一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法及系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法及系统，包括：步骤1.无人机建立隐蔽通信信道，获得通信参数；步骤2：根据噪声分布得到最优决策分布和最小检测错误率；步骤3：计算得到最大信噪比，可得在隐蔽通信下对功率的约束；步骤4：通过联合优化无人机的轨迹和资源分配来最大化无人机与地面节点通信的信息吞吐量；步骤5：将原始轨迹问题等效为人工势能场下的机械问题；步骤6：无人机根据等效问题求解所得的最优轨迹飞行，并适时调整发射功率；步骤7：无人机到达给定终点，隐蔽通信结束。本发明专利技术把连续无穷个变量的无人机非凸性轨迹问题等效为人工势能场下的绳索最小势能问题，极大程度的降低求无人机轨迹解的时间。间。间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法及系统


[0001]本申请涉及无线通信领域，具体来说涉及一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来，无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)在包括无线通信、数据收集、公共安全、交通监控、环境监测、智慧农业等领域都显示出巨大的应用前景。尤其是在通信应用中，因无人机在三维空间中具有高移动性的特点，其与地面节点间的无线链路的直视径的概率较高、信道增益较强，使其可以提供比地面无线网络更高的通信性能。同时，无人机还具有高可控性，通过优化无人机的静态部署位置可以进一步提高网络通信性能。尤其是通过优化设计无人机的连续轨迹，无线网络可获得额外性能增量空间。此外，无人机的轨迹优化还可提高无人机所辅助无线通信网络的通信容量和能效、增强通信可靠性和安全性，以及提升无线能量传输网络的能传效率等。
[0003]特别是，由于无人机与地面潜在窃听者之间可能存在视距条件，无人驾驶飞行器网络比地面无线网络更容易受到通信安全威胁，而物理层安全是一种很有前途的技术，可以在精心设计的传输功率和轨迹中，提高无人机系统中数据传输的保密性。实践中，物理层安全仅侧重于保护传输内容不被窃听，而在某些情况下也希望对其他通信节点隐藏无线发射机的通信行为。
[0004]隐蔽通信技术正在成为克服这一挑战的有前途的技术，因为它可以借助噪声，人工噪声和功率控制等技术来使得监听者无法判断通信双方是否正在进行通信，从而隐藏无线传输的存在。然而，无人机轨迹在时间和空间上都具有连续性，包含无穷多个时间点所对应的无人机位置信息(速度信息可通过连续位置信息推算获得)。因此，这种面对通信用户的需求以及潜在的窃听者的威胁，需要优化无穷多个变量的连续轨迹设计问题不仅具有前沿性，极其具有挑战性。
[0005]当前的技术降低了(包含无穷多个变量的)连续轨迹求解问题的复杂度，多通过量化、近似、替代式优化和启发式设计等手段，获得次优解。而基于离散点求解问题的方法，其复杂度随着无人机服务区域面积增加而成指数上升。

技术实现思路

[0006]本专利技术首先针对隐蔽通信下单用户、单窃听者网络的最优轨迹设计问题，提出了一种基于机械等效人工势能场的方法来对无人机的连续轨迹进行设计。该方法巧妙把连续无穷个变量的无人机非凸性轨迹问题等效为人工势能场下的绳索最小势能问题，首次获得无人机最优轨迹的闭式表达，可以极大程度的降低求无人机轨迹解的时间，其最优性还表明该方法能够在具有许多复杂模型和目标的单用户网络中扩展。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法,包括如下步骤：
[0009]步骤S1.无人机从给定起点出发，建立隐蔽通信信道，获得通信参数；
[0010]步骤S2：根据噪声分布，得到最优决策分布和最小检测错误率；
[0011]步骤S3：计算得到最大信噪比，从而可得在隐蔽通信下对功率的约束；
[0012]步骤S4：通过联合优化无人机的轨迹来和资源分配最大化无人机与地面节点通信时的信息吞吐量；
