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龙图腾网获悉中国人民解放军空军工程大学申请的专利一种基于移动平台的多无人机中继激光/射频航空通信方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN119582946B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-08-29发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202411687300.1，技术领域涉及：H04B10/11；该发明授权一种基于移动平台的多无人机中继激光/射频航空通信方法是由张曦文;王渊;黄仰超;胡航;谢铁城;韩海艳设计研发完成，并于2024-11-25向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种基于移动平台的多无人机中继激光/射频航空通信方法在说明书摘要公布了：本发明提出一种基于移动平台的多无人机中继激光射频航空通信方法，包括下列步骤：系统模型构建及传输信号分析；中继方案选择；信道建模；评价指标构建。本发明采用一种基于移动平台的多无人机中继航空通信系统，该系统采用激光射频混合链路将空中预警机与移动地面站连接起来。本发明能够有效提升移动场景下空‑地激光链路的可靠性与可用性。

本发明授权一种基于移动平台的多无人机中继激光/射频航空通信方法在权利要求书中公布了：1.一种基于移动平台的多无人机中继激光射频航空通信方法，其特征在于，具体步骤如下： 步骤一、系统模型构建及传输信号分析； 基于移动平台的多无人机中继激光射频航空通信系统包括：预警机作为信息传输的源节点，用S表示；移动地面站作为目的节点，用D表示；N个并行的无人机中继，用Ri,i＝1,2,…N表示，N为无人机中继数量；无人机将链路分为两跳；第一跳为预警机-无人机中继i链路，记为SRi；第二跳为无人机中继i-地面站链路，记为RiD；复杂大气条件下，系统采用激光射频混合传输方案，其中激光链路作为主链路，当激光链路无法满足信噪比要求时，激活射频备份链路；假设预警机保持恒定的巡航高度HAWACS，所有无人机具有相同的高度HUAV和仰角ξUAV，地面站的仰角为ξGS； 1激光链路 激光链路在无人机中继i处的瞬时接收信噪比表示为： 式中，为源节点到中继激光链路的平均信噪比，为源节点的平均传输光功率，η为探测器响应，为第一跳的信道系数，为加性高斯白噪声信号的方差； 无人机中继i采用解码转发模式，使得目的节点的瞬时接收信噪比表示为： 式中，为中继的平均传输光功率，表示第二跳信道系数，为中继到目的节点激光链路的平均信噪比； 2射频链路 使用射频链路传输时，无人机中继i处的瞬时接收信噪比表示为： 其中，为源节点到中继节点射频链路的平均信噪比，为源节点发射的射频功率；第一跳的射频信道系数为，表示第一跳的路径损耗，为高斯白噪声信号的方差；中继节点i到目的节点射频链路的瞬时信噪比表达式为： 式中，为中继节点到目的节点射频链路的平均信噪比，为中继的平均射频信号发射功率，和分别表示第二跳的信道系数和路径损耗； 步骤二、中继方案选择； 预警机根据系统中信道状态反馈信道的反馈信息在多架无人机节点中选择一个能够提供最佳信道质量的节点作为中继；四种不同的中继选择模式分别为：端到端选择方案、源-中继选择方案、中继-目的选择方案和分布式双中继选择方案； 1端到端选择方案 根据SRi和RiD两跳链路的信道状态反馈信道反馈的信噪比值进行最佳中继选择；第i条链路的端到端信噪比为 为第i条链路第一跳信噪比，为第i条链路第二跳信噪比；最佳中继I1为使得端到端信噪比达到最大值的中继，表示为： 