CN114629545B - 一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法 - Google Patents

一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法 Download PDF

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CN114629545B CN202210237702.6A CN202210237702A CN114629545B CN 114629545 B CN114629545 B CN 114629545B CN 202210237702 A CN202210237702 A CN 202210237702A CN 114629545 B CN114629545 B CN 114629545B
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Abstract

本发明公开了一种无人机毫米波鲁棒性波束赋形设计方法，针对无人机基站服务多个地面用户的下行通信系统，在无人机存在抖动造成信号发射角不准确的情况下设计鲁棒性混合波束赋形。本方法包括：对由无人机基站和多个用户构成的下行通信系统进行建模、对无人机抖动进行建模、基于宽波束设计的鲁棒性模拟波束赋形设计方法和基于等效信道估计、迫零算法、注水功率分配的鲁棒性数字波束赋形设计方法，实现了波束宽度和指向增益之间的平衡，提高了系统服务质量保证了用户之间的公平性。

Description

一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法
技术领域
本发明属于无人机毫米波通信技术领域，具体是一种针对无人机抖动的毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法。
背景技术
随着无人机技术的快速发展，无人机可以作为空中基站、中继或终端，支持无缝连接、广域覆盖和远距离传输，可以在热点地区向地面用户提供增强服务，也可以在地面设施损坏的情况下建立临时的通信链路。相比与地面基站，无人机基站具有高度优势，可以灵活移动，且成本较低，更适合用于将高清视频、传感器数据等任务相关信息传输到地面终端。随着无人机应用范围的不断扩大，为满足各种新兴应用场景的需求，无人机需要更高效地收集、处理、传输大量数据，而现有的6GHz以下微波频段频谱资源已经非常短缺且干扰严重，无法满足未来无人机通信需求。将具有丰富频谱资源的毫米波频段应用于无人机通信中，结合波束赋形技术，可以为无人机高传输速率和超低延迟传输提供技术支持。除了具有丰富的频谱资源，无人机毫米波通信还具有很多其他优势，得益于毫米波信号波长短，使得在负载和尺寸有限的无人机上部署大规模阵列天线成为可能，毫米波指向性波束赋形可以有效提高波束增益和传输距离，且可以通过波分多址技术同时服务多个用户，提高频谱效率、降低干扰。此外，无人机通过调整位置和高度更容易与地面用户建立视距通信链路，因此，无人机毫米波通信具有很大的应用潜能。
然而相比于传统的地面通信，无人机毫米波通信会面临一些新的挑战。首先，无人机毫米波通信中信号的传播特性更为复杂，而且空气湍流、发动机震动等还会造成无人机机身的抖动，这也是无人机通信不同于地面通信的一个特性。尤其是对于毫米波信道，信道响应高度取决于信号的发射角和到达角，无人机频繁的姿态变化会造成发射角/接收角的不确定性，进而导致高指向性毫米波波束的波束失准和增益损失。因此，为了在无人机抖动场景中提供稳定可观的服务，估计发射角/接收角和鲁棒性波束赋形设计是非常必要的。其次，无人机的尺寸、载荷、功率均有限，一个射频链连接一根天线的传统的全数字波束赋形结构硬件成本和能耗太高，少量射频连接大量天线的混合波束赋形结构更适用于无人机平台。在无人机持续性抖动的场景中，波束宽度和指向增益需要得到很好的权衡以保证服务质量，尤其是对于离无人机基站较远的用户，提高服务质量和保证用户间的公平性是非常重要的。
发明内容
本发明提出一种针对无人机抖动情况的毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，通过设计抖动无人机基站的鲁棒性模拟波束赋形和鲁棒性数字波束赋形最大化最小的用户通信可达率。
本发明方法适用于无人机基站服务多个地面用户的下行传输系统或无人机基站服务多个低空无人机的下行传输系统，各场景传输机理类似，下面只针对地面用户场景展开说明。
本发明提出一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，具体步骤如下：
步骤一、建立无人机基站服务K个地面用户的下行通信系统模型。
