本發(fā)明涉及無人機控制，尤其涉及面向城市低空物流的無人機通信定位一體化方法、系統(tǒng)、介質(zhì)。
背景技術(shù)：
1、隨著低空經(jīng)濟的興起，無人機在城市物流、設(shè)施巡檢、公共安全及應急通信等場景中的應用不斷擴展。尤其在城市低空物流領(lǐng)域，無人機需要在復雜環(huán)境中完成貨物運輸、末端配送及緊急投送等任務，對通信鏈路的穩(wěn)定性和定位精度提出了較高要求。然而，在實際飛行過程中，低空環(huán)境中的風場擾動、氣流變化及外界噪聲等因素，容易導致無人機偏離既定飛行軌跡，如果不能及時感知并修正，將直接影響物流任務的安全性與可靠性。作為未來移動通信系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，通信與定位一體化技術(shù)被認為是支撐低空物流無人機安全運行的重要基礎(chǔ)。
2、在城市超密集環(huán)境中，傳統(tǒng)地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)由于建筑物密集分布，信號傳播路徑復雜，容易產(chǎn)生嚴重的多徑效應和遮擋問題，通信質(zhì)量和定位精度均難以穩(wěn)定保障。同時，基于衛(wèi)星的定位方法在低空場景下尤其在垂直方向的定位精度存在先天不足，難以滿足無人機高速飛行過程中的精細化導航需求。為改善上述問題，部分研究嘗試利用無人機具備的三維機動能力和視距傳輸優(yōu)勢，使其在執(zhí)行任務的同時承擔空中通信節(jié)點或定位輔助節(jié)點的角色，從而增強網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍并提升系統(tǒng)容量。
3、圍繞上述需求，近年來提出了通信與定位一體化（integrated?localization?andcommunication,?ilac）技術(shù)，通過在同一系統(tǒng)框架內(nèi)融合通信與定位功能，實現(xiàn)頻譜、信號與硬件資源的共享。然而，現(xiàn)有?ilac?相關(guān)研究多基于靜態(tài)或準靜態(tài)場景假設(shè)，通常針對地面用戶或數(shù)量固定、運動緩慢的節(jié)點進行設(shè)計，缺乏對低空物流場景中無人機數(shù)量動態(tài)變化、飛行速度快、航跡頻繁調(diào)整等特性的有效支持。此外，現(xiàn)有方案往往將通信性能優(yōu)化與定位性能優(yōu)化分開進行設(shè)計，通信側(cè)側(cè)重吞吐量或鏈路可靠性，定位側(cè)側(cè)重誤差抑制，缺乏統(tǒng)一的協(xié)同優(yōu)化機制，難以在復雜城市環(huán)境中同時滿足無人機對高可靠通信與高精度定位的雙重需求。
4、進一步，市面上的技術(shù)普遍缺乏對無人機實際飛行狀態(tài)進行持續(xù)感知與預測的能力，未能充分考慮風擾、氣流變化等因素引起的隨機偏移，也缺少針對輔助無人機或空中節(jié)點進行在線軌跡調(diào)整的機制。在多無人機協(xié)同的低空物流場景中，若無法根據(jù)無人機的實時位置變化、偏移程度以及通信與定位服務質(zhì)量的波動進行動態(tài)決策和調(diào)整，系統(tǒng)整體性能將難以保持穩(wěn)定。在動態(tài)、多無人機的低空物流場景下，仍存在通信鏈路不穩(wěn)定、定位精度不足、資源配置缺乏靈活性以及通信與定位協(xié)同能力有限等問題，難以滿足未來城市低空物流系統(tǒng)在安全性、可靠性和時效性方面的高要求。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、基于以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種面向城市低空物流的無人機通信定位一體化方法、系統(tǒng)、介質(zhì)，通過輔助無人機進行通信與定位，并基于定位結(jié)果構(gòu)建跨時間隙的閉環(huán)協(xié)同運行機制，實現(xiàn)通信、定位與飛行控制的在線聯(lián)合優(yōu)化，提高定位精度、通信鏈路的穩(wěn)定性。
2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明第一方面公開了一種面向城市低空物流的無人機通信定位一體化方法，所述方法應用于輔助無人機，包括：
3、在離散時間周期內(nèi)，動態(tài)確定處于物流任務執(zhí)行狀態(tài)的載貨無人機集合；
4、與至少三個地面基站構(gòu)成空地協(xié)同定位錨點，在每一時間周期內(nèi)向所述載貨無人機集合發(fā)送定位參考信號，并基于到達時間差對載貨無人機進行三維位置估計；
5、基于三維位置估計結(jié)果以及載貨無人機的飛行狀態(tài)信息，預測在下一時間周期內(nèi)載貨無人機的定位結(jié)果；在所述下一時間周期內(nèi)，以預測的載貨無人機空間位置替代載貨無人機的真實位置，構(gòu)建并求解輔助無人機位置的優(yōu)化問題，更新下一時間周期內(nèi)輔助無人機的三維空間位置；
6、通過在相鄰時間周期內(nèi)，基于載貨無人機的定位結(jié)果與輔助無人機的三維空間位置聯(lián)合調(diào)度，形成通信、定位與飛行控制之間的閉環(huán)協(xié)同運行。
