【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及应急通信与救援，尤其涉及一种无人机增强型应急通信与救援系统。
技术介绍
1、在灾难或特殊情况下，如自然灾害、应急救援等场景中，地面通信基础设施(基站等)常常遭到破坏或无法及时恢复，导致通信中断。在这些情况下，及时有效的通信对于救援行动的协调、人员的安全和救援资源的合理分配至关重要。
2、在地面通信基础设施受损时，卫星通信可以作为一种替代方案,然而卫星通信存在延迟高、带宽有限和成本高昂的问题，且在某些情况下可能无法提供足够的覆盖范围；临时地面基站可以在灾区快速部署临时地面基站以恢复通信,但是该解决方案在物流和时间上存在限制，特别是在交通受阻或地形复杂的灾区；无线电通信使用无线电设备进行通信，但这种通信方式容易受到灾区地形和建筑物的干扰，且通信距离和质量受限；移动通信车辆部署移动通信车辆以提供临时的通信服务，尽管这种方式具有一定的灵活性，但仍然受限于灾区地面交通状况及地形影响，且覆盖范围有限。临时地面基站和移动通信车辆的部署需要时间，由于灾区地形复杂以及可能断路的情况，无法及时部署临时地面基站和调配移动通信车辆，无法满足灾情需要快速响应的需求。在灾区复杂的电磁环境中，无线电通信容易受到干扰，导致通信不稳定。卫星通信和临时地面基站的部署成本较高，且维护复杂。
技术实现思路
1、鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种无人机增强型应急通信与救援系统，用以解决现有方法在灾难或应急救援现场通信恢复速度慢、覆盖范围有限、稳定性差、成本高昂且易受地形和电磁环境影响的技
2、本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：
3、本专利技术提供了一种无人机增强型应急通信与救援系统，包括如下模块：
4、无人机模块，部署于无人机本体，用于执行多天线无人机辅助地面救援队员通信方法，与地面救援队员模块进行精准通信，获取救援队员模块发送的救援信息，将多个救援队员的救援信息发送至救援中心模块；
5、救援队员模块：由救援现场的救援队员携带，用于与无人机通信，接收无人机的指令和信息，并在必要时向无人机发送请求支援信息；
6、救援中心模块：部署于固定的救援指挥中心，用于基于所述无人机模块获取的救援信息进行救援队员的调度和救援物资的分配；
7、其中，所述救援信息包括灾区位置、受灾人数、人员伤情、所需物资种类和数量中的一种或多种。
8、进一步地，所述系统还包括：
9、仓库模块：部署于后勤基地或指定仓库位置，用于存储和管理救援物资，根据救援中心的指令，快速调配和准备所需的救援物资；
10、救援物资配送模块：部署于地面运输车辆或临时配送中心，用于接收仓库模块提供的救援物资，并根据救援中心的指令，快速将物资运输到灾区或指定地点。
11、进一步地，所述无人机模块包括均匀平面天线阵列，基于所述救援中心模块的飞行任务规划在灾区上空按照预定的飞行路径进行圆周飞行；
12、所述救援队员模块包括单天线设备，所述单天线设备为手机或移动终端，救援队员在无人机经过时，与无人机之间建立无线通信连接，每个救援队员模块在某一时隙内接收来自无人机模块发送的定向波束信号，然后进行响应并发送所述救援信息。
13、进一步地，所述多天线无人机辅助地面救援队员通信的方法，包括：
14、步骤s1、计算所述无人机到其中各救援队员的转向矢量；基于所述转向矢量计算无人机到各救援队员模块的信道增益；基于所述信道增益计算所述无人机与各救援队员模块之间的通信速率；
15、步骤s2、构建以最大化无人机与多救援队员模块的平均通信速率为优化目标函数，同时满足救援队员调度约束、无人机通信性能约束、无人机发射功率约束以及无人机飞行轨迹约束的无人机辅助救援队员通信优化模型；
16、步骤s3、对所述无人机辅助救援队员通信优化模型进行求解，得到无人机与多救援队员的通信最优解；利用所述通信最优解与地面救援队员模块进行精准通信。
17、进一步地，所述无人机配备均匀平面天线阵列，平行于地面部署，所述均匀平面天线阵列的天线总数和天线单元之间的距离沿着三维笛卡尔坐标系的x轴和y轴进行划分，分别得到天线阵列总数m＝mx×my和天线沿坐标系轴的间距dx＝dy＝λ/2；
18、其中，mx、my分别为x轴和y轴上排布的天线数量；dx、dy分别为天线沿着x轴和y轴的间距；λ为载波波长；
19、基于mx、my和dx、dy计算所述无人机到第k个救援队员模块的转向矢量α(l(n),lk)，计算如下：
20、
21、其中，k＝1,2,...,k，k为救援队员数量；l(n)为无人机在第n个时隙的位置，lk为第k个救援队员的位置，θ(l(n),lk)、φ(l(n),lk)分别为无人机发射信号到第k个救援队员时的aod仰角和aod方位角。
22、进一步地，基于α(l(n),lk)计算所述无人机到第k个救援队员模块的信道增益hk,com(l(n),lk)，计算如下：
