【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于無線通信，尤其涉及一種用于風場環境和地面圓形軌道的無人機中繼通信方法。
技術介紹
1、近年來，無人機協作通信技術成為了無線通信領域研究的熱點。相比于傳統的地面通信，無人機協作通信易于實現按需分配，從而具有更高的通信效率；無人機具有高度的移動性，因而部署起來更加靈活快捷；無人機與地面終端的信道鏈路多為視距鏈路，能提供更好的信道環境。因此，無人機將在未來的無線通信領域發揮極為重要的作用，其應用主要包括：(1)作為臨時基站；(2)作為移動中繼；(3)用于物聯網。
2、目前，大量文獻研究了無人機作為移動中繼時的中繼通信系統容量、頻譜效率優化問題。實際上，無人機具有有限的機載能量，能效問題被認為是無人機通信的關鍵問題之一。當前，針對無人機中繼通信，大部分研究考慮的是解碼轉發中繼通信形式，對于固定翼無人機輔助下的全雙工放大轉發中繼通信，研究相對較少。另一方面，自然環境中存在的風場，會對無人機的空速、地速以及能耗產生不同的影響，但目前針對無人機輔助通信的研究大多數仍以無風條件為基礎展開。在實際風場環境中，無人機在執行飛行任務時不僅要抗衡氣流帶來的額外阻力，還需要進行飛行姿態的調整以抵抗風速和風向對飛行的影響。鑒于此，探究風場環境下的無人機飛行姿態調整，以及設計合理的地面軌道，對于提升無人機中繼通信的性能具有重要的實際意義。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于提供一種用于風場環境和地面圓形軌道的無人機中繼通信方法，旨在解決固定翼無人機中繼沿著地面圓形軌道飛行，并且在飛
2、本專利技術是這樣實現的，一種用于風場環境和地面圓形軌道的無人機中繼通信方法，該方法包括以下步驟：
3、s1、獲取風速vw、水平風速角χwx和垂直風速角χwz；初始化迭代次數n＝1，設置第n-1次迭代的無人機中繼的滾轉角φn-1為確保無人機安全飛行的最大滾轉角φm，即，φn-1＝φm，設置誤差參數ε＞0(ε通常是一個接近0的小數)，設置第n-1次迭代的無人機的能耗en-1＝∞；
4、s2、利用引理4來獲得優化空速子問題的最優解vn，vn為第n次迭代獲得的無人機空速u的最優解；
5、s3、當無人機中繼以空速vn和滾轉角φn-1飛行時，無人機發動機提供的推動力與空速的乘積peg(vn，φn-1)<0時，若成立，則優化滾轉角子問題的最優解為φn＝φn-1，否則，優化滾轉角子問題的最優解為其中，表示無人機中繼以空速vn沿地面圓形軌道飛行時對應的地速的上界，g為重力加速度，l12為地面源節點與地面目的節點之間的距離，跳轉到步驟s6；
6、s4、當peg(vn，φn-1)＝0時，則利用引理2來獲得尋找最優半徑問題的最優解rn，然后，將rn代入下式：
7、
8、計算得到優化滾轉角子問題的最優解φn＝ψn(rn)(其中，和分別表示無人機以空速vn沿地面圓形軌道飛行時對應的地速的下界和上界，g為重力加速度)，跳轉到步驟s6；
9、s5、利用引理3來獲得優化滾轉角子問題的最優解φn；
10、s6、根據優化空速子問題的最優解vn和優化滾轉角子問題的最優解φn，利用引理5來求得無人機地面圓形軌道的半徑r和無人機的近似能耗en；
11、s7、若第n次和第n-1次迭代的無人機能耗差的絕對值大于誤差參數，即，|en-1-en|＞ε成立，則將迭代次數增一，即，令n＝n+1，并跳轉到步驟s2，否則，令無人機最優空速u*等于第n次迭代時獲得的優化空速子問題的最優解，即，u*＝vn，無人機地面圓形軌道的最優半徑r*等于r，即，r*＝r，無人機的最優飛行時間為δ*＝[q/qlb(r)]·|peg(vn,φn)|，其中，q為地面源節點需要發送給地面目的節點的數據量大小，qlb(r)為無人機中繼沿半徑為r的地面圓形軌道飛行并提供數據轉發服務時地面目的節點在單位時間內能夠接收到的數據量的下界，|peg(vn,φn)|為無人機中繼以空速vn和滾轉角φn飛行時的功耗；
