CN108039927A

CN108039927A - 一种基于多波束天线的电子辅助无人机通信方法

Info

Publication number: CN108039927A
Application number: CN201711013790.7A
Authority: CN
Inventors: 白琳; 张学军; 李田
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2018-05-15

Abstract

本发明提供了一种基于多波束天线的电子辅助无人机通信方法，属于无人机技术领域。本发明采用了电子辅助多波束天线通信方案，通过获取机载GPS以及姿态传感器捕捉到的无人机初始位置及实时姿态，计算无人机的移动位移和姿态变化量，确定无人机与地面测控站的相对位置，以及无人机机载天线的波束发射角。根据计算的波束发射角和相对位置，调整机载天线到地面测控站的波束发射角，使得机载多波束天线始终对准地面测控站，完成天线一级对准。最后根据每一个波束接收信号强度选择链路状态最好的波束进行通信。本发明以低复杂度的方法提高收发信号强度，完成无人机与地面测控站的高效通信，提高了天线对准的精度。

Description

一种基于多波束天线的电子辅助无人机通信方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，涉及无人机测控通信技术，具体涉及一种基于多波束天线的电子辅助无人机通信方法。

背景技术

在无人机通信测控领域，如何实现远距离、低功耗通信是无人机高效通信的难题。目前，主要采用地面伺服跟踪天线设备以及机载单天线系统实现无人机测控通信。但是，由于机载单天线系统增益低、定向通信能力差，无法实现远距离无人机测控与高效通信。

现有机载单天线系统具有重量轻、功耗小等特点，广泛应用于低空小型无人机通信链路。但是由于其只能产生全向波束，天线增益低，无法实现远距离通信。为了提高无人机测控距离，人们研究将伺服跟踪系统应用于机载通信技术中，该系统可以将功率集中于在某一个方向发射，达到有限发射功率限制下的无人机通信。然而，由于伺服系统功耗大、重量大，不适用于诸如电动、太阳能驱动等功率受限类型的无人机，不具有通用性。

发明内容

本发明为了解决上述远距离无人机测控与高效通信的问题，提出了一种基于多波束天线的电子辅助无人机通信方法，以增强信号强度并同时保证低复杂度。

本发明提供的基于多波束天线的电子辅助无人机通信方法，包括：

(1)获取无人机当前的GPS位置和姿态信息，并作为初始参考值；

(2)实时获取无人机的姿态信息，计算无人机的移动位移和姿态变化量，确定无人机与地面测控站的相对位置，以及无人机机载天线的波束发射角；

(3)无人机根据计算的波束发射角和相对位置，调整机载天线到地面测控站的波束发射角，使得机载多波束天线始终对准地面测控站，完成天线一级对准；

(4)无人机根据多波束天线中每一个波束收到信号的强度，从中选择链路状态最好的波束进行通信；

(5)判断是否到达设置的更新时间，若是，需要更新初始参考值，转(1)执行；否则，继续转(2)执行。

本发明一种应用于无人机的基于多波束天线的电子辅助通信方法，其优点在于：

(1)利用机载GPS以及姿态传感器信息进行辅助波束对准，充分利用机载航电设备反馈的信息辅助进行机载天线与地面测控站的波束对准，可以提高天线对准的精度。

(2)采用多波束天线技术，利用多波束提供的空间分集根据信号强度进行波束选择，将链路状态最好的波束信号接入数字处理单元，可以以低复杂度的方法提高收发信号强度，完成无人机与地面测控站的高效通信。

附图说明

图1为本发明电子辅助多波束天线通信方法的整体步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做详细说明。

本发明提供一种无人机与地面测控站高效低复杂度通信方法，采用了电子辅助多波束天线技术手段，通过捕获无人机GPS及传感器捕捉到的无人机初始位置及实时姿态信息，使机载多波束天线与地面测控站实现一级对准，再根据每一个波束接收信号强度选择链路状态最好的波束进行通信。本发明使传统通信方法提升为基于传感器的电子辅助通信方法，达到了提高波束精度的效果，采用多波束天线系统进行波束选择，将信号强度最高的链路接入数字处理单元，具有降低计算复杂度优势，和进行无人机高效通信的意义。