式中，I1∈{1,2…，N}表示方案1中的最佳中继，这种方案在SRi和RiD两跳链路中都需要反馈信道；该方案系统高度复杂； 2源-中继选择方案 中继选择基于第一跳SRi的信道质量，选择第一跳信噪比最高的无人机中继节点作为中继，此时最佳中继I2为使得源到中继节点信噪比达到最大值的中继，表示为： 其中，I2∈{1,2…，N}为方案2的最佳中继，所选中继I2用于第二跳通信；方案2只有第一跳需要反馈通道； 3中继-目的选择方案 该方案基于第二跳RiD的信道质量进行中继选择，选择第二跳信噪比最高的无人机节点作为中继，此时最佳中继I3为使得中继节点到目的节点信噪比达到最大值的中继，表示为： 其中，I3∈{1,2…，N}为方案3中的最佳中继，第一跳采用所选中继I3通信；该方案只有第二跳需要反馈通道； 4分布式双中继选择方案 中继节点被分为Na和Nb两部分且Na+Nb＝N；源节点和Na个中继节点具有反馈信道，目的节点和Nb个中继节点具有反馈信道；根据接收到的反馈信息，源节点在Na个中继之间选择一个瞬时信噪比最高的中继；目的节点在Nb个中继节点之间选择一个瞬时信噪比最高中继，表示为： 其中Ia∈{1,2…，Na}为源节点选出的中的最佳中继，Ib∈{1,2…，Nb}为目的节点选出的中的最佳中继；在信号传输过程中，选中的两个中继同时被激活，两条链路协同传输信息，到达目的节点后再采用选择组合技术进行信号接收；该方案不需要端到端的反馈链路，反馈信道个数明显减小； 步骤三、信道建模； 对每一跳传输的信道进行模型构建，包括基于激光传输的预警机-无人机中继和无人机中继-移动地面站信道模型构建、基于射频传输的预警机-无人机中继和无人机中继-移动地面站信道模型构建，下标j∈{SRi,RiD}分别表示从预警机到无人机中继和从无人机中继到移动地面站的链路； i激光信道 从预警机到无人机中继和从无人机中继到移动地面站的两跳发生在对流层内，因此，合理地假设这两跳受到相同的大气条件的影响； a大气衰减 大气衰减由于大气中粒子的散射和吸收，光束的传播受到功率损失的影响，大气衰减表示为： 其中，和分别为SRi和RiD链路的距离；ω为大气衰减系数； b大气湍流 弱到强湍流的模型用Gamma-Gamma分布来表征，大气湍流的概率密度函数表示为： 其中，Γ·是Gamma函数，Kv·是第二类修正贝塞尔函数，下角标v代表αj-βj；αj表示大尺度衰落参数，βj表示小尺度衰落参数；Γαj、Γβj分别表示αj和βj对应的Gamma函数值；中，整体是的系数； c指向误差 预警机-无人机中继链路： 从无人机探测器中心到无人机接收器孔径处波束足迹中心的组合径向位移矢量表示为其中rS＝[xs,ys]为预警机的位移矢量，xs,ys分别为rS在x轴和y轴上的矢量分量；rR＝[xR,yR]为无人机的位移矢量，xR,yR分别为rR在x轴和y轴上的矢量分量；这种由大量随机事件引起的波动服从正态分布，组合径向位移矢量在x轴上的分量服从均值为0，方差为的正态分布，表示为组合径向位移矢量在y轴上的分量服从均值为0，方差为的正态分布，表示为预警机的位置偏差是由其速度的突然变化引起的，这一速度变化记为预警机在x轴和y轴上的速度变化分量vSx和vSy服从均值为零的正态分布 为预警机的速度方差；假设在很短的时间间隔Δt内预警机的速度变化不大，则位移距离表示为xS＝vSxΔt2和yS＝vSyΔt2；rR＝[xR,yR]在x轴和y轴上的位置波动分量xR和yR分别服从均值为零，方差为的正态分布和均值为零，方差为的正态分布组合径向位移在x轴和y轴上的位移矢量的方差和表示为： 无人机中继-移动地面站链路： 