CN115296712A - 具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置及其切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置及其切换方法，包括地面终端，所述地面终端与机载终端相互通信；地面终端包括收发组合、二选一射频开关、十二选一射频开关、全向天线和定向天线，所述二选一射频开关分别与收发组合、十二选一射频开关、全向天线相连接，所述十二选一射频开关与定向天线相连接。本发明有益效果：本方法可通过地面定向天线切换实现中远距离无人机视距通信，且方法简单，易于使用、维护，本装置无机械可动部件，可靠性高，抗风能力强，适应性好；无需高精度、大力矩天线伺服，重量轻，成本低。

Description

具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置及其切换方法
技术领域
本发明属于数据链技术领域，尤其是涉及一种具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置及其切换方法。
背景技术
无人机数据链是无人机系统的重要组成部分，是飞行器与地面系统联系的纽带。随着通信距离增大，中远程无人机视距通信时，通常采用定向天线加伺服跟踪的方式实现，通过控制地面定向天线实时指向受控飞机，增强飞机方向上信号强度，弥补由于通信距离增大带来的自由空间衰减。使用最多的为二维伺服转台，方位转台对飞机的水平方位进行跟踪，俯仰伺服转台对飞机的俯仰方向进行跟踪指向。跟踪方式，通常为手动跟踪，数字引导及自跟踪三种。这种方式方案成熟，机制清晰，较好的满足了常规条件下的使用需求，得到了广泛应用。然而，由于定向天线的天线面通常为平板或抛面，且增益越高，天线面积越大，使得设备迎风面很大，风阻明显，在大风条件下使用受到了诸多限制，对伺服力矩，抗风性能都提出了更高的挑战。通常的解决方式有两种，一是更换更大力矩，更高抗风性能的伺服，这样会导致系统重量增加、成本上升，二是增加天线罩，将设备整个罩住，避免大风的影响，这样的方式增加了系统使用、调试、维护难度，也增加了系统成本。同时，由于伺服本身结构复杂，由诸多可电子元件、机械可动部件构成，难以实现完全密封、可靠性，环境适应性较差。本发明提出一种基于地面环形定向天线阵列切换的方式实现中远程无线视距通信，系统结构简单，成本低，无机械可动部件，可靠性高，抗风能力强，具有极高的适用性和经济价值。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，以解决现有中远程无人机数据链，地面终端抗风能力弱，可靠性差、成本高等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，包括地面终端，所述地面终端与机载终端相互通信；
所述地面终端包括收发组合、二选一射频开关、十二选一射频开关、全向天线和定向天线，所述二选一射频开关分别与收发组合、十二选一射频开关、全向天线相连接，所述十二选一射频开关与定向天线相连接；
所述定向天线包括12个天线，12个天线与全向天线均与机载终端通信连接，12个天线结构相同，12个天线按照1-12进行编号，分别为一号天线、二号天线、三号天线、四号天线、五号天线、六号天线、七号天线、八号天线、九号天线、十号天线、十一号天线、十二号天线，所述定向天线通过一号天线标定自身的经纬度及真北夹角。
进一步的，所述地面终端工作于L频段。
进一步的，12个天线顺时针依次均匀排列形成单层环形结构。
进一步的，每个天线的水平方向3dB波束角不小于30°，俯仰波束角不小于18°，每个天线的增益为14dB。
进一步的，12个天线顺时针均匀排列形成双层环形结构。
进一步的，所述全向天线的增益范围为0dB到6dB。
进一步的，所述定向天线的天线增益≮14dB。
相对于现有技术，本发明所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置具有以下优势：
本发明所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，无机械可动部件，可靠性高，抗风能力强，适应性好；无需高精度、大力矩天线伺服，重量轻，成本低。
本发明的另一目的在于提出一种具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置的切换方法，以解决现有中远距离无人机视距通信不便的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置的切换方法，包括以下步骤：
S1、判断机载终端与地面终端距离是否适用于定向天线进行通信，是，则通过二选一射频开关使用定向天线对机载终端与地面终端进行通信，并进入步骤S2，否则通过二选一射频开关使用时全向天线对机载终端与地面终端进行通信；
S2、将一号天线指向真北方向，设置地面终端的经纬度，地面终端实时接收机载终端下发的机载终端经纬度信息，并通过夹角计算公式计算地面终端与机载终端的夹角角度，同时进入步骤S3-步骤S14；