步骤二、建立无人机基站到各个用户的通信信道模型。
步骤三、建立无人机基站的抖动模型，揭示无人机抖动角与信号发射角变化之间的关系。
步骤四、计算无人机基站到各个用户通信链路的可达率，构建目标函数，以最大化最小的用户可达率，提高系统服务质量和保证用户间的服务公平性。
步骤五、基于chirp序列为每个用户设计宽波束以覆盖所有可能的信号发射角范围，得到无人机基站处的鲁棒性模拟波束赋形矩阵。
步骤六、基于等效信道估计、迫零算法和注水功率分配设计无人机基站的鲁棒性数字波束赋形矩阵以减小用户间的干扰并保证用户间的公平性。
本发明的优点在于：
1、一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，对实际场景中无人机的抖动进行建模，揭示了无人机抖动角与信号发射角变化之间的关系；
2、一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，提出了一种鲁棒性模拟波束设计方法，通过设计宽波束可以覆盖整个信号发射角范围，实现了波束宽度和指向增益之间的平衡；
3、一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，提出了一种基于等效信道估计、迫零算法和注水功率分配的鲁棒性数字波束赋形设计方法，保证了用户间的服务公平性。
附图说明
图1为本发明无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法流程图。
图2为无人机基站服务多个地面用户的下行通信系统模型。
图3为无人机抖动模型。
图4为针对无人机基站最大抖动角为1°，5°和10°时所设计的宽波束的波束增益。
图5为本发明无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法与“扩展的优化算法”、“经典鲁棒波束赋形算法”的性能对比。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，如图1所示，具体步骤如下：
步骤一、建立无人机基站服务K个地面用户的下行通信系统模型。
如图2所示，以地面上任意一点为原点，x，y，z轴分别指向东、北、垂直向上。令K个地面用户的坐标分别为(xk,yk,0)，k＝1,2,…,K，无人机基站的坐标为(xU,yU,hU)。无人机基站配备有N元均匀线性阵列和NRF个射频链，不失一般性地，NRF＝K。令均匀线性阵列天线指向为x轴正方向，用户均为单天线，则无人机和用户的位置是彼此可知的。
用户k的接收信号uk为：
Figure GDA0004049203570000031
其中，
Figure GDA0004049203570000032
为无人机基站到用户k的信道状态响应向量；
Figure GDA0004049203570000033
为模拟波束赋形矩阵，且需要满足恒模约束
Figure GDA0004049203570000034
[A]i,j为矩阵A第i行、第j列的元素；
Figure GDA0004049203570000035
为数字波束赋形矩阵，需要满足功率约束
Figure GDA0004049203570000036
||·||F表示矩阵的Frobenius范数，P为无人机基站总传输功率；s＝[s1,s2,…,sK]T为无人机基站发送给用户的信号，满足
Figure GDA0004049203570000037
IK为K阶单位矩阵；ek为用户k处的功率为
Figure GDA0004049203570000038
的零均值高斯白噪声。
步骤二、建立无人机基站到各个用户的通信信道模型。
令无人机基站和用户之间总是存在视距通信链路且忽略非视距分量的影响，则无人机基站到用户之间的信道响应向量可以表示为
hk＝βka(Θk)   (2)
其中，
Figure GDA0004049203570000039
为无人机到用户k的视距链路的信道增益系数，f为载波频率，c为光速，rk为无人机到用户k的距离，α为视距链路的路径损耗指数；
Θk为无人机不存在抖动时的理想发射角度θk(根据空间位置计算得到)的余弦值，可以表示为
Θk＝cos(θk)＝cos<rk,rULA>   (3)
其中，rk＝(xk-xU,yk-yU,-hU)为无人机到用户k的传输方向，rULA＝(1,0,0)为初始天线指向方向，<rk,rULA>表示rk和rULA的夹角；
a(·)为天线指向向量，表示为
Figure GDA00040492035700000310
其中，d为相邻天线之间的距离，λ为信号波长，通常对于半波天线，有
Figure GDA00040492035700000311
j为虚数单位。
步骤三、建立无人机基站的抖动模型，揭示无人机抖动角与信号发射角变化之间的关系。
