CN105577276A - 基于ec-ekf算法的光学智能天线波束控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法，主要解决现有高速移动无线激光通信中链路可靠性低的问题。其技术方案是：采用正二十面体结构的光学智能天线，且每个面上分布接收和发射单位，并对这些单元编号，实现360度覆盖；采用误差修正的扩展卡尔曼滤波算法EC-EKF预测对端通信机的运动信息，确定其位于哪个发射单元的覆盖范围，打开相应的激光发射单元，实现对目标的捕获和跟踪，继续通信进程；对卡尔曼滤波算法EC-EKF进行扩展，用前一时刻的误差值修正当前时刻预测值，得到目标下一时刻的运动信息。本发明提高了通信系统链路的可靠性，兼顾了通信的实时性和移动性，可以用于高速移动无线激光通信领域。

Description

基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种光学智能天线波束控制方法，可用于对多节点、高速移动性、可靠性和实时性有较高要求的自由空间光通信系统中。

背景技术

无线激光通信，又称自由空间光通信FSO，是指利用激光束作为载波在空间，即大气、太空或海水中直接进行数据、语音和视频等多种业务双向传送的一种通信方式。它具有容量大、抗干扰能力强、组网灵活和安全保密性高的等诸多优点，无线激光通信WLC网络结合了光纤通信大容量和无线通信自组网的双重优势，使得其在几年来受到了广泛的关注，是公认的未来“宽带+无线”的优良通信方式，具有广阔的应用前景。

由于WLC是一种视距传输系统，因而不太容易在移动通信中建立稳定的链路。如何精准、快速地实现对较窄信号光的捕获、对准及跟踪，进而建立有效、可靠的通信链路，是WLC的关键技术之一。现有的针对定点WLC的捕获、对准及跟踪APT技术已较为成熟，只需要通过人工操作将端机的光学天线安置到固定的位置和角度即可实现对准，从而建立稳定的通信链路。而移动WLC目前还处在起步阶段，这是因为对于移动特别是室外用途的高速移动WLC系统，大气效应、目标间相对高速运动、通信终端载荷重量及功率限制等问题对APT技术的影响将更加显著。

在捕获、对准及跟踪APT系统的研究上，国内外部分学者提出了以下的研究思路：

CapGabrielA.，RefaiHakkiH.等人在“Opticaltrackingandauto-alignmenttransceiversystem”提出了一种对准方案，即根据移动过程中接收光斑落在位置光电探测器PSD、电荷耦合元件CCD或四象限探测器QD上的误差信息对万向节或振镜进行调节，从而实现移动中的对准。但是该方法中存在的不足之处是，其天线采用机械伺服系统，当目标间相对移动速度较大时，机械转动速率会影响通信进程，且上述方法仅适用于短距离的慢速通信，而且在持续对准过程中的频繁转动会出现时延，从而导致跟瞄精度出现误差，影响通信的实时性。

TaoShang，YintangYang等人在“Beamcontrolmethodbasedonomni-directionalregularicosahedron-shapedopticalantennaformobilefree-spaceopticalcommunication”中提出了一种基于正二十面体全向光学智能天线的波束控制方法，该方法中天线根据本端收到的反馈信息判断目标是否处于发射单元重叠区，从而确定切换方式，并将该信息反馈给光通路控制器以控制光开关阵列的通断，实现全向的、快速移动的点对点无线激光通信。但是，该方法存在的不足之处是，需要同时打开多个发射单元，加大了功率消耗，并且一旦目标移出该覆盖区，链路中断，天线必须被动地等待目标移动到已打开的发射单元覆盖范围内，重新建立链路，从而导致链路切换时延较长，降低了通信的实时性和稳定性。

