CN114649667A - 自适应位姿变化的天线定向通信方法和通信装置 - Google Patents

自适应位姿变化的天线定向通信方法和通信装置 Download PDF

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CN114649667A CN202111634730.3A CN202111634730A CN114649667A CN 114649667 A CN114649667 A CN 114649667A CN 202111634730 A CN202111634730 A CN 202111634730A CN 114649667 A CN114649667 A CN 114649667A
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Abstract

本发明公开了一种自适应位姿变化的天线定向通信方法，包括第一通信端和第二通信端，所述第一通信端包括天线，所述第二通信端包括可重构定向天线和控制单元，所述第一通信端和第二通信端通过所述天线和可重构定向天线进行相互通信，所述控制单元获取所述第一通信端的位置信息、所述第二通信端的位置信息和姿态信息，并由所述位置信息和姿态信息计算得到可重构定向天线的期望天线指向，然后控制所述可重构定向天线以期望天线指向改变方向图，所述第一通信端和第二通信端通过所述天线和以及改变方向图后的可重构定向天线进行相互通信。本发明还公开了自适应位姿变化的天线定向通信装置。本发明满足对起落架及舱门的控制需求，灵活便携。

Description

自适应位姿变化的天线定向通信方法和通信装置
技术领域
本发明涉及一种天线定向通信方法和通信装置，特别是一种自适应位姿变化的天线定向通信方法和通信装置。
背景技术
天线是无线通信系统的前端部件，其性能影响着整个无线通信系统的质量和可靠性。为了增强通信距离，一种有效手段是增大天线的增益，提高能量使用效能，也即将天线的能量集中在某个方向上，并瞄准通信装置的另一端。但是，使用无线、远距离传输的场景，天线往往不是固定安装的，通常的场景是一个通信端安装固定在某个位置、例如移动基站，但是另一个通信端处于运动态势，例如移动的飞行器、车辆、船舶、人员等等。此时，定向天线的瞄准方向需要实时变化，否则就会使得通信质量严重下降，甚至会造成通信中断。例如，飞机在空中飞行时，其所处的绝对地理坐标、俯仰角、滚转角、偏航角等总有变动。此时如果要精确地瞄准地面端的某个目标或者通信塔台时，飞机的摇摆与摇摆角度测量误差和角速度测量误差会引起天线对目标观测的偏差，进而对天线的目标跟踪精度产生影响。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种自适应位姿变化的天线定向通信方法，解决飞机位置及姿态变化导致天线未对准而造成不良通信的问题。本发明的另一任务在于提供一种自适应位姿变化的通信装置。
本发明技术方案如下：一种自适应位姿变化的天线定向通信方法，包括第一通信端和第二通信端，所述第一通信端包括天线，所述第二通信端包括可重构定向天线和控制单元，所述第一通信端和第二通信端通过所述天线和可重构定向天线进行相互通信，所述控制单元获取所述第一通信端的位置信息、所述第二通信端的位置信息和姿态信息，并由所述位置信息和姿态信息计算得到可重构定向天线的期望天线指向，控制所述可重构定向天线以期望天线指向改变方向图，所述第一通信端和第二通信端通过所述天线和以及改变方向图后的可重构定向天线进行相互通信。
进一步地，所述获取第一通信端的位置信息、所述第二通信端的位置信息和姿态信息中的位置信息是通过定位设备确定的位置信息，所述姿态信息是通过姿态传感器确定的俯仰角、滚转角和偏航角。
进一步地，所述计算可重构定向天线的期望天线指向具体是：设立一个空间直角坐标系，设初始姿态的所述第二通信端为正方形平面并使其处于所述空间直角坐标系的XOY平面，X轴指向所述第二通信端的头部，Y轴指向所述第二通信端的左方，Z轴向上，所述正方形平面的中心与坐标系原点重合，计算所述第二通信端在初始姿态时的Z 轴单位向量经所述第二通信端姿态变化后与所述第一通信端至坐标系原点连线的夹角。
进一步地，所述第二通信端在初始姿态时的Z轴单位向量经所述第二通信端姿态变化后与所述第一通信端至坐标系原点连线的夹角包括天线方向角α和天线偏航角β，
