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CN115542933A - 一种圆形轨迹下全双工固定翼无人机中继系统的优化方法 - Google Patents

一种圆形轨迹下全双工固定翼无人机中继系统的优化方法 Download PDF

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CN115542933A
CN115542933A CN202211144514.5A CN202211144514A CN115542933A CN 115542933 A CN115542933 A CN 115542933A CN 202211144514 A CN202211144514 A CN 202211144514A CN 115542933 A CN115542933 A CN 115542933A
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CN
China
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flight
aerial vehicle
unmanned aerial
optimal
radius
Prior art date
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Pending
Application number
CN202211144514.5A
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English (en)
Inventor
吉晓东
施森译
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Nantong University
Original Assignee
Nantong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种圆形轨迹下全双工固定翼无人机中继系统的优化方法，该优化方法为利用源节点和目的节点的位置信息，根据源节点须要发送给目的节点的数据量大小，对无人机的飞行半径、飞行速度和飞行时间进行优化调整，在符合无人机飞行速度限制和水平转弯倾斜角限制下，以及满足系统发送数据量要求的条件下，使无人机飞行能耗最小化。仿真实验表明，本发明优化方法在能耗上具有优势。

Description

一种圆形轨迹下全双工固定翼无人机中继系统的优化方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种圆形轨迹下全双工固定翼无人机中继系统的优化方法。
背景技术
近年来，无人机协作通信技术成为了无线通信领域研究的热点。相比于传统的地面通信，无人机协作通信易于实现按需分配，从而具有更高的通信效率；无人机具有高度的移动性，因而部署起来更加灵活快捷；无人机与地面终端的信道链路多为视距链路，能提供更好的信道环境。因此，无人机将在未来的无线通信领域发挥极为重要的作用，其应用主要包括：(1)作为临时基站；(2)作为移动中继；(3)用于物联网。
目前，大量文献研究了无人机作为移动中继时的中继通信系统容量和频谱效率的优化问题。实际上，无人机具有有限的机载能量，能效问题被认为是无人机通信的关键问题。当前，针对无人机中继通信，大部分研究考虑的是解码转发中继通信形式，对于无人机采用放大转发中继的研究较少，特别是在全双工模式下的放大转发无人机中继通信还没有考虑，值得进行研究。另一方面，固定翼无人机在圆形轨迹下，其转弯半径与飞行速度、无人机的水平倾斜角有关，这一问题过去一般被忽略，须要进一步研究。
发明内容
为解决现有技术所存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种圆形轨迹下全双工固定翼无人机中继系统的优化方法，通过对无人机中继系统的飞行半径、飞行速度和飞行时间进行调整，在符合无人机飞行速度限制和水平转弯倾斜角限制下，以及满足系统发送数据量要求的条件下，实现无人机飞行能耗的最小化，从而提高系统的能量效率。
本发明是这样实现的，一种圆形轨迹下全双工固定翼无人机中继系统的优化方法，该优化方法为利用源节点和目的节点的位置信息，根据源节点须要发送给目的节点的数据量大小，对无人机的飞行半径、飞行速度和飞行时间进行优化调整，在符合无人机飞行速度限制和水平转弯倾斜角限制下，以及满足系统发送数据量要求的条件下，使无人机飞行能耗最小化。
优选地，所述飞行半径的优化调整公式为：
Figure BDA0003854749220000021
Figure BDA0003854749220000022
