CN109257089A - 应用于大范围临空监视系统的远距离低仰角链路传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于大范围临空监视系统的远距离低仰角链路传输方法，属于临空信息系统中的空地通信领域。本发明方法在与航空平台成低仰角的地面站正上方，设置一架中继无人机，中继无人机上搭载阵列天线，通过模拟波束赋形生成一定宽度的窄波束，定向接收航空平台发送过来的信号波束，对接收的信号进行调制编码模拟放大后，通过与地面之间的有线或无线数据链路，传递给地面站，地面站再解调解码恢复出原信号。本发明规避了传统低仰角数据传输链路，消除了低仰角的影响，并且有效减少了非通信方向上的信号干扰。

Description

应用于大范围临空监视系统的远距离低仰角链路传输方法

技术领域

本发明属于临空信息系统中的空地通信领域，具体是指航空平台(无人机或临近空间飞艇)与地面站之间的远距离通信，具体涉及使用无人机作为中继，来规避传统远距离低仰角链路信号传输缺点的方法。

背景技术

临空监视系统是指采用无人机及临近空间飞艇作为监视平台，对地面实现大范围、长时间监视。随着航空平台的不断发展，可执行的临空监视场景越来越多，比如军事领域对战场的监视侦察、边防巡逻，民用领域的防灾减灾、搜索营救、核辐射探测、交通监管、资源勘探等。临空监视的关键技术之一是需要将监视信息及时反馈到地面控制台，因而需建立多种数据传输链路来满足其执行监视与通信任务的需要。现有的无人机系统中，地空链路承担着测控与通信系统的重要作用。为了延伸作用距离，视距链路大多在远距离低仰角情况下进行通信，此种情况下，电波传播环境十分复杂，信号传输受地面复杂环境影响，受到多径效应、多普勒效应和阴影衰落效应等影响，导致接收性能显著下降，信噪比低，甚至无法实现监测任务。为便于理解，对远距离低仰角通信进行更详细说明如下：

仰角是指航空平台与地面站之间的连线和水平面之间的夹角。一般而言，如果航空平台与地面站距离较近，则仰角较大，地形地物的遮挡问题可以忽略。但如果航空平台与地面站之间的距离在几十千米到几百千米，那么这个数据链就工作在低仰角，遮挡问题尤其严重。

航空平台一般为一个基本不动的无人机站或飞艇，与地面站进行数据传输和交换。低仰角环境下的微波传输过程中，地形地物的影响很大。树林、山丘、建筑物等障碍物能够阻挡一部分电磁波的射线，引起信号的阴影效应，从而使信噪比很大程度降低；此外，地面复杂环境所造成的反射、散射和绕射会带来多径效应；无人机和正下方地面站间的相对运动会产生多普勒效应，这些因素都会使信道发生或大或小的变化，从而对整个系统的性能产生很大的影响。

此外，由于数据长距离传输会存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成失真，进而导致接收错误。传统意义的中继技术中，中继器就是为解决这一问题而设计的，它对收到的被衰减的信号再生(恢复)到发送时的状态，并转发出去。但接收和发送是分时隙进行的，增加了数据传输的延时(参考文献1：张秋泊.空中中继通信系统地面控制站的设计与实现[D].北京邮电大学,2015)。目前的低仰角下地空通信场景的研究中，主要方法是针对地空低仰角特点，建立信道模型，基于模型研究适合地空通信的新体制，探究多径时延大、快速时变信道下的抗多径衰落技术及干扰抑制技术，并且使用多址接入方案，提升系统的优越性(参考文献2：费满锋.低仰角下宽带地空通信研究[D].西安电子科技大学,2008)，但仍是在低仰角的前提下。

发明内容

为了规避传统低仰角数据传输链路，消除低仰角的影响，针对于远距离低仰角链路信号传输时有障碍物遮挡微波传播路径的问题，本发明提供了一种应用于大范围临空监视系统的远距离低仰角链路传输方法。

本发明的应用于大范围临空监视系统的远距离低仰角链路传输方法，在与航空平台成低仰角的地面站正上方，设置一架中继无人机，中继无人机用于将航空平台的数据尽量无失真地传回地面站。其中，作为数据传输通信的中继节点的实现有如下两种方式：

