本申请涉及无人机通信技术领域，特别涉及一种无人机属性数据的确定方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术：
近年来，无人机广泛应用于军事、民用领域，并有望在未来十年带来丰富的商业机会。在无人机的各项应用中，无人机辅助无线通信已经演变为一项非常具有发展前景的技术。与传统的地面通信相比，无人机通信主要具有以下三个优点。首先，无人机可以按需部署，灵活性高，运营成本低。其次，与地面信道相比，无人机与地面间的信道通常会经历更少的散射，因此形成视距链路的概率更高，从而为用户调度和资源分配提供更可靠的通信链路。最后，无人机可以动态调整其在三维空间中的位置来提高通信质量，或通过适当的轨迹设计来避免干扰。以上优点催生出大量的新应用，例如热点地区的蜂窝数据卸载，基础设施故障后的服务恢复，紧急情况下的移动数据中继或定制通信等。然而，在充分发挥无人机通信的潜力之前，还需要应对很多挑战。
根据无人机的移动性，无人机辅助通信系统的研究大致可以分为两类。第一类，无人机作为静止的空中通信平台，为地面用户提供无处不在的无线覆盖。在此场景中，无人机部署问题得到了广泛的研究。这些工作通过优化无人机的高度或水平位置，来实现不同的设计目标，如最大化中断概率、覆盖面积、受服务的用户数量、吞吐量等。第二类，无人机作为移动的空中平台，为地面用户服务。几种典型的应用包括无人机辅助中继、信息传播/数据收集。与第一类研究相比，该类工作通过优化无人机的轨迹来获得更好的信道质量，从而进一步提高系统性能。
然而，在大部分无人机通信的工作中，无人机的高度是固定的，其飞行轨迹被限制在一个水平面上，没有充分利用无人机的在垂直方向的移动性。此外，大部分研究无人机轨迹优化的工作都假设无人机配备全向天线，即可以在三维空间中的各个方向上辐射强度相等的信号。然而，实际上，只有在二维空间(即水平方向)才可以实现等辐射，从而实现全向天线。在现代通信系统中，具有可调波束宽度的定向天线已经广泛应用于各种场景中。因此，对配备定向天线的无人机，研究其轨迹设计问题具有现实意义。
技术实现要素：
本申请实施例提供了一种无人机属性数据的确定方法、装置、电子设备及存储介质，可以在无人机的飞行速度、高度、天线波束宽度受限的条件下，通过调整无人机的飞行轨迹和天线波束宽度，最小化无人机传输任务的完成时间。
一方面，本申请实施例提供了一种无人机属性数据的确定方法，包括：
确定无人机的飞行速度范围，飞行高度范围，以及无人机的波束宽度；确定无人机基于无人机对应的用户的覆盖条件以及子时间段的数据传输速率；基于飞行速度范围，飞行高度范围，无人机的波束宽度、覆盖条件和子时间段的数据传输速率建立非凸问题模型；将非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型；基于多个凸问题模型确定无人机的飞行轨迹和波束宽度；其中，子时间段为预设时间内的一个时间段，目标时间小于预设时间。
另一方面，本申请实施例提供了一种无人机属性数据的确定装置，包括：
第一确定模块，用于确定无人机的飞行速度范围，飞行高度范围，以及无人机的波束宽度；第二确定模块，用于确定无人机基于无人机对应的用户的覆盖条件以及子时间段的数据传输速率；第三确定模块，用于基于飞行速度范围，飞行高度范围，无人机的波束宽度、覆盖条件和子时间段的数据传输速率建立非凸问题模型；第四确定模块，用于将非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型；第五确定模块，用于基于多个凸问题模型确定无人机的飞行轨迹和波束宽度；其中，子时间段为预设时间内的一个时间段，目标时间小于预设时间。
另一方面，本申请实施例提供了一种电子设备，电子设备包括处理器和存储器，存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述的无人机属性数据的确定方法。
另一方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述的无人机属性数据的确定方法。
本申请实施例提供的无人机属性数据的确定方法、装置、电子设备及存储介质具有如下有益效果：
通过确定无人机的飞行速度范围，飞行高度范围，以及无人机的波束宽度，确定无人机基于无人机对应的用户的覆盖条件以及子时间段的数据传输速率，并基于飞行速度范围，飞行高度范围，无人机的波束宽度、覆盖条件和子时间段的数据传输速率建立非凸问题模型，将非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型，从而确定无人机的飞行轨迹和波束宽度。本申请提供的无人机属性数据的确定方法，可以在无人机的飞行速度、高度、天线波束宽度受限的条件下，通过调整无人机的飞行轨迹和天线波束宽度，最小化无人机传输任务的完成时间。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种应用场景的示意图；
图2是本申请实施例提供的一种无人机属性数据的确定方法的流程示意图；
图3是本申请实施例提供的一种无人机飞行轨迹的仿真图；
