一种多无人机通信中继任务规划方法技术

本发明专利技术适用于无人机通信中继领域，提供了一种多无人机通信中继任务规划方法，包括：构建任务规划环境，并规划品质评价方法；构建基于ACO的中继点集搜寻模型，并提取通信中继点，分配任务无人机；规划基于ACO

【技术实现步骤摘要】
一种多无人机通信中继任务规划方法


[0001]本专利技术属于无人机通信中继领域，尤其涉及一种多无人机通信中继任务规划方法。

技术介绍

[0002]无人机作为通信中继节点(RelayNode,RN)具有广泛的应用前景和深远的现实意义。在军事领域，随着战场维度的拓展和作战空间的延伸，军队需要在大洋、荒漠、极地等境外地域遂行任务，由于缺少地面基站支撑，无人机空中通信中继成为作战单元间任务和信息协同的首选方法。在民用领域，一些地区在经受自然灾害后地面基站损毁，短时间内无法修复，这给灾情的掌控和救援带来阻碍。此时，无人机因起降场地简便、部署快速灵活、滞空时间长、维护成本低廉等特性再次成为实施紧急中继任务的首选。但在无人机执行通信中继任务过程中，会存在RN之间的距离过长，单架无人机工作距离有限，需要多架无人机协同中继完成任务的情况，于是便产生了多无人机中继任务规划问题。如何高效的使用无人机，以最快、最经济的方式实现任务目标之间的通信中继是多无人机中继任务规划问题的核心内容。
[0003]当前国内外针对无人机通信中继任务展开的研究较多，但侧重点多有不同，主要有：无人机最优通信中继覆盖建模、无人机中继通信性能分析、最优能耗问题建模及中继路径规划问题建模等方面。对于多无人机通信中继任务规划问题主要分为两个方面展开，分别为中继节点的布置和任务目标的分配。
[0004]在现有的多无人机通信中继任务规划研究中，焦点往往在地面基站的覆盖上，对任务执行的整体部署时间、飞行航程经济性、任务规划时间以及环境威胁要素考虑较少。这也导致了当前应急情况下无人机通信中继任务规划手段缺乏、规划效率低下、规划品质不佳、无科学评价方式的现实问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例的目的在于提供一种多无人机通信中继任务规划方法，旨在解决在现有的多无人机通信中继任务规划研究中，焦点往往在地面基站的覆盖上，对任务执行的整体部署时间、飞行航程经济性、任务规划时间以及环境威胁要素考虑较少。这也导致了当前应急情况下无人机通信中继任务规划手段缺乏、规划效率低下、规划品质不佳、无科学评价方式的现实问题。
[0006]本专利技术实施例是这样实现的，一种多无人机通信中继任务规划方法，所述多无人机通信中继任务规划方法包括：
[0007]步骤1、构建任务规划环境，并规划品质评价方法；
[0008]步骤2、构建基于ACO的中继点集搜寻模型，并提取通信中继点，分配任务无人机；
[0009]步骤3、规划基于ACO
‑
GA混合算法的中继任务以及基于PTRPA算法的中继任务；
[0010]步骤4、进行性能和仿真分析。
[0011]作为本专利技术更进一步的方案，步骤1中所述的构建任务规划环境，无人机在规划通信中继点的过程中，需要避开避开敌方火力杀伤范围或雷达探测区域，为进行最佳中继节点的部署，需将规划空间进行离散化处理，离散点的采样间隔小于无人机的有效中继距离，可表示为：
[0012]d
relay
＞Δd
ꢀꢀ
(1)；
[0013]式中：d
relay
为无人机的有效通信距离，Δd为规划空间采样间隔，规划空间内的所有点集记为P
R
，则p
ri
为规划的第i个中继节点；
[0014]规划空间内限制区域所覆盖点集记为Pc，限制条件为：
[0015][0016]中继点之间的距离必须小于无人机中继节点工作距离，在假设无人机处于同一飞行平面的情况下，有限制条件：
[0017]||p
ri
,p
ri+1
||＜d
relay
ꢀꢀ
(3)；
[0018]式中：||p
ri
,p
ri+1
||为相邻中继节点之间的欧式距离；
[0019]中继节点间还应当不能重叠，避免空中相撞事故和节点资源的浪费，因此有约束条件：
[0020]p
ri
≠p
rj
,i≠j
ꢀꢀ
(4)；
[0021]基于(1)～(4)式的约束条件和离散化空间，构建无人机通信中继任务规划的寻优空间。
[0022]作为本专利技术更进一步的方案，步骤1中所述的规划品质评价方法，其评判指标包括：中继节点数、部署时间、规划时间和航程总长度；
[0023]其中，部署时间是所有无人机到达指定位置的时间，由最远一架次无人机的飞行时间决定，表示为：
[0024]t
relay
＝max{Luav
i
}/v
ꢀꢀ