23、
24、其中，n＝1,2,...n，n为无人机飞行周期的时隙数；gt为无人机发射机的天线增益，gb为救援队员模块接收的天线增益，d(l(n),lk)＝||l(n)-lk||表示无人机与第k个救援队员间的欧几里得距离。
25、进一步地，在单位带宽下，基于hk,com(l(n),lk)计算所述无人机与第k个救援队员模块之间的通信速率计算如下：
26、
27、其中，ck(n)为无人机在第n个时隙的救援队员调度，为无人机在第n个时隙的通信波束赋形向量，为服从高斯随机分布的噪声，h为通道增益hk,com(l(n),lk)的共轭转置；ck(n)为二元离散变量；
28、当无人机在时隙n发射通信波束对第k个救援队员执行通信任务时，ck(n)＝1，否则ck(n)＝0。
29、进一步地，所述无人机辅助救援队员通信优化模型，如下：
30、
31、其中，为所述无人机与第k个救援队员之间的通信速率；k为救援队员数量；n＝1,2,...n，n为无人机飞行周期的时隙数；c、w、l分别为要优化的救援队员调度、无人机发射的波束赋形向量及无人机轨迹变量；c1和c2表示救援队员调度约束，c3表示无人机通信性能约束，为预设的无人机与基站的通信速率阈值，c4表示无人机发射功率约束，c5和c6表示无人机的飞行轨迹约束，pmax为无人机的最大传输功率，dmax为无人机在每个时隙的最大飞行距离，li为无人机的起始位置。
32、进一步地，所述步骤s3，包括：
33、所述无人机辅助救援队员通信优化模型包括救援队员调度、无人机发射的波束赋形向量和无人机轨迹三个非线性耦合变量，该模型求解为非凸优化问题；
34、将所述非凸优化问题分解为救援队员调度、无人机发射的波束赋形向量及无人机轨迹的三个凸优化子问题；
35、交替迭代优化本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无人机增强型应急通信与救援系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括：
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述无人机模块包括均匀平面天线阵列，基于所述救援中心模块的飞行任务规划在灾区上空按照预定的飞行路径进行圆周飞行；
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述多天线无人机辅助地面救援队员通信的方法，包括：
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述无人机配备均匀平面天线阵列，平行于地面部署，所述均匀平面天线阵列的天线总数和天线单元之间的距离沿着三维笛卡尔坐标系的x轴和y轴进行划分，分别得到天线阵列总数M＝Mx×My和天线沿坐标系轴的间距dx＝dy＝λ/2；
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，基于α(l(n),lk)计算所述无人机到第k个救援队员模块的信道增益hk,com(l(n),lk)，计算如下：
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，在单位带宽下，基于hk,com(l(n),lk)计算所述无人机与第k个救援队员模块之间的通信速率计算如下：<...
【技术特征摘要】
1.一种无人机增强型应急通信与救援系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述系统还包括：
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述无人机模块包括均匀平面天线阵列，基于所述救援中心模块的飞行任务规划在灾区上空按照预定的飞行路径进行圆周飞行；
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述多天线无人机辅助地面救援队员通信的方法，包括：
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述无人机配备均匀平面天线阵列，平行于地面部署，所述均匀平面天线阵列的天线总数和天线单元之间的距离沿着三维笛卡尔坐标系的x轴和y轴进行划分，分别得到天线阵列总数m＝mx×my和天线沿坐标系轴的间距dx＝dy＝λ...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨国赛，李胜昌，梁冬，张振峡，孙康博，乔阳，李志文，王乐和，刘佳贵，谭修源，张玉香，王潞辉，刘宇星，
申请(专利权)人：中国兵器工业计算机应用技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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