Figure RE-GDA0003649136570000021
Figure RE-GDA0003649136570000022
Figure RE-GDA0003649136570000023
其中α∈[0，π/2]，x,y,z为所述第一通信端在空间直角坐标系的坐标，θ为所述第二通信端的俯仰角，
Figure RE-GDA0003649136570000024
为所述第二通信端的滚转角，Ψ为所述第二通信端的偏航角。
一种自适应位姿变化的通信装置，包括第一通信端和第二通信端，所述第一通信端包括天线和第一信息处理单元，所述第二通信端包括可重构定向天线、控制单元、第二信息处理单元、位置传感器和姿态传感器，所述第一通信端和第二通信端通过所述天线和可重构定向天线进行相互通信，所述第一信息处理单元和所述第二信息处理单元用于接收发送通信业务信息，所述控制单元与所述可重构定向天线、位置传感器和姿态传感器连接，所述控制单元执行所述自适应位姿变化的天线定向通信方法。
进一步地，所述位置传感器为卫星导航定位设备或室内无线定位设备，所述姿态传感器包括陀螺仪、加速度计和指南针。
进一步地，所述第一通信端的天线为定向天线或全向天线，所述第二通信端设有一个或多个。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本专利提出的自适应位姿变化天线定向通信方法采用定向天线收发的方式以及位姿变化自适应算法大程度，有效消除通信端因运动带来的位置、姿态变化而导致的定向天线对准问题，保证了在运动过程中实时可靠通信，提升了通信的流畅性与传输数据的准确度，提升信号强度。本发明可以实现点对点或者点对多点目标的可靠通信，能有效防止目标在位姿变化时通信丢失，并且与常见通信标准相兼容，使用简单快捷。
附图说明
图1为实施例的自适应位姿变化的通信装置模块示意图。
图2为第一通信端与第二通信端位置关系示意图。
图3为可重构定向天线示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例，请结合图1所示，本实施例的自适应位姿变化的通信装置，包括第一通信端1和第二通信端2，第一通信端1包括天线101和第一信息处理单元102，其中天线101可以是定向天线(适用于与第二通信端进行点对点通信)，也可以是全向天线(适用于与多个与第二通信端同类的设备进行点对多点通信)；第一信息处理单元102包括通信系统必须包含的变频、信号处理设备以及用于处理业务数据的单片机、嵌入式系统、 PC设备。第二通信端2为可移动的平台其包括可重构定向天线201、控制单元202、第二信息处理单元203、位姿态传感器204，其中可重构定向天线201由二维排布的相位可控的单元构成，第二信息处理单元203与第一信息处理单元102相同，不过由于第二通信端2通常为可移动平台，一般采用单片机及嵌入式系统处理业务数据。控制单元202 可以由FPGA、单片机等具有运算记忆输出控制能力的电子设备构成，执行自适应位姿变化的天线定向通信方法，以及输出天线的方向图方位角、水平角对可重构定向天线201 进行控制；位姿传感器204与控制单元202连接包含位置传感器和姿态传感器，位置传感器可以是卫星导航定位设备，例如GPS、北斗等卫星定位模块，也可以是室内无线定位设备，例如UWB定位模块等。姿态传感器包括陀螺仪、加速度计、指南针，可对第二通信端进行精确的姿态感应与输出。第一通信端1和第二通信端2通过天线101和可重构定向天线201建立无线电互联，进行相互通信，包括但不限于运动控制指令、平台采集的传感数据等。
请结合图2所示，执行自适应位姿变化的天线定向通信方法的具体过程是，在第二通信端2位置及姿态改变后，由控制单元202202计算可重构定向天线201的期望天线指向，也就是获得方向图的方位角、水平角。不妨设第二通信端2为一个正方形平面，将其置于空间直角坐标系中，并令其初始位置位于XOY平面，此时x轴指向头部，y 轴指向左方，z轴向上，且正方形平面中心点与坐标系原点重合。为了后续计算角度方便，从平面的中心点向Z轴方向作一个单位向量，记作r，这样，平台以任意俯仰角、偏航角、滚转角运动时，第一通信端1的坐标与原点的连线与那条偏转之后的r向量所构成的夹角，就是所要研究的角度。
对于方位角的计算，向量绕定轴旋转的计算公式，即为罗德里戈旋转公式，该公式是计算三维空间中，一个向量绕旋转轴旋转给定角度以后得到的新向量的计算公式。具体公式如下：
