(19)國家知識產(chǎn)權(quán)局(12)發(fā)明專利倪單福潘陽陽衡晟玥公司32224一種毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波本發(fā)明公開了一種毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)基于向量參數(shù)已知的無人機(jī)毫米波發(fā)射波束成2通過無人機(jī)毫米波通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收GPS定位和用戶回程信道的反饋信息，并分析反基于無人機(jī)和地面用戶的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定無人機(jī)與方位角信息，并計(jì)算無人機(jī)整個(gè)飛行過程中無人機(jī)與地面用戶將抖動誤差的上限值輸入無人機(jī)毫米波空-地信道抖動誤差模型中，并根據(jù)無人機(jī)發(fā)基于凸包理論對抖動誤差模型進(jìn)行無人機(jī)毫米波發(fā)射波束成形優(yōu)化問題的確定性轉(zhuǎn)對確定性問題利用連續(xù)凸近似方法求解，獲得無人機(jī)毫米波發(fā)基于向量參數(shù)已知的無人機(jī)毫米波發(fā)射波束成形優(yōu)化問題模s.t.Zk=1wkll2≤Pmax射波束成形向量；轉(zhuǎn)置向量；根據(jù)凸包理論含抖動誤差的不確定信道矩陣表示為不確定集合內(nèi)有限或無限個(gè)離散32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法，其特征在于，無人機(jī)與地面用戶之間的俯仰角和方位角信息計(jì)算公式分別為：式中，q=(x,y)和q(x,y)分別表示無人機(jī)和地面用戶的水平坐標(biāo)，x?和y,t∈{u,k}分別表示無人機(jī)和地面用戶的水平x方向和y方向的坐標(biāo)，k∈K={1,…,K},h為無人機(jī)的3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法，其特征在于，無人機(jī)毫米波空-地信道抖動誤差模型的計(jì)算公式為：√Ilqu-qakl12+h2為無人機(jī)到地面用戶之間的距離，a(θk,φk)為天線陣列向量，θ和4k分別為無人機(jī)與地面用戶之間的俯仰角和方位角，0k和φk分別為無人機(jī)與地面用戶之間俯仰角估計(jì)值和方位角估計(jì)值，△θk和△k分別為無人機(jī)抖動引起的俯仰角抖動誤差和方位和M,分別為均勻平面陣的行天線數(shù)和列天線數(shù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法，其特征在于，其中，H的不確定集合A的計(jì)算表Ak={Hk=hh|θk=θk+△θk,△θk∈[-△θmax,△θφk=k+△φk,△φk∈[-△φmax,△φmax]}5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法，其特征在于，對確定性問題利用連續(xù)凸近似方法求解的方法為：利用連續(xù)凸近似方法，將非凸問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，轉(zhuǎn)化計(jì)算公式為：4s.t.6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法，其特在無人機(jī)空-地信道抖動誤差模型中，初始化波束成形向量、并預(yù)設(shè)輔助變量和迭代精將波束成形向量、輔助變量代入連續(xù)凸近似方法的公式進(jìn)行對比根據(jù)多用戶下行傳輸容量和，判斷前后兩次多用戶下行傳輸容量和的迭代值相差是否5一種毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明涉及無人機(jī)毫米波通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法。背景技術(shù)[0002]近幾年，利用毫米波技術(shù)實(shí)施無人機(jī)數(shù)據(jù)通信成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。一方面，毫米波信號短波長高頻率的特性，為解決無人機(jī)載荷受限以及頻譜資源緊張問題提供了可行方案，有利于提高信息傳輸速率。另一方面，無人機(jī)可以靈活布置在空中，較高的飛行位置使得通信過程中往往存在視距路徑，可以極大地?cái)U(kuò)展毫米波通信的覆蓋范圍并改善網(wǎng)絡(luò)連通性，使其成為毫米波通信技術(shù)的絕佳搭載平臺。然而，與具有穩(wěn)定基礎(chǔ)設(shè)施的地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)不同，由于大氣湍流和飛行控制能力的限制，無人機(jī)容易受到氣流和自身振動的影響，產(chǎn)生隨機(jī)抖動，如水平方向的偏航抖動或垂直方向的俯仰抖動，使得波束指向發(fā)生角度偏差，進(jìn)而導(dǎo)致空-地傳輸鏈路信息傳輸效率低下和不穩(wěn)定。[0003]毫米波由于定向窄波束的特性，更易受無人機(jī)抖動帶來的角度誤差的影響，通信系統(tǒng)的性能因波束角度偏差會產(chǎn)生更加不利的影響。因此，在毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)中無人機(jī)的抖動特性帶來的負(fù)面影響更加不容忽視。