CN111953409B - 一种地对空信号传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种地对空信号传输系统，包括位于地面上的信号接收塔和位于云层之上的飞行信号中继器；所述信号接收塔设有若干层，每层内均设有位于同一竖直线上的信号接收器，所述信号接收器在其所在的层内可上下移动，所述信号接收器与飞行信号中继器之间进行信号传输；所述飞行信号中继器能够移动至信号接收塔正上方信号接收器连线的对应位置附近，所述飞行信号中继器发出信号经云层折射后汇聚，产生汇聚点，所述汇聚点与云层顶面的垂直高度为汇聚高度，所述信号接收塔依据汇聚点的高度位置选择对应的信号接收器并进行高度的位置调整。本发明使得飞行信号中继器与信号接收器之间进行稳定高效的信号传输。

Description

一种地对空信号传输系统

技术领域

本发明涉及一种地对空信号传输系统，属于地对空通信技术领域。

背景技术

随着通信技术的发展，无论是军事领域还是民用领域，空间与地面之间的信号传输需求越来越多，空间与地面信号传输过程要经过云层，所以信号传输路径比较复杂，地面上的信号接收器位置固定，灵活性不高，严重影响信号传输效果。

发明内容

本发明提出一种地对空信号传输系统，用以实现地面和空间的高效传输，具体技术方案如下：

一种地对空信号传输系统，包括位于地面上的信号接收塔和位于云层之上的飞行信号中继器；

所述信号接收塔设有若干层，每层内均设有位于同一竖直线上的信号接收器，所述信号接收器在其所在的层内可上下移动，所述信号接收器与飞行信号中继器之间进行信号传输；

所述飞行信号中继器能够移动至信号接收塔正上方信号接收器连线的对应位置附近，所述飞行信号中继器发出信号经云层折射后汇聚，产生汇聚点，所述汇聚点与云层顶面的垂直高度为汇聚高度，所述信号接收塔依据汇聚点的高度位置选择对应的信号接收器并进行高度的位置调整。

优选的，所述汇聚点距离地面的高度的具体计算方法为：

基于信号接收塔位置建立坐标系，坐标系的原点为信号接收塔内信号接收器连线跟云层顶面相交的点，横坐标为跟云层顶面平行的线，纵坐标则在原点跟信号接收器的连线上；

所述信号飞行中继器移动至原点附近，即信号发射点就是原点，信号经过云层折射后汇聚，形成汇聚点，所述汇聚点到原点的高度为汇聚高度h，原点到地面的垂直H，则汇聚点到地面的高度p＝H-h。

进一步的，所述汇聚点到地面的高度p若大于信号接收塔的高度，则位于信号接收塔内顶层内的信号接收器移动至该层顶端；所述汇聚点到地面的高度p若小于信号接收塔的高度，则选择信号接收塔内与该高度p匹配的层内的信号接收器，调整该层内信号接收器的高度与汇聚点到地面的高度p一致。

进一步的，所述汇聚高度h通过建立云层模型来进行计算，具体方法为：

定义云层和大气层为同径圆柱体形状，在云层和大气层上建立一个坐标系，以云层顶面中心点为原点，横坐标为距离地面的高度，记为z轴，纵坐标为沿径向的长度，记为r轴，定义云层中心折射率为n₀，大气折射率为n_k，云层厚度为z₀，云层半径为R，云层折射率n沿径向变化，且满足公式：

将云层边缘折射率n_j和云层半径R代入公式(1)，可以计算出折射率分布常数A：

云层边缘折射率n_j即云层折射率n，云层边缘折射率n_j为云层沿径向最外层边缘折射率，当信号的毫米波从原点射入，则云层中心折射率为n₀与云层沿径向最外层边缘折射率n_j相等，则折射率分布常数A为0；

定义毫米波自纵坐标的r₀点入射，经过非线性介质云层后，在云层-大气层介质界面处与横轴的距离为：

在这一点的斜率为：

利用折射率公式解得偏折后的轨迹斜率：

结合公式(3)和公式(5)得到毫米波汇聚的汇聚高度公式为：

h＝r′_出×r+z₀ (7)

整理得：

其中，h为飞行信号中继器发射信号所对应的毫米波经过云层后汇聚的汇聚高度。

优选的，所述飞行信号中继器的数量为若干个，所述飞行信号中继器之间可以相互传输信号。

本发明采用信号接收塔来代替地面信号接收器，信号接收塔分若干层，每层内设一个信号接收器，每个信号接收器均可在其所在的层进行上下移动，飞行信号中继器发出信号经云层折射后汇聚，产生汇聚点，信号接收塔依据汇聚点的高度位置选择对应的信号接收器并进行高度的位置调整，汇聚点位置的确定，即确定了信号穿过云层至信号接收器的信号传输路径，汇聚点所在位置上的信号接收器与飞行信号中继器之间进行信号传输效果好，传输效率高。

