CN113612548A - 基于航空通信的天线功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计航空通信技术领域，公开了基于航空通信的天线功率控制方法，包括以下步骤：获取每一根天线收发无线信号时的功率，通过控制天线开角，构建天线收发功率优化模型，从而降低每一根天线上的功率；所述天线为M×M的天线矩阵ULA；当天线在降低功率时，避免某根天线的功率急剧下降；排除四周天线在降低功率时，对中心天线所造成的干扰。为降低每根天线的功率，本方案引入了天线收发无线信号角度的因素，通过控制天线开角来控制天线的功率，当天线开角在设定范围内时，可以不断调整天线开角，使得天线功率找到一个最低值。

Description

基于航空通信的天线功率控制方法

技术领域

本发明涉及航空通信技术领域，特别涉及一种基于航空通信的天线功率控制方法。

背景技术

航空飞机与地面的联络非常重要，航通通信依靠通信频段来完成，万米高空中飞机与地面联络主要通信频段是高频和甚高频。其中无线电应用在高频时，频段在2～30MHz范围内，负责的是飞机与地面间较远距离的通信，其可以被高空的电离层反射，形成天波，反射距离可达4000km。无线电应用在甚高频时，频段在118MHz～136.975MHz范围内，负责的是飞机与地面间视距范围内的通信，比高频无线电的通信距离要短。这是因为其由于频率过高，容易穿透电离层，不能被电离层反射形成天波，且在空间介质中衰减较大。

那么航空通信设备的即包括高频天线和甚高频天线，高频天线通常安装在飞机的尾部或垂直安定面前缘，垂直安定面就是飞机后面那个垂直尾翼的一个固定面；而甚高频天线则一般独立分布在机腹和机顶。当高频天线或甚高频天线仅使用一副天线来传输航通信号时，金可以产生等增益波束，但是单天线传输意味着该天线需要具有较大的发射功率和接收功率来保证信号覆盖范围，这对天线的功率要求非常高。于是设计了多跟天线生成全向波束的传输方案，这样能使功率均匀分布在各根天线上，但是为了提高通信质量，提升信号增益，还是需要尽可能的降低每根天线上的功率。

发明内容

本发明的目的在于尽可能的降低每根天线上的功率，并且在降低各根天线功率时，还要避免天线的功率急剧下降，并且排除四周天线在降低功率时，对中线天线所造成的干扰，公开了一种基于航空通信的天线功率控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

基于航空通信的天线功率控制方法，包括以下步骤：

获取每一根天线收发无线信号时的功率，通过控制天线开角，构建天线收发功率优化模型，从而降低每一根天线上的功率；

所述天线为M×M的天线矩阵ULA：

当天线在降低功率时，避免某根天线的功率急剧下降；

排除四周天线在降低功率时，对中心天线所造成的干扰。

所述获取每一根天线收发无线信号时的功率的步骤，包括：

每一根天线收发无线信号时的增益为G_ij，则天线在收发无线信号时的功率为：

其中，

为第i行第j根天线在收发无线信号时的功率，θ_q为天线开角，α为天线的增益参数，v(θ_q)_ij为天线的开角导向矢量，K为轴比修正因子；且有：

θ_q∈[θ_min,θ_max]

θ_min为天线开角的最小值，θ_max为天线开角的最大值。

控制天线开角的步骤，包括：

实时获取天线的时隙信号，根据本次时隙信号计算周期T内的电压值以及采集电压值的次数，当周期内平均电压值不在计划周期电压范围内时，向天线的时隙端子输出脉冲，激励时隙信号，使得调整后的周期内平均电压值在计划周期电压范围内；

在调整周期内平均电压时，向天线的时隙端子输出脉冲后，天线的开角导向矢量v(θ_q)_ij会改变：

v(θ_q)_ij＝r_ijπdM₀sinθ_q (2)

其中，r_ijπd为根据无线信号传输距离变化而变化的开角导向变量；M₀为向天线的时隙端子输出的脉冲；sinθ_q中θ_q为天线开角；

d为无线信号传输距离，λ为无线信号的波长，t为无线信号传输时间，T为传输周期。

所述实时获取天线的时隙信号，根据本次时隙信号计算周期T内的电压值以及采集电压值的次数的步骤，包括：

获取天线的时隙信号R后，分析时隙信号R在周期T内的子帧个数k，每个子帧下采集一次电压，从而获得每个子帧的电压值u_k，u_k为第k个子帧下的电压值；

计算周期内平均电压值：

设定计划周期电压范围为[u_min,u_max]，计划周期电压范围根据天线实际工作频段设定；

向天线的时隙端子输出的脉冲M₀时，u_k＝M₀·ε(4)，ε为子帧信道衰落参数。

所述构建天线收发功率优化模型，从而降低每一根天线上的功率的步骤，包括：

将式(2)、(4)带入式(1)，得到：

可见，天线的功率仅受到天线开角θ_q的影响，而天线开角θ_q不仅受限于θ_q∈[θ_min,θ_max](6)，还需要使：

θ_q(i-1)j+θ_qi(j-1)+θ_qij+θ_qi(j+1)+θ_q(i+1)j≤π (7)

