CN107658537A - 一种机载短波通信天线系统设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载短波通信天线系统设计方法及系统，该系统采用收放式的短波天线布局设计，相应在地面或地面监控站上设计短波通信基站；飞行器在飞行中天线处于展开状态通信，飞行器在起飞，着陆，停机和非通信阶段，天线处于收藏状态。本发明针对短波数据通信的天线尺寸比较长，不容易在飞机上安装使用的难点，提供一种在机上可收放的短波天线布局设计方法，帮助机载短波通信的实现，相应在地面或地面监控站上设计短波通信基站，从而实现飞机超视距或低空飞行所需的数据通信需求。

Description

一种机载短波通信天线系统设计方法及系统

技术领域

本发明涉及航空通信领域，特别是航空无线电短波数据通信的应用，以及飞行器远程与低空飞行的通信应用。

背景技术

为实现飞机的超视距测控通信，采用机载卫星中继通信是常用方法。卫星中继通信的缺点是需要花费卫星带宽租用费，并且，卫星中继通信的机载天线和设备的尺寸和重量较大。特别是天线尺寸，目前常用的抛物线天线，让很多小型飞机无法安装。尺寸较小的相控阵平板天线的价格很高。机载卫星中继通信系统经常出现故障，包括失锁，或中断等，需要建立备份的应急通信系统。对于重要的飞机，或执行重要任务，给机载卫星中继通信系统配备超视距通信的余度系统，难点是缺少适合的机载设备。国内的北斗卫星短信通信是可选用的超视距经济性通信手段，缺点是民用的用户申请和使用不方便，不是自主型通信方式。机载短波数据通信是一种的超视距通信系统，是经济型的自主通信方式。装机的难点是天线尺寸较长，中小型飞机无法安装。目前，飞机上机载短波系统的天线安装方式，常见的是从机头驾驶舱的后端顶部，向机身垂尾顶部之间，连接通信天线。一条几米长的斜拉绷直的天线看上去比较显眼，更是在飞行中产生气动阻力和噪声。

因此，现有技术依然不够理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种机载短波通信天线系统设计方法及系统，使其能够成为独立使用的或与作为备份的通信系统

本发明的技术方案如下：

本发明首先提出一种机载短波通信天线系统设计方法，对该系统采用收放式的短波天线布局设计，收放式即内藏式可展开的短波天线设计。相应在地面或地面监控站上设计短波通信基站；飞行器在飞行中天线处于展开状态通信，飞行器在起飞，着陆，停机和非通信阶段，天线处于收藏状态。

其中，收放式的短波天线连接在飞行器上，并由天线，收放机构，收托舱和释放器组成；其中，天线的一端与安装在飞行器内部的机载短波收发机电器连接，天线的另一端通过收放机构与释放器连接，释放器经过外形和重量设计，在外力作用下，牵引天线展开而稳定漂浮在气流中，并且保持一定的铅垂线姿态稳定漂浮在气流中，天线则缠绕在收放机构的卷轴或卷盘上，收放机构安装在飞行器上。

飞行中为了释放天线，机载控制系统发送指令接通即起动收放机构，收放机构向释放天线的趋势动作即放松天线，由释放器在外力作用下牵引天线展开，释放器离开机体并由天线连接稳定漂浮在气流中，并在设计长度位置停止锁定；飞行中为了回收天线，机载控制系统发送指令接通即起动收放机构，收放机构向回收天线的趋势动作即收紧天线，由释放器克服外力的作用牵引天线回收，天线展开的长度逐步缩短，释放器被回收到机体上的收托舱或收藏筐中，天线处于收藏状态。

与上述方法对应，本发明的一种机载短波通信天线系统，包括飞行器，所述飞行器包括民用航空飞行器，军用航空飞行器，通用航空飞行器都适用；其中，通用航空飞行器包含有人驾驶飞行器，无人驾驶飞行器，合作驾驶飞行器，固定翼飞行器，直升机或旋翼机及多轴旋翼机，该系统包括收放式的短波天线，该短波天线连接在飞行器上，该短波天线包括天线，天线为柔性金属结构或金属编织的多股结构。天线的一端与安装在飞行器内部的机载短波收发机电器连接，天线的另一端通过收放机构与释放器连接，天线则缠绕在收放机构的卷轴或卷盘上，收放机构安装在飞行器上；收放机构还设有用于回收释放器的收托舱或收藏筐。