令无人机均匀线性阵列的三维随机抖动角Δθ在
Figure GDA00040492035700000410
范围内，即抖动时所有可能的阵列天线指向都包含在一个以初始指向为轴线的圆锥内，如图3所示，该圆锥母线和轴线的夹角为
Figure GDA00040492035700000411
即天线指向最大偏离角。不失一般性地，设圆锥轴线的长度为1，则实际天线指向角为
Figure GDA00040492035700000412
可以表示为
Figure GDA00040492035700000413
其中，
Figure GDA00040492035700000415
决定了抖动角的大小，ρ∈(0,2π]决定了抖动的方向，二者共同决定了实际的天线指向；则用户k实际存在抖动时的实际信号发射角为
Figure GDA00040492035700000414
实际的信道响应向量为
Figure GDA0004049203570000041
其中
Figure GDA0004049203570000042
Figure GDA0004049203570000043
为无人机存在抖动时的实际发射角度
Figure GDA0004049203570000044
的余弦值。
步骤四、计算无人机基站到各个用户通信链路的可达率，构建目标函数分别设计无人机基站处的模拟波束赋形矩阵和数字波束赋形矩阵，以最大化最小的用户可达率，提高系统服务质量和保证用户间的服务公平性。
用户k的接收信号信干噪比可以表示为
Figure GDA0004049203570000045
其中，[D]:k表示矩阵D的第k列，[D]:i表示矩阵D的第i列；
Figure GDA0004049203570000046
为用户k接收到的有用信号的等效信道增益，
Figure GDA0004049203570000047
为用户k接收到的发给其他用户的信息的等效信道增益，视为干扰信号，二者均由信道增益和波束增益构成，则用户k的通信可达率可以表示为
Rk＝log2(1+SINRk)                          (7)
通过设计无人机的混合波束赋形矩阵最大化最小的用户可达率，表示为
Figure GDA0004049203570000048
步骤五、基于chirp序列为每个用户设计宽波束以覆盖抖动时所有可能的信号发射角范围，得到无人机基站处的鲁棒性模拟波束赋形矩阵。
501、无人机基站向用户k发送信号的波束在角度域需要覆盖的宽度为
Figure GDA0004049203570000049
无人机基站向用户k发送信号的波束的中心角为
Figure GDA0004049203570000051
502、引入chirp序列生成宽波束以得到天线阵列响应向量，恒模chirp序列的通式表达式为
Figure GDA0004049203570000052
其中，[W]n表示向量W的第n个元素；A为恒模chirp序列每个元素的幅度，令
Figure GDA0004049203570000053
以满足模拟波束赋形矩阵的恒模约束。对于用户k，将W转化为模拟波束赋形向量的形式并将其拆分成两个序列
Figure GDA0004049203570000054
其中，Γk为用户k的模拟波束赋形向量；
Figure GDA0004049203570000055
表示向量pk和向量qk的哈达玛积，向量pk和向量qk分别决定了波束的中心角和宽度，根据实际线性调频信号中的中心频率和频带宽度映射得到；其中
Figure GDA0004049203570000056
决定了波束的中心角为ξk，
Figure GDA0004049203570000057
决定了波束的宽度为[2a+b,2aN+b]。
503、根据式(9)的波束宽度ωk，获得
Figure GDA0004049203570000058
中的参数a和b
Figure GDA0004049203570000059
因此，用户k的模拟波束赋形向量可以表示为
Figure GDA00040492035700000510
无人机基站处的模拟波束赋形矩阵为
A＝[Γ1,Γ2,…,ΓK]   (15)
如图4所示为针对无人机基站最大抖动角为1°，5°和10°时所设计的宽波束的波束增益，从图中可以看出，本发明所提出的宽波束设计方法可以很好地实现波束增益与波束宽度之间的平衡，在无人机抖动较为严重，即抖动角较大时，也可以有效覆盖所有可能的信道指向，鲁棒性较强。
步骤六、基于等效信道估计、迫零算法和注水功率分配设计无人机基站的鲁棒性数字波束赋形矩阵，以减小用户间的干扰并保证用户间的公平性。
601、利用上行信道和下行信道的对称性进行等效信道估计。
令每个用户分K个时隙向无人机基站发送K个导频信号，该导频信号由通信协议制定，因此无人机基站是已知的。用户k的导频信号为
fk＝[fk,1,fk,2,…,fk,K]T   (16)