图4是本申请实施例提供的一种无人机高度和波束宽度的仿真图；
图5是本申请实施例提供的一种算法收敛曲线图；
图6是本申请实施例提供的一种不同方案任务完成时间的仿真图；
图7是本申请实施例提供的一种无人机属性数据的确定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种应用场景的示意图，包括无人机101和用户102。例如在无人机101辅助的多播系统中，无人机101作为空中基站为多个地面用户102提供文件传输服务。
通过确定无人机101的飞行速度范围，飞行高度范围，以及无人机101的波束宽度；其次，确定无人机101的覆盖条件以及子时间段的数据传输速率，子时间段为预设时间内的一个时间段，目标时间小于预设时间。基于飞行速度范围，飞行高度范围，无人机101的波束宽度、覆盖条件和子时间段的数据传输速率建立非凸问题模型，将非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型，同时保证用户102始终在无人机101的覆盖范围内，从而可以确定出最佳的无人机101的飞行轨迹和波束宽度。
以下介绍本申请一种无人机属性数据的确定方法的具体实施例，图2是本申请实施例提供的一种无人机属性数据的确定方法的流程示意图，本说明书提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或服务器产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。具体的如图2所示，该方法可以包括：
s201：确定无人机的飞行速度范围，飞行高度范围，以及无人机的波束宽度。
本申请实施例中，通过一个具体的应用功能场景进行说明，该应用场景为一个下行多播系统，该应用场景中，无人机作为飞行的基站向一组地面用户传输d比特的文件。这里采用三维笛卡尔坐标系，假设每个用户的坐标为
此外，无人机为了周期性的为地面用户服务，无人机需要在任务完成后返回到初始位置，即无人机的水平坐标需要满足公式(4)：
q[1]＝q[n],h[1]＝h[n].……(4)
本申请实施例中，无人机配备有一个波束宽度可调的定向天线，θ[n]和ψ[n]分别代表天线的方位角和仰角。假设其方位角和仰角的半功率波束宽度相等，即2θ[n]，其中
其中，
由于
s203：确定无人机基于无人机对应的用户的覆盖条件以及子时间段的数据传输速率；子时间段为预设时间内的一个时间段，目标时间小于预设时间。
一种可选的确定无人机基于无人机对应的用户的覆盖条件的实施方式中，包括确定无人机对应的用户的用户位置；确定无人机的飞行水平位置；基于用户位置、飞行水平位置、飞行高度范围和波束宽度确定覆盖条件。
一种可选的确定子时间段的数据传输速率的实施方式中，包括确定第一参考距离下的信道功率增益；基于信道功率增益、用户位置、飞行水平位置和飞行高度范围确定无人机和用户的信道功率增益；根据信道带宽、信道功率增益和无人机传输功率和高斯白噪的功率确定子时间段的数据传输速率。
基于上述的应用场景继续说明，假设每个地面用户都配备了一个具有单位增益的全向天线。如图1所示，无人机天线主瓣覆盖的地面区域是以无人机水平投影为中心，半径为rc[n]＝h[n]tanθ[n]的圆形区域。为了保证所有地面用户总是在无人机的覆盖范围内，无人机基于无人机对应的用户的覆盖条件可以根据公式(7)确定：
假设空对地通信信道为视距链路，且由于无人机移动带来的多普勒效应可以得到完美的补偿。根据自由空间路径损耗模型，无人机到用户的信道功率增益可以根据公式(8)确定：
其中，β0表示参考距离d0＝1处的信道功率增益。
用户在时刻n的子时间段的数据传输速率可以根据公式(9)确定：
其中，b为信道带宽；
s205：基于飞行速度范围，飞行高度范围，无人机的波束宽度、覆盖条件和子时间段的数据传输速率建立非凸问题模型。
s207：将非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型。
s209：基于多个凸问题模型确定无人机的飞行轨迹和波束宽度。
一种可选的将非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型的实施方式中，包括基于非凸问题模型确定多个目标时间；将非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型。
本申请实施例中，无人机的飞行轨迹包括无人机水平方向的飞行轨迹和竖直方向的飞行轨迹。
本申请实施例中，将非凸问题模型转换成一个基于目标时间的新非凸问题模型和一个基于新非凸问题的单调问题。对单调问题使用二分法可以确定多个目标时间，并将基于目标时间的非凸问题模型转换为多个基于目标时间的凸问题模型，直到单调问题取得最优解。如此，可以确定出最佳的无人机的飞行轨迹和波束宽度，即当无人机距离用户较近时，无人机飞行在较低的高度，天线波束宽度大。与现有技术相比，传输相同大小的文件所需要的目标时间更短。
本申请实施例中，建立非凸问题模型可以是公式(10)：