其中，收放机构是电动机构或储能机构；所述储能机构包括弹性动力机构，液压/气压动力机构，电磁动力机构，通过储能机构释放展开天线，或收回卷缩天线。释放器包括圆盘通风式释放器和球形短翼式释放器；所述收托舱或收藏筐是透风的结构，便于外力拉出/气流吹出释放器。释放器中可以设有用于对其进行重量调整的配重砝码。

另外，在地面，或在地面监控站上安装有短波天线收发基站，以及人机操作和监视界面；通过短波基站与飞行器进行无线电通信，接收飞行器的位置信息或机载系统状态信息，或发送控制飞行器的指令，并通过人机界面进行显示和操作。

本发明提出的内藏式可展开的机载短波数据通信天线设计方法，重量和外形尺寸比较小，能够满足中小型飞机的装机要求。当天线收藏后，外观不明显，气动阻力小，在停机、起飞、着陆前等地面或结束飞行的阶段，可以收藏天线。飞行阶段天线展开后通信，满足天线长度的需要。机载短波天线能够根据设计的控制方案，在飞行阶段自动展开，并自动接通短波数据通信链路，实现接收飞行位置信息，发送简单航线，以及应急指令，也能满足空管安全监视系统的要求。对于低空作业的植保飞机，货运飞机，测绘飞机等，本发明的短波天线方案，能够成为独立使用的或与作为备份的通信系统。

本发明可以帮助机载短波通信的实现，相应在地面或地面监控站上设计短波通信基站，从而实现飞机超视距或低空飞行所需的数据通信需求。它涵盖了机载超视距通信、天线系统及布局、天线的释放与回收、天线释放器在气流中的稳定保持、地面支持系统，以及相应的适航性标准等。可独立应用，或应用于飞机机载测控及通信系统的备份。特别是用于农业植保、货运、测绘、巡线、海洋监视等作业飞行的飞机。

附图说明

图1为机载天线的连接及展开/收藏示意图(圆盘通风式释放器)；

图2为机载天线的连接及球形短翼式释放器示意图。

图中标记分别为：1-天线，2-收放机构，3-机载短波收发机电器，4-收托舱或收藏筐，5-圆盘通风式释放器，6-机身尾端，7-配重砝码，8-短翼，9-球形短翼式释放器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。

本发明的机载短波通信天线系统由飞行器和机载短波天线，以及地面监控站组成。飞行器是任何一种飞行器。民用航空飞行器，军用航空飞行器，通用航空飞行器都适用。其中，通用航空飞行器包含有人驾驶飞行器，无人驾驶飞行器，合作驾驶飞行器，也包含固定翼飞行器，直升机或旋翼机及多轴旋翼机。

对于固定翼飞机，本发明的短波天线的典型安装位置选择在机身的后端，或垂尾顶部的后缘，如图2中所示的机身尾端6。对于直升机或旋翼机及多轴旋翼机，本发明的牵引式短波天线设计，重点在于释放器的设计，一是安装位置，选择在距离旋翼更低的位置。二是牵引姿态的设计，通过对释放器的气动力选型和设计，能够保证释放器在空中稳定漂浮，并使其保持一定的铅锤姿态，并与旋翼保持安全距离。

短波天线连接在飞行器上。短波天线由天线1，收放机构2，收托舱或收藏筐4，释放器组成，其中，释放器可以采用图1所示的圆盘通风式释放器5或图2所示的球形短翼式释放器9。请参阅图1或图2，天线1的一端与安装在飞行器内部的机载短波收发机电器3连接，天线1的另一端通过收放机构2与释放器连接，释放器经过外形和重量设计，能够在外力作用下，特别是在飞行气动力作用下，牵引天线1展开而稳定漂浮在气流中，并且保持一定的铅垂线姿态稳定漂浮在气流中，天线1则缠绕在收放机构2的卷轴或卷盘上，收放机构2安装在飞行器上。天线1是一种柔性金属结构，特别是一种金属编织的多股结构，如金属绳或钢丝绳。