7、在一些實施方式中，所述輔助無人機在進行飛行軌跡優(yōu)化時，采用預測的載貨無人機空間位置及狀態(tài)信息作為優(yōu)化依據(jù)；預測的載貨無人機空間位置為上一時隙結(jié)束時獲取的載貨無人機的三維位置估計結(jié)果，狀態(tài)信息包括載貨無人機的飛行速度與航向信息。
8、在一些實施方式中，基于到達時間差對載貨無人機進行三維位置估計，包括：
9、基于來自不同定位錨點的到達時間進行兩兩相減，獲得到達時間差測量值；
10、基于所述到達時間差測量值構(gòu)建三維雙曲面定位約束方程，并對所述定位約束方程進行求解以獲得載貨無人機的三維位置估計結(jié)果。
11、在一些實施方式中，通過在相鄰時間周期內(nèi)，基于載貨無人機的定位結(jié)果與輔助無人機的三維空間位置聯(lián)合調(diào)度，包括：
12、在當前時隙內(nèi)，所述輔助無人機基于在前一時隙結(jié)束時接收的載貨無人機狀態(tài)信息，確定所述輔助無人機在當前時隙內(nèi)的三維空間位置，其中所述載貨無人機狀態(tài)信息至少包括被激活載貨無人機的位置信息估計值以及經(jīng)在線調(diào)整后的飛行速度與航向信息；
13、根據(jù)所述三維空間位置向所述載貨無人機發(fā)送定位參考信號；
14、接收載貨無人機的定位結(jié)果，生成載貨無人機的飛行調(diào)整指令；
15、基于所述定位參考信號反饋的飛行狀態(tài)更新信息，獲取用于下一時隙位置確定的載貨無人機狀態(tài)信息；
16、在相鄰時隙內(nèi)重復執(zhí)行獲取所述輔助無人機在當前時隙內(nèi)的三維空間位置以及下一時隙位置確定的載貨無人機狀態(tài)信息，以形成通信、定位與飛行控制之間的閉環(huán)協(xié)同運行。
17、在一些實施方式中，基于三維位置估計結(jié)果以及載貨無人機的飛行狀態(tài)信息，預測在下一時間周期內(nèi)載貨無人機的定位結(jié)果，包括：
18、根據(jù)載貨無人機的定位結(jié)果，確定并求解路徑修正優(yōu)化問題，生成飛行調(diào)整指令，修正載貨無人機的飛行狀態(tài)。
19、在一些實施方式中，所述路徑修正優(yōu)化問題為：
20、
21、
22、
23、其中表示載貨無人機在第個時隙估計的速度，和分別為載貨無人機的最大飛行速度限制和最大速度變化轉(zhuǎn)向角限制。
24、在一些實施方式中，在離散時間周期內(nèi)，動態(tài)確定處于物流任務執(zhí)行狀態(tài)的載貨無人機集合，包括：
25、將已起飛且尚未完成物流配送任務的載貨無人機加入所述載貨無人機集；
26、將完成配送任務或離開輔助無人機通信覆蓋范圍的載貨無人機從所述載貨無人機集中移除。
27、在一些實施方式中，求解輔助無人機位置的優(yōu)化問題，包括：
28、基于預測的載貨無人機空間位置，確定輔助無人機的候選空間位置范圍；
29、針對所述候選空間位置范圍內(nèi)的多個候選位置，以最大化載貨無人機的定位幾何精度為目標，所述定位幾何精度通過基于預測的載貨無人機空間位置構(gòu)建的費舍爾信息矩陣行列式確定；
30、在滿足預設(shè)約束條件的情況下，選取使所述定位幾何精度指標最優(yōu)的候選位置，作為輔助無人機在下一時間周期內(nèi)的目標空間位置。
31、第二方面，公開了一種無人機通信定位一體化系統(tǒng)，包括：
32、輔助無人機，為在離散時間周期內(nèi)動態(tài)確定處于物流任務執(zhí)行狀態(tài)的載貨無人機集合，并在每一時間周期內(nèi)向所述載貨無人機集合發(fā)送定位參考信號，執(zhí)行如上任一所述的一種面向城市低空物流的無人機通信定位一體化方法；
33、地面基站集群，至少包括三個地面基站，與所述輔助無人機構(gòu)成空地協(xié)同定位錨點，與所述輔助無人機配合，基于到達時間差對載貨無人機進行三維位置估計；
34、載貨無人機，用于執(zhí)行物流任務，接收所述定位參考信號，并向所述輔助無人機上報飛行狀態(tài)信息。
35、第三方面，公開了一種計算機存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時，實現(xiàn)如上任意一項所述的一種面向城市低空物流的無人機通信定位一體化方法。
36、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
37、本發(fā)明以輔助無人機為核心節(jié)點，在離散時間周期內(nèi)對處于物流任務執(zhí)行狀態(tài)的載貨無人機進行動態(tài)管理，并通過空地協(xié)同定位錨點實現(xiàn)對載貨無人機的三維位置估計，在此基礎(chǔ)上引入載貨無人機飛行狀態(tài)信息，對下一時間周期內(nèi)的載貨無人機位置進行預測，并以預測位置替代真實位置參與輔助無人機位置優(yōu)化，從而避免了真實位置難以及時獲取對系統(tǒng)調(diào)度造成的影響；同時，通過在相鄰時間周期內(nèi)聯(lián)合更新輔助無人機的三維空間位置與載貨無人機的定位結(jié)果，構(gòu)建通信、定位與飛行控制之間的閉環(huán)協(xié)同運行機制，使輔助無人機的部署能夠隨載貨無人機運動狀態(tài)動態(tài)調(diào)整，提高了低空物流場景下通信與定位服務的連續(xù)性和穩(wěn)定性，增強了系統(tǒng)對載貨無人機動態(tài)運動的適應能力。