CN102800966B - 基于波束成型技术的海上浮标节点间无线远距离通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束成型技术的海上浮标节点间无线远距离通信方法，该方法通过安装在浮标节点上的加速度传感器、陀螺仪或者电子罗盘,对安装在浮标上的天线阵姿态进行反馈，确定天线阵实时姿态,并根据天线阵实时姿态设计相应算法,控制相控阵天线波束成型参数,使波束方向对准接收端；本发明大大提高了点对点海上无线通信距离。

Description

基于波束成型技术的海上浮标节点间无线远距离通信方法

技术领域

本发明涉及海上无线通信领域，特别是涉及一种基于波束成型技术的海上浮标节点间及浮标对岸基的无线远距离通信方法。

背景技术

相控阵天线波束成型技术对无线通信系统所带来的优势是目前任何技术难以替代的，已经成为无线通信中最具有吸引力的技术之一。波束成型技术通过将主要能量对准期望用户以提高信噪比，天线技术与数字信号处理技术的结合，目的用于定向信号传输或接收，能有效地抑制共道干扰，提高目标节点方向的增益，进而提高通信节点间的距离。几乎所有先进的无线通信系统都将采用此技术。

但波束成型技术现在还没有用于海上无线通信,主要原因在于波束成型方向不好控制。目前海洋监测的主流手段是基于海上浮标的监测台站，即使一开始波束成型的方向对好了，无线节点所依附的浮标也会由于海浪、洋流作用，随着波浪上下摆动、旋转，最终造成节点波束成型方向偏离目标方向，不能满足通信的可靠性要求。

发明内容

本发明的目的是克服海浪洋流等对浮标的影响，提供一种基于波束成型技术的海上浮标节点间无线远距离通信方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于波束成型技术的海上浮标节点间无线远距离通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）如图1所示，建立天线阵直角坐标系，假设初始时刻天线阵平面垂直于水平面,则令X轴为天线阵法线方向向外，Y为天线阵平面水平方向，Z为天线阵平面竖直方向向上；

（2）在浮标节点上安装三维加速度计，得到浮标沿坐标三个方向的实时加速度a_x、a_y、a_z；

（3）对时间进行分段,令其中每段间隔为0.1s,并令此时间段间隔开始时刻及结束时刻天线阵沿各坐标轴的速度分别为v_x0，v_y0，v_z0;v_x1，v_y1，v_z1，其中：

$v_{x1}=v_{x0}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_x\mathrm{dt};$ $v_{y1}=v_{y0}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_y\mathrm{dt};$ $v_{z1}=v_{z0}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_z\mathrm{dt};$

式中，a_x、a_y、a_z为浮标沿三个坐标方向的实时加速度；Δt=0.1s；

（4）对步骤2所得的加速度在步骤3所分的某时间段分别积分得到三个方向的位移： $s_x=v_{x0}\mathrm{\Δt}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_x\mathrm{dtdt};$ $s_y=v_{y0}\mathrm{\Δt}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_y\mathrm{dtdt};$ $s_z=v_{z0}\mathrm{\Δt}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_z\mathrm{dtdt};$

其中，s_x、s_y、s_z为Δt时刻天线阵中心的位移；a_x、a_y、a_z为浮标沿三个坐标方向的实时加速度；v_x0，v_y0，v_z0;v_x1，v_y1，v_z1为此时间段间隔开始时刻及结束时刻天线阵沿各坐标轴的速度；Δt＝0.1s；

（5）浮标上安装三轴陀螺仪，得到天线阵旋转的实时角速度ω_x、ω_y、ω_z；

（6）对步骤5得到的角速度积分得浮标在步骤3所分的某时间段内的角位移：

$\mathrm{\Δ\α}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{\mathrm{\ω}}_x\mathrm{dt};$ $\mathrm{\Δ\β}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{\mathrm{\ω}}_y\mathrm{dt};$ $\mathrm{\Δ\θ}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{\mathrm{\ω}}_z\mathrm{dt};$

其中，Δα、Δβ、Δθ为Δt时刻天线阵旋转的角位移；ω_x、ω_y、ω_z为天线阵旋转地实时角速度；Δt＝0.1s；

（7）此时间段间隔开始时刻及结束时刻目标节点在天线阵坐标系中的坐标为(x₀,y₀,z₀)，(x₁,y₁,z₁)；则目标节点在天线阵齐次坐标系始末时刻坐标为V₀=(x₀,y₀,z₀,1)^T，V₁=(x₁,y₁,z₁,1)^T；

