一种无人艇通信中继方法

本技术涉及无人水面艇集群通信组网与水下任务规划，具体涉及一种无人艇通信中继方法、装置、设备、存储介质和系统。

背景技术：

1、随着海洋探测、资源勘察及水下救援等任务不断向深远海域和复杂水域拓展，水下作业装备之间的信息交互需求日益增加。受海水介质特性、水下地形及作业距离等因素影响，水下通信链路通常具有传播衰减大、通信距离受限和稳定性不足等特点。无人水面艇（unmanned surface vehicle，usv）具有机动灵活、部署便捷和通信载荷搭载能力强等优势，可作为水面通信中继节点，为多个水下任务点或水下作业装备提供通信支持，从而构建多usv协同通信中继网络。

2、现有技术中，通常按照任务点与usv之间的空间距离分配任务点，通过最小化类内距离完成聚类和依据预设通信半径确定中继节点位置，来实现水下任务点分组及usv中继位置的规划。上述方法能够在通信环境较为理想、任务点分布相对规则或障碍物较少的条件下完成任务点的划分与中继节点的配置，但在海洋环境复杂、通信链路质量差异明显以及水声传播受到多种因素影响的条件下仍存在不足。

3、现有方法至少存在如下问题：任务点划分过程主要依赖空间距离，难以反映水声信号的实际传播状态；未充分考虑海洋环境噪声和水下障碍物对通信链路的影响；中继usv的位置规划与实际通信质量不匹配。上述问题容易造成任务点分组不合理、局部通信覆盖不足及链路可靠性下降，进而导致通信误码率升高、任务执行效率降低和协同响应变慢。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种无人艇通信中继方法、装置、设备、存储介质和系统，旨在在传统k-means算法的基础上引入水声通信模型，以解决在实际水下环境中，由于各种干扰因素导致的水下任务点分配不合理的问题。

2、为了实现上述目的，本技术第一方面提供一种无人艇通信中继方法，包括：获取水下任务点的三维坐标、usv数量以及任务区域范围；初始化每艘usv的位置坐标；计算每艘usv与每个水下任务点之间的距离；基于水声传播模型计算每艘usv到每个水下任务点的衰减后信号强度，所述水声传播模型包括距离引起的传播损失、海洋环境噪声和障碍物传播损失；对所述衰减后信号强度进行归一化处理得到通信质量指标；将所述通信质量指标通过sigmoid函数转换为权重系数，并构建包含所述权重系数的改进k-means损失函数；基于所述改进k-means损失函数对水下任务点进行迭代聚类，直至聚类结果收敛，得到每个水下任务点所属的usv分组；根据每个usv组内的水下任务点的坐标重新计算对应usv的位置坐标，基于重新计算的usv的位置坐标进行无人艇中继通信。