S3、当地面终端与机载终端的夹角角度处于0-30°时，表明飞机在1号定向天线的3dB波束角范围内，使用一号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S4、当地面终端与机载终端的夹角角度处于30°-60°时，表明飞机在2号定向天线的3dB波束角范围内，使用二号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S5、当地面终端与机载终端的夹角角度处于60°-90°时，表明飞机在3号定向天线的3dB波束角范围内，使用三号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S6、当地面终端与机载终端的夹角角度处于90°-120°时，表明飞机在4号定向天线的3dB波束角范围内，使用四号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S7、当地面终端与机载终端的夹角角度处于120°-150°时，表明飞机在5号定向天线的3dB波束角范围内，使用五号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S8、当地面终端与机载终端的夹角角度处于150°-180°时，表明飞机在6号定向天线的3dB波束角范围内，使用六号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S9、当地面终端与机载终端的夹角角度处于180°-210°时，表明飞机在7号定向天线的3dB波束角范围内，使用七号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S10、当地面终端与机载终端的夹角角度处于210°-240°时，表明飞机在8号定向天线的3dB波束角范围内，使用八号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S11、当地面终端与机载终端的夹角角度处于240°-270°时，表明飞机在9号定向天线的3dB波束角范围内，使用九号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S12、当地面终端与机载终端的夹角角度处于270°-300°时，表明飞机在10号定向天线的3dB波束角范围内，使用十号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S13、当地面终端与机载终端的夹角角度处于300°-330°时，表明飞机在11号定向天线的3dB波束角范围内，使用十一号天线对机载终端与地面终端进行通信；
S14、当地面终端与机载终端的夹角角度处于330°-360°时，表明飞机在12号定向天线的3dB波束角范围内，使用十二号天线对机载终端与地面终端进行通信。
进一步的，所述夹角计算公式为：
Figure 461768DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 146827DEST_PATH_IMAGE003
为地面终端与机载终端的夹角，
Figure 622808DEST_PATH_IMAGE004
分别为机载终端、地面终端的经度；
Figure 559978DEST_PATH_IMAGE005
分别为机载终端、地面终端的纬度。
相对于现有技术，本发明所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置的切换方法具有以下优势：
本发明所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置的切换方法，可通过地面定向天线切换实现中远距离无人机视距通信，且方法简单，易于使用、维护。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的数据链装置示意图；
图2为本发明实施例所述的单层定向天线示意图；
图3为本发明实施例所述的双层定向天线示意图。
附图标记说明：
1、一号天线；2、二号天线；3、三号天线；4、四号天线；5、五号天线；6、六号天线；7、七号天线；8、八号天线；9、九号天线；10、十号天线；11、十一号天线；12、十二号天线；13、收发组合；14、二选一射频开关；15、十二选一射频开关；16、全向天线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图3所示，一种具有地面环形定向天线阵切换功能的数据链装置由收发组合13，二选一射频开关14，十二选一射频开关15，全向天线16和定向天线阵列组成；收发组合13可以为现有的微波前端和基带单元组成。
当飞机起飞、降落时，飞机与地面站处于同场，距离较近，使用全向天线16通信，具有更高可靠性。
当飞机起飞后，超出全向天线16作用范围则需要使用定向天线，增强信号强度，补偿自由空间损耗。
在本发明一种优选的实施方式中，所述数据链装置工作于L频段，但不限于该频段；所述全向天线16增益可以为0dB到6dB，在实际使用时，所用全向天线16可以是0dB-6dB之间的某个值；所述环形定向天线阵列由一组12个天线组成，各定向天线，硬件一致，按照1-12进行编号，顺时针依次均匀排列；所述定向天线阵列需围成圆环形，形成360°水平覆盖；所述定向天线水平方向3dB波束角≮30°；所述定向天线俯仰方向3dB波束角≮18°；所述定向天线的天线增益≮14dB。
在本发明一种优选的实施方式中，所述定向天线通过一个12通道的射频开关与二选一射频开关14相连；所述定向天线通过一号天线1标定自身的经度、纬度及真北夹角；通过数字引导方式确定飞机与地面一号天线1的夹角，控制射频开关选通当前指向飞机的定向天线，实现与飞机的通信。
在本发明一种优选的实施方式中，所述定向天线构成的环形阵列，由12个14dB的定向天线构成，每个天线的水平方向3dB波束角不小于30°，则12个天线的方向图彼此重叠，即可构成一个水平360°，增益14db，水平不圆度≯3dB的等效全向覆盖；
