一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法的制作方法

本发明涉及无人机轨迹规划，具体为一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法。

背景技术：

1、在有限数量的无人机搭载通信基站对用户进行通信覆盖的研究中，当覆盖区域面积较大且用户较分散时，无法实现无人机对待覆盖用户的全时覆盖。为了使用户被覆盖的平均时间尽可能高，常以用户分簇为基础对无人机进行航迹规划。在无人机数量较少时，将区域内所有用户划分为固定数量的簇，然后令无人机与分簇用户一一对应服务，再进一步考虑每簇内无人机的局部航迹轨迹。

2、对于基于用户分簇的无人机通信覆盖方法，其核心是将多无人机的协同配合覆盖问题拆分为单个无人机的覆盖问题，在覆盖过程中大大减弱了无人机间的协同配合，同时也限制了无人机的覆盖对象。

3、为了使无人机更好地进行通信覆盖，本专利以用户非分簇出发，提出了一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，该算法能提高用户在无人机执行通信覆盖任务时的平均在网时长。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，解决了上述背景技术中提出的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，包括以下具体步骤：

3、步骤一：将任务总时长分为多个时隙；

4、步骤二：根据所有用户位置，找到每时隙中所有无人机应在的最佳位置；

5、步骤三：确定每架无人机应出现在的目标位置；

6、步骤四：最后通过无人机的最大飞行速度确定无人机实际能飞到的坐标。

7、可选的，所述步骤二至步骤四的操作采用每时隙航迹规划算法，其算法的具体流程如下：

8、(1)、确定每时隙无人机的最佳位置，将待覆盖的正方形目标区域分割成多个网格，每个网格的大小相同，依次遍历每个网格的中心，计算出以每个网格中心为圆心，可通信半径d′为半径的圆能覆盖的用户数量，将覆盖用户数量最多的网格中心作为第一个无人机需在下一时隙到达的最佳位置坐标；

9、接着，将得到的第一个坐标能覆盖的用户删去，再次遍历所有网格，找到第二个能覆盖最多用户的网格，直至找到n个无人机在下一时隙应到达的最佳位置坐标；

10、(2)、确定每时隙无人机的目标位置，每时隙里，得到n个最佳位置后，n架无人机分别飞向n个目标点，可能会出现n种情况；

11、在每种飞行情况中，先得到每架无人机以最大飞行速度依旧无法到达目标位置的路径，再计算出这些路径中以最大飞行速度到达的最远位置点距离目标点的剩余距离；在多种可能的飞行情况中，选择剩余距离最小的情况，即无人机尽可能靠近目标点的情况；

12、(3)、确定每时隙无人机的实际位置，在得到目标位置后，结合无人机的最大飞行速度限制，若其以最大飞行速度能到达目标位置，则认为实际情况中它会以某一速度匀速飞往当前时隙目标点，否则它会以最大飞行速度飞往目标位置方向的最远距离点。

13、可选的，所述每时隙航迹规划算法中按照时间顺序，在每时隙中依照步骤(1)、(2)、(3)得到无人机的航迹点坐标，已知了每时隙的用户位置和无人机航迹位置坐标后，通过计算即得到区域内所有用户的平均在网时长。

14、本发明提供了一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，具备以下有益效果：

15、该基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，为了使用户的平均在网率尽可能大，根据平均在网率的公式定义，期望每一个单位时隙内，所有无人机能与尽可能多的用户建立通信链路；在确定每时隙无人机的最佳位置中，由于无人机的可通信范围与水平面的切面是一个圆形区域，所以最佳位置问题转化为：已知某一时隙的用户位置，求当前时刻能圈住最多用户圆形；再利用网格搜索的方法，将待覆盖区域分割成多个正方形网格，并遍历得到无人机最佳位置；

16、以本算法进行航迹规划仿真，其结果比文献中以用户分簇出发的算法结果要更好；

17、为了计算用户的平均在网时长，利用平均在网率pave作为标准评价算法优劣的指标，它是指每时隙内可以与无人机建立通信链路的平均用户数，用公式表示为：

18、

19、其中，待入网用户的总数量为m，将航迹规划任务的总时长划分为t个时隙，tm表示在全部的t个时隙中第m个用户与任意一架无人机成功建立通信链路的时隙数；

20、当无人机数量为3，所提算法在用户数量为160至280时的七组平均在网率的均值为38.5％，文献中以用户分簇进行航迹规划的算法平均在网率的均值为30.9％，即所提算法的平均在网率提高了7.9％，验证了所提算法的有效性。

技术特征：

1.一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，其特征在于，包括以下具体步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，其特征在于：所述步骤二至步骤四的操作采用每时隙航迹规划算法，其算法的具体流程如下：

3.根据权利要求2所述的一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，其特征在于：所述每时隙航迹规划算法中按照时间顺序，在每时隙中依照步骤(1)、(2)、(3)得到无人机的航迹点坐标，已知了每时隙的用户位置和无人机航迹位置坐标后，通过计算即得到区域内所有用户的平均在网时长。

技术总结本发明公开了一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，涉及无人机轨迹规划技术领域，具体为一种基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，包括以下具体步骤：步骤一：将任务总时长分为多个时隙；步骤二：根据所有用户位置，找到每时隙中所有无人机应在的最佳位置；步骤三：确定每架无人机应出现在的目标位置；步骤四：最后通过无人机的最大飞行速度确定无人机实际能飞到的坐标。该基于用户非分簇的无人机通信覆盖航迹规划算法，在无人机数量及其搭载的通信基站发射功率均有限的情况下，对航迹路径的规划进行研究，通过设计合理的全局航迹算法，使目标区域内用户接入通信链路的平均时长尽可能高。技术研发人员：魏杰,弓雪萌,路诗嘉,章恒受保护的技术使用者：北京科曼达电子技术有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/23