胡贞等人在“空间激光通信终端APT技术与系统研究”(兵工学报,vol.32,no.6,pp.752-757,2011)中对机载空间激光通信APT系统提出了复合轴跟踪系统控制模型。该模型是在已研制的激光通信终端基础上，利用成熟的光纤通信技术，用部分通信光作精信标光，对APT精跟踪系统进行了改进。通过半实物模拟实验系统，验证了所设计APT系统的跟踪性能，结果显示APT系统性能大幅提高，其跟踪误差控制在了2μrad以内。但是，该模型存在的不足之处是，该系统的光学天线与两轴四框架连在一起，由计算机控制外框架随动于内框架的两轴四框架基台，只能实现水平和俯仰两个方向的转动，不利于任意方向信号的接收与发射，从而导致系统捕获跟踪范围降低，对准精度减小，无法满足高速移动的无线激光通信链路建立的需求。

从以上分析可以看出，传统的APT系统在低速移动情形下能够基本满足通信要求，但在高速移动情形下，由于天线受机械性能和控制算法的影响，影响APT系统在高速移动情形下的跟瞄精度，链路的通信性能得不到较好地保证。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法，以满足三维空间下多节点无线激光通信链路的建立对高速移动性、可靠性和实时性的要求，提高APT系统在高速移动情形下的跟瞄精度，降低系统功耗。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

(1)设计光学智能天线：

天线采用正二十面体结构，每个面上按照自上而下、自左向右的规则均匀排列有数个发射单元，接收单元均匀地镶嵌在发射单元之间的空隙内；该正二十面体按照逆时针、自上而下对每个面设有编号，每个面上的发射单元按照自左向右、自上而下设有编号；

(2)天线波束控制：

(2a)将上述光学智能天线分别装配在通信双方的通信机上，通信双方初始化链路并建立链路链接；

(2b)在双方通信进程中，本端通信机判断是否收到对端通信机天线发射的光信号：

如果收到光信号，则更新对端通信机当前的运动状态信息；

若未收到光信号，则关闭本端天线当前的发射单元，执行步骤(2c)；

(2c)利用误差修正的扩展卡尔曼滤波算法EC-EKF预测对端通信机的下一时刻运动状态信息，即利用前一时刻的误差值修正当前时刻预测值，得到对端通信机的下一时刻运动状态信息预测值；

(2d)根据(2c)得到的预测值确定对端通信机对应本端天线的发射单元编号，重新建立与对端通信机的链接，继续进行双方通信进程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一、本发明采用了正二十面体结构的光学智能天线，实现了光学天线在全向空间内的发射和接收，克服了现有技术中天线机械转动速率对通信进程影响大和天线瞄准精度误差大的缺点，提高了系统的通信实时性和跟瞄精度。

第二、本发明由于采用了EC-EKF算法来实现天线的波束控制，实现了光学天线在三维空间内高速移动下无线激光通信系统的全向捕获、跟踪和对准，并且在通信过程的每个时段只需打开一个发射单元，克服了现有技术中全向天线需要打开较多发射单元保持通信，造成功率损耗较大的缺点；本发明根据预测的对端下一时刻位置信息，直接控制对应发射单元的打开与关闭，克服了现有技术中需要区分发射面与发射单元切换类型的繁琐过程，有效降低了切换时延，改善了系统的通信效率。

第三、本发明由于提出了误差修正的扩展卡尔曼算法EC-EKF，提高了对目标位置预测的精度，保障了通信链路的建立，克服了现有技术中高速移动情形下目标位置预测精度低，APT系统跟瞄精度低的缺点，能够预测出通信端机在三维空间内的位置信息，从而建立起可靠光链路，提高了系统的预测性能，保证了高速移动自由空间光通信系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明的总流程图；

