CN107817468B - 一种基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，方法包括初始建链阶段和持续定位阶段：飞行器利用地面测控站的应答信号完成初次定位后，由于其一直处于高速移动中，因此需要进行持续定位，利用双方的周期性信号交互来实现无线测距，并通过地面站的位置数据和窄带波束方向信息来计算空中位置坐标。本发明可以实现空中飞行器在卫星定位手段失效后和地面测控站直接快速建立信息交互链路并实现初始定位，同时保障在飞行过程中彼此定向天线之间的实时对准和校正，并具备因飞行器异常机动导致链路中断后的快速自动恢复能力。

Description

一种基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法。

背景技术

空中飞行器实时获取自身飞行位置对保障安全飞行有着重要的意义，而中国北斗、美国GPS、欧盟伽利略或俄罗斯格纳斯的卫星定位系统在军事层面上都存在信号被干扰或系统被摧毁的可能性，飞行器定位完全依赖卫星定位系统将对自身安全带来一定的隐患，因此为飞行器提供一套无需卫星系统、简单且不易受到干扰的空中定位手段显得十分重要。

被定位对象利用和多个已经有精准位置信息的地面锚点之间的无线信号交互来实现测距和位置计算是所有无线定位系统的基本思路。而针对空中飞行器的，传统基于全向天线的定位系统需要至少设置4个地面锚点，系统比较复杂，基于全向天线的信号容易受到干扰，接收信噪比较低，且容易引入因信号多径传输而导致的测量误差问题，综合导致系统的测距距离和精度性能较差。

比起全向天线，使用窄带波束定向天线的飞行器定位技术在系统复杂度、定位距离、抗干扰能力、消除多径干扰、定位精度等方面有着明显优势。而随着定向天线技术的快速发展，在微波频段上各种类型的高增益窄带波束定向天线技术已经十分成熟，因此为更好满足地面测控站和飞行器之间的远距离高精度定位需求，双方都将考虑采用高增益的窄带波束定向天线。

其中地面测控站的天线安装在体积、重量和功率方面受限较小，因此考虑采用广泛应用于雷达和卫星通信系统的机械伺服抛物面天线，信号波束角度非常窄，可以达到约3至4度的量级水平，天线增益可以达到约35dB。

而飞行器的机载天线受限较大，因此采用了半球形的多波束透镜天线，此类天线采用新型设计方案和新材料3D打印技术，具备全向高增益、宽频带、自适应抑制强干扰，宽角范围内扫描、馈电网络简单、造价成本低、体积小重量轻等优点，能克服其它的一些传统机载天线的缺点，比相控阵天线具有更高的性能价格比。信号波束角度约30度量级，天线增益可以达到约13.5dB。

地面测控站的天线体积重量较大，因此主瓣波束角度非常小，对旁瓣的抑制效果比较明显；而机载多透镜天线在体积重量方面受限较大，因此主瓣波束角度较大，且旁瓣的抑制效果相对较差。

为实现空中飞行器的连续定位，地面测控站和飞行器的窄带波束定向天线需要实时对准才能实现正常的信号交互。在飞行器高速飞行情况下，定向天线的自动对齐和实时校正是保障定位过程持续稳定进行的一个关键技术。

发明内容

基于上述两种类型的天线，本发明提供了一套与之匹配的定位方法，可以实现空中飞行器在卫星定位手段失效后和地面测控站直接快速建立信息交互链路并实现初始定位，同时保障在飞行过程中彼此定向天线之间的实时对准和校正，并具备因飞行器异常机动导致链路中断后的快速自动恢复能力。

飞行器在空中高速飞行过程中需要实时获取较高精度的自身飞行位置信息，这对保证飞行安全有着十分重要的意义，而过分依赖卫星定位系统在军事意义上是十分危险和致命的。

本方法利用飞行器和地面测控站的窄带波束定向天线之间的通信信号交互过程，为空中飞行器直接提供了一种精度较高的自定位方案。作为备份的定位系统，飞行器在飞行过程中如果无法正确接收卫星定位信号，则安装在机腹的半球形多波速透镜天线将开始对地发送不同方向的窄带波束同步呼叫信号，而地面测控站的机械伺服抛物面天线通过空域扫描方式可以在非常短的时间内捕获该信号，并进行窄带波束定向信号的应答。飞行器可以通过对信号到达时间检测进行距离测算，并解析应答信号携带的方位角和仰角数据来自主计算出自身在空中的位置。

由于飞行器一直处于高速机动状态，为保证定位过程的持续稳定进行，在双方都使用窄带波束定向天线的情况下，这里提供了一跳完整的双方天线的自动互相对准和实时校正机制，并具备因飞行器异常机动导致的链路中断后的快速探测和自动恢复能力，从而保证在地面测控站天线视距通信范围内的飞行器通过上述过程一直获取自身飞行航迹数据。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，飞行器设备内只安装了一个射频功放模块，因此电路开关只能连接其中一根半双工窄波束天线，即在一个时间片上所有窄波束天线中只能有一根天线进入信号收或发的工作状态；

飞行器在飞行过程中发现自己无法正确接收卫星定位信号后，而将自己最后的定位数据和飞行信息通过机载无线通信系统通知地面测控站，并要求其启动天线来帮助自己实现定位；设飞行器机载天线共安装了N根窄波束天线，具体如下：

S1初始建链阶段：初始建链阶段的目的是用于飞行器和地面测控站之间迅速进行信令握手，从而实现链路建立和初次定位；

S2持续定位阶段：飞行器利用地面测控站的应答信号完成初次定位后，由于其一直处于高速移动中，因此需要进行持续定位，目的是实现飞行器在飞行过程中获取持续稳定的定位数据，具体方法是利用双方的周期性信号交互来实现无线测距，并通过地面站的位置数据和窄带波束方向信息来计算空中位置坐标；该阶段的核心技术是双方节点之间的周期性时间基准校正和在飞行器飞行状态下的双方定向天线对准实时调整。

