[发明专利]一种吞吐量最大化的无人机轨迹规划方法

说明书

本发明公开了一种吞吐量最大化的无人机轨迹规划方法，属于无人机通信领域，包括如下步骤：S1：建立无人机对地通信系统模型，由无人机的轨迹、传输功率确定吞吐量优化目标函数；S2：设定距离阈值，将随机分布的多个地面节点根据此阈值进行分组，分析不同距离阈值对分组的影响；S3：分组后，计算每个组的几何中心确定无人机的飞行圆心，通过求解旅行商问题解决无人机最短飞行路径问题并且确定无人机对分组后的地面节点的通信顺序；S4：确定无人机的最佳飞行半径、飞行速度与飞行圈数；S5：在优化时，首先在轨迹一定的情况下优化轨迹，其次在功率一定的情况下优化轨迹，最后进行两者联合优化，从而提高系统的吞吐量。

技术领域

本发明属于无人机通信领域，具体说是一种吞吐量最大化的无人机轨迹规划方法。

背景技术

近年来无人机作为空中移动基站与多个地面节点组成无线网络进行服务的研究已经成为热点，其中与提高无人机通信系统性能相关的一个重要方面便是轨迹优化，尤其对于无人机辅助通信而言，适当的轨迹规划会显著缩短通信距离，对于提高系统吞吐量有着至关重要的影响。找到最佳的无人机飞行轨迹是一项具有挑战性的任务。一方面，需要确定连续的无人机轨迹涉及了无限变量；另一方面，通常还受到各种实际情况约束，例如连通性限制，燃料限制，碰撞和地形规避等，而且这些限制多数是时变的，难以准确建模。至今已有不少学者在无人机轨迹规划方面做出了大量的研究，如连续悬停-飞行轨迹、直线轨迹等。连续悬停-飞行轨迹的关键在于寻找连续访问的悬停位置。为了最大化悬停时间进行有效信息传输，无人机在连续的悬停位置之间需要以最大速度飞行，并且需要最小化总飞行距离。但是当无人机的悬停位置不在地面节点上时，需要无人机远离地面节点飞行，容易造成通信质量下降。在直线轨迹中，无人机以固定速度从源节点飞往目的地保证在有限时间内完成任务。在只有两个地面节点情况下，无人机按直线轨迹移动不仅能够提高系统吞吐量，而且可以通过低移动速度、长传输时间获得低功率消耗。但是，简单的直线轨迹不适合区域内随机分布的地面节点，且不能兼顾地面节点之间的公平性。

在以往的无人机轨迹优化研究中大多数不考虑实际情况下的功率消耗，仅仅针对提高系统性能进行理想化设计，或者仅仅考虑优化功率消耗而不考虑轨迹。单一因素的优化不能发挥无人机对地通信系统的整体最大潜力，因此需要结合实际情况，将无人机的轨迹和功率联合考虑，通过联合优化使得无人机的移动性得到充分利用，实现真正意义上的系统性能提高。需要注意的是，在进行轨迹优化时，其非凸性严重阻碍了最优解的寻找，同时需要解决该非凸性问题。

发明内容

针对上述问题以及现有方法的局限性，在满足地面多点通信需求基础上，本发明提供了一种吞吐量最大化的无人机轨迹规划方法。

为实现上述目的，本申请的第一种技术方案为：一种吞吐量最大化的无人机轨迹规划方法，包括如下步骤：

S1：建立无人机对地通信系统模型，由无人机的轨迹、传输功率确定吞吐量优化目标函数；

S2：设定距离阈值，将随机分布的多个地面节点根据此阈值进行分组，分析不同距离阈值对分组的影响；

S3：分组后，计算每个组的几何中心确定无人机的飞行圆心，通过求解旅行商TSP(Traveling Salesman Problem)问题解决无人机最短飞行路径问题并且确定无人机对分组后的地面节点的通信顺序；

S4：分析功率消耗与无人机速度和飞行半径的关系，确定无人机的最佳飞行半径、飞行速度与飞行圈数；

S5：在优化时，首先在轨迹一定的情况下优化轨迹，其次在功率一定的情况下优化轨迹，最后进行两者联合优化，从而提高系统的吞吐量。

进一步的，所述S1中的通信系统模型为：

S1.1如附图2所示，本发明考虑一架无人机对多个地面节点通信的通信系统模型，无人机作为移动发射机向地面节点传输信息，地面节点随机分布、位置固定且位置信息被无人机已知；