图2是本发明的波束控制总流程图；

图3是本发明中对发射单元初始化的子流程图；

图4是本发明使用的通信端机结构示意图；

图5是本发明中设计的通信端机中光学智能天线模型示意图；

图6是本发明中光学智能天线整体覆盖范围示意图；

图7是本发明中发射单元发射出的圆形光斑填充方式；

图8是本发明中光学智能天线接收单元分布示意图；

图9是本发明中光学智能天线发射面和发射单元编号示意图；

以下结合附图对本发明的实施例做进一步详细描述。

具体实施方式

一、技术原理

参照图4，本发明通过通信端机控制天线波束的输出，通信端机包括发射系统、接收系统以及控制系统。其中，发射系统包括激光器、分束器、发射单元和光学智能天线；接收系统包括合并器、数据与信息处理单元、接收单元及光学智能天线；控制系统由激光控制单元和光开关控制器两部分组成。

当光学智能天线上的接收单元接收到光信号后，由合并器整合光信号并输出数据，将数据传入给数据与信息处理单元，分析是否满足通信链路建立需求：如果满足则直接将结果传送给控制系统，否则，启用EC-EKF算法预测对端通信机下一时刻的状态信息，并确定对端通信机位于本端通信机光学智能天线上的哪个发射单元覆盖范围内，再将此结果传送给控制系统；根据数据与信息处理单元分析的最终结果，控制系统中的激光控制器控制激光器生成光信号，光信号经分束器进行分束，由光开关控制器选择合适的光学智能天线上的发射单元，最后将波束发射出去，继续进行通信进程。

二、实现实例

参照图1，根据上述原理，本实例的实现步骤如下：

步骤1，设计光学智能天线：

参照图5，本发明设计的光学智能天线为一个正二十面体整体结构，标记为O，该整体结构由二十个完全相同的等边三角形拼接而成，每个等边三角形为一个发射面，其上均匀分布着发射单元和接收单元。由于该结构中的每个面都是完全相同的三角形，故只需考虑其中一个面上的发射单元和接收单元的分布情况，其他面与之相同。

步骤2，设计每个面的上发射单元和接收单元的分布：

(2a)确定最大发射覆盖面

为了确定光学智能天线发射单元和接收单元的分布，本发明从光学智能天线形成的发射覆盖面来分析。

如图6所示，O代表光学智能天线，△ABC代表光学智能天线其中一个发射面所形成的发射覆盖面，所有的发射面所形成的发射覆盖面拼接起来，最终同样呈现一个外形尺寸大于光学智能天线的正二十面体结构F，对于较长的通信距离，该结构远大于光学智能天线的正二十面体结构；

双方通信机相距较远时，在保证发射端天线每个面所形成的发射覆盖面之间为无缝隙连接的基础上，得到最大发射覆盖面的边长为

(2b)等分发射覆盖面

如图7所示，△ABC为一个最大发射覆盖面，将该最大发射覆盖面的边长进行n等分，连接各个等分点，即将最大发射覆盖面分为n²个小三角形；

(2c)确定发射单元的数量与位置

在确定最大发射覆盖面后，需要考虑至少要有多少个发射单元形成的圆形光斑可以将其无缝且无重合地完整覆盖。为将最大发射覆盖面完整覆盖，本发明对每个小三角形采用外接圆方式填充，如图7所示，填充所需圆形光斑个数为n(n+1)/2，即需要天线每个面上的发射单元数量为N＝n(n+1)/2；

由于每一个圆形光斑是由光学智能天线的每一个发射单元形成的，因此，该圆形光斑填充的位置即为对应光学智能天线发射单元的位置；

(2d)确定发射单元半径

由发射端机的通信半径R，与发射面上分布的发射单元个数N确定每个发射单元的最大半径为：

$r_{max}=\sqrt{\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}\×(1-\frac{\sqrt{5}}{5})R^2}{\mathrm{\π}N}};$

由于在光学智能天线的每个面上需要排布发射单元与接收单元，因此需要将发射阵元按照最大的尺寸进行缩小，剩余出的面积用于排布接收单元，因此，本发明将光学智能天线每个面上的发射单元半径r设定为r_max/2，即