关于如何判断机载终端与地面终端距离是否适用于切换定向天线，原因如下：本数据链装置的无人机数据传输系统，属于现有典型的低仰角数据传输系统，当作用半径在10-200千米范围，飞机所需的飞行高度约为0.1-3.5千米，对应的天线俯仰角度小于6°，定向天线俯仰方向3dB波束角≮18°，可完全满足指向要求，此时可使用定向天线，当机载终端与地面终端近距离通信时（具体距离可参考实施例1），使用全向天线16即可，因此仅需考虑方位方向跟踪即可。
根据如下公式，在已知地面终端经纬度，机载终端经纬度，即可解算出两者之间的夹角。
其中，
Figure 96002DEST_PATH_IMAGE006
为地面终端与机载终端的夹角，
Figure 330674DEST_PATH_IMAGE007
，分别为机载终端，地面终端的所在经度，
Figure 485712DEST_PATH_IMAGE008
分别为机载终端，地面终端所在纬度。
Figure 755019DEST_PATH_IMAGE009
定义东经为正，西经为负，北纬为正，南纬为负，两点夹角为
Figure 461944DEST_PATH_IMAGE010
。
在东半球、北半球时，
Figure 856016DEST_PATH_IMAGE011
;
在西半球、北半球时，
Figure 673800DEST_PATH_IMAGE012
;
在南半球时，
Figure 469717DEST_PATH_IMAGE013
；
使用时，将一号天线1指向真北方向，并设置好地面终端的经、纬度，地面终端实时接收机载终端下发的机载终端经纬度信息，通过上述公式即可计算出飞机终端与地面终端之间的夹角。
当两者之间夹角为0-30°时，飞机在一号天线1的3dB波束角范围内，因此使用一号天线1；
当两者之间夹角为30°-60°时，飞机在二号天线2的3dB波束角范围内，因此使用二号天线2；
以此类推，根据不同的夹角，分别选用相对应的定向天线，即可实现对飞机的实时高增益指向。
所述根据经纬度解算方位角的方法，仅为最简化的一种方式，但不限于该方法，其它方法亦可使用，如直接调用GeoGraphiclib库函数等；
所述一号天线1，优选正对真北角，此时一号天线1与真北夹角为0°，直接通过计算所得夹角进行判决即可；当一号天线1与真北夹角有个角度时，则将一号天线1与真北角的夹角补偿到计算所得夹角中亦可实现。
所述环形定向天线阵列，有多种部署方式，可以部署在一层，也可以错位部署为两层，以适应不同的安装场景，但不限于这两种方式；
实施例1
如图1所示，本发明一种具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，地面终端由收发组合13，二选一射频开关14，十二选一射频开关15，全向天线16及十二个14dB增益的定向天线组成。本场起降或近距离飞行时，二选一射频开关14选通全向天线16用于与机载终端的通信，当飞行任务区超出全向天线16测控半径时，二选一选通定向开关支路，根据地面终端、机载终端的经度、纬度、真北夹角信息，实时解算机载终端与地面终端的方位关系，由收发组合13控制十二选一射频开关15选通相应的定向天线，实现通信。
图2为单层部署时定向天线环形布置的示意图，定向天线两两之间夹角为30°，小于天线水平波束3dB波束角，定向天线，单个尺寸长、宽、厚，小于500mm*300mm *60mm，单层部署组成的环形阵列尺寸为，直径约1200mm，高500mm的圆环。
图3为双层部署时定向天线环形布置的示意图，定向天线两两之间夹角为30°，小于天线水平波束3dB波束角，定向天线，单个尺寸长、宽、厚，小于500mm*300mm *60mm，双层部署组成的环形阵列尺寸为，直径约600mm，高1000mm的圆环。
下面结合一实施例进行详述，机载终端功放输出功率40dBm，机载天线增益0dB，地面定向天线增益14dB，考虑3dB波束宽度影响，取天线增益
Figure 347543DEST_PATH_IMAGE014
为11dB，地面全向天线增益0dB，工作频率1.4G，灵敏度为-99dbm。其他损耗
Figure 556808DEST_PATH_IMAGE015
，比如雨衰、极化损耗等，一般取经验值2dB，工程上预留10dB链路余量。
Figure 53648DEST_PATH_IMAGE016
Figure 159532DEST_PATH_IMAGE017
为最大自由空间损耗，代入公式可得地面使用定向天线时允许的最大自由空间损耗
Figure 145943DEST_PATH_IMAGE018
，代入自由空间损耗公式
Figure 514607DEST_PATH_IMAGE019
其中
Figure 939772DEST_PATH_IMAGE020
为空间距离，单位Km；
Figure 710282DEST_PATH_IMAGE021
为信号频率，单位MHz。得到定向天线最大对应的最大空间距离
Figure 664332DEST_PATH_IMAGE022
=136公里；
同理可得，地面使用全向天线16时，允许的最大空间距离为38公里；
取一定降额，当机载终端，地面终端距离小于20公里时，地面使用全向天线进行通信，当机载终端、地面终端距离大于20公里时，使用环形定向天线进行数字引导切换指向通信。
飞行高度为3000米以下时，机载终端、地面终端的最大俯仰度≯8.5°，小于使用定向天线阵列俯仰方向的3dB波束宽度，可完全满足使用要求。
综上，实施例所述配置条件下，本发明一种具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，可实现136公里半径的可靠通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，其特征在于：包括地面终端，所述地面终端与机载终端相互通信；