12、s8、將獲得的最優時間δ*離散化為k個時間間隔，每個時間間隔的長度為δ*/k，計算無人機的仰角θ＝arcsin(-vwcosχwz/u*)，令無人機的航線角χ＝0、k＝1；
13、s9、根據下式計算t＝(k-1)δ*/k時刻的無人機地速vg(t)，下式中的無人機空速u用最優空速u*代替：
14、
15、式中，vg(t)是無人機在t時刻的地速，vw為風速，χwx和χwz分別為水平和垂直風速角，u為無人機的空速，χ為無人機的航線角，其取值范圍為0°到360°；
16、s10、計算無人機此時的偏航角此時無人機的航向改變角以及此時無人機的滾轉角
17、s11、控制無人機以恒定空速u*、航向改變角和滾轉角φ進行飛行，飛行時長為δ*/k，在飛行的過程中為兩個地面節點提供數據轉發服務；
18、s12、若k＜k成立，則更新無人機的航線角令k＝k+1，然后跳轉到步驟s9，否則，跳到步驟s13；
19、s13、結束。
20、優選地，在步驟s2中，優化空速的子問題具體表示為：
21、
22、s.t.umin≤u≤umax?????????????????????????(10b)
23、u≥vw?????????????????????????????(10c)
24、其中，vn表示第n次迭代獲得的無人機空速u的最優解，|peg(u,φn-1)|為無人機以空速u和滾轉角φn-1飛行時的功耗，umin和umax分別為無人機的最小和最大空速限，vw為風速；
25、所述引理4給出式(10a)、式(10b)和式(10c)組成的優化問題(10)的最優解。
26、優選地，在步驟s4中，優化滾轉角子問題可轉化為尋找最優半徑問題，具體表示為：
27、
28、其中，rn為第n次迭代獲得的無人機地面圓形軌道半徑r的最優解，ψn(r)為無人機以恒定空速vn沿半徑為r的地面圓形軌道飛行時對應的最小滾轉角和最大滾轉角的中間值，具體可由r代替式(11)中的rn計算得到，φn-1是第n-1次迭代時獲得的優化滾轉角子問題的最優解，l12是地面源節點t1與地面目的節點t2之間的距離，為無人機以恒定空速vn沿地面圓形軌道飛行時的地速vg(t)的上界，g為重力加速度，φm為無人機安全飛行的最大滾轉角；
29、所述引理2給出式(12a)、式(12b)和式(12c)組成的問題(12)的最優解。
30、優選地，在步驟s5中，優化滾轉角子問題可表示為：
31、
32、s.t.tanφ≤tanφn-1??????????(13b)
33、
34、其中，φn表示第n迭代時無人機滾轉角φ的最優本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種用于風場環境和地面圓形軌道的無人機中繼通信方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟S2中，優化空速的子問題具體表示為：
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟S4中，優化滾轉角子問題可轉化為尋找最優半徑問題，具體表示為：
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟S5中，優化滾轉角子問題可表示為：
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟S6中，所述引理5給出無人機地面圓形軌道的半徑和無人機的近似能耗，包括：
【技術特征摘要】
1.一種用于風場環境和地面圓形軌道的無人機中繼通信方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟s2中，優化空速的子問題具體表示為：
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟s4中，優化滾轉角子問...
【專利技術屬性】
技術研發人員：吉曉東，朱宣，李慶，申超杰，賀成，顧文熙，
申請(專利權)人：南通大學，
類型：發明
國別省市：
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