[0013]步骤S5：将原始轨迹问题等效为人工势能场下的机械问题；
[0014]步骤S6：根据等效问题求解所得的最优轨迹表达式，无人机进行飞行，并适时调整发射功率；
[0015]步骤S7：无人机到达给定终点，隐蔽通信结束。
[0016]进一步地，所示步骤S1中，获取的通信参数包括无人机飞行的最大速度限制V
max
、最大发射功率限制P
max
、无人机最低飞行高度H、无人机起点与终点位置信息分别为D1＝(ω
1,x
,ω
1,y
)、D2＝(ω
2,x
,ω
2,y
)、地面用户节点与窃听节点的位置信息D0＝(ω
0,x
,ω
0,y
)、D3＝(ω
3,x
,ω
3,y
)，无人机到地面用户之间的通信持续时间T。
[0017]进一步地，所述步骤S1中，无人机从起点出发时，开始建立隐蔽通信信道，根据无人机到用户节点的相对位置信息，可得无人机到用户节点信道增益表示为(1)：
[0018][0019]其中，β表示参考距离为1m的信道增益，r(x(t),y(t))表示无人机到地面用户节点的水平距离,
[0020]根据无人机到窃听节点的相对位置信息，可得无人机到窃听节点的信道增益，表示为(2)：
[0021][0022]其中，β表示参考距离为1m的信道增益，r
w
(x(t),y(t))表示无人机到窃听节点的水平距离,
[0023]进一步地，所述步骤S2中窃听节点的接收信号与噪声均服从复高斯分布，将飞行通信总时间分成N个时隙，在每个时隙中进行L次判决来判定窃听者是否接收到无人机发送的信号，对于时隙n，窃听者第L次接收的信号可以表示为(3)：
[0024][0025]其中，σ2是噪声功率，P[n]为无人机在第n个时隙的发射功率，h
w
[n]为无人机到窃听节点的离散信道增益，代表无人机不发射的零假设，而代表无人机发射的备择假设；
[0026]采用的最优决策即为能够得到最小错误率的决策，由于服从复高斯分布及Γ分布的可加性，可得最优决策的分布，表示为(4)：
[0027][0028]其中，T
w
[n]可以看作是L次观测在第n个时隙的总接收功率；
[0029]总检测错误率可由(5)表示：
[0030][0031]其中，ρ为设定的遮蔽要求值，P
F
[n]为虚警概率，P
M
[n]为漏检概率，当时，得最优决策为τ*，最小检测错误率ξ*只与有关，γ
w
为窃听节点处满足最小检测错误率的最大信噪比。
[0032]进一步地，所述步骤S3中，在隐蔽通信下对功率的约束通过二分搜索的方式，得到窃听节点处满足最小检测错误率的最大信噪比γ
w
，由可得隐蔽通信下对无人机发射功率P[n]的约束，表示为(6)：
[0033][0034]其中，γ
w
为窃听节点处满足最小检测错误率的最大信噪比，σ2为噪声功率，β为参考距离为1m的信道增益，H为无人机的固定飞行高度，P
max
为无人机设定的最大发射功率限制，向量r3＝(ω
3,x
,ω
3,y
)，当时隙n趋于无穷小时，离散发射功率P[n]即可转变为连续发射功率P(t)。
[0035]进一步地，所述步骤S4中对飞行轨迹和功率控制的联合优化，使得无人机隐蔽系统在满足最低隐蔽通信性能要求的情况下进一步提高通信质量，可以将问题建模为(7)：
[0036][0037]其中，B代表带宽，σ2是噪声功率，U({x(t),y本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法,其特征在于，包括如下步骤：步骤S1.无人机从给定起点出发，建立隐蔽通信信道，获得通信参数；步骤S2：根据噪声分布，得到最优决策分布和最小检测错误率；步骤S3：计算得到最大信噪比，从而可得在隐蔽通信下对功率的约束；步骤S4：通过联合优化无人机的轨迹来和资源分配最大化无人机与地面节点通信时的信息吞吐量；步骤S5：将原始轨迹问题等效为人工势能场下的机械问题；步骤S6：根据等效问题求解所得的最优轨迹表达式，无人机进行飞行，并适时调整发射功率；步骤S7：无人机到达给定终点，隐蔽通信结束。2.根据权利1所述的一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法,其特征在于：所示步骤S1中，获取的通信参数包括无人机飞行的最大速度限制V
