CN113329416B

CN113329416B - 无人机载天线阵列的波束对准方法、系统

Info

Publication number: CN113329416B
Application number: CN202110444004.9A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 陶艺文; 赵成林; 许方敏
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2041-04-23
Also published as: CN113329416A

Abstract

本公开提供一种无人机载天线阵列的波束对准方法、系统，所述方法包括：预测第一无人机和第二无人机在目标校准时刻的第一位置，并确定第一无人机的第一波束发射角度和第二无人机的第二波束发射角度，以进行第一次波束对准且得到接收对方信号的第一功率；将第一位置更新为第二位置，并确定第一无人机的第三波束发射角度和第二无人机的第四波束发射角度，以进行第二次波束对准且得到接收对方信号的第二功率；根据第一波束发射角度、第二波束发射角度、第一功率、第三波束发射角度、第四波束发射角度和第二功率，以进行第三次波束对准。本公开提出的方法实现了无人机载天线阵列的波束进行快速且高精度的对准。

Description

无人机载天线阵列的波束对准方法、系统

技术领域

本公开涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机载天线阵列的波束对准方法、系统。

背景技术

无人机作为一种未来通信网络中极具潜力的辅助工具，具有诸多优良特性，包括：高度灵活的机动性、干净的通信信道环境、以及更好的地面覆盖特性等等。因此，无人机能够在多种特殊环境(例如遥感遥测、密集覆盖、灾害救援等场景)中发挥作用，因而受到愈发广泛的关注。然而，无人机在提供便利通信条件的同时，受到为延长续航时间、提供飞行动力而带来的能量限制，以及无人机本身规格所决定的搭载硬件尺寸限制。因此，未来无人机将多搭载工作于毫米波(Millimeter Wave，mmWave)波段的多天线装置，通过波束赋形，以发射波束的形式进行与其他通信节点(包括无人机、基站等)的高效信息传输。如此，既能保证以较低的发射功率将能量汇集到通信目标方向，并提供高质量通信；又能得益于毫米波信号的短波长特性，使得尺寸受限的无人机硬件空间能够搭载较多阵元的毫米波天线阵列。

毫米波多天线波束通信虽然能够为无人机通信系统提供极大的便利，但同时也为无人机系统提出了挑战。具体来说，毫米波多天线通信需要波束之间的精确对准，以应对毫米波信号的极强衰减性质。而无人机本身的性质决定了其在通信过程中将处于不断运动的状态，并且其位置由于诸多因素(包括无人机自身路径规划、风速等其他因素)而呈现出较强的随机性。这种无人机位置随机性将对多天线波束的实时校准造成困难，而连续的波束偏离必将影响无人机系统的正常通信，并降低可靠通信信道容量。传统上，波束方向的动态实时校准一般通过诸如最小均方误差(Minimum Mean-Square-Error，MMSE)等的优化算法进行实现。然而，这类算法通常需要在较为庞大的优化空间中搜索最优波束配对，因而具有较高的处理复杂度以及运算时延，不利于能量受限的无人机系统的快速实时信息传输。此外，相关研究也提出以波束跟踪的方式进行实时无人机载天线阵列波束校准，但这些方法通常也需要数次以上的波束调整过程。综上所述，目前亟需发展无人机多天线快速实时波束校准技术。

发明内容

有鉴于此，本公开的目的在于提出一种无人机载天线阵列的波束对准方法、系统。

基于上述目的，本公开提供了一种无人机载天线阵列的波束对准方法，包括：

基于第一无人机、第二无人机在目标校准时刻t之前的至少一个估计位置，预测所述第一无人机和第二无人机在t时刻的第一位置；

基于所述第一位置，确定所述第一无人机的第一波束发射角度和第二无人机的第二波束发射角度；

分别按照所述第一波束发射角度和所述第二波束发射角度来调整所述第一无人机的波束方向和所述第二无人机的波束方向，以进行第一次波束对准，并在所述第一次波束对准后测量所述第一无人机、所述第二无人机接收对方信号的第一功率；

基于所述第一位置和所述第一功率，分别将所述第一无人机和所述第二无人机的所述第一位置更新为第二位置；

基于所述第二位置，确定所述第一无人机的第三波束发射角度和所述第二无人机的第四波束发射角度；

分别按照所述第三波束发射角度和所述第四波束发射角度来调整所述第一无人机的波束方向和所述第二无人机的波束方向，以进行第二次波束对准，并在所述第二次波束对准后测量所述第二无人机、所述第一无人机接收对方信号的第二功率；

