CN111125873A - 一种飞行器天线波束选择控制器 - Google Patents

一种飞行器天线波束选择控制器 Download PDF

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Abstract

一种飞行器天线波束选择控制器，安装在飞行器上，内部预置目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型；在飞行器起飞前，装订通信目标点的经纬高信息、起飞点及起飞方向信息；在飞行器飞行过程中，实时接收飞行参数数据，利用上述信息计算通信目标点相对天线的角度，将该角度代入到目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型中，选择一个最优波束；波束选择控制器通过IO控制天线使用选择的最优波束收发数据，实现飞行器与目标点之间的数据通信。本发明能够以一种低成本的方式实现高效率、高动态通信。

Description

一种飞行器天线波束选择控制器
技术领域
本发明涉及一种飞行器天线波束选择控制器，属于测控通信领域。
背景技术
以往飞行器天线多采用固定波束实现与目标点的通信，不能实现天线波束的选择控制，而飞行姿态时刻在变化，其与目标点的相对位置也在实时变化，固定波束天线的通信性能将受到较大程度的影响。新一代相控阵波束控制方式则存在体积大、功耗大、成本高昂、可靠性及可维护性差等问题。因此如何以一种低成本的方式实现高效率、高动态通信成为待解决的问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种飞行器天线波束选择控制器，能够以一种低成本的方式实现高效率、高动态通信，体积小、功耗小、成本低、可靠性及可维护性强。
本发明的技术解决方案是：
一种飞行器天线波束选择控制器，所述波束选择控制器安装在飞行器上，内部预置目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型；
在飞行器起飞前，波束选择控制器装订天线安装角度、通信目标点的经纬高信息、起飞点及起飞方向信息；在飞行器飞行过程中，波束选择控制器实时接收飞行器在起飞惯性坐标系下的位置坐标、飞行器相对起飞惯性坐标系的姿态角及飞行时间，波束选择控制器利用上述信息计算通信目标点相对天线的角度，将该角度代入到目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型中，选择一个最优波束；
波束选择控制器通过IO控制天线使用选择的最优波束收发数据，实现飞行器与目标点之间的数据通信。
天线工作全程均由波束选择控制器提供工作电源。
天线采用八个波束进行收发。
所述目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型为一个查找表，表中每一个目标点相对天线坐标系角度对应了八个波束的性能。
计算通信目标点相对天线的角度的过程如下：
步骤一：根据通信目标点的经纬高信息计算通信目标点在地心坐标系下的坐标[xE,yE,zE]T；
步骤二：利用起飞点、起飞方向、起飞时间和飞行器姿态角信息，通过坐标系变换公式，计算出通信目标点在飞行器自身坐标系下的坐标[x,y,z]T；
步骤三：计算通信目标点在天线坐标系下的坐标RA，RA＝[xA,yA,zA]T；
步骤四：计算通信目标点相对天线的角度。
所述步骤一的实现方式如下：
xE＝(RN+H)cos B cosL
yE＝(RN+H)cos B sinL
zE＝(RN(1-e)2+H)sin B
其中，L为经度，B为纬度，H为高度，RN为卯酉圈曲率半径，e为地球扁率。
所述步骤三的实现方式如下：
Figure BDA0002272196080000021
其中φ为天线法向与飞行器自身坐标系Y轴之间的夹角。
所述步骤四的实现方式如下：
通信目标点相对天线的俯仰角为θ，
θ＝arccos(RA·[0 0 1]T/|RA|)
＝arccos(zA/|RA|)
通信目标点相对天线的方位角为φ，
Figure BDA0002272196080000031
波束选择控制器包括电源电路、控制电路和接口电路；