max
、最大发射功率限制P
max
、无人机最低飞行高度H、无人机起点与终点位置信息分别为D1＝(ω
1,x
,ω
1,y
)、D2＝(ω
2,x
,ω
2,y
)、地面用户节点与窃听节点的位置信息D0＝(ω
0,x
,ω
0,y
)、D3＝(ω
3,x
,ω
3,y
)，无人机到地面用户之间的通信持续时间T。3.根据权利2所述的一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法,其特征在于：所述步骤S1中，无人机从起点出发时，开始建立隐蔽通信信道，根据无人机到用户节点的相对位置信息，可得无人机到用户节点信道增益表示为(1)：其中，β表示参考距离为1m的信道增益，r(x(t),y(t))表示无人机到地面用户节点的水平距离,根据无人机到窃听节点的相对位置信息，可得无人机到窃听节点的信道增益，表示为(2)：其中，β表示参考距离为1m的信道增益，r
w
(x(t),y(t))表示无人机到窃听节点的水平距离,4.根据权利1所述的一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法,其特征在于：所述步骤S2中窃听节点的接收信号与噪声均服从复高斯分布，将飞行通信总时间分成N个时隙，在每个时隙中进行L次判决来判定窃听者是否接收到无人机发送的信号，对于时隙n，窃听者第L次接收的信号可以表示为(3)：其中，σ2是噪声功率，P[n]为无人机在第n个时隙的发射功率，h
w
[n]为无人机到窃听节
点的离散信道增益，代表无人机不发射的零假设，而代表无人机发射的备择假设；采用的最优决策即为能够得到最小错误率的决策，由于服从复高斯分布及Γ分布的可加性，可得最优决策的分布，表示为(4)：其中，T
w
[n]可以看作是L次观测在第n个时隙的总接收功率；总检测错误率可由(5)表示：其中，ρ为设定的遮蔽要求值，P
F
[n]为虚警概率，P
M
[n]为漏检概率，当时，得最优决策为τ*，最小检测错误率ξ*只与L,ρ,有关，γ
w
为窃听节点处满足最小检测错误率的最大信噪比。5.根据权利2所述的一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法,其特征在于：所述步骤S3中，在隐蔽通信下对功率的约束通过二分搜索的方式，得到窃听节点处满足最小检测错误率的最大信噪比γ
w
，由可得隐蔽通信下对无人机发射功率P[n]的约束，表示为(6)：其中，γ
w
为窃听节点处满足最小检测错误率的最大信噪比，σ2为噪声功率，β为参考距离为1m的信道增益，H为无人机的固定飞行高度，P
max
为无人机设定的最大发射功率限制，向量r3＝(ω
3,x
,ω
3,y
)，当时隙n趋于无穷小时，离散发射功率P[n]即可转变为连续发射功率P(t)。6.根据权利3所述的一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法,其特征在于：所述步骤S4中对飞行轨迹和功率控制的联合优化，使得无人机隐蔽系统在满足最低隐蔽通信性能要求的情况下进一步提高通信质量，可以将问题建模为(7)：其中，B代表带宽，σ2是噪声功率，U({x(t),y(t)},P(t))为无人机在二维坐标{x(t),y(t)}处、发射功率为P(t)时与用户节点间的信息吞吐量。7.根据权利6所述的一种基于机械等效的隐蔽通信下无人机轨迹设计方法,其特征在于：所述步骤S5中，将无人机的连续轨迹设计问题转化为变密度绳形状设计，考虑新的路径
和速度信息模型，得到新的问题模型(8)：其中，对任何无人机轨迹{x(t),y(t)}，相应的无人机路径表示为s为对于任何给定的路径变量，v(s)为对于任何给定的路径变量s唯一对应的无人机速度，为无人机位...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡钰林，黄雨茜，高云飞，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：