收放机构2是电动机构，或储能机构。飞行中为了释放天线1，机载控制系统发送指令接通即起动收放机构2，收放机构2向释放天线1的趋势动作即放松天线1，由释放器在外力作用下，特别是在飞行气动力作用下牵引天线1展开，释放器离开机体并由天线1连接稳定漂浮在气流中，并在设计长度位置停止锁定，飞行器在飞行中天线1处于展开状态通信。飞行中为了回收天线1，机载控制系统发送指令接通即起动收放机构2，收放机构2向回收天线1的趋势动作即收紧天线1，由释放器克服外力的作用，特别是飞行气动力的作用牵引天线1回收，天线1展开的长度逐步缩短，释放器被回收到机体上的收托舱或收藏筐4中，天线1处于收藏状态。飞行器在起飞，着陆，停机和非通信阶段，天线1处于收藏状态。储能机构包括弹性动力机构，液压/气压动力机构，电磁动力机构，以上动力机构与一个卷绕机构结合就能够实现对天线1的释放和收回，对本领域技术人员来说，十分容易做到，因此，通过储能机构可以释放展开天线1，或收回卷缩天线1。

释放器与天线1连接，在外力作用下特别是飞行气动力作用下，释放器拉动天线1展开，释放器与机体脱离接触并在气流中漂浮，让天线1处于展开状态。释放器回收到与机体接触，停留在机体结构上的收托舱或收藏筐4中，释放器的尾端突出收托舱外，以便外力，特别是飞行气动力能够吹出释放器。释放器的外形设计包括多种样式，其中要求减小空中的旋转或大幅摆动，典型的是圆盘通风形式和球形短翼形式，相应的释放器为圆盘通风式释放器5或球形短翼式释放器9，球形短翼式释放器9在其外部设有如图2所示的短翼8，图2中右边部分为中间部分的左视图，可以看出，在图2中的球形短翼式释放器9上设有四条短翼8。收托舱或收藏筐4是透风的结构，便于外力拉出/气流吹出释放器。释放器的重量设计按照天线展开后下垂姿态的要求进行参数选择。释放器用轻质材料制作，根据需要可以在释放器中设计重量调整砝码，即图2中所示的配重砝码7。

在地面，或在地面监控站上安装短波天线收发基站，以及人机操作和监视界面。通过短波基站与飞行器进行无线电通信，接收飞行器的位置信息，也可以包含机载系统状态信息，或发送控制飞行器的指令，而通过人机界面进行显示和操作。

实施例1：

一种超低空飞行的无人机安装短波数据通信天线，同时，机上安装有卫星中继测控系统。

针对机载卫星中继测控通信建立备份，选择短波数据通信系统。该短波系统的收发机安装在机身设备舱，与机载控制系统和其它通信系统连接，并进行电磁兼容设计。短波系统的天线1向机身后端延展，直到机身后端，进入短波系统的收放机构2中，天线1卷绕在电动的收放转轴上，收放机构2与机载控制系统连接，接受其指令控制从而实现对天线1的释放展开或收回卷绕。天线1从收放转轴上引出，穿过机身上连接的收藏筐，与释放器连接。当机载控制系统发送释放指令，收放转轴被开锁，释放器在重力和飞行气动力作用下离开收藏筐，拉拽收放转轴旋转，天线1向空中展开。采用圆盘通风式释放器5，天线1与其连接，并设计配重砝码7，一是帮助释放器在收放转轴被开锁松开后，借助重力作用将释放器从收藏筐中拉脱出来，并且，在重力作用下，保持释放器在气流中的稳定。二是在飞行气动力作用下，借助圆盘通风式释放器5的迎风截面积，产生拉拽天线1的力量，直到天线1展开到设计的长度或约束位置为止。该约束位置可以设计为几个档位。圆盘通风式释放器5上的圆盘及通风式结构的设计，是帮助释放器在气流中稳定而减少大幅摆动。机载天线1展开后，通过地面或地面监控站的短波通信基站或电台，实现超视距短波数据通信，对飞机的飞行进行监视或控制。当机载控制系统发送收回指令，收放转轴起动反向旋转，克服飞行气动力的作用，将天线1拉回收藏筐，并锁闭以防止释放器脱离收藏筐。机载控制系统根据通信系统的设计方案发送释放或回收指令。包括正常的在飞行阶段展开，着陆及地面状态回收，以及应急通信情况的自动展开或回收。

