CN108184269A - 一种基于透镜多波束天线的一站多无人机控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域的一站多机无人机测控技术，尤其是一种基于透镜多波束天线的一站多无人机控制方法及装置。本发明中各无人机始终通过伺服转台系统，控制平板天线波束对准地面测控站；地面测控站利用透镜多波束天线、波束控制模块进行多目标扫描技术，实现多目标波束切换控制，同时地面测控站根据TDMA时隙划分，实现多架无人机的入网，并实现多架无人机的分时遥控、遥测及信息传输。

Description

一种基于透镜多波束天线的一站多无人机控制方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域的一站多机无人机测控技术，尤其是一种基于透镜多波束天线的一站多无人机控制方法及装置。

背景技术

现有的无人机测控技术采用的是一个地面测控站控一架无人机，多无人机集群协同作战需要配置同样数量的无人机测控系统，数据统计表明，无人机测控系统所需成本非常高，往往是单架无人机成本的0.5～4倍，随着无人机集群协同作战的应用需求日益增加，采用现有技术将导致无人机测控系统开发、后勤支持和训练费用随无人机数量增加而急剧上升，影响无人机集群协同作战的灵活性，且无人机测控系统的使用效率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种基于透镜多波束天线的一站多无人机控制方法及装置。本发明利用透镜多波束天线并结合TDMA机制实现一站对多无人机测控技术。地面测控站位置基本固定，无人机在执行任务前可以装载地面站具体位置，因此平板天线采用较简单的程序跟踪方式，使无人机通过伺服控制系统控制平板天线始终指向初始装载的地面测控站位置。地面测控站利用透镜多波束的高速波束切换控制，结合合理的时隙划分，让地面测控站天线在不同的时隙对准不同的无人机实现多架无人机的分时遥控、遥测及信息传输。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于透镜多波束天线的一站多无人机控制方法包括：

各无人机始终通过伺服转台系统，控制平板天线波束对准地面测控站；

地面测控站利用透镜多波束天线、波束控制模块进行多目标扫描技术，实现多目标波束切换控制；同时地面测控站根据TDMA时隙分配，实现多架无人机的入网；

地面测控站9按照TDMA时隙分配分别向N个无人机测控设备10发送控制帧，控制帧包含遥控指令信息；实现多架无人机的分时遥控处理；

N个无人机测控设备10按照TDMA时隙分配向地面测控站9发送业务帧，业务帧包含遥测和信息传输，实现多架无人机的分时遥测及信息传输。

进一步的，所述地面测控站利用透镜多波束天线、波束控制模块进行多目标扫描技术，实现多目标波束切换控制具体实现过程是；其特征在于多目标扫描技术利用地面测控站自身的GPS信息以及无人机的GPS信息通过坐标计算出指向角度，透镜多波束天线通过指向角度控制波束扫描实现波束切换控制，并对多无人机目标的对准与通信。

进一步的，所述地面测控站TDMA时隙划分，实现多架无人机的入网具体实现过程是：

步骤1:地面测控站9发送包含自身位置信息的广播帧，执行步骤2；

步骤2：N个无人机测控设备10收到广播帧后，向地面测控站9发送入网请求扫描帧；默认状态无人机测控设备是接收数据模式；发送入网请求扫描帧后，继续返回接收数据模式，执行步骤3；

步骤3：地面测控站9收到N个无人机测控设备10入网请求扫描帧后，确认无人机测控设备工作正常后，对N个无人机测控设备10进行TDMA时隙分配，通过分别向N个无人机测控设备10发送确认入网许可数据帧，执行步骤4；否则，无人机测控设备工作不正常，该无人机测控设备对应的无人机不能入网；

步骤4：无人机测控设备接收到地面测控站发送确认入网许可数据帧，解析该数据帧，得到地面测控站发给无人机测控设备的预约模式信息以及优先级，按照这个模式进行正常工作，完成实现多架无人机的入网。