接口电路包括1553B接口电路、RS422接口电路和18路隔离IO接口电路；在飞行器起飞前，通过1553B接口电路或RS422接口电路接收装订数据，在飞行器飞行过程中，实时接收飞行器飞行过程中的参数数据，并发送给控制电路；18路隔离IO接口电路实现输出信号与控制电路信号的电气隔离，将来自控制电路的最优波束发送给天线，使天线使用该最优波束收发数据；所述装订数据包括通信目标点坐标、起飞点及起飞方向信息，飞行器飞行过程中的参数数据包括飞行器在起飞惯性坐标系下的位置坐标、飞行器相对起飞惯性坐标系的姿态角及飞行时间；
控制电路：存储目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型；对装订数据和飞行器飞行过程中的参数数据进行记录；利用上述信息计算目标点相对天线的角度，将该角度代入到目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型中，选择一个最优波束，输出给18路隔离IO接口电路；
电源电路：为波束选择控制器的各组成模块提供5V供电，为天线提供28V和5V供电。
所述电源电路包括EMI滤波电路、第一28V转5V电源模块、第二28V转5V电源模块和28V转28V电源模块；
EMI滤波电路接收外部的电源输入，将其滤波后输出给第一28V转5V电源模块、第二28V转5V电源模块和28V转28V电源模块；外部的电源输入为24V-28V；
第一28V转5V电源模块将输入的电源转化为稳定的5V电源，输出给波束选择控制器的各组成模块；
第二28V转5V电源模块将输入的电源转化为稳定的5V/6W电源，输出给天线的射频开关；
28V转28V电源模块将输入的电源转化为稳定的28V/150W电源，输出给天线的TR模块，所述28V转28V电源模块采用厚膜工艺的DC/DC模块实现，能够稳定外部28V±4V电源，并能承受40V、不大于1s的瞬时电压后正常工作。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明波束选择控制器具备最优波束选择控制功能。能够根据外部输入参数和事先装订参数，在20ms时间内快速计算目标点相对天线的角度，从而选择一个最优的波束，实现高效率、高动态通信。
(2)相对新一代相控阵波束控制方式，本发明可以用更少的TR组件实现高效率、高动态通信，体积小、功耗小、成本低、可靠性及可维护性强。
(3)本发明波束选择控制器具备150W大功率高可靠性28V稳定供电能力，能够长时间为天线提供大功率稳定电源，并具备较强的散热能力。
(4)本发明波束选择控制器具备丰富的数字接口，同时具备1553B及RS422通信功能，可以灵活适应外部通信接口需求。
附图说明
图1为本发明硬件架构；
图2为天线角度示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于配合可发射多个角度的固定波束天线，设计一种能够根据当前飞行器姿态及与目标点相对位置等信息，从若干可选发射波束中选择一种通信性能较优的波束与目标点进行通信，从而实现以一种低成本方式实现飞行器与目标点的高效率、高动态通信。
本发明的波束选择控制器为S频段波束选择控制器，安装在飞行器上。表1所示为内部预置目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型示例。
表1内部预置目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型
Figure BDA0002272196080000051
在飞行器起飞前，波束选择控制器装订通信目标点的坐标、起飞点及起飞方向信息；在飞行器飞行过程中，波束选择控制器实时接收飞行器在起飞惯性坐标系下的位置坐标、飞行器相对起飞惯性坐标系的姿态角及飞行时间，波束选择控制器利用上述信息计算目标点相对天线的角度，将该角度代入到目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型中，选择一个最优波束；波束选择控制器通过IO控制天线使用选择的最优波束收发数据，实现飞行器与目标点之间的数据通信。
天线工作全程均由波束选择控制器提供工作电源。天线上安装有四个TR组件。每个TR组件可以事先三个方向角度的波束控制。通过四个TR组件的不同波束组合，可以实现八个波束的收发控制。目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型为一个查找表，表中每一个目标点相对天线坐标系角度对应了八个波束的性能。
计算目标点相对天线的角度的过程如下：
步骤一：根据通信目标点的经纬高信息计算通信目标点在地心坐标系下的坐标[xE,yE,zE]T；