附图说明

图1是本发明信号接收塔的示意图。

图2是本发明信号接收塔与飞行信号中继器建立坐标系的示意图。

图3是本发明云层模型示意图。

图4是本发明云层模型内毫米波传播轨迹图。

图5是本发明圆柱体大气模型示意图。

图6是本发明圆柱体大气模型内毫米波传播轨迹图。

图7是本发明一种地对空信号传输系统的工作流程图。

图8是本发明毫米波汇聚高度分布图一。

图9是本发明毫米波汇聚高度分布图二。

图10是本发明毫米波汇聚高度分布图三。

图11是本发明毫米波汇聚高度分布图四。

图12是本发明毫米波汇聚高度分布图五。

图13是本发明毫米波汇聚高度分布图六。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种地对空信号传输系统，包括位于地面上的信号接收塔和位于云层之上的飞行信号中继器；

所述信号接收塔设有若干层，如图1所示，第一层的高度为H₁，第二层的高度为H₂，第三层的高度为H₃，第n层的高度为H_n，每层内均设有位于同一竖直线上的信号接收器，所述信号接收器在其所在的层内可上下移动，所述信号接收器与飞行信号中继器之间进行信号传输；

所述飞行信号中继器的数量为若干个，所述飞行信号中继器之间可以相互传输信号，飞行信号中继器之间在传输信号过程中并不需要经过云层，信号传输过程相对容易。所述飞行信号中继器能够移动至信号接收塔正上方信号接收器连线的对应位置附近，所述飞行信号中继器发出信号经云层折射后汇聚，产生汇聚点，所述汇聚点与云层顶面的垂直高度为汇聚高度，所述信号接收塔依据汇聚点的高度位置选择对应的信号接收器并进行高度的位置调整。

所述汇聚点距离地面的高度的具体计算方法为：

云层具有底面和顶面，云层跟大气层相互连接的面叫底面，位于飞行信号中继器的一面叫做顶面。

基于信号接收塔位置建立坐标系，如图2所示，坐标系的原点为信号接收塔内信号接收器连线跟云层顶面相交的点，横坐标为跟云层顶面平行的线，纵坐标则在原点跟信号接收器的连线上；

所述信号飞行中继器移动至原点附近，即信号发射点就是原点，信号经过云层折射后汇聚，形成汇聚点，所述汇聚点到原点的高度为汇聚高度h，原点到地面的垂直H，则汇聚点到地面的高度p＝H-h。

所述汇聚点到地面的高度p若大于信号接收塔的高度，则位于信号接收塔内顶层内的信号接收器移动至该层顶端，即当p大于H_n时，就让位于信号接收塔上面第n-1层和第n层之间的信号接收器上下移动至高度H_n的位置；所述汇聚点到地面的高度p若小于信号接收塔的高度，则选择信号接收塔内与该高度p匹配的层内的信号接收器，调整该层内信号接收器的高度与汇聚点到地面的高度p一致；如汇聚点在信号接收塔的第二层和第三层之间时，就让位于信号接收塔上第二层和第三呈之间的信号接收器上下移动到高度p的位置。

所述汇聚高度h通过建立云层模型来进行计算，具体方法为：

定义云层和大气层为同径圆柱体形状，在云层和大气层上建立一个坐标系，如图3所示，以云层顶面中心点为原点，横坐标为距离地面的高度，记为z轴，纵坐标为沿径向的长度，记为r轴。毫米波垂直射入圆柱体非线性云层介质，穿过非线性介质后，在云层—空气介质界面发生折射，如图4所示，不同轨迹的毫米波在不同出射点轨迹的斜率不同，且折射率也不同。定义云层中心折射率为n₀，大气折射率为n_k，云层厚度为z₀，云层半径为R，云层折射率n沿径向变化，且满足公式：

将云层边缘折射率n_j和云层半径R代入公式(1)，可以计算出折射率分布常数A：

云层边缘折射率n_j即云层折射率n，云层边缘折射率n_j为云层沿径向最外层边缘折射率，当信号的毫米波从原点射入，则云层中心折射率为n₀与云层沿径向最外层边缘折射率n_j相等，则折射率分布常数A为0；