设v是一个三维空间向量，k是旋转轴的单位向量，则v在右手螺旋定则意义下绕旋转轴k旋转角度θ得到的向量可以由三个不共面的向量v，k和k×v构成的标架表示：
vrot＝v·cosθ+(1-cosθ)·(v·k)·k+sinθ·(k×v)，为计算方便，采用该公式的矩阵形式，即如果把k和v分别写成列向量：
Figure RE-GDA0003649136570000041
则旋转以后的向量可以表示为：vrot＝Rv，其中
Figure RE-GDA0003649136570000042
其中E是3阶单位矩阵。需要注意的是，公式中的第二项不是点积，而是张量积，得到的是一个3行3列的矩阵。通过这一公式，则可以将计算过程简化。
首先考虑俯仰角θ，相当于将向量(0，0，-1)绕y轴选转了θ角度，不妨设转轴为(0，1，0)，运用公式可以得到如下式子：
Figure RE-GDA0003649136570000043
Figure RE-GDA0003649136570000044
接着考虑滚转角φ，该角的转轴比较复杂，相当于向量(1，0，0)经过俯仰角θ的偏转后所得到的新向量，经过计算可得滚转角的转轴：
Figure RE-GDA0003649136570000045
运用公式可计算得到变换矩阵R2：
Figure RE-GDA0003649136570000051
从而有：
Figure RE-GDA0003649136570000057
最后考虑偏航角Ψ，相当于将v2绕z轴旋转角度Ψ，为计算方便，这里令转轴为(0，0，1)，运用公式可得到旋转矩阵R3：
Figure RE-GDA0003649136570000052
从而有
Figure RE-GDA0003649136570000053
至此，计算得出了初始v(0，0，-1)经过一定的俯仰角、滚转角、偏航角变化后得到的向量v3，设第一通信端1在坐标系中的坐标为(x，y，z)，此时再利用向量的夹角公式
Figure RE-GDA0003649136570000054
就可以求得所需夹角的余弦值了，余弦值为
Figure RE-GDA0003649136570000055
其中α∈[0，π/2|，因此可以得到唯一的α也就是平台坐标系下原点与第一通信端1向量与Z轴的夹角，也即定向天线波束的方向角。
对于水平角的计算以平台中心为原点，建立一个NED(北东地)参考系。设第一通信端1在前述的平台坐标系中坐标为(x，y，z)，则第一通信端1在机体系(FRD(前右下)参考系)中坐标可以由变换矩阵得到。
平台坐标系(地面系坐)标转机体系坐标的旋转矩阵为：
Figure RE-GDA0003649136570000056
由于上述NED系与地面系(也为NED系)姿态相同，且NED系与机体系原点重合，从上述NED系坐标转机体系坐标的变换矩阵即为
Figure RE-GDA0003649136570000061
变换后坐标为：
Figure RE-GDA0003649136570000063
得到第一通信端1在机体系的坐标后，即可计算天线在机体系的目标偏航角：
Figure RE-GDA0003649136570000064
需要注意的是，正前方(机体系X轴)水平角为0。
以上述计算得到的方向角和偏航角为期望值控制可重构定向天线201改变方向图，请结合图3所示，假设可重构定向天线201的单元尺寸为D，在x方向第m个和y方向第n个单元的相位为
Figure RE-GDA0003649136570000065
在x方向上单元数量为M，在y方向上的数量为N，在整个可重构定向天线201的方向图计算公式为：
Figure RE-GDA0003649136570000066
由此，可以通过控制每个单元的相位以控制可重构定向天线201的方向图，具体的对于可重构定向天线201的控制可参见Cui T J,Qi M Q,Wan X,et al.Codingmetamaterials,digital metamaterials and programmable metamaterials[J].Light:Science& Applications,2014,3(10):e218-e218.所公开的技术，在此不再赘述。最后第一通信端1 和第二通信端2通过第一通信端1的天线和以及改变方向图后的可重构定向天线201进行相互通信，保证通信质量。