其中，Q是源节点S须要发送给目的节点D的数据量，β表示在1m距离情况下的信道增益参考值，PS是S的发射功率，PR是R的发射功率，H是无人机中继R的飞行高度，r是无人机中继R的圆形飞行轨迹半径，L是S与D之间的距离，σ2是R和D节点处的高斯白噪声的方差，g表示重力加速度，Vmin是无人机的最小飞行速度，e是自然常数，c1＝ηCD0B/2、c2＝2W2/[(πe0AR)ηB]，η表示空气密度，CD0表示零升力阻力系数，B表示机翼面积，e0是翼展效率，W表示无人机整体的重量，AR表示无人机翼的纵横比；
该公式通过黄金分割一维搜索算法进行求解。
优选地，所述飞行速度的优化调整公式为：
Figure BDA0003854749220000023
其中，v是无人机中继R的飞行速度，r是无人机中继R的圆形飞行轨迹半径，g表示重力加速度，c1＝ηCD0B/2、c2＝2W2/[(πe0AR)ηB]，η表示空气密度，CD0表示零升力阻力系数，B表示机翼面积，e0是翼展效率，W表示无人机整体的重量，AR表示无人机翼的纵横比。
优选地，所述飞行时间的优化调整公式为：
Figure BDA0003854749220000031
其中，Q是源节点S须要发送给目的节点D的数据量，T为完成Q数据量转发的时间，β表示在1m距离情况下的信道增益参考值，PS是S的发射功率，PR是R的发射功率，H是无人机中继R的飞行高度，r是无人机中继R的圆形飞行轨迹半径，L是S与D之间的距离，σ2是R和D节点处的高斯白噪声的方差，e是自然常数。
优选地，该优化方法包括以下步骤：
S1、利用一维搜素算法求解所述飞行半径的优化调整公式，得到无人机最优飞行半径r*；
S2、将r*分别代入所述飞行速度的优化调整公式和所述飞行时间的优化调整公式，求得无人机最优飞行速度v*和无人机最优飞行时间T*；；
S3、将优化调整的无人机最优飞行速度v*与无人机最小飞行速度Vmin和最大飞行速度Vmax进行比较；其中，若Vmin≤v*≤Vmax则跳转到以下步骤S7；
S4、若v*＜Vmin，则修改最优飞行速度，令v*＝Vmin，然后跳转到以下步骤S6；
S5、若v*＞Vmax，则修改最优飞行速度，令v*＝Vmax；
S6、将v*作为v代入以下公式获得修改后的最优飞行半径r*：
Figure BDA0003854749220000032
将修改后的最优飞行半径r*作为r代入所述飞行时间的优化调整公式获得修改后的最优飞行时间T*；
S7、输出最优飞行速度v*、最优飞行半径r*和最优飞行时间T*。
本发明克服现有技术的不足，提供一种圆形轨迹下全双工固定翼无人机中继系统的优化方法，本发明方法利用源节点和目的节点的位置信息，根据源节点须要发送给目的节点的数据量大小，对无人机的飞行半径、飞行速度和飞行时间进行优化调整，在符合无人机飞行速度限制和水平转弯倾斜角限制下，以及满足系统发送数据量要求的条件下，实现无人机飞行能耗的最小化。
对于圆形轨迹下的全双工固定翼无人机中继通信系统，地面上的源节点S需要将Q数据量发送给目的节点D，假设S和D之间的距离为L，由于S和D距离较远，其直达链路不存在，需要借助飞行在高度为H的固定翼无人机中继R进行数据的转发，无人机中继R工作在全双工模式(接收和发射信号在同一频段同时进行)，采用放大转发(Amplify-and-Forward，AF)中继协议；无人机中继R以源节点S和目的节点D连线的中点为圆心，以r为半径，以匀速v作圆周飞行运动，这里的飞行半径r除了须要满足无人机水平转弯倾斜角限制，还需满足
Figure BDA0003854749220000041
假设S到R和R到D均为视距(Light of Sight，LoS)链路，则S到R的信道可写为：
Figure BDA0003854749220000042
R到D的信道可写为：
Figure BDA0003854749220000043
其中α是无线信道衰落因子，
Figure BDA0003854749220000044
为源节点S到中继R的距离，
Figure BDA0003854749220000045
为中继R到目的节点D的距离，t表示时间，β表示在1m距离情况下的信道增益参考值，θ是无人机中继R飞行弧长所对应的圆心角，这里假设源节点S的位置为(0,0,0)、目的节点D的位置为(L,0,0)、无人机飞行的起始点为
Figure BDA0003854749220000051
需要说明的是：无线信道衰落因子α通常取值是2～4，由于无人机与地面节点之间的信道由LoS链路构成，因此，α取2，此时，节点S到中继R的信道可写为：
Figure BDA0003854749220000052
中继R到节点D的信道为：
Figure BDA0003854749220000053
由于无人机中继R工作在全双工方式，此时，无人机发射天线发射的无线信号将会被无人机接收天线接收到，为此无人机需要采用环路干扰消除(Loop InterferenceCancellation,LIC)技术来消除全双工方式下产生的环路干扰，根据LoS信道和环路干扰假设，可以给出无人机中继R接收的信号表达式：
Figure BDA0003854749220000054
其中PS是S的发射功率；xS是S的发射信号(假设功率为1)；PR是R的发射功率；xR是R的发射信号(假设功率为1)；hLI是经过LIC后的残留环路干扰；zR是R接收到的高斯白噪声(假设均值为0，方差为σ2)，无人机将接收信号yR乘上放大因子ρ变成发射信号，即，xR＝ρyR，这里