定义毫米波自纵坐标的r₀点入射，经过非线性介质云层后，在云层-大气层介质界面处与横轴的距离为：

在这一点的斜率为：

利用折射率公式解得偏折后的轨迹斜率：

结合公式(3)和公式(5)得到毫米波汇聚的汇聚高度公式为：

h＝r′_出×r+z₀ (7)

整理得：

其中，h为飞行信号中继器发射信号所对应的毫米波经过云层后汇聚的汇聚高度。

云层模型是由圆柱体大气模型优化而来，该圆柱体大气为本发明对应的云层，设定在这个云层内水汽均匀分布，暂时不考虑高度分布，压强，温度等因素对它的影响。在此情况下可以将云层看做一个巨大的自聚焦透镜。毫米波自云层的底面入射从对面出射，在圆柱体云层上建立坐标系，如图5所示，以云层底面中心为原点，横坐标z为距离云层底部的高度，纵坐标为沿径向的长度r，云层折射率n沿径向变化，且满足：

假设毫米波垂直于圆柱体云层底面入射，即在坐标中平行于横坐标入射，则轨迹方程中r′₀(从原点垂直入射的情况)等于0，在近轴近似下，毫米波的轨迹方程可得：

其中r₀为毫米波入射点坐标，不同的入射点可得出不同的毫米波轨迹如图6所示。

如图7所示，本发明的实现步骤如下：

步骤1、系统接收到空间和地面传输信号命令；

步骤2、确定位于地面的信号接收塔位置；地面的信号接收塔是不可以水平移动的，信号接收塔上的接收器只能上下垂直移动，因此要基于信号接收塔的位置来建立坐标系。

步骤3、将坐标原点设置在地面的信号接收塔上方云层顶面位置；飞行信号中继器是可以移动的，将飞行信号中继器移动到原点位置。

步骤4、计算出汇聚高度h并根据h值得出汇聚点在信号接收塔上的高度区间；h值的确定通过云层模型来计算。

步骤5、将信号接收器上下移动到汇聚点位置并启动信号传输；

步骤6、信号传输完毕。

入射点对汇聚高度的影响：

设云层边缘折射率n_j与大气折射率n_k都为1，云层中心折射率n₀为1.02，云层半径R为0.3km，云层厚度z₀为0.5km。取毫米波不同入射点r₀，通过计算机仿真计算得到相应的汇聚高度分布如表1所示，并仿真模拟出相应的汇聚高度h随入射点r₀的变化情况，如图8所示。

从图8中可以看出，毫米波的汇聚高度h随入射点r₀的增大而增大，更重要的是，随入射点r₀的增大，毫米波汇聚点的间隔也在逐渐增大，这表示采用能量高度集中的窄宽度毫米波光束向云层中心范围垂直入射时，其出射后汇聚性更强，更有利于能量的重新聚合。

表1、毫米波汇聚高度数据表(n₀＝1.02，R＝0.3km，z₀＝0.5km)

中心折射率对汇聚高度的影响：设云层边缘折射率n_j与大气折射率n_k都为1，云层半径R为0.3km，云层厚度z₀为0.5km，云层中心折射率n₀分别取1.02、1.03与1.04。取毫米波不同入射点r₀，通过计算机仿真计算得到相应的汇聚高度分布如表1、2和3所示，并仿真模拟出相应的汇聚高度h随入射点r₀的变化情况，如图9所示。从图9中可以看出，对于不同的中心折射率n₀，毫米波的汇聚高度h与入射点r₀的关系均与图8所得结论相同。但随着中心折射率n₀的增大，毫米波的汇聚高度h也逐渐增大。这表示毫米波的汇聚范围在增大，有助于接收信号距离的延长。

表2、毫米波汇聚高度数据表(n₀＝1.03，R＝0.3km，z₀＝0.5km)

表3、毫米波汇聚高度数据表(n₀＝1.04，R＝0.3km，z₀＝0.5km)

云层半径对汇聚高度的影响：

设云层边缘折射率n_j与大气折射率n_k都为1，云层中心折射率n₀为1.02，云层厚度z₀为0.5km，云层半径R为0.3km和0.4km。取毫米波不同入射点r₀，通过计算机仿真计算得到相应的汇聚高度分布如表4和5所示，并仿真模拟出相应的汇聚高度h随入射点r₀的变化情况，如图10所示。从图10中可以看出，随着云层半径R的增大，毫米波的汇聚高度h在逐渐减小。这表示毫米波的汇聚范围在减小，汇聚性更强，更有利于能量的重新聚合。

