本發(fā)明屬于無人機軌跡設計領域，具體涉及一種基于無線電地圖的無人機通感一體化軌跡設計方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著無人機技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機在各種領域得到廣泛應用，包括物流配送、農(nóng)業(yè)植保、災害監(jiān)測等。特別是在自然災害和重大事故發(fā)生時，無人機能夠充當空中基站的角色，快速建立臨時通信鏈路，實現(xiàn)及時、經(jīng)濟地傳遞信息。此外，無人機具有較高的機動性和可操作性，能夠根據(jù)實際環(huán)境和地形調(diào)整飛行軌跡，從而提高系統(tǒng)性能。

2、在利用無人機搭建臨時通信鏈路時，需要考慮到無人機飛行過程中可能遇到的禁飛區(qū)域或特殊要求的區(qū)域，如機場、軍事基地、政府機關(guān)等。同時，多架無人機同時飛行時，還需要考慮空中交通規(guī)劃與協(xié)同飛行的問題。然而，傳統(tǒng)的無人機飛行路徑規(guī)劃方法主要關(guān)注軌跡的最短或最優(yōu)化，無法解決復雜飛行條件下的協(xié)同飛行感知以及禁飛區(qū)域的飛行路徑規(guī)劃問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于無線電地圖的無人機通感一體化軌跡設計方法及系統(tǒng)。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

2、一種基于無線電地圖的無人機通感一體化軌跡設計方法，包括：

3、初始化地圖參數(shù)，其中，所述地圖參數(shù)包括傳感目標坐標、無人機每個時隙位置、無人機天線數(shù)量、無人機所允許的最大發(fā)射功率、無人機飛行高度和無人機飛行速度；

4、基于每個地面基站的信道增益圖構(gòu)建無線電地圖，其中，信道增益圖表示地面基站與無人機之間的大規(guī)模增益的分布；

5、對所述無線電地圖進行預處理以得到可行網(wǎng)格圖；

6、根據(jù)所述可行網(wǎng)格圖劃分禁飛區(qū)域中的最小外包圓，并得到所述最小外包圓的半徑和圓心位置信息；

7、獲取無人機與感知目標和數(shù)據(jù)收集中心的信道增益，并基于所述最小外包圓構(gòu)建無人機位置約束條件；

8、根據(jù)通信約束條件對無人機位置約束條件進行優(yōu)化得到最大感知的雷達互信息量最大化情況下的軌跡和波束賦形。

9、在一個具體實施方式中，對所述無線電地圖進行預處理以得到可行網(wǎng)格圖，包括：

10、將無線電地圖的空間域離散化為具有有限粒度δd的網(wǎng)格以使每個網(wǎng)格單元內(nèi)的信道增益恒定；

11、判斷每個地面基站與具有有限粒度δd的用戶位置之間的信號是否被建筑物阻擋以確定連接無人機和地面基站的可能射線對為視距信道或非視距信道；

12、根據(jù)視距信道和非視距信道對應的信道參數(shù)對信道進行建模以根據(jù)信道建模得到可行網(wǎng)格圖。

13、在一個具體實施方式中，地面基站的信道增益圖表示為：

14、

15、其中表示第s個地面基站與離散化的二維空間中每個位置之間的大規(guī)模信道增益，表示網(wǎng)格坐標的集合，其中，的大小由二維空間中的有限粒度δd確定，任意位置的網(wǎng)格單元表示為：

16、

17、其中，表示集合中的參考位置。

18、在一個具體實施方式中，所述信道建模為：

19、其中，0表示射線對p屬于非視距信道，1表示視距信道，建筑物的二維坐標集合表示為sc表示坐標c＝{xc,yc}處射線的高度，zc表示坐標c處建筑物的高度。

20、在一個具體實施方式中，根據(jù)所述可行網(wǎng)格圖劃分禁飛區(qū)域中的最小外包圓，并得到所述最小外包圓的半徑和圓心位置信息，包括：

21、從所述可行網(wǎng)格圖鐘獲得區(qū)域中的所有位置與所有s個地面基站之間的大規(guī)模信道增益圖；

22、根據(jù)所述大規(guī)模信道增益圖計算相應位置的預期snr值；

23、根據(jù)所述預期snr值將無線電地圖在區(qū)域凹口處進行凸分解得到若干分區(qū)；

24、找到每個分區(qū)所對應能最大程度上覆蓋每個分區(qū)的最小外包圓的半徑和圓心位置信息，將每個最小外包圓所對應的圓柱形區(qū)域確定為禁飛區(qū)域。