$r=\frac{1}{2}\×\sqrt{\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}\×(1-\frac{\sqrt{5}}{5})R^2}{\mathrm{\π}N}},$

其中，R为光学智能天线的通信半径，N为每个发射面上分布的发射单元个数；

(2e)接收单元的分布

在光学智能天线的每个面上，除了分布发射单元之外，还要考虑接收单元的排布，以便满足能够接收任意方向发来的光信号；

如图8所示，将接收单元均匀的排布在发射单元的空隙内。

步骤3，对发射面和发射单元进行编号：

对该光学智能天线的正二十面体结构O的每个面按照逆时针、自上而下进行编号，每个面上的发射单元按照自左向右、自上而下进行编号。具体编号过程如下所述：

如图9(a)所示，对光学智能天线的发射面进行编号：将最上层正对着的面设为01号，再按逆时针方向分别编号直至05号，完成最上层所有面的编号；然后，对第二层的所有面进行编号，将第二层正对着的面设为06，再依次按逆时针方向编号直至15号；最后，对第三层的所有面进行编号，取第二层06号正下方逆时针方向的第一个面为16号，再依次按逆时针方向编号直至20号，至此发射面全部编号完毕；

如图9(b)所示，对光学智能天线的发射单元进行编号：由于光学智能天线的每个面都是完全相同的三角形，故只需考虑其中一个面的发射单元编号情况，其他面与之相同；第一层排布一个发射单元，编号设为0，第二层的编号从左向右分别设为1和2，第三层的编号从左向右分别设为3、4和5，剩余发射单元均按照该规律继续进行编号，最后完成所有发射单元的编号。

为了便于完成天线波束控制过程，本发明将本端发射面、发射单元编号以及本端收到的来自对端的发射面、发射单元编号加在通信数据包内，使得通信双方能够交换这些发射面和发射单元的编号，并在天线波束控制过程中，光学智能天线可以根据以上编号打开对应的发射面上的发射单元，正确执行波束控制过程，保持通信连续。

步骤4，天线波束控制：

参照图2，本发明采用基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法进行波束控制，具体流程如下：

(4a)发射单元初始化：

参照图3，发射单元初始化过程是全双工过程，需要通信双方进行交互信息，因此，通信双方均需进行该初始化过程。此处以本端通信机的光学智能天线发射单元初始化过程进行描述，对端通信机与之相同，具体流程如下：

(4a1)本端通信机打开所有发射单元和全球定位系统GPS模块；

(4a2)判断本端通信机的接收单元是否收到对端通信机发射的反馈光信号，如果收到，则执行(4a3)；如果未收到，则返回(4a1)，重新进行GPS目标位置的确定；

(4a3)本端通信机记录对端通信机的反馈信息，该反馈信息包括本端通信机对应打开的发射单元编号和对端通信机的状态信息；

(4a4)根据对端通信机的反馈信息，保持本端通信机对应的发射单元打开，关闭其他发射单元和GPS模块，即完成发射单元初始化，通信双方的链路完成建立；

(4b)本端通信机和对端通信机进行通信：

在双方通信进程中，由于本端光学智能天线的发射单元波束宽度受限，天线覆盖范围也是有限的，一旦对端通信机移动出该范围时，通信进程将中断；因此需要在对端通信机移动的过程中实时的进行本端光学智能天线的发射单元切换，保证通信进程的不间断；

(4c)发射单元切换：

(4c1)本端通信机判断是否收到对端通信机天线发射的光信号：

如果收到光信号，则更新对端通信机当前的运动状态信息；

若未收到光信号，则关闭本端天线当前的发射单元，执行步骤(4c2)；

(4c2)采用误差修正的扩展卡尔曼滤波算法EC-EKF，预测对端通信机的下一时刻运动状态信息，得到对端通信机的下一时刻运动状态信息预测值：

传统的扩展卡尔曼算法EKF是非线性系统中的一种最小方差估计方法，多用于目标跟踪、位置信息预测和滤波系统中；目标位置信息的预测精度决定了整个APT系统的性能好坏，其中影响EKF算法预测精度的误差来源包含了以下三部分：