任意两不同用户k1,k2的导频信号相互正交的，即满足
Figure GDA00040492035700000611
则全部用户的导频信号可以表示为
Figure GDA0004049203570000061
其中，Ep为用户的发射功率，且导频信号满足ΨHΨ＝EpIK。
602、无人机基站采用步骤五设计的模拟波束赋形矩阵接收用户发送的导频信号，第k个射频接收到的信号为
Figure GDA0004049203570000062
其中，
Figure GDA0004049203570000063
为基站天线处功率为
Figure GDA00040492035700000612
的零均值高斯白噪声构成的矩阵；
Figure GDA0004049203570000064
为用户i实际存在抖动时的实际的信道响应向量；fi为用户i的导频信号。
无人机基站接收到的信号为
S＝[s′1,s′2,…,s′K]   (19)
603、无人机基站根据接收到的信号和用户发送的导频信号，得到基站到用户的下行等效信道响应矩阵为
Figure GDA0004049203570000065
其中，Ψ*和S*分别表示矩阵Ψ和S的复共轭矩阵。
604、由迫零算法得到初始数字波束赋形矩阵为
Figure GDA0004049203570000066
对初始数字波束赋形矩阵进行如下归一化处理，方便对每个用户进行功率分配
Figure GDA0004049203570000067
其中，[D0]:,k表示归一化后的数字波束赋形矩阵D0的第k列，
Figure GDA0004049203570000068
表示矩阵
Figure GDA0004049203570000069
的第k列。
605、对每个用户进行功率分配，尽可能多地为等效信道增益小的用户分配更多的功率，以保证用户之间的服务公平性，向用户k发射信号的功率为
Figure GDA00040492035700000610
则无人机基站处的最终的数字波束赋形矩阵为
Figure GDA0004049203570000071
通过本发明无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，针对无人机基站服务多个地面用户的下行通信系统，在无人机存在抖动造成信号发射角不准确的情况下设计鲁棒性混合波束赋形，可以有效应对无人机的抖动、提高系统服务质量、保证用户之间的服务公平性。
图5为本专利所提出的鲁棒性混合波束赋形设计方法与“扩展的优化算法”、“经典鲁棒波束赋形算法”的性能对比。其中“扩展的优化算法”指采用基于CVX的优化算法分别设计模拟波束赋形矩阵和数字波束赋形矩阵以最大化最小的用户可达率，并在数字波束赋形之前进行等效信道估计；“经典鲁棒波束赋形算法”是指采用经典的信道误差范数有界模型，根据无人机最大抖动角度得到信道误差上界，进而采用基于CVX的半定规划求解混合波束赋形矩阵以最大化最小的用户可达率。从图5中可看出相比于其他两种可行的鲁棒性波束赋形设计方法，本专利所提出的混合波束赋形方法可以在无人机抖动较为严重时依然保证较高水平的最小用户可达率，鲁棒性很强，性能优于现有方法，适用于无人机抖动场景。

Claims (7)

1.一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一、建立无人机基站服务K个地面用户的下行通信系统模型；
步骤二、建立无人机基站到各个用户的通信信道模型；
步骤三、建立无人机基站的抖动模型，揭示无人机抖动角与信号发射角变化之间的关系；
步骤四、计算无人机基站到各个用户通信链路的可达率，构建目标函数最大化最小的用户可达率；
步骤五、基于chirp序列为每个用户设计宽波束以覆盖抖动时所有可能的信号发射角范围，得到无人机基站处的鲁棒性模拟波束赋形矩阵；
步骤六、基于等效信道估计、迫零算法和注水功率分配设计无人机基站的鲁棒性数字波束赋形矩阵以减小用户间的干扰并保证用户间的公平性。
2.如权利要求1所述一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，其特征在于：步骤一中具体下行通信系统模型建立方法为：
以地面上任意一点为原点，x，y，z轴分别指向东、北、垂直向上；令K个地面用户的坐标分别为(xk,yk,0)，k＝1,2,…,K，无人机基站的坐标为(xU,yU,hU)；无人机基站配备有N元均匀线性阵列和NRF个射频链，NRF＝K，均匀线性阵列天线指向为x轴正方向，用户均为单天线，则无人机和用户的位置彼此可知；
用户k的接收信号uk为：
Figure FDA0004125160000000011
其中，
Figure FDA0004125160000000012
为无人机基站到用户k的信道状态响应向量；