第一种方式：无人机与地面站间搭建一条光纤链路，通过光纤链路将数据传送到地面站；其中，中继无人机搭载接收阵列天线、低噪放大器和电光转换模块；所述的接收阵列天线通过波束赋形产生一个定向接收波束，接收来自航空平台的信号波束，阵列天线将各天线接收到的多路信号合并为一路射频信号；射频信号经过低噪放大器模拟放大后输入给电光转换模块，电光转换模块将射频信号调制到光载波上，生成的光载毫米波信号作为中继无人机的输出信号，通过光缆传输到地面站。地面站设置有光电探测器和光电转换模块，所述的光电探测器将探测到的光载毫米波信号输入光电转换模块解调，恢复成原始的射频信号。

第二种方式：中继无人机与地面站间为无线传输，实现基于模拟波束赋形的全双工中继。

中继无人机搭载两组阵列天线、低噪放大器和功率放大器；所述的两组阵列天线中一组用来接收来自航空平台的波束信号，并将各天线接收到的多路信号合并为一路射频信号；射频信号经低噪放大器模拟放大，再经功率放大器将模拟放大的射频信号进行功率放大，然后利用另一组阵列天线通过模拟波束赋形产生一个定向波束发射到地面站。

地面站设置有接收阵列天线和低噪放大器；地面站的接收阵列天线产生一个定向波束，与中继无人机的波束对准来接收射频信号，同时对射频信号进行相位调整；经过相位调整后的射频信号经低噪放大器低噪放大后合并为一路射频信号。在全双工的工作模式下，发送数据和接收数据可以同时进行。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)本发明设计了利用无人机作为通信中继进行数据传输，取代传统低仰角数据传输链路，消除低仰角的影响；

(2)本发明采用模拟波束赋形技术，有线RoF技术和无线定向转发方法，可以有效减少非通信方向上的信号干扰；

(3)本发明基于模拟波束赋形的全双工中继技术，同时同频，相比于全向天线，模拟波束赋形产生的定向波束可实现定向通信，阵列增益高，能量集中，方向确定，减少了自由空间的损耗。

附图说明

图1是本发明实现大范围空基监视场景下的低仰角链路传输方法总体示意图；

图2是本发明方法中采用RoF技术下的数据传输链路示意图；

图3是本发明方法中采用无线数据传输的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提出的数据中继传输方法，旨在规避低仰角链路所造成的信号被遮挡的情形，能够有效提升数据传输质量，并且实现的复杂度不高。同时，本发明使用的模拟波束赋形技术，可以使单个射频下的阵列天线将能量集中在一个方向，形成一个瞄准该方向的窄波束，同时阵列增益很高，解决信号远距离传输产生衰落的问题。

本发明提出的一种应用于大范围临空监视系统的远距离低仰角链路传输方法，包括：在与航空平台(无人机站或飞艇)成低仰角的地面站正上方，设置一架中继无人机，中继无人机作为数据传输通信的中继节点，避免由于使用低仰角链路直接进行通信时带来的多径效应等的影响，实现将航空平台的大量数据尽量无失真地传回地面站进行分析处理。本发明中数据传输是单一流向，即航空平台→中继无人机→地面站，箭头→表示信号流向，即数据传输方向。航空平台优选为无人机站或飞艇。本发明方法以空中接力的方式来建立数据传输链路，代替无人机站与地面站直接通信所成的低仰角地空链路，避免了由于低仰角链路通信易受遮挡导致的低信噪比SNR、多径效应严重等问题。所设置的中继无人机的滞空高度显著高于地面建筑物和山脉，因此可以消除遮挡。

如图1所示，航空平台与地面站间的距离为几十千米到几百千米，二者连线与水平线所成的角度接近0°，该低仰角链路途径与地面站较近的山丘、树林、建筑等障碍物，信号传输的直射路径，即视线(line of sight，LOS)被遮挡，导致多径效应严重，地面站接收不到直射波，接收到的都是从障碍物反射叠加的电磁波，使得信噪比大大降低，因此该链路通信质量差，弃之不用。

本发明的链路传输方法，是在地面站上方300m～3km处设置一架中继无人机，该架中继无人机与航空平台之间直线距离为几十千米到几百千米，无遮挡，信道可建模为理想AWGN(Additive White Gaussian Noise，加性高斯白噪声)信道。中继无人机上搭载有阵列天线，通过模拟波束赋形生成一定宽度的窄波束，定向接收航空平台发送过来的信号波束。中继无人机搭载的接收阵列天线对航空平台发来的信号进行调制编码，中继无人机接收后不进行解调解码，通过低噪放大器将信号模拟放大，通过与地面之间的有线或无线数据链路，传递给地面站，地面站再解调解码恢复出原信号，并进行处理。

