[发明专利]一种基于无线能量传输网络的无人机三维轨迹的设计方法

权利要求书

1.一种基于无线能量传输网络的无人机三维轨迹的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：建立无线能量传输网络的下行信道模型：将三维动态能量波束赋形与直射路径相结合形成无人机与用户之间的信道模型；无线能量传输网络中包括一个四旋翼无人机，K个随机分布于陆地的用户，无人机配置M个天线单元的直线阵列，而陆地用户配置单天线；陆地几何区域分成Γ个服务区域；用户k的位置坐标为z_k＝(x_k，y_k，0)而k∈{1，…，K}为用户集合的索引；无人机的三维位置为z_u＝(x_u，y_u，h)，h表示无人机的海拔高度；无人机与用户k之间的无线信道为直射路径占主导，因此信道向量h_k如下：

其中为复用系数，β₀是参考距离为1m时的信道功率增益；此外，为无人机与用户k之间的距离，α是路径损耗系数；a(θ，φ)是方向向量表示为：

其中λ和d_array分别是波长和所述直线阵列内单元间距，仰角θ和方位角φ为已知量；因此，无人机与用户k之间的信道增益表示为：

其中，H表示共轭转置，w是波束权向量，通过调节权值控制主瓣方向；E(θ，φ)＝a^H(θ，φ)w为直线阵列的能量波束方向图；

无人机作为发送端安装的直线阵列分成t个子阵列，而每个子阵列单独产生能量波束对准某一用户；因此对于一个包括M个天线单元的直线阵列，阵因子和综合方向图表示为：

其中，κ＝2π/λ，p_m(θ，φ)和I_m分别是第m个天线单元的单元方向图和激励幅度，β是均匀递变相位；d是阵元间距，e为自然常数；

步骤二：建立基于用户采集能量最大化的数学模型，包括确定优化变量、目标函数以及约束条件的数学表达式；

步骤三：建立联合优化无人机三维位置部署、充电时间、能量波束的低复杂度迭代算法；

步骤四：基于分支定界法，设计无人机三维飞行轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输网络的无人机三维轨迹的设计方法，其特征在于，步骤二中：

用户k采用的总能量表示为：

其中，ξ_k是能量转换效率，0＜ξ_k＜1，P₀是无人机的发送功率，τ_k，γ为在第γ区域内用户k的充电时间；

所述基于用户采集能量最大化的数学模型的优化变量包括：

1)无人机的二维坐标，即z_u＝(x_u，y_u，0)；

2)无人机的海拔高度h；

3)直线阵列的能量波束方向图E(θ，φ)；

4)位于第γ服务区域内的用户k的充电时间τ_k，γ；

所述基于用户采集能量最大化的数学模型的约束条件包括：

(1)无人机与用户之间最大水平距离不大于无人机的覆盖半径：||z_k-z_u||²≤h²tan²Θ；Θ是波束宽度；

(2)无人机在所有Γ个服务区域内的总充电时间不大于充电时期T：

(3)无人机海拔高度约束：h_min＜h＜h_max，h_min和h_max分别为无人机所能达到的最低和最高海拔高度；

基于用户采集能量最大化的数学模型如下：

s.t.||z_k-z_u||²≤h²tan²Θ， (8b)

h_min＜h＜h_max。 (8d)