优选的，初始建链阶段的通信协议内容如下：

(I)飞行器在空中无法通过卫星定位系统进行定位后，就将最后的定位数据和飞行信息通知地面测控站，并开始发送空中呼叫信号；其含N根窄波束天线利用矩阵开关控制方式，轮流使用其中的一根天线进行同步信号发送，这N根天线轮流发送一次即可以完成一次对地无任何死角的信号覆盖；每完成10次覆盖后，就有一根窄波束天线进入接收状态，持续时间为T_G+T_S，尝试接收地面测控站发送的应答信号，参数T_S表示同步信令信号的时间长度，其主要目的是用于地面和空中节点之间的信号同步和少量信令信息交互；参数T_G表示路径传输时延保护时间；如果接收失败，则继续下一次的空中呼叫，并更换下一根天线进行应答信号接收，重复上述过程，直至某根天线成功接收地面测控站的应答信号；

(II)地面测控站获知飞行器的卫星定位机制出现问题后，则启动天线并进入空中呼叫信号的搜索状态，并以最后的定位数据为中心设定一个对空搜索圆锥形区域，天线将通过机械调整方式轮流循环在该范围空域内的不同对空方位上进行驻守，直至正确接收到呼叫信号或搜索范围布满整个空域；

(III)在地面测控站搜索过程中，在信号通信距离内，如果飞行器某根天线的呼叫信号指向地面测控站天线，同时地面测控站天线也指向空中飞行器，则该呼叫信号将被地面测控站成功捕获；

(IV)设地面测控站评估出来的最佳组合为对空方位XX和对地天线YY，考虑到收发双方都使用定向天线时的地空视距直线通信时的链路对称性，则在天线YY的接收窗口到来时进行信令应答，从而完成地面测控站和空中飞行器之间的第一次信令握手；

(V)飞行器收到该应答信号后，则利用该信号的到达时间来计算出自身和地面测控站天线之间的距离；距离＝路径传输时延×光速；

(VI)飞行器收到地面测控站的应答信号后，在则在下一次空中呼叫中的N×10次同步信号的信令中都携带应答信号的ACK确认信息和路径传输时延值，并宣布初始建链阶段结束，双方进入通信阶段。

优选的，飞行器在失去卫星定位数据后的移动区域半径设定为：不大于2倍飞行速率×1分钟。

优选的，天线将通过机械调整方式轮流循环在该范围空域内的不同对空方位上进行驻守，每个方位的驻守时间为T＝(N+1)×TS；在该时间段内地面测控站将尝试接收飞行器的呼叫信号，如果失败，则调整至下一个相邻方位继续搜索；如果该区域的每个方位的搜索次数都达到2次但仍接收失败，则将搜索空域范围扩大一倍；重复上述过程，直至正确接收到呼叫信号或搜索范围布满整个空域。

具体的，设地面测控站在X方位上捕获到空中节点第Y根天线发送的同步信号，这意味此时双方天线已经处于一定程度的互相对准状态；考虑到飞行器相邻天线和地面测控站的相邻方位的信号区域都存在一定的重叠，且为避免出现旁瓣信号的误对准而导致较大定位误差，地面测控站需要利用后续多次的呼叫信号接收，进一步测量X方位及其邻近方位，和Y天线及其邻近天线之间所有组合的信号接收质量，从中挑选出最佳组合以实现双方窄带波束信号主瓣的互相对准；邻居方位或邻近天线的定义为对应的窄带信号波束覆盖范围存在一定比例的重叠区。

优选的，飞行器收到该应答信号后，则利用该信号的到达时间来计算出自身和地面测控站天线之间的距离，具体原理：

其中T_d表示路径传输时延，由于是视距通信，因此默认上行和下行链路的路径传输时延相同，T_s1表示同步信号中同步头的时间长度，则：

T2-T1＝T_d+T_s+(N-YY)×T_s+T_d+T_s1，即路径传输时延的计算公式为：

T_d＝(T2-T1-T_s-(N-YY)×T_s-T_s1)/2 (1)

并以地面测控站的天线位置为坐标原点建立一个三维坐标轴，根据测距信息和地对空的窄带定向波束的方位信息来计算自己的空中相对位置；

其中飞行器在该坐标轴上坐标(x,y,z)计算公式如下：

x＝L×cos(γ)×cos(θ)；

y＝L×cos(γ)×sin(θ)； (2)

z＝L×sin(γ)

其中L＝T_d×C，C表示光速。

优选的，通信阶段默认以后面应答时隙结束处为起始点，而地面测控站收到路径传输时延值后就在单向同步基础上消除路径传输时延影响，从而实现和空中台的时钟基准保持较高精度的趋同。

优选的，持续定位阶段，在通信阶段，时间轴被划分为奇数时隙和偶数时隙，其中奇数时隙含25个小时隙，每个小时隙的时间长度和建链阶段的信令小时隙保持一致，都为T_S；而偶数时隙则含N个小时隙，参数N的定义和初始建链阶段保持一致。

优选的，在初始建链阶段双方已经完成时间基准同步和天线对准，但考虑到飞行器移动和双方晶振漂移因素，需要通过周期性校正和调整来保证精度，具体方案如下：

(I)飞行器将以每4个奇数加上4个偶数时隙为周期，占用一个奇数时隙和一个偶数时隙来进行同步信号的发送：

Y表示地面测控站最新反馈的飞行器最佳天线编号，Y±1和Y±2表示和天线Y存在覆盖区域重叠的相邻周围4根天线，即飞行器在奇数时隙的25个小时隙上轮流使用当前对齐天线及其相邻4根天线共5根天线各发送了5次同步信号，从而为飞行器线性运动时的链路双方的天线切换和方位调整提供参考数据；而在偶数时隙上将轮流使用N根天线各发送了一次同步信号，实现了一次对地全覆盖，从而为飞行器非线性机动导致天线发生剧烈变化时，地面测控站将利用全覆盖信号来重新获得新的天线对准数据；

