15、无人机中继网络路径规划与性能分析

无人机中继网络路径规划与性能分析

1. 基础概念与预定义任务路径

在无人机网络中，平均速度被用作衡量能量消耗的指标，它通过连续中继位置之间的距离以及整个任务期间每个中继的时间步长来计算。

预定义任务路径方面，RPA 适用于任何预定义的任务计划。这里假设预定义任务路径旨在优化区域覆盖，任务无人机遵循基于多旅行商问题（mTSP）的路径。对于给定的传感范围 $r_s$，将方形搜索区域 $A$ 表示为 $(a/r_s)^2$ 个大小相等、不相交的单元格，目标是为 $N_s$ 架无人机确定一组路线，使总行驶距离最小化。mTSP 可以使用多种方法解决，如动态规划、蚁群优化、粒子群优化等。这里使用遗传算法来解决 mTSP，采用 Joseph Kirk 在 MATLAB 中的实现。mTSP 路径规划器以单元格位置、任务无人机数量 $N_s$、每架无人机的最小航程、种群大小和迭代次数为输入，返回每架无人机从起始位置（如基站）到一组独特单元格并返回原始起始位置的路径，确保所有单元格都恰好被访问一次。

相关符号定义如下表：
| 类型 | 符号 | 定义 |
| ---- | ---- | ---- |
| 系统参数 | $N_s, N_r$ | 任务无人机数量和最大可用中继无人机数量 |
| 系统参数 | $r_c, r_s$ | 传输和传感范围 |
| 系统参数 | $V_s, V_r$ | 任务和中继无人机的最大速度 |
| 系统参数 | $T$ | 所需连接周期 |
| 算法参数 | $P_{BS}$ | 地面站位置 $(x_{BS}, y_{BS}, z_{BS})$ |
| 算法参数 | $P_i^S$ | 时间