發(fā)明內(nèi)容[0004]發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法；通過優(yōu)化無人機(jī)毫米波發(fā)射波束成形向量，最大化最壞情況下多用戶下行傳輸容量和，使得無人機(jī)毫米波通信系統(tǒng)對無人機(jī)抖動具有較強(qiáng)的魯棒性。[0005]技術(shù)方案：第一方面本發(fā)明提供一種毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形[0006]通過無人機(jī)毫米波通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收GPS定位和用戶回程信道的反饋信息，并分析反饋信息中的多天線無人機(jī)基站發(fā)射到多個(gè)地面用戶的毫米波發(fā)射波束，根據(jù)毫米波發(fā)射波束，得出無人機(jī)發(fā)射波束成形向量，并從反饋信息中提取出無人機(jī)和地面用戶的位置[0007]基于無人機(jī)和地面用戶的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定無人機(jī)與地面用戶之間的俯仰角和方位角信息，并計(jì)算無人機(jī)整個(gè)飛行過程中無人機(jī)與地面用戶之間所有的俯仰角和方位角信息，得出無人機(jī)飛行過程中抖動誤差的上限值；[0008]將抖動誤差的上限值輸入無人機(jī)毫米波空-地信道抖動誤差模型中，并根據(jù)無人機(jī)發(fā)射波束成形向量、無人機(jī)到地面用戶的噪聲功率計(jì)算多個(gè)地面用戶下行傳輸容量和，確定無人機(jī)毫米波發(fā)射波束成形優(yōu)化問題；其中，無人機(jī)毫米波空-地信道抖動誤差模型根據(jù)無人機(jī)毫米波空-地信道的通信特點(diǎn)構(gòu)建而成；[0009]基于凸包理論對抖動誤差模型進(jìn)行無人機(jī)毫米波發(fā)射波束成形優(yōu)化問題的確定6∈{u,k}分別表示無人機(jī)(地面用戶)的水平x方向和y方向的坐標(biāo)，為φk=k+△φk,△φk∈[-△φmax,△φmax]}(2)7Ak={Hk=hh|θk=0k+△θk,△θk∈[-△θmax,△φk=k+△φk,△φk∈[-△φmax,△φmax]}8連續(xù)凸近似方法公式取值范圍的波束成形向量和輔助變量；[0049]根據(jù)多用戶下行傳輸容量和，判斷前后兩次多用戶下行傳輸容量和的迭代值相差是否小于迭代精度，若小于則輸出波束成形向量，若大于則循環(huán)對比波束成形向量、輔助變量是否滿足凸近似方法取值范圍。[0051]通過將無人機(jī)通信系統(tǒng)與毫米波技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)，同時(shí)針對無人機(jī)抖動的抖動特性提出一種基于凸包理論的抖動誤差模型確定性轉(zhuǎn)化方法，有效解決了無人機(jī)抖動引起的不確定性角度誤差問題，提升了無人機(jī)毫米波通信系統(tǒng)的抗抖動能力。[0052]針對最壞情況下無人機(jī)毫米波系統(tǒng)多用戶下行傳輸容量和最大化問題，提出一種基于連續(xù)凸近似的迭代求解算法，將非凸問題轉(zhuǎn)化凸形式，通過優(yōu)化波束成形向量，在有限次迭代下收斂獲得原始問題的最佳次優(yōu)解，保障了無人機(jī)在任務(wù)窗口內(nèi)無人機(jī)毫米波下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量需求。附圖說明[0053]圖1為本發(fā)明即一種毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法的系統(tǒng)模型圖；[0054]圖2為本發(fā)明即一種毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法的無人機(jī)抖動示意圖；[0055]圖3為本發(fā)明即一種毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法的算法流程圖；[0056]圖4為本發(fā)明提出的抗抖動魯棒波束成形方案下波束成形向量w_1的波束圖；[0057]圖5為抗抖動魯棒波束成形方案和非魯棒波束成形方案下的多用戶下行傳輸容量和隨抖動誤差最大值變化趨勢圖。具體實(shí)施方式[0058]為了更充分理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)[0059]第一方面本發(fā)明提供一種毫米波無人機(jī)通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形優(yōu)化方法，[0060]通過無人機(jī)毫米波通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收GPS定位和用戶回程信道的反饋信息，并分析反饋信息中的多天線無人機(jī)基站發(fā)射到多個(gè)地面用戶的毫米波發(fā)射波束，根據(jù)毫米波發(fā)射波束，得出無人機(jī)發(fā)射波束成形向量，并從反饋信息中提取出無人機(jī)和地面用戶的位置[0061]基于無人機(jī)和地面用戶的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定無人機(jī)與地面用戶之間的俯仰角和方位角信息，并計(jì)算無人機(jī)整個(gè)飛行過程中無人機(jī)與地面用戶之間所有的俯仰角和方位角信息，得出無人機(jī)飛行過程中抖動誤差的上限值；[0062]將抖動誤差的上限值輸入無人機(jī)毫米波空-地信道抖動誤差模型中，并根據(jù)無人機(jī)發(fā)射波束成形向量、無人機(jī)到地面用戶的噪聲功率計(jì)算多個(gè)地面用戶下行傳輸容量和，確定無人機(jī)毫米波發(fā)射波束成形優(yōu)化問題；其中，無人機(jī)毫米波空-地信道抖動誤差模型根9[0063]基于凸包理論對抖動誤差模型進(jìn)行無人機(jī)毫米波發(fā)射波束成形優(yōu)化問題的確定別為：√qu-qkll2+h2為無人機(jī)到地面用戶之間的距離，a(θk,φk)為天線陣列向量，0和4k分Ak={Hk=hh1θk=0k+△θk,△θk∈[-△θmax,△[0100]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，輸出毫米波無人機(jī)抗抖動魯棒波束成形向量參數(shù)的方法包[0107]假設(shè)空地節(jié)點(diǎn)傳輸信道為視距傳輸信道，考慮無人機(jī)毫米波空-地信道的通信特M,,M=M×M,為均勻平面陣的總天線數(shù)。