进一步的，所述：确认入网许可数据帧包括：帧头+TDMA时隙分配数据+帧尾+校验；TDMA时隙分配包含业务优先级及收发模式预约；

入网请求扫描帧：包括帧头+工作状态值+帧尾+校验。

进一步的，地面测控站实现多架无人机的分时遥控处理是上行遥控信息处理，具体过程是：

地面测控站通过对外接口接收到上行遥控信息，进行上行链路信息处理；

无人机接收到上行遥控信息后，通过第一信号处理模块、射频前端模块后，最终通过透镜多波束天线发送给目标无人机；

无人机平板天线接收到上行遥控信息后，经过射频后端模块、第二信号处理模块后，再通过对外接口送到无人机相应无人机测控设备进行控制。

进一步的，地面测控站实现多架无人机的遥测及信息传输处理是下行遥测信息处理，具体过程是：

无人机测控设备通过对外接口接收到下行遥测和数据传输信息，经过第二信号处理模块、射频前端模块处理后，通过平板天线发送发射到地面测控站；

地面测控站通过透镜多波束天线接收到下行遥测和数据传输信息后，经过射频前端模块、第一信号处理模块后，再通过对外接口送到地面测控站相应设备进行处理。

进一步的，一站多无人机控制方法还包括地面测控站通过透镜多波束天线扫描相互发现无人机节点，实现业务时隙及收发模式预约。

所述一站多无人机控制方法的控制装置包括：

无人机，所述各无人机始终通过伺服转台系统，控制平板天线波束对准地面测控站；

地面测控站，所述地面测控站利用透镜多波束天线、波束控制模块进行多目标扫描技术，实现多目标波束切换控制，同时地面测控站根据TDMA时隙划分，实现多架无人机的入网，并实现多架无人机的分时遥控、遥测及信息传输。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明实现一个地面测控站通过透镜多波束天线对多架无人机进行遥控、遥测和信息传输，无人机之间可协同作战，共享传感器、飞行控制和决策等信息。该技术具有以下优点：

机载分系统采用定向天线，地面分系统采用透镜多波束天线，实现高速远距离传输。

通过无人机测控站的透镜多波束天线的高速波束切换控制，结合合理的时隙划分，让地面测控站天线在不同的时隙对准不同的无人机，实现一站对多无人机控制；

因为一站控制多无人机，不需要一对一的涉及成本，故降低后勤支持和训练费用成本；

无人机测控站的透镜多波束天线的高速波束切换控制，结合合理的时隙划分，较大程度地改进无人机集群协同作战的灵活性，提高无人机测控系统的使用效率。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的工作原理框图。

附图标记

1-透镜多波束天线 2-波束控制模块 3-射频前端模块

4-第一信号处理模块 5-平板天线 6-伺服转台系统

7-射频后端模块 8-第二信号处理模块

9-地面测控站 10-无人机测控设备

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

工作流程：

1、入网流程：在无人机起飞前，预先将地面测控站9位置信息输入无人机测控设备10的伺服转台系统6，无人机起飞后通过伺服转台系统6驱动平板天线5，始终控制天线波束快速对准地面测控站。地面测控站采用透镜多波束天线1，波束控制模块2实现多目标的波束切换控制。各节点(包括地面测控站和多架无人机)开机后按照TDMA时隙分配方式进行工作，地面测控站通过透镜多波束天线1扫描相互发现无人机节点，实现业务时隙及收发模式预约，从而利用分时收发实现地面测控站与多架无人机之间的入网。

2、上行链路信息流程：地面测控站通过对外接口接收到上行遥控信息，送到第一信号处理模块4进行信道编码、扩频和调制，再送往射频前端模块3进行上变频处理和功率放大，最终经透镜多波束天线1发射到目标无人机；无人机平板天线接收到上行遥控信息后，经过射频后端模块7的低噪声放大、下变频处理，送到第二信号处理模块8进行解调、解扩和信道译码，再通过对外接口送到无人机相应设备进行控制。