（8）由齐次变换相关知识可知在步骤（3）所分的某段时间内绕X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵分别为：

$R(x,\mathrm{\Δ\α})=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\Δ\α}& -\sin \mathrm{\Δ\α}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\Δ\α}& \cos \mathrm{\Δ\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R(y,\mathrm{\Δ\β})=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\Δ\β}& 0& \sin \mathrm{\Δ\β}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\Δ\β}& 0& \cos \mathrm{\Δ\β}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R(z,\mathrm{\Δ\θ})=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\Δ\θ}& -\sin \mathrm{\Δ\θ}& 0& 0\\ \sin \mathrm{\Δ\θ}& \cos \mathrm{\Δ\θ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

平移矩阵为：

$\mathrm{Trans}(\mathrm{\Δx},\mathrm{\Δy},\mathrm{\Δz})=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& \mathrm{\Δx}\\ 0& 1& 0& \mathrm{\Δy}\\ 0& 0& 1& \mathrm{\Δz}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

（9）由步骤7、8的结果计算：

R(z,Δθ)R(y,Δβ)R(x,Δα)Trans(Δx,Δy,Δz)V₁=V₀，

令⁰T₁=R(z,Δθ)R(y,Δβ)R(x,Δα)Trans(Δx,Δy,Δz)；

则上式可简化为：⁰T₁V₁=V₀；

则有：V₁=⁰T₁ ^-1V₀；

其中，R(x,Δα) R(y,Δβ) R(z,Δθ)为X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵；Trans(Δx,Δy,Δz)为平移矩阵；

（10）根据步骤9所得的结果,即得到波束成型的方向,再依据相应的波束成型算法对Δt时刻进行波束成型，可采用如下方法：根据天线波束所应指向的空间位置，波控计算机计算出相应的方位及仰角初始相位值，然后再计算出阵列天线中每个单元移相器所需的相位值，通过驱动器使移相器移相，从而使天线波束指向规定的方向；

（11）重复步骤1-9，可对任意时刻进行波束成型，从而使波束方向始终跟踪目标节点，不因海面情况的影响而改变，保证节点间的可靠通信。

本发明的有益效果是，本发明在浮标节点上安装天线阵，利用加速度传感器和陀螺仪对天线阵的运动状态进行反馈，并通过坐标变换算法,确定目标节点相对对于天线阵的位置，再根据目标节点相对对于天线阵的位置信息利用波束成型相关算法，使波束方向始终跟踪目标节点，不因海面情况的影响而改变，保证节点间的可靠通信。

附图说明

图1是天线阵坐标的示意图；

图2是时间间隔分布图；

图3是相控阵坐标示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

本发明基于波束成型技术的海上浮标节点间无线远距离通信方法，包括以下步骤：

1、如图1所示，建立天线阵直角坐标系，假设初始时刻天线阵平面垂直于水平面,则令X轴为天线阵法线方向向外，Y为天线阵平面水平方向，Z为天线阵平面竖直方向向上。

2、在浮标节点上安装三维加速度计，得到浮标沿坐标三个方向的实时加速度a_x、a_y、a_z；

3、如图2所示，对时间进行分段,令其中每段间隔为0.1s,并令此时间段间隔开始时刻及结束时刻天线阵沿各坐标轴的速度分别为v_x0，v_y0，v_z0;v_x1，v_y1，v_z1，其中：

$v_{x1}=v_{x0}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_x\mathrm{dt};$ $v_{y1}=v_{y0}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_y\mathrm{dt};$ $v_{z1}=v_{z0}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_z\mathrm{dt};$

式中，a_x、a_y、a_z为浮标沿三个坐标方向的实时加速度；Δt=0.1s。

4、对步骤2所得的加速度在步骤3所分的某时间段分别积分得到三个方向的位移： $s_x=v_{x0}\mathrm{\Δt}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_x\mathrm{dtdt};$ $s_y=v_{y0}\mathrm{\Δt}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_y\mathrm{dtdt};$ $s_z=v_{z0}\mathrm{\Δt}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_z\mathrm{dtdt};$

其中，s_x、s_y、s_z为Δt时刻天线阵中心的位移；a_x、a_y、a_z为浮标沿三个坐标方向的实时加速度；v_x0，v_y0,v_z0;v_x1，v_y1，v_z1为此时间段间隔开始时刻及结束时刻天线阵沿各坐标轴的速度；Δt＝0.1s。