Figure BDA0003854749220000055
假设无人机中继R对接收信号yR的处理是足够理想的，没有任何的延时，则D节点接收的信号为：
Figure BDA0003854749220000056
其中zD是D接收到的高斯白噪声(假设均值为0，方差为σ2)；
将
Figure BDA0003854749220000061
代入式(4)，并经过数学运算可得
Figure BDA0003854749220000062
由式(5)可得D节点的接收信噪比，具体可写为：
Figure BDA0003854749220000063
其中
Figure BDA0003854749220000064
这样，目的节点的在t时刻能够接收到的数据量为：
Figure BDA0003854749220000065
根据上面的分析，可将无人机能耗最小优化问题写为
Figure BDA0003854749220000066
s.t.Q-QD(T)≤0 (8b)
Vmin≤v≤Vmax (8c)
Figure BDA0003854749220000067
Figure BDA0003854749220000068
这里，T为完成Q数据量转发的时间，
Figure BDA0003854749220000069
是固定翼无人机以匀速v、半径r作圆形轨迹飞行的功耗，其中g表示重力加速度，c1＝ηCD0B/2、c2＝2W2/[(πe0AR)ηB]，η表示空气密度，CD0表示零升力阻力系数，B表示机翼面积，e0是翼展效率，W表示无人机整体的重量，AR表示无人机翼的纵横比，Vmax和Vmin分别是无人机的最大和最小飞行速度，约束条件式(8d)表示无人机的水平转弯倾斜角须小于等于45°，约束条件式(8e)表示无人机飞行轨迹在地面上的投影应位于S和D连线以内；
须要说明的是：固定翼无人机在圆形轨迹下，其飞行速度v和飞行半径r因该满足
Figure BDA0003854749220000071
其中φ为无人机的水平转弯倾斜角，并且水平转弯倾斜角满足0＜φ≤45°，因此，固定翼无人机以圆形轨迹飞行时须要满足
Figure BDA0003854749220000072
否则，无人机将无法进行水平转弯；
为了解优化问题(8)，即，式(8a)、式(8b)、式(8c)、式(8d)和式(8e)组成的优化问题，下面开始化简约束条件式(8b)；为此，首先给出log2(1+γD)的下界，具体可写为：
Figure BDA0003854749220000073
接着根据不等式
Figure BDA0003854749220000074
和式(9)，可以进一步找到log2(1+γD)的一个下界，具体可写为：
Figure BDA0003854749220000075
因为
Figure BDA0003854749220000076
所以
Figure BDA0003854749220000078
Figure BDA0003854749220000077
成立，根据式(10)，可得log2(1+γD)的一个下界，具体可写为；
Figure BDA0003854749220000081
根据式(7)和式(11)，可得目的节点D在t时刻能够接收到的数据量的下界
Figure BDA0003854749220000082
其中
Figure BDA0003854749220000083
下面，用式(12)得到的QD(t)的下界
Figure BDA0003854749220000084
来代替QD(t)，则无人机能耗最小优化问题，即，问题(8)可转化为
Figure BDA0003854749220000085
Figure BDA0003854749220000086
Vmin≤v≤Vmax (14c)
Figure BDA0003854749220000087
需要说明的是：当目的节点D能够收到的数据的下界大于等于Q，则目的节点实际能够接收到的数据将肯定大于等于Q；
为了解问题(14)，即，式(14a)、式(14b)、式(14c)和式(14d)组成的优化问题，首先，忽略约束条件式(14b)、式(14c)和式(14d)，针对式(14a)对v求偏导并令该偏导数为0，可得：
Figure BDA0003854749220000088
观察式(15)发现，v是r的增函数，也就是说增大r，v也随着增大，反之也是这样；因此，当v和r满足式(15)时，并且令r趋于无穷，则v趋于
Figure BDA0003854749220000091
也就是说当v和r满足式(15)时，v的最大值为
Figure BDA0003854749220000092
这样，根据式(15)可得，
Figure BDA0003854749220000093
此外，当v和r满足式(15)时，
Figure BDA0003854749220000094
将肯定成立，因此，当v和r满足式(15)时，约束条件式(14d)可改写为
Figure BDA0003854749220000095
