[发明专利]基于无人机-地面站链路预测的无人机网关选择方法

权利要求书

1.一种基于无人机-地面控制站链路状态预测的网关选择方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：无人机-地面控制站链路状态预测；

S2：采用权函数计时机制，通过节点稳定性和无人机-地面控制站链路状态预测概率来计算延迟时间以进行网关选择；

其中，所述步骤S1包括如下子步骤：

S11：基于无人机节点链路模型的预测，具体包括：在无人机网络中，一架无人机的移动通常是由其任务驱动的，大多数无人机的位置与地面任务有关，部分无人机可能在大部分的时间内在地面控制站的通信范围内执行任务，部分无人机可能在小部分时间内地面控制站的通信范围内执行任务；无人机和地面控制站之间的链路状态分为“连通”和“中断”，简称“通”和“断”，则可以根据无人机当前时刻与地面控制站链路的状态和历史信息来预测未来一段时间内无人机与地面控制站链路的状态，对无人机-地面控制站链路状态的预测主要是“通”到“通”的概率，所以需要用到状态转移概率和状态转移概率矩阵，基于马尔科夫预测模型，考虑无人机-地面控制站链路历史状态之间的转移情况，对无人机的历史链路状态情况进行建模，从当前时刻开始，根据无人机的历史位置记录将无人机的链路状态信息以ΔT时间间隔进行抽样，如表1所示为无人机链路状态抽样记录，

表1

其中，LS为“通”或“断”表示无人机-地面控制站链路状态；据此，我们可以得到无人机-地面控制站链路状态转移情况，如下表2所示，

表2

其中，a、b、c、d表示状态转移次数，由表3

表3

可知无人机-地面控制站链路状态从“通”到“通”的一步转移概率为因此，根据该马尔科夫预测模型，无人机-地面控制站链路状态由“通”到“通”的概率计算如公式1所示：

P_Mar＝P(“通”→“通”)＝P₁₁(1)

S12：基于无人机节点运动趋势的预测，具体包括：从宏观角度来看，移动对象至目标位置的距离应越来越近，若无人机在一段时间内距离地面控制站越来越远则无人机将要离开地面控制站通信范围内的概率会较大，反之亦然；通过无人机与地面控制站之间距离的变化量可以反映无人机的运动趋势，这里构建了无人机运动趋势对无人机链路状态预测影响的影响因子数学模型，如下：在最近历史时刻对无人机与地面控制站之间距离进行抽样的距离序列集合为D＝{d₁,d₂,…,d_s}，其中d₁为当前时刻，之后依次为历史时刻的距离抽样；Δd_k为相邻两个距离抽样的变化量，如公式2所示：

Δd＝d_k+1-d_k(k≤s) (2)，

其中，Δd_max为抽样时间间隔Δt内无人机以最大速度v_max飞行的最大距离，如公式3所示：

Δd_max＝Δt×v_max (3)；

其中，无人机与地面控制站的最大通信距离为d_max，无人机的运动趋势可以分为位置因素和位置变化量两方面，如下所示：PCF表示位置变化量因素，如公式4所示，PCF大于零表明无人机与地面控制站的距离越来越近，PCF小于零表明无人机与地面控制站的距离原来越远，当PCF为零或者接近零的时候表明无人机与地面控制站的相对位置关系比较稳定

PF表示位置因素，如公式5所示，

运动趋势对无人机链路状态预测影响的影响因子IF，如公式6所示，

可知，当PCF小于零时，无人机离地面控制站越远PF的值就越大，此时IF的值就越小；当PCF大于零时，无人机离地面控制站越近PF的值就越大，此时IF的值就越大；并且，IF的值越大，无人机未来时刻仍将处于地面控制站通信范围内的概率就越大，无人机-地面控制站链路状态仍将处于“通”的概率就越大；

S13：无人机-地面控制站链路状态预测综合概率的计算，具体包括：

综合概率的计算如公式7所示，其中，W_Mar和W_Mov为权重，它们的和为1，该综合概率的值越大则无人机-地面控制站将继续保持“通”的可能性越大，

P_pre＝W_Mar*P_Mar+W_Mov*P_Mov (7)

其中，所述步骤S2包括如下子步骤：

S21：无人机节点i计算自身的稳定性s_i；

S22：检验该无人机节点稳定性值是否满足条件s_i-s_k≥ε，其中s_k为网关节点k的稳定性值，这里根据节点的稳定性值将无人机节点进行了分级，s_i表示节点i的稳定性值，如表4所示，

表4

其中，ε为分级的阈值，λ表示不同级别稳定性节点对应的不同级别的参数且λ₁＜λ₂＜λ₃＜λ₄；

S23：若不满足条件则算法结束，否则继续执行下面步骤；

S24：将节点i置为潜在网关节点；

S25：潜在网关节点i计算延迟等待时间T_i，延迟等待时间T_i再次检查是否满足步骤S22中的条件，若仍满足则广播网关通告消息GWADV，其中，潜在网关节点i的延迟等待时间的计算公式为：T_i＝T_const*λ*(1-P_pre(i))(8)，其中，T_const为调节常数；

S26：若自组网内无人机节点收到若干个本分区内节点发来的网关通告消息，则选择其中id最小的无人机节点作为网关节点。