5、浮标上安装三轴陀螺仪，得到天线阵旋转的实时角速度ω_x、ω_y、ω_z；

6、对步骤5得到的角速度积分得浮标在步骤3所分的某时间段内的角位移：

$\mathrm{\Δ\α}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{\mathrm{\ω}}_x\mathrm{dt};$ $\mathrm{\Δ\β}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{\mathrm{\ω}}_y\mathrm{dt};$ $\mathrm{\Δ\θ}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{\mathrm{\ω}}_z\mathrm{dt};$

其中，Δα、Δβ、Δθ为Δt时刻天线阵旋转的角位移；ω_x、ω_y、ω_z为天线阵旋转地实时角速度；Δt＝0.1s。

7、此时间段间隔开始时刻及结束时刻目标节点在天线阵坐标系中的坐标为(x₀,y₀,z₀)，(x₁,y₁,z₁)；则目标节点在天线阵齐次坐标系始末时刻坐标为V₀=(x₀,y₀,z₀,1)^T，V₁=(x₁,y₁,z₁,1)^T；

8、由齐次变换相关知识可知在步骤（3）所分的某段时间内绕X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵分别为：

$R(x,\mathrm{\Δ\α})=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\Δ\α}& -\sin \mathrm{\Δ\α}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\Δ\α}& \cos \mathrm{\Δ\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R(y,\mathrm{\Δ\β})=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\Δ\β}& 0& \sin \mathrm{\Δ\β}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\Δ\β}& 0& \cos \mathrm{\Δ\β}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R(z,\mathrm{\Δ\θ})=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\Δ\θ}& -\sin \mathrm{\Δ\θ}& 0& 0\\ \sin \mathrm{\Δ\θ}& \cos \mathrm{\Δ\θ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

平移矩阵为：

$\mathrm{Trans}(\mathrm{\Δx},\mathrm{\Δy},\mathrm{\Δz})=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& \mathrm{\Δx}\\ 0& 1& 0& \mathrm{\Δy}\\ 0& 0& 1& \mathrm{\Δz}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

9、由步骤7、8的结果计算：

R(z,Δθ)R(y,Δβ)R(x,Δα)Trans(Δx,Δy,Δz)V₁=V₀，

令⁰T₁=R(z,Δθ)R(y,Δβ)R(x,Δα)Trans(Δx,Δy,Δz)

则上式可简化为：⁰T₁V₁=V₀；

则有：V₁=⁰T₁ ^-1V₀；

其中，R(x,Δα)R(y,Δβ)R(z,Δθ)为X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵；Trans(Δx,Δy,Δz)为平移矩阵。

10、根据步骤9所得的结果,即得到波束成型的方向,再依据相应的波束成型算法对Δt时刻进行波束成型。可采用如下方法:

在相控阵雷达中，波束扫描过程是这样的：根据天线波束所应指向的空间位置，波控计算机计算出相应的方位及仰角初始相位值，然后再计算出阵列天线中每个单元移相器所需的相位值，通过驱动器使移相器移相，从而使天线波束指向规定的方向。

以M×N矩形平面阵（如图3）为例。在（x，y）平面上，各相邻单元的间距在x，y方向分别为dx与dy。当采用数字式移相器时，由于阵面第(m,n)单元相对于第(0,0)单元的阵内相位波控数码值为

其中：

2π/2^K为阵内最小相移量，为初始向量，为波束指向与平面阵坐标系x,y轴的夹角，K为移向器位数。

以上方法就是平面阵列中通常采用的一种行列分离计算、单元集中配相的算法。所谓行列分离算法，就是按照初始向量分别计算出中x，y上个对应点的相位值；所谓单元集中配相就是将第(m,n)单元所在的行和列的相位值相加所得到的相位值。

由以上再按照相应的时序关系，通过控制接口将移相量送至各移相器，即可得到定向的波束。

11、重复步骤1-10，可对任意时刻进行波束成型，从而使波束方向始终跟踪目标节点，不因海面情况的影响而改变，保证节点间的可靠通信。

以上所述仅为本发明的一个较佳实施例而已，并不构成对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于波束成型技术的海上浮标节点间无线远距离通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在浮标节点上安装天线阵，建立天线阵直角坐标系，假设初始时刻天线阵平面垂直于水平面,则令X轴为天线阵法线方向向外，Y为天线阵平面水平方向，Z为天线阵平面竖直方向向上；

(2)在浮标节点上安装三维加速度计，得到浮标沿坐标三个方向的实时加速度a_x、a_y、a_z；

(3)对时间进行分段,令其中每段间隔为0.1s,并令此时间段间隔开始时刻及结束时刻天线阵沿各坐标轴的速度分别为v_x0,v_y0,v_z0；v_x1,v_y1,v_z1，其中：