中继无人机与地面站之间，可采用有线和无线两种方式进行定向转发电磁波信号。本发明方法通过中继无人机实现数据传输通信有两种方式，一种是中继无人机与地面站之间为有线传输方式，一种是中继无人机与地面站之间为无线传输方式，下面结合图2和图3分别说明。

如图2所示，有线的场景下，中继无人机与地面站间搭建一条光纤链路，中继无人机的阵列天线通过模拟波束赋形产生定向接收波束，接收来自航空平台的信号，然后通过所述的光纤链路传输信号到地面站。

中继无人机采用RoF(光载无线通信)技术(参考文献3：张燕.RoF技术的应用探析[A].四川省通信学会.四川省通信学会2010年学术年会论文集[C].四川省通信学会:2010:3)，由光网络实现将数据传送到地面站的长距离传输，RoF技术可以将光纤通信与无线通信对接，融合在一起，直接利用光载波来传输射频信号。图2为RoF技术下的数据传输链路，箭头→表示信号流向，即数据传输方向。在有线传输方式下，运用光纤作为有线传输链路，损耗很低。

如图2所示，中继无人机搭载了接收阵列天线、低噪放大器及电光转换模块等等。前端的阵列天线通过波束赋形产生一个定向接收波束，接收来自航空平台的信号波束。接收到的信号波束通过相位转换器调整来波相位，w_r是接收端波束赋形向量，也就是各天线的权系数向量，满足恒模约束，可以起到调整来波相位的作用。然后阵列天线将各天线接收到的多路信号合并为一路射频信号，经过一个低噪放大器，对调制编码的射频信号进行模拟放大，不做其他任何处理。接着，电光转换模块将射频信号调制到光载波上，生成的光载毫米波信号作为中继无人机的输出信号，通过光缆长距离传输到地面站。

地面站设置有光电探测器和光电转换模块，光电探测器探测光纤传来的光载毫米波信号，并经光电转换模块转换恢复成原始的射频信号。然后将射频信号通过射频链路，将射频信号降到基带，再进入信号处理单元进行解调解码等处理，完成整个链路的传输。

射频光纤传输中，发射和接收射频信号无需任何的频率转换。射频信号转化为光信号传输时，不用担心自由空间中射频信号间的相互干扰，光纤可被视为“无损”的射频信号传输媒介。整体上，射频光纤传输结构简单，费用低廉，维护方便。RoF技术无需中继设备，光纤通信有着很低的损耗，目前使用的单模光纤在1550nm和1310nm波长的传输衰减分别小于0.2dB/km和0.5dB/km，并且光纤传输信号能够提供巨大的带宽资源，带来更高的信号传输速率。采用光纤传输，信号在光纤中传输具有天然抗电磁干扰特性，通过光信号的全发射实现长距离传输，避免了外界电磁场对传输信号的干扰，同时具备抗窃听能力，为传输射频信号提供了可靠的保证，增加安全性能。

当中继无人机高度较低，小于1km时，可以在它和地面站之间搭设一根垂直的光缆，损耗很低，光缆是无源的，可以更简单地实现有线、无线通信间的接入。当无人机高度较高在1km～3km时，垂直光缆的搭设不太容易，会受自然因素影响，这时采用如图3中的方法。

如图3所示，地面站和中继无人机建立无线链路，中继无人机采用定向放大转发(amplified-and-forward，AF)的方式，通过调整波束的指向，将能量集中到需要通信的方向上，地面站进行波束对准接收信号，实现全双工中继通信方式。图中H表示信道。

如图3所示，中继无人机搭载了两组阵列天线、低噪放大器和功率放大器。中继无人机上的阵列天线基于模拟波束赋形来实现波束对准，实现全双工中继数据通信。其中一组阵列天线，通过模拟波束赋形产生定向接收波束接收航空平台发送过来的波束信号。另一组阵列天线用来向地面站定向转发信号，通过模拟波束赋形产生定向波束指向地面站。接收航空平台波束信号的阵列天线把各天线接收到的多路信号，合并成一路射频信号，进行波束赋形，形成定向窄波束，地面站再波束赋形形成一个对应的波束，两个波束对准，完成定向转发的过程。阵列天线中设置有相位转换器，对接收或发射的信号波束进行相位调整。