如图1所示，本发明基于多波束天线的电子辅助无人机通信方法，具体步骤如下：

步骤1：采集无人机当前时刻的GPS位置及无人机的姿态信息，并作为初始参考值。

通过机载GPS获取无人机的位置，可确定无人机与地面测控站的相对位置，将GPS位置反馈到天线处理单元。通过机载姿态传感器模块，即惯性导航模块，获得无人机当前的姿态信息，姿态信息包括三轴加速度和三轴角速度。

在之后的波束对准过程中，天线处理单元将以该时刻的姿态信息为准进行机载天线与地面测控站的一级实时校正，并且通过定时更新初始参考值的方式消除传感器校正的累积误差。

步骤2：实时获取无人机的姿态信息，计算无人机的移动位移和姿态变化量，确定无人机与地面测控站的相对位置，以及无人机机载天线的波束发射角。

通过机载姿态传感器模块实时获取无人机的姿态信息，将这些信息发送至机载计算机，经过一定的算法处理后，机载计算机将无人机相对前一时刻的移动位移和姿态变化量，以相位角的形式反馈给天线处理单元。姿态变化量包括滚转、俯仰、偏航角度的变化。

相对位置可以通过无人机上的机载姿态传感器，即惯性导航模块，提供的加速度信息计算得到，计算公式为：其中，为某一时间段Δt的无人机的平均加速度，a₁,a₂为这一时间段的起始和终止加速度，Δx即无人机在时间段Δt的移动位移。

在时间段Δt的姿态变化量中，设俯仰角度变化量为Δθ、滚转角度变化量为Δφ、偏航角度变化量为则机载天线的波束发射角直接由上述的姿态变化量加上无人机的初始姿态角度计算得到。

将所计算得到的相对位置和波束发射角，反馈至天线处理单元。

步骤3：无人机根据计算的波束发射角和相对位置，调整机载天线到地面测控站的波束发射角，使得机载多波束天线始终对准地面测控站，完成天线一级对准。

通过步骤2和3实现了根据无人机实时姿态信息与初始参考的相对差值，来进行天线一级对准。根据机载计算机实时反馈的无人机姿态位置信息，天线处理单元中的天线射频处理模块实时纠正机载天线的波束发射角，使机载多波束天线始终对准地面测控站。

步骤4：选择链路状态最好的波束进行通信；

当天线模块根据姿态传感器提供的信息进行一级对准后，多波束天线中每一个波束可以收到强度不同的信号，信号处理模块根据信号强弱选择链路状态最好的波束进行通信，链路状态最好是指信号的信干噪比最强的链路。

利用多波束天线系统进行波束选择，该方法采用了基于波束选择的低复杂度实现方式进行波束间切换，完成无人机与地面测控站的高效通信，降低了传统波束成形方法的复杂度。

步骤5：根据设置的更新时间判断是否需要更新初始参考值，如果是，则返回步骤1进行参考值更新；否则，返回步骤2继续进行下一时刻的波束对准过程。

本发明提出的一种应用于无人机的基于多波束天线的电子辅助通信方法，该方法首先通过GPS信息确定无人机与地面测控站的相对位置，并根据姿态传感器反馈的无人机实时姿态变化角度和加速度，测控通信系统做一级对准校正，在补偿了无人机姿态变化后，多波束天线通信系统选择收到信号最强的波束进行通信。本方法具有算法复杂度低、收发信号强的特点。

Claims

1.一种基于多波束天线的电子辅助无人机通信方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的(1)中，通过无人机上的姿态传感器模块获取无人机的实时姿态信息，包括三轴加速度和三轴角速度，然后无人机的机载计算机根据实时姿态信息计算无人机相对前一时刻的移动位移和姿态变化量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的(2)中，所述的相对位置根据无人机的加速度信息计算得到，如下：

设无人机在时间段Δt的起始和终止加速度分别为a₁,a₂，为该时间段的无人机的平均加速度，则在该时间段的相对位移

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的(2)中，所述的波束发射角根据无人机的姿态变化量计算得到，如下：

设无人机在时间段Δt的俯仰角度变化量为Δθ、滚转角度变化量为Δφ、偏航角度变化量为则机载天线的波束发射角由Δθ、Δφ、加上无人机的初始姿态角度计算得到。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的(4)中，链路状态最好是指该链路的信干噪比最强。