所述地面终端包括收发组合(13)、二选一射频开关(14)、十二选一射频开关(15)、全向天线(16)和定向天线，所述二选一射频开关(14)分别与收发组合(13)、十二选一射频开关(15)、全向天线(16)相连接，所述十二选一射频开关(15)与定向天线相连接；
所述定向天线包括12个天线，12个天线、所述全向天线(16)均与机载终端通信连接，12个天线结构相同，12个天线按照1-12进行编号，分别为一号天线(1)、二号天线(2)、三号天线(3)、四号天线(4)、五号天线(5)、六号天线(6)、七号天线(7)、八号天线(8)、九号天线(9)、十号天线(10)、十一号天线(11)、十二号天线(12)，所述定向天线通过一号天线(1)标定自身的经纬度及真北夹角。
2.根据权利要求1所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，其特征在于：所述地面终端工作于L频段。
3.根据权利要求1所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，其特征在于：所述定向天线的天线增益≮14dB。
4.根据权利要求1所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，其特征在于：12个天线顺时针依次均匀排列形成单层环形结构。
5.根据权利要求1所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，其特征在于：每个天线的水平方向3dB波束角不小于30°，俯仰波束角不小于18°，每个天线的增益为14dB。
6.根据权利要求1所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，其特征在于：12个天线顺时针均匀排列形成双层环形结构。
7.根据权利要求1所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置，其特征在于：所述全向天线(16)的增益范围为0dB到6dB。
8.应用权利要求1-7任一所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置的切换方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、判断机载终端与地面终端距离是否适用于定向天线进行通信，是，则通过二选一射频开关(14)使用定向天线对机载终端与地面终端进行通信，并进入步骤S2，否则通过二选一射频开关(14)使用时全向天线(16)对机载终端与地面终端进行通信；
S2、将一号天线(1)指向真北方向，设置地面终端的经纬度，地面终端实时接收机载终端下发的机载终端经纬度信息，并通过夹角计算公式计算地面终端与机载终端的夹角角度，同时进入步骤S3-步骤S14；
S3、当地面终端与机载终端的夹角角度处于0-30°时，表明飞机在一号天线(1)的3dB波束角范围内，使用一号天线(1)对机载终端与地面终端进行通信；
S4、当地面终端与机载终端的夹角角度处于30°-60°时，表明飞机在二号天线(2)的3dB波束角范围内，使用二号天线(2)对机载终端与地面终端进行通信；
S5、当地面终端与机载终端的夹角角度处于60°-90°时，表明飞机在三号天线(3)的3dB波束角范围内，使用三号天线(3)对机载终端与地面终端进行通信；
S6、当地面终端与机载终端的夹角角度处于90°-120°时，表明飞机在四号天线(4)的3dB波束角范围内，使用四号天线(4)对机载终端与地面终端进行通信；
S7、当地面终端与机载终端的夹角角度处于120°-150°时，表明飞机在五号天线(5)的3dB波束角范围内，使用五号天线(5)对机载终端与地面终端进行通信；
S8、当地面终端与机载终端的夹角角度处于150°-180°时，表明飞机在六号天线(6)的3dB波束角范围内，使用六号天线(6)对机载终端与地面终端进行通信；
S9、当地面终端与机载终端的夹角角度处于180°-210°时，表明飞机在七号天线(7)的3dB波束角范围内，使用七号天线(7)对机载终端与地面终端进行通信；
S10、当地面终端与机载终端的夹角角度处于210°-240°时，表明飞机在八号天线(8)的3dB波束角范围内，使用八号天线(8)对机载终端与地面终端进行通信；
S11、当地面终端与机载终端的夹角角度处于240°-270°时，表明飞机在九号天线(9)的3dB波束角范围内，使用九号天线(9)对机载终端与地面终端进行通信；
S12、当地面终端与机载终端的夹角角度处于270°-300°时，表明飞机在十号天线(10)的3dB波束角范围内，使用十号天线(10)对机载终端与地面终端进行通信；
S13、当地面终端与机载终端的夹角角度处于300°-330°时，表明飞机在十一号天线(11)的3dB波束角范围内，使用十一号天线(11)对机载终端与地面终端进行通信；
S14、当地面终端与机载终端的夹角角度处于330°-360°时，表明飞机在十二号天线(12)的3dB波束角范围内，使用十二号天线(12)对机载终端与地面终端进行通信。
9.根据权利要求8所述的具有环形定向天线阵切换功能的数据链装置的切换方法，其特征在于：所述夹角计算公式为：
Figure 738563DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 29867DEST_PATH_IMAGE002
为地面终端与机载终端的夹角，
Figure 500163DEST_PATH_IMAGE003
分别为机载终端、地面终端的经度；
Figure 167904DEST_PATH_IMAGE004
分别为机载终端、地面终端的纬度。
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