xE＝(RN+H)cos B cosL
yE＝(RN+H)cos B sinL
zE＝(RN(1-e)2+H)sin B
其中，L为经度，B为纬度，H为高度，RN为卯酉圈曲率半径，e为地球扁率。
步骤二：利用起飞点、起飞方向、起飞时间和飞行器姿态角信息，通过坐标系变换公式，可以计算出通信目标点在飞行器自身坐标系下的坐标[x,y,z]T；
步骤三：计算通信目标点在天线坐标系下的坐标RA；
Figure BDA0002272196080000061
其中φ为天线法向与飞行器自身坐标系Y轴之间的夹角。
步骤四：计算通信目标点相对天线的角度，天线角度定义见图2。
俯仰角为θ，
Figure BDA0002272196080000062
方位角为φ，
Figure BDA0002272196080000063
如图1所示，波束选择控制器包括电源电路、控制电路和接口电路。
接口电路包括1553B接口电路、RS422接口电路和18路隔离IO接口电路；在飞行器起飞前，通过1553B接口电路或RS422接口电路接收装订数据，在飞行器飞行过程中，实时接收飞行器飞行过程中的参数数据，并发送给控制电路；18路隔离IO接口电路实现输出信号与控制电路信号的电气隔离，将来自控制电路的最优波束发送给天线，使天线使用该最优波束收发数据；所述装订数据包括通信目标点坐标、起飞点及起飞方向信息，飞行器飞行过程中的参数数据包括飞行器在起飞惯性坐标系下的位置坐标、飞行器相对起飞惯性坐标系的姿态角及飞行时间。
1553B接口电路为自带IP核的接口电路。
18路隔离IO接口电路中每两个IO接口用于控制一个TR组件，具体如下所示。
Figure BDA0002272196080000071
控制电路：存储目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型；对装订数据和飞行器飞行过程中的参数数据进行记录；利用上述信息计算目标点相对天线的角度，将该角度代入到目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型中，选择一个最优波束，输出给18路隔离IO接口电路。
本发明中，控制电路采用Xilinx ZYNQ系列SOC芯片，内含FPGA及双核ARM处理器，FPGA可以以IP的方式实现对1553B接口电路、RS422接口电路和18路隔离IO接口电路的控制功能，同时内置ARM处理器，具备强大的数据运算能力，从而实现灵活的通信功能及快速的数据运算功能。
控制电路中还设计有32MB的FLASH，用于存储目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型以及计算目标点相对天线坐标系角度的程序。
电源电路包括EMI滤波电路、第一28V转5V电源模块、第二28V转5V电源模块和28V转28V电源模块。
EMI滤波电路接收外部的电源输入，将其滤波后输出给第一28V转5V电源模块、第二28V转5V电源模块和28V转28V电源模块；外部的电源输入为24V-28V；
第一28V转5V电源模块将输入的电源转化为稳定的5V电源，输出给波束选择控制器的各组成模块；
第二28V转5V电源模块将输入的电源转化为稳定的5V/6W电源，输出给天线的射频开关；
28V转28V电源模块将输入的电源转化为稳定的28V/150W电源，输出给天线的TR模块。28V转28V电源模块采用厚膜工艺的DC/DC模块实现，能够稳定外部28V±4V电源，并能承受40V、不大于1s的瞬时电压后正常工作。
本发明天线波束选择控制器作为测控通信系统的关键设备，能够根据飞行器起飞点信息、飞行器在起飞惯性坐标系下的位置坐标、飞行器姿态、飞行时间等实时计算安装在飞行器表面的天线阵面与通信目标点的角度，从多个可选波束中选择采用较优的波束，实现飞行器与目标点之间高效、准确的数据通信功能。
本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种飞行器天线波束选择控制器，其特征在于：所述波束选择控制器安装在飞行器上，内部预置目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型；
在飞行器起飞前，波束选择控制器装订天线安装角度、通信目标点的经纬高信息、起飞点及起飞方向信息；在飞行器飞行过程中，波束选择控制器实时接收飞行器在起飞惯性坐标系下的位置坐标、飞行器相对起飞惯性坐标系的姿态角及飞行时间，波束选择控制器利用上述信息计算通信目标点相对天线的角度，将该角度代入到目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型中，选择一个最优波束；