θ和4k分別表示無人機(jī)與地面用戶之間的俯仰角[0124]其中nk~CN(0,ok)為無人機(jī)到地面用戶通信鏈路的加性高斯白噪聲。由上式可[0140]優(yōu)化問題(1-13)中目標(biāo)函數(shù)為非凸形式，通過引入輔助變量a,f,p,將其等價(jià)轉(zhuǎn)換為如下形式：[0142]s.t.Zk=1log[0146]由于約束條件(1-14c)是非凸的，很難求解，我們應(yīng)用連續(xù)凸近似方法，通過一階泰勒展開將其轉(zhuǎn)化為凸形式。給定{Wk,Pk},有[0153]最后，設(shè)計(jì)了無人機(jī)毫米波通信系統(tǒng)抗抖動魯棒波束成形算法，通過連續(xù)凸近似迭代求解獲得使多用戶下行傳輸容量和最大化的無人機(jī)發(fā)射波束成形向量，具體算法如圖[0154]步驟1:初始化波束成形向量w(n),輔助變量[0155]步驟2:在波束成形向量w(”)和輔助變量(f(”),P(2){的基礎(chǔ)上根據(jù)公式(1-17)計(jì)算出波束成形向量w(7+1和輔助變量(f(n+1,p(n+1))。[0156]步驟3:判定公式(1-9)的目標(biāo)函數(shù)值是否收斂于ε,即前后兩次迭代值相差小于迭代精度是否成立。成立則繼續(xù)步驟4,不成立則令n=n+1后轉(zhuǎn)至步驟2。[0157]步驟4:獲得波束成形向量最優(yōu)解0[0158]輸出的向量參數(shù)在多天線毫米波無人機(jī)系統(tǒng)中，依據(jù)波束成形技術(shù)，自適應(yīng)調(diào)整天線陣列中各個(gè)陣元的信號加權(quán)值的大小；進(jìn)而調(diào)整毫米波無人機(jī)的發(fā)射波束指向，使得波束的主瓣方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)用戶，同時(shí)使其他用戶處于目標(biāo)用戶的零空間內(nèi)，降低用戶間干擾。參考圖4進(jìn)一步說明；圖4為本發(fā)明提出的抗抖動魯棒波束成形方案下波束成形向量w?的波束圖。圖中矩形區(qū)域?yàn)闊o人機(jī)抖動引起的角度抖動誤差范圍。從圖中可以看出，w?的主瓣指向用戶1所在方向，歸一化發(fā)射功率高于-0.1dB。同時(shí)，w?的零空間對準(zhǔn)了用戶2和用戶3所在的不確定區(qū)域，其歸一化發(fā)射功率均低于-50dB,這意味著本發(fā)明所提出的抗抖動魯棒波束成形方案可以有效提升無人機(jī)毫米波通信系統(tǒng)的抗抖動能力，同時(shí)減少用戶之間的[0159]圖5為抗抖動魯棒波束成形方案和非魯棒波束成形方案下的多用戶下行傳輸和容量隨角度誤差最大值變化趨勢圖。從圖中可以看出，隨著俯仰角抖動誤差最大值和方位角抖動誤差最大值的增加，魯棒和非魯棒方案的下行傳輸和容量均不斷下降。但魯棒方案的下降速率明顯慢于非魯棒方案，這是因?yàn)轸敯舴桨冈趦?yōu)化時(shí)考慮了無人機(jī)抖動引起的角度抖動誤差，對抖動誤差具有魯棒性，而非魯棒方案沒有考慮無人機(jī)抖動的影響，從而使得波束指向發(fā)生偏差，無人機(jī)毫米波系統(tǒng)性能急速下降。[0160]因此通過本發(fā)明通過將無人機(jī)通信系統(tǒng)與毫米波技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)，同時(shí)針對無人機(jī)抖動的抖動特性提出一種基于凸包理論的抖動誤差模型確定性轉(zhuǎn)化方法，有效解決了無人機(jī)抖動引起的不確定性角度誤差問題，提升了無人機(jī)毫米波通信系統(tǒng)的抗抖動能力。[0161]針對最壞情況下無人機(jī)毫米波系統(tǒng)多用戶下行傳輸容量和最大化問題，提出一種基于連續(xù)凸近似的迭代求解算法，將非凸問題轉(zhuǎn)化凸形式，通過優(yōu)化波束成形向量，在有限次迭代下收斂獲得原始問題的最佳次優(yōu)解，保障了無人機(jī)在任務(wù)窗口內(nèi)無人機(jī)毫米波下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量需求。[0162]本申請的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本申請可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本申請可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于[0163]本申請的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本申請可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本申請可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于[0164]本申請是參照根據(jù)本申請實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或