(II)对地面测控站而言，将基于最新一次的路径传输时延，对飞行器周期性发送的同步信号进行延后接收；其针对奇数时隙信号的接收策略具体为：

X表示地面测控站最新指向飞行器的最佳方位，X±1和X±2同样表示和方位X存在覆盖区域重叠的相邻周围4个方位；地面测控站将利用这种接收策略，即地面天线在方位X-1、X-2、X、X+1、X+2这5个的相邻方位上轮流连续接收5个小时隙的信号，从而测量5×5＝25种不同天线和方位组合之间同步信号接收质量，从而为因飞行器线性飞行而导致的相邻天线切换或方位调整提供了充分的参考数据；

而针对偶数时隙信号的接收策略具体如下：

a)如果地面测控站在奇数时隙上25次信号接收机会中成功接收1次或多次信号，则从中挑选出信号接收质量最好的方位，记为XX，在偶数时隙上将全部使用该方位进行接收；

b)如果地面测控站在奇数时隙上25次信号接收机会中全部接收失败，则意味飞行器很可能在这个周期中出现非线性机动而导致对地指向天线发生剧烈变化，因此需要重新进行链路建立；但考虑到地面测控站天线是静止的，而飞行器在一个周期内的空中位置不会产生剧烈变化，因此飞行器仍然以趋于1的概率处于当前对空指向方位X的信号覆盖区域内，因此在偶数时隙信号接收时将一直使用该方位进行信号接收，从而确定飞行器新的最佳对地天线编号；

(III)反馈信号的发送和接收机制：考虑到地面测控站天线和飞行器的最大链路距离远，路径传输时延较大，因此飞行器针对地面测控站反馈信号的接收位置和对应接收天线安排具体如下：

在该时隙上，飞行器的N根天线将轮流进行接收；因此地面测控站不管是否正确接收了当前周期飞行器发送的同步信号，都需要对飞行器进行接收结果反馈；考虑周期时间很小，因此飞行器和地面测控站之间的时间基准和路径传输时延的精确度仍保持一个较高的水平，因此地面测控站将基于路径传输时延，采用反馈信号提前发送方式，保证N个信号到达飞行器时都肯定依次落到N根天线的接收窗口中，具体如下：

地面测控站在决策使用哪个方位来发送反馈信号时，如果地面测控站成功接收飞行器的同步信号，则从中挑选出信号接收质量最好的方位进行反馈信号发送；如果全部接收失败，设在偶数时隙的地面测控站接收方位为X，则从历史数据中挑选除X外，最近5个周期内正确接收信号且接收质量最好的方位进行反馈信号发送；如果下一个周期信号的接收仍全部失败，则更换接收质量次之的方位进行尝试；重复上述过程，直至重新正确接收信号或失败次数达到上限，该过程如果出现可用方位不足的情况，则将历史数据的选择周期扩大一倍。

基于上述机制飞行器收到该反馈信号后，可以获取最新的双方天线对准信息，同时通过信号的到达时间再次测量双方之间的最新链路传输时延、距离和定位计算，并在下一次的信令信号中再通知地面测控台进行时间基准校正。

优选的，信令握手中断后的处理机制：考虑到无线信号的不可靠性和飞行器飞行状态的不可预测性，双方的信令交互过程可能出现中断；为避免出现死锁情况下，在飞行器侧做如下规定：如果飞行器在4个周期内没有收到地面测控站任何的信令信号或数据信号，则在奇数时隙上将停止发送原来的5根天线各5次的信号，转而轮流使用N根天线进行信号发送，偶数时隙的信号发送方式一致保持不变；8个周期内如果还没有收到地面测控站信号，则飞行器将恢复初始状态，使用初始建链阶段的帧结构；

而地面测控站侧的规定具体为：如果地面测控站在8个周期内都没有收到飞行器任何的信令信号或数据信号，则地面测控站也将重新恢复使用初始建链阶段的搜索状态，其中搜索空域范围将设定为最后一次正确接收信号的方位为中心，方位角和仰角一定范围的圆锥形空域；如果在该空域的搜索时间超过上限，则进一步将搜索空域扩大一倍；重复上述过程，直至重新捕获飞行器同步信号或搜索范围扩展至整个空域。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明可以实现空中飞行器在卫星定位手段失效后和地面测控站直接快速建立信息交互链路并实现初始定位，同时保障在飞行过程中彼此定向天线之间的实时对准和校正，并具备因飞行器异常机动导致链路中断后的快速自动恢复能力，飞行器在空中高速飞行过程中需要实时获取较高精度的自身飞行位置信息，这对保证飞行安全有着十分重要的意义。

附图说明

图1是实施例机械伺服抛物面天线示意图。

图2是实施例机载半球形多波束透镜天线示意图。

图3是实施例空中飞行器和地面测控站之间的初始建链阶段的帧结构。

图4是实施例空中飞行器和地面测控站之间的同步信令交互的时序图。

图5是实施例基于窄带波束定向天线的飞行器定位系统示意图。

图6是实施例通信阶段的帧结构。

图7是实施例飞行器周期性信号对应的发送天线情况。

图8是实施例地面测控站针对奇数时隙信号的方位接收策略。

图9是实施例地面测控站在奇数时隙成功接收后针对偶数时隙信号的方位接收策略。

图10是实施例地面测控站在奇数时隙全部接收失败后针对偶数时隙信号的方位接收策略。

图11是实施例飞行器侧的针对应答信号的接收位置和接收天线安排示意图。

图12是实施例地面测控站的反馈信号组成和提前发送示意图。

图13是实施例地面测控站和飞行器不同角度的窄带波束互相对准示意图。

图14是实施例地面测控站的对空主瓣波束扫描示意图。

图15是实施例地对空天线的覆盖空域情况示意图。

图16是实施例空对天线的覆盖地域情况示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

飞行器在空中高速飞行过程实时获取自身飞行位置对保障飞行安全有着十分重要的意义，而基于各种卫星定位系统的飞行器空中定位技术已经十分成熟并可以提供高精度的定位数据。但在军事意义上，所有卫星定位系统都存在被干扰和摧毁的潜在风险，因此需要发展备份定位手段来增加飞行器的飞行安全。