其中，θ_qij为第i行第j根天线的开角，θ_q(i-1)j为第i行第j根天线的上一行临近天线的开角，θ_qi(j-1)为第i行第j根天线的上一列临近天线的开角，θ_qi(j+1)为第i行第j根天线的下一列临近天线的开角，θ_q(i+1)j为第i行第j根天线的下一行临近天线的开角。

所述当天线在降低功率时，避免某根天线的功率急剧下降的步骤，包括：

从式(7)可知，当调整任一天线开角θ_q时，该天线的四周相邻天线的开角也会受到影响，从而四周相邻天线的功率也会受到影响，则在降低天线功率时，监测相邻两根天线之间的功率差；

当相邻两根天线之间的功率差超出预设功率差时，则停止改变其中功率较低的一根天线的开角。

所述排除四周天线在降低功率时，对中心天线所造成的干扰的步骤，包括：

将任一天线作为中心天线时，构建中心天线的无源自相关函数S_L：

其中，N为中心天线在收发无线信号时的信道编码数量，l_k为第k个信道编码码长，p_k为第k个信道编码的使用概率；

确定中心天线四周的相邻天线的干扰信道：

其中，H_(i-1)j为中心天线的上一行临近天线的干扰信道，H_(i+1)j为中心天线的下一行临近天线的干扰信道，H_i(j-1)为中心天线的上一列临近天线的干扰信道，H_i(j+1)为中心天线的下一列天线的干扰信道；

对每一根天线引入无源干扰函数S_H：

其中，I_exc为干扰信道的排除因子。

本发明的有益效果：

(1)为降低每根天线的功率，本方案引入了天线收发无线信号角度的因素，通过控制天线开角来控制天线的功率，当天线开角在设定范围内时，可以不断调整天线开角，使得天线功率找到一个最低值。

(2)如果天线开角不在设定范围内后，天线的功率会急剧下降，因此本方案通过限定开角的方式，控制天线的功率不急剧下降，那么此时天线的功率则会稳住不降低。

(3)在降低所有天线的功率时，天线会因为四周天线降低功率而对自身的信道产生干扰，比如天线ij则会受到天线(i-1)j、i(j-1)、i(j+1)、(i+1)j的干扰，因此需要排除天线间在降低功率时相互产生的干扰。

附图说明

图1为本发明天线功率控制方法流程图；

图2为本申请实施例中心天线、四周天线的分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，在本发明提供了一种基于航空通信的天线功率控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取每一根天线收发无线信号时的功率，通过控制天线开角，构建天线收发功率优化模型，从而降低每一根天线上的功率。

所述天线为M×M的天线矩阵ULA：

首先获取每一根天线接收和发送无线信号时的功率，请参见图2，设定ij为第i行第j根天线，该根天线的四周天线分别为(i-1)j、i(j-1)、i(j+1)、(i+1)j，那么天线ij则定义为中心天线，中线天线四周的天线定义为临近天线。但比如当i＝1时，则中心天线没有上一行的临近天线；当j＝1时，则中心天线没有上一列的临近天线。其中i＝1，…，M；j＝1，…，M。

容易得知的，天线矩阵ULA的四个角的天线只有两根相邻天线，四条最外层边上的天线只有三根相邻天线。

每一根天线收发无线信号时的增益为G_ij，则天线在收发无线信号时的功率为：

其中，

为第i行第j根天线在收发无线信号时的功率，θ_q为天线开角，α为天线的增益参数，v(θ_q)_ij为天线的开角导向矢量，K为轴比修正因子；且有：

θ_q∈[θ_min,θ_max]

θ_min为天线开角的最小值，θ_max为天线开角的最大值。

实时获取天线的时隙信号，根据本次时隙信号计算周期T内的电压值以及采集电压值的次数，当周期内平均电压值不在计划周期电压范围内时，向天线的时隙端子输出脉冲，激励时隙信号，使得调整后的周期内平均电压值在计划周期电压范围内。

获取天线的时隙信号R后，分析时隙信号R在周期T内的子帧个数k，每个子帧下采集一次电压，从而获得每个子帧的电压值u_k，u_k为第k个子帧下的电压值；

计算周期内平均电压值：

设定计划周期电压范围为[u_min,u_max]，计划周期电压范围根据天线实际工作频段设定；

向天线的时隙端子输出的脉冲M₀时，u_k＝M₀·ε(4)，ε为子帧信道衰落参数。

在调整周期内平均电压时，向天线的时隙端子输出脉冲后，天线的开角导向矢量v(θ_q)_ij会改变：

v(θ_q)_ij＝r_ijπdM₀sinθ_q (2)