3、下行链路信息流程：无人机测控设备通过对外接口接收到下行遥测和数据传输信息，送到第二信号处理模块8进行数据流复接、信道编码、扩频和调制，再送往射频后端模块7进行上变频处理和功率放大，最终经平板天线5发射到地面测控站；地面测控站透镜多波束天线接收到下行遥测和数据传输信息后，经过射频前端模块3的低噪声放大、下变频处理，送到第一信号处理模块4进行解调、解扩、信道译码和数据流分接，再通过对外接口送到地面测控站相应设备进行处理。

更具体的，所述地面测控站利用透镜多波束天线1、波束控制模块2进行多目标扫描技术，实现多目标波束切换控制具体实现过程是；其特征在于多目标扫描技术利用地面测控站自身的GPS信息以及无人机的GPS信息通过坐标计算出指向角度，透镜多波束天线通过指向角度控制波束扫描实现波束切换控制，并对多无人机目标的对准与通信。

更具体过程是：所述地面测控站利用透镜多波束天线1、波束控制模块2进行多目标扫描技术，实现多目标波束切换控制实现过程：

地面测控站9通过透镜多波束天线1的全空域扫描获取N(N为大于等于1的自然数)个无人机测控设备10位置数据包；

为方便描述，先对N个无人机测控设备10中的其中1个无人机测控设备10进行描述；

将位置数据包经过坐标系转换，得到无人机测控设备10映射在地面测控站9的透镜多波束天线1坐标系下的坐标参数；

波束控制模块2根据无人机测控设备10映射在地面测控站9的透镜多波束天线1坐标系下的坐标参数和透镜多波束天线1坐标参数计算出透镜多波束天线1的指向角度指令；

透镜多波束天线1根据波束控制模块2的指向角度指令切换内部铁氧体开关，使透镜多波束天线1形成的波束对准无人机测控设备，实现无人机测控设备对应的多无人机波束切换控制；

其他N-1个无人机测控设备10的波束切换控制具体过程同上。

更具体的，所述地面测控站TDMA时隙划分，实现多架无人机的入网具体实现过程是：

步骤1:地面测控站9发送包含自身位置信息的广播帧，执行步骤2；

步骤2：N个无人机测控设备10收到广播帧后，向地面测控站9发送入网请求扫描帧；默认状态无人机测控设备是接收数据模式；发送入网请求扫描帧后，继续返回接收数据模式，执行步骤3；

步骤3：地面测控站9收到N个无人机测控设备10入网请求扫描帧后，确认无人机测控设备工作正常后，对N个无人机测控设备10进行TDMA时隙分配，通过分别向N个无人机测控设备10发送确认入网许可数据帧，执行步骤4；否则，无人机测控设备工作不正常，该无人机测控设备对应的无人机不能入网；

步骤4：无人机测控设备接收到地面测控站发送确认入网许可数据帧，解析该数据帧，得到地面测控站发给无人机测控设备的预约模式信息以及优先级，按照这个模式进行正常工作，完成实现多架无人机的入网。

更具体的，确认入网许可数据帧包括：帧头+TDMA时隙分配数据+帧尾+校验；业务优先级：用16进制数代表优先级高低；(收发模式预约：1表示接收数据模块预约：0，表示发送数据模式预约)：TDMA时隙分配包含业务优先级及收发模式预约；

入网请求扫描帧：包括帧头+工作状态值+帧尾+校验，帧尾表示信息结束符；(例如工作状态值：1，表示无人机测控设备工作正常；0，表示无人机测控设备工作不正常)。

4、上行链路数据处理(分时遥控过程)中：

第一信号处理模块进行信道编码、扩频和调制处理；

射频前端模块进行上变频处理和功率放大；

射频后端模块的低噪声放大和下变频处理；

第二信号处理模块解调、解扩和信道译码；

5、下行链路数据处理(遥测及信息传输)中：

第二信号处理模块进行数据流复接、信道编码、扩频和调制；

射频前端模块进行上变频处理和功率放大；

射频前端模块进行低噪声放大、下变频处理；

第一信号处理模块进行解调、解扩、信道译码和数据流分接；

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种基于透镜多波束天线的一站多无人机控制方法，其特征在于包括：