将式(16)代入(14a)，优化问题(14)的目标函数可以写为：
Figure BDA0003854749220000096
另外，由于
Figure BDA0003854749220000097
是T的增函数、r的减函数，当问题(14)有最优解时，约束条件式(14b)将取等号，因为，若约束条件式(14b)取小于号，则可以通过减小T或增加r使得
Figure BDA0003854749220000098
减小，并由此降低目标函数式(14a)的值，因此，当问题(14)有最优解时，约束条件式(14b)将取等号；
根据式(13)，当约束条件式(14b)将取等号时有：
Figure BDA0003854749220000099
根据上面的分析，可将问题(14)改写为：
Figure BDA00038547492200000910
Figure BDA0003854749220000101
优化问题(19)，即，式(19a)和式(19b)组成的优化问题将可以通过一维搜索获得无人机飞行最优半径，然后，将问题(19)的解分别代入式(15)和式(18)获得无人机最优飞行速度和飞行时间；下面，需要检查获得的无人机最优飞行速度是否能够大于等于Vmin并且小于等于Vmax，若是，则输出最优解，若小于Vmin则将无人机最优飞行速度修改为或Vmin，若大于Vmax，则将无人机最优飞行速度修改为Vmax，然后，将修改后的无人机最优飞行速度代入式(16)获得修改后的无人机飞行最优半径，最后，将获得的修改后的无人机最优飞行半径代入式(18)获得修改后的最优飞行时间；
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明利用源节点和目的节点的位置信息，根据无人机的最大和最小飞行速度限制、无人机水平转弯倾斜角限制、源节点须要发送给目的节点的数据量大小，对无人机的飞行速度、飞行半径和飞行时间进行优化调整。该方法能够在满足系统发送数据量要求的条件下，实现无人机飞行能耗的最小化；仿真实验表明，该优化方法在能耗上具有优势。
附图说明
图1为本发明无人机的坐标体系示意图；
图2为不同Q值下采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的能耗比较；
图3为不同Q值下采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的目的节点实际接收数据量；
图4为不同Q值下采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的飞行时间；
图5为不同环路干扰下采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的能耗比较；
图6为不同环路干扰下采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的目的节点实际接收数据量。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例公开了一种圆形轨迹下全双工固定翼无人机中继系统的优化方法，该优化方法为利用源节点和目的节点的位置信息，根据源节点须要发送给目的节点的数据量大小，对无人机的飞行半径、飞行速度和飞行时间进行优化调整，在符合无人机飞行速度限制和水平转弯倾斜角限制下，以及满足系统发送数据量要求的条件下，使无人机飞行能耗最小化。
如图1所示，无人机中继R始终飞行在高度H，其飞行轨迹在地平面上的投影为圆形，该圆形以源节点S和目的节点连线的中点为圆心，r为半径，无人机的起始点在地平面上的投影为源节点S和目的节点连线中点向S节点方向偏r，无人机中继R的飞行线速度为v。无人机R在接收S发送信号的同时向目的节点转发消息。无人机接收信号和转发消息在同一频段上同时进行，即，工作在全双工模式，并且中继转发采用的是AF协议。
该优化方法包括以下具体步骤：
S1、利用黄金切割一维搜素算法求解公式(19)，得到无人机最优飞行半径r*
在步骤S1中，利用一维搜素算法解问题(19)，得到无人机最优飞行半径r*；
Figure BDA0003854749220000121
Figure BDA0003854749220000122
S2、将r*分别代入公式(15)和公式(18)，求得无人机最优飞行速度v*和无人机最优飞行时间T*；
在步骤S2中，将r*作为r分别代入式(15)和式(18)求得无人机最优飞行速度v*和无人机最优飞行时间T*；；
Figure BDA0003854749220000123
Figure BDA0003854749220000124
S3、将优化调整的无人机最优飞行速度v*与无人机最小飞行速度Vmin和最大飞行速度Vmax进行比较；其中，若Vmin≤v*≤Vmax则跳转到以下步骤S7
S4、若v*＜Vmin，则修改最优飞行速度，令v*＝Vmin，然后跳转到以下步骤S6；
S5、若v*＞Vmax，则修改最优飞行速度，令v*＝Vmax；
S6、将v*作为v代入公式(16)获得修改后的最优飞行半径r*：
