【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无人机通信感知，涉及一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法。
技术介绍
1、无人机因具有机动性高、成本低、隐蔽性强及易部署等优点，在军事及民用领域均得到广泛应用，可承担侦察探测、跟踪定位、精确制导、电磁干扰、物资投放等多类型任务，而无人机通信感知一体化是实现多机协同高精度、灵活目标感知、高效信息交互的重要技术基础。然而，无人机通信感知一体化系统面临通信与感知功能对于频谱、功率及时隙等多维资源的竞争，以及通信与感知系统内部及系统间的干扰，如何设计波束成形及波束成形策略，实现通信感知系统性能优化是亟待解决的问题。
2、目前已有文献研究无人机通信感知一体化问题，如有文献基于感知系统接收端信干噪比限制条件，设计波束成形方案，以实现通信系统传输速率优化；有文献在满足通信系统可容忍干扰约束条件下，设计感知系统的发送信号，以实现感知系统信干噪比优化，然而，现有研究较少考虑通信感知系统性能的联合优化，以及多无人机多天线通信感知系统的联合波束成形及轨迹设计问题，难以实现复杂场景下通信感知一体化系统性能优化。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法。针对包含m架无人机、n个用户、至少1个目标和一个基站的系统场景，建模目标平均检测概率最大化及无人机通信时延最小化为优化目标，实现无人机飞行轨迹、波束成形以及通感任务调度策略的联合优化。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
4、s1、建模无人机通感融合系统模型，并对地面区域进行离散化处理；
5、s2、建立目标存在概率模型、无人机感知信道模型、无人机通信信道模型；
6、s3、建立无人机通感融合系统发送信号模型以及目标检测概率模型；
7、s4、建立用户通信数据传输时间模型、无人机传输感知数据至基站所需时间模型；
8、s5、建立无人机飞行能耗及信号功率约束、无人机任务调度约束以及无人机飞行轨迹约束；
9、s6、基于目标平均检测概率及无人机通信时延优化确定无人机飞行轨迹、波束成形及通感任务调度策略。
10、进一步，在步骤s1中，建立的无人机通感融合系统模型包括：m架无人机、n个用户、至少一个目标和一个基站，每架无人机发射天线数为j；地面区域为ψ，用户及目标均分布在ψ内；无人机从起点出发，在飞行过程中与用户通信，且对目标进行感知，并将所感知的数据传输至基站；令表示用户n的坐标，1≤n≤n，χn表示用户n的通信数据量；基站坐标为qb＝[xb,yb]t；将系统时间划分成t个时隙，每个时隙长度为τ，令qm(t)＝[um(t),hm(t)]t表示无人机m在t时隙的坐标，其中um(t)＝[xm(t),ym(t)]t代表无人机m在t时隙的水平坐标，hm(t)为无人机m在t时隙的飞行高度，hmin≤hm(t)≤hmax，hmin和hmax分别表示无人机飞行的最低和最高高度；
11、对地面区域离散化处理包括：地面区域ψ为一矩形区域，x1和y1分别代表ψ的x轴与y轴长度；nx和ny分别表示x轴与y轴的最大网格数，
12、进一步，在步骤s2中，目标存在概率模型为：
13、目标随机分布在ψ内，令f(x,y)表示目标分布在(x,y)处的概率密度函数，则：
14、
15、其中μx和μy分别表示目标位置在x与y方向的平均位置，和分别表示目标位置在x与y方向的方差；对目标位置进行离散化处理，则目标位于网格(i,j)的概率pi,j表示为：
16、
17、目标位于网格(i,j)内时对应的位置表示为：
18、
19、其中，1≤i≤nx，1≤j≤ny。
20、进一步，在步骤s2中，无人机感知信道模型表示为：
21、令表示t时隙无人机m与位于的目标之间的感知信道矢量，则：
22、
23、其中，表示小尺度感知信道性能增益矢量，为均值为0、方差为1的复高斯分布随机变量；β为振幅系数；
24、无人机通信信道模型表示为：
25、无人机通信信道包括无人机与用户通信的信道以及无人机传输感知数据至基站的通信信道；令表示t时隙无人机m到用户n的通信信道矢量，则：
26、
27、其中，ρ0表示单位距离的信道损耗系数，表示小尺度天线性能增益矢量，为均值为0、方差为1的复高斯分布随机变量；令表示t时隙无人机m到基站的通信信道矢量，则：
28、
29、其中，表示小尺度天线性能增益矢量，为均值为0、方差为1的复高斯分布随机变量。
30、进一步，在步骤s3中，无人机通感融合系统发送信号模型为：
31、无人机的发送信号由通信与感知信号组成，令xm(t)表示无人机m在t时隙发送的通信及感知信号之和，则：
32、
33、其中，αm,n(t)∈{0,1}为用户通信调度变量，αm,n(t)＝1表示无人机m在t时隙与用户n通信，反之αm,n(t)＝0；为无人机m在t时隙与用户n通信时所采用的波束成形矢量，cn为用户n的通信信号，e[|cn|2]＝1；δm,i,j(t)∈{0,1}为目标感知变量，δm,i,j(t)＝1表示无人机m在t时隙对位于的目标进行感知，反之δm,i,j(t)＝0；为无人机m在t时隙对位于的目标进行感知时所采用的波束成形矢量，s为目标感知信号，e[|s|2]＝1。