截断误差，是在进行迭代计算之前引入的，实际应用中可根据相应的运动模型加入高阶项的计算，一旦确定了高阶项之后，该误差便可确定；附加误差，可通过选用合适的时间间隔来减小，以满足实际系统的误差精度要求；迭代误差，是与滤波算法的迭代过程息息相关的重要误差来源；

因此，本发明对EKF算法进行误差修正，即减小迭代误差的影响，提出了误差修正的扩展卡尔曼滤波算法EC-EKF，具体修正过程描述如下：

(4c2.1)本端通信机利用非线性系统中的扩展卡尔曼滤波算法求得对端通信机k时刻的预测值

(4c2.2)根据对端天线反馈的上一时刻的运动状态信息，本端通信机计算出k-1时刻的预测误差值ΔX_k-1；

(4c2.3)用前一时刻的误差值修正当前时刻预测值，得到通信机下一时刻的运动状态信息：

由于本发明的运动模型是基于一般非线性系统模型，在时间间隔很小的范围内，可以采用恒定加速度的模型来分析目标运动中的状态，在这种条件下即认为在时间间隔内加速度a的值是不变的，即速度在同样的时间间隔内变化是相等的。亦即可表示为：Δvx_k＝Δvx_k-1。因此在k-2时刻到k-1时刻速度的变化值与k-1时刻到k时刻速度的变化值相等，则可以近似认为在k-2到k-1时刻的预测误差ΔX_k-1近似等于由k-1时刻到k时刻的预测误差ΔX_k；

对于本天线波束控制过程而言，对端天线反馈给本端的是上一时刻的状态信息，因此本端只能计算出上一时刻的预测误差值。为了避免前一步的误差累计到下一步的迭代计算再次进入迭代运算之后，误差的扩大，因此可以用上一时刻的误差值来修正本时刻的预测值，从而减小残留误差，即用k-1时刻的预测误差ΔX_k-1替代本时刻的预测误差值ΔX_k，得到修正后的预测结果，即对端通信机下一时刻的运动状态信息：

${\hat{X}}_{knew}={\hat{X}}_k+{\mathrm{\ΔX}}_{k-1};$

(4c2.4)修正之后的预测误差表示为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔX}}_{knew}=X_k-{\hat{X}}_{knew}\\ ={\mathrm{\ΔX}}_k-{\mathrm{\ΔX}}_{k-1}\end{array},$

即，经过误差修正的扩展卡尔曼算法的预测误差减小了ΔX_k-1；

(4c3)根据(4c2)得到的预测值，确定在下一时刻对端通信机位于本端通信机的哪个发射单元覆盖范围内，进而确定对端通信机对应本端天线的发射单元编号，打开该发射单元；

(4c4)本端通信机再次判断是否收到对端通信机天线发射的光信号：

如果收到光信号，则建立与对端通信机的链接，继续进行双方通信进程；

如果在设定的超时时间间隔内仍没有收到反馈信息，则链路建立失败，返回(4a)。

Claims (7)

1.一种基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法，包括：

(1)设计光学智能天线：

天线采用正二十面体结构，每个面上按照自上而下、自左向右的规则均匀排列有数个发射单元，接收单元均匀地镶嵌在发射单元之间的空隙内；该正二十面体按照逆时针、自上而下对每个面设有编号，每个面上的发射单元按照自左向右、自上而下设有编号；