表4、毫米波汇聚高度数据表(n₀＝1.02，R＝0.3km，z₀＝0.5km)

表5、毫米波汇聚高度数据表(n₀＝1.02，R＝0.4km，z₀＝0.5km)

云层厚度对汇聚高度的影响：

设云层边缘折射率n_j与大气折射率n_k都为1，云层中心折射率n₀为1.02，云层半径R为0.3km，云层厚度z₀为0.3km、0.4km和0.5km。取毫米波不同入射点r₀，通过计算机仿真计算得到相应的汇聚高度分布如表6、7和1所示，并仿真模拟出相应的汇聚高度h随入射点r₀的变化情况，如图11、12和13所示。

从图11、12和13中可以看出，随着云层厚度z₀的增大，毫米波的汇聚高度h也在增大。且毫米波的汇聚范围也在逐渐增大。这表示在已知的云层厚度情况下，可以通过仿真计算出毫米波重新汇集的区域以及范围，有助于信号接收器的选点。

表6、毫米波汇聚高度数据表(n₀＝1.02，R＝0.3km，z₀＝0.3km)

表7、毫米波汇聚高度数据表(n₀＝1.02，R＝0.3km，z₀＝0.4km)

本发明的云层模型通过入射点、中心折射率、云层半径、云层厚度等参数的调整，计算传输信号所对应的毫米波穿过云层后的汇聚高度，调整信号接收塔内对应信号接收器的位置，使得信号传输稳定高效。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种地对空信号传输系统，其特征在于：包括位于地面上的信号接收塔和位于云层之上的飞行信号中继器；

所述信号接收塔设有若干层，每层内均设有位于同一竖直线上的信号接收器，所述信号接收器在其所在的层内可上下移动，所述信号接收器与飞行信号中继器之间进行信号传输；

所述飞行信号中继器能够移动至信号接收塔正上方信号接收器连线的对应位置附近，所述飞行信号中继器发出信号经云层折射后汇聚，产生汇聚点，所述汇聚点与云层顶面的垂直高度为汇聚高度，所述信号接收塔依据汇聚点的高度位置选择对应的信号接收器并进行高度的位置调整；

所述汇聚点距离地面的高度的具体计算方法为：

基于信号接收塔位置建立坐标系，坐标系的原点为信号接收塔内信号接收器连线跟云层顶面相交的点，横坐标为跟云层顶面平行的线，纵坐标则在原点跟信号接收器的连线上；

所述信号飞行中继器移动至原点附近，即信号发射点就是原点，信号经过云层折射后汇聚，形成汇聚点，所述汇聚点到原点的高度为汇聚高度h，原点到地面的垂直H，则汇聚点到地面的高度p＝H-h；

所述汇聚点到地面的高度p若大于信号接收塔的高度，则位于信号接收塔内顶层内的信号接收器移动至该层顶端；所述汇聚点到地面的高度p若小于信号接收塔的高度，则选择信号接收塔内与该高度p匹配的层内的信号接收器，调整该层内信号接收器的高度与汇聚点到地面的高度p一致；

所述汇聚高度h通过建立云层模型来进行计算，具体方法为：

定义云层和大气层为同径圆柱体形状，在云层和大气层上建立一个坐标系，以云层顶面中心点为原点，横坐标为距离地面的高度，记为z轴，纵坐标为沿径向的长度，记为r轴，定义云层中心折射率为n₀，大气折射率为n_k，云层厚度为z₀，云层半径为R，云层折射率n沿径向变化，且满足公式：

将云层边缘折射率n_j和云层半径R代入公式(1)，可以计算出折射率分布常数A：

云层边缘折射率n_j即云层折射率n，云层边缘折射率n_j为云层沿径向最外层边缘折射率，当信号的毫米波从原点射入，则云层中心折射率为n₀与云层沿径向最外层边缘折射率n_j相等，则折射率分布常数A为0；

定义毫米波自纵坐标的r₀点入射，经过非线性介质云层后，在云层-大气层介质界面处与横轴的距离为：

在这一点的斜率为：

利用折射率公式解得偏折后的轨迹斜率：

结合公式(3)和公式(5)得到毫米波汇聚的汇聚高度公式为：

h＝r′_出×r+z₀ (7)

整理得：

其中，h为飞行信号中继器发射信号所对应的毫米波经过云层后汇聚的汇聚高度。

2.根据权利要求1所述的一种地对空信号传输系统，其特征在于：所述飞行信号中继器的数量为若干个，所述飞行信号中继器之间可以相互传输信号。

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