为了求解公式(10)，本申请实施例引入两个更容易处理的问题，然后证明通过解决这两个新问题可以得到公式(10)的最优解。基于上述的应用场景继续说明，定义公式(10)的左式吞吐量与文件数据的比值为比率，那么第一个引入的问题是最大化用户之间最小的比率，该问题可以表述为公式(11)：
对于给定的n，让η*(n)作为公式(11)的最优值。对于任意给定的n,当且仅当η*(n)≥1时任务完成，则目标时间可以根据公式(12)确定：
显然n只出现在公式(11b)的求和上限中，因此η*(n)关于n单调递增。通过使用二分法，确定多个目标时间，直到约束公式(12b)取到等号。
为了求解无人机的飞行轨迹和波束宽度，将公式(11)等价转化为公式(13)：
由于公式(13)仍是非凸问题，这里使用sca技术，用全局凹下界替换非凹项。由于
其中，
对于给定点{hr[n],θr[n]}，可以根据公式(15)确定(h[n]tanθ[n])2的全局下界为：
其中，
根据sca原则，公式(13b)替换为公式(16)：
进一步，将公式(16)转化为以下soc约束：
因此，给定点{qr[n],hr[n],θr[n]}，公式(13)可以近似为公式(18)：
如此，将非凸问题模型转换成基于目标时间的凸问题模型，公式(18)是一个凸问题，使用标准的凸优化工具包，例如cvx，可以确定无人机的飞行轨迹和波束宽度。
下面基于本申请实施例提出的方法以及具体的实验数据进行仿真实验。
对于一个无人机辅助多播通信系统，设置用户个数为k＝6，无人机最大飞行高度hmax＝250m，最小飞行高度为hmin＝70m，最大水平飞行速度vl＝50m/s，最大垂直飞行速度vd＝20m/s，最大波束宽度
请参阅图3，图3(a)是本申请实施例提供的一种无人机在d＝42mbits下的飞行轨迹的仿真图，图3(b)是本申请实施例提供的一种无人机在d＝315mbits下的飞行轨迹的仿真图。可以看出随着d的增加，飞行的飞行轨迹扩大，其飞行在靠近用户上方的位置以获得更好地通信质量。与现有技术oma方案相比，本申请提出的so方案中的无人机动态调整高度以平衡水平轨迹和波束宽度，充分利用了空间自由度。
请参阅图4，图4(a)是本申请实施例提供的一种无人机在d＝42mbits下高度和波束宽度的仿真图，图4(b)是本申请实施例提供的一种无人机在d＝315mbits下高度和波束宽度的仿真图。可以看出当无人机飞行在距离部分用户较近时，无人机飞行在较低的高度，此时天线波束宽度较大，否则，无人机动态的调整其高度和波束宽度以满足覆盖要求。
请参阅图5，图5是本申请实施例提供的一种算法收敛曲线图。在t＝50s时，基于本申请实施例提供的方法的算法在大约9次后收敛，速度快。
请参阅图6，图6是本申请实施例提供的一种不同方案任务完成时间的仿真图。如图6所示，传输不同大小的文件，本申请实施例提供的方法与现有方案的任务完成时间不同，可以看出本申请实施例提供的方法so完成任务的时间最快。
本申请实施例还提供了一种无人机属性数据的确定装置，图7是本申请实施例提供的一种无人机属性数据的确定装置的结构示意图，如图7所示，该装置包括：
第一确定模块701，用于确定无人机的飞行速度范围，飞行高度范围，以及无人机的波束宽度；
第二确定模块702，用于确定无人机基于无人机对应的用户的覆盖条件以及子时间段的数据传输速率；
第三确定模块703，用于基于飞行速度范围，飞行高度范围，无人机的波束宽度、覆盖条件和子时间段的数据传输速率建立非凸问题模型；
第四确定模块704，用于将非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型；
第五确定模块705，用于基于多个凸问题模型确定无人机的飞行轨迹和波束宽度；子时间段为预设时间内的一个时间段，目标时间小于预设时间。
本申请实施例中的装置与方法实施例基于同样地申请构思。
本申请的实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括处理器和存储器，存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述无人机属性数据的确定方法。
本申请的实施例还提供了一种存储介质，存储介质可设置于服务器之中以保存用于实现方法实施例中一种无人机属性数据的确定方法相关的至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，该至少一条指令、该至少一段程序、该代码集或指令集由该处理器加载并执行以实现上述无人机属性数据的确定方法。
可选地，在本实施例中，上述存储介质可以位于计算机网络的多个网络服务器中的至少一个网络服务器。可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
由上述本申请提供的无人机属性数据的确定方法、装置、电子设备或存储介质的实施例可见，本申请中通过确定无人机的飞行速度范围，飞行高度范围，以及无人机的波束宽度，确定无人机基于无人机对应的用户的覆盖条件以及子时间段的数据传输速率，并基于飞行速度范围，飞行高度范围，无人机的波束宽度、覆盖条件和子时间段的数据传输速率建立非凸问题模型，将非凸问题模型转换成基于目标时间的凸问题模型，从而确定无人机的飞行轨迹和波束宽度。本申请提供的无人机属性数据的方法，可以在无人机的飞行速度、高度、天线波束宽度受限的条件下，通过调整无人机的飞行轨迹和天线波束宽度，最小化无人机传输任务的完成时间。