25、在一個具體實施方式中，在區(qū)域凹口處進行凸分解得到若干分區(qū)包括：

26、當一個區(qū)域的面積小于需求面積時，在這個區(qū)域內(nèi)掃描并劃分直線，直到達到所需的面積為止，如果劃分的直線與另一個邊界重合后仍然不能滿足要求，則平行地將直線移到另一個邊界上，直到兩個劃分區(qū)域的面積之和等于需求面積，如果這個區(qū)域的面積大于需求面積，則以凹點為軸，在其中一個凸多邊形內(nèi)逆時針掃描并劃分，直到得到需求面積，將滿足面積需求的區(qū)域保留，其余部分將作為一個整體繼續(xù)劃分，直到最終劃分出n-1個分區(qū)。

27、在一個具體實施方式中，無人機與數(shù)據(jù)采集中心的通信鏈路在時隙n的功率增益可表示為：

28、

29、無人機與感知節(jié)點m之間在時隙n的雷達探測鏈路功率增益表示為：

30、

31、其中，gt和gc表示無人機發(fā)射器和通信接收器的天線增益；表示無人機到數(shù)據(jù)采集中心的距離。gr表示無人機雷達接收器的天線增益，η表示目標的雷達截面(rcs)；表示無人機到感知目標的距離；

32、在一個具體實施方式中，無人機位置約束條件為：

33、

34、q[1]＝qi,q[n]＝qf

35、

36、其中vm為最大速度，qi和qf分別表示無人飛行器的初始位置和最終位置，qj為半徑的禁飛區(qū)域最小外包圓。

37、在一個具體實施方式中，所述通信約束條件為：

38、

39、其中，rm，rad[]表示無人機在時隙n對感知節(jié)點m的雷達估計速率，rk，com[]表示無人機到數(shù)據(jù)采集中心的信息速率。

40、本發(fā)明同時提供一種基于無線電地圖的無人機通感一體化軌跡設計系統(tǒng)，包括：

41、初始化模塊，用于初始化地圖參數(shù)，其中，所述地圖參數(shù)包括傳感目標坐標、無人機每個時隙位置、無人機天線數(shù)量、無人機所允許的最大發(fā)射功率、無人機飛行高度和無人機飛行速度；

42、無線電地圖構(gòu)建模塊，用于基于每個地面基站的信道增益圖構(gòu)建無線電地圖，其中，信道增益圖表示地面基站與無人機之間的大規(guī)模增益的分布；

43、可行網(wǎng)格圖處理模塊，用于對所述無線電地圖進行預處理以得到可行網(wǎng)格圖；

44、禁飛區(qū)域劃分模塊，用于根據(jù)所述可行網(wǎng)格圖劃分禁飛區(qū)域中的最小外包圓，并得到所述最小外包圓的半徑和圓心位置信息；

45、約束條件計算模塊，用于獲取無人機與感知目標和數(shù)據(jù)收集中心的信道增益，并基于所述最小外包圓構(gòu)建無人機位置約束條件；

46、軌跡確定模塊，用于根據(jù)通信約束條件對無人機位置約束條件進行優(yōu)化得到最大感知的雷達互信息量最大化情況下的軌跡和波束賦形。

47、本發(fā)明的有益效果：

48、本發(fā)明的基于無線電地圖的無人機通感一體化軌跡設計方法通過基于無線電地圖的禁飛區(qū)域劃分，將不規(guī)則非凸區(qū)域轉(zhuǎn)化為凸多邊形區(qū)域的最小外包圓形式，從而進行問題約束，本發(fā)明提出的方案在復雜感知通信場景下更具有操作性和實用性。此外，綜合考慮無線電地圖的禁飛區(qū)域、無人機感知范圍、無人機感知的雷達互信息量與通信信息量的約束以及感知通信能力進行設計得到無人機飛行軌跡。

49、以下將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。