
[0032][0033]C(d)＝W*log2(1+P
d
)，
[0034][0035][0036]其中d(i，s)表示无人机坐标P
in
(i，s)与第i个AP的距离，W表示信道带宽；
[0037]S43：考虑多普勒效应的约束，设θ
i，s
表示无人机运动方向与P
in
(i，s)和P
i
两点连线之间的夹角，θ
i，s
满足
[0038]Vθ
i，s
≤V
doppler
，
[0039]θ
i，s
≤θ0，
[0040]其中θ0＝arccos(V
doppler
/V)，θ
i，s
计算公式为：
[0041][0042]无人机存在最低飞行高度h
min
，设Z
i，s
表示无人机轨迹点P
i，s
高度坐标，其满足：
[0043]Z
i，s
≥h
min
。
[0044]进一步，所述步骤S5具体包括以下步骤：
[0045]S51：计算无人机在信号范围内与信号范围外的总距离：
[0046]L
total
＝sum(L
out
，L
in)
，
[0047]其中L
out
表示在通信范围外，无人机的轨迹距离，计算公式为：
[0048][0049]L
in
表示在通信范围内，无人机的轨迹距离，计算公式为：
[0050][0051]S52：综合限制条件，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于正交时频空调制的无人机路径规划方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：根据无人机飞行与状态参数，建立无人机能量消耗的数学模型；S2：根据无人机信道状态参数，建立无人机与地面基站通信系统的数学模型，并计算不同参数下基站对应的接收信号状态；S3：根据基站数量与位置参数，建立无人机遍历地面基站所需飞行距离的数学模型，并根据蚁群算法寻找无人机遍历各个信号点之间的路程最短的顺序；S4：根据无人机与基站通信系统的要求，明确相关限制条件并建立对应的数学模型；S5：根据无人机与基站通信系统的遍历顺序与限制条件模型，明确无人机飞行距离的数学模型，并根据序列二次规划SQP算法寻找无人机遍历各个信号点之间的路程最短的顺序。2.根据权利要求1所述的基于正交时频空调制的无人机路径规划方法，其特征在于：步骤S1所述无人机能量消耗的数学模型为：式中，E为总的无人机能耗，E
fly
表示无人机飞行能耗，E
trans
表示无人机通信能耗，κ1、κ2表示无人机参数的常量，v表示无人机速度，d(τ
n
)为在时隙τ
n
中无人机移动距离，T为无人机总的移动时间，κ3为由无人机速度和其他参数决定的常量，d
all
是无人机总的移动距离。3.根据权利要求2所述的基于正交时频空调制的无人机路径规划方法，其特征在于：步骤S2中所述无人机与地面基站通信系统的数学模型为：式中，x[k，l]，y[k，l]分别为OTFS系统的发送信号与接收信号，X[n，m]由x[k，l]经IFFFT得到，Y[n，m]由y[k，l]经FFFT变换得到，相当于OFDM系统的发送信号与接收信号，s(t)与r(t)相当于实际发送信号与接收信号，其中h(τ，v)是信道函数，表示噪声函数。4.根据权利要求3所述的基于正交时频空调制的无人机路径规划方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：
设P0为无人机飞行路径的起始点和结束点，设P
i
为第i个AP坐标，其中i∈[1，Q]，P
i
和第j个AP的差值点之间的距离为：D
ij
＝||P
i
P
j
||，两点间位置转移矩阵为P表示为：其中J
k
(i)表示本次遍历中无人机还未访问过且可以从P
i
点直接到到的AP集合，η(i，j)是一个启发式算法，用η(i，j)＝1/D
ij
计算，τ(i，j)表示P
i
和P
j
之间路径上信息素的量：之间路径上信息素的量：其中(C
k
)
‑1表示无人机在P
i
时已经历过的路径长度。5.根据权利要求4所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：白琳，韩瑞，马家豪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：