在无线定位系统中，定向天线比全向天线显然具备明显优势，因此这里在地面测控站和飞行器分别采用半双工机制的机械伺服抛物面天线和半球形的多波束透镜机载天线，其中地面测控站作为锚点，其机械伺服抛物面天线的位置在定位过程不会移动(如图1)，且事先已经获取精确的定位数据，机械传动装置可在计算机的控制下灵活调整天线波束的对空指向方位，且其自带的传感器可以在不借助卫星定位系统的情况下自动获取高精度的当前信号波束指向的方位角θ(0≤θ＜2π)和仰角γ(0≤γ≤π/2)，从而为空中移动目标的天线对齐和实时定位提供关键信息。

而在机载半球形多波束透镜天线方面，如图2，它是通过开关矩阵来控制多根不同方位指向的窄波束天线来产生定向波束，并使用电开关切换方式实现信号收发方向的快速调整。为简化设计，设备内只安装了一个射频功放模块，因此电路开关只能连接其中一根半双工窄波束天线，即在一个时间片上所有窄波束天线中只能有一根天线进入信号收或发的工作状态。但由于开关采用了电切换模式，因此不同窄波束天线之间的切换时间非常短，可以忽略不计。

飞行器在飞行过程中发现自己无法正确接收卫星定位信号后，而将自己最后的定位数据和飞行信息(方向和速率)通过机载无线通信系统通知地面测控站，并要求其启动机械伺服抛物面天线来帮助自己实现定位。设飞行器机载天线共安装了N根窄波束天线(20<N<30,典型值为24根)，下面分别提供飞行器和地面测控站的定向天线开始工作后的帧结构、通信协议和定位算法，具体如下：

一)初始建链阶段

初始建链阶段的目的是用于飞行器和地面测控站之间迅速进行信令握手，从而实现链路建立和初次定位。

帧结构设计方案和参数说明具体如下，图3中：

参数T_S表示同步信令信号的时间长度，信号结构见图3，其主要目的是用于地面和空中节点之间的信号同步和少量信令信息交互。由于仅需要携带几十个比特的信令数据，因此时间长度一般约0.1ms-0.15ms，典型值为0.125ms。

参数T_G表示路径传输时延保护时间，这里提供8个可配置项，具体值和对应保护距离(信号来回双向传输路径保护)如下表所示：

表1T_G配置选项和对应保护范围

保护时隙时间长度T<sub>G</sub>	保护范围
		1ms	0km至150km
2ms	0km至300km
		3ms	0km至450km
4ms	0km至600km
		5ms	0km至750km
6ms	0km至900km
		7ms	0km至1050km
8ms	0km至1200km

飞行器可根据自己最后一次定位数据，并基于事先预存的关于地面测控站的天线位置数据信息，评估出自己和地面测控站天线之间的大概距离，据此从T_G配置项中选择出一个合适选项，并在信令信号中携带该信息，以帮助地面测控站掌握应答信号的发送时间。如果没有先验信息，则该值默认取最大值。

而初始建链阶段的通信协议内容如下：

(I)飞行器在空中无法通过卫星定位系统进行定位后，就将最后的定位数据和飞行信息(方向和速率)通知地面测控站，并开始发送空中呼叫信号，其含N根窄波束天线的半球形透镜天线利用矩阵开关控制方式，轮流使用其中的一根天线进行同步信号发送，这N根天线轮流发送一次即可以完成一次对地无任何死角的信号覆盖。每完成10次覆盖后，就有一根窄波束天线进入接收状态，持续时间为T_G+T_S，尝试接收地面测控站发送的应答信号。如果接收失败，则继续下一次的空中呼叫，并更换下一根天线进行应答信号接收，重复上述过程，直至某根天线成功接收地面测控站的应答信号。

(II)地面测控站获知飞行器的卫星定位机制出现问题后，则启动机械伺服抛物面天线并进入空中呼叫信号的搜索状态，并以最后的定位数据为中心设定一个对空搜索圆锥形区域(飞行器在失去卫星定位数据后的移动区域半径设定为：不大于2倍飞行速率×1分钟)，天线将通过机械调整方式轮流循环在该范围空域内的不同对空方位上进行驻守，每个方位的驻守时间为T＝(N+1)×T_S。在该时间段内地面测控站将尝试接收飞行器的呼叫信号，如果失败，则调整至下一个相邻方位继续搜索。如果该区域的每个方位的搜索次数都达到2次但仍接收失败，则将搜索空域范围扩大一倍。重复上述过程，直至正确接收到呼叫信号或搜索范围布满整个空域。

(III)在地面测控站搜索过程中，在信号通信距离内，如果飞行器某根天线的呼叫信号指向地面测控站天线，同时地面测控站天线也指向空中飞行器，则该呼叫信号将被地面测控站成功捕获。设地面测控站在X方位上捕获到空中节点第Y根天线发送的同步信号，这意味此时双方天线已经处于一定程度的互相对准状态。考虑到飞行器相邻天线和地面测控站的相邻方位的信号区域都存在一定的重叠，且为避免出现旁瓣信号的误对准而导致较大定位误差，地面测控站需要利用后续多次的呼叫信号接收，进一步测量X方位及其邻近方位，和Y天线及其邻近天线之间所有组合的信号接收质量，从中挑选出最佳组合以实现双方窄带波束信号主瓣的互相对准。(注：邻居方位或邻近天线的定义为对应的窄带信号波束覆盖范围存在一定比例的重叠区。)