Figure BDA0003854749220000125
将修改后的最优飞行半径r*作为r代入公式(18)获得修改后的最优飞行时间T*：
Figure BDA0003854749220000131
S7、输出最优飞行速度v*、最优飞行半径r*和最优飞行时间T*。
对上述优化方法进行仿真实验，并且与无人机以最小速度和最大速度飞行下的系统功耗进行了比较，实验环境为Matlab环境。假设源节点S和目的节点的距离L＝5000m，无人机飞行最小、最大速度分别为Vmin＝5m/s、Vmax＝50m/s，无人机飞行在固定高度H＝200m,S和R节点的信号发射功率为PS＝PR＝-20dBm，环境中的高斯白噪声的方差σ2＝-110dBm，单位距离信道增益β＝1，c1＝9.26×10-4，c2＝2250。
图2、图3和图4分别给出了采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的能耗比较、目的节点实际接收数据量和无人机飞行时间。这里，假设环路干扰|hLI|2＝10-6；“最小速度飞行”和“最大速度飞行”意味着无人机分别以最小和最大飞行速度飞行，但飞行半径和飞行时间均做了优化，“所提算法”就是采用所提出的优化方法，即，采用无人机飞行速度、飞行半径和飞行时间的联合调整算法。
图2给出了不同Q值下采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的能耗比较。由图2可以看出，与“最小速度飞行”和“最大速度飞行”相比，所提出的优化算法大大节省了功耗。图3给出不同Q值下采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的目的节点实际接收数据量。图3显示，三种方法下，目的节点能够接收数据量要大于设定的Q值，说明所提优化方法的正确性。图4给出不同Q值下采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的飞行时间。由图4可以看出，三者的飞行时间接近，所提算法的飞行时间位于中间，“最大速度飞行”的飞行时间稍长，“最小速度飞行”的飞行时间稍短。需要说明的是，图2、图3和图4采用的参数下，所提优化算法、“最小速度飞行”和“最大速度飞行”的飞行半径分别是：241.8m、27.57m和371.4m；飞行速度分别为：27.42m/s、5m/s和50m/s。
图5和图6分别给出了不同环路干扰下采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的能耗比较和目的节点实际接收数据量。这里，假设数据量Q＝100。由图5可以看出，与“最小速度飞行”和“最大速度飞行”相比，所提出的优化算法大大节省了功耗。图6给出不同环路干扰下采用优化方法与无人机最小和最大飞行速度下的目的节点实际接收数据量。图6显示，三种方法下，目的节点能够接收的数据量要大于设定的Q值，进一步说明所提优化方法的正确性。需要说明的是，图5和图6采用的参数下，所提优化算法、“最小速度飞行”和“最大速度飞行”的飞行半径分别是：241.8m、27.57m和371.4m；飞行速度分别为：27.42m/s、5m/s和50m/s；飞行时间分别是：213.7s、187.1s和231.7s。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种圆形轨迹下全双工固定翼无人机中继系统的优化方法，其特征在于，该优化方法为利用源节点和目的节点的位置信息，根据源节点须要发送给目的节点的数据量大小，对无人机的飞行半径、飞行速度和飞行时间进行优化调整，在符合无人机飞行速度限制和水平转弯倾斜角限制下，以及满足系统发送数据量要求的条件下，使无人机飞行能耗最小化。
2.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述飞行半径的优化调整公式为：
Figure FDA0003854749210000011
Figure FDA0003854749210000012
其中，Q是源节点S须要发送给目的节点D的数据量，β表示在1m距离情况下的信道增益参考值，PS是S的发射功率，PR是R的发射功率，H是无人机中继R的飞行高度，r是无人机中继R的圆形飞行轨迹半径，L是S与D之间的距离，σ2是R和D节点处的高斯白噪声的方差，g表示重力加速度，Vmin是无人机的最小飞行速度，e是自然常数，c1＝ηCD0B/2、c2＝2W2/[(πe0AR)ηB]，η表示空气密度，CD0表示零升力阻力系数，B表示机翼面积，e0是翼展效率，W表示无人机整体的重量，AR表示无人机翼的纵横比；
该公式通过黄金分割一维搜索算法进行求解。
3.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述飞行速度的优化调整公式为：
Figure FDA0003854749210000021