根据所述第一波束发射角度、所述第二波束发射角度、所述第一功率、所述第三波束发射角度、所述第四波束发射角度和所述第二功率，计算在t时刻所述第一无人机、所述第二无人机所在的目标角度，并按照所述目标角度调整所述第一无人机、所述第二无人机的波束方向，以进行第三次波束对准。

基于同一发明构思，本公开还提供了一种无人机载天线阵列的波束对准系统，包括：

载有第一天线阵列的第一无人机；

载有第二天线阵列的第二无人机；以及

控制器，与所述第一无人机和所述第二无人机都通信连接，并且用于：

从上面所述可以看出，本公开提供的无人机载天线阵列的波束对准方法、系统，通过预测第一无人机、第二无人机的位置，初步使第二无人机波束与第一无人机波束进行尝试对准；进一步通过更新第一无人机、第二无人机的位置，再次使第一无人机波束尝试对准第二无人机波束；最终通过计算第一无人机、第二无人机所在的目标角度，按照目标角度调整第一无人机、第二无人机的波束方向，实现第二无人机波束对准第一无人机波束，以进行信息传输。第一无人机与第二无人机波束对准的整个过程快速，且对准的精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本公开或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开的无人机载天线阵列的波束对准方法流程图；

图2为本公开的定位误差-噪声功率折线图；

图3为本公开的角度估计误差-噪声功率折线图；

图4为本公开的无人机载天线阵列的波束对准系统结构示意图；

图5为本公开的电子设备结构示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

如背景技术部分所述，现有的无人机载天线阵列对准方案还难以满足需要。申请人在实现本公开的过程中发现，现在有的无人机载天线阵列对准方案存在的主要问题在于：具有较高的处理复杂度以及运算延时，进行波束调整的次数过多，不利于能量受限的无人机系统的快速实时信息传输。

为解决上述技术问题，本公开提供了一种无人机载天线阵列的波束对准方法、系统。

以下，通过具体的实施例进一步详细说明本公开的技术方案。

参考图1，本说明书一个实施例的无人机载天线阵列的波束对准方法，所述无人机载天线阵列工作于毫米波段，所述无人机载天线阵列的波束对准方法包括以下步骤：

步骤S101：基于第一无人机、第二无人机在目标校准时刻t之前的至少一个估计位置，预测所述第一无人机、第二无人机在t时刻的第一位置。

本步骤中，将无人机置于平面坐标系统中，第二无人机位于坐标原点，坐标(0,0)。第一无人机坐标为(x,y)，其与第二无人机之间的真实夹角为θ。

相应的，将所述第一无人机第一校准时刻t-1的位置估计值记作

所述第一无人机第二校准时刻t-2的位置估计值记作

则目标校准时刻t时所述第一无人机的速度的计算公式为：

其中，v_x表示x坐标方向速度，v_y表示y坐标方向速度，Δt表示前两时刻之间的时间间隔。

进一步地，根据所述速度和所述第一无人机在t-1时刻的估计位置，预测所述第一位置，具体的：

可将所述第一无人机的第一位置记作

第一位置

的计算公式为：

步骤S102：基于所述第一位置，确定所述第一无人机的第一波束发射角度和第二无人机的第二波束发射角度。

本步骤中，所述第二无人机的第二波束发射角度

的计算公式为：

同样的，可利用第二波束发射角度

的计算公式对第一无人机的第一波束发射角度

进行计算。

步骤S103：分别按照所述第一波束发射角度和所述第二波束发射角度来调整所述第一无人机的波束方向和所述第二无人机的波束方向，以进行第一次波束对准，并在所述第一次波束对准后测量所述第一无人机、所述第二无人机接收对方信号的第一功率。