实施例2：

一种低空作业的植保固定翼飞机，其飞行特点是，在飞行阶段处于超低空、长时间飞行。这样的低空飞行，很难进行远程测控或通信。可以选择安装机载卫星中继测控或通信系统，但是系统价值高，通信成本高，抬高了植保飞机使用成本。为节省飞机机载通信或监视系统成本，在起飞或着陆阶段，采用价格较低的视距测控链路，而在飞行中，采用价格较低的短波数据通信提供超视距通信，监视位置信息，发送应急指令。部分满足空管安全要求。地面的或地面监控站的短波通信基站设置在机场或方便使用的地方。

以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机载短波通信天线系统设计方法，其特征在于：该系统采用收放式的短波天线布局设计，相应在地面或地面监控站上设计短波通信基站；飞行器在飞行中天线处于展开状态通信，飞行器在起飞，着陆，停机和非通信阶段，天线处于收藏状态。

2.根据权利要求1所述的机载短波通信天线系统设计方法，其特征在于：所述收放式的短波天线连接在飞行器上，并由天线，收放机构，收托舱和释放器组成；其中，天线的一端与安装在飞行器内部的机载短波收发机电器连接，天线的另一端通过收放机构与释放器连接，释放器经过外形和重量设计，在外力作用下，牵引天线展开而稳定漂浮在气流中，并且保持一定的铅垂线姿态稳定漂浮在气流中，天线则缠绕在收放机构的卷轴或卷盘上，收放机构安装在飞行器上。

3.根据权利要求2所述的机载短波通信天线系统设计方法，其特征在于：飞行中为了释放天线，机载控制系统发送指令接通即起动收放机构，收放机构向释放天线的趋势动作即放松天线，由释放器在外力作用下牵引天线展开，释放器离开机体并由天线连接稳定漂浮在气流中，并在设计长度位置停止锁定；飞行中为了回收天线，机载控制系统发送指令接通即起动收放机构，收放机构向回收天线的趋势动作即收紧天线，由释放器克服外力的作用牵引天线回收，天线展开的长度逐步缩短，释放器被回收到机体上的收托舱或收藏筐中，天线处于收藏状态。

4.一种机载短波通信天线系统，包括飞行器，所述飞行器包括民用航空飞行器，军用航空飞行器，通用航空飞行器都适用；其中，通用航空飞行器包含有人驾驶飞行器，无人驾驶飞行器，合作驾驶飞行器，固定翼飞行器，直升机或旋翼机及多轴旋翼机，其特征在于：该系统包括收放式的短波天线，该短波天线连接在飞行器上，包括天线(1)，天线(1)的一端与安装在飞行器内部的机载短波收发机电器(3)连接，天线(1)的另一端通过收放机构(2)与释放器连接，天线(1)则缠绕在收放机构(2)的卷轴或卷盘上，收放机构(2)安装在飞行器上；收放机构(2)还设有用于回收释放器的收托舱或收藏筐(4)。

5.根据权利要求4所述的机载短波通信天线系统，其特征在于：所述天线(1)为柔性金属结构或金属编织的多股结构。

6.根据权利要求4所述的机载短波通信天线系统，其特征在于：所述收放机构(2)是电动机构或储能机构；所述储能机构包括弹性动力机构，液压/气压动力机构，电磁动力机构，通过储能机构释放展开天线，或收回卷缩天线。

7.根据权利要求4所述的机载短波通信天线系统，其特征在于：释放器包括圆盘通风式释放器(5)和球形短翼式释放器(9)；所述收托舱或收藏筐(4)是透风的结构，便于外力拉出/气流吹出释放器。

8.根据权利要求7所述的机载短波通信天线系统，其特征在于：释放器中设有用于对其进行重量调整的配重砝码(7)。

9.根据权利要求4所述的机载短波通信天线系统，其特征在于：在地面，或在地面监控站上安装有短波天线收发基站，以及人机操作和监视界面；通过短波基站与飞行器进行无线电通信，接收飞行器的位置信息或机载系统状态信息，或发送控制飞行器的指令，并通过人机界面进行显示和操作。