Figure FDA0004125160000000013
为模拟波束赋形矩阵，且需要满足恒模约束
Figure FDA0004125160000000014
[A]i,j为矩阵A第i行、第j列的元素；
Figure FDA0004125160000000015
为数字波束赋形矩阵，需要满足功率约束
Figure FDA0004125160000000016
||·||F表示矩阵的Frobenius范数；P为无人机基站总传输功率；s＝[s1,s2,…,sK]T为无人机基站发送给用户的信号，满足
Figure FDA0004125160000000017
IK为K阶单位矩阵；ek为用户k处的功率为
Figure FDA0004125160000000018
的零均值高斯白噪声。
3.如权利要求1所述一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，其特征在于：步骤二中，对通信信道的建模步骤如下：
令无人机基站和用户之间总是存在视距通信链路且忽略非视距分量的影响，则无人机基站到用户之间的信道响应向量表示为
hk＝βka(Θk)
其中，
Figure FDA0004125160000000021
为无人机到用户k的视距链路的信道增益系数；f为载波频率；c为光速；rk为无人机到用户k的距离；α为视距链路的路径损耗指数；hk为无人机基站到用户k的信道状态响应向量；
Θk为无人机不存在抖动时的理想发射角度θk的余弦值，表示为
Θk＝cos(θk)＝cos<rk,rULA>
其中，rk＝(xk-xU,yk-yU,-hU)为无人机到用户的传输方向，rULA＝(1,0,0)为初始天线指向方向，<rk,rULA>表示rk和rULA的夹角；
a(·)为天线指向向量，表示为：
Figure FDA0004125160000000022
其中，d为相邻天线之间的距离；λ为信号波长；N为均匀线性阵列的阵元数量。
4.如权利要求1所述一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，其特征在于：步骤三中，无人机基站的抖动建模为：
令无人机均匀线性阵列的三维随机抖动角Δθ在
Figure FDA0004125160000000023
范围内，即抖动时所有可能的阵列天线指向都包含在一个以初始指向为轴线的圆锥内，圆锥母线和轴线的夹角为
Figure FDA0004125160000000024
即天线指向最大偏离角；令圆锥轴线的长度为1，则实际天线指向角为
Figure FDA0004125160000000025
表示为
Figure FDA0004125160000000026
其中，
Figure FDA0004125160000000027
决定了抖动角的大小，ρ∈(0,2π]决定了抖动的方向，二者共同决定了实际的天线指向；则用户k实际存在抖动时的实际信号发射角为
Figure FDA0004125160000000028
实际的信道响应向量为
Figure FDA0004125160000000029
其中
Figure FDA00041251600000000210
为无人机存在抖动时的实际发射角度
Figure FDA00041251600000000211
的余弦值；βk为无人机到用户k的视距链路的信道增益系数；a(·)为天线指向向量。
5.如权利要求1所述一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，其特征在于：步骤四中，构建设计混合波束赋形以最大化最小的用户可达率的目标函数为
Figure FDA00041251600000000212
Figure FDA00041251600000000213
Figure FDA00041251600000000214
其中，Rk＝log2(1+SINRk)为用户k的可达率，A为模拟波束赋形矩阵；D为数字波束赋形矩阵；
Figure FDA00041251600000000215
为用户k接收信号的信干噪比；
Figure FDA00041251600000000216
为无人机基站到用户k的信道状态响应向量，
Figure FDA0004125160000000031
为用户k处的零均值高斯白噪声功率；N为均匀线性阵列的阵元数量；
Figure FDA0004125160000000032
为用户k接收到的有用信号的等效信道增益，
Figure FDA0004125160000000033
为用户k接收到的发给其他用户i的信息的等效信道增益，视为干扰信号。
6.如权利要求1所述一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，其特征在于：步骤五中，无人机基站的鲁棒性模拟波束赋形矩阵具体设计方法为：