(IV)设地面测控站评估出来的最佳组合为对空方位XX和对地天线YY，考虑到收发双方都使用定向天线时的地空视距直线通信时的链路对称性，则在天线YY的接收窗口到来时进行信令应答(携带地面测距站的天线安装位置数据，以及XX方位的方位角θ(0≤θ＜2π)和仰角γ(0≤γ≤π/2)的具体值)，从而完成地面测控站和空中飞行器之间的第一次信令握手。

(V)飞行器收到该应答信号后，则利用该信号的到达时间来计算出自身和地面测控站天线之间的距离(距离＝路径传输时延×光速)，具体原理如图4所示；

其中T_d表示路径传输时延(由于是视距通信，因此默认上行和下行链路的路径传输时延相同)，T_s1表示同步信号中同步头的时间长度。则基于图4可以看出：

T2-T1＝T_d+T_s+(N-YY)×T_s+T_d+T_s1，即路径传输时延的计算公式为：

T_d＝(T2-T1-T_s-(N-YY)×T_s-T_s1)/2 (1)

并以地面测控站的天线位置为坐标原点建立一个三维坐标轴，如图5，根据测距信息和地对空的窄带定向波束的方位信息来计算自己的空中相对位置。

其中飞行器在该坐标轴上坐标(x,y,z)计算公式如下：

x＝L×cos(γ)×cos(θ)；

y＝L×cos(γ)×sin(θ)； (2)

z＝L×sin(γ)

其中L＝T_d×C，C表示光速，等于3×10⁸米/秒。

(VI)飞行器收到地面测控站的应答信号后，在则在下一次空中呼叫中的N×10次同步信号的信令中都携带应答信号的ACK确认信息和路径传输时延值，并宣布初始建链阶段结束，双方进入通信阶段。(注：通信阶段默认以后面应答时隙结束处为起始点，而地面测控站收到路径传输时延值后就在单向同步基础上消除路径传输时延影响，从而实现和空中台的时钟基准保持较高精度的趋同。)

二)持续定位阶段

飞行器利用地面测控站的应答信号完成初次定位后，由于其一直处于高速移动中，因此需要进行持续定位，双方在该阶段的帧结构具体如图6：

在通信阶段，时间轴被划分为奇数时隙和偶数时隙，其中奇数时隙含25个小时隙，每个小时隙的时间长度和建链阶段的信令小时隙保持一致，都为T_S；而偶数时隙则含N个小时隙，参数N的定义和初始建链阶段保持一致。

持续定位阶段的目的是实现飞行器在飞行过程中获取持续稳定的定位数据，具体方法是利用双方的周期性信号交互来实现无线测距，并通过地面站的位置数据和窄带波束方向信息来计算空中位置坐标。该阶段的核心技术是双方节点之间的周期性时间基准校正和在飞行器飞行状态下的双方定向天线对准实时调整，具体内容如下：

在初始建链阶段双方已经完成时间基准同步和天线对准，但考虑到飞行器移动和双方晶振漂移等因素，需要通过周期性校正和调整来保证精度，具体方案如下：

(I)飞行器将以每4个奇数加上4个偶数时隙为周期，占用一个奇数时隙和一个偶数时隙来进行同步信号的发送(注：N值一般为20-30之间，T_S值一般为0.1ms-0.15ms，因此奇数和偶数时隙的时间长度相差不大，都约3毫秒，校正周期约25ms量级)，信号的发送天线情况如图7所示：

其中Y表示地面测控站最新反馈的飞行器最佳天线编号，Y±1和Y±2表示和天线Y存在覆盖区域重叠的相邻周围4根天线，即飞行器在奇数时隙的25个小时隙上轮流使用当前对齐天线及其相邻4根天线共5根天线各发送了5次同步信号，从而为飞行器线性运动时的链路双方的天线切换和方位调整提供参考数据(线性运动是指飞行器移动导致的有重叠覆盖区域的相邻天线切换，可预测性强)；而在偶数时隙上将轮流使用N根天线各发送了一次同步信号，实现了一次对地全覆盖，从而为飞行器非线性机动导致天线发生剧烈变化时(非线性机动是指飞行器侧飞或翻滚等动作导致对地指向天线出现非相邻天线切换，可预测性非常差)，地面测控站将利用全覆盖信号来重新获得新的天线对准数据。

(II)对地面测控站而言，将基于最新一次的路径传输时延，对飞行器周期性发送的同步信号进行延后接收。

其针对奇数时隙信号的接收策略具体如图8所示：

其中X表示地面测控站最新指向飞行器的最佳方位，X±1和X±2同样表示和方位X存在覆盖区域重叠的相邻周围4个方位。基于图8可以看出，地面测控站将利用这种接收策略，即地面天线在方位X-1、X-2、X、X+1、X+2这5个的相邻方位上轮流连续接收5个小时隙的信号，从而测量5×5＝25种不同天线和方位组合之间同步信号接收质量，从而为因飞行器线性飞行而导致的相邻天线切换或方位调整提供了充分的参考数据。

而针对偶数时隙信号的接收策略具体如下：

a)如果地面测控站在奇数时隙上25次信号接收机会中成功接收1次或多次信号，则从中挑选出信号接收质量最好的方位，记为XX，在偶数时隙上将全部使用该方位进行接收，如图9。

b)如果地面测控站在奇数时隙上25次信号接收机会中全部接收失败，则意味飞行器很可能在这个周期中出现非线性机动而导致对地指向天线发生剧烈变化，因此需要重新进行链路建立。但考虑到地面测控站天线是静止的，而飞行器在一个周期内的空中位置不会产生剧烈变化(飞行器以1马赫高速飞行，一个周期约0.025秒时间内移动距离也仅约8米)，因此飞行器仍然以趋于1的概率处于当前对空指向方位X的信号覆盖区域内，因此在偶数时隙信号接收时将一直使用该方位进行信号接收，从而确定飞行器新的最佳对地天线编号，如图10。