本步骤中，将所述第二无人机从所述第一无人机接收信号的所述第一功率记作

第一功率

的计算公式为：

其中，P_T表示第一无人机发射功率，G₁表示第二无人机天线波束主瓣增益，

表示第二无人机由波束偏离引入的第一损耗，G₂表示第一无人机天线波束主瓣增益，

表示第一无人机由波束偏离引入的第二损耗，P_L表示路径损耗，n表示测量噪声。

容易理解的是，在计算所述第一无人机从所述第二无人机接收信号的第一功率时，可将第一功率

的计算公式中的第一无人机发射功率换成第二无人机发射功率后进行计算。

具体的，所述第二无人机由波束偏离引入的第一损耗

的计算公式为：

其中，θ表示第一无人机与第二无人机的真实夹角，θ_m1表示第二无人机的主瓣宽度。

所述第一无人机由波束偏离引入的第二损耗

的计算公式为：

其中，θ_m2为第一无人机的主瓣宽度。

所述路径损耗P_L的计算公式为：

其中，d₀表示参考距离，β表示路径损耗指数。

步骤S104：基于所述第一位置和所述第一功率，分别将所述第一无人机和所述第二无人机的所述第一位置更新为第二位置。

本步骤中，通过序贯算法，分别将所述第一无人机、所述第二无人机的所述第一位置更新为所述第二位置。

进一步地，所述序贯算法包括基于粒子滤波的后验概率分布算法，其中，用粒子的状态来模拟所述第一无人机或所述第二无人机的实时位置。

具体的，可将所述第一无人机或所述第二无人机的第二位置的坐标记为

基于最大后验准则的第二位置

的计算方法如下：

其中，φ(x_t,y_t|x_t-1,y_t-1)表示第一无人机或第二无人机位置状态的一步转移概率分布，

表示第一无人机或第二无人机位置的后验概率分布。

具体的，所述第一无人机或第二无人机位置的后验概率分布

的计算方法如下：

基于查普曼-科莫高洛夫方程对所述第一无人机或所述第二无人机的位置分布进行预测：

其中，

表示预测得到的第一无人机或第二无人机位置概率分布；

基于贝叶斯公式对预测得到的所述第一无人机或第二无人机位置概率分布

进行更新：

其中，

表示第一功率的似然函数，似然函数

的计算公式为：

其中，N表示取高斯分布概率密度位于

的值，P_BL1表示第二无人机由波束偏离引入的第三损耗，P_BL2表示第一无人机有波束偏离引入的第四损耗，σ表示接收噪声的标准差；

具体的，P_BL1和P_BL2的计算方法为：

其中，

表示第二无人机与第一无人机第二位置的夹角，

的计算方法为：

可以理解的是，上述计算第一无人机或第二无人机位置概率分布

以及对第一无人机或第二无人机位置概率分布

的更新，均包含关于第一无人机或第二无人机位置分布的复杂积分运算，难以用数值方法进行计算；此外，这种高复杂度运算不适用于无人机的低能耗通信。因此，在求解时进一步采用蒙特卡洛思想，基于粒子滤波对第一无人机或第二无人机位置的后验概率分布

进行计算，具体计算方法如下：

设置一组粒子{ε⁽ⁱ⁾,w⁽ⁱ⁾}_i＝1 ^W，其中ε⁽ⁱ⁾表示第i个粒子的状态，并用来模拟第一无人机或第二无人机的实时位置；w⁽ⁱ⁾表示对应于第i个粒子的权重；W表示粒子总数量；

相应的，t时刻第一无人机或第二无人机的位置可表示为：

其中，δ(·)为狄拉克函数，表示粒子状态的采样值；

进一步地，基于序贯重要性采样(SIS)函数来更新所述粒子的状态，并将第一无人机或第二无人机位置状态的一步转移概率分布作为所述粒子SIS函数，其中，所述粒子状态更新的公式为：

进而，基于所述第一功率对每个粒子对应的权重进行更新，其更新的公式为：

其中，

表示基于粒子滤波的测量接收信号功率的似然函数；

最后，基于更新后的粒子系统，并根据期望最大后验(EAP)方法对第一无人机或第二无人机的目标校准时刻位置估计值进行计算，其公式如下：

步骤S105：基于所述第二位置，确定所述第一无人机的第三波束发射角度和所述第二无人机的第四波束发射角度；

本步骤中，所述第二无人机的第四波束发射角度

的计算公式为：

同样的，可利用第四波束发射角度

的计算公式对第一无人机的第三波束发射角度

进行计算。

步骤S106：分别按照所述第三波束发射角度和所述第四波束发射角度来调整所述第一无人机的波束方向和所述第二无人机的波束方向，以进行第二次波束对准，并在所述第二次波束对准后测量所述第二无人机、所述第一无人机接收对方信号的第二功率。