(2)天线波束控制：

(2a)将上述光学智能天线分别装配在通信双方的通信机上，通信双方初始化链路并建立链路链接；

(2b)在双方通信进程中，本端通信机判断是否收到对端通信机天线发射的光信号：

如果收到光信号，则更新对端通信机当前的运动状态信息；

若未收到光信号，则关闭本端天线当前的发射单元，执行步骤(2c)；

(2c)利用误差修正的扩展卡尔曼滤波算法EC-EKF预测对端通信机在三维空间内的下一时刻运动状态信息，即利用前一时刻的误差值修正当前时刻预测值，得到对端通信机在三维空间内的下一时刻运动状态信息预测值；

(2d)根据(2c)得到的预测值确定对端通信机对应本端天线的发射单元编号，重新建立与对端通信机的链接，继续进行双方通信进程。

2.根据权利要求1所述的基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法，其特征在于：正二十面体结构是由二十个完全相同的等边三角形拼接而成，每个等边三角形作为一个发射面。

3.根据权利要求1所述的基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法，其特征在于：步骤(1)中每个发射面排列的发射单元的数量和位置，按如下步骤确定：

(1a)根据通信双方的距离L，在保证发射端天线每个面所形成的发射覆盖面之间为无缝隙连接的基础上，得到最大发射覆盖面，其边长为

(1b)将最大发射覆盖面的边长进行n等分，连接各个等分点，即将最大发射覆盖面分为n²个小三角形；

(1c)对每个小三角形用天线发射单元所发射出的圆形光斑进行外接圆方式填充，填充所需圆形光斑个数为n(n+1)/2，即天线每个面上的发射单元数量为：

N＝n(n+1)/2；

该圆形光斑填充的位置即为对应天线发射单元的排布位置。

4.根据权利要求3所述的基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法，其特征在于：每个发射单元半径r，按如下公式确定：

$r=\frac{1}{2}\×\sqrt{\frac{\frac{\sqrt{3}}{2}\×(1-\frac{\sqrt{5}}{5})R^2}{\mathrm{\π}N}},$

其中，R为正二十面体结构天线的通信半径，N为每个发射面上分布的发射单元个数。

5.根据权利要求1所述的基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法，其特征在于：步骤(2a)中通信双方初始化链路并建立链路链接，按如下步骤进行：

(2a1)本端通信机打开所有发射单元和全球定位系统GPS模块；

(2a2)判断本端通信机的接收单元是否收到对端通信机发射的反馈光信号，如果收到，则执行(2a3)；如果未收到，则返回(2a1)，重新进行GPS目标位置的确定；

(2a3)本端通信机记录对端通信机的反馈信息，该反馈信息包括本端通信机对应打开的发射单元编号和对端通信机的状态信息；

(2a4)根据对端通信机的反馈信息，保持本端通信机对应的发射单元打开，关闭其他发射单元和GPS模块，即完成通信双方的链路建立。

6.根据权利要求1所述的基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法，其特征在于：步骤(2b)中更新对端通信机在三维空间内当前的运动状态信息，是本端通信机接收系统接收对端光信号，从光信号中提取对端通信机的反馈信息，用该反馈信息中的对端通信机当前运动状态信息覆盖之前的存储记录，完成对运动状态信息的更新。

7.根据权利要求1所述的基于EC-EKF算法的光学智能天线波束控制方法，其特征在于：步骤(2c)利用误差修正的扩展卡尔曼滤波算法EC-EKF预测对端通信机在三维空间内下一时刻运动状态信息，按照如下步骤进行：

(2c1)根据对端天线反馈的上一时刻的运动状态信息，本端通信机计算出k-1时刻的预测误差值ΔX_k-1；

(2c2)本端通信机利用非线性系统中的扩展卡尔曼滤波算法求得在三维空间内对端通信机k时刻的预测值

(2c3)用前一时刻的误差值修正当前时刻预测值，即用k-1时刻的预测误差ΔX_k-1替代本时刻的预测误差值ΔX_k，得到修正后的预测结果，即对端通信机在三维空间内的下一时刻的运动状态信息：

${\hat{X}}_{knew}={\hat{X}}_k+{\mathrm{\ΔX}}_{k-1}.$