其中，r_ijπd为根据无线信号传输距离变化而变化的开角导向变量；M₀为向天线的时隙端子输出的脉冲；sinθ_q中θ_q为天线开角；

d为无线信号传输距离，λ为无线信号的波长，t为无线信号传输时间，T为传输周期。

将式(2)、(4)带入式(1)，得到：

可见，天线的功率仅受到天线开角θ_q的影响，而天线开角θ_q不仅受限于θ_q∈[θ_min,θ_max](6)，还需要使：

θ_q(i-1)j+θ_qi(j-1)+θ_qij+θ_qi(j+1)+θ_q(i+1)j≤π (7)

其中，θ_qij为第i行第j根天线的开角，θ_q(i-1)j为第i行第j根天线的上一行临近天线的开角，θ_qi(j-1)为第i行第j根天线的上一列临近天线的开角，θ_qi(j+1)为第i行第j根天线的下一列临近天线的开角，θ_q(i+1)j为第i行第j根天线的下一行临近天线的开角。所以通过调整天线开角的方式，可以降低天线功率。

可见，为降低每根天线的功率，本方案引入了天线发送信号角度的因素，通过控制信号发送角度来控制天线的功率，当天线开角在设定范围内时，可以不断调整天线开角，使得天线功率找到一个最低值。

步骤S2：当天线在降低功率时，避免某根天线的功率急剧下降。

从式(7)可知，当调整任一天线开角θ_q时，该天线的四周相邻天线的开角也会受到影响，从而四周相邻天线的功率也会受到影响，则在降低天线功率时，监测相邻两根天线之间的功率差；

当相邻两根天线之间的功率差超出预设功率差时，则停止改变其中功率较低的一根天线的开角。由于定位不同时，每根天线都可以作为中心天线，比如当天线22作为中心天线时，天线22和天线21的功率差超出预设功率，且天线21的功率比天线22的功率低时，则停止调整天线21的开角θ_q22，此时天线21的功率停止降低。然后天线23则可以作为中心天线，调整天线23四周天线的开角。

解释一个问题，如果不受限制的话，天线的功率会不断降至0，但是在天线收发无线信号时，是有电压存在的，只要电压存在，则M₀不会为0，那么功率也自然不会为0。

如果天线开角不在设定范围内后，天线的功率会急剧下降，因此本方案通过限定开角的方式，控制天线的功率不急剧下降，那么此时天线的功率则会稳住不降低。

步骤S3：排除四周天线在降低功率时，对中心天线所造成的干扰。

将任一天线作为中心天线时，构建中心天线的无源自相关函数S_L：

其中，N为中心天线在收发无线信号时的信道编码数量，l_k为第k个信道编码码长，p_k为第k个信道编码的使用概率；

确定中心天线四周的天线的干扰信道：

其中，H_(i-1)j为中心天线的上一行临近天线的干扰信道，H_(i+1)j为中心天线的下一行临近天线的干扰信道，H_i(j-1)为中心天线的上一列临近天线的干扰信道，H_i(j+1)为中心天线的下一列天线的干扰信道；

对每一根天线引入无源干扰函数S_H：

其中，I_exc为干扰信道的排除因子。

在降低所有天线的功率时，天线会因为四周天线降低功率而对自身的信道产生干扰，比如天线ij则会受到天线(i-1)j、i(j-1)、i(j+1)、(i+1)j的干扰，因此需要排除天线间在降低功率时相互产生的干扰。

飞机是通过天线来与地面传输信号的，在传输信号时通常都会尽可能的降低传输功率，因为这样能降低功耗。但是在降低功率时，由于天线是以天线矩阵的形式存在的，所以在降低某一根天线的功率时，有可能天线的功率会急剧下降，急剧下降的话也不行，因为急剧下降会导致信号传输质量降低。所以本方案的创新点1是如何在降低天线矩阵功率时，避免天线的功率急剧下降。再有，每一根天线都可以作为天线矩阵的中心天线，那么在每一根天线都作为独立的中心天线降低功率的时候，该中心天线周围的天线也在降低功率，那么周围的天线在降低功率的同时会对中心天线造成干扰，所以本方案的创新点2是在天线矩阵降低功率时，排除周围天线对中线天线造成的干扰。

至此，本领域技术人员认识到，虽然本文已详尽展示和描述了本发明的实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导符合本发明原理的许多其他变形或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变形或修改。

Claims (7)