从移动地面站探测器中心到地面站上接收机孔径处波束足迹中心的组合径向位移矢量表示为其中组合径向位移在x轴上的位移矢量服从均值为0，方差为的正态分布，表示为组合径向位移在y轴上的位移矢量yRiD服从均值为0，方差为的正态分布，表示为rθ＝[xθx,xθy]为悬停无人机方向波动引起的位移矢量，假设无人机在x轴上的抖动角θx和y轴上的抖动角θy足够小，则在x轴上的位移矢量y轴上的位移矢量其中LRD为发射距离，x轴和y轴上的抖动角均服从均值为0，方差为的正态分布，表示为rD＝[xD,yD]为移动地面站的位移矢量，xD,yD分别为rD在x轴和y轴上的矢量分量；具有非定常速度的移动地面站的位置偏差是由其速度的突然变化引起的，速度变化记为vD＝[vDx,vDy]，其在x轴和y轴上的速度变化分量vDx和vDy服从正态分布 为地面站的速度方差，Δt内在x轴和y轴上的位移距离表示为xD＝vDxΔt2和yD＝vDyΔt2；因此，组合径向位移在x轴和y轴上的位移矢量的方差和表示为： 指向误差的概率密度函数表示为： 式中，A0,j＝[erfvj]2为光斑中心与探测器中心差为零时采集到的光功率的分数，erf·为误差函数，为距离Lj处的孔径半径a与波束宽度ωz,j之比；指向误差系数其中为等效波束宽度；为修正抖动标准差，第一跳j＝SRi，为预警机-无人机中继链路的修正抖动标准差；第二跳j＝RiD，为无人机-移动地面站链路的修正抖动标准差； d到达角抖动 当入射激光以一定入射角θa,j到达接收平面时，由于方向上的明显偏差，艾里图样可能超出探测器的探测范围；到达角抖动的概率密度函数表示为： 其中，为无人机抖动角方差，θFoV,j为接收端的视场角，δ·为狄拉克函数； e多普勒效应 移动地面站与无人机中继之间的相对运动引起无人机中继-移动地面站链路之间的多普勒频移，表示为Δf＝vfFSOcosξGSc，其中v为无人机与移动地面站之间的相对速度，fFSO为光载频，c是光的速度；无人机中继-移动地面站链路能够忽略多普勒效应的影响； f整体信道统计特征 激光传输信道的系数分别由于大气衰减、大气湍流、在指向误差和到达到角抖动构成；组合信道系数表示为： 组合信道系数hj的概率密度函数表示为： 式中，衰减、湍流、指向误差组合信道系数 为的概率密度函数，根据式9、10、15、16，并将式17代入式18中，进行积分运算得到： 其中，为Meijer-G函数，m、n、p、q为表征变量个数的非负整数； 结合式1和2中信道系数与信噪比的关系，并由hj的概率密度函数积分得到预警机-无人机中继激光链路和无人机中继-移动地面站激光链路信噪比的累积分布函数为： 其中，为激光链路信噪比门限；为预警机-无人机中继光链路和无人机中继-移动地面站光链路信噪比的概率密度函数； ii射频信道 射频信道系数Ij,j∈{SRi,RiD}用Nakagami-m分布来建模，其概率密度函数为： 其中，m为Nakagami-m分布的射频衰落因子，为射频平均信噪比；Γm表示m对应的Gamma函数值；结合式3和4中信道系数与信噪比的关系，积分得预警机-无人机中继射频链路和无人机中继-移动地面站射频链路信噪比的累积分布函数为： 其中，Γα,x为不完全伽马函数，在式22中参数α＝m，参数Gj为路径损失，为射频链路信噪比门限； 步骤四、评价指标构建： 构建中断概率和误码率双重评价指标； I.中断概率 中断概率定义为信噪比低于某一阈值导致链路无法传输数据的状态发生的概率，中断概率表示为： Pout＝PrγSD＜γth＝FγSDγth23 式中，Pr·表示概率，γSD表示系统端到端信噪比，γth为信噪比门限，FγSDγth表示γSD的累积分布函数； A端到端选择方案中断概率 在方案1中，无人机中继i进行中继的链路为第i条链路；第i条链路端到端链路的瞬时信噪比为第i条链路第一跳信噪比与第i条链路第二跳信噪比γRiD的最小值，表示为根据式5知，选择端到端信噪比质量最好的无人机I1作为中继，此时得到方案1的最大端到端瞬时信噪比为： 