(5)；
[0025]式中：Luav
i
为第i架无人机从机场飞至中继点的航程，v是无人机的飞行速度；
[0026]无人机在前往中继点过程中需要穿越限制区，最佳的绕行航段为α对应的弧段计算方法为：
[0027][0028]l
oe
＝l
oc
·
sinβ
ꢀꢀ
(9)；
[0029]因此，在需要绕行的情况下，单架无人机的航程计算公式为：
[0030][0031]式中：L
uavi
为无人机i前往中继点需要飞行的航程，为在不需要穿越限制区域的情况下，单架无人机的航程；
[0032]飞行航程指标计算方法表示为：
[0033][0034]作为本专利技术更进一步的方案，步骤2中所述的构建基于ACO的中继点集搜寻模型，包括：
[0035]采用蚁群算法根据每一个栅#格点的信息素浓度，按照轮盘赌的策略选择下一步的栅格点坐标，节点概率计算公式为：
[0036][0037]式中：为t时刻蚂蚁k从栅格点i转移至j的概率，τ
j
(t)为栅格点j的信息素浓度，η
j
为节点j的启发式因子；
[0038]启发式因子又被成为能见度，用于引导蚂蚁往目标点转移，计算公式为：
[0039][0040]式中：d
j
为节点j至目标点的欧式距离；
[0041]蚁群在完成一次搜索后需要对所有节点进行信息素更新，信息素更新公式为：
[0042][0043]式中：ρ为节点信息素的挥发率，为当前最优蚂蚁路径节点留下的信息素，为本次迭代中排名第k的蚂蚁路过的节点留下的信息素；
[0044]最优和次优蚂蚁信息素的计算公式为：
[0045][0046]式中：F
*
和F均为常数，L
*
和L
k
分别为最优蚂蚁和排名为k的次优蚂蚁搜寻的路径长度。
[0047]作为本专利技术更进一步的方案，步骤3中所述的规划基于ACO
‑
GA混合算法的中继任务，结合遗传算法，采用混合计算模型、ACO算法和GA算法，将每一组中继节点的无人机起降方案作为一条染色体，通过不断的迭代进化得出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多无人机通信中继任务规划方法，其特征在于，所述多无人机通信中继任务规划方法包括：步骤1、构建任务规划环境，并规划品质评价方法；步骤2、构建基于ACO的中继点集搜寻模型，并提取通信中继点，分配任务无人机；步骤3、规划基于ACO
‑
GA混合算法的中继任务以及基于PTRPA算法的中继任务；步骤4、进行性能和仿真分析。2.根据权利要求1所述的多无人机通信中继任务规划方法，其特征在于，步骤1中所述的构建任务规划环境，无人机在规划通信中继点的过程中，需要避开避开敌方火力杀伤范围或雷达探测区域，为进行最佳中继节点的部署，需将规划空间进行离散化处理，离散点的采样间隔小于无人机的有效中继距离，可表示为：d
relay
＞Δd
ꢀꢀꢀꢀ
(1)；式中：d
relay
为无人机的有效通信距离，Δd为规划空间采样间隔，规划空间内的所有点集记为P
R
，则p
ri
为规划的第i个中继节点；规划空间内限制区域所覆盖点集记为Pc，限制条件为：中继点之间的距离必须小于无人机中继节点工作距离，在假设无人机处于同一飞行平面的情况下，有限制条件：||p
ri
,p
ri+1
||＜d
relay
ꢀꢀꢀꢀ
(3)；式中：||p
ri
,p
ri+1
||为相邻中继节点之间的欧式距离；中继节点间还应当不能重叠，避免空中相撞事故和节点资源的浪费，因此有约束条件：p
ri
≠p
rj
,i≠j
ꢀꢀꢀꢀ
(4)；基于(1)～(4)式的约束条件和离散化空间，构建无人机通信中继任务规划的寻优空间。3.根据权利要求2所述的多无人机通信中继任务规划方法，其特征在于，步骤1中所述的规划品质评价方法，其评判指标包括：中继节点数、部署时间、规划时间和航程总长度；其中，部署时间是所有无人机到达指定位置的时间，由最远一架次无人机的飞行时间决定，表示为：t
relay
＝max{Luav
i
}/v
ꢀꢀꢀꢀ
(5)；式中：Luav
i
为第i架无人机从机场飞至中继点的航程，v是无人机的飞行速度；无人机在前往中继点过程中需要穿越限制区，最佳的绕行航段为α对应的弧段计算方法为：l
oe
＝l
oc
·
sinβ
ꢀꢀꢀꢀ
(9)；因此，在需要绕行的情况下，单架无人机的航程计算公...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘旭升，屈虹，赵顾颢，魏潇龙，林晋福，孙静娟，杨丽薇，童亮，陈双艳，刘影，吴楠，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：