波束选择控制器通过IO控制天线使用选择的最优波束收发数据，实现飞行器与目标点之间的数据通信。
2.根据权利要求1所述的一种飞行器天线波束选择控制器，其特征在于：天线工作全程均由波束选择控制器提供工作电源。
3.根据权利要求1所述的一种飞行器天线波束选择控制器，其特征在于：天线采用八个波束进行收发。
4.根据权利要求3所述的一种飞行器天线波束选择控制器，其特征在于：所述目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型为一个查找表，表中每一个目标点相对天线坐标系角度对应了八个波束的性能。
5.根据权利要求1所述的一种飞行器天线波束选择控制器，其特征在于：计算通信目标点相对天线的角度的过程如下：
步骤一：根据通信目标点的经纬高信息计算通信目标点在地心坐标系下的坐标[xE,yE,zE]T；
步骤二：利用起飞点、起飞方向、起飞时间和飞行器姿态角信息，通过坐标系变换公式，计算出通信目标点在飞行器自身坐标系下的坐标[x,y,z]T；
步骤三：计算通信目标点在天线坐标系下的坐标RA，RA＝[xA,yA,zA]T；
步骤四：计算通信目标点相对天线的角度。
6.根据权利要求5所述的一种飞行器天线波束选择控制器，其特征在于：所述步骤一的实现方式如下：
xE＝(RN+H)cosBcosL
yE＝(RN+H)cosBsinL
zE＝(RN(1-e)2+H)sinB
其中，L为经度，B为纬度，H为高度，RN为卯酉圈曲率半径，e为地球扁率。
7.根据权利要求5所述的一种飞行器天线波束选择控制器，其特征在于：所述步骤三的实现方式如下：
Figure FDA0002272196070000021
其中φ为天线法向与飞行器自身坐标系Y轴之间的夹角。
8.根据权利要求5所述的一种飞行器天线波束选择控制器，其特征在于：所述步骤四的实现方式如下：
通信目标点相对天线的俯仰角为θ，
θ＝arccos(RA·[001]T/|RA|)
＝arccos(zA/|RA|)
通信目标点相对天线的方位角为φ，
Figure FDA0002272196070000022
9.根据权利要求1所述的一种飞行器天线波束选择控制器，其特征在于：波束选择控制器包括电源电路、控制电路和接口电路；
接口电路包括1553B接口电路、RS422接口电路和18路隔离IO接口电路；在飞行器起飞前，通过1553B接口电路或RS422接口电路接收装订数据，在飞行器飞行过程中，实时接收飞行器飞行过程中的参数数据，并发送给控制电路；18路隔离IO接口电路实现输出信号与控制电路信号的电气隔离，将来自控制电路的最优波束发送给天线，使天线使用该最优波束收发数据；所述装订数据包括通信目标点坐标、起飞点及起飞方向信息，飞行器飞行过程中的参数数据包括飞行器在起飞惯性坐标系下的位置坐标、飞行器相对起飞惯性坐标系的姿态角及飞行时间；
控制电路：存储目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型；对装订数据和飞行器飞行过程中的参数数据进行记录；利用上述信息计算目标点相对天线的角度，将该角度代入到目标点相对天线坐标系角度与波束性能关系模型中，选择一个最优波束，输出给18路隔离IO接口电路；
电源电路：为波束选择控制器的各组成模块提供5V供电，为天线提供28V和5V供电。
10.根据权利要求9所述的一种飞行器天线波束选择控制器，其特征在于：所述电源电路包括EMI滤波电路、第一28V转5V电源模块、第二28V转5V电源模块和28V转28V电源模块；
EMI滤波电路接收外部的电源输入，将其滤波后输出给第一28V转5V电源模块、第二28V转5V电源模块和28V转28V电源模块；外部的电源输入为24V-28V；
第一28V转5V电源模块将输入的电源转化为稳定的5V电源，输出给波束选择控制器的各组成模块；
第二28V转5V电源模块将输入的电源转化为稳定的5V/6W电源，输出给天线的射频开关；
28V转28V电源模块将输入的电源转化为稳定的28V/150W电源，输出给天线的TR模块，所述28V转28V电源模块采用厚膜工艺的DC/DC模块实现，能够稳定外部28V±4V电源，并能承受40V、不大于1s的瞬时电压后正常工作。
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