Claims (7)

1.一种自适应位姿变化的天线定向通信方法，其特征在于，包括第一通信端和第二通信端，所述第一通信端包括天线，所述第二通信端包括可重构定向天线和控制单元，所述第一通信端和第二通信端通过所述天线和可重构定向天线进行相互通信，所述控制单元获取所述第一通信端的位置信息、所述第二通信端的位置信息和姿态信息，并由所述位置信息和姿态信息计算得到可重构定向天线的期望天线指向，然后控制所述可重构定向天线以期望天线指向改变方向图，所述第一通信端和第二通信端通过所述天线和以及改变方向图后的可重构定向天线进行相互通信。
2.根据权利要求1所述的自适应位姿变化的天线定向通信方法，其特征在于，所述获取第一通信端的位置信息、所述第二通信端的位置信息和姿态信息中的位置信息是通过定位设备确定的位置信息，所述姿态信息是通过姿态传感器确定的俯仰角、滚转角和偏航角。
3.根据权利要求1所述的自适应位姿变化的天线定向通信方法，其特征在于，所述计算可重构定向天线的期望天线指向具体是：设立一个空间直角坐标系，设初始姿态的所述第二通信端为正方形平面并使其处于所述空间直角坐标系的XOY平面，X轴指向所述第二通信端的头部，Y轴指向所述第二通信端的左方，Z轴向上，所述正方形平面的中心与坐标系原点重合，计算所述第二通信端在初始姿态时的Z轴单位向量经所述第二通信端姿态变化后与所述第一通信端至坐标系原点连线的夹角。
4.根据权利要求3所述的自适应位姿变化的天线定向通信方法，其特征在于，所述第二通信端在初始姿态时的Z轴单位向量经所述第二通信端姿态变化后与所述第一通信端至坐标系原点连线的夹角包括天线方向角α和天线偏航角β，
Figure FDA0003441604560000011
Figure FDA0003441604560000012
Figure FDA0003441604560000013
Figure FDA0003441604560000021
其中α∈[0，π/2]，x,y,z为所述第一通信端在空间直角坐标系的坐标，θ为所述第二通信端的俯仰角，
Figure FDA0003441604560000022
为所述第二通信端的滚转角，Ψ为所述第二通信端的偏航角。
5.一种自适应位姿变化的通信装置，其特征在于，包括第一通信端和第二通信端，所述第一通信端包括天线和第一信息处理单元，所述第二通信端包括可重构定向天线、控制单元、第二信息处理单元、位置传感器和姿态传感器，所述第一通信端和第二通信端通过所述天线和可重构定向天线进行相互通信，所述第一信息处理单元和所述第二信息处理单元用于接收发送通信业务信息，所述控制单元与所述可重构定向天线、位置传感器和姿态传感器连接，所述控制单元执行权利要求1至4中任意一项所述的自适应位姿变化的天线定向通信方法。
6.根据权利要求5所述的自适应位姿变化的天线定向通信装置，其特征在于，所述位置传感器为卫星导航定位设备或室内无线定位设备，所述姿态传感器包括陀螺仪、加速度计和指南针。
7.根据权利要求5所述的自适应位姿变化的天线定向通信装置，其特征在于，所述第一通信端的天线为定向天线或全向天线，所述第二通信端设有一个或多个。
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