(III)反馈信号的发送和接收机制：考虑到地面测控站天线和飞行器的最大链路距离可能达到1200km(见表1)，路径传输时延较大，因此这里规定飞行器针对地面测控站反馈信号的接收位置和对应接收天线安排具体如下(见图11)：

在该时隙上，飞行器的N根天线将轮流进行接收。因此地面测控站不管是否正确接收了当前周期飞行器发送的同步信号，都需要对飞行器进行接收结果反馈。考虑周期时间很小(约25ms)，因此飞行器和地面测控站之间的时间基准和路径传输时延的精确度仍保持一个较高的水平，因此地面测控站将基于路径传输时延，采用反馈信号提前发送方式，保证N个信号(1个信号时间长度为Ts)到达飞行器时都肯定依次落到N根天线的接收窗口(1个窗口的持续时间为Ts+25/N×Ts)中，具体如下(见图12)：

地面测控站在决策使用哪个方位来发送反馈信号时，如果地面测控站成功接收飞行器的同步信号，则从中挑选出信号接收质量最好的方位进行反馈信号发送；如果全部接收失败，设在偶数时隙的地面测控站接收方位为X，则从历史数据中挑选除X外，最近5个周期内正确接收信号且接收质量最好的方位进行反馈信号发送。如果下一个周期信号的接收仍全部失败，则更换接收质量次之的方位进行尝试。重复上述过程，直至重新正确接收信号或失败次数达到上限(10次)，该过程如果出现可用方位不足的情况，则将历史数据的选择周期扩大一倍。

基于上述机制飞行器收到该反馈信号后，可以获取最新的双方天线对准信息，同时通过信号的到达时间再次测量双方之间的最新链路传输时延、距离和定位计算，并在下一次的信令信号中再通知地面测控台进行时间基准校正。

(IV)信令握手中断后的处理机制：考虑到无线信号的不可靠性和飞行器飞行状态的不可预测性，双方的信令交互过程可能出现中断。为避免出现死锁情况下，在飞行器侧做如下规定：如果飞行器在4个周期内没有收到地面测控站任何的信令信号或数据信号，则在奇数时隙上将停止发送原来的5根天线各5次的信号，转而轮流使用N根天线进行信号发送，偶数时隙的信号发送方式一致保持不变；8个周期内如果还没有收到地面测控站信号，则飞行器将恢复初始状态，使用初始建链阶段的帧结构；

而地面测控站侧的规定具体为：如果地面测控站在8个周期内都没有收到飞行器任何的信令信号或数据信号，则地面测控站也将重新恢复使用初始建链阶段的搜索状态，其中搜索空域范围将设定为最后一次正确接收信号的方位为中心，方位角±10度和仰角±5度的圆锥形空域。如果在该空域的搜索时间超过上限(如5秒)，则进一步将搜索空域扩大一倍。重复上述过程，直至重新捕获飞行器同步信号或搜索范围扩展至整个空域。

为验证上述方法的实际效果，这里提供一些和窄带定向天线互相对齐相关的理论和结果。

1)窄带波束天线互相对准的基本原理

如图13所示，即双方在3维空域上的不同角度的圆锥主瓣波束可以同时互相照射对方天线时，则此时双方链路的天线收发增益达到最大值。

2)初始建链和定位的耗时分析

对飞行器而言，其半球形透镜天线中含N窄带根天线，每根天线的主瓣波束角度约30度，因此N的取值范围为20-30根，典型值为24根。在保证信号通信性能前提下，一次同步信号的发送时间为0.1-0.15ms，典型值为0.125ms，因此两者都取典型值时每3ms就可以完成1轮对地的无死角信号全覆盖。

而对于地面节点而言，由于天线体积和重量受限较小，因此为获取更高的信号收发增益并提高定位精度，选用体积较大但信号收发波束角度更小的机械伺服抛物面天线，大概约3至4度。基于图14可以计算出地面天线需要大概约2/(sin(4/2度))²≈1642次对空扫描才能完成对整个天空的覆盖。考虑到扫描区域的无缝性，相邻方位的扫描空域需要有一定的重叠区域，以25％计算，则扫描次数约2200次。而地面测控站在每个方位的驻留时间为3+0.125＝3.125ms，因此地面测控站和飞行器之间的初始建链和定位时间在没有任何先验信息的情况下将不大于7秒。如果获取了飞行器的最后定位数据这样的先验信息，则搜索空域明显减少，如1/8个空域，则建链时间可以减低至1秒，显然满足了飞行器在卫星定位系统失效后的快速再定位要求。

3)天线对齐后的时间稳定度分析

首先针对地对空方位的时间稳定度，从图15可以看出，如果链路距离为L，则地对空信号波束(约3至4度)的覆盖区域是一个直径约为0.07R的圆形。以L＝30km计算，则该区域的直径达到2100m。设空中节点以300m/s的速率水平机动，则在该区域的停留时间长达约7s；

其次针对空对地天线的时间稳定度，从图16可以看出，如果链路距离为L，则空对地信号波束(约30度)的地面覆盖区域是一个直径约为0.5R的圆形。以L＝30km计算，则直径达到15000m。设空中节点以300m/s的速率水平机动，则在该区域的停留时间长达约50s；

结论：通过飞行器和地面测控站以约25ms为周期的天线对准链路质量测量和反馈机制，为双方之间天线互相对齐和实时调整机制提供足够的链路参考信息，从而保证在空中节点高度机动场景下以趋于1的概率(正常机动99.8％，其他一些特殊剧烈机动99％，如大角度爬升或翻滚)保持通信链路的连通性，从而满足定位过程的持续稳定进行。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，飞行器设备内只安装了一个射频功放模块，因此电路开关只能连接其中一根半双工窄波束天线，即在一个时间片上所有窄波束天线中只能有一根天线进入信号收或发的工作状态；