$v_{x1}=v_{x0}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_x\mathrm{dt};v_{y1}=v_{y0}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_y\mathrm{dt};v_{z1}=v_{z0}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{a}_z\mathrm{dt};$

式中，a_x、a_y、a_z为浮标沿三个坐标方向的实时加速度；Δt＝0.1s；

(4)对步骤(2)所得的加速度在步骤(3)所分的某时间段分别积分得到三个方向的位移： $s_x=v_{x0}\mathrm{\Δt}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{a}_x\mathrm{dtdt};s_y=v_{y0}\mathrm{\Δt}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{a}_y\mathrm{dtdt};s_z{=v}_{z0}\mathrm{\Δt}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{a}_z\mathrm{dtdt};$

其中，s_x、s_y、s_z为Δt时刻天线阵中心的位移；a_x、a_y、a_z为浮标沿三个坐标方向的实时加速度；v_x0,v_y0,v_z0；v_x1,v_y1,v_z1为此时间段间隔开始时刻及结束时刻天线阵沿各坐标轴的速度；Δt＝0.1s；

(5)浮标上安装三轴陀螺仪，得到天线阵旋转的实时角速度ω_x、ω_y、ω_z；

(6)对步骤(5)得到的角速度积分得浮标在步骤(3)所分的某时间段内的角位移： $\mathrm{\Δ\α}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{\mathrm{\ω}}_x\mathrm{dt};\mathrm{\Δ\β}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{\mathrm{\ω}}_y\mathrm{dt};\mathrm{\Δ\θ}=\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}{\mathrm{\ω}}_z\mathrm{dt};$

其中，Δα、Δβ、Δθ为Δt时刻天线阵旋转的角位移；ω_x、ω_y、ω_z为天线阵旋转的实时角速度；Δt＝0.1s；

(7)此时间段间隔开始时刻及结束时刻目标节点在天线阵坐标系中的坐标为(x₀,y₀,z₀)，(x₁,y₁,z₁)；则目标节点在天线阵齐次坐标系始末时刻坐标为V₀＝(x₀,y₀,z₀,1)^T，V₁＝(x₁,y₁,z₁,1)^T；

(8)由齐次变换相关知识可知在步骤(3)所分的某段时间内绕X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵分别为：

$R(x,\mathrm{\Δ\α})=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\Δ\α}& -\sin \mathrm{\Δ\α}& 0\\ 0& \sin \mathrm{\Δ\α}& \cos \mathrm{\Δ\α}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R(y,\mathrm{\Δ\β})=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\Δ\β}& 0& \sin \mathrm{\Δ\β}& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -\sin \mathrm{\Δ\β}& 0& \cos \mathrm{\Δ\β}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

$R(z,\mathrm{\Δ\θ})=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\Δ\θ}& -\sin \mathrm{\Δ\θ}& 0& 0\\ \sin \mathrm{\Δ\θ}& \cos \mathrm{\Δ\θ}& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

平移矩阵为：

$\mathrm{Trans}(\mathrm{\Δx},\mathrm{\Δy},\mathrm{\Δz})=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& \mathrm{\Δx}\\ 0& 1& 0& \mathrm{\Δy}\\ 0& 0& 1& \mathrm{\Δz}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$

(9)由步骤(7)、(8)的结果计算：

R(z,Δθ)R(y,Δβ)R(x,Δα)Trans(Δx,Δy,Δz)V₁＝V₀，

令⁰T₁＝R(z,Δθ)R(y,Δβ)R(x,Δα)Trans(Δx,Δy,Δz)；

则上式可简化为：⁰T₁V₁＝V₀；

则有：V₁＝⁰T₁ ^-1V₀；

其中，R(x,Δα)R(y,Δβ)R(z,Δθ)为X轴、Y轴、Z轴的旋转矩阵；Trans(Δx,Δy,Δz)为平移矩阵；

(10)根据步骤(9)所得的结果,即得到波束成型的方向,再依据相应的波束成型算法对Δt时刻进行波束成型，可采用如下方法：根据天线波束所应指向的空间位置，波控计算机计算出相应的方位及仰角初始相位值，然后再计算出阵列天线中每个单元移相器所需的相位值，通过驱动器使移相器移相，从而使天线波束指向规定的方向；

(11)重复步骤(1)-(9)，可对任意时刻进行波束成型，从而使波束方向始终跟踪目标节点，不因海面情况的影响而改变，保证节点间的可靠通信。