34、进一步，在步骤s3中，目标检测概率模型为：
35、假定t时隙无人机m对位于的目标进行感知，则目标发现概率表示为：
36、
37、其中，i0(·)代表第一类零阶贝塞尔函数，vt为雷达接收机判决门限；给定雷达检测的虚警概率pfa，判决门限vt满足：为t时隙无人机m对位于的目标进行感知时对应的雷达接收天线功率，其表示为：
38、
39、令pd表示目标平均感知性能，则：
40、
41、进一步，在步骤s4中，用户通信数据传输时间模型表示为：
42、假定t时隙无人机m与用户n进行通信，则用户n的接收信号功率为：
43、
44、用户n受到来自同无人机下其他用户信号的干扰功率为：
45、
46、用户n受到来自其他无人机的干扰功率为：
47、
48、用户n受到的来自感知信号的干扰表示为：
49、
50、t时隙用户n与无人机m通信时的信干噪比表示为：
51、
52、其中σ2为噪声功率；
53、用户n在t时隙与无人机m通信的通信速率表示为：
54、
55、t时隙用户n与无人机m之间的通信时延表示为：<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：在步骤S1中，建立的无人机通感融合系统模型包括：M架无人机、N个用户、至少一个目标和一个基站，每架无人机发射天线数为J；地面区域为Ψ，用户及目标均分布在Ψ内；无人机从起点出发，在飞行过程中与用户通信，且对目标进行感知，并将所感知的数据传输至基站；令表示用户n的坐标，1≤n≤N，χn表示用户n的通信数据量；基站坐标为qb＝[xb,yb]T；将系统时间划分成T个时隙，每个时隙长度为τ，令qm(t)＝[um(t),Hm(t)]T表示无人机m在t时隙的坐标，其中um(t)＝[xm(t),ym(t)]T代表无人机m在t时隙的水平坐标，Hm(t)为无人机m在t时隙的飞行高度，Hmin≤Hm(t)≤Hmax，Hmin和Hmax分别表示无人机飞行的最低和最高高度；
3.根据权利要求2所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：在步骤S2中，目标存在概率模型为：
4
5.根据权利要求4所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：在步骤S3中，无人机通感融合系统发送信号模型为：
6.根据权利要求5所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：在步骤S3中，目标检测概率模型为：
7.根据权利要求6所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：在步骤S4中，用户通信数据传输时间模型表示为：
8.根据权利要求7所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：在步骤S4中，无人机传输感知数据至基站所需时间模型为：
9.根据权利要求8所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：在步骤S5中，对于无人机飞行能耗及信号功率约束，无人机m飞行能耗约束表示为：
10.根据权利要求9所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：在步骤S6中，基于目标平均检测概率最大化及无人机通信时延最小化优化确定无人机飞行轨迹qm(t)、波束成形策略及通信及感知调度策略αm,n(t)，及δm,i,j(t)，即：
...【技术特征摘要】
1.一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：在步骤s1中，建立的无人机通感融合系统模型包括：m架无人机、n个用户、至少一个目标和一个基站，每架无人机发射天线数为j；地面区域为ψ，用户及目标均分布在ψ内；无人机从起点出发，在飞行过程中与用户通信，且对目标进行感知，并将所感知的数据传输至基站；令表示用户n的坐标，1≤n≤n，χn表示用户n的通信数据量；基站坐标为qb＝[xb,yb]t；将系统时间划分成t个时隙，每个时隙长度为τ，令qm(t)＝[um(t),hm(t)]t表示无人机m在t时隙的坐标，其中um(t)＝[xm(t),ym(t)]t代表无人机m在t时隙的水平坐标，hm(t)为无人机m在t时隙的飞行高度，hmin≤hm(t)≤hmax，hmin和hmax分别表示无人机飞行的最低和最高高度；
3.根据权利要求2所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在于：在步骤s2中，目标存在概率模型为：
4.根据权利要求3所述的一种无人机通感融合系统波束成形及飞行轨迹设计方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：柴蓉，王慧玲，李立凡，陈前斌，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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