飞行器在飞行过程中发现自己无法正确接收卫星定位信号后，而将自己最后的定位数据和飞行信息通过机载无线通信系统通知地面测控站，并要求其启动天线来帮助自己实现定位；设飞行器机载天线共安装了N根窄波束天线，具体如下：

S1初始建链阶段：初始建链阶段的目的是用于飞行器和地面测控站之间迅速进行信令握手，从而实现链路建立和初次定位；

S2持续定位阶段：飞行器利用地面测控站的应答信号完成初次定位后，由于其一直处于高速移动中，因此需要进行持续定位，目的是实现飞行器在飞行过程中获取持续稳定的定位数据，具体方法是利用双方的周期性信号交互来实现无线测距，并通过地面站的位置数据和窄带波束方向信息来计算空中位置坐标；该阶段的核心技术是双方节点之间的周期性时间基准校正和在飞行器飞行状态下的双方定向天线对准实时调整。

2.根据权利要求1所述的基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，初始建链阶段的通信协议内容如下：

(I)飞行器在空中无法通过卫星定位系统进行定位后，就将最后的定位数据和飞行信息通知地面测控站，并开始发送空中呼叫信号；其含N根窄波束天线利用矩阵开关控制方式，轮流使用其中的一根天线进行同步信号发送，这N根天线轮流发送一次即可以完成一次对地无任何死角的信号覆盖；每完成10次覆盖后，就有一根窄波束天线进入接收状态，持续时间为T_G+T_S，尝试接收地面测控站发送的应答信号，参数T_S表示同步信令信号的时间长度，其主要目的是用于地面和空中节点之间的信号同步和少量信令信息交互；参数T_G表示路径传输时延保护时间；如果接收失败，则继续下一次的空中呼叫，并更换下一根天线进行应答信号接收，重复上述过程，直至某根天线成功接收地面测控站的应答信号；

(II)地面测控站获知飞行器的卫星定位机制出现问题后，则启动天线并进入空中呼叫信号的搜索状态，并以最后的定位数据为中心设定一个对空搜索圆锥形区域，天线将通过机械调整方式轮流循环在该范围空域内的不同对空方位上进行驻守，直至正确接收到呼叫信号或搜索范围布满整个空域；

(III)在地面测控站搜索过程中，在信号通信距离内，如果飞行器某根天线的呼叫信号指向地面测控站天线，同时地面测控站天线也指向空中飞行器，则该呼叫信号将被地面测控站成功捕获；

(IV)设地面测控站评估出来的最佳组合为对空方位XX和对地天线YY，考虑到收发双方都使用定向天线时的地空视距直线通信时的链路对称性，则在天线YY的接收窗口到来时进行信令应答，从而完成地面测控站和空中飞行器之间的第一次信令握手；

(V)飞行器收到该应答信号后，则利用该信号的到达时间来计算出自身和地面测控站天线之间的距离；距离＝路径传输时延×光速；

(VI)飞行器收到地面测控站的应答信号后，在则在下一次空中呼叫中的N×10次同步信号的信令中都携带应答信号的ACK确认信息和路径传输时延值，并宣布初始建链阶段结束，双方进入通信阶段。

3.根据权利要求1所述的基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，飞行器在失去卫星定位数据后的移动区域半径设定为：不大于2倍飞行速率×1分钟。

4.根据权利要求2所述的基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，步骤(II)中天线将通过机械调整方式轮流循环在该范围空域内的不同对空方位上进行驻守，每个方位的驻守时间为T＝(N+1)×T_S；在该时间段内地面测控站将尝试接收飞行器的呼叫信号，如果失败，则调整至下一个相邻方位继续搜索；如果该区域的每个方位的搜索次数都达到2次但仍接收失败，则将搜索空域范围扩大一倍；重复上述过程，直至正确接收到呼叫信号或搜索范围布满整个空域。

5.根据权利要求2所述的基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，步骤(III)中设地面测控站在X方位上捕获到空中节点第Y根天线发送的同步信号，这意味此时双方天线已经处于一定程度的互相对准状态；考虑到飞行器相邻天线和地面测控站的相邻方位的信号区域都存在一定的重叠，且为避免出现旁瓣信号的误对准而导致较大定位误差，地面测控站需要利用后续多次的呼叫信号接收，进一步测量X方位及其邻近方位，和Y天线及其邻近天线之间所有组合的信号接收质量，从中挑选出最佳组合以实现双方窄带波束信号主瓣的互相对准；邻近方位或邻近天线的定义为对应的窄带信号波束覆盖范围存在一定比例的重叠区。

6.根据权利要求2所述的基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，步骤(V)中飞行器收到该应答信号后，则利用该信号的到达时间来计算出自身和地面测控站天线之间的距离，具体原理：

其中T_d表示路径传输时延，由于是视距通信，因此默认上行和下行链路的路径传输时延相同，T_s1表示同步信号中同步头的时间长度，则：

T2-T1＝T_d+T_s+(N-YY)×T_s+T_d+T_s1，即路径传输时延的计算公式为：

T_d＝(T2-T1-T_s-(N-YY)×T_s-T_s1)/2 (1)

并以地面测控站的天线位置为坐标原点建立一个三维坐标轴，根据测距信息和地对空的窄带定向波束的方位信息来计算自己的空中相对位置；

其中，第YY根天线发送同步信号的时间为T1，地面站应答信号的相关峰检测时间为T2；

其中飞行器在该坐标轴上坐标(x,y,z)计算公式如下：

其中L＝T_d×C，C表示光速，其中γ为当前信号波束指向的仰角，θ为当前信号波束指向的方位角。

7.根据权利要求1所述的基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，通信阶段默认以后面应答时隙结束处为起始点，而地面测控站收到路径传输时延值后就在单向同步基础上消除路径传输时延影响，从而实现和空中台的时钟基准保持较高精度的趋同。