A、计算无人机基站向用户k发送信号的波束在角度域需要覆盖的宽度和波束中心角度分别为
Figure FDA0004125160000000034
和
Figure FDA0004125160000000035
式中，θk为无人机不存在抖动时的理想发射角度；
Figure FDA0004125160000000036
为无人机均匀线性阵列三维随机抖动时的最大抖动角度；
B、依据chirp序列的定义将对用户k的天线阵列响应分解为
Figure FDA0004125160000000037
其中
Figure FDA0004125160000000038
表示向量pk和向量qk的哈达玛积，
Figure FDA0004125160000000039
决定波束的中心角为ξk，
Figure FDA00041251600000000310
决定了波束的宽度为[2a+b,2aN+b]；N为均匀线性阵列的阵元数量；
C、根据步骤A中的波束宽度，计算参数a和b的值分别为
Figure FDA00041251600000000311
则用户k的模拟波束赋形向量为
Figure FDA00041251600000000312
无人机基站处的模拟波束赋形矩阵为A＝[Γ1,Γ2,…,ΓK]；K为地面用户数；ωk为无人机基站向用户k发送信号的波束在角度域需要覆盖的宽度。
7.如权利要求1所述一种无人机毫米波鲁棒性混合波束赋形设计方法，其特征在于：步骤六中，数字波束赋形矩阵设计具体步骤为：
a、令每个用户分K个时隙向基站发射导频信号fk＝[fk,1,fk,2,…,fk,K]T，不同用户的导频信号是相互正交的，即满足
Figure FDA00041251600000000313
全部用户的导频信号表示为
Figure FDA00041251600000000314
其中Ep为用户的发射功率，且导频信号满足ΨHΨ＝EpIK；IK为K阶单位矩阵；
b、无人机基站采用步骤五设计的模拟波束赋形矩阵接收用户发送的导频信号，第k个射频接收到的信号为
Figure FDA00041251600000000315
其中
Figure FDA00041251600000000316
表示功率为
Figure FDA00041251600000000317
的零均值高斯白噪声构成的矩阵；Γk为用户k的模拟波束赋形向量；
Figure FDA00041251600000000318
为用户i实际的信道响应向量；Ep为用户的发射功率；fi为用户i向基站发射的导频信号；无人机基站接收到的信号为S＝[s′1,s′2,…,s′K]；
c、根据基站接收信号和用户发射的导频信号计算等效下行信道响应矩阵为
Figure FDA00041251600000000319
d、由迫零算法求数字波束赋形矩阵为
Figure FDA00041251600000000320
归一化得
Figure FDA0004125160000000041
其中，[D0]:,k表示归一化后的数字波束赋形矩阵D0的第k列，
Figure FDA0004125160000000042
表示矩阵
Figure FDA0004125160000000043
的第k列；
e、为等效信道增益小的用户分配更多功率，以保证用户之间的服务公平性，向用户k发射信号的功率为
Figure FDA0004125160000000044
则无人机基站处的数字波束赋形矩阵为
Figure FDA0004125160000000045
P为无人机基站总传输功率。
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GB8618220D0 (en) * 1986-07-25 1986-09-03 British Aerospace Spacecraft attitude control
CN108039927A (zh) * 2017-10-26 2018-05-15 北京航空航天大学 一种基于多波束天线的电子辅助无人机通信方法
CN108196290B (zh) * 2017-11-20 2022-05-20 南京航空航天大学 一种无人机群载极化阵列姿态测量和目标探测方法
CN112636804B (zh) * 2020-11-12 2022-08-26 北京航空航天大学 一种基于毫米波阵列的多无人机基站协同传输方法
CN214378861U (zh) * 2021-03-23 2021-10-08 中国人民解放军空军工程大学 一种s波段宽频带宽波束飞行器天线
CN113329416B (zh) * 2021-04-23 2022-07-12 北京邮电大学 无人机载天线阵列的波束对准方法、系统

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