1.基于航空通信的天线功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取每一根天线收发无线信号时的功率，通过控制天线开角，构建天线收发功率优化模型，从而降低每一根天线上的功率；

所述天线为M×M的天线矩阵ULA：

当天线在降低功率时，避免某根天线的功率急剧下降；

排除四周天线在降低功率时，对中心天线所造成的干扰。

2.根据权利要求1所述的基于航空通信的天线功率控制方法，其特征在于，所述获取每一根天线收发无线信号时的功率的步骤，包括：

每一根天线收发无线信号时的增益为G_ij，则天线在收发无线信号时的功率为：

其中，

为第i行第j根天线在收发无线信号时的功率，θ_q为天线开角，α为天线的增益参数，v(θ_q)_ij为天线的开角导向矢量，K为轴比修正因子；且有：

θ_q∈[θ_min,θ_max]

θ_min为天线开角的最小值，θ_max为天线开角的最大值。

3.根据权利要求2所述的基于航空通信的天线功率控制方法，其特征在于，控制天线开角的步骤，包括：

实时获取天线的时隙信号，根据本次时隙信号计算周期T内的电压值以及采集电压值的次数，当周期内平均电压值不在计划周期电压范围内时，向天线的时隙端子输出脉冲，激励时隙信号，使得调整后的周期内平均电压值在计划周期电压范围内；

在调整周期内平均电压时，向天线的时隙端子输出脉冲后，天线的开角导向矢量v(θ_q)_ij会改变：

v(θ_q)_ij＝r_ijπdM₀sinθ_q (2)

其中，r_ijπd为根据无线信号传输距离变化而变化的开角导向变量；M₀为向天线的时隙端子输出的脉冲；sinθ_q中θ_q为天线开角；

d为无线信号传输距离，λ为无线信号的波长，t为无线信号传输时间，T为传输周期。

4.根据权利要求3所述的基于航空通信的天线功率控制方法，其特征在于，所述实时获取天线的时隙信号，根据本次时隙信号计算周期T内的电压值以及采集电压值的次数的步骤，包括：

获取天线的时隙信号R后，分析时隙信号R在周期T内的子帧个数k，每个子帧下采集一次电压，从而获得每个子帧的电压值u_k，u_k为第k个子帧下的电压值；

计算周期内平均电压值：

设定计划周期电压范围为[u_min,u_max]，计划周期电压范围根据天线实际工作频段设定；

向天线的时隙端子输出的脉冲M₀时，u_k＝M₀·ε(4)，ε为子帧信道衰落参数。

5.根据权利要求4所述的基于航空通信的天线功率控制方法，其特征在于，所述构建天线收发功率优化模型，从而降低每一根天线上的功率的步骤，包括：

将式(2)、(4)带入式(1)，得到：

可见，天线的功率仅受到天线开角θ_q的影响，而天线开角θ_q不仅受限于θ_q∈[θ_min,θ_max](6)，还需要使：

θ_q(i-1)j+θ_qi(j-1)+θ_qij+θ_qi(j+1)+θ_q(i+1)j≤π (7)

其中，θ_qij为第i行第j根天线的开角，θ_q(i-1)j为第i行第j根天线的上一行临近天线的开角，θ_qi(j-1)为第i行第j根天线的上一列临近天线的开角，θ_qi(j+1)为第i行第j根天线的下一列临近天线的开角，θ_q(i+1)j为第i行第j根天线的下一行临近天线的开角。

6.根据权利要求5所述的基于航空通信的天线功率控制方法，其特征在于，所述当天线在降低功率时，避免某根天线的功率急剧下降的步骤，包括：

从式(7)可知，当调整任一天线开角θ_q时，该天线的四周相邻天线的开角也会受到影响，从而四周相邻天线的功率也会受到影响，则在降低天线功率时，监测相邻两根天线之间的功率差；

当相邻两根天线之间的功率差超出预设功率差时，则停止改变其中功率较低的一根天线的开角。

7.根据权利要求1所述的基于航空通信的天线功率控制方法，其特征在于，所述排除四周天线在降低功率时，对中心天线所造成的干扰的步骤，包括：

将任一天线作为中心天线时，构建中心天线的无源自相关函数S_L：

其中，N为中心天线在收发无线信号时的信道编码数量，l_k为第k个信道编码码长，p_k为第k个信道编码的使用概率；

确定中心天线四周的相邻天线的干扰信道：

其中，H_(i-1)j为中心天线的上一行临近天线的干扰信道，H_(i+1)j为中心天线的下一行临近天线的干扰信道，H_i(j-1)为中心天线的上一列临近天线的干扰信道，H_i(j+1)为中心天线的下一列天线的干扰信道；

对每一根天线引入无源干扰函数S_H：

其中，I_exc为干扰信道的排除因子。

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