8.根据权利要求2所述的基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，持续定位阶段，在通信阶段，时间轴被划分为奇数时隙和偶数时隙，其中奇数时隙含25个小时隙，每个小时隙的时间长度和建链阶段的信令小时隙保持一致，都为T_S；而偶数时隙则含N个小时隙，参数N的定义和初始建链阶段保持一致。

9.根据权利要求8所述的基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，在初始建链阶段双方已经完成时间基准同步和天线对准，但考虑到飞行器移动和双方晶振漂移因素，需要通过周期性校正和调整来保证精度，具体方案如下：

(I)飞行器将以每4个奇数加上4个偶数时隙为周期，占用一个奇数时隙和一个偶数时隙来进行同步信号的发送：

Y表示地面测控站最新反馈的飞行器最佳天线编号，Y±1和Y±2表示和天线Y存在覆盖区域重叠的相邻周围4根天线，即飞行器在奇数时隙的25个小时隙上轮流使用当前对齐天线及其相邻4根天线共5根天线各发送了5次同步信号，从而为飞行器线性运动时的链路双方的天线切换和方位调整提供参考数据；而在偶数时隙上将轮流使用N根天线各发送了一次同步信号，实现了一次对地全覆盖，从而为飞行器非线性机动导致天线发生剧烈变化时，地面测控站将利用全覆盖信号来重新获得新的天线对准数据；

(II)对地面测控站而言，将基于最新一次的路径传输时延，对飞行器周期性发送的同步信号进行延后接收；其针对奇数时隙信号的接收策略具体为：

X表示地面测控站最新指向飞行器的最佳方位，X±1和X±2同样表示和方位X存在覆盖区域重叠的相邻周围4个方位；地面测控站将利用这种接收策略，即地面天线在方位X-1、X-2、X、X+1、X+2这5个的相邻方位上轮流连续接收5个小时隙的信号，从而测量5×5＝25种不同天线和方位组合之间同步信号接收质量，从而为因飞行器线性飞行而导致的相邻天线切换或方位调整提供了充分的参考数据；

而针对偶数时隙信号的接收策略具体如下：

a)如果地面测控站在奇数时隙上25次信号接收机会中成功接收1次或多次信号，则从中挑选出信号接收质量最好的方位，记为XX，在偶数时隙上将全部使用该方位进行接收；

b)如果地面测控站在奇数时隙上25次信号接收机会中全部接收失败，则意味飞行器很可能在这个周期中出现非线性机动而导致对地指向天线发生剧烈变化，因此需要重新进行链路建立；但考虑到地面测控站天线是静止的，而飞行器在一个周期内的空中位置不会产生剧烈变化，因此飞行器仍然以趋于1的概率处于当前对空指向方位X的信号覆盖区域内，因此在偶数时隙信号接收时将一直使用该方位进行信号接收，从而确定飞行器新的最佳对地天线编号；

(III)反馈信号的发送和接收机制：考虑到地面测控站天线和飞行器的最大链路距离远，路径传输时延较大，因此飞行器针对地面测控站反馈信号的接收位置和对应接收天线安排具体如下：

在该时隙上，飞行器的N根天线将轮流进行接收；因此地面测控站不管是否正确接收了当前周期飞行器发送的同步信号，都需要对飞行器进行接收结果反馈；考虑周期时间很小，因此飞行器和地面测控站之间的时间基准和路径传输时延的精确度仍保持一个较高的水平，因此地面测控站将基于路径传输时延，采用反馈信号提前发送方式，保证N个信号到达飞行器时都肯定依次落到N根天线的接收窗口中，具体如下：

地面测控站在决策使用哪个方位来发送反馈信号时，如果地面测控站成功接收飞行器的同步信号，则从中挑选出信号接收质量最好的方位进行反馈信号发送；如果全部接收失败，设在偶数时隙的地面测控站接收方位为X，则从历史数据中挑选除X外，最近5个周期内正确接收信号且接收质量最好的方位进行反馈信号发送；如果下一个周期信号的接收仍全部失败，则更换接收质量次之的方位进行尝试；重复上述过程，直至重新正确接收信号或失败次数达到上限，该过程如果出现可用方位不足的情况，则将历史数据的选择周期扩大一倍；

基于上述机制飞行器收到该反馈信号后，可以获取最新的双方天线对准信息，同时通过信号的到达时间再次测量双方之间的最新链路传输时延、距离和定位计算，并在下一次的信令信号中再通知地面测控台进行时间基准校正。

10.根据权利要求8所述的基于窄带波束定向天线的飞行器空中定位方法，其特征在于，信令握手中断后的处理机制：考虑到无线信号的不可靠性和飞行器飞行状态的不可预测性，双方的信令交互过程可能出现中断；为避免出现死锁情况下，在飞行器侧做如下规定：如果飞行器在4个周期内没有收到地面测控站任何的信令信号或数据信号，则在奇数时隙上将停止发送原来的5根天线各5次的信号，转而轮流使用N根天线进行信号发送，偶数时隙的信号发送方式一致保持不变；8个周期内如果还没有收到地面测控站信号，则飞行器将恢复初始状态，使用初始建链阶段的帧结构；

而地面测控站侧的规定具体为：如果地面测控站在8个周期内都没有收到飞行器任何的信令信号或数据信号，则地面测控站也将重新恢复使用初始建链阶段的搜索状态，其中搜索空域范围将设定为最后一次正确接收信号的方位为中心，方位角和仰角一定范围的圆锥形空域；如果在该空域的搜索时间超过上限，则进一步将搜索空域扩大一倍；重复上述过程，直至重新捕获飞行器同步信号或搜索范围扩展至整个空域。

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