其中，v是无人机中继R的飞行速度，r是无人机中继R的圆形飞行轨迹半径，g表示重力加速度，c1＝ηCD0B/2、c2＝2W2/[(πe0AR)ηB]，η表示空气密度，CD0表示零升力阻力系数，B表示机翼面积，e0是翼展效率，W表示无人机整体的重量，AR表示无人机翼的纵横比。
4.如权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述飞行时间的优化调整公式为：
Figure FDA0003854749210000022
其中，Q是源节点S须要发送给目的节点D的数据量，T为完成Q数据量转发的时间，β表示在1m距离情况下的信道增益参考值，PS是S的发射功率，PR是R的发射功率，H是无人机中继R的飞行高度，r是无人机中继R的圆形飞行轨迹半径，L是S与D之间的距离，σ2是R和D节点处的高斯白噪声的方差，e是自然常数。
5.如权利要求2～4任一项所述的优化方法，其特征在于，该优化方法包括以下步骤：
S1、利用一维搜素算法求解所述飞行半径的优化调整公式，得到无人机最优飞行半径r*；
S2、将r*分别代入所述飞行速度的优化调整公式和所述飞行时间的优化调整公式，求得无人机最优飞行速度v*和无人机最优飞行时间T*；
S3、将优化调整的无人机最优飞行速度v*与无人机最小飞行速度Vmin和最大飞行速度Vmax进行比较；其中，若Vmin≤v*≤Vmax则跳转到以下步骤S7；
S4、若v*＜Vmin，则修改最优飞行速度，令v*＝Vmin，然后跳转到以下步骤S6；
S5、若v*＞Vmax，则修改最优飞行速度，令v*＝Vmax；
S6、将v*作为v代入以下公式获得修改后的最优飞行半径r*：
Figure FDA0003854749210000031
将修改后的最优飞行半径r*作为r代入所述飞行时间的优化调整公式获得修改后的最优飞行时间T*；
S7、输出最优飞行速度v*、最优飞行半径r*和最优飞行时间T*。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111010223A (zh) * 2019-12-17 2020-04-14 北京航空航天大学 一种毫米波全双工无人机通信中继传输方法
CN111813167A (zh) * 2020-07-22 2020-10-23 南通大学 一种飞行速度和轨迹的联合优化方法及系统
CN111953397A (zh) * 2020-05-20 2020-11-17 南京航空航天大学 一种面向自由信道的全双工无人机中继通信方法
CN112491458A (zh) * 2020-11-12 2021-03-12 南通大学 一种变加速无人机移动中继的通信方法
CN113162679A (zh) * 2021-04-01 2021-07-23 南京邮电大学 基于ddpg算法的irs辅助无人机通信联合优化方法
CN113179116A (zh) * 2021-04-20 2021-07-27 南通大学 无人机中继系统的发射功率及飞行轨迹的联合优化方法
CN115347939A (zh) * 2022-08-15 2022-11-15 南通大学 一种全自由度全双工放大转发无人机中继系统的优化方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111010223A (zh) * 2019-12-17 2020-04-14 北京航空航天大学 一种毫米波全双工无人机通信中继传输方法
CN111953397A (zh) * 2020-05-20 2020-11-17 南京航空航天大学 一种面向自由信道的全双工无人机中继通信方法
CN111813167A (zh) * 2020-07-22 2020-10-23 南通大学 一种飞行速度和轨迹的联合优化方法及系统
CN112491458A (zh) * 2020-11-12 2021-03-12 南通大学 一种变加速无人机移动中继的通信方法
CN113162679A (zh) * 2021-04-01 2021-07-23 南京邮电大学 基于ddpg算法的irs辅助无人机通信联合优化方法
CN113179116A (zh) * 2021-04-20 2021-07-27 南通大学 无人机中继系统的发射功率及飞行轨迹的联合优化方法
CN115347939A (zh) * 2022-08-15 2022-11-15 南通大学 一种全自由度全双工放大转发无人机中继系统的优化方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
叶澍: "《全双工无人机中继系统物理层安全性能研究》", 《系统仿真学报》, vol. 34, no. 4, 30 April 2022 (2022-04-30), pages 1 - 9 *
黄陈浩: "《一种高能效的无人机移动中继技术》", 《南通大学学报(自然科学版)》, vol. 20, no. 3, 30 September 2021 (2021-09-30), pages 1 - 7 *

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