中继无人机接收信号的情形与图2所示的方式一致，通过波束赋形产生一个定向波束来接收，通过接收端波束赋形向量w_r来调整各个天线信号的相位，然后汇聚成一路射频信号，低噪放大器对调制编码的射频信号进行模拟放大，功率放大器对模拟放大后的射频信号进行功率放大。射频信号经过相位调整、模拟放大和功率放大后，再通过另一组阵列天线模拟波束赋形产生一个定向波束并发射，直接指向正下方的地面站。其中，w_t为发射端波束赋形向量，表征各个发射天线的权系数。

地面站设有接收阵列天线，也产生一个定向波束，与中继无人机的波束对准来接收射频信号，经过阵列天线的相位调整、低噪放大器的低噪放大后，多个天线的射频信号合并为一路，再经过射频链路后降到基带，进入信号处理单元进行解调解码等处理，恢复出原始信号。

在全双工的工作模式下，发送数据和接收数据可以同时进行。阵列天线进行模拟波束赋形后，产生定向波束，只有一条直射径，能量被限制在一定的波瓣范围内，因而减少了信号能量在天线波瓣范围外的扩散，减少了信号衰减；能量集中，方向确定，避免信号失真；全双工中继方法，可以有效降低时延；定向增益，可显著增加发送方的通信距离和发射功率；定向发射，避免发射到地面站的高强度信号覆盖了从航空平台发送过来的弱强度信号；抑制干扰，由于定向增益，信号在旁瓣上的低增益有效降低了旁瓣对信号的影响。

相比于RoF技术，无线链路更加灵活，即使中继无人机位置发生改变，定向波束也会基于模拟波束赋形技术，根据实际相对位置的改变情况做出波束指向的调整；而RoF使用的有线光缆，由于自然原因，限制因素较多，调整光缆不太灵活。

本发明中的两种通信方式都很好地解决了低仰角链路传输下的低信噪比、多径效应等问题，能够有效提升数据传输质量，并且无人机只对信号进行模拟放大，后期复杂处理都在地面站进行，实现的复杂度不高。二者共同的优点是，第一，由于无人机定向接收，定向发射，可以避免无人机中继时的“自发自收”，不会出现无人机发射出去的信号又被自身的接收天线接收，而覆盖原始射频信号；第二，可以减少非通信方向上的信号干扰，增加信道的空间复用率，提高信道容量。

Claims (3)

1.一种应用于大范围临空监视系统的远距离低仰角链路传输方法，其特征在于，在与航空平台成低仰角的地面站正上方，设置一架中继无人机，中继无人机用于将航空平台的数据传回地面站；所述的中继无人机实现数据传输通信的方式采用下面任意一种：

第一种方式：中继无人机与地面站间搭建一条光纤链路，通过光纤链路将数据传送到地面站；其中，中继无人机搭载有接收阵列天线、低噪放大器和电光转换模块；所述的接收阵列天线通过波束赋形产生一个定向接收波束，接收来自航空平台的信号波束，接收阵列天线将各天线接收到的多路信号合并为一路射频信号；射频信号经过低噪放大器模拟放大后输入给电光转换模块，电光转换模块将射频信号调制到光载波上，生成的光载毫米波信号作为中继无人机的输出信号，通过光缆传输到地面站；

地面站设置有光电探测器和光电转换模块，所述的光电探测器将探测到的光载毫米波信号输入光电转换模块解调，恢复成原始的射频信号；

第二种方式：中继无人机与地面站间为无线传输，包括：

中继无人机搭载有两组阵列天线，低噪放大器和功率放大器；所述的两组阵列天线中一组用来接收来自航空平台的波束信号，并将各天线接收到的多路信号合并为一路射频信号；射频信号经低噪放大器模拟放大，再经功率放大器将模拟放大的射频信号进行功率放大，然后利用另一组阵列天线通过模拟波束赋形产生一个定向波束发射到地面站；

地面站设置有接收阵列天线和低噪放大器；地面站的接收阵列天线产生一个定向波束，与中继无人机的波束对准来接收射频信号，同时对射频信号进行相位调整；经过相位调整后的射频信号经低噪放大器模拟放大后合并为一路射频信号。

2.根据权利要求1所述的应用于大范围临空监视系统的远距离低仰角链路传输方法，其特征在于，所述的中继无人机设置在地面站上方300m～3km处。

3.根据权利要求1或2所述的应用于大范围临空监视系统的远距离低仰角链路传输方法，其特征在于，所述的中继无人机架设高度小于1km时，选择第一种方式，否则选择第二种方式。