因此，方案1的中断概率表示为： 式中，为预警机-无人机中继i激光链路信噪比的累积分布函数，为预警机-无人机中继i射频链路信噪比的累积分布函数，为无人机中继i-移动地面站激光链路信噪比的累积分布函数，为无人机中继i-移动地面站射频链路信噪比的累积分布函数；将式20和式22代入式25，得到方案1的中断概率； B源-中继选择方案中断概率 方案2中根据第一跳信噪比选择出最佳中继i＝I2，如式6所示；方案2预警机-无人机中继I2链路间瞬时信噪比为： 方案2无人机中继I2-移动地面站链路的信噪比为无人机中继I2到移动地面站激光链路信噪比与无人机中继I2到移动地面站射频链路信噪比的最大值，其表达式为： 方案2的端到端瞬时信噪比为： 其中，为i＝I2时的值； 方案2的中断概率为： 其中，为无人机中继I2-移动地面站激光链路信噪比的累积分布函数，为无人机中继I2-移动地面站射频链路信噪比的累积分布函数；将式20和式22代入式29，计算出方案2的中断概率； C中继-目的选择方案中断概率 方案3根据第二跳信噪比选择出最佳中继i＝I3，如式7所示，方案3预警机-无人机中继I3链路的瞬时信噪比为： 式中，为预警机-无人机中继I3激光链路的瞬时信噪比，为预警机-无人机中继I3射频链路的瞬时信噪比；无人机中继I3-移动地面站链路的信噪比为： 则方案3的端到端瞬时信噪比为： 因此，方案3的中断概率表示为： 其中，为预警机-无人机中继I3激光链路信噪比的累积分布函数，为预警机-无人机中继I3射频链路信噪比的累积分布函数；将式20和式22代入式33，计算出方案3的中断概率； D分布式双中继选择方案中断概率 在方案4中，信号通过中继i＝Ia传输的称为路径1，采用无人机中继Ia进行中继的链路的信噪比为： 其中，为预警机-无人机中继Ia的瞬时信噪比，为无人机中继Ia-移动地面站的瞬时信噪比，为无人机中继Ia-移动地面站激光链路的瞬时信噪比，为无人机中继Ia-移动地面站射频链路的瞬时信噪比； 信号通过中继i＝Ib传输的称为路径2，采用无人机中继Ib进行中继的链路的信噪比表示为： 其中，为预警机-无人机中继Ib的瞬时信噪比，为预警机-无人机中继Ib激光链路的瞬时信噪比，为预警机-无人机中继Ib射频链路的瞬时信噪比，为无人机中继Ib-移动地面站的瞬时信噪比； 两路信号到达移动地面站，接收端采用选择合并技术，则方案4的端到端瞬时信噪比为： 因此，方案4的中断概率表达式为： 其中，为无人机中继Ia-移动地面站激光链路信噪比的累积分布函数，为无人机中继Ia-移动地面站S射频链路信噪比的累积分布函数，为预警机-无人机中继Ib激光链路信噪比的累积分布函数，为预警机-无人机中继Ib射频链路信噪比的累积分布函数，将式20和式22代入式37，计算出方案4的中断概率； II.平均误码率 激光链路的平均误码率为： 射频链路平均误码率的封闭表达式为： 其中，表示射频信噪比的m-1次方；当采用二进制调制时系数A＝1，系数B＝1；当采用多进制调制时系数A＝2log2M，系数B＝sinπM； 并行激光射频链路的平均误码率为： 其中，为使用激光链路传输信息的概率，为使用射频链路的概率，链路选择概率可表示为： 在并联无人机中继系统中，当各路径状态独立分布时，系统第一跳和第二跳的平均误码率BSR和BRD，等于单路径的平均误码率，表示为和 和分别为第一跳单条路径和第二跳单条路径的平均误码率；在这种情况下，四种中继模式的平均误码率相同，将该系统看作是带有解码转发中继的串行双跳系统，其端到端平均误码率表示为： 将式38、39、40、41带入42中可以得到系统的端到端平均误码率。

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