本步骤中，将所述第二无人机从所述第一无人机接收信号的所述第二功率记作

第二功率

的计算公式为：

其中，

表示第二无人机由波束偏离引入的第五损耗，

表示第一无人机由波束偏离引入的第六损耗；

相应的，在计算所述第一无人机从所述第二无人机接收信号的第二功率时，可将第二功率

具体的，

的计算公式为：

的计算公式为：

步骤S107：根据所述第一波束发射角度、所述第二波束发射角度、所述第一功率、所述第三波束发射角度、所述第四波束发射角度和所述第二功率，计算在t时刻所述第一无人机、所述第二无人机所在的目标角度，并按照所述目标角度调整所述第一无人机、所述第二无人机的波束方向，以进行第三次波束对准。

本步骤中，将所述所述第一无人机或第二无人机所在的目标角度记作

目标角度

的计算公式如下：

可以理解的是，目标角度是在第一波束发射角度、第二波束发射角度、第三波束发射角度以及第四波束发射角度的基础上进行调整的，当进行目标角度的调整后，即根据目标角度调整波束使第一无人机对准第二无人机，完成整个无人机载天线阵列的波束对准过程，此时第二无人机和第一无人机可进行实时信息传输。

下面，根据数值仿真验证本公开提出的无人机载天线阵列的波束对准方法的有效性。仿真设置区域面积为100×100m²，无人机发射功率20dBm，无人机载天线阵列主瓣增益均为20dBm，参考距离1m，无人机载天线阵列主瓣宽度10°，路径损耗常数为2。

结合图2，第二无人机和第一无人机处于相对飞行情况下，经过三次波束对准第二无人机对第一无人机的实时位置估计的进行误差对比，第一次对准时第二无人机对第一无人机的位置估计精度较差，第二次对准后第二无人机对第一无人机的位置估计精度有所提升，经过第三次对准后第二无人机可对第一无人机位置做出较准确的判断，并且定位精度随噪声功率减小呈线性下降。

进一步参考图3，同样为第二无人机和第一无人机处于相对飞行的情况，经过三次波束对准后第二无人机对第一无人机所在的角度进行估计，很容易看出的是，在经过第三次波束对准后，第二无人机对第一无人机的角度估计精度得到了大幅度地提升，并且角度估计精度随噪声功率减小呈线性下降。

可见，在本实施例中，通过预测目标校准时刻第一无人机、第二无人机的位置，进行第一次波束对准。进一步对目标校准时刻第一无人机、第二无人机的位置进行更新，并且进行第二次波束对准。最终，根据前两次波束对准得到的第一功率、第二功率、第一波束发射角度、第二波束发射角度、第三波束发射角度以及第四波束发射角度，计算得到第一无人机、第二无人机所在的目标角度，从而进行第三次对准，最终第二无人机与第一无人机之间可进行信息传输。本实施例的方法经过少量次数的波束调整，可实现无人机载天线阵列的波束进行快速且高精度对准，具有较低的处理复杂度和运算延时，有利于能量受限的无人机系统的快速实时信息传输。

可以理解，该方法可以通过任何具有计算、处理能力的装置、设备、平台、设备集群来执行。

需要说明的是，本公开的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本公开的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是，上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

基于同一发明构思，本公开还提供了一种无人机载天线阵列的波束对准系统。参考图4，所述无人机载天线阵列的波束对准系统包括：

载有第一天线阵列的第一无人机401；

载有第二天线阵列的第二无人机403；以及

控制器402，与所述第一无人机和所述第二无人机都通信连接，并且用于：

进一步地，所述控制器被配置成：

通过序贯算法，分别基于所述第一无人机、所述第二无人机的所述第一位置和所述第一功率而将所述第一位置更新为所述第二位置。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本公开时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

图5示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、微处理器、应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用ROM(Read Only Memory，只读存储器)、RAM(Random AccessMemory，随机存取存储器)、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中(图中未示出)，也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块(图中未示出)，以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式(例如USB、网线等)实现通信，也可以通过无线方式(例如移动网络、WIFI、蓝牙等)实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件(例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040)之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的电子设备用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

本实施例的计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本公开难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本公开难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本公开的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本公开。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本公开旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。