3、可选地，所述距离引起的传播损失通过以下公式计算：

4、

5、式中，

tld为声传播损失，

n为不同传播条件下的系数，

lij为

usvi与任务点

j之间的距离，

α为海水声吸收系数；海水声吸收系数

α与声信号频率之间的关系式为：

6、

7、式中，

f为声信号频率。

8、可选地，所述海洋环境噪声包括风成噪声、雨噪声和远处航船噪声，风成噪声包括高频段风成噪声和低频段风成噪声；

9、其中，对于高频段风成噪声，采用如下模型计算：

10、

11、

12、式中，v为风速，单位为m/s，

fw为风成噪声频率，单位为

khz，

δt为温差，

δ（

δt）表示温差函数；

13、其中，温差定义为：

14、

15、式中，

tair为空气温度，

tsea为海水温度；

16、对于低频段风成噪声，采用如下模型计算：

17、

18、雨噪声通过以下公式计算：

19、

20、式中，

r为降雨量，

λ(v)和

μ(v)为关于风速

v的分段函数；

21、远处航船的偶极子噪声级通过以下公式计算：

22、

23、式中，

k为波数，

d为原始单极子声源的深度，

n表示单位面积上的航船数，

slship表示航船的单极子声源谱级，单极子声源谱级表示为：

24、

25、式中，

fs为航船噪声频率。

26、可选地，所述障碍物传播损失通过以下对数函数计算：

27、

28、式中，

tlob表示由于障碍物的传播损失，

dx1和

dx2表示障碍物两端边缘点到信号源与水下任务点连线的垂直距离，

dl表示沿信号源与水下任务点连线的方向由信号源至障碍物最近交点的距离。

29、可选地，对衰减后信号强度进行归一化处理的函数为：

30、

31、式中，

ρij为归一化处理后的结果，

slij为第

i艘usv在对第

j个水下任务点发出的衰减后信号强度，

p和

q都是归一化函数的系数，其中，

p用于控制归一化函数的变化快慢，

q用于改变归一化函数在水平方向的位置。

32、可选地，将通信质量指标通过sigmoid函数转换为权重系数的公式为：

33、

34、式中，

ρij为信号强度归一化后结果的值，

m和

n为控制函数变化的参数；

35、所述改进k-means损失函数的形式为：

36、

37、其中，

y为损失函数值，

i为usv的数量，

j是水下任务点的数量，

yk为引入通信模型后的损失函数值。

38、此外，为实现上述目的，本技术还提供无人艇通信中继装置，包括：

39、初始化模块，用于获取水下任务点的三维坐标、usv数量以及任务区域范围；初始化每艘usv的位置坐标；

40、距离计算模块，用于计算每艘usv与每个水下任务点之间的距离；

41、信号强度计算模块，用于基于水声传播模型计算每艘usv到每个水下任务点的衰减后信号强度，所述水声传播模型包括距离引起的传播损失、海洋环境噪声和障碍物传播损失；对所述衰减后信号强度进行归一化处理得到通信质量指标；

42、权重系数构建模块，用于将所述通信质量指标通过sigmoid函数转换为权重系数，并构建包含所述权重系数的改进k-means损失函数；

43、聚类模块，用于基于所述改进k-means损失函数对水下任务点进行迭代聚类，直至聚类结果收敛，得到每个水下任务点所属的usv分组；

44、位置更新模块，用于根据每个usv分组内的水下任务点的坐标重新计算对应usv的位置坐标，基于重新计算的usv的位置坐标进行无人艇中继通信。

45、为了实现上述目的，本技术第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时实现如第一方面中任一项所述的无人艇通信中继方法。

46、为了实现上述目的，本技术第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，当所述指令被处理器执行时实现如第一方面中任一项所述的无人艇通信中继方法。

47、为了实现上述目的，本技术第五方面提供一种多无人艇通信中继规划系统，包括多个usv和控制器，控制器用于执行如第一方面中任一项的无人艇通信中继方法。

48、本技术实施例提出的一种无人艇通信中继方法、装置、设备、存储介质和系统，方法包括获取水下任务点的三维坐标、usv数量以及任务区域范围；初始化每艘usv的位置坐标；计算每艘usv与每个水下任务点之间的距离；基于水声传播模型计算每艘usv到每个水下任务点的衰减后信号强度，水声传播模型包括距离引起的传播损失、海洋环境噪声和障碍物传播损失；对衰减后信号强度进行归一化处理得到通信质量指标；将通信质量指标通过sigmoid函数转换为权重系数，并构建包含权重系数的改进k-means损失函数；基于改进k-means损失函数对水下任务点进行迭代聚类，直至聚类结果收敛，得到每个水下任务点所属的usv分组；根据每个usv分组内的水下任务点的坐标重新计算对应usv的位置坐标，基于重新计算的usv的位置坐标进行无人艇中继通信。本技术在k-means算法基础上进行改进，利用k-means算法具有快速简单的优势，对于水下任务点较多的情况下也能具备较高的求解效率。引入水声通信模型，即引入环境噪声、通信传播距离损失、信号传播过程存在的障碍物的影响并将其具体量化，引入到k-means算法中，使得聚类算法在分配任务点的过程中充分考虑水声通信因素，分配效果更符合实际情况。