需要说明的是：上述本申请实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
技术特征：
1.一种无人机属性数据的确定方法，其特征在于，包括：
确定无人机的飞行速度范围，飞行高度范围，以及所述无人机的波束宽度；
确定所述无人机基于所述无人机对应的用户的覆盖条件以及子时间段的数据传输速率；
基于所述飞行速度范围，所述飞行高度范围，所述无人机的波束宽度、所述覆盖条件和所述子时间段的数据传输速率建立非凸问题模型；
将所述非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型；
基于多个所述凸问题模型确定所述无人机的飞行轨迹和波束宽度；
其中，所述子时间段为预设时间内的一个时间段，所述目标时间小于所述预设时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述无人机基于所述无人机对应的用户的覆盖条件，包括：
确定所述无人机对应的用户的用户位置；
确定所述无人机的飞行水平位置；
基于所述用户位置、所述飞行水平位置、飞行高度范围和所述波束宽度确定所述覆盖条件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定子时间段的数据传输速率，包括：
确定第一参考距离下的信道功率增益；
基于所述信道功率增益、所述用户位置、所述飞行水平位置和所述飞行高度范围确定所述无人机和所述用户的信道功率增益；
根据所述信道带宽、所述信道功率增益和所述无人机传输功率和高斯白噪的功率确定所述子时间段的数据传输速率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型，包括：
基于所述非凸问题模型确定多个所述目标时间；
将所述非凸问题模型转换成多个基于所述目标时间的凸问题模型。
5.一种无人机属性数据的确定装置，其特征在于，包括：
第一确定模块，用于确定无人机的飞行速度范围，飞行高度范围，以及所述无人机的波束宽度；
第二确定模块，用于确定所述无人机基于所述无人机对应的用户的覆盖条件以及子时间段的数据传输速率；
第三确定模块，用于基于所述飞行速度范围，所述飞行高度范围，所述无人机的波束宽度、所述覆盖条件和所述子时间段的数据传输速率建立非凸问题模型；
第四确定模块，用于将所述非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型；
第五确定模块，用于基于多个所述凸问题模型确定所述无人机的飞行轨迹和波束宽度；
其中，所述子时间段为预设时间内的一个时间段，所述目标时间小于所述预设时间。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述第二确定模块，还用于确定所述无人机对应的用户的用户位置；确定所述无人机的飞行水平位置；基于所述用户位置、所述飞行水平位置、飞行高度范围和所述波束宽度确定所述覆盖条件。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述第二确定模块，还用于确定第一参考距离下的信道功率增益；基于所述信道功率增益、所述用户位置、所述飞行水平位置和所述飞行高度范围确定所述无人机和所述用户的信道功率增益；根据所述信道带宽、所述信道功率增益和所述无人机传输功率和高斯白噪的功率确定所述子时间段的数据传输速率。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述第四确定模块，还用于基于所述非凸问题模型确定多个所述目标时间；将所述非凸问题模型转换成多个基于所述目标时间的凸问题模型。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1-4任一所述的无人机属性数据的确定方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、所述至少一段程序、所述代码集或指令集由处理器加载并执行以实现如权利要求1-4任一所述的无人机属性数据的确定方法。
技术总结
本申请涉及无人机属性数据的确定方法、装置、电子设备及存储介质，该方法基于飞行速度范围，飞行高度范围，无人机的波束宽度、覆盖条件和子时间段的数据传输速率建立非凸问题模型，将非凸问题模型转换成多个基于目标时间的凸问题模型，从而确定无人机的飞行轨迹和波束宽度。本申请提供的无人机属性数据的确定方法，可以在无人机的飞行速度、高度、天线波束宽度受限的条件下，通过调整无人机的飞行轨迹和天线波束宽度，最小化无人机传输任务的完成时间。
技术研发人员：唐娜;唐洪莹;李宝清;袁晓兵
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：.10.09
技术公布日：.01.10
