[发明专利]一种基于地面蜂窝系统的无人机集群部署方法

说明书

本发明提供了一种基于地面蜂窝系统的无人机集群部署方法，包括：在待部署区域内确定用户位置和高度、基站位置、无人机的初始数和飞行高度、系留式无人机的道路位置，以系留式无人机的位置约束、系留式无人机和基站之间的最大通信半径约束，系留式无人机和非系留式无人机之间的最大通信半径约束以及无人机与用户之间的最大通信半径约束为约束条件；以可覆盖用户数最大化作为第一目标函数，采用连续凸近似算法、线性松弛算法和加权l₁算法求解可覆盖的最大用户数；以覆盖的最大用户数所需的无人机数最小化作为第二目标函数，采用连续凸近似算法与二分法得到覆盖最大用户需要部署的最小无人机数及位置，可以实现高系统容量条件下的大范围覆盖。

技术领域

本发明涉及无人机通信及资源管理技术领域，尤其涉及一种基于地面蜂窝系统的无人机集群部署方法。

背景技术

近年来，随着信息化时代的推进，地面移动网络流量高速增长，特别是在一些人口高度密集的地区，地面基站设备需要承受极大的负载，网络阻塞的现象时常发生，致使地面用户无法得到正常的网络服务。此外，时常会出现由于自然灾害等不可抗因素导致地面基站直接损毁的情况，并且在短时间内无法使基站恢复使用，这也会对地面用户正常的通信带来一定程度的影响。

针对上述问题，使用无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)做中继是一个很好的解决办法。无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操作的无人驾驶飞行器，使用空气动力来导航和执行期望的功能，其应用广泛、成本低、生存能力强、机动性能好以及使用方便。无人机在军事、民用等领域均获得了广泛应用，极大程度地降低了人员伤亡的代价，提高了作战系统平台的安全性和自适应性。近年来，随着生产成本的持续降低以及小型化、高移动性和部署灵活的特点，无人机越来越多地应用于民用和商业领域，例如：流量控制、货物运输、精准农业、空中视察、环境监控、紧急搜索与营救、应急通信等。特别是针对一些枯燥、脏乱和危险的任务，无人机相对于有人驾驶的飞机更具优势，因此无人机的需求会越来越大。

随着无人机“视觉”技术、定点悬停技术、跟踪拍摄技术、自动避障技术、无线通信技术、超远程操控技术等的突破，其载荷能力、续航时间和飞行高度都有了很大提升，因此，可以将无人机应用到无线通信系统以提高性能。

无人机平台早期主要选用大中型固定翼无人机和无人直升机作为高空基站平台，这些平台虽然具有载荷能力强、飞行高度大、飞行距离远等优点，但同样存在着体积大、成本高、系统复杂、操作灵活性不足以及定点指挥滞空时间短等诸多限制，这些限制导致其在应急通信场景中很难得到广泛应用。近年来，出现了一种多旋翼系留无人机系统，它主要由多旋翼无人机、系留线缆、地面起降平台三部分组成。多旋翼无人机通过地面供电，能够长时间滞空悬停，同时，通过系留线缆内置的光纤，机载设备采集的数据可以回传到地面。相较于大中型固定翼无人机和无人直升机，多旋翼系留无人机具有体积小、重量轻、可长时间稳定悬停、操作简单、起降环境要求低、数据传输带宽大等优点，更适合应用在应急通信场景下。

在实际应用中，针对不同的使用场景，往往需要系留、非系留无人机的交替或配合使用。由于无人机的成本较高，且电池能量有限，为了提高资源利用率，节约成本，在保证通信服务覆盖目标区域所有用户的前提下，需要尽可能地减少无人机基站部署数量以降低部署成本。现有技术方案能够通过无人机覆盖用户为用户提供通信方式，但其缺点是无人机的利用率低，并且无人机的部署过程困难且复杂。

因此，亟需一种无人机集群部署方法以实现高系统容量条件下的大范围覆盖。

发明内容

本发明提供了一种基于地面蜂窝系统的无人机集群部署方法，以解决地面基站负载大、覆盖范围有限以及无人机能量受限情况下无人机集群的部署问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于地面蜂窝系统的无人机集群部署方法，包括：