各无人机始终通过伺服转台系统，控制平板天线波束对准地面测控站；

地面测控站利用透镜多波束天线、波束控制模块进行多目标扫描技术，实现多目标波束切换控制；同时地面测控站根据TDMA时隙分配，实现多架无人机的入网；

地面测控站按照TDMA时隙分配分别向N个无人机测控设备发送控制帧，控制帧包含遥控指令信息；实现多架无人机的分时遥控处理；

N个无人机测控设备按照TDMA时隙分配向地面测控站发送业务帧，业务帧包含遥测和信息传输，实现多架无人机的分时遥测及信息传输。

2.根据权利要求1所述的一站多无人机控制方法，其特征在于所述地面测控站利用透镜多波束天线、波束控制模块进行多目标扫描技术，实现多目标波束切换控制具体实现过程是：其特征在于多目标扫描技术利用地面测控站自身的GPS信息以及无人机的GPS信息通过坐标计算出指向角度，透镜多波束天线通过指向角度控制波束扫描实现波束切换控制，并对多无人机目标的对准与通信。

3.根据权利要求1所述的一站多无人机控制方法，其特征在于所述地面测控站TDMA时隙划分，实现多架无人机的入网具体实现过程是：

步骤1:地面测控站发送包含自身位置信息的广播帧，执行步骤2；

步骤2：N个无人机测控设备收到广播帧后，向地面测控站发送入网请求扫描帧；默认状态无人机测控设备是接收数据模式；发送入网请求扫描帧后，继续返回接收数据模式，执行步骤3；

步骤3：地面测控站收到N个无人机测控设备入网请求扫描帧后，确认无人机测控设备工作正常后，对N个无人机测控设备进行TDMA时隙分配，通过分别向N个无人机测控设备发送确认入网许可数据帧，执行步骤4；否则，无人机测控设备工作不正常，该无人机测控设备对应的无人机不能入网；

步骤4：无人机测控设备接收到地面测控站发送确认入网许可数据帧，解析该数据帧，得到地面测控站发给无人机测控设备的预约模式信息以及优先级，按照这个模式进行正常工作，完成实现多架无人机的入网。

4.根据权利要求3所述的一站多无人机控制方法，其特征在于所述：

确认入网许可数据帧包括：帧头+TDMA时隙分配数据+帧尾+校验；TDMA时隙分配包含业务优先级及收发模式预约；

入网请求扫描帧：包括帧头+工作状态值+帧尾+校验，帧尾表示信息结束符。

5.根据权利要求1至4之一所述的一站多无人机控制方法，其特征在于地面测控站实现多架无人机的分时遥控处理是上行遥控信息处理，具体过程是：

地面测控站通过对外接口接收到上行遥控信息，进行上行链路信息处理；

无人机接收到上行遥控信息后，通过第一信号处理模块、射频前端模块后，最终通过透镜多波束天线发送给目标无人机；

无人机平板天线接收到上行遥控信息后，经过射频后端模块、第二信号处理模块后，再通过对外接口送到无人机相应无人机测控设备进行控制。

6.根据权利要求1至4之一所述的一站多无人机控制方法，其特征在于地面测控站实现多架无人机的遥测及信息传输处理是下行遥测信息处理，具体过程是：

无人机测控设备通过对外接口接收到下行遥测和数据传输信息，经过第二信号处理模块、射频前端模块处理后，通过平板天线发送发射到地面测控站；

地面测控站通过透镜多波束天线接收到下行遥测和数据传输信息后，经过射频前端模块、第一信号处理模块后，再通过对外接口送到地面测控站相应设备进行处理。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一站多无人机控制方法，其特征在于还包括地面测控站通过透镜多波束天线扫描相互发现无人机节点，实现业务时隙及收发模式预约。

8.基于根据权利要求7所述一站多无人机控制方法的控制装置，其特征在于包括：

无人机，所述各无人机始终通过伺服转台系统，控制平板天线波束对准地面测控站；

地面测控站，所述地面测控站利用透镜多波束天线、波束控制模块进行多目标扫描技术，实现多目标波束切换控制，同时地面测控站根据TDMA时隙划分，实现多架